Molecular basis for SH3 domain regulation of F-BAR-mediated membrane deformation

Abstract

Eukaryotic cells are characterized by a diverse array of membraneous structures including vesicles, tubules, and pleiomorphic vacuoles that enable cellular processes such as organelle biogenesis, cell division, cell migration, secretion, and endocytosis. In many cases, dynamic membrane remodeling is accomplished by the reversible assembly of membrane-sculpting or deforming proteins, most notably by members of the BAR (Bin/amphiphysin/Rvs) domain superfamily. Members of this protein superfamily are involved in membrane remodeling in various cellular pathways ranging from endocytic vesicle and T-tubule formation to cell migration and neuromorphogenesis. Membrane curvature induction and stabilization are encoded within the BAR or F-BAR (Fer-CIP4 homology-BAR) domains, alpha-helical coiled coils that dimerize into membrane-binding modules. BAR/F-BAR domain proteins often contain also an SH3 domain, which recruits binding partners such as the oligomeric membrane-fissioning GTPase dynamin. How precisely BAR/F-BAR domain- mediated membrane deformation is regulated at the cellular level is unknown. Here we present the crystal structures of full-length syndapin 1 and its F-BAR domain. The crystal structures show that the F-BAR domain of syndapin 1 dimerizes into an elongated “S” shape with a wedge loop in each monomer, which is required for the membrane-deforming activity of syndapin. Importantly, our data also show that syndapin 1 F-BAR-mediated membrane deformation is subject to autoinhibition by its SH3 domain. Release from the clamped conformation is driven by association of syndapin 1 SH3 domain with the proline-rich domain of dynamin 1, thereby unlocking its potent membrane-bending activity. We hypothesize that this mechanism might be commonly used to regulate BAR/F-BAR domain-induced membrane deformation and to potentially couple this process to dynamin-mediated fission. Our data thus suggest a structure-based model for SH3-mediated regulation of BAR/F-BAR domain function.

Eukaryotische Zellen enthalten eine große Vielfalt membranöser Strukturen wie z.B. Vesikel, Röhren und pleiomorphe Vakuolen, die an so unterschiedlichen Prozessen wie der Biogenese zellulärer Organellen, der Zellteilung, Zellmigration, Sekretion und Endozytose beteiligt sind. In den vielen Fällen wird die dynamische Umformung der Membran durch die reversible Zusammenlagerung von Membran-verformenden Proteinen bewirkt, ganz besonders durch Mitglieder der BAR (Bin/amphiphysin/Rvs) Domänen Proteinfamilie. Mitglieder dieser Proteinfamilie sind beteiligt am Membranumbau im Rahmen verschiedenster zellulärer Prozesse, von der Generierung endozytotischer Vesikel und T-Röhren bis hin zu Zellmigration und Neuromorphogenese. Ihre Fähigkeit zur Induzierung einer bestimmten Membrankrümmung und zur Stabilisierung von gekrümmten Membranen resultiert aus der Struktur ihrer BAR oder F-BAR (Fer-CIP4 Homologie-BAR) Domänen. Hierbei handelt es sich um alpha- helikale “coiled coils”, die zu Membran-bindenden Modulen dimerisieren können. BAR/F-BAR Proteine enthalten zudem oft eine SH3 Domäne, die Bindepartner wie die oligomere GTPase Dynamin, die an Membranabtrennungsprozessen beteiligt ist, rekrutieren kann. Wie genau die BAR/F-BAR Domänen vermittelte Membranverformung in der Zelle reguliert wird, ist bislang unbekannt. Die in dieser Doktorarbeit präsentierten Kristall-Strukturdaten von komplettem Syndapin 1 Protein und seiner F-BAR Domäne können zur Aufklärung dieser Frage beitragen. Die Kristallstrukturen zeigen, dass die F-BAR Domäne von Syndapin 1 dimerisiert. Des resultierende Dimer hat die Form eines verlängerten “S”, wobei jedes Monomer eine Keil-artige Schleife enthält, die notwendig ist für die Fähigkeit Syndapins, Membranen zu deformieren. Von großer Bedeutung für das Verständnis der Regulation dieser Fähigkeit ist die aus den Strukturdaten gewonnene Erkenntnis, dass die Syndapin 1 F-BAR-vermittelte Membranverformung durch eine in Syndapin enthaltene SH3 Domäne autoinhibiert wird. Erst wenn diese SH3 Domäne durch die Prolin-reiche Domäne von Dynamin 1 gebunden wird, kommt es zu einer intramolekularen Konformationsänderung in Syndapin, die die Keil-artigen Schleifen freilegt und es ihm so ermöglicht, Membranen zu krümmen. Wir stellen die Hypothese auf, dass diese Art der Autoinhibition ein genereller Mechanismus zur Regulation der BAR/F-BAR Domänen vermittelten Membrankrümmung sein könnte, der möglicherweise diesen Prozess zugleich an die Dynamin-vermittelte Membranabtrennung koppelt. Unsere Daten schlagen ein Struktur-basiertes Modell für die SH3-vermittelte Regulation der BAR/F-BAR Domänenfunktion vor.