Cys328でのビメンチンS-グルタチオン化はフィラメントの伸長を阻害し、成熟フィラメントの切断を誘導する

Vimentin S-glutathionylation at Cys328 inhibits filament elongation and induces severing of mature filaments in vitro.

• Magdalena Kaus-Drobek
• Norbert Mücke
• Roman H Szczepanowski
• Tatjana Wedig
• Mariusz Czarnocki-Cieciura
• Magdalena Polakowska
• Harald Herrmann
• Aleksandra Wysłouch-Cieszyńska
• Michał Dadlez

抄録

ビメンチン中間フィラメントは、間葉系細胞の細胞骨格の重要な構成要素である。インビボでは、フィラメントの集合・分解が行われ、細胞のダイナミックなプロセスに関与しています。タンパク質のリン酸化などの翻訳後修飾（PTM）は、ビメンチンが可溶性複合体から不溶性フィラメントへと多相的に結合し、その逆の過程を制御しています。ビメンチンの328位のシステイン（Cys328）のチオール側鎖は、細胞内での酸化的修飾の直接の標的となっている。ここでは、原子間力顕微鏡、電子顕微鏡、新しい水素-重水素交換質量分析法(HDex-MS)を用いて、Cys328のS-ニトロシル化とS-グルタチオン化がヒトビメンチンのインビトロオリゴマー化に及ぼす構造的影響を調べた。いずれの修飾も、単位長フィラメント(ULF)へのテトラマーの横方向の結合には影響を与えなかった。しかし、Cys328のS-グルタチオン化は、ULFの伸長フィラメントへの縦方向の結合を阻害する。Cys328のS-ニトロシル化は、伸長を妨げることはないが、伸長を遅らせる。同様に、あらかじめ形成されたビメンチンフィラメントのS-グルタチオン化は、それらのより小さなオリゴマー種への広範な断片化を引き起こす。S-グルタチオン化したCys328チオールを化学的に還元することで、小さな断片が伸長したフィラメントに再集合することがわかった。結論として、我々のインビトロでの結果は、細胞内の酸化還元状態の変化に応答して、インビボで観察されるビメンチン中間フィラメントの動的な再配列における効率的な分子スイッチの候補となるPTMとしてS-グルタチオン化を示唆している。最後に、我々は、HDex-MSがPTMによって誘導されたビメンチンフィラメント形成とフィラメント分解の速度論をプローブするための強力な方法であることを示している。

Vimentin intermediate filaments are a significant component of the cytoskeleton in cells of mesenchymal origin. In vivo, filaments assemble and disassemble and thus participate in the dynamic processes of the cell. Post-translational modifications (PTMs) such as protein phosphorylation regulate the multiphasic association of vimentin from soluble complexes to insoluble filaments and the reverse processes. The thiol side chain of the single vimentin cysteine at position 328 (Cys328) is a direct target of oxidative modifications inside cells. Here, we used atomic force microscopy, electron microscopy and a novel hydrogen-deuterium exchange mass spectrometry (HDex-MS) procedure to investigate the structural consequences of S-nitrosylation and S-glutathionylation of Cys328 for in vitro oligomerisation of human vimentin. Neither modification affects the lateral association of tetramers to unit-length filaments (ULF). However, S-glutathionylation of Cys328 blocks the longitudinal assembly of ULF into extended filaments. S-nitrosylation of Cys328 does not hinder but slows down the elongation. Likewise, S-glutathionylation of preformed vimentin filaments causes their extensive fragmentation to smaller oligomeric species. Chemical reduction of the S-glutathionylated Cys328 thiols induces reassembly of the small fragments into extended filaments. In conclusion, our in vitro results suggest S-glutathionylation as a candidate PTM for an efficient molecular switch in the dynamic rearrangements of vimentin intermediate filaments, observed in vivo, in response to changes in cellular redox status. Finally, we demonstrate that HDex-MS is a powerful method for probing the kinetics of vimentin filament formation and filament disassembly induced by PTMs.

© 2020 The Authors. The FEBS Journal published by John Wiley & Sons Ltd on behalf of Federation of European Biochemical Societies.