SH3-mediated protein interactions of Mena and VASP

• Main Author: Offner, Kristin
• Format: Doctoral Thesis
• Language: English
• Published: 2017
• Subjects: ddc:610
• Online Access: https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/frontdoor/index/index/docId/15448; http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-154481; https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:bvb:20-opus-154481; https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/files/15448/offner_kristin_SH3.pdf

Regulation of actin cytoskeletal turnover is necessary to coordinate cell movement and cell adhesion. Proteins of the Enabled/vasodilator-stimulated phosphoprotein (Ena/VASP) family are important mediators in cytoskeleton control, linking cyclic nucleotide signaling pathways to actin assembly. In mammals, the Ena/VASP family consists of mammalian Enabled (Mena), VASP, and Ena-VASP-like (EVL). The family members share a tripartite domain organization, consisting of an N-terminal Ena/VASP homology 1 (EVH1) domain, a central proline-rich region (PRR), and a C-terminal EVH2 domain. The EVH1 domain mediates binding to the focal adhesion proteins vinculin and zyxin, the PRR interacts with the actin-binding protein profilin and with Src homology 3 (SH3) domains, and the EVH2 domain mediates tetramerization and actin binding. Endothelial cells line vessel walls and form a semipermeable barrier between blood and the underlying tissue. Endothelial barrier function depends on the integrity of cell-cell junctions and defective sealing of cell-cell contacts results in vascular leakage and edema formation. In a previous study, we could identify a novel interaction of the PRR of VASP with αII-spectrin. VASP-targeting to endothelial cell-cell contacts by interaction with the αII-spectrin SH3 domain is sufficient to initiate perijunctional actin filament assembly, which in turn stabilizes cell-cell contacts and decreases endothelial permeability. Conversely, barrier function of VASP-deficient endothelial cells and microvessels of VASP- null mice is defective, demonstrating that αII-spectrin/VASP complexes regulate endothelial barrier function in vivo. The aim of the present study was to characterize the structural aspects of the binding of Ena/VASP proteins to αII-spectrin in more detail. These data are highly relevant to understand the cardiovascular function of VASP and its subcellular targeting. In the present study, the following points were experimentally addressed: 1. Comparison of the interaction between αII-spectrin and Mena, VASP, or EVL In contrast to the highly conserved EVH1/EVH2 domains, the PRR is the most divergent part within the Ena/VASP proteins and may differ in binding modes and mechanisms of regulation. More specifically, VASP contains a triple GP5 motif, whereas EVL and Mena contain one or more GP6 motifs or even longer proline stretches. In the present study, we used peptide scans and competitive αII-spectrin SH3 pull-down assays with the recombinant Mena, VASP, and VASP mutants to investigate the relative binding efficiency. Our results indicate that binding of the αII-spectrin SH3 domain to GP6 motifs is superior to GP5 motifs, giving a rationale for a stronger interaction of αII-spectrin with EVL and Mena than with VASP. 2. Interaction of SH3i with Ena/VASP proteins In the mammalian heart, an αII-spectrin splice variant exists (SH3i), which contains a 20 amino acid insertion C-terminal to the SH3 domain. We used GST-fusion proteins of αII-spectrin, comprising the SH3 domain with or without the alternatively spliced amino acids, to pull-down recombinant Mena, VASP or VASP mutants. The results demonstrate a substantially increased binding of the C-terminal extended SH3 domain as compared to the general αII-spectrin isoform without the 20 amino acid insertion. These findings were also confirmed in pull-down experiments with heart lysates and purified Mena from heart muscle. The increased binding was not due to an alternative, SH3-independent binding interface because a pointmutation of the SH3 domain (W1004R) in the alternatively spliced αII-spectrin isoform completely abrogated the interaction. To analyze the interaction of SH3i and Ena/VASP proteins in living cells, we expressed the extended SH3 domain as GFP fusion proteins in endothelial cells. Here, we observed an extensive co-localization with Mena and VASP at the leading edge of lamellipodia confirming the in vivo relevance of the interaction with potential impact on cell migration and angiogenesis. 3. Binding affinity and influence of the Ena/VASP tetramerization domain We also determined the binding affinity of the general and the alternatively spliced αII-spectrin SH3 with Ena/VASP proteins by isothermal titration calorimetry (ITC) using a peptide from the PRR of Mena (collaboration with Dr. Stephan Feller, University of Oxford). Surprisingly, the binding affinity of the general SH3 domain was low (~900 μM) as compared to other SH3 domain- mediated interactions, which commonly display binding constants in the low micromolar range. Furthermore and in contrast to the pull-down assays, we could not detect an increased binding affinity of the C-terminally extended SH3 domain. This could be either explained by the existence of a third protein, which “bridges” the Mena/αII-spectrin complex in the pull-down assays, or, more likely, by the small size of the Mena peptide, which lacks major parts of the Mena protein, including the tetramerization domain. Indeed, it has been previously shown that the tetramerization of Ena is crucial for the interaction with the Abl- SH3 domain, although no SH3 binding sites are found in the tetramerization domain. To address this point experimentally, we used a VASP mutant that lacks the tetramerization domain in pull-down assays. Neither the general nor the alternatively spliced SH3 domain bound to the monomeric VASP, demonstrating the crucial (indirect) impact of Ena/VASP tetramerization on the interaction with αII-spectrin. In summary, we conclude that the αII-spectrin SH3 domain binds to the proline- rich region of all Ena/VASP proteins. However, binding to EVL and Mena, which both possess one or more GP6 motifs, is substantially more efficient than VASP, which only contains GP5 motifs. The C-terminally extended SH3 domain, which is present in the αII-spectrin splice variant SH3i, binds stronger to the Ena/VASP proteins than the general isoform and expression of the isolated domain is sufficient for co-localization with Ena/VASP in living endothelial cells. Finally, the tetramerization of the Ena/VASP proteins is indispensable for the interaction with either isoform of αII-spectrin. === Die Regulation des Umbaus des Aktinzytoskeletts ist für die Fortbewegung sowie die Adhäsion von Zellen essentiell. Proteine der Enabled/vasodilator- stimulated phosphoprotein (Ena/VASP) Familie sind wichtige Mediatoren bei diesem Prozess, indem sie zyklische Nukleotidprotein-Signalwege mit dem Aktinzytoskelett-Aufbau verknüpfen. In Säugern besteht die Ena/VASP-Protein Familie aus mammalian Enabled (Mena), VASP und Ena-VASP-like (EVL). Diese Proteine teilen sich einen gemeinsamen strukturellen Aufbau: N-terminal befindet sich die Ena/VASP homology 1 (EVH1) Domäne, zentral liegt eine prolinreiche Region (PRR) und C-terminal befindet sich eine EVH2 Domäne. Die EVH1 Domäne vermittelt eine Interaktion mit den fokalen Adhäsionsproteinen Vinculin und Zyxin, die PRR interagiert mit dem aktinbindenden Protein Profilin sowie mit Src homology 3 (SH3) Domänen und die EVH2 Domäne vermittelt die Tetramerisierung der Proteine sowie die Interaktion mit Aktin. Endothelzellen kleiden die Gefäßwand aus und bilden eine semipermeable Barriere zwischen Blut und dem umgebenden Gewebe. Die Funktion des Endothels hängt dabei von der Integrität der Zell-Zell-Kontakte ab. Die Zerstörung dieser Kontakte führt zu vaskulärer Leckage sowie zur Ausbildung von Ödemen. In einer vorausgehenden Arbeit konnten wir eine neue Interaktion zwischen der PRR von VASP und αII-Spektrin zeigen. Durch die Interaktion mit der SH3 Domäne von αII-Spektrin gelangt VASP an Zell-Zell-Kontakte von Endothelzellen und ist dort in der Lage die Aktinverknüpfung in der Umgebung der Zell-Zell-Kontakte zu initiieren, was wiederum die Zell-Zell-Kontakte stabilisiert und die vaskuläre Permeabilität reduziert. Umgekehrt konnten wir beobachten, dass die Barrierefunktion von Endothelzellen und Mikrogefäßen von VASP-defizienten Mäusen gestört ist, was darauf hindeutet, dass VASP/αII- Spektrin-Komplexe an der Regulation der endothelialen Barrierefunktion in vivo beteiligt sind. Das Ziel dieser Arbeit war die detaillierte Charakterisierung der Strukturen von Ena/VASP Proteinen und αII-Spektrin, die an der Interaktion zwischen diesen Proteinen beteiligt sind. Diese Daten sind äußerst wichtig um die genaue Funktion von VASP im kardiovaskulären System zu verstehen. In dieser Arbeit wurden die folgenden Punkte genauer analysiert: 1. Vergleich der Interaktion zwischen αII-Spektrin und Mena, VASP oder EVL Verglichen mit den hochkonservierten EVH1/2 Domänen besitzt die zentrale PRR der Ena/VASP Proteinfamilie die größte Diversität und könnte sich bezüglich der Binde- und Regulationsmechanismen zwischen den einzelnen Proteinen unterscheiden. Im Detail besitzt VASP ein sich dreifach wiederholendes GP5 Motiv wohingegen Mena und EVL ein sich ein- oder mehrfach wiederholendes GP6 Motiv oder noch längere Prolinsequenzen aufweisen. In dieser Arbeit nutzten wir peptide scan arrays und kompetitive αII- Spektrin SH3 pull-down Versuche mit rekombinantem Mena, VASP und VASP Mutanten um die relative Bindungsstärke der Interaktion zu untersuchen. Die Ergebnisse zeigten, dass die Bindung der αII-Spektrin SH3 Domäne an GP6 Motive der Bindung an GP5 Motive überlegen ist, was darauf hindeutet, dass die Interaktion zwischen αII-Spektrin und EVL und Mena stärker ist als die Interaktion mit VASP. 2. Interaktion von SH3i mit Ena/VASP Proteinen Im Säugerherzen kommt eine αII-Spektrin Splicevariante (SH3i) vor, die eine Insertion aus 20 Aminosäuren C-terminal der SH3 Domäne enthält. Wir nutzten GST-αII-Spektrin Fusionsproteine, die die SH3 Domäne mit oder ohne Aminosäuren-Insertion beinhalteten, im pull-down Versuch mit rekombinantem Mena, VASP oder mit VASP Mutanten. Die Ergebnisse zeigten eine deutlich ansteigende Bindungsrate bei der C-terminal verlängerten SH3 Domäne verglichen zu der üblichen αII-Spektrin Isoform ohne Aminosäureninsertion. Diese Ergebnisse konnten auch durch pull-down Versuche mit Herzlysat und aufgereinigtem Mena aus Herzmuskulatur bestätigt werden. Dieser Effekt auf die Bindung war dabei nicht bedingt durch ein alternatives, SH3-unabhängiges Bindungsmuster, da eine Punktmutation (W1004R) in der Sequenz der SH3 Domäne der alternativ gespleißten αII-Spektrin Isoform die Interaktion komplett aufhob. Um die Interaktion von SH3i und Ena/VASP Proteinen in lebenden Zellen zu untersuchen, exprimierten wir die verlängerte SH3 Domäne als GFP- Fusionsprotein in Endothelzellen. Hierbei konnten wir eine ausgeprägte Kolokalisation mit Mena und VASP an Lamellipodien beobachten, was die Relevanz der Interaktion im lebenden Organismus bestätigt und auf einen potentiellen Effekt auf Zellmigration und Angiogenese schließen lässt. 3. Bindungsaffinität und Einfluss der Ena/VASP Tetramerisierungsdomäne Zusätzlich wurde die Bindungsaffinität der üblichen sowie der alternativ gespleißten αII-Spektrin SH3 Domäne mit den Ena/VASP Proteinen mittels isothermal titration calorimetry (ITC) bestimmt, wobei ein Peptid bestehend aus der PRR von Mena genutzt wurde (Kollaboration mit Dr. Stephan Feller, Universität von Oxford). Überraschenderweise war die Bindungsaffinität der üblichen SH3 Domäne verglichen mit anderen SH3 Interaktionen, die normalerweise Bindungskonstanten im unteren mikromolaren Bereich aufweisen, niedrig (~900 μM). Außerdem und im Kontrast zu den Ergebnissen der pull-down Versuche konnten wir keine gesteigerte Bindungsaffinität der C- terminal verlängerten SH3 Domäne feststellen. Dies könnte entweder durch die Beteiligung eines dritten Proteins erklärt werden, das den Mena/αII-Spektrin- Komplex in den pull-down Versuchen überbrückt, oder aber, was wahrscheinlicher ist, durch die geringe Größe des Mena Peptids, dem wichtige Bestandteile des Mena Proteins inklusive der Tetramerisierungsdomäne fehlen. Tatsächlich wurde erst kürzlich gezeigt, dass die Tetramerisierung von Ena essentiell für eine Interaktion mit der Abl SH3 Domäne ist, obwohl keine SH3 Bindestellen in der Tetramerisierungsdomäne gefunden wurden. Um dieser Beobachtung nachzugehen, nutzten wir eine VASP Mutante in pull-down Versuchen, der die Tetramerisierungsdomäne fehlt. Weder die übliche noch die alternativ gespleißte SH3 Domäne interagierte mit dem monomeren VASP, was einen essentiellen (indirekten) Einfluss der Tetramerisierung von Ena/VASP Proteinen auf die Interaktion mit αII-Spektrin nahelegt. Zusammengefasst können wir sagen, dass die αII-Spektrin SH3 Domäne an die prolinreiche Region aller Ena/VASP Proteine bindet. Jedoch ist festzuhalten, dass die Bindung an EVL und Mena, die beide ein oder mehrere GP6 Motive enthalten, deutlich effizienter ist als die Bindung an VASP, das ausschließlich GP5 Motive beinhaltet. Die C-terminal verlängerte SH3 Domäne, die in der alternativ gespleißten αII-Spektrin Variante SH3i vorkommt, bindet stärker an Ena/VASP Proteine als die übliche αII-Spektrin Isoform und bereits die Expression der isolierten Domäne alleine ist für eine Kolokalisation mit Ena/VASP Proteinen in lebenden Endothelzellen ausreichend. Letztlich konnten wir zeigen, dass die Tetramerisierung der Ena/VASP Proteine unentbehrlich für die Interaktion mit allen untersuchten αII-Spektrin Isoformen ist.