Identification of evolutionary conserved mechanisms promoting rapid actin dynamics

Show full item record



Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-8449-8
Title: Identification of evolutionary conserved mechanisms promoting rapid actin dynamics
Author: Kotila, Tommi
Other contributor: Helsingin yliopisto, bio- ja ympäristötieteellinen tiedekunta
Helsingfors universitet, bio- och miljövetenskapliga fakulteten
University of Helsinki, Faculty of Biological and Environmental Sciences
Integroivien biotieteiden tohtoriohjelma
Doktorandprogrammet i integrerande biovetenskap
Doctoral Programme in Integrative Life Science
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2022-09-02
Language: en
URI: http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-8449-8
http://hdl.handle.net/10138/346569
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: Cells are the minimal compartments of life that constantly respond to cues coming from both inside and outside of their environment. In response, cells migrate, transport different molecules and undergo sudden shape changes to meet their environmental demands. These processes are regulated by the actin cytoskeleton, a ubiquitous component of eukaryotic organisms that dynamically cycles between monomeric and polymeric form at the sites of cellular rearrangements. Polymerization of actin against plasma membranes and organelles provides force to the constant remodeling of cells. Consequently, the actin cytoskeleton is critical for many fundamental cellular processes, including cell division, cell migration, cellular morphogenesis, endo- and exocytosis. Actin molecules bind ATP and polymerize to polar filaments with structurally two different ends. Actin filaments grow from the ‘plus’ (+) ends by the incorporation of ATP-actin monomers, after which they convert through ATP-hydrolysis to ADP-state that populates the ‘minus’ (-) end of the filaments. ADP-state renders actin molecules to a state of depolymerization, and thus actin filaments slowly shrink from the (-) ends in steady-state conditions. This is a fundamental property of actin filaments that drives their directional growth in the force production. Thus, cells require a constant supply of actin monomers from depolymerization of ‘old’ filaments and conversion of these actin monomers from ADP- to ATP-state. Several proteins, including evolutionary conserved ADF/cofilin and cyclase-associated protein (CAP), are involved in the regulation of these steps in cells, but the exact molecular mechanisms have remained elusive. In this work, I studied the molecular principles of how actin filaments are dynamically converted between monomeric and filamentous forms. CAP is a multidomain protein and earlier shown to be critical for actin dynamics in various model organisms. However, the molecular mechanisms by which CAP regulates actin dynamics have remained unknown. In the first and second parts of my thesis, I utilized X-ray crystallography, mutagenesis and biochemical assays to reveal how CAP interacts with both actin monomers and filaments. I show that the N-terminal domains of CAP are responsible for binding to the (-) ends of actin filaments and catalysis of rapid filament depolymerization in synergy with ADF/cofilin. The C-terminal domains of CAP scavenge the depolymerized ADP-actin molecules from ADF/cofilin and catalyze their conversion to ATP-state. These data establish CAP as a recycling machine for actin molecules and explain the earlier in vivo observations why different domains of CAP are vital for rapid actin dynamics in cells. In the fourth part of my thesis, I show how rapid actin dynamics are achieved in an evolutionary distant organism, pathological Leishmania parasite that contains only a very simple actin-regulatory machinery. By utilizing the molecular tools developed in the third study, combined with cryo-electron microscopy, mutagenesis and biochemical assays, I show that Leishmania actin filaments are inherently dynamic and susceptible to disassembly by ADF/cofilin, and reveal the atomic mechanisms behind these attributes. These data help to understand the mechanisms that regulate the actin cytoskeleton evolved in eukaryotic organisms and could provide a molecular rationale for development of inhibitory compounds against Leishmania parasite actin in future. Together, this work provides a detailed molecular level understanding of new mechanism by which the dynamics of actin cytoskeleton are regulated in eukaryotic organisms. This work also provides insight into the evolution of the actin cytoskeleton and its regulatory mechanisms. Finally, the findings presented here help understanding the basic mechanisms of biological processes, and also provide molecular level understanding of the mechanisms of human diseases.Solut ovat elämän perusyksiköitä, jotka reagoivat ympäristössä tapahtuviin muutoksiin solun ulkoisten tai sisäisten viestien sanelemana. Näiden seurauksena solut voivat liikkua ympäristössään, muuttaa muotoaan ja vaihtaa molekyylejä ympäristönsä kanssa. Nämä solun perustoiminnot ovat riippuvaisia solujen aktiinitukirangasta. Tämä pääasiassa aktiini-nimisestä proteiinista koostuva verkosto on jokaisen aitotumallisen solun erityisrakenne, joka vaihtelee aktiivisesti monomeerisen ja säikeisen muodon välillä. Aktiinin säikeistyminen tuottaa voimaa solukalvojen ja soluelinten muodonmuutoksille sekä uudelleenjärjestelylle. Tästä syystä aktiinitukiranka on tärkeä useissa erilaisissa solutoiminnoissa, solujakautumisesta solujen liikkumiseen ja muodonmuutoksiin, sekä ekso- ja endosytoosiin. Aktiinimolekyylit sitovat ATP:tä ja säikeistyvät kaksinapaisiksi rakenteiksi. Tasapainotilassa aktiinisäikeet kasvavat liittämällä ATP-tilassa olevia aktiinimonomeereja ’plus’ (+) päähän, minkä jälkeen ne muuntuvat ATP-hydrolyysireaktion kautta ADP-tilaan ja purkautuvat hitaasti säikeen ’miinus’ (-) päästä. Tämä aktiinisäikeiden perusominaisuus kasvaa (+) päistä ja pienentyä (-) päistä on tärkeää kohdennetussa voiman tuotossa. Solut tarvitsevatkin jatkuvasti ATP-tilassa olevia aktiinimonomeerejä kierrättämällä niitä ’vanhoista’ aktiinisäikeistä ADP/ATP-nukleotidin vaihtoreaktiossa. Näitä aktiinin kierrätysvaiheita säätelevät soluissa useat proteiinit, mukaan lukien ADF/kofiliini ja syklaasiin-assosioituva proteiini. Kyseisten säätelytekijöiden molekulaariset perustat aktiinin kierrätykselle ovat kuitenkin huonosti ymmärrettyjä. Tässä tutkielmassa tutkin molekylaarisia mekanismeja, joilla aktiinisäikeitä säädellään aktiivisesti säikeisen ja monomeerisen tilan välillä. Syklaasiin-assosioituva proteiini on useista domeeneista koostuva proteiini, joka on aiemmin havaittu tärkeäksi aktiinin säätelytekijäksi eri malliorganismeissa. Tärkeydestään huolimatta tämän proteiinin molekylaarinen perusta aktiinitukirangan säätelyssä on huonosti ymmärretty. Tutkielmani ensimmäisessä ja toisessa osatyössä selvitin syklaasiin-assosioituvan proteiinin ja aktiinin välisiä vuorovaikutuksia hyödyntäen röntgensädekristallografiaa ja biokemiallisia aktiivisuuskokeita soluista eristetyillä proteiineilla. Tämän tutkielman tulokset osoittavat molekyylitason mekanismin, joilla syklaasiin-assosioituvan proteiinin aminopäässä oleva domeeni vuorovaikuttaa aktiinisäikeiden (-) pään aktiinimolekyyleihin niiden purkautumista nopeuttavalla tavalla, mikä on riippuvaista ADF/kofiliinin ja aktiinin välisistä vuorovaikutuksista. Lisäksi nämä tulokset osoittavat molekyylitasolla miten syklaasiin-assosioituvan proteiinin karboksipäässä oleva domeeni vastaanottaa (-) päästä purettuja ADP-tilassa olevia aktiinimolekyylejä, ja katalysoi niiden ADP/ATP-nukleotidivaihtoreaktiota. Nämä tulokset havainnollistavat molekyylitasolla miksi syklaasiin-assosioituva proteiini on elintärkeä tekijä aktiinitukirangan säätelyssä aitotumallisissa soluissa. Tutkielmani neljännen osatyön tulokset osoittavat kuinka aktiinitukirankaa säädellään Leishmania-loisen soluissa. Hyödyntäen apunani kolmannessa osatyössä kehitettyjä työkaluja, kryoelektronimikroskopiaa ja biokemiallisia aktiviisuuskokeita, osoitimme että Leishmania-parasiitin aktiinisäikeet purkautuvat luonnostaan hyvin nopeasti ja ovat erityisesti alttiita ADF/kofiliinin säätelylle. Pystyimme myös selvittämään näiden erityisominaisuuksien molekylaarisen perustan. Työni tulokset lisäävät ymmärrystä aktiinitukirangan evoluutiosta ja voivat auttaa tulevaisuudessa kehittämään Leishmania-loisen aktiinitukirangan toimintaa estäviä yhdisteitä. Tämä väitöskirjatyö havainnollistaa uusia molekyylitason mekanismeja, joilla aktiinisäikeitä säädellään aitotumallisissa soluissa. Lisäksi tämä työ lisää ymmärrystä aktiinitukirangan muutoksista evoluutiossa sekä sen säätelystä aitotumallisissa soluissa. Nämä havainnot ovat tärkeitä solun perusmekanismien ymmärtämisessä, ja voivat siten auttaa myös ymmärtämään eri sairauksien perusmekanismeja.
Subject: biokemia ja rakennebiologia
Rights: Julkaisu on tekijänoikeussäännösten alainen. Teosta voi lukea ja tulostaa henkilökohtaista käyttöä varten. Käyttö kaupallisiin tarkoituksiin on kielletty.


Files in this item

Files Size Format View

There are no files associated with this item.

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record