Crosstalk between Rac and Rap GTPases in migrating cells
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Date
2025
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Abstract
Zellmigration spielt eine zentrale Rolle in zahlreichen physiologischen und patho-physiologischen Prozessen, beispielsweise der zielgerichteten Wanderung von Immunzellen oder der Metastasierung von Tumorzellen. In diesem Prozess spielt die präzise zeitliche und räumliche Koordination verschiedener fundamentaler zellbiologischer Prozesse, wie der gerichteten Bildung von Ausstülpungen, der Zelladhäsion und der Zellkontraktion eine wichtige Rolle. Signalproteine der Rho und Ras/Rap Familien kleiner GTPasen spielen in dieser Koordination eine wichtige Rolle. Die direkte Untersuchung ihrer dynamischen Aktivität und ihrer Wechselwirkungen in lebenden Zellen ist entscheidend, um die zugrunde liegenden Mechanismen dieser Koordination besser zu verstehen. In dieser Arbeit wurden hochsensitive Aktivitätssensoren für die wichtigsten Vertreter dieser Signalproteine, Ras, Rac1 und Rap eingesetzt. In Kombination mit kurz- und langfristigen Aktivitätsstörungen konnten zentrale Eigenschaften der regulatorischen Netzwerke aufgedeckt werden, welche die Aktivitäten dieser Signalproteine miteinander verbinden. In der von Keratinozyten abgeleiteten Krebszelllinie A431 wurde bereits eine enge Korrelation der Rac-Aktivität mit lokalen Zellausstülpungen beobachtet. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass Rap vor, während und auch noch über einen längeren Zeitraum nach Rac-vermittelten Zellausstülpungen aktiv ist. Durch eine Kombination von Aktivitätsmessungen mit schnellen optogenetischen Störungen wurde eine unidirektionale Kausalität zwischen diesen Signalproteinen nachgewiesen, durch welche Rac effizient durch Rap aktiviert wird. Dies weist auf eine instruktive Rolle von Rap GTPasen bei der Initiierung neuer Zellausstülpungen hin. Die beobachtete verlängerte Rap-Aktivität nach der initialen Zellausstülpung unterstützt vorherige Studien, welche eine Rolle von Rap in der Zelladhäsion beschrieben haben. Funktionelle Analysen spezifischer Rap-Isoformen deuten darauf hin, dass Rap1a und Rap2b antagonistische Effekte auf die zelluläre Adhäsion haben: Der Knockdown von Rap1a führte zu einer verminderten Adhäsion, während der Knockdown von Rap2b das Gegenteil bewirkte. Zusammenfassend zeigen diese Ergebnisse, dass eine unidirektionale Verknüpfung die Rap- und Rac-Aktivität koppelt und damit die Bildung zellulärer Protrusionen initiiert, und dass die verlängerte Rap-Aktivität nach einer neuen Zellausstülpung die Ausbildung neuer Adhäsionen reguliert.
Cell migration is a process involved in various physiological and pathophysiological processes, including immune cell migration and cancer metastasis. Efficient cell migration requires precise spatio-temporal coordination of several fundamental cell biological processes, in particular of cell protrusion, adhesion and retraction. Signal proteins of the Rho and Ras/ Rap family GTPases are thought to be master regulators of these fundamentally important processes, and direct investigations of these proteins in living cells is therefore expected to aid our understanding, how they are coordinated in space and time. Here, highly sensitive, effector-domain based activity sensors for Ras, Rac1 and Rap, were used in combination with both long-term and short-term activity perturbations to investigate the signal network that controls cell migration. In the keratinocyte-derived A431 cancer cell line, Rac activity was already known to correlate tightly with local cell protrusions. In this thesis, Rap activity was observed already before Rac activity and remained elevated for a prolonged time after the actual protrusion event. The combination of activity measurements with rapid optogenetic perturbations revealed a clear hierarchy, in which Rap can efficiently and unidirectionally activate Rac. This suggests an instructive role of the Rap GTPase in the generation of newly formed protrusions. Rap GTPases were already known to regulate cellular adhesion, and their prolonged activity after cell protrusion further supports this idea. Further functional investigations into the role of distinct Rap isoforms suggested that the two major isoforms Rap1a and Rap2b have an antagonistic effect on cell adhesion. While knockdown of Rap1a resulted in decreased cell adhesion, knockdown of Rap2b had the opposite effect. Taken together, these studies suggest that a unidirectional activity crosstalk couples Rap activity to Rac activity to induce cellular protrusion, and that prolonged Rap activity after cell protrusion regulates cell adhesion.
Cell migration is a process involved in various physiological and pathophysiological processes, including immune cell migration and cancer metastasis. Efficient cell migration requires precise spatio-temporal coordination of several fundamental cell biological processes, in particular of cell protrusion, adhesion and retraction. Signal proteins of the Rho and Ras/ Rap family GTPases are thought to be master regulators of these fundamentally important processes, and direct investigations of these proteins in living cells is therefore expected to aid our understanding, how they are coordinated in space and time. Here, highly sensitive, effector-domain based activity sensors for Ras, Rac1 and Rap, were used in combination with both long-term and short-term activity perturbations to investigate the signal network that controls cell migration. In the keratinocyte-derived A431 cancer cell line, Rac activity was already known to correlate tightly with local cell protrusions. In this thesis, Rap activity was observed already before Rac activity and remained elevated for a prolonged time after the actual protrusion event. The combination of activity measurements with rapid optogenetic perturbations revealed a clear hierarchy, in which Rap can efficiently and unidirectionally activate Rac. This suggests an instructive role of the Rap GTPase in the generation of newly formed protrusions. Rap GTPases were already known to regulate cellular adhesion, and their prolonged activity after cell protrusion further supports this idea. Further functional investigations into the role of distinct Rap isoforms suggested that the two major isoforms Rap1a and Rap2b have an antagonistic effect on cell adhesion. While knockdown of Rap1a resulted in decreased cell adhesion, knockdown of Rap2b had the opposite effect. Taken together, these studies suggest that a unidirectional activity crosstalk couples Rap activity to Rac activity to induce cellular protrusion, and that prolonged Rap activity after cell protrusion regulates cell adhesion.
Description
Table of contents
Keywords
Cell migration, Small GTPase, Ras, Rac, Rap, TIRF-M, Optogenetics
Subjects based on RSWK
Signalpeptide, Zellmigration