Homotypic fusion of ER membranes requires the dynamin-like GTPase Atlastin

The endoplasmic reticulum (ER) is a subcellular organelle comprised of interconnecting membrane networks. Formation and maintenance of the intricate ER architecture is essential for implementation of the multiple functions served by this organelle. Homotypic membrane fusion underlies both the biogenesis and maintenance of the ER and depends categorically on GTP hydrolysis but does not require cytosolic components, suggesting that a membrane bound GTPase may be responsible for this activity. Using in vivo analysis in Drosophila we demonstrate that the GTPase Datlastin, the fly homologue of the dynamin superfamily member atlastin-1 whose mutation causes Hereditary Spastic Paraplegia, is specifically localized on ER membranes. Furthermore, loss of Datlastin causes fragmentation of the ER but does not impair secretory pathway traffic. Datlastin embedded in distinct membranes has the ability to form trans-oligomeric complexes and its overexpression induces enlargement of ER profiles, consistent with excessive fusion of ER membranes. In vitro experiments confirm that Datlastin autonomously drives membrane fusion in a GTP dependent fashion. In contrast, GTPase-deficient Datlastin is inactive, unable to form trans-oligomeric complexes due to failure to self-associate, and incapable of promoting fusion in vitro. These results demonstrate that Datlastin mediates membrane tethering and fusion and strongly suggest that it is the GTPase activity required for ER homotypic fusion.

Il reticolo endoplasmatico (RE) è un organello formato da un complesso network di membrane. La formazione e il mantenimento dell’elaborata architettura del RE è essenziale per lo svolgimento delle numerose funzioni di questo organello. La biogenesi e il mantenimento del RE dipendono dalla capacità delle membrane del RE di fondersi in maniera omotipica. La dipendenza di questo processo dall’idrolisi del GTP, ma non da fattori citosolici, suggerisce che la fusione omotipica sia mediata da una GTPasi di membrana. Datlastina è l’omologo in Drosophila di atlastina-1, GTPasi membro della superfamiglia delle dinamine le cui mutazioni causano l’insorgenza di Paraplegia Spastica Ereditaria nell’uomo. Analisi in vivo in Drosophila hanno mostrato che Datlastina è localizzata sulla membrana del reticolo endoplasmatico. L’assenza di Datlastina causa frammentazione del RE, ma non blocca il traffico secretorio. Molecole di Datlastina inserite in membrane distinte sono in grado di associarsi in trans e la sovraespressione della proteina in vivo induce la formazione di profili di RE allargati, compatibili con una eccessiva fusione delle membrane del RE. Esperimenti in vitro hanno confermato che Datlastina è in grado di promuovere autonomamente la fusione di membrane in modo GTP dipendente. Al contrario, Datlastina priva di attività GTPasica è inattiva, incapace di associarsi in trans e di promuovere la fusione delle membrane in vitro. Questi risultati dimostrano che Datlastina è in grado di mediare l’avvicinamento e la fusione delle membrane e suggeriscono che costituisca l’attività GTPasica necessaria per la fusione omotipica delle membrane del RE.