Relative functions of Profilin 1 and the Ena/VASP-Arp2/3 complex machinery in lamellipodium protrusion

Profilin-Proteine binden Aktin-monomere und erfüllen als solche eine zentrale, regulatorische Funktion für die Entstehung und Regulierung des Aktin-Zytoskeletts über die gesamte Lebensdauer von Zellen hinweg. Meine Forschungsarbeit beschäftigt sich mit der Rolle von Profilin1 (Pfn1), dessen Expression am weitesten innerhalb der Familie verbreitet ist, und mit dem Zusammenhang dieses Proteins auf die Aktin-Organisation im Vergleich zu Arp2/3 Komplex und seinem neulich als Co-Faktor definierten Capping protein (CP), sowie der Aktin-Polymerasen der Ena/VASP Familie. Hier beschreibe ich, wie Pfn1 neben seiner Unterstützungsfunktion für Formin-Proteine, eine regulatorische Funktion hierarchisch über dem Arp2/3 Komplex einnimmt, welcher essentiell für den Aufbau verzweigter Aktin Netzwerke in blattdünnen Protrusionen,  den sogenannten Lamellipodien, ist. Die Verringerung der Aktivität von Arp2/3-Komplex in Pfn1-depletierten Lamellipodien resultiert indirekt aus der Reduktion der lamellipodialen Expression von CP, welches wiederum von der verstärkt auftretenden Akkumulation von Ena/VASP Proteinen, einem Antagonisten von CP, bedingt wird. Eine Deletion von Pfn1 führt, mit anderen Worten, zu einer Anreicherung von Proteinen der Ena/VASP Familie, welche in der Konsequenz eine signifikante Entfernung von CP aus der lamellipodialen Spitze bewirken. Diese Verringerung von CP im Lamellipodium geht mit einem reduzierten Einbau von Arp2/3-Komplex in das Aktin Netzwerk einher. Meine Experimente weisen zudem darauf hin, dass die durch Depletion von Pfn1 bedingte Verringerung der CP Expression die Anwesenheit von Proteinen der Ena/VASP Familie voraussetzt. Hinweise auf diese Schlussfolgerung zeigten sich bei genetischer Entfernung von sowohl Ena/VASP Proteinen als auch Pfn1, da die Menge lamellipodialen CPs in der Abwesenheit von Ena/VASP sich nicht durch zusätzliches Entfernen von Pfn1 (wie im WT) reduzieren ließ. Neben dem gezeigten, indirekten Einfluss auf die Lokalisation von CP im Lamellipodium ist aber auch die Präsenz und Funktion von Pfn1 für die gekoppelte Funktion von Arp2/3 Komplex und CP notwendig. Dieser Schluss ergibt sich aus dem Umstand, dass die Deletion von sowohl Pfn1 als auch Ena/VASP-Proteinen - trotz der beobachteten Anreicherung von CP - mit einer Reduktion der Arp2/3 Komplex-Akkumulation im Lamellipodium einhergeht. Dies bedeutet, dass die Anreicherung von lamellipodialen CP alleine nicht als Signal bzw Mechanismus für die Rekrutierung und Aktivierung von Arp2/3 Komplex ausreicht. All diese Daten zeigen eindeutig die Diversität und Komplexität von Zusammenhängen zwischen verschiedenen Schlüssel-Regulatoren lamellipodialer Aktin-Netzwerke. Meine Experimente tragen daher zu einer grundsätzlichen Verbesserung unseres Verständnisses der Arp2/3 Komplex-abhängigen Aktinreorganisation bei, und veranschaulichen die Wichtigkeit von Pfn1 für die Dynamik des Aktin-Zytoskeletts.

Die Abschnitte zur „Wirt-Pathogen-Interaktion“ in meiner Forschungsarbeit konnten zeigen, dass die Deletion der Formine mDia1 und mDia3 eine signifikante Inhibierung der Invasionskapazität von Salmonella zur Folge hatte, welche auf eine Blockade beider bekannter Invasionswege dieses Pathogens zurückzuführen ist: und zwar wird sowohl die Arp2/3 Komplex-abhängige Bildung von speziellen Invasionsstrukturen, den Ruffles blockiert, als auch der von Myosin II vermittelte Aufbau kontraktiler Strukturen. Die Invasionseffizienz von Shigella war in der Abwesenheit von mDia1 und -3 ebenso stark eingeschränkt. Die Tatsache, dass alle auf ihr Invasionsvermögen getesteten, bakteriellen Pathogene, also sowohl die Gram-negativen Salmonellen und Shigellen wie auch die Gram-positiven Listerien in Pfn1-deletierten Wirtszellen weit stärker invasionsdefizient sind als in Zellen nach Depletion von mDia1/3 unterstützt den Schluss, dass Pfn1 sowohl bei Formin- als auch bei Arp2/3 Komplex-abhängigen Aktin-Reorganisationsprozessen mitwirkt.