Signal Integration from Membranes to the Actin Cytoskeleton

从细胞膜到肌动蛋白细胞骨架的信号传递支持了无数的过程，例如细胞迁移 和囊泡运输，其失调导致各种疾病，包括癌症和神经系统疾病 命令~400 kDa的WAVE调节复合物（WRC）在连接膜信号中起核心作用 肌动蛋白细胞骨架之间的联系。单独的WRC是自抑制的，但大量的膜 配体可以通过直接相互作用激活复合物，这反过来又刺激Arp 2/3复合物， 抗肿瘤素这些配体包括GTP酶Rac 1和Arf 1，以及超过100种不同的膜蛋白 申请人以前鉴定的基因。尽管WRC配体及其广泛的生物学功能有这么长的列表， 然而，这些膜分子是如何单独或协同控制WRC的活性的仍然是未知的 从而组装肌动蛋白。一个主要的挑战是用生物化学方法重建多价的弱相互作用蛋白质， WRC与其配体，特别是与其典型活化剂Rac 1和Arf 1的反应。初步数据 证明现在可以通过使用重组材料来重建稳定的WRC/配体复合物 和不同的tethering策略。对这些材料的独特访问将使确定生物多样性成为可能。 化学和结构机制介导WRC活化。初步数据表明， WRC需要在两个不同位点同时结合两个Rac 1分子， 通过与Arf 1的第三次相互作用增强。其它膜配体可进一步通过免疫调节来调节活化。 在其他不同地点的相互作用。我的实验室将针对WRC激活的三个主要方面， 和结构方法。项目1将确定WRC的结构同时绑定到两个 Rac 1分子。这将揭示WRC的第一个激活结构，并将提供一个机械框架， 为了解WRC激活而工作。项目2将结合联合收割机生物化学和结构的方法来定义 Arf 1如何激活WRC，以及Arf 1和Rac 1如何协同作用以优化激活。这将重新 揭示了WRC激活的新机制，并为理解许多细胞中肌动蛋白的调节开辟了新途径。 由GTP酶的Arf家族控制的过程。项目3将发现新的相互作用机制， WRC与三个新鉴定的膜配体，包括claudin-β受体HPO-β 30，神经元受体HPO-β 30， 受体Retrolinkin和谷氨酸受体的红藻氨酸家族。这将揭示肌动蛋白调节的新模式 通过膜受体和WRC介导。一起，通过产生以前无法获得的材料， 通过将定量生物化学和结构方法紧密结合， 工作将提供一个全面的，统一的框架，了解WRC激活，知识， 广泛适用于许多不同的细胞系统和生物过程广泛调节这种信号 naling hub及其许多配体。我们的工作还将为治疗提供新的结构靶点， 在细胞生物学、免疫学、神经科学和发育生物学等领域产生广泛影响。

Signaling from membranes to the actin cytoskeleton underpins a myriad of processes, such as cell migration  and vesicle trafficking, and its dysregulation leads to various diseases, including cancer and neurological dis-­ orders. The WAVE Regulatory Complex (WRC) of ~400 kDa plays a central role in linking membrane signals  to the actin cytoskeleton throughout biology. The WRC alone is autoinhibited, but a large variety of membrane  ligands can activate the complex through direct interactions, which, in turn, stimulates the Arp2/3 complex to  polymerize actin. These ligands include the GTPases Rac1 and Arf1, and over 100 different membrane pro-­ teins previously identified by the applicant. Despite this long list of WRC ligands and their broad biological func-­ tions, it remains unknown how these membrane molecules, individually or cooperatively, control WRC’s activity  and thereby actin assembly. One major challenge is to biochemically reconstitute the multivalent, weak interac-­ tions of the WRC with its ligands, especially with its canonical activators Rac1 and Arf1. Preliminary data  demonstrate that it is now possible to reconstitute stable WRC/ligand complexes by using recombinant materi-­ al and by different tethering strategies. The unique access to such material will enable determination of the bi-­ ochemical and structural mechanisms mediating WRC activation. Preliminary data suggest that activation of  the WRC requires simultaneous binding of two Rac1 molecules at two distinct sites and that the activation is  enhanced by a third interaction with Arf1. Other membrane ligands may further modulate the activation by in-­ teractions at additional, distinct sites. My lab will target three major aspects of WRC activation by biochemical  and structural approaches. Project 1 will determine the structure of the WRC simultaneously bound to two  Rac1 molecules. This will reveal the first activated structure of the WRC and will provide a mechanistic frame-­ work for understanding WRC activation. Project 2 will combine biochemical and structural approaches to define  how the WRC is activated by Arf1 and how Arf1 and Rac1 act cooperatively to optimize activation. This will re-­ veal new mechanisms of WRC activation and open new avenues for understanding actin regulation in many  processes controlled by the Arf family of GTPases. Project 3 will discover novel interaction mechanisms of the  WRC with three newly identified membrane ligands, including the claudin-­like receptor HPO-­30, the neuronal  receptor Retrolinkin, and the kainate family of glutamate receptors. This will reveal new modes of actin regula-­ tion mediated by membrane receptors and the WRC. Together, by generating previously unattainable material  and by closely integrating quantitative biochemistry and structural approaches, successful completion of this  work will provide a comprehensive, unifying framework for understanding WRC activation, knowledge that will  be broadly applicable to many different cellular systems and biological processes widely regulated by this sig-­ naling hub and its many ligands. Our work will also provide new structural targets for therapeutics and will have  a broad impact in areas ranging from cell biology and immunology to neuroscience and developmental biology.