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RhoGTPases – Function and Regulation RhoGTPases – Function and Regulation Thomas Wieland Institut für Pharmakologie und Toxikologie Fakultät für Klinische Medizin Mannheim Ruprecht-Karls- Universität Heidelberg

RhoGTPases – Function and Regulation Thomas Wieland Institut für Pharmakologie und Toxikologie Fakultät für Klinische Medizin Mannheim Ruprecht-Karls-

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RhoGTPases – Function and Regulation RhoGTPases – Function and Regulation

Thomas WielandInstitut für Pharmakologie und Toxikologie

Fakultät für Klinische Medizin Mannheim

Ruprecht-Karls-

Universität

Heidelberg

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Physiological function of Rho GTPases

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Regulation of the actin cytoskeleton

Actin Vinculin Actin Vinculin

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U = TXA2-Analog

Y = Rho-Kinase Inhibitor

C3 = exoenzyme C3 transferase (C3T) from Clostridium botulinumInhibition of RhoA-C

Shape change of platelets

Klages et al. J. Cell Biol. 144 (4) 1999

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Keratinocytes

Regulation of cell-cell contacts

C3 = exoenzyme C3 transferase (C3T) from Clostridium botulinumInhibition of RhoA-C

Endothelial cellsThrombin is a strong activator of RhoA

Cadherine

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Regulation of proliferation

Neointima formation after vascular injury of a carotid artery

Y27632 = Rho Kinase Inhibitor

Shibata et al. Circulation 103(2) 2001

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Cardiac specific overexpression of RhoA in the heart

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Posttranslational modification of RhoGTPases

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Statins

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Beneficial pleiotropic effects of statins

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Activation cycle of RhoGTPases

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Rho-specific guanine nucleotide exchange factors

DH PH

Catalytic activity~200 aa

Membrane localization ?

Variable specifity for RhoGTPases

Multidomain proteins

Variable size (~ 60 to 800kd)

Variable expression patterns (ubiquitiniously to specific)

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Model of PH domain assisted GEF activity

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RhoGEFs: The Dbl family

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Regulation of RhoGEFs - Autoinhibition

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Regulation of RhoGEFs – Protein-Protein-Interaction

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Cellular Localization of RhoGEFs

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b

Experimental approaches

directpull down assay

Rac1Cdc42 Rho

GEF

GTP GTP GTP

Pak1-GST Rhotekin-GSTp6

3Rho

GEF

cont

rol

p63R

hoG

EF-D

H

Tiam

-1D

bl-D

H

RhoA-GTP

Rac1-GTP

Cdc42-GTP

total RhoA

total Rac1

total Cdc42

Direct detection of RhoGTPase activation

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rela

tive

luci

fera

se e

xpre

ssio

n control RhoGEF

0

1

2

3

4

5

+C3T

C3T

indirectluciferase reporter assay

Rac1

pSREfirefly luciferase

renilla luciferase

SRF

const.

Cdc42

Rho

GEF

Detection of RhoGTPase activation II

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Detection of RhoGTPase activation IIIFRET

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GiPCR GqPCR

Gi Gq

PMG12PCR

G12/13

p63RhoGEFp63RhoGEF LARGLARGPI3K

TIAM-1TIAM-1

RhoARhoARac1Rac1

VEGF-R

NO

cGMP

p164, Grinch, Gef10 p164, Grinch, Gef10

Focus AG Wieland

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p63RhoGEF

DH PH

580 aa

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H2O

Car

diom

yocy

tes

Non

-Car

diom

yocy

tes

H2Ol

Car

diom

yocy

tes

Non

-Car

diom

yocy

tes

p63RhoGEF Control

Hea

rtB

rain

Place

nta

Lung

Live

rSc.

mus

cle

Kid

ney

Pancr

eas

9,57,5

4,4

2,4

1,3

kb

Northern Blot:mRNA from different human

tissues

RT-PCR:Total RNA from isolated

primary rat cells

Expression of p63RhoGEFExpression of p63RhoGEF

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p63RhoGEF induces stress fiber formation

anti-c-myc

20 µm

TRITC-Phalloidin

20 µm

stress fiber

Lutz et al. Naunyn Schmiedebergs Arch Pharmacol. 369:540-6 (2004 )

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p63R

hoG

EF

cont

rol

p63R

hoG

EF-D

H

Tiam

-1D

bl-D

H

RhoA-GTP

Rac1-GTP

Cdc42-GTP

total RhoA

total Rac1

total Cdc42

rela

tive

luci

fera

se e

xpre

ssio

n

control p63RhoGEF

0

1

2

3

4

5

+C3T

Specificity of p63RhoGEFSpecificity of p63RhoGEF

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Upstream regulatory mechanism (1)Upstream regulatory mechanism (1)

Control M3p63 p63 + M3

0

20

40

60

80

100 Basal

Carbachol

n=8

rela

tive

luc

ifer

ase

exp

res

sio

n

Lutz et al. J Biol Chem. 280:11134-9 (2005 )

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Upstream regulatory mechanism (2)Upstream regulatory mechanism (2)re

lati

ve l

uci

fera

seex

pre

ssio

n

0

50

100

150

200

+p63

Basal GqQL G11QL Basal0

50

100

150

+p63

G12QL G13QL

M3-Ach-Receptor

Gq/11 G12/13

Contro

lp6

3

Gq

RCGq

RC+p63

G1

2QL+

p63

G1

2QL

G1

1QL

G1

1QL+

p63

G1

3QL+

p63

G1

3QL

RhoA-GTP

total RhoA

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p63

RhoG

EF

p63R

hoG

EF

p63R

hoG

EF

WB:anti-c-myc

WB:anti-Gq/11

anti-Gq/11

IP:anti-c-myc

Lysate

Con

trol

G11QLGqRC

Con

trol

Con

trol

IP:anti-EE

WB:anti-c-myc

WB:anti-Gq/11

p63-

EE-GqQL

Physical interaction of p63RhoGEF with GPhysical interaction of p63RhoGEF with Gq q in the cell in the cell

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p63 149-580

p63 149-580

Courtesy of John J. Tresmer

Physical interaction of p63RhoGEF with GPhysical interaction of p63RhoGEF with Gqq in vitroin vitro

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DH PH

p63RhoGEF580

RhoA RhoA

GTP GDP

GqPCR

Gq/11

Physiological relevance of Physiological relevance of p63RhoGEF mediated RhoA activationp63RhoGEF mediated RhoA activation

Ad p63RhoGEF+ Endothelin 1

TRITC-Phalloidin

RhoA-GTP

total RhoA

cont

rol

p63R

hoG

EFco

ntro

lp6

3Rho

GEF

+ Endothelin 1

p63RhoGEF

Neonatal Cardiomyocytes

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• p63RhoGEF is mainly expressed in heart and brain tissue.

• p63RhoGEF activates RhoA, but not Rac1 or Cdc42

• p63RhoGEF is activated by Gq/11 proteins.

• p63RhoGEF interacts directly with active Gq/11 proteins.

• p63RhoGEF enhances the Endothelin 1 and Phenylephrine induced RhoA activation in cardiomyocytes.

b

p63RhoGEF - Summaryp63RhoGEF - Summary

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H1-R M3-R

His

Gq/11

p63RhoGEFLARG

RhoA

G12/13 PLC/PKC

TXA2-R

U-46619

Carb

Signaling cascades involving p63RhoGEF and LARG

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Larg

Control

anti-Flag

p63

Control

anti-c-myc

DH PH588

1543

DH PHRGSPDZ

RhoA-GTP

total RhoA

Control

Larg

p63

C

p63

Larg

0

5

10

15

rela

tive

Lu

cife

rase

p63RhoGEF (p63) Dominant expression in brain and heart

LARGWidespread expression

Basal activity of p63RhoGEF and LARG

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Control

TXA2-R

TXA2-R+L

ARG

TXA2-R+p

630

25

50

75BasalU-46619 (200nM)

rela

tive

Lu

cife

rase

G12/13PCR Gq/11PCR

Control

M3-

R

M3-

R+LARG

M3-

R+p63

0

25

50

75

100

125BasalCarbachol (1mM)

rela

tive

Lu

cife

rase

GPCR induced RhoA activation mediated by p63RhoGEF and LARG

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0 5 10 15 20 250

5

10

15

20

25

30

35Largp63RhoGEF

ng Gq

rela

tive

Lu

cife

rase

Control p63RhoGEF LARG0

25

50

75

100none+GqRC+G12QL

rela

tive

Lu

cife

rase

Conclusion: Larg needs an active state receptor to induce RhoA activation, whereas p63RhoGEF needs only traces of Gq protein for its activation.

The LARG induced Rho activation requires activated GPCRs

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Gq/i

1-28aa Gi-3

29-353aa Gq

0

10

20

30

40

50

60

70re

lati

ve L

uci

fera

se

p63 - + - - - + + - - - + + - -

Larg - - + - - - - + + - - - + +

M3-R - - - + - - + - + - - + - +

Gq - - - - + + + + + - - - - -

Gq/i - - - - - - - - - + + + + +

The Larg activation ist dependent on the N-terminal part of Gq proteins

Gq Gq/i

Conclusion: p63RhoGEF and LARG apparently hold divergent binding sites for Gq

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RGS3

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RGS proteins contribute to the regulation of GRGS proteins contribute to the regulation of G--gated Kgated K+ + -channels-channels

ACh, 1 MControl

500 nA

25 s

Activation of GIRK by M2-AChR in Xenopus oocytes

Doupnik et al. 1997, Proc Natl Acad Sci 94:10461

Regulation by RGS3

+ RGS3

500 nA

25 s

ACh, 1 M

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RGS3 - A highly abundant protein in human heartRGS3 - A highly abundant protein in human heart

RGS3 RGS domain

1 394 519509

G binding70kDa

• RGS3 mRNA is upregulated in human HF Owen et al. 2001, Eur Heart J 22:1015

• RGS3 can be induced in NRCM by treatment with bFGF Zhang et al. 1998, J Mol Cell Cardiol 30:269

• RGS3 inhibits G-stimulated PLC activity and PI3K/Akt signaling G scavenger Shi et al. 2001, J Biol Chem 276:24293