title: Recognition of the small GTPases Cdc42 and Rac1 by guanine nucleotide exchange factors in Ustialgo maydis
title: Mechanismen der Erkennung der kleinen GTPasen Cdc42 und Rac1durch Guanin-Nukleotid-Austausch-Faktoren in U. maydis
Creators: name: Tillmann, Britta Anna Maria
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2014
Subjects: Naturwissenschaften
Ustilago zeae
spezifische Erkennung
GEFs
Rac1
specific recognition
Kleine GTPasen, Cdc42

description: Kleine GTPasen der Rho-Familie
      übernehmen die Funktion von molekularen Schaltern in
      komplexen Signal-Netzwerken, die eine Vielzahl
      unterschiedlicher Signalkaskaden miteinander verknüpfen und
      selektive Signalantworten erlauben. Gleichzeitig nehmen auch
      die Regulatoren der molekularen Schalter eine wichtige Rolle
      ein, da durch diese Proteine die spezifische Weiterleitung
      von Signalen sichergestellt wird. Weiterhin verhindern sie,
      dass es zu einer unspezifischen Aktivierung von multiplen
      Signalkaskaden kommt. In der vorliegenden Arbeit wurden
      mehrere Aspekte untersucht, wie in diesen komplexen
      Netzwerken sichergestellt wird, dass die richtige
      Signalantwort auf einen bestimmten Stimulus erfolgt. Während
      GTPasen in vielen unterschiedlichen Signalkaskaden aktiv
      sind, sind sowohl die regulatorischen Proteine - die GEFs und
      GAPs - als auch die Effektoren oftmals spezifisch für
      einzelne Signalwege. Es deutlich mehr GEFs und Effektoren,
      als das es kleine GTPasen gibt. Eine GTPase kann oftmals von
      mehr als einem GEF aktiviert werden und ihrerseits mehr als
      einen Effektor aktivieren. Diese Interaktion zwischen GTPase
      und Effektor ist nicht immer spezifisch. Viele Effektoren
      können mit mehr als einer GTPase interagieren. Es stellt sich
      also die Frage, wie sichergestellt wird, dass die richtige
      Signalantwort auf einen spezifischen Stimulus erfolgt.
      Während eine GTPase in einer Vielzahl unterschiedlicher
      Singalwegen aktiv ist, reguliert ein einzelner GEF oft nur
      eine spezifische Funktion der jeweiligen GTPase. Um die
      einzelnen Funktionen einer GTPase zu verstehen, ist es somit
      wichtig, die Komplexität zu verringern und auf einzelne
      Signalwege zu reduzieren. In der vorliegenden Arbeit wurde
      der RhoGEF Hot1 aus U. maydis näher charakterisiert. Hot1 ist
      ein untypischer RhoGEF, der anstelle des für RhoGEFs
      charakteristischen Domänen-Motivs eine DH-Domänen-assoziierte
      BAR-Domäne besitzt. Es konnte gezeigt werden, dass Hot1 als
      RhoGEF für Cdc42 wirken kann und an der Regulation der
      Zellmorphologie beteiligt ist. Hot1 hat damit eine
      komplementäre Funktion zum RhoGEF Don1, der die
      Cdc42-abhängige Zelltrennung reguliert. Die für einen RhoGEF
      ungewöhnliche BAR-Domäne von Hot1 erkennt spezifische
      Membrankrümmungen. Es konnte gezeigt werden, dass Hot1 an
      frühen endozytotischen Strukturen lokalisiert. Darüber hinaus
      bildet die BAR-Domäne von Hot1 Heterodimere mit dem
      BAR-Domänen Protein Hob3. Weiterhin wurde untersucht, wie
      Hot1 spezifisch sein Substrat, die GTPase Cdc42, erkennt. Die
      beiden GTPasen Cdc42 und Rac1 weisen einen hohen Grad an
      Sequenzähnlichkeit auf. Dennoch führt eine Deletion dieser
      Proteine in U. maydis zu unterschiedlichen Phänotypen. In
      früheren Arbeiten konnte gezeigt werden, dass einige RhoGEFs
      zwischen Cdc42 und Rac1 anhand einer einzigen konservierten
      Aminosäure an Position 56 unterscheiden. Ein Austausch dieser
      Aminosäure zwischen Cdc42 und Rac1 führt zu einer Änderung
      der Spezifität der Cdc42-spezifischen RhoGEFs Don1 und Its1
      sowie des Rac1-spezifischen RhoGEFs Cdc24 in U. maydis. Auch
      aus anderen Organismen war bekannt, dass die Aminosäure an
      Position 56 eine wichtige Rolle für die spezifische Erkennung
      von Cdc42 und Rac1 durch RhoGEFs spielt. Überraschenderweise
      hat diese Aminosäure keinen Einfluss auf die Erkennung von
      Cdc42 durch Hot1. Vielmehr konnte im Rahmen der vorliegenden
      Arbeit gezeigt werden, dass Hot1, aber auch das humane
      Homolog TUBA, einen neuen Mechanismus benutzen, um zwischen
      Cdc42 und Rac1 zu unterscheiden. Anstatt der Aminosäure 56,
      erkennt Hot1 die GTPase Cdc42 anhand weniger
      unterschiedlicher Aminosäuren im N-Terminus von Cdc42. Als
      weiterer Punkt dieser Arbeit wurde untersucht, wie die
      spezifische Signalweiterleitung von kleinen GTPasen in
      komplexen Signalkaskaden funktioniert. Aufgrund der hohen
      Ähnlichkeit von Cdc42 und Rac1 und der teilweisen Redundanz
      ihrer Funktionen stellte sich die Frage, in wie weit diese
      GTPasen noch gemeinsame Funktionen übernehmen können und ob
      es zwangsläufig beide Proteine geben muss. Es konnte eine
      synthetische GTPase generiert werden, die zu großen Teilen
      die Funktionen von Cdc42 und Rac1 in einem Protein vereint.
      Diese GTPase kann von den meisten bekannten RhoGEFs von Cdc42
      und Rac1 aktiviert werden und auch die meisten zellulären
      Funktionen übernehmen. Im Zuge dieser Untersuchungen konnte
      auch gezeigt werden, dass es einen spezifischen Effektor von
      Cdc42 geben muss, der auch anhand der Aminosäure an Position
      56 zwischen Cdc42 und Rac1 unterscheidet. Schließlich konnte
      noch gezeigt werden, dass die C-terminale Region von Cdc42
      und Rac1 einen wichtigen Einfluss auf die subzelluläre
      Lokalisation der GTPasen hat und dass diese Lokalisation
      kritisch für die korrekte Funktion dieser Proteine
      ist.
description: All cells contain complex
      molecular signaling networks. Small GTPases of the Rho family
      act as molecular switches in these networks. They link
      different signaling cascades and enable the cell to react
      selectively to different stimuli. The regulators of these
      molecular switches play an important part, since they
      guarantee the selective transmission of signals. Moreover,
      they also restrict the unselective activation of multiple
      signaling cascades. The work presented here investigates how
      it can be ensured that in complex signaling networks only
      specific signal responses are elicited by a certain stimulus.
      While RhoGTPases can act in multiple signaling pathways, both
      their regulatory proteins - GEFs and GAPs - and their
      effectors are often specific for single signaling pathways.
      This is highlighted by the fact that there are more GEFs and
      effectors than RhoGTPases, and that a single GTPase can be
      activated by multiple GEFs and signal through multiple
      effectors. Moreover, the interaction between GTPase and
      effector is not always highly specific, since many effectors
      can be activated by more than one GTPase. This poses the
      question how it can be guaranteed that a certain stimulus
      results in a specific response. An important part of this
      specificity is mediated by the activators of small GTPases,
      the GEFs. A GTPase can act in multiple different signaling
      pathways; however, many GEFs regulate a GTPase only in the
      context of a specific pathway or a specific function.
      Therefore, in order to understand the role of a GTPase in
      complex signaling networks, it is often necessary to reduce
      this complexity and analyze their role in single signal
      transduction pathways, for example by analyzing rather the
      function of the pathway-specific GEFs than the more universal
      GTPases. This work characterizes the function of the RhoGEF
      Hot1 in the phytopathogenic fungus Ustilago maydis. Hot1 is
      an atypical RhoGEF which contains a catalytic DH domain in
      combination with a BAR domain instead of the canonical
      combination of catalytic DH domain and membrane-associated PH
      domain. In the work presented here it could be shown that
      Hot1 acts as a RhoGEF for Cdc42 and is involved in the
      regulation of cellular morphology. Hot1 acts as a
      complimentary factor to the GEF Don1, which regulates the
      Cdc42-dependent cell separation. The BAR domain of Hot1, an
      unusual feature for Rho-GEFs, is able to recognize membranes
      with a specific curvature, and localizes Hot1 to early
      endocytic structures. This is probably archived by the
      ability of the Hot1 BAR domain to form heterodimers with the
      BAR-domain protein Hob3, a regulator of early endocytosis and
      cell division. A main goal of this study was to investigate
      how Hot1 is able to specifically recognize its substrate, the
      GTPase Cdc42. Cdc42 and the closely related GTPase Rac1 show
      a high degree of sequence similarity, yet they appear to have
      functions in distinct signaling cascades since their deletion
      causes completely different phenotypes. In earlier works, it
      was shown that a number of RhoGEFs distinguishes between
      Cdc42 and Rac1 by a single amino acid at position 56 of these
      GTPases. The exchange of this residue between Cdc42 and Rac1
      results in a changed recognition by the Cdc42-specific GEFs
      Don1 and Its1 and the Rac1-specific GEF Cdc24 in U. maydis.
      Also from other organisms it is known that the amino acid 56
      is crucial for the specific recognition of Cdc42 and Rac1 by
      their respective RhoGEFs. Notably, this amino acid plays no
      role for the specific recognition of Cdc42 by Hot1. As the
      here presented work demonstrates, Hot1 , but also its
      mammalian homolog TUBA, recognizes Cdc42 by virtue of several
      specific amino acids at the N-terminus of Cdc42. Another
      aspect addressed by the work presented here is the question
      how specific signal transduction by small GTPases can be
      achieved in complex signaling networks. Cdc42 and Rac1 show a
      high degree of sequence similarity and have partially
      redundant functions. This poses the question which common
      functions these two proteins have and if there is a
      requirement that both proteins need to exist. In the course
      of this work, it was possible to generate a synthetic GTPase
      that embodies the functions of Cdc42 and Rac1 in a single
      protein. This GTPase can be activated by nearly all known
      GEFs for Cdc42 and Rac1 and can also replace Cdc42 and Rac1
      in the majority of their cellular functions. Finally, it
      could be shown that the C-terminal region of Cdc42 and Rac1
      is critical for the subcellular localization of these GTPases
      and is also required for the correct function of these
      proteins. This specific subcellular localization is critical
      for the correct signal transduction since an area of the
      C-terminus, the polybasic region, concentrates Cdc42 and Rac1
      in certain subdomains of the membrane and thereby restricts
      and focusses the activity of these GTPases.