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Coupling of spatial and GTPase cycle of Rheb enables growth factor signaling to mTORC1

Kovacevic, Marija

Mechanistic target of rapamycin complex 1 (mTORC1) ist ein zentraler Faktor des Anabolismus und wird durch Bindung bei Verfügbarkeit von Wachstumsfaktoren durch die kleine GTPase Rheb aktiviert. In dieser Arbeit wird gezeigt, dass die Aktivität von Rheb durch einen dynamischen räumlichen Zyklus der Membranbindung und Solubilisierung durch den GDI-ähnlichen Löslichkeitsfaktor PDEδ gesteuert wird. Dies ist abhängig von Arl2-GTP, das das gelöste Rheb-GTP von PDEδ auf perinukleare Membranen überträgt und dadurch mTORC1 aktiviert. Befinden sich Zellen in Abwesenheit von aktivierenden Stimuli wie Wachstumsfaktoren, wird Rheb-GTP durch TSC-GAP-Aktivität auf Membranen hydrolysiert und kann mTORC1 nicht aktivieren. Dies führt zu einer erhöhten Dissoziation von ausschließlich farnesyliertem Rheb von den perinuklearen Membranen ins Zytosol, wo es durch PDEδ gelöst wird. Im gelösten Zustand ermöglicht die Abwesenheit von GAP die GTP-Bindung von Rheb, wodurch der Zyklus abgeschlossen wird. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass jede Interferenz mit Proteinen dieses räumlichen Zyklus, zu einer Fehllokalisierung von Rheb und infolgedessen zu einer beeinträchtigen mTORC1-Signalweiterleitung führt. Die Inaktivierung der TSC-GAP-Aktivität durch Wachstumsfaktoren oder Mutationen führt zu einer GTP-Bindung von Rheb. Weiter konnte nachgewiesen werden, dass Zellen, denen TSC2-GAP-Aktivität fehlt, unempfindlich gegenüber Wachstumsfaktoren oder PDEδ/Arl2-Verfügbarkeit sind, da sie keine Änderung in der Rheb-Lokalisierung oder Abnahme der mTORC1-Signalausgabe durch die Störung des räumlichen Zyklus zeigen. Aufgrund der Bildung eines Komplexes mit mTOR zeigt Rheb-GTP eine Reduktion der Dissoziation von perinuklearen Membranen, wodurch der Wiedereintritt in den räumlichen Zyklus gestoppt und eine permanente mTORC1-Aktivierung ermöglicht wird. Es konnte gezeigt werden, dass die Kopplung des PDEδ/Arl2-vermittelten räumlichen Zyklus von Rheb an seinen GTPase Zyklus für eine korrekte mTORC1 Regulation und Aktivierung durch Wachstumsfaktoren notwendig ist.

Mechanistic target of rapamycin complex 1 (mTORC1) is a central regulator of anabolism, activated by binding to the small GTPase Rheb upon growth factor availability. In this thesis, it is shown that the GTPase activity of Rheb is controlled by a dynamic spatial cycle of membrane binding and solubilization by the GDI-like solubilizing factor PDEδ. This is controlled by Arl2-GTP that unloads solubilized Rheb-GTP from PDEδ onto perinuclear membranes, activating mTORC1. When cells are deprived of activating stimuli, such as growth factors, Rheb-GTP is hydrolyzed through TSC GAP activity on membranes and unable to activate mTORC1. This results in an increased dissociation of solely farnesylated Rheb from perinuclear membranes to the cytosol, where it is resolubilized by PDEδ. In a soluble state, the absence of GAP allows for GTP loading of Rheb, closing the cycle. The results presented here show that any interference with proteins involved in the spatial cycle results in mislocalization of Rheb, and, as a consequence, impaired mTORC1 signaling. Inactivation of TSC GAP activity through presence of growth factors or mutation results in a GTP-loading of Rheb. Furthermore, we identified that cells lacking TSC2 GAP activity are insensitive to either growth factor or PDEδ/Arl2 availability, as they did not display any change in Rheb localization or decrease in mTORC1 signaling output upon perturbations in the spatial cycle. Due to formation of a complex with mTOR, Rheb-GTP shows an overall reduction in dissociation from perinuclear membranes, effectively stopping re-entrance into the spatial cycle and enabling permanent mTORC1 activation. We show that the coupling of PDEδ/Arl2-mediated spatial cycle of Rheb to its GTPase cycle is necessary for proper mTORC1 regulation and activation via growth factors.

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Kovacevic, Marija: Coupling of spatial and GTPase cycle of Rheb enables growth factor signaling to mTORC1. 2017.

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