Arf GTPase regulation through cascade mechanisms and positive feedback loops

AbstractArf GTPases, together with Rab GTPases, are key regulators of intracellular membrane traffic. Their specific membrane targeting and activation are tightly regulated in time and space by guanine nucleotide exchange factors (GEFs). GEFs are multidomain proteins, which are under tight regulation to ensure fully coordinated and accurate membrane traffic events. Recently, two Arf GEFs, Sec7 and Arno, have been shown to be part of Arf GEF cascades similar to the Rab GEF cascades. Both GEFs are autoinhibited in solution and require an active Arf molecule to be recruited to the membrane and to switch to an open conformation. As such, positive feedback loops, whereby the amount of Arf-GTP on a given organelle increases not linearly with time, can be established

Packmem: a versatile tool to compute and visualize interfacial packing defects in lipid bilayers

The analysis of the structural organization of lipid bilayers is generally performed across the direction normal to the bilayer/water interface, whereas the surface properties of the bilayer at the interface with water are often neglected. Here, we present PackMem, a bioinformatic tool that performs a topographic analysis of the bilayer surface from various molecular dynamics simulations. PackMem unifies and rationalizes previous analyses based on a Cartesian grid. The grid allows identification of surface regions defined as lipid-packing defects where lipids are loosely packed, leading to cavities in which aliphatic carbons are exposed to the solvent, either deep inside or close to the membrane surface. Examples are provided to show that the abundance of lipid-packing defects varies according to the temperature and to the bilayer composition. Because lipid-packing defects control the adsorption of peripheral proteins with hydrophobic insertions, PackMem is instrumental for us to understand and quantify the adhesive properties of biological membranes as well as their response to mechanical perturbations such as membrane deformation

α-Synuclein and ALPS motifs are membrane curvature sensors whose contrasting chemistry mediates selective vesicle binding

Two membrane curvature–sensing molecules with opposite chemistries are targeted to distinct vesicle classes through direct interaction with different lipid environments

Osh4p exchanges sterols for phosphatidylinositol 4-phosphate between lipid bilayers

The yeast Kes1p/Osh4p protein functions as a sterol/PI(4)P exchanger between lipid membranes, which suggests the possibility of creating a sterol gradient via phosphoinositide metabolism

Membrane fission by dynamin: what we know and what we need to know

Abstract The large GTPase dynamin is the first protein shown to catalyze membrane fission. Dynamin and its related proteins are essential to many cell functions, from endocytosis to organelle division and fusion, and it plays a critical role in many physiological functions such as synaptic transmission and muscle contraction. Research of the past three decades has focused on understanding how dynamin works. In this review, we present the basis for an emerging consensus on how dynamin functions. Three properties of dynamin are strongly supported by experimental data: first, dynamin oligomerizes into a helical polymer; second, dynamin oligomer constricts in the presence of GTP; and third, dynamin catalyzes membrane fission upon GTP hydrolysis. We present the two current models for fission, essentially diverging in how GTP energy is spent. We further discuss how future research might solve the remaining open questions presently under discussion

Contrôle de l’assemblage des manteaux protéiques COP par les petites protéines G Arf et Sar

Dans leur forme active, liée au GTP, les protéines G de la famille Arf et Sar sont liées aux membranes lipidiques et servent de points d’amarrage aux manteaux protéiques COPI et COPII. Les manteaux protéiques sont des assemblages organisés bidimensionnels qui couvrent les membranes intracellulaires pour les déformer en vésicules de transport et sélectionner les protéines qui doivent être transportées. La forte activité d’hydrolyse du GTP dans les manteaux protéiques pose le problème de la dynamique de ces assemblages et plus précisément du lien entre l’état macroscopique du manteau, assemblé ou désassemblé, et l’état microscopique de la protéine G, liée au GDP ou au GTP. La distribution temporelle et spatiale de la réaction d’hydrolyse du GTP pourrait être déterminante pour le fonctionnement des manteaux

Le cycle d'activation de la protéine G Rac à la surface de la membrane lipidique

Les protéines Rho comme toutes les petites protéines G lient les nucléotides à guanine, GDP ou GTP. La réaction d'activation des protéines Rho, qui correspond à l'échange d'un GDP par un GTP, est intrinsèquement très lente et nécessite la catalyse par des facteurs d'échange spécifiques, les protéines à tandem DH-PH. De plus, les protéines Rho sont ancrées à la membrane via groupement prényl mais sont en majorité solubilisées dans le cytosol par une protéine régulatrice appelée GDI possédant une poche hydrophobe où se loge le prényl. Nous avons étudié le mécanisme d'activation de Rac1, une protéine de la famille Rho, et le lien entre le cycle GDP/GTP et le cycle membrane/cytosol. Pour cela, nous avons reconstitué in vitro l'activation de Rac1 sur liposomes à partir du complexe Rac/GDI purifié. Nous avons montré que l'activation de Rac par le tandem DH-PH de la protéine Tiam1 nécessite la dissociation de Rac1 de GDI qui ne peut se faire qu'en présence de lipides anioniques. Par ailleurs, l'ancrage de Rac à la membrane favorisé la réaction d'activation suggérant un changement conformationnel du tandem DH-PH sur la membrane. La dissociation de GDI et l'ancrage de Rac-GDP à la membrane rend Rac également beaucoup plus sensible à la glucosylation par la toxine létale de Clostridium Sordelli. La présence de Phosphatidyl Sérine permet un recrutement membranaire du fragment catalytique de la toxine létale et augmente très fortement son activité de glucosylation sur Rac. Cela met en évidence dans la protéine bactérienne un domaine très spécifique pour la Phosphatidyl Sérine. L'ensemble de ces résultats souligne l'importance des interfaces protéines-membrane dans le cycle d'activation de la protéine Rac.As all G proteins, Rho proteins bind guanine nucleotide, GDP or GTP. The activation reaction, which corresponds to the exchange of GDP by GTP, is intrinsically very slow and required catalysis by Rho specific exchange factors, containing a tandem of DH and PH domain. Moreover, Rho proteins are anchored at the lipidic membrane by a prenyl group, but are mostly soluble in the cytosol through the interaction of the prenyl with the hydrophobic pocket of a regulatory protein named GDI. We have studied the activation mechanism of Rac1, a Rho protein, and the link between the GDP/GTP cycle and the membrane/cytosol cycle. We have reconstituted Rac1 activation in vitro on liposomes using purified Rac/GDI complex. We showed that Rac activation by DH-PH tandem of Tiam1 required Rac dissociation from GDI, which can only occurs in the presence of anionic lipids. Moreover, the anchorage of Rac on the lipidic membrane facilitates the activation reaction suggesting a conformation change of the DH-PH tandem on the membrane surface. GDI dissociation and Rac-GDP membrane anchorage strongly facilitate the glucosylation of Rac by Clostridium Sordelli lethal toxin. The presence of Phosphatidyl Serine induces the recruitment lethal toxin to the membrane and strikingly enhances Rac glucosylation. A domain with a high specificity for Phosphatidyl Serine is present in this bacterial protein. Taken together, these results underline the importance of protein/lipid interactions in the Rac activation Cycle.ORSAY-PARIS 11-BU Sciences (914712101) / SudocSudocFranceF

Un marché d’échange de lipides

Le cholestérol est synthétisé dans le réticulum endoplasmique (RE) puis transporté vers les compartiments cellulaires dont la fonction en nécessite un taux élevé. Nous décrivons ici le mécanisme de transport du cholestérol du RE vers le réseau trans golgien (TGN) par la protéine OSBP (oxysterol binding protein). Celle-ci présente deux activités complémentaires : elle arrime les deux compartiments, RE et TGN, en formant un site de contact où les deux membranes sont à une vingtaine de nanomètres de distance ; puis elle échange le cholestérol du RE avec un lipide présent dans le TGN, le phosphatidylinositol 4-phosphate (PI4P). Dans le RE, le PI4P est hydrolysé, rendant le cycle d’échange irréversible. OSBP est donc au cœur d’un marché d’échange de lipides dans lequel un cholestérol transporté « coûte » un PI4P. Des molécules à activités antivirales ou anticancéreuses ont pour cible OSBP, suggérant une importance dans différents contextes physiopathologiques du cycle d’OSBP, dont les bases générales sont partagées par d’autres protéines transporteurs de lipides

CCTα Commands Phospholipid Homeostasis from the Nucleus

International audienc