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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:bsz:25-opus-87528
URL: http://www.freidok.uni-freiburg.de/volltexte/8752/


Bielek, Heike Shelagh

The E. coli Cytotoxic Necrotizing Factor 1 induces negative regulation of Rac1 and RhoA by different mechanisms

Der E. coli Zytotoxisch Nekrotisierende Faktor 1 induziert eine negative Regulation von Rac1 und RhoA durch unterschiedlichen Mechanismen.

Dokument1.pdf (6.379 KB) (md5sum: fcda588d8b669364d3cc8883ee8df503)

Kurzfassung in Englisch

The Cytotoxic Necrotizing Factor family (CNF1, 2, 3, Y) modifies small GTPases of the Rho family by deamidation of a crucial glutamine (Gln63 in RhoA, Gln61 in Rac1/Cdc42), which leads to the constitutive activation of Rho proteins. However, the initial activation of Rac1 and RhoA by CNF1 is followed by inactivation mechanisms. It could be shown that CNF1-deamidated and constitutively activated Rac1 interacts with KPNA2 via its C-terminal NLS and is subsequently translocated to the nucleus. There, Rac1 interacts probably with various nuclear effectors such as IQGAPs. It was shown that the inactivation of Rac1 is achieved by Rac1 depletion by the 26S ubiquitin-proteasome-system. In contrast, RhoA inactivation is independent of degradation or protein turnover. While CNFY induces the persistent activation of RhoA, CNF1 promotes further signaling mechanisms that cause a robust and dominant effect over RhoA wild-type or CNFY pre-activated RhoA, RhoAQ63E and RhoAG14V constitutive active mutants. In contrast, it was observed that RhoAQ63L was not susceptible to this effect, which might be based on the high affinity of this mutant to its effectors. The dominance of the CNF1 action is not achieved by receptor-mediated signaling during uptake of the toxin, Cdc42 crosstalk or enhanced interaction of RhoA with RhoGDI. However, it was found that membrane interaction of RhoA is essential for the regulatory effect of CNF1.
CNF1- initially active or CNFY- deamidated RhoA is recruited to the plasma membrane where effector binding must occur. It could be shown that this membrane association is a prerequisite for the following process of inactivation by CNF1. Therefore, negative regulation of RhoA must proceed at the plasma membrane to cause translocation to the cytosol and blockage of Rho downstream signaling. This hypothesis was supported by studies with RhoAS188E, which was susceptible for activation but not inactivation of CNF1 probably due to its cytosolic localization, while the membrane binding RhoAS188A could be inactivated. Furthermore, the C-terminal lipid anchor plays an important role in CNF1-induced inactivation, because lack of the isoprenyl group by the action of an HMG-CoA-reductase inhibitor (lovastatin) or the RhoAC190S mutant blocks RhoA inactivation. Membrane release of RhoA is observed in HEK293 and LNCaP cell lines that are responsive to the CNF1 effect. In contrast, MEF cells are not responsive to this effect and both toxins induce permanent RhoA activation and membrane binding with equal signal intensity. Therefore, the isoprenylated C-terminus and membrane distribution are found to be key determinants to regulate the CNF1-induced RhoA inactivation, which also accounts for the different cell line responsiveness to this effect. Studies analyzing the biological effect of CNF1 and CNFY in RhoA-dependent apoptotic LNCaP cells revealed that CNFY-induced apoptosis occurred via the RhoA-ROCK pathway. In contrast, it could be shown that CNF1 inhibited the CNFY effect and rescued LNCaPs from apoptosis. All together, the findings show that beside the well-known activating effect of CNF1, this toxin is capable of inactivation of Rho GTPases either by indirectly-inducing degradation (Rac1) or by a membrane-dependent mechanism (RhoA).


Kurzfassung in Deutsch

Die Familie der sogenannten „Cytotoxic Necrotizing Factors“ (CNF1, 2, 3, Y) modifiziert die kleinen Rho GTPasen an einer, für die GTP Hydrolyse wichtigen Aminosäure, dem Glutamin 63/61 (RhoA bzw. Rac1/Cdc42). Die Deamidierung des Glutamins zu Glutamat führt zur konstitutiven Aktivierung der Rho Proteine. Jedoch ist die Aktivierung von Rac1 und RhoA durch CNF1 nicht permanent; es wird eine zeitlich bedingte Inaktivierung beobachtet. In der vorliegenden Arbeit wurde der Mechanismus der Inaktivierung von Rac1 und RhoA durch CNF1 untersucht.
Es konnte gezeigt werden, dass Rac1 nach CNF1 Deamidierung und Aktivierung direkt mit Karyopherin α2 (KPNA2) interagiert, wobei die Bindung über das C-terminale NLS-Motiv von Rac1 erfolgt. Diese Interaktion führt zur Translokation von aktiviertem Rac1 in den Zellkern. Durch Massenspektrometrie konnten verschiedene nukleäre Interaktionspartner identifiziert werden, die auf mögliche Funktionen von Rac1 im Kern hinweisen (z.B. IQGAPs). Die Inaktivierung von Rac1 erfolgt anschließend durch den Abbau über das 26S Ubiquitin Proteasom System im Kern oder im Zytosol.
Im Gegensatz zu Rac1 ist die CNF1-induzierte RhoA Inaktivierung unabhängig vom Proteinabbau. CNFY führt zu einer permanenten Aktivierung, obwohl es die gleiche Modifikation an RhoA ausübt wie CNF1. Die Inaktivierung von RhoA durch CNF1 dominiert allerdings gegenüber der permanenten Aktivierung von RhoA durch CNFY. Zusätzlich zeigten konstitutiv aktive RhoAQ63E und RhoAG14V Mutanten nach Zugabe von CNF1 eine Abnahme ihrer Aktivität im Zeitverlauf. In dieser Arbeit wurde untersucht, welche Signalwege die Inaktivierung von RhoA induzieren könnten. Dabei wurde eine mögliche intrinsische Signalweiterleitung des CNF1 Rezeptors während der Toxin-Aufnahme ausgeschlossen, ebenso der Crosstalk durch CNF1-aktiviertes Cdc42. Eine erhöhte Interaktion von RhoA mit RhoGDI wurde nicht detektiert. Jedoch konnte gezeigt werden, dass die C-terminale Isoprenylierung von RhoA eine entscheidende Rolle für die Inaktivierung von RhoA spielt. Der Verlust der Isoprenylierung durch die Behandlung mit dem HMG-CoA-Reduktase Inhibitor Lovastatin führte zu einer dauerhaften Aktivierung von RhoA nach CNF1 Vergiftung. Auch die nicht-prenylierbare RhoAC190S Mutante zeigte nach CNF1 Gabe eine konstante Aktivität. Die Membranbindung scheint daher eine notwendige Voraussetzung für den CNF1-induzierten Mechanismus zu sein. Diese Hypothese konnte durch Experimente mit RhoAS188E untermauert werden. Diese primär zytosolisch lokalisierte Mutante wies eine permanente Aktivität nach CNF1 Vergiftung auf. Demnach induzieren beide Toxine zunächst die Rekrutierung von RhoA an die Membran. Nach CNFY Vergiftung bleibt RhoA membrangebunden und permanent aktiviert. CNF1 hingegen induziert im weiteren Verlauf die Translokation von RhoA ins Zytosol, was mit dessen Aktivitätsabnahme korreliert. Dies konnte in verschiedenen Zelllinien gezeigt werden – nicht jedoch in MEF Zellen. Hier zeigte CNF1 eine permanente RhoA Aktivierung sowie eine stetige Membranbindung. Dies weist darauf hin, dass der isoprenylierte C-Terminus und damit die Membranbindung essenzielle Schlüsselfaktoren der CNF1-induzierten Inaktivierung von RhoA sind. Besonders gut ist die unterschiedliche Wirkung von CNF1 und CNFY auf die RhoA Aktivität in LNCaP- Prostatakarzinomzellen erkennbar.
In diesen Zellen führt die Vergiftung mit CNFY über den RhoA-ROCK Signalweg zur Apoptose. CNF1 hingegen wirkt durch Inaktivierung von RhoA dieser CNFY-induzierten Apoptose entgegen.
Zusammengefasst zeigen die Daten, dass CNF1 zuerst Rac1 und RhoA durch Deamidierung aktiviert. Im weiteren Verlauf wird jedoch ein zweiter Mechanismus angeschaltet, der die Inaktivierung der deamidierten RhoGTPasen zur Folge hat: Rac1 wird proteasomal abgebaut, während die Inaktivierung von RhoA durch einen Membran-abhängigen Mechanismus erfolgt.


SWD-Schlagwörter: Actin , Actin-Filament , Bakteriengift , Escherichia coli , Apoptosis , Signaltransduktion , Biologischer Abbau , Enzyminaktivierung
Freie Schlagwörter (deutsch): CNF1 , CNFY , Rho GTPase , RhoA , Rac1 , , Enzymaktivierung
Freie Schlagwörter (englisch): CNF1 , CNFY , Rho GTPase , RhoA , Rac1
Institut: Inst. für Pharmakologie und Toxikologie
Fakultät: Fakultät für Biologie
DDC-Sachgruppe: Biowissenschaften, Biologie
Dokumentart: Dissertation
Erstgutachter: Aktories, Klaus (Prof. Dr. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 20.09.2012
Erstellungsjahr: 2012
Publikationsdatum: 28.09.2012
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