Identifizierung und funktionelle Charakterisierung neuer Interaktionspartner des renalen ROMK-Kaliumkanals

In der vorliegenden Arbeit wurden neue Interaktionspartner des einwärtsrektifizierenden, renalen ROMK-Kaliumkanals identifiziert und funktionell in Xenopus Oozyten untersucht. Zunächst wurde mit Hilfe eines modifizierten Hefe-Zwei-Hybrid-Systems und dem zytosolischen C-Terminus von ROMK als Köderprotein eine cDNS-Bibliothek der humanen Niere durchmustert. Eine Besonderheit hierbei war, daß das Köderprotein im Gegensatz zu dem herkömmlichen Hefe-Zwei-Hybrid-System in der nativen, tetrameren Konformation vorlag. Die Interaktion der isolierten Proteine mit dem ROMK-C-Terminus wurde anschließend in der Hefe in direkten Bindungsstudien bestätigt. Auf diese Weise konnten 25 neue Interaktionspartner für ROMK gefunden werden. Aufgrund ihrer teilweise bekannten Funktionen und Strukturen wurden einige, insbesondere das Golgi-Protein Golgin-160, das Adapterprotein GRB7 und die Serin/Threonin-Proteinphosphatase-Untereinheit PP2A B56β, für eine weitergehende Charakterisierung ausgewählt. Die vermutete Beteiligung von Golgin-160 am vesikulären Membrantransport machte die gefundene Interaktion mit ROMK besonders interessant, da über den Transport des Kanals vom Endoplasmatischen Retikulum über den Golgi-Apparat bis an die Zelloberfläche nur wenig bekannt ist. Zunächst konnte die Bindung von Golgin-160 an das ROMK Kanalprotein durch Koimmunpräzipitation beider Proteine aus Lysaten transfizierter Säugerzellen unterstützt werden. Immunfluoreszenzmikroskopische Untersuchungen bestätigten weiterhin, daß beide Proteine tatsächlich und ausschließlich im Bereich des Golgi-Apparats kolokalisiert sind. Dies verstärkte die Vermutung, daß Golgin-160 am Membrantransport von ROMK beteiligt ist. Funktionelle Untersuchungen in Xenopus Oozyten mit Hilfe der Zwei-Elektroden-Spannungsklemme ergaben nach Koexpression beider Proteine reproduzierbar eine Verdopplung der ROMK-Stromamplitude. Mittels einer Chemolumineszenz-Oberflächenexpressionsanalyse konnte dies auf eine Zunahme der Dichte des Kanalproteins in der Plasmamembran zurückgeführt werden. Ähnliche Resultate wurden auch für das nahe verwandte Kir2.1-Kanalprotein erhalten. Diese Untersuchungen zeigten zudem, daß nur das Kanalprotein an der Zelloberfläche, nicht aber die Gesamtmenge des Proteins in der Zelle erhöht war. Dementsprechend waren auch die biophysikalischen und pharmakologischen Eigenschaften des ROMK-Kanals durch das koexprimierte Golgin-160 nicht verändert. Um die Bedeutung der gefundenen Interaktion näher zu untersuchen, wurden Bindungsstudien mit C-terminalen Bartter-Mutanten von ROMK durchgeführt. Alle untersuchten Punkt- und Trunkationsmutanten waren noch zur Bindung von Golgin-160 fähig, und zwei Punktmutanten konnten durch Golgin-160 auch funktionell stimuliert werden. Daraus kann geschlossen werden, daß diese hochkonservierten Aminosäurereste des Kanalproteins nicht an der Bindung von Golgin-160 beteiligt sind, und daß der defekte Membrantransport dieser krankheitsverursachenden Mutanten nicht auf einer gestörten Interaktion mit dem untersuchten Golgi-Protein beruht. Mit diesen Untersuchungen wurde erstmalig gezeigt, daß Golgin-160 am Golgi-Apparat selektiv mit transportierten Membranproteinen interagiert und dadurch deren Zelloberflächenexpression reguliert. Eine spezifische Rolle beim Transport von Oberflächenproteinen zur Plasmamembran wird durch das Ergebnis unterstrichen, daß auch die Oberflächenexpression der entfernt verwandten Kv1.5- und Kv4.3-Kanalproteine stimuliert wird, aber nicht die des HERGKaliumkanals. In weiteren funktionellen Untersuchungen konnten auch für GRB7 und PP2A B56β erstmalig Einflüsse auf die ROMK-Kanalaktivität gezeigt werden. Die Koexpression von GRB7 führte sowohl bei ROMK als auch bei verwandten Kir2-Kanalproteinen zu einer Verringerung der Stromamplitude. Bei PP2A B56β war der Effekt von der Expressionshöhe dieser regulatorischen Phosphatase- Untereinheit abhängig. So waren die ROMK-Ströme bei geringen Mengen an injizierter PP2A B56β erhöht, nach Injektion größerer Mengen dagegen reduziert. Die Regulation der ROMK-Kanalaktivität wird größtenteils durch die Kontrolle der Kanaldichte an der Zelloberfläche erzielt. Da unterschiedliche Signalwege die Häufigkeit des Kanalproteins an der Zelloberfläche modulieren können, kann vermutet werden, daß nicht nur Golgin-160 sondern auch GRB7 und PP2A B56β an der Regulation der Oberflächenexpression von ROMK beteiligt sind (Abb. 36). Die Identifizierung dieser neuen Interaktionspartner stellt deshalb einen ersten wichtigen Schritt bei der Aufklärung der dieser Regulation zugrundeliegenden molekularen Mechanismen dar

Golgin-160 Is Required for the Golgi Membrane Sorting of the Insulin-responsive Glucose Transporter GLUT4 in Adipocytes

The peripheral Golgi protein golgin-160 is induced during 3T3L1 adipogenesis and is primarily localized to the Golgi cisternae distinct from the trans-Golgi network (TGN) in a general distribution similar to p115. Small interfering RNA (siRNA)-mediated reduction in golgin-160 protein resulted in an increase accumulation of the insulin-responsive amino peptidase (IRAP) and the insulin-regulated glucose transporter (GLUT4) at the plasma membrane concomitant with enhanced glucose uptake in the basal state. The redistribution of GLUT4 was rescued by expression of a siRNA-resistant golgin-160 cDNA. The basal state accumulation of plasma membrane GLUT4 occurred due to an increased rate of exocytosis without any significant effect on the rate of endocytosis. This GLUT4 trafficking to the plasma membrane in the absence of golgin-160 was independent of TGN/Golgi sorting, because it was no longer inhibited by the expression of a dominant-interfering Golgi-localized, γ-ear–containing ARF-binding protein mutant and displayed reduced binding to the lectin wheat germ agglutinin. Moreover, expression of the amino terminal head domain (amino acids 1–393) had no significant effect on the distribution or insulin-regulated trafficking of GLUT4 or IRAP. In contrast, expression of carboxyl α helical region (393–1498) inhibited insulin-stimulated GLUT4 and IRAP translocation, but it had no effect on the sorting of constitutive membrane trafficking proteins, the transferrin receptor, or vesicular stomatitis virus G protein. Together, these data demonstrate that golgin-160 plays an important role in directing insulin-regulated trafficking proteins toward the insulin-responsive compartment in adipocytes

The Biogenesis of the Golgi Ribbon: The Roles of Membrane Input from the ER and of GM130

The Golgi complex in mammalian cells forms a continuous ribbon of interconnected stacks of flat cisternae. We show here that this distinctive architecture reflects and requires the continuous input of membranes from the endoplasmic reticulum (ER), in the form of pleiomorphic ER-to-Golgi carriers (EGCs). An important step in the biogenesis of the Golgi ribbon is the complete incorporation of the EGCs into the stacks. This requires the Golgi-matrix protein GM130, which continuously cycles between the cis-Golgi compartments and the EGCs. On acquiring GM130, the EGCs undergo homotypic tethering and fusion, maturing into larger and more homogeneous membrane units that appear primed for incorporation into the Golgi stacks. In the absence of GM130, this process is impaired and the EGCs remain as distinct entities. This induces the accumulation of tubulovesicular membranes, the shortening of the cisternae, and the breakdown of the Golgi ribbon. Under these conditions, however, secretory cargo can still be delivered to the Golgi complex, although this occurs less efficiently, and apparently through transient and/or limited continuities between the EGCs and the Golgi cisternae

A Primary Role for Golgi Positioning in Directed Secretion, Cell Polarity, and Wound Healing

Peri-centrosomal positioning of the mammalian Golgi apparatus is known to involve microtubule-based motility, but its importance for cellular physiology is a major unanswered question. Here, we identify golgin-160 and GMAP210 as proteins required for centripetal motility of Golgi membranes. In the absence of either golgin, peri-centrosomal positioning of the Golgi apparatus was disrupted while the cytoskeleton remained intact. Although secretion persisted with normal kinetics, it was evenly distributed in response to wounding rather than directed to the wound edge. Strikingly, these cells also completely failed to polarize. Further, directionally persistent cell migration was inhibited such that wound closure was impaired. These findings not only reveal novel roles for golgin-160 and GMAP210 in conferring membrane motility but also indicate that Golgi positioning has an active role in directed secretion, cell polarity, and wound healing