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Die zellulären Rho GTPasen kontrollieren und regulieren zentrale elementare Zellvorgänge wie Phagozytose, Migration und epitheliale Integrität. Aufgrund ihrer zentralen Stellung, interagiert eine Vielzahl von bakteriellen Cytotoxinen und Modulinen mit den Rho GTPasen und wirken so als Pathogenitätsfaktoren. Die zur W-xxx-E Familie gehörenden Effektoren IpgB1 und IpgB2 von Shigella und Map von E. coli (Pathotypen EHEC und EPEC) werden über ein Typ 3 Sekretionssystem (T3SS) in Wirtszellen injiziert und wirken als Rac1, RhoA bzw. Cdc42 GEF Mimetikum. In der vorliegenden Arbeit wurden die Effektor Funktionen von IpgB1 IpgB2 und Map mit Hilfe des Yersinia (Ysc)-T3SS untersucht, was zur Etablierung der „Yersinia-Toolbox“ führte. Damit können heterologe Effektoren isoliert im physiologischen Kontext der Erreger-Zell-Interaktion zellbiologisch untersucht werden unter Vermeidung von simultaner Injektion redundanter oder unbekannter Effektoren. Zur Etablierung der Yersinia-Toolbox wurden zunächst die Gene für die Rho GTPasen modulierenden Shigella Effektoren IpgB1 und IpgB2 sowie der E. coli (EHEC)-Effektor Map mit unterschiedlich langen Gensequenzen der N-terminalen Bereiche des Yersinia-Effektorproteins YopE fusioniert (Hybridproteine: YopEi-X:i = 18, 53 bzw. 138 Aminosäurereste, X = IpgB1, IpgB2 bzw. Map). In der vorliegenden Arbeit wird gezeigt, dass die Hybridproteine YopE53-X und YopE138-X (X=IpgB1, IpgB2, Map) in den Kulturüberstand sezerniert bzw. in Zielzellen injiziert wurden. In einem weiteren Schritt konnte die zellbiologische Aktivität der heterologen Proteine fluoreszenzmikroskopisch durch Aktinzytoskelettumlagerungen gezeigt werden. So wurden „Membrane Ruffles“ (Rac1-Aktivierung) durch YopE138-IpgB1, Stressfasern (RhoA-Aktivierung) durch E138-IpgB2 und „Mikrospikes“ (Cdc42-Aktivierung) durch YopE138-Map nachgewiesen. Invasionstudien zeigten, dass YopEi-IpgB1 (i = 53, 138) die Yersinia-Invasion induzierte, wohingegen YopEi-IpgB2 die Invasionsrate der Stämme WA (pT3SS, pEi-IpgB2) (i=53, 138) verglichen mit dem Stamm WA (pT3SS) reduziert war. Durch Kombination verschiedener Yersinia-Toolbox-Stämme konnte im Co-Infektionsmodell mit HeLa-Zellen gezeigt werden, dass (1) die YopE138-IpgB1 vermittelte Invasion durch YopE138-IpgB2 signifikant inhibiert werden kann, was auf eine antagonistische Wirkung zwischen IpgB1 und IpgB2 schließen lässt, dass (2) YopT ebenfalls die IpgB1 vermittelte Invasionsrate reduziert (inhibitorische Wirkung auf Rac1), und dass (3) YopE als GAP für RhoG/Rac1 (bevorzugt RhoG) praktisch nicht die IpgB1-vermittelte Invasion hemmt. Durch Klonierung der YopE138-IpgB1 und YopE138-IpgB2 kodierenden Fusionsgene in zwei kompatible Plasmidvektoren konnten die Hybridproteine simultan transloziert werden und die Co-Infektionsergebnisse bestätigt werden. In der Literatur ist beschrieben, dass die Ysc-Translokationspore YopB/YopD Rho-abhängig Membranporen-bedingte Zellschädigungen verursacht (LDH-Freisetzung, PI-Kernfärbung). Mit der Yersinia-Toolbox konnte mit dem Stamm WA (pT3SS) Zytoplasmamembranschädigung / Zytotoxizität nachgewiesen werden, nicht aber mit den Stämmen WA (pE138-X) X = IpgB1, IpgB2 oder Map. Co-Infektionen jedoch zeigen, dass vermehrt LDH bei der Infektion mit WA (pT3SS) + WA (pT3SS, pE138-IpgB1) detektiert wurde, wohingegen dieser Effekt von YopE138-IpgB2 in einer Co-Infektion von WA (pT3SS) + WA (pT3SS, pE138-IpgB2) inhibiert wurde. Auch hier wurde der Antagonismus zwischen IpgB1 und IpgB2 erneut sichtbar. Diese Befunde widersprechen publizierten Daten, die eine RhoA-Aktivierung/Aktinpolymerisierung mit verstärkter Porenbildung in einen Zusammenhang bringen. Rho GTPasen sind beteiligt an der Erhaltung der polarisierten Eipthelzellschichtintegrität über Adhäsionskomplexbildung. Mittels Infektion von polarisierten MDCK-Zellschichten mit verschiedenen Yersinia-Stämmen und Messung des transepithelialen elektrischen Widerstandes/Resistenz (TER) konnte gezeigt werden, dass die Ysc-T3SS vermittelte Injektion von YopE138-IpgB1 (Rac1-Aktivierung) oder YopE138-Map (Cdc42-Aktivierung) zur Abnahme der TER und damit Schädigung der Zellschichtintegrität führt, wogegen bei YopE138-IpgB2-Injektion der TER-Wert unverändert blieb. Um bakterielle Rho GTPasen-modulierende Effektorproteine detailliert untersuchen zu können und um die Rolle von Rho GTPasen im Mausinfektionsmodell mit Yersinia enterocolitica und Salmonellen zu bestimmen, wurden Mäuse mit deletierten Genen für RhoA, Rac1 bzw. Cdc42 in Makrophagen hergestellt.
In neurons the Ras signaling pathway is activated by a large number of various stimuli, including trophic factors, neurotransmitters and modulatory peptides. Guanine nucleotide exchange factors (GEFs) mediate the activation of Ras GTPases, by catalyzing the exchange of GDP for GTP, and facilitate signaling networks crosstalk. In this work, very-KIND (VKIND), a new brain specific RasGEF was structurally and functionally characterized. VKIND belongs to the KIND protein family along with the non-receptor tyrosine phosphatases type 13 and Spir actin nucleation factors. The kinase non-catalytic C-lobe domain (KIND) is similar to the C-terminal protein kinase catalytic fold (C-lobe) of the p21-activated kinase (PAK). The open reading frame (ORF) of the VKIND gene of 5229 base pairs was cloned. The VKIND ORF translates into a protein of 1742 amino acids residues with a size of 191 kD. The VKIND protein structure is highly conserved among species and at present the protein is found only in Vertebratae and Echinodermatae. The arrangement of two KIND domains at its amino-terminal region, KIND1 and KIND2, is depicted in its name. The KIND module functions as a molecular interaction structure that is deprived of any enzymatic activity. While the precise occupation of the KIND1 domain remains elusive, the KIND2 domain binds to the microtubules-associated protein 2 (MAP2). The protein central portion features two clusters of high conservation of yet unknown function as well as a coiled-coil motif with a putative multiple protein-protein interaction activity. At the carboxy-terminal region VKIND features a guanine nucleotide exchange factor for Ras-like small GTPases (RasGEF) with a structural RasGEFN motif attached at its N-terminal site. The VKIND RasGEF motif is structurally related to the yeast catalytic domain CDC25. The closest relation of the VKIND RasGEF domain with an average sequence identity of 23% is assigned to the RasGEF domains of exchange factors specific for Rap GTPases with two unique insertions: the first one of 24 amino acids in the N-terminal end of the domain (between helixes αA and αB of the SOS1 RasGEF module) and the second one of 11 amino acids in the C-terminal part (between, helixes αJ and αK of the Sos1 RasGEF module). The RasGEFN domain plays a critical role in sustaining the structural and catalytical integrity of the guanidine exchange factor. VKIND is specifically and highly expressed in the murine nervous system during embryonic development and adulthood. During embryogenesis VKIND expression is present in the murine neural tube, telencephalon, retinal ganglion cells, and rhombencephalon. In the adult murine brain VKIND expression is most prominent in the cerebellum, however exclusively restricted to the granular and Purkinje cell layers. Subcellular distribution studies and time-lapse analysis revealed the gradual accumulation of VKIND into highly motile circular particles which featured estimated maximum velocity of 12 μm/min. By merging the nascent structures progressively grew to estimated 2 μm in size suggesting a role for VKIND in the vesicular transport process. Furthermore, the KIND1/KIND2 region of the VKIND protein was found to be phosphorylated by the p38 mitogen-activated protein kinase (MAPK), recently discovered to induce neurite outgrowth in response to hyperosmotic shock. In the light of VKIND negatively controlling neurite outgrowth, further elucidation of the complex Ras pathways may provide rewarding insights in the neuronal physiology.