Structural Organization and Dynamics of Homodimeric Cytohesin Family Arf GTPase Exchange Factors in Solution and on Membranes

Abstract

Highlights d Structural organization of cytohesins investigated by SEC-SAXS, NS-EM, DLS, and HDX-MS d Cytohesin dimers have an elongated and conformationally dynamic quaternary structure d Cytohesin dimers bind membranes using one PH domain at a time d Membrane binding perturbs the structural organization to prime allosteric activation

Membrane surface recognition by the ASAP1 PH domain and consequences for interactions with the small GTPase Arf1

“…In Akt, the PH domain inhibits the associated catalytic domain, a serine/threonine kinase ( 9 ). In the case of Arf exchange factors of the cytohesin family, cooperative binding of PIP and Arf6•GTP or Arl4•GTP to the PH domain relieves PH domain–mediated autoinhibition ( 10 , 11 ). PH domains can also form part of the substrate-binding site or occlude the enzymatic site, as observed in Rho exchange factor such as Dbs ( 12 ) and FARP2 (FERM, ARH/RhoGEF and pleckstrin domain protein 2) ( 13 ).…”

Structural basis for the initiation of COPII vesicle biogenesis

“…In addition to serving as a membrane anchor, this helix has been demonstrated to serve a critical role in membrane remodeling events including induction of membrane curvature and driving membrane fission (Bielli et al, 2005;Lee et al, 2005;Drin and Antonny, 2010;Boucrot et al, 2012;Schwieger et al, 2017). Work from several laboratories has provided crucial structural insights into how Sec7-domain Arf-GEFs exchange nucleotide, and models for how Sec7domain Arf-GEFs with pleckstrin homology domains are organized on the membrane surface (Cherfils et al, 1998;Goldberg, 1998;Renault et al, 2003;DiNitto et al, 2007;Aizel et al, 2013;Malaby et al, 2013;Padovani et al, 2014;Galindo et al, 2016;Richardson et al, 2016;Karandur et al, 2017;Das et al, 2019). However, it remains unclear whether the Sec7 domain itself interacts directly with the membrane, and a detailed mechanistic description of how Arf-GEFs deal with insertion of the substrate amphipathic a helix has not been reported.…”

“…In contrast to many small GTPases of the Ras superfamily, Sar1 and most other Arf GTPase family members are distinguished by the direct coupling of activation to insertion into the cytoplasmic leaflet of a membrane bilayer (Antonny et al, 1997). Despite extensive structural characterization of Arf family GEFs (Cherfils et al, 1998;Goldberg, 1998;Renault et al, 2003;DiNitto et al, 2007;Aizel et al, 2013;Malaby et al, 2013;Padovani et al, 2014;Galindo et al, 2016;Richardson et al, 2016;Karandur et al, 2017;Das et al, 2019), how these GEFs couple nucleotide exchange with membrane insertion of their substrates has remained unresolved.…”

Une moisson de nouvelles structures de mTORC1

“…Un autre exemple récent d'asymétrie structurale, mais aussi fonctionelle, est celui d'ARNO, un GEF pour les GTPases Arf, qui forme un dimère et doit être associé à la membrane pour activer la GTPase. L'analyse en microscopie électronique montre qu'ARNO a une structure flexible et asymétrique [30]. La reconstitution de son activité GEF dans des membranes artificielles révèle qu'il n'interagit avec la membrane que par un seul monomère à la fois, ce qui pourrait permettre au second monomère d'explorer plus facilement la membrane à la recherche d'une nouvelle molécule Arf à activer [30].…”

“…L'analyse en microscopie électronique montre qu'ARNO a une structure flexible et asymétrique [30]. La reconstitution de son activité GEF dans des membranes artificielles révèle qu'il n'interagit avec la membrane que par un seul monomère à la fois, ce qui pourrait permettre au second monomère d'explorer plus facilement la membrane à la recherche d'une nouvelle molécule Arf à activer [30]. Une telle asymétrie est possible dans le complexe mTORC1, par exemple si une seule sous-unité kinase est recrutée à la membrane par le module Rag et activée par RheB-GTP, l'autre sous-unité kinase restant dans une conformation inactive.…”