title: Die dynamische Regulation der kleinen GTPase Rac1 während des polaren Wachstums von Ustilago maydis
title: The dynamic regulation of the small GTPase Rac1 during polar growth of Ustilago maydis
Creators: name: Frieser, Sonja Helene
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2012
Subjects: Filament
Guaninnucleotid-Austauschfaktoren
Zellpolarität
Biowissenschaften, Biologie
Cdc24
Cla4
GTP-bindende Proteine
Cell polarity
Ustilago maydis
Rac1
Ustilago

description: The morphogenetic transition from
      yeast to filamentous growth is a characteristic feature of
      many pathogenic fungi. The corn pathogen Ustilago maydis
      serves as an excellent model system to study the molecular
      mechanism of polarized growth. Dimorphic switching is part of
      its sexual life and requires the small GTP-binding protein
      Rac1 together with its downstream effector, the p21-activated
      kinase Cla4. Small GTP-binding proteins of the Rho-family are
      activated by guanine nucleotide exchange factors (GEFs) and
      inactivated by GTPase activating proteins (GAPs). Guanine
      nucleotide dissociation inhibitors (GDIs) extract the GTPases
      from the membrane and sequester the inactive form in the
      cytosol. In this study it is shown that dimorphic switching
      involves b mating-type dependent stimulation of the
      Rac1-specific GEF Cdc24. During polarized growth active Cdc24
      recruits Rac1 into a Bem1-scaffolded complex which is located
      at the hyphal tip. Remarkably, ternary complex formation
      triggers destruction of Cdc24, most presumably by
      Cla4-dependent phosphorylation of Cdc24. Expression of
      stabilised Cdc24 mutants interfered with filamentous growth
      and plant infection indicating an important role for
      Cla4-induced destruction of Cdc24 during the maintenance of
      polarized growth. This allows the conclusion that degradation
      of Cdc24 ensures dynamic localization of active Cla4 kinase
      at the apical growth zone. This negative feedback regulation
      requires the ability of Rac1 to pass through its GDP-bound
      state. Therefore, the distinct functions of Rac1-specific
      GAPs and the Rho-GDI Rdi1 were analysed during hyphal tip
      growth. Evidence is provided that recycling of inactive Rac1
      from the membrane depends on Rdi1 and endocytosis. The
      closely related Rho-GTPases Cdc42 and Rac1 are highly
      conserved regulators of the actin cytoskeleton and have
      specific cellular functions in U. maydis. This study
      demonstrates that Rac1 can be substituted in the complex with
      Bem1 and Cla4 by mutant Cdc42F56W, which displays high
      affinity to Cdc24. This indicates that GEF-dependent
      recruitment of GTPases into higher-order complexes plays a
      major role for their signalling specificity.
description: Die morphologische Transition von
      der Knospung zum filamentösen Wachstum ist ein
      charakteristisches Merkmal vieler pathogener Pilze. Auch der
      Maisbrandpilz Ustilago maydis zeigt filamentöses Wachstum
      während seiner sexuellen Vermehrung. Daher kann er als gutes
      Modellsystem zum Studium der Mechanismen dienen, die dieser
      morphologischen Transition zugrunde liegen. Dabei hängt das
      filamentöse Wachstum von dem kleinen GTP-bindenden Protein
      Rac1 und seinem Effektor, der p21-aktivierten Kinase Cla4 ab.
      Kleine GTP-bindende Proteine der Rho-Familie werden durch
      Guaninnukleotid Austauschfaktoren (GEFs) aktiviert und durch
      GTPase aktivierende Proteine inaktiviert. Guaninnukleotid
      Dissoziationsinhibitoren (GDIs) können die Rho-GTPasen aus
      der Membran extrahieren und im Zytosol zurückhalten. In
      dieser Arbeit wurde gezeigt, dass die durch den b
      Kreuzungstyp kontrollierte morphologische Transition von U.
      maydis zur Stimulation der Rac1-Aktivität durch den GEF Cdc24
      führt. Während des polaren Wachstums rekrutiert Cdc24 Rac1 in
      einen durch das Gerüstprotein Bem1 koordinierten Komplex mit
      Cla4, der an der polar wachsenden Spitze lokalisiert. Die
      Komplexbildung führt zur Degradierung von Cdc24, die durch
      die Cla4-abhängige Phosphorylierung des GEFs induziert wird.
      Die Expression von stabilisierten Cdc24 Varianten
      interferiert mit dem filamentösen Wachstum und der
      Pflanzeninfektion, was auf eine bedeutende Rolle des Cdc24
      Abbaus während des polaren Wachstums von U. maydis hinweist.
      Es kann gefolgert werden, dass die Degradierung von Cdc24 die
      Aktivität des Bem1/Rac1-GTP/Cla4 Komplexes auf die apikale
      Wachstumszone beschränkt. Diese negative
      Rückkopplungsregulation ist von der Fähigkeit von Rac1
      abhängig, zwischen der inaktiven GDP-gebundenen Konformation
      und dem aktiven GTP-gebundenen Zustand zu wechseln. Aus
      diesem Grund wurden die distinkten Funktionen von drei
      Rac1-GAPs und dem GDI Rdi1 während des polaren Wachstums
      untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass die
      GAP-katalysierte Inaktivierung des Bem1/Rac1-GTP/Cla4
      Komplexes und die Internalisierung von membrangebundenem Rac1
      durch Rdi1, in Zusammenarbeit mit der aktinabhängigen
      Endozytose, für das polare Spitzenwachstum von essentieller
      Bedeutung sind. Die Rho-GTPasen Rac1 und Cdc42 sind eng
      verwandte hoch konservierte Regulatoren des Zytoskeletts und
      haben in U. maydis spezifische Funktionen. In dieser Arbeit
      konnte gezeigt werden, dass Rac1 im Komplex mit Bem1 und Cla4
      durch die Mutante Cdc42F56W, die eine hohe Affinität zu Cdc24
      besitzt, substituiert werden kann. Daraus lässt sich folgern,
      dass während des polaren Wachstums von U. maydis allein die
      selektive Aktivierung durch den GEF Cdc24 bestimmt, welches
      Rho-Protein als zentrale GTPase des Signalmoduls
      fungiert.