Dokument: Mapping RAS: Biochemical Characterization of Small GTPases, Their Modulators, Effectors, and Mimics

Titel:	Mapping RAS: Biochemical Characterization of Small GTPases, Their Modulators, Effectors, and Mimics
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=71563
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20251201-095300-9
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Mirzaiebadizi, Amin [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 151,38 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 28.11.2025 / geändert 28.11.2025
Beitragende:	Prof. Dr. Reza Ahmadian [Gutachter] Prof. Dr. Dieter Willbold [Gutachter]
Stichwörter:	RAS, Small GTPases, Modulators, Effectors, Mimics
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie
Beschreibungen:	GTPasen der RAS-Superfamilie, zu der die RAS-, RHO- und ARF-Familien gehören, fungieren als zentrale molekulare Schalter. Sie koordinieren wichtige zelluläre Prozesse wie Proliferation, Migration, Differenzierung und intrazellulären Transport. Eine Fehlregulation dieser Proteine kann zu Krebs, Entwicklungsstörung und Infektionskrankheiten führen. In dieser Arbeit wird eine umfassende biochemische Untersuchung ausgewählter kleiner GTPasen, ihrer Modulatoren, Effektoren und pathogenen Mimikry in menschlichen, pflanzlichen und bakteriellen Systemen präsentiert. Der Schwerpunkt liegt auf der Aufklärung molekularer Mechanismen. Auf der Ebene einzelner GTPasen wurde zunächst das onkogene Potenzial der RAC1-P29S-Hotspot-Mutation untersucht, die häufig bei Melanomen auftritt. Detaillierte biochemische Analysen zeigten, dass RAC1-P29S einen beschleunigten intrinsischen Nukleotidaustausch aufweist und aufgrund einer starken Beeinträchtigung der GAP-vermittelten GTP-Hydrolyse überwiegend in seinem aktiven, GTP-gebundenen Zustand verbleibt. DOCK2 aktiviert es in erster Linie, während kanonische GEFs der DBL-Familie nur eine minimale Aktivität gegenüber dem Mutanten zeigen. Eine verstärkte Bindung an IQGAP1 anstelle von PAK1 fördert eine anhaltende onkogene Signalübertragung. Dies unterstreicht die Rolle von RAC1P29S als Melanomtreiber und zeigt potenzielle therapeutische Ansatzpunkte auf. Zweitens wurde TITAN5 (TTN5), eine pflanzenspezifische, ARF-ähnliche GTPase aus Arabidopsis thaliana, als nichtklassische kleine GTPase charakterisiert. Aufgrund seines schnellen Nukleotidaustauschs und seiner langsamen GTP-Hydrolyse reichert sich TTN5 im aktiven GTP-gebundenen Zustand an und ist an wichtigen Vesikeltransportprozessen beteiligt. Diese Ergebnisse deuten auf die evolutionäre Relevanz der Diversifizierung der GTPase-Funktion hin und unterstreichen deren Bedeutung für die Pflanzenentwicklung und -signalübertragung. Darüber hinaus hat diese Arbeit die einzigartige Regulation und Membrandynamik von RIT-GTPasen aufgeklärt, die für Krebs und RASopathien relevant sind. RIT1 weist einen sehr langsamen intrinsischen Nukleotidaustausch und eine sehr langsame GTP-Hydrolyse auf. Zudem ist es unempfindlich gegenüber SOS1-GEF und p120RASGAP. Aufgrund seiner geringen Affinität zu den meisten bekannten RAS-Effektoren besteht das Potenzial, neue GEFs, GAPs und Effektoren zu erforschen und somit die Aktivierungs- und Funktionsmechanismen von RIT besser zu verstehen. Zusammen mit seiner ausgeprägten Membranassoziation über eine basische C-terminale Region stützen diese Eigenschaften seine Einstufung als strukturell kanonisches, aber funktionell unterschiedliches Mitglied der RAS-Familie. In hepatischen Sternzellen wurde während der Ruhephase und Aktivierung ein reziprokes Regulationsmodell zwischen RAS- und RHO-GTPasen entdeckt. ERAS und RND3 definieren den Ruhezustand, während MRAS und RHOC die fibrogene Aktivierung fördern. Dies eröffnet neue therapeutische Ansätze für die Leberfibrose. In dieser Arbeit wurde darüber hinaus die regulatorische Komplexität kleiner GTPasen durch Modulatoren wie akzessorische Proteine und lange nichtkodierende RNAs (lncRNAs) untersucht. Dabei wurden die Proteine IQGAP1, Galectin-3, PDEδ, SHOC2 und NPM1 in der KRAS-gesteuerten Signalübertragung experimentell untersucht. Mithilfe einer systematischen Literaturanalyse haben wir jene lncRNAs überprüft und kategorisiert, die an der KRAS- und RHOA-Signalübertragung beteiligt sind. Dabei haben wir ihre neuen Funktionen in der transkriptionellen und posttranskriptionellen Regulation, der Sequestrierung von microRNAs (miRNAs) sowie der Gerüstbildung von Signalkomplexen hervorgehoben. Darüber hinaus haben wir eine literaturbasierte Übersicht über PAK1-Modulatoren erstellt, wobei der Schwerpunkt auf akzessorischen Proteinen lag, die deren räumliche und zeitliche Aktivierung steuern. Darüber hinaus ergab die Untersuchung der mit dem Noonan-Syndrom assoziierten LZTR1-L580P-Mutation, dass die LZTR1-Polymerisation die Ubiquitinierung von MRAS und RIT1 beeinträchtigt. Dies führt zu einer Hyperaktivierung von MAPK und einer Hypertrophie der Kardiomyozyten. In Kardiomyozyten von Patienten konnten die molekularen und phänotypischen Effekte bestätigt werden, und die Korrektur eines Allels stellte die normale Signalübertragung wieder her. Schließlich konnte gezeigt werden, dass der Chlamydia-pneumoniae-Effektor SemD strukturell und funktionell CDC42 nachahmt, indem er den CDC42-Effektor N-WASP direkt aktiviert. Dies fördert die Aktinpolymerisation und die Internalisierung von Pathogenen. Dies unterstreicht die evolutionären Strategien von Pathogenen und zeigt neue therapeutische Ansatzpunkte auf, die Infektionsmechanismen stören könnten. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass diese Arbeit verschiedene experimentelle und literaturbasierte Ansätze integriert, um die Funktion und Regulation kleiner GTPasen in evolutionären Kontexten zu beleuchten. Sie betont sowohl konservierte Mechanismen als auch nicht-kanonische Modulatoren, um therapeutische Schwachstellen aufzudecken und unser Verständnis grundlegender biologischer Prinzipien zu vertiefen. GTPases of the RAS superfamily, including the RAS, RHO, and ARF families, act as central molecular switches coordinating critical cellular processes such as proliferation, migration, differentiation, and intracellular trafficking. Dysregulation of these proteins contributes to cancer, developmental disorders, and infectious diseases. This thesis presents a comprehensive biochemical investigation of selected small GTPases, their modulators, effectors, and pathogen-derived mimics in human, plant, and bacterial systems. The focus is on elucidating molecular mechanisms. At the level of individual GTPases, the oncogenic potential of the RAC1 P29S hotspot mutation, prevalent in melanoma, was first addressed. Detailed biochemical analyses revealed that RAC1 P29S exhibits accelerated intrinsic nucleotide exchange and predominantly remains in its active GTP-bound state due to severe impairment in GAP-mediated GTP hydrolysis. DOCK2 primarily activates it, while canonical DBL family GEFs display minimal activity toward the mutant. Enhanced binding to IQGAP1 rather than to PAK1 promotes sustained oncogenic signaling, reinforcing the role of RAC1P29S as a melanoma driver and highlighting potential therapeutic targets. Second, TITAN5 (TTN5), a plant-specific ARF-like GTPase from Arabidopsis thaliana, was characterized as a non-classical small GTPase. TTN5 accumulates in the active GTP-bound state due to its rapid nucleotide exchange and slow GTP hydrolysis, and it is involved in key vesicle trafficking processes. These findings suggest the evolutionary relevance of GTPase function diversification and underscore its significance in plant development and signaling. Third, this thesis elucidated the unique regulation and membrane dynamics of RIT GTPases relevant to cancer and RASopathies. RIT1 exhibits very slow intrinsic nucleotide exchange and GTP hydrolysis, and it is insensitive to SOS1 GEF and p120RASGAP. Its low affinity for most known RAS effectors highlights the potential to explore novel GEFs, GAPs, and effectors to better understand RIT activation and function mechanisms. Together with its distinct membrane association via a basic C-terminal region, these characteristics support its classification as a structurally canonical but functionally distinct RAS family member. In hepatic stellate cells, a reciprocal regulatory model between RAS and RHO GTPases was uncovered during quiescence and activation. ERAS and RND3 define the quiescent state, whereas MRAS and RHOC promote fibrogenic activation, offering new therapeutic avenues for liver fibrosis. Furthermore, this work has explored the regulatory complexity of small GTPases through modulators such as accessory proteins and long noncoding RNAs (lncRNAs). This work experimentally investigates IQGAP1, galectin-3, PDEδ, SHOC2, and NPM1 in KRAS-driven signaling. Through systematic literature analysis, we reviewed and categorized lncRNAs involved in KRAS and RHOA signaling, highlighting their emerging roles in transcriptional and post-transcriptional regulation, microRNA (miRNA) sequestration, and scaffolding of signaling complexes. A literature-based review was conducted for PAK1 modulators, emphasizing accessory proteins that govern its spatial and temporal activation. Additionally, investigating the LZTR1 L580P mutation associated with Noonan syndrome revealed that LZTR1 polymerization impairs the ubiquitination of MRAS and RIT1. This leads to MAPK hyperactivation and cardiomyocyte hypertrophy. Patient-derived cardiomyocytes validated the molecular and phenotypic effects, and correcting one allele restored normal signaling. Finally, the Chlamydia pneumoniae effector SemD was shown to structurally and functionally mimic CDC42 by directly activating the CDC42 effector N-WASP, which promotes actin polymerization and pathogen internalization. This highlights the evolutionary strategies employed by pathogens and reveals novel therapeutic targets that could disrupt infection mechanisms. In conclusion, this thesis integrates diverse experimental and literature-based approaches to illuminate the function and regulation of small GTPases across evolutionary contexts. This work emphasizes both conserved mechanisms and noncanonical modulators to reveal therapeutic vulnerabilities and deepen our understanding of fundamental biological principles.
Lizenz:	Dieses Werk ist lizenziert unter einer Creative Commons Namensnennung 4.0 International Lizenz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät
Dokument erstellt am:	01.12.2025
Dateien geändert am:	01.12.2025
Promotionsantrag am:	28.05.2025
Datum der Promotion:	26.11.2025