Molecular regulation of the AP2 clathrin adaptor complex

点击翻译按钮获取中文摘要

Abstract  -­  Clathrin-­mediated  endocytosis  is  the  main  port  of  entry  into  our  cells  for  medically  relevant  substances  including  cholesterol-­laden  particles  and  viruses  such  as  influenza  and  hepatitis.  By  engulfing  signaling receptors, this fundamental cellular process also tunes our sensitivity to the potentially pathological  actions  of  growth  factors  and  neuromodulators.  As  such,  understanding  how  the  underlying  endocytic  machinery is regulated promises to reveal novel mechanisms that could be harnessed to control neoplastic,  neurodegenerative,  cardiovascular,  and  viral  diseases.  At  the  heart  of  the  endocytic  process  lies  the  AP2  clathrin  adaptor  complex  which  appears  to  undergo  a  conformational  change  during  vesicle  formation  to  actively  couple  membrane  and  cargo  to  the  clathrin  coat.  Despite  the  central  role  of  AP2,  we  lack  critical  details  about  how  this  molecular  machine  is  regulated  in  vivo.  To  address  this  need,  we  have  developed  innovative tools in C. elegans that allow us to quantify AP2 activity at multiple levels and have employed deep  genetic  screens  to  identify  two  conserved  protein  families  that  appear  to  govern  AP2  conformation  and  activity.  Our  goal  is  to  illuminate  how  these  allosteric  regulators  of  the  endocytic  machinery  function  mechanistically.  Previously  it  was  thought  that  membrane  phospholipids,  cytosolic  cargo  domains,  and  phosphorylation  by  the  AP2-­associated  kinase  (AAK1)  activate  AP2.  Our  preliminary  data  indicate  that  a  conserved region of the membrane-­associated Fer/Cip4 Homology Domain-­only (FCHo) proteins is required  to promote endocytosis by converting AP2 to an active complex. We have named this functionally important  domain the AP2 Activator, or APA. In Aim 1 we will test whether the APA is sufficient to induce a structural  rearrangement of AP2, as well as defining the roles of membrane, cargo, and phosphorylation in that process.  We  will  determine  where  the  APA  binds  to  AP2  by  screening  for  C.  elegans  mutants  that  escape  an  APA  anchored  to  mitochondria.  We  will  evaluate  the  physiological  significance  of  AP2  phosphorylation  by  characterizing  kinase  mutants.  In  Aim  2  we  will  validate  our  hypothesis  that  adaptiN-­Ear-­Binding  Coat-­ Associated Proteins (NECAP)s counteract the active (open) conformation of AP2 to ensure proper recycling  of  adaptor  complexes.  We  have  discovered  that  AP2  accumulates  in  a  hyper-­open,  hyper-­phosphorylated  state  in  NECAP  mutants,  and  that  NECAPs  specifically  bind  open,  phosphorylated  forms  of  AP2.  We  will  determine how NECAPs regulate AP2 activity and where they function within the hierarchy of AP2 modulation  using  in  vitro  and  in  vivo  approaches.  To  fully  understand  how  NECAPs  function,  we  will  determine  their  structure, and use an innovative random-­scanning mutagenesis technique to determine the relevant NECAP-­ AP2 contacts in vivo. The long-­term impact of the proposed research will be to clarify how fundamental cellular  machinery is controlled with spatiotemporal precision in metazoans – where misregulation leads to important  diseases.