BG
Bruno Goud
Author with expertise in Mechanisms of Intracellular Membrane Trafficking
Achievements
Cited Author
Open Access Advocate
Key Stats
Upvotes received:
0
Publications:
30
(63% Open Access)
Cited by:
5,651
h-index:
87
/
i10-index:
201
Reputation
Biology
< 1%
Chemistry
< 1%
Economics
< 1%
Show more
How is this calculated?
Publications
0

The small GTP-binding protein rab4 controls an early sorting event on the endocytic pathway

Peter Sluijs et al.Sep 1, 1992
+3
P
M
P

Abstract

 rab4 is a ras-like GTP-binding protein that associates with early endosomes in a cell cycle—dependent fashion. To determine its role during endocytosis, we generated stable cell lines that overexpressed mutant or wild-type rab4. By measuring endocytosis, transport to lysosomes, and recycling, we found that overexpression of wild-type rab4 had differential effects on the endocytic pathway. Although initial rates of internalization and degradation were not inhibited, the transfectants exhibited a 3-fold decrease in fluid phase endocytosis as well as an alteration in transferrin receptor (Tfn-R) recycling. Wild-type rab4 caused a redistribution of Tfn-R's from endosomes to the plasma membrane. It also blocked iron discharge by preventing the delivery of Tfn to acidic early endosomes, instead causing Tfn accumulation in a population of nonacidic vesicles and tubules. rab4 thus appears to control the function or formation of endosomes involved in recycling.
0

A GTP-binding protein required for secretion rapidly associates with secretory vesicles and the plasma membrane in yeast

Bruno Goud et al.Jun 1, 1988
P
N
A
B

Abstract

 SEC4, one of the 10 genes involved in the final stage of the yeast secretory pathway, encodes a ras-like, GTP-binding protein. In wild-type cells, Sec4 protein is located on the cytoplasmic face of both the plasma membrane and the secretory vesicles in transit to the cell surface. In all post-Golgi blocked sec mutants, Sec4p is predominantly associated with the secretory vesicles that accumulate as a result of the secretory block. Sec4p is synthesized as a soluble protein that rapidly (t12 ⩽ 1 min) and tightly associates with secretory vesicles and the plasma membrane by virtue of a conformational change or a covalent modification. These data suggest that Sec4p may function as a "G" protein on the vesicle surface to transduce an intracellular signal needed to regulate transport between the Golgi apparatus and the plasma membrane.
0

Protein interaction mapping: A Drosophila case study

Étienne Formstecher et al.Feb 14, 2005
+39
V
S
É
The Drosophila (fruit fly) model system has been instrumental in our current understanding of human biology, development, and diseases. Here, we used a high-throughput yeast two-hybrid (Y2H)-based technology to screen 102 bait proteins from Drosophila melanogaster , most of them orthologous to human cancer-related and/or signaling proteins, against high-complexity fly cDNA libraries. More than 2300 protein-protein interactions (PPI) were identified, of which 710 are of high confidence. The computation of a reliability score for each protein-protein interaction and the systematic identification of the interacting domain combined with a prediction of structural/functional motifs allow the elaboration of known complexes and the identification of new ones. The full data set can be visualized using a graphical Web interface, the PIMRider ( http://pim.hybrigenics.com ), and is also accessible in the PSI standard Molecular Interaction data format. Our fly Protein Interaction Map (PIM) is surprisingly different from the one recently proposed by Giot et al. with little overlap between the two data sets. Analysis of the differences in data sets and methods suggests alternative strategies to enhance the accuracy and comprehensiveness of the post-genomic generation of broad-scale protein interaction maps.
0
Citation551
0
Save
0

Early/recycling endosomes-to-TGN transport involves two SNARE complexes and a Rab6 isoform

Frédéric Mallard et al.Feb 11, 2002
+7
T
B
F
The molecular mechanisms underlying early/recycling endosomes-to-TGN transport are still not understood. We identified interactions between the TGN-localized putative t-SNAREs syntaxin 6, syntaxin 16, and Vti1a, and two early/recycling endosomal v-SNAREs, VAMP3/cellubrevin, and VAMP4. Using a novel permeabilized cell system, these proteins were functionally implicated in the post-Golgi retrograde transport step. The function of Rab6a' was also required, whereas its closely related isoform, Rab6a, has previously been implicated in Golgi-to-endoplasmic reticulum transport. Thus, our study shows that membrane exchange between the early endocytic and the biosynthetic/secretory pathways involves specific components of the Rab and SNARE machinery, and suggests that retrograde transport between early/recycling endosomes and the endoplasmic reticulum is critically dependent on the sequential action of two members of the Rab6 subfamily.
0

Interaction of a Golgi-Associated Kinesin-Like Protein with Rab6

Arnaud Échard et al.Jan 23, 1998
+4
O
F
A
Rab guanosine triphosphatases regulate vesicular transport and membrane traffic within eukaryotic cells. Here, a kinesin-like protein that interacts with guanosine triphosphate (GTP)–bound forms of Rab6 was identified. This protein, termed Rabkinesin-6, was localized to the Golgi apparatus and shown to play a role in the dynamics of this organelle. The carboxyl-terminal domain of Rabkinesin-6, which contains the Rab6-interacting domain, inhibited the effects of Rab6-GTP on intracellular transport. Thus, a molecular motor is a potential effector of a Rab protein, and coordinated action between members of these two families of proteins could control membrane dynamics and directional vesicular traffic.
0

Role of curvature and phase transition in lipid sorting and fission of membrane tubules

Aurélien Roux et al.Mar 24, 2005
+3
P
D
A
Article24 March 2005free access Role of curvature and phase transition in lipid sorting and fission of membrane tubules Aurélien Roux Aurélien Roux UMR 144 CNRS/Institut Curie, Paris, France UMR 168 CNRS/Institut Curie, Paris, FrancePresent address: Yale School of Medicine, Boyer Center for Molecular Medicine, 295 Congress Avenue, New Haven, CT 06510, USA Search for more papers by this author Damien Cuvelier Damien Cuvelier UMR 168 CNRS/Institut Curie, Paris, France Search for more papers by this author Pierre Nassoy Pierre Nassoy UMR 168 CNRS/Institut Curie, Paris, France Search for more papers by this author Jacques Prost Jacques Prost UMR 168 CNRS/Institut Curie, Paris, France ESPCI, Paris, France Search for more papers by this author Patricia Bassereau Patricia Bassereau UMR 168 CNRS/Institut Curie, Paris, France Search for more papers by this author Bruno Goud Corresponding Author Bruno Goud UMR 144 CNRS/Institut Curie, Paris, France Search for more papers by this author Aurélien Roux Aurélien Roux UMR 144 CNRS/Institut Curie, Paris, France UMR 168 CNRS/Institut Curie, Paris, FrancePresent address: Yale School of Medicine, Boyer Center for Molecular Medicine, 295 Congress Avenue, New Haven, CT 06510, USA Search for more papers by this author Damien Cuvelier Damien Cuvelier UMR 168 CNRS/Institut Curie, Paris, France Search for more papers by this author Pierre Nassoy Pierre Nassoy UMR 168 CNRS/Institut Curie, Paris, France Search for more papers by this author Jacques Prost Jacques Prost UMR 168 CNRS/Institut Curie, Paris, France ESPCI, Paris, France Search for more papers by this author Patricia Bassereau Patricia Bassereau UMR 168 CNRS/Institut Curie, Paris, France Search for more papers by this author Bruno Goud Corresponding Author Bruno Goud UMR 144 CNRS/Institut Curie, Paris, France Search for more papers by this author Author Information Aurélien Roux1,2, Damien Cuvelier2, Pierre Nassoy2, Jacques Prost2,3, Patricia Bassereau2 and Bruno Goud 1 1UMR 144 CNRS/Institut Curie, Paris, France 2UMR 168 CNRS/Institut Curie, Paris, France 3ESPCI, Paris, France ‡These authors contributed equally to this work *Corresponding author. UMR 144 CNRS/Institut Curie, 26 rue d'Ulm, 75248 Paris Cedex 05, France. Tel.: +33 1 4234 6398; Fax: +33 1 4234 6382; E-mail: [email protected] The EMBO Journal (2005)24:1537-1545https://doi.org/10.1038/sj.emboj.7600631 PDFDownload PDF of article text and main figures. ToolsAdd to favoritesDownload CitationsTrack CitationsPermissions ShareFacebookTwitterLinked InMendeleyWechatReddit Figures & Info We have recently developed a minimal system for generating long tubular nanostructures that resemble tubes observed in vivo with biological membranes. Here, we studied membrane tube pulling in ternary mixtures of sphingomyelin, phosphatidylcholine and cholesterol. Two salient results emerged: the lipid composition is significantly different in the tubes and in the vesicles; tube fission is observed when phase separation is generated in the tubes. This shows that lipid sorting may depend critically on both membrane curvature and phase separation. Phase separation also appears to be important for membrane fission in tubes pulled out of giant liposomes or purified Golgi membranes. Introduction Similar to proteins, most membrane lipids are transported by vesicular carriers that bud off from one compartment and fuse to another along the secretory and endocytic pathways (van Meer and Lisman, 2002). During budding, sorting occurs, some lipids being incorporated into transport intermediates while others are being excluded (Brugger et al, 2000; van Meer and Lisman, 2002). In vitro experiments using dioleylphosphatidylcholine (DOPC), cholesterol (Chol) and sphingomyelin (SM) reveal under appropriate conditions the coexistence of two types of fluid membrane organization called liquid-ordered Lo and liquid-disordered Ld phases (Dietrich et al, 2001). The composition of Lo and Ld phases is different: compared to the global average composition, Lo is enriched in SM whereas Ld is enriched in DOPC (Edidin, 2003). Thus, the ability of Lo versus Ld phases to bud could be a critical parameter in sorting; transport intermediates may form from a pre-existing lipid domain on the donor membrane (van Meer and Lisman, 2002). This possibility adds up to two already proposed mechanisms: sorting according to molecular shape (Mukherjee et al, 1999) and dynamical sorting (Mukherjee and Maxfield, 2000). Depending on their physical state (Lo versus Ld), membranes display different capabilities to curve. As a result, domains coexisting on the same vesicle exhibit different curvatures (Julicher and Lipowsky, 1993; Baumgart et al, 2003). Conversely, membrane curvature is expected to induce phase separation in multicomponent membranes (Leibler and Andelman, 1987; Seifert, 1993). Another important event in transport is fission of transport intermediates from donor membranes. Evidence exists that fission is directly linked to changes in composition of the lipid bilayer, suggesting that the physical properties of lipids play a direct role in the fission process (Schmidt et al, 1999; Huttner and Schmidt, 2000). We have recently developed an experimental system that allows the formation of very thin membrane tubes with a diameter of several tens of nanometers. Such tubes are pulled from giant unilamellar vesicles (GUVs) made of either controlled phospholipidic membrane or of biological membranes, by the action of molecular motors (kinesins) moving along microtubules (Roux et al, 2002). This assay makes the comparison with in vivo trafficking events reliable, as the tubes generated have dimensions in the physiological range of sizes of transport intermediates, much smaller than the few micron size buds obtained in some cases with giant vesicles (Baumgart et al, 2003). Here, we used this assay to test the ability of Lo and Ld phases to form membrane tubes and to investigate the dynamic sorting of lipids during tube formation and the stability of tubes upon phase separation. Results and discussion Phase diagram of brain sphingomyelin/cholesterol/dioleylphosphatidylcholine vesicles GUVs were prepared from mixtures of brain sphingomyelin (BSM), Chol and DOPC; they were fluorescently labeled by incorporation of a fluorescent lipid BODIPYFL-C5-hexadecanoyl phosphatidylcholine (BODIPYFL-C5-HPC) at a concentration of 0.5% mol/mol. A total of 11 different compositions of BSM:Chol:DOPC mixtures were tested for the preparation of GUVs. As shown in Supplementary Figure S1A (Supplementary data), the vesicles displayed domains of different phases corresponding to segregation of lipids to various degrees depending on the relative ratio of BSM, Chol and DOPC. Vesicles with a homogeneous fluorescence, reflecting an absence of lipid segregation, were observed at molar ratios of 1:1:0, 0:1:1, 1:2:1 and 1:2:3 of BSM:Chol:DOPC, respectively. These values correspond to ‘high’ Chol content (over 30%). Vesicles with both highly and weakly fluorescent domains of various sizes were observed at lower Chol concentrations (molar ratios of 3:2:1 and 3:1:3). In the absence of Chol, at molar ratios of 3:0:1, 1:0:1 and 1:0:3, coexistence between a solid-ordered phase and an Ld phase was observed, as previously reported (de Almeida et al, 2003). The ganglioside GM1 is known to specifically segregate into the Lo phase enriched in SM (Dietrich et al, 2001). As shown in Figure 1A, BODIPYFL-C5-HPC and GM1 stained with fluorescent cholera toxin (which specifically binds to GM1) did not overlap in a segregated vesicle (3:1:3). This observation shows that BODIPYFL-C5-HPC was segregated into the Ld phase. The fluorescence ratio of BODIPYFL-C5-HPC between fluorescent and nonfluorescent phases on equatorial confocal planes of vesicles of various lipid compositions was found to decrease upon increase of Chol concentration (Supplementary Figure S1B). This observation is compatible with the fact that Chol favors lipid mixing. In agreement with previous reports (Veatch and Keller, 2002; Kahya et al, 2003), the Chol concentration thus appeared critical for the formation of lipid domains. We then constructed a schematic phase diagram from our data (Figure 1B and Table I). The gray area corresponds to lipid compositions for which the GUVs exhibit phase separation. The 1:1:1 vesicles represent a frontier situation in which lipids can be segregated or not depending on small changes in Chol concentration. This phase diagram is in good agreement with results obtained with various techniques (de Almeida et al, 2003; Kahya et al, 2003; Lawrence et al, 2003; Veatch and Keller, 2003). Figure 1.Phase separation in GUVs. (A) Segregation of BODIPYFL-C5-HPC and GM1-ganglioside in a 3:1:3 GUV. GM1 was labeled by addition of 3 μg/ml of Cy3-cholera toxin in the buffer. Left image: BODIPYFL-C5-HPC partially segregates between the two domains; middle image: GM1 is only present in the Lo domain; right: note the perfect complementarity of the domains. Bar, 10 μm. (B) Schematic phase diagram deduced from data obtained with 11 different compositions of lipid mixture at room temperature (22°C). The gray area represents the predicted region where vesicles show domains without photoactivation or treatment with MβCD. The white area corresponds to homogeneous vesicles. Filled circles: compositions showing phase separation; open circles: compositions that are homogeneous and not sensitive to photoactivation; half-white, half-filled circles: compositions at the frontier between segregated and nonsegregated states. (C) Induction of phase separation of lipids by strong photoactivation. Vesicles made of only DOPC and Chol (0:1:1) do not exhibit formation of domains under photoactivation. In contrast, photoactivation of GUVs made of BSM, Chol and DOPC (1:1:1) induces the apparition of small domains that rapidly fuse together. Photoactivation had no effect when lipids were segregated by incubation of GUVs in the presence of 10 mM MβCD. Time is in seconds. Bars, 10 μm. Download figure Download PowerPoint Table 1. Summary of the effects of photoactivation on phase separation and tube fission for different compositions Composition BSM:Chol:DOPC State Phase separation induced by light Phase separation induced by MβCD % Tubes connected to fluorescent phase % Fission under strong illumination % Fission under weak illumination 0:1:1 NS No No — 0 0 1:1:0 NS No No — 0 0 1:2:3 NS No No — 0 0 1:2:1 NS No Yes — 0 0 1:1:1 NS/S Yes Yes Seg 100 88 0 3:4:1 NS/S Yes Yes — 87 0 3:2:1 S No ND 57.7 0 0 3:1:3 S No ND 100 0 0 NS: nonsegregated; S: segregated; ND: not determined. The measurement of the % tubes connected to the fluorescent phase is nonrelevant for homogeneous vesicles. Induction of phase separation GUVs made of the 1:1:1 lipid mixture showed particular properties. The majority exhibited a uniform fluorescence phase. Without excluding the possibility that small nanodomains of Lo phase, below the optical resolution, exist (Lawrence et al, 2003), this suggests that lipids are in one phase (Ld) on these GUVs. However, the others (10–30% of the population) showed a fluorescent domain covering only one hemisphere (Supplementary Figure S1A). Interestingly, fluorescence excitation of homogeneous vesicles led to the progressive appearance of small nonfluorescent domains that rapidly fused together (Figure 1C and Supplementary Figure S1A). Similar observations were made with 3:4:1 mixtures (data not shown). As the kinetics of domain formation was dependent on light intensity, two conditions (described in Materials and methods) were used to generate domains, one leading to domain appearance within 1 s (‘strong’ induction) and the other within 10 s (‘weak’ induction). Homogeneous vesicles of other lipid compositions did not form domains under the same conditions, as shown in Figure 1C, for a 0:1:1 mixture. This suggests that for compositions very close to the phase transition (such as 1:1:1 and 3:4:1 lipid mixtures), very small changes in lipid concentration can induce phase separation. Indeed, photoactivation of 1:1:1 vesicles generated small amount of oxidized Chol, as shown by thin-layer chromatography (TLC; Supplementary Figure S2A and Supplementary data). About 10 times more oxidized Chol was generated after strong induction as compared to weak induction (Supplementary Figure S2C). In addition, incorporation of Chol (6% n/n) to photoactivated lipid mixtures led to the formation of homogeneous GUVs, which were again sensitive to photoactivation (Supplementary Figure S2B). The above results suggest that photoactivation causes the depletion of Chol, and that a small decrease in the Chol content of 1:1:1 GUVs is sufficient to promote phase separation. To test this hypothesis directly, 1:1:1 GUVs were incubated with the Chol-sequestering agent methyl-β-cyclodextrin (MβCD) (Kilsdonk et al, 1995). As illustrated in Figure 1C, 10 mM MβCD induced the appearance of domains on all homogeneous 1:1:1 vesicles. Additionally, MβCD did not induce phase separation on homogeneous vesicles of other lipid compositions (1:1:0, 0:1:1 and 1:2:3), except for the 1:2:1 mixture (data not shown). Most likely, MβCD removes more Chol from membranes than photoactivation (about 20%, as estimated using the phase diagram described above), explaining why 1:2:1 vesicles do not form domains upon photoactivation (data not shown). Two different mechanisms for lipid sorting Membrane tubes were then pulled out of GUVs prepared from various lipid mixtures. The force f required to pull tubes is proportional to the square root of the bending rigidity κ and of the membrane tension σ: (Derenyi et al, 2002). Of note, this equation neglects the contribution of the nonlocal bending rigidity, which is due to the difference between inner and outer leaflet areas. Indeed, this effect becomes significant only for tubes longer than several hundreds of microns and at a time scale of the order of 1 min (Svetina et al, 1998), which is not the case under our experimental conditions. To our knowledge, no direct measurement of the bending rigidity of SM-rich Lo phases has been reported so far. The measurement of the force f at fixed tension was obtained using an optical tweezers setup coupled to a micropipette system (see Materials and methods and Figure 2). The force was measured at different tensions for the 1:1:0 (Figure 2) and 0:1:1 compositions. For instance, at σ=5 × 10−5 N/m, values of 36±5 and 21±5 pN were measured for 1:1:0 and 0:1:1 vesicles, respectively. From the plot of force f versus , we deduced the corresponding bending rigidities: 31±2 × 10−20 J (65±6 kT) and 12±1.2 × 10−20 J (30±3 kT) for 1:1:0 and 0:1:1 compositions, respectively (Figure 3A). Thus, 1:1:0 membranes (Lo phase) are about 2.2 times more rigid than 0:1:1 membranes (Ld phase), in relative good agreement with the values deduced from the shape analysis of buds in segregated vesicles (Baumgart et al, 2003). Consequently, for the same tension, the radius of 0:1:1 tubes (Ld phase) should be about 1.5 times smaller than that of 1:1:0 tubes (L0 phase), as (Derenyi et al, 2002). Note that for σ=5 × 10−5 N/m, the diameters of the tube in Ld and Lo phases are expected to be equal to 70 and 110 nm, respectively. However, these values are below the optical resolution and cannot be measured accurately with our optical tweezers setup under controlled membrane tension. Figure 2.Measurement of GUV bending rigidity using a micropipette and optical tweezers. (A) (1) A GUV aspirated into a micropipette has a fixed tension. (2) The GUV containing biotinylated lipids is pressed against a 3.5 μm diameter streptavidin bead trapped by the optical tweezers. (3) The GUV is retracted and a thin tube can be formed. Bar, 10 μm. (B) A typical force–tube extension curve obtained for a 1:1:0 vesicle at a fixed tension (σ=1.3 × 10−5 N/m) during the tube extraction. Download figure Download PowerPoint Figure 3.Lipid sorting in tubes pulled out of ‘segregated’ vesicles. (A) Linear variation of the force f required to extend a tube from a vesicle in the L0 phase (1:1:0) (squares) and in the Ld phase (0:1:1) (circles) as a function of the square root of the membrane tension The experiments were performed on seven (squares) and 11 (circles) vesicles, as described in the text. Line slopes are proportional to the square root of the bending rigidities (B) Segregation of fluorescent and biotinylated lipids in a vesicle (3:1:3 mixture): BODIPYFL-C5-HPC (BODFL-HPC) is segregating in the Ld phase; note in the middle image that the biotinylated Cap-DOPE labeled with Cy3-streptavidin (Cy3 Strp) is not segregated. Bar, 10 μm. (C) Percentage of tubes connected to the Ld phase labeled with BODIPYFL-C5-HPC versus lipid composition: 1:1:1 seg is the segregated subpopulation of 1:1:1 GUVs (see Supplementary Figure S1A). For each lipid composition, between 60 and 120 tubes were examined. (D) Tubes pulled out of a ‘segregated’ vesicle (3:1:3 mixture) labeled with both BODIPYFL-C5-HPC (BODFL-HPC) (green) and fluorescent cholera toxin-GM1 complex (red). Tubes appear green and connected to the green domain (arrows). They are thus in the Ld phase. White fluorescent spots are bead aggregates, which do not interfere with the experiment. Bar, 10 μm. Download figure Download PowerPoint From the above data, we expected that molecular motors should preferentially pull tubes out of the Ld phase in segregated vesicles since the force required is lower. This was experimentally verified in our assay upon observation of tubes pulled by kinesins using fast 3D video microscopy (Savino et al, 2001). Biotinylated lipid used to anchor kinesins to membrane being equally distributed within the Ld and Lo phases (illustrated in Figure 3B for 3:1:3 GUVs), motors are able to pull on both phases. However, in segregated vesicles labeled with BODIPYFL-C5-HPC, the majority of the tubes were not only fluorescent but also connected to the fluorescent domains (Figure 3C). This suggests that tubes were essentially composed of membranes in Ld phase enriched in DOPC. We further checked that GM1, which segregates specifically into the Lo phase, was indeed essentially excluded from tubes (Figure 3D). For 3:1:3, 1:0:3, 1:0:1 and the segregated subpopulation of 1:1:1, 90–100% of the tubes were in the Ld phase. Even in the case of 3:2:1 mixture, which led to a high proportion of Lo phase (between 2/3 and 3/4; see Supplementary Figure S1), this proportion was still of the order of 50% (Figure 3C). Taken together, these data indicate that the bending rigidity of the Lo phase does not favor the formation of highly curved structures in the diameter range of physiological transport intermediates such as endosomal and Golgi tubules. Thus, differences in the ability of phases to form curved structures can lead to lipid sorting. Importantly, sorting between fluorescent lipids used as markers also occurred in tubes grown from nonsegregated vesicles. Direct evidence came from the comparison of GM1 (labeled by Cy3-cholera toxin) and BODIPYFL-C5-HPC amounts present in tubes and in vesicles, as shown in Figures 4A and B. Tubes were pulled out of homogeneous 1:1:1 vesicles containing 1% GM1 (labeled by Cy3-cholera toxin) and 0.5% BODIPYFL-C5-HPC. The fluorescence ratio between BODIPYFL-C5-HPC and GM1 was increased in the tube as compared to the donor vesicle (Figure 4B). Even though important per se, this result could very well concern the fluorescent lipids only. The following observation shows that this is more general and concerns the nonfluorescent lipids as well. We pulled tubes out of homogeneous vesicles made of 1:1:1 mixtures. If no lipid sorting was at work, subsequent photoactivation should trigger phase separation in the tubes at lower intensities than in the vesicle. Indeed, in a tube, the phase separation instability is more easily attained due to its coupling to the pearling instability (Derenyi et al, 2004). This was not the case. Under weak illumination, the vesicles showed phase separation whereas tubes did not (Figure 4C). Only under strong illumination did the tube show phase separation visualized by the appearance of small weakly fluorescent domains (Figure 4C). This event led to tube fission as described in the next section. This shows that the lipid composition was not the same in the tube and in the vesicle. The further observation that with BODIPYFL-C5-HPC labeling, the nonfluorescent phase represented only about 10% of the tube area as compared to 50% in the GUV (Figure 4C) shows that sorting was efficient. Since the nonfluorescent Lo phase is richer in Chol and BSM than the fluorescent Ld phases (de Almeida et al, 2003), this observation implies that tubes are depleted of both Chol and BSM. We have thus evidenced that sorting of lipids in tubes can be achieved in two ways: in the first way, phase separation has already occurred on the vesicle and tubes are enriched in lipids of one phase; in the second way, lipids are initially mixed in the membrane and are subsequently sorted upon tube formation on the basis of their molecular properties. This second mechanism is due to the change in bending modulus with lipid relative proportions (Seifert, 1993; Derenyi et al, 2004). It is important to note that because both ways of sorting are only dependent on differences in the bending rigidities of different lipid compositions, they both depend on membrane curvature of the studied structures, and thus on their size. We show here that in the range of sizes of intracellular transport intermediates (tens of nm), these two ways of lipid sorting occur, and thus are likely to take place in cells. Figure 4.Lipid sorting in tubes pulled out of homogeneous vesicles (1:1:1 mixture). (A) Confocal images of tubes pulled out of membranes labeled with BODIPYFL-C5-HPC lipids (BODFL-HPC) and Cy3-cholera toxin–GM1 complexes (GM1). Images were recorded at two levels: one at the vesicle equator (vesicle image) and one on the substrate (tube image) (for more details, see Supplementary data). Left fluorescence image corresponds to the BODFL-HPC channel, whereas the right image to the GM1 channel. Tube images show that the (BODFL-HPC) intensity is higher than that of Cy3-cholera toxin (GM1), whereas it is the opposite in the vesicle image (see insets). Fluorescence intensities of BODFL-HPC and GM1 respectively in the tubes (IBt, IGt) and in the vesicle (IBv, IGv) were measured from tube and vesicle images (see Materials and methods). Highly fluorescent dots on the vesicle images correspond to the connection between the tubes and the vesicle. Bar, 10 μm. (B) The fluorescence ratio FR=(IBt/IGt)/(IBv/IGv) was calculated for each network. Two compositions were tested: 0:1:1 and 1:1:1. For 0:1:1 (Ld phase), the vesicles contained two Ld phase fluorophores (BODFL-HPC and TRITC-DHPE) as a control experiment; the FR histogram (blue) calculated from 30 different networks was centered on the value 1, indicating that no relative sorting occurs under these conditions. For 1:1:1, vesicles contained 1% GM1 and 0.5% BODFL-HPC; FR histogram (red) shows that values obtained from 30 different networks were always superior to 1, reflecting a relative depletion of GM1 in tubes or equivalently a relative enrichment in BODFL-HPC. (C) Tubes pulled out of homogeneous vesicles (1:1:1 mixture) during phase separation by weak and strong photoactivation. Under weak photoactivation, no phase separation is observable along the tubes even after 75 s of constant illumination, whereas the vesicle has reached a complete segregation (the arrow points to the Lo domain). Under strong photoactivation, very small weakly fluorescent domains appear on tubes (see medium size arrows), leading to fission (big arrows). The vesicle is segregated after 5 s of constant illumination (small arrows point to Lo domains). The enlarged area showing tubes is delimited in the last picture. Note the downscaling of the fluorescence intensities in the tubes compared to those present in the vesicles, due to the small number of fluorescent molecules in a nanometer size tube. Bars, 10 μm. Download figure Download PowerPoint Phase separation induces membrane fission We have furthermore observed that the induction of phase separation on tubes pulled out of 1:1:1 and 3:4:1 homogeneous GUVs provoked numerous fission events (Figures 5A and B). With the 3:4:1 composition, more than 90% of the fission events occurred exactly at the boundary between Lo and Ld domains (Figure 5B, arrow). With the 1:1:1 composition, the precise position where fission occurs was difficult to determine due to the small size and the low fluorescence of the Lo domains in this case (movie 5A, Supplementary data). Over 80% of the networks grown from 1:1:1 and 3:4:1 vesicles showed at least one fission event (Figure 5D). In Figure 5A, we can observe three fission events. The last two can be clearly related to phase separation (movie Figure 5A, Supplementary data). Figure 5B is particularly illuminating. At 4 s after photoactivation, a small domain of Ld phase appeared at the tip of the tube. It is characterized both by an intense fluorescence and a tube diameter smaller than that of the initial tube. About 20 s later, the tube broke at the limit between the strongly and the weakly fluorescent domains. This led to the formation of an almost spherical vesicle. In some cases, the fission process led to complete fragmentation of the tubes into vesicles (movie S1, Supplementary data). The time required for tube fission after domain formation was observed to rank statistically between less than 100 ms and more than 10 s depending on lipid composition. These observations are consistent with a theoretical analysis in which rupture originates both from line tension at the domain interfaces and Gaussian curvature discontinuity (Allain et al, 2004). Figure 5.Phase separation induces tube fission. (A) Strong photoactivation of tubes growing from 1:1:1 vesicles leads to tube fission. Fission events (large arrows) occurred predominantly at the sites of formation of weakly fluorescent domains resulting from phase separation (small arrows) (see also movie Figure 4A and movie S1 in Supplementary data). Numbers in the images A, B and C correspond to time in seconds. Bar, 10 μm. (B) Strong photoactivation of a tube grown from a 3:4:1 vesicle led to phase separation, resulting in a thin highly fluorescent (Ld phase) tube at the tip connected to a wider and less fluorescent (Lo phase) tube. A fission event occurs (arrow) after several seconds at the limit between Ld and Lo domains. Bar, 10 μm. (C) The addition of 10 mM MβCD after tube extraction leads to fission of tubes (arrows) growing from 1:1:1 vesicles (see also movie Figure 4C in Supplementary data). Time 0 corresponds to the injection of MβCD. Bars, 10 μm. (D) Percentages of tube networks showing at least one fission event under strong photoactivation as a function of their composition. (E) Percentage of networks grown from vesicles of various compositions and from Golgi membranes showing at least one fission event after injection of MβCD. Download figure Download PowerPoint No fission events were observed for tubes where photoactivation did not induce the formation of domains in the tubes (0:1:1, 1:1:0, 1:2:3, 1:2:1, 3:1:3 or 3:2:1—for the first four concentrations, vesicles were homogeneous, and for the last two, domains existed in the vesicles but not in the tubes) (Figure 5D). The above data thus reveal a direct link between phase separation along membrane tubes and fission. Note that this phase separation involves two liquid phases since the shape of the domains on vesicles was circular (Supplementary Figure S1A). In good agreement with the photoactivation experiments, tube fission events were also observed after injection of MβCD. Figure 5C illustrates an experiment showing that the addition of MβCD to tubes grown out of homogeneous 1:1:1 GUVs induced two fission events (see movie Figure 5C). No fission events were observed when MβCD was added to tubes growing from vesicles remaining homogeneous (0:1:1 and 1:1:0) (Figure 5E). A tentative hypothesis is that this is also true for biological membranes. In order to test this idea, we generated tube networks by binding kinesins to biotinylated Golgi membranes (Roux et al, 2002). Under control conditions, no obvious fission events could be observed. The addition of MβCD induced fission in a significant proportion of networks (Figure 5E). It is likely, as observed for model membranes, that the decrease in Chol favors phase separation of lipids present in Golgi-derived membrane tubes, and leads to their fission. This strongly supports the relevance of our in vitro experiments to biological systems. A similar link between phase separation and budding has already been established experimentally (Dobereiner et al, 1993; Baumgart et al, 2003) and discussed theoretically (Julicher and Lipowsky, 1993; Chen et al, 1997). Our experiments confirm and extend these findings. Indeed, the tension values in our experiments are such that no budding is observed on vesicles, whereas tube fission is obtained. This is an important difference between the two experimental situations: tension prevents fission of buds in vesicles but promotes tube fission. As in the vesicle case, line tension between two coexisting phases promotes tube breakage (Allain et al, 2004) but tension enhances the effect by reducing the tube diameter. It is a characteristic of many systems in biology to work in the vicinity of a phase transi
0

Direct Pathway from Early/Recycling Endosomes to the Golgi Apparatus Revealed through the Study of Shiga Toxin B-fragment Transport

Frédéric Mallard et al.Nov 16, 1998
+3
C
D
F
Shiga toxin and other toxins of this family can escape the endocytic pathway and reach the Golgi apparatus. To synchronize endosome to Golgi transport, Shiga toxin B-fragment was internalized into HeLa cells at low temperatures. Under these conditions, the protein partitioned away from markers destined for the late endocytic pathway and colocalized extensively with cointernalized transferrin. Upon subsequent incubation at 37°C, ultrastructural studies on cryosections failed to detect B-fragment–specific label in multivesicular or multilamellar late endosomes, suggesting that the protein bypassed the late endocytic pathway on its way to the Golgi apparatus. This hypothesis was further supported by the rapid kinetics of B-fragment transport, as determined by quantitative confocal microscopy on living cells and by B-fragment sulfation analysis, and by the observation that actin- depolymerizing and pH-neutralizing drugs that modulate vesicular transport in the late endocytic pathway had no effect on B-fragment accumulation in the Golgi apparatus. B-fragment sorting at the level of early/recycling endosomes seemed to involve vesicular coats, since brefeldin A treatment led to B-fragment accumulation in transferrin receptor–containing membrane tubules, and since B-fragment colocalized with adaptor protein type 1 clathrin coat components on early/recycling endosomes. Thus, we hypothesize that Shiga toxin B-fragment is transported directly from early/recycling endosomes to the Golgi apparatus. This pathway may also be used by cellular proteins, as deduced from our finding that TGN38 colocalized with the B-fragment on its transport from the plasma membrane to the TGN.
0

Rab6 Coordinates a Novel Golgi to ER Retrograde Transport Pathway in Live Cells

Jamie White et al.Nov 15, 1999
+8
F
L
J
We visualized a fluorescent-protein (FP) fusion to Rab6, a Golgi-associated GTPase, in conjunction with fluorescent secretory pathway markers. FP-Rab6 defined highly dynamic transport carriers (TCs) translocating from the Golgi to the cell periphery. FP-Rab6 TCs specifically accumulated a retrograde cargo, the wild-type Shiga toxin B-fragment (STB), during STB transport from the Golgi to the endoplasmic reticulum (ER). FP-Rab6 TCs associated intimately with the ER, and STB entered the ER via specialized peripheral regions that accumulated FP-Rab6. Microinjection of antibodies that block coatomer protein I (COPI) function inhibited trafficking of a KDEL-receptor FP-fusion, but not FP-Rab6. Additionally, markers of COPI-dependent recycling were excluded from FP-Rab6/STB TCs. Overexpression of Rab6:GDP (T27N mutant) using T7 vaccinia inhibited toxicity of Shiga holotoxin, but did not alter STB transport to the Golgi or Golgi morphology. Taken together, our results indicate Rab6 regulates a novel Golgi to ER transport pathway.
0

Rab11 Regulates the Compartmentalization of Early Endosomes Required for Efficient Transport from Early Endosomes to the Trans-Golgi Network

Mona Wilcke et al.Dec 11, 2000
+3
T
L
M
Several GTPases of the Rab family, known to be regulators of membrane traffic between organelles, have been described and localized to various intracellular compartments. Rab11 has previously been reported to be associated with the pericentriolar recycling compartment, post-Golgi vesicles, and the trans-Golgi network (TGN). We compared the effect of overexpression of wild-type and mutant forms of Rab11 on the different intracellular transport steps in the endocytic/degradative and the biosynthetic/exocytic pathways in HeLa cells. We also studied transport from endosomes to the Golgi apparatus using the Shiga toxin B subunit (STxB) and TGN38 as reporter molecules. Overexpression of both Rab11 wild-type (Rab11wt) and mutants altered the localization of the transferrrin receptor (TfR), internalized Tf, the STxB, and TGN38. In cells overexpressing Rab11wt and in a GTPase-deficient Rab11 mutant (Rab11Q70L), these proteins were found in vesicles showing characteristics of sorting endosomes lacking cellubrevin (Cb). In contrast, they were redistributed into an extended tubular network, together with Cb, in cells overexpressing a dominant negative mutant of Rab11 (Rab11S25N). This tubularized compartment was not accessible to Tf internalized at temperatures &lt;20°C, suggesting that it is of recycling endosomal origin. Overexpression of Rab11wt, Rab11Q70L, and Rab11S25N also inhibited STxB and TGN38 transport from endosomes to the TGN. These results suggest that Rab11 influences endosome to TGN trafficking primarily by regulating membrane distribution inside the early endosomal pathway.
0

Bicaudal-D regulates COPI-independent Golgi–ER transport by recruiting the dynein–dynactin motor complex

Theodoros Matanis et al.Nov 25, 2002
+9
P
A
T
Load More