title: Analysis of the regulation of small GTPases during filamentous growth and secretion in Ustilago maydis
title: Untersuchung der Regulierung kleiner GTPasen während des filamentösen Wachstums und der Sekretion in Ustilago maydis
Creators: name: Wehr, Michaela
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2015
Subjects: Exocyst complex
GTPases
GEF
Life sciences
Ustilago maydis
GTPasen
Exozyst-Komplex

description: Small GTPases of the Rho-family
      play crucial roles during several cellular processes, e.g.
      polar growth and secretion. The conformation of these GTPases
      can change between GDP- and GTP-bound forms resulting in
      inactive and active enzymes, respectively. The active GTPases
      are able to interact with a variety of effectors and exchange
      of GDP and GTP is catalyzed by guanine nucleotide exchange
      factors (GEF). One unusual GEF is represented by SmgGDS which
      is neither belonging to the Dbl- nor the Dock180-family of
      Rho-GEFs. This GEF contains a series of armadillo repeats and
      is highly conserved within mammals and fungi. This study of
      Gds1, the SmgGDS homolog in Ustilago maydis, is the first
      characterization of this GEF in fungi and shows the specific
      activation of the small GTPase Rac1. Through this
      interaction, Gds1 also plays a role for the filamentous
      growth of the phytopathogenic organism U. maydis. The
      biochemical analysis conducted during this study show that
      the activation of Rac1 by Gds1 is facilitated in a different
      manner compared to the GEFs of the Dbl-family. While the
      members of the Dbl-family employ a specific amino acid
      residue at position 56 to distinguish between Rac1 and Cdc42,
      specific recognition by Gds1 is dependent on the first 157
      residues of Rac1. The GEF itself uses the two conserved
      residues asparagine N600 and arginine R603 for its catalytic
      function. Gds1, however, also showed an influence on the
      pathogenicity as a deletion of gds1 resulted in a reduced
      virulence. Interactions of Gds1 with the membrane proteins
      Msb2 and Sho1, the MAPKKK Kpp4 and Ubc2, all components of
      the pathogenic pathways in U. maydis, further show the
      influence on the pathogenicity. Therefore, it can be assumed
      that Gds1 might be a potential scaffold protein. Another part
      of this study focused on the exocyst complex. This amongst
      plants, animals and fungi highly conserved effector of small
      GTPases is formed by eight components. The two landmark
      proteins Sec3 and Exo70, components of the complex, mark the
      location for exocytosis. The localization and function of the
      two proteins is partially regulated by interactions with
      Rho-GTPases. After localization to the membrane, the exocyst
      complex enables a successful fusion of secretory vesicles.
      While Exo70 plays an important role as a landmark protein in
      Saccharomyces cerevisiae, no similar function was identified
      for the homolog of U. maydis, which was characterized within
      this study. Yet a partially functional redundancy to Sec3
      cannot be excluded. Interestingly, it was shown that Sec3 of
      U. maydis interacts with the inactive GDP-bound form of Rac1
      and not with the active GTP-bound conformation as it was
      shown for the Sec3 homologs of other organisms. Detailed
      analysis of the interplay of Rac1 and Sec3 during polar
      growth of U. maydis revealed that Sec3 localization is
      independent of Rac1.
description: Kleine GTPasen der Rho-Familie
      dienen als molekulare Schalter an einer Vielzahl zellulärer
      Prozesse, wie zum Beispiel der Sekretion und dem polaren
      Wachstum. Dabei wechseln sie von einer inaktiven
      GDP-gebundenen zu einer aktiven GTP-gebundenen Konformation,
      in der sie mit Effektoren interagieren. Der Austausch von GDP
      zu GTP wird durch Guanin-Nukleotid-Austauschfaktoren (GEFs)
      katalysiert. Neben den bekannten Rho-GEFs der Dbl- und
      Dock180-Familie gibt es einen weiteren, ungewöhnlichen GEF,
      SmgGDS, welcher aus einer Reihe von Armadillo-Wiederholungen
      besteht. In der vorliegenden Arbeit wurde zum ersten Mal die
      Funktion dieses in Säugern und Pilzen stark konservierten
      GEFs in einem pilzlichen Organismus untersucht. Dabei konnte
      gezeigt werden, dass Gds1 in dem phytopathogenen Pilz U.
      maydis als ein spezifischer Aktivator der kleinen GTPase Rac1
      wirkt und an der Ausbildung des filamentösen Wachstum
      beteiligt ist. Biochemische Analysen zeigten, dass die
      Aktivierung von Rac1 durch Gds1 grundsätzlich auf eine andere
      Art und Weise erfolgt, als es von den GEFs der Dbl-Familie
      bekannt war. Diese unterscheiden zwischen den in ihrer
      Sequenz sehr ähnlichen GTPasen Rac1 und Cdc42 durch eine
      konservierte Aminosäure an Position 56. Gds1 benötigt dagegen
      für die Spezifitätsbestimmung die ersten 157 Aminosäuren von
      Rac1. Auf Seiten des GEFs konnte gezeigt werden, dass zwei
      konservierte Aminosäuren, Asparagin N600 und Arginin R603,
      eine wichtige Rolle für die katalytische Funktion von Gds1
      spielen. Neben dem filamentösen Wachstum, konnte für Gds1
      auch eine Funktion während der pathogenen Entwicklung
      ermittelt werden, da eine Deletion von gds1 zu einer
      reduzierten Virulenz führt. Zudem konnten Interaktionen von
      Gds1 mit mehreren Komponenten der pathogenen Entwicklung, wie
      beispielweise den Plasmamembranproteinen Msb2 und Sho1, der
      MAPKKK Kpp4 und dessen interagierendem Protein Ubc2, gezeigt
      werden. Es wird daher vermutet, dass Gds1 während der
      pathogenen Entwicklung als ein potentielles Gerüstprotein
      agiert. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde mit dem
      Exozyst-Komplex ein Effektor kleiner GTPasen untersucht.
      Dieser aus 8 Proteinen bestehende Komplex ist in Pflanzen,
      Pilzen und Tieren sehr konserviert. Mit Hilfe der beiden
      Landmark-Proteine Sec3 und Exo70, die beide Teil des
      Komplexes sind, wird an der Plasmamembran der Ort für eine
      Exozytose markiert. Dabei wird die Lokalisation und Funktion
      der Landmark-Proteine unter anderem durch Interaktionen mit
      Rho-GTPasen reguliert. Gleichzeitig vermittelt der
      Exozyst-Komplex die Fusion von sekretorischen Vesikeln mit
      der Zielmembran. In der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt
      werden, dass es sich bei Exo70 aus U. maydis um kein
      essentielles Landmark-Protein für die Exozytose handelt. Es
      erscheint aber wahrscheinlich, dass Exo70 vermutlich eine
      teilweise redundante Funktion zu Sec3 besitzt. Weiterhin hat
      sich gezeigt, dass Sec3 aus U. maydis im Gegensatz zu den
      Varianten anderer Organismen nicht mit der aktiven Form der
      Rac1 GTPase sondern bevorzugt mit der GDP-gebundenen Form
      interagiert. Nähere Untersuchungen des Zusammenspiels von
      Sec3 und der interagierenden GTPase Rac1 während des polaren
      Wachstums haben ergeben, dass die Lokalisation von Sec3
      unabhängig von Rac1 ist.