title: Identification and characterization of critical determinants in plexin signaling
Creators: name: Höß, Carsten William
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2020
Subjects: Medical sciences Medicine
Medizin
GTPase-aktivierende Proteine
Plexine
Rasal1
R-Ras
Semaphorine

description: Semaphorins, a class of soluble and membrane-bound ligands, and their corresponding receptors, plexins, play a pivotal role in organogenesis, physiology of different tissues and organ systems, as well as in the development of diseases. Plexins exert diverse signaling functions via their intracellular domain. One of these functions is the deactivation of R-Ras, a non-classical isoform of the oncogene Ras. So far, the exact mechanism of this plexin-mediated R-Ras deactivation is unknown. In this thesis, the yet unidentified mechanism is elucidated, recently discovered players in the semaphorin-plexin system are investigated and mutations of plexins are characterized for their role in ligand-binding and downstream signaling. For this purpose, molecular biological, biochemical, cell biological and pharmacological methods were combined. It could be shown that mutations of Plexin-B2 occurring in patients with congenital anomalies of the kidney and urinary tract impair the plexin-mediated signaling ability. Moreover, TMEM260, a protein with so far unknown function, serves as an O-mannosyltransferase for plexins and a role for these protein-mediated Plexin-B2 mannosylations was identified in membrane targeting and proteolytic processing. Additionally, Rasal1 was validated and characterized as a GTPase activating protein downstream of plexins, that deactivates R-Ras. In this mechanism plexins bind active R-Ras, without influencing its activity. The binding of semaphorins to plexins induces the release of R-Ras from plexin binding and R-Ras then gets deactivated by Rasal1. Finally, these findings were set in a translational context by identifying a role of the semaphorin-plexin-Rasal1-R-Ras signaling axis in the negative regulation of gastrin gene expression in vitro, a peptide hormone that stimulates gastric acid production. Concluding, these findings illuminate new mechanistic insights into plexin signaling, uncover new molecular functions of plexins in pathophysiology and clear up the controversy about the function of the plexin GTPase activating protein domain in the regulation of R-Ras activity.
description: Semaphorine, eine Klasse von löslichen und membrangebundenen Liganden, und ihre zugehörigen Rezeptoren, Plexine, spielen eine bedeutende Rolle in der Organogenese, der Physiologie verschiedener Gewebe und Organsysteme, sowie bei der Entstehung von Krankheiten. Plexine vermitteln ihre vielfältigen Signalfunktionen durch ihre intrazelluläre Domäne. Eine dieser Funktionen ist die Deaktivierung von R-Ras, einer nicht-klassischen Isoform des Ras-Onkogens. Bis jetzt ist der exakte Mechanismus dieser Plexin-regulierten R-Ras Deaktivierung unklar. In der vorliegenden Dissertation wird dieser Mechanismus aufgeklärt, weitere neu-entdeckte Akteure im Semaphorin-Plexin System charakterisiert und Mutationen in Plexinen hinsichtlich ihrer Ligandenbindung und Signalweiterleitung untersucht. Hierfür wurden molekularbiologische, biochemische, zellbiologische und pharmakologische Methoden kombiniert. Es wurde herausgefunden, dass Mutationen im Plexin-B2-Gen bei Patienten, die an kongenitalen Anomalien der Nieren und ableitenden Harnwege leiden, die Plexin-vermittelte Signalweiterleitung beeinträchtigen. Darüber hinaus ist TMEM260, ein Protein unbekannter Funktion, welches als O-Mannosyltransferase für Plexine identifiziert wurde, verantwortlich für die Membranlokalisation und proteolytischer Prozessierung von Plexin-B2. Des Weiteren wurde Rasal1 als ein den Plexinen nachgeschaltetes GTPase-aktivierendes Protein validiert und charakterisiert, welches R-Ras deaktiviert. Der zugrundeliegende Mechanismus konnte in dieser Arbeit aufgeklärt und gezeigt werden, dass Plexine aktives R-Ras binden, ohne dessen Aktivität zu beeinflussen. Nach der Bindung von Semaphorinen an Plexine, wird aktives R-Ras aus der Bindung von Plexinen freigesetzt und durch Rasal1 deaktiviert. Zuletzt wurden diese Erkenntnisse in einen translationalen Kontext gesetzt, der eine wichtige Rolle der Semaphorin-Plexin-Rasal1-R-Ras Signalachse bei der negativen Regulation der Transkription des Gastrin-Gens in vitro aufzeigt, einem Peptidhormon, welches die Magensäureproduktion anregt. Zusammengefasst geben diese Ergebnisse neue mechanistische Einblicke in den Plexinsignalweg, decken neue, molekulare und pathophysiologische Funktionen von Plexinen auf, und lösen die Kontroverse über die Funktionalität der GTPase-aktivierenden Proteindomäne bei der Regulierung der R-Ras Aktivität.