Dokument: Interaction networks of small GTPases in human diseases

Titel:	Interaction networks of small GTPases in human diseases
Weiterer Titel:	Interaktionsnetzwerke kleiner GTPasen bei menschlichen Erkrankungen
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=54281
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20211006-092544-7
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Dr. Krumbach, Oliver [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 69,66 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 22.09.2020 / geändert 22.09.2020
Beitragende:	Prof. Dr. Ahmadian, Reza [Gutachter] Prof. Dr. Lutz Schmitt [Gutachter]
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie
Beschreibungen:	Small GTPases of the RAS superfamily are signaling nodes that control various cellular functions, including proliferation, differentiation, and actin dynamics by acting as molecular switches. This switch mechanism is tightly regulated by GEFs and GAPs which accelerate the slow intrinsic nucleotide exchange and stimulate GTP hydrolysis, respectively. RHO GTPases are additionally regulated by GDIs which shuttle prenylated RHO GTPases between cytoplasm and the plasma membrane. In their GTP-bound state GTPases transduce signals by physically interacting with effector proteins. Dysfunction of small GTPases has been frequently reported as a cause for cancer and developmental disorders. We identified several missense mutations in CDC42, RRAS2, and MRAS in patients with Noonan syndrome, an autosomal dominant disorder caused by germline mutations in genes encoding components of the MAPK cascade. To understand disease progression mediated by RAS and RHO family members comprehensive study of the interaction networks of small GTPases is required. Biochemical and structural analyses provided valuable insights into molecular mechanisms underlying Noonan syndrome. CDC42 variants perturb the function by dysregulated GTPase cycle or impaired binding to effectors, such as WASP, PAK1, and IQGAP1. We divided the CDC42 variants into three groups illustrating the functional impact of the missense mutations. Characterization of RRAS2 mutations demonstrated an accumulation in its active state due to GAP insensitivity and accelerated nucleotide exchange. Moreover, loss of interaction with RASSF5 suggests multiple signaling pathways may contribute to pathogenesis of Noonan syndrome. MRAS variants were found to additionally increase AKT phosphorylation, supporting the notion that several pathways contribute to disease progression. Furthermore, we identified a novel disorder characterized by a Golgi restricted mislocalization of CDC42 mediated by impaired binding to RHOGDI1 and IQGAP1, controlling membrane-cytoplasm shuttling and translocation from Golgi to the plasma membrane, respectively. Spatial and temporal organization of protein interaction networks is crucial for strength, efficiency, and specificity of signal transduction. Scaffold proteins, such as IQGAPs, modulate the assembly of large protein complexes by binding two or more molecules simultaneously. Characterization of RHO GTPase-IQGAP interaction revealed selectivity determinants promoting the knowledge regarding regulation of scaffold proteins. Finally, we discovered and characterized a small molecule inhibitor against the RACGEF VAV3, significantly reducing RAC activation and inducing apoptosis in a BCR-ABL leukemia model, suggesting a potential therapeutic strategy for B-cell acute lymphoblastic leukemia. Kleine GTPasen der RAS-Superfamilie sind Signalknoten, die als molekulare Schalter verschiedene zelluläre Funktionen wie Proliferation, Differenzierung und Aktindynamik kontrollieren. Dieser Schaltmechanismus wird durch GEFs und GAPs streng reguliert, die den langsamen, intrinsischen Nukleotidaustausch beschleunigen bzw. die GTP-Hydrolyse stimulieren. RHO GTPasen werden zusätzlich durch GDIs reguliert, die prenylierte RHO GTPasen zwischen Zytoplasma und Plasmamembran hin- und herbewegen. In ihrem GTP-gebundenen Zustand übertragen GTPasen Signale durch physikalische Interaktion mit Effektorproteinen. Eine häufige Ursache für Krebs und Krankheiten mit Entwicklungsstörungen sind Funktionsstörungen von kleinen GTPasen. Wir haben mehrere Mutationen in CDC42, RRAS2 und MRAS bei Noonan-Syndrom Patienten identifiziert. Noonan-Syndrom ist eine autosomal-dominante Erkrankung, die durch Keimbahnmutationen in Genen verursacht wird, die Komponenten der MAPK-Kaskade kodieren. Um den durch Mitglieder der RAS und RHO-Familie vermittelten Krankheitsverlauf zu verstehen, ist eine umfassende Untersuchung der Interaktionsnetzwerke der kleinen GTPasen erforderlich. Biochemische und strukturelle Analysen lieferten wertvolle Einblicke in die molekularen Mechanismen, die dem Noonan-Syndrom zugrunde liegen. CDC42-Varianten stören die Funktion durch einen dysregulierten GTPase-Zyklus oder eine gestörte Bindung an Effektoren wie WASP, PAK1 und IQGAP1. Die CDC42-Varianten wurden in drei Gruppen, die die funktionellen Auswirkungen der Mutationen veranschaulichen, unterteilt. Die Charakterisierung der RRAS2-Mutationen zeigte eine Akkumulation in ihrem aktiven Zustand aufgrund von GAP-Unempfindlichkeit und beschleunigtem Nukleotidaustausch. Darüber hinaus deutet der Verlust der Interaktion mit RASSF5 darauf hin, dass mehrere Signalwege zur Pathogenese des Noonan-Syndroms beitragen könnten. Es wurde festgestellt, dass MRAS-Varianten zusätzlich die AKT-Phosphorylierung erhöhen, was die Annahme unterstützt, dass mehrere Signalwege zum Fortschreiten der Krankheit beitragen. Darüber hinaus identifizierten wir eine neue Krankheit, die durch eine Golgi-beschränkte Fehllokalisierung von CDC42 gekennzeichnet ist. Auslöser dafür sind eine gestörte Bindung an RHOGDI1 und IQGAP1, welche die Membran-Zytoplasma–Bewegung bzw. die Translokation vom Golgi zur Plasmamembran kontrollieren. Die räumliche und zeitliche Organisation von Proteininteraktionsnetzwerken ist entscheidend für die Stärke, Effizienz und Spezifität der Signaltransduktion. Gerüstproteine, wie IQGAPs, modulieren den Aufbau großer Proteinkomplexe, indem sie zwei oder mehr Moleküle gleichzeitig binden. Die Charakterisierung der RHO GTPasen-IQGAP-Interaktion ergab Selektivitätsdeterminanten, die das Wissen über die Regulation von Gerüstproteinen fördern. Zuletzt entdeckten wir einen Inhibitor gegen das RACGEF VAV3, der die RAC-Aktivierung signifikant reduziert und Apoptose in einem BCR-ABL-Leukämie-Modell induziert, was auf eine mögliche therapeutische Strategie für akute lymphoblastische B-Zell-Leukämie hindeutet.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Medizinische Fakultät » Institute » Institut für Biochemie und Molekularbiologie II
Dokument erstellt am:	06.10.2021
Dateien geändert am:	06.10.2021
Promotionsantrag am:	19.05.2020
Datum der Promotion:	08.09.2020