Effects of (p)ppGpp on the progression of the cell cycle of Caulobacter crescentus.

Bacteria must control the progression of their cell cycle in response to nutrient availability. This regulation can be mediated by guanosine tetra- or pentaphosphate [(p)ppGpp], which are synthesized by enzymes of the RelA/SpoT homologue (Rsh) family, particularly under starvation conditions. Here, we study the effects of (p)ppGpp on the cell cycle of Caulobacter crescentus, an oligotrophic bacterium with a dimorphic life cycle. C. crescentus divides asymmetrically, producing a motile swarmer cell that cannot replicate its chromosome and a sessile stalked cell that is replication competent. The swarmer cell rapidly differentiates into a stalked cell in appropriate conditions. An artificial increase in the levels of (p)ppGpp in nonstarved C. crescentus cells was achieved by expressing a truncated relA gene from Escherichia coli, encoding a constitutively active (p)ppGpp synthetase. By combining single-cell microscopy, flow cytometry approaches, and swarming assays, we show that an increase in the intracellular concentration of (p)ppGpp is sufficient to slow down the swarmer-to-stalked cell differentiation process and to delay the initiation of chromosome replication. We also present evidence that the intracellular levels of two master regulators of the cell cycle of C. crescentus, DnaA and CtrA, are modulated in response to (p)ppGpp accumulation, even in the absence of actual starvation. CtrA proteolysis and DnaA synthesis seem indirectly inhibited by (p)ppGpp accumulation. By extending the life span of the motile nonreproductive swarmer cell and thus promoting dispersal and foraging functions over multiplication under starvation conditions, (p)ppGpp may play a central role in the ecological adaptation of C. crescentus to nutritional stresses.

Global methylation state at base-pair resolution of the Caulobacter genome throughout the cell cycle.

The Caulobacter DNA methyltransferase CcrM is one of five master cell-cycle regulators. CcrM is transiently present near the end of DNA replication when it rapidly methylates the adenine in hemimethylated GANTC sequences. The timing of transcription of two master regulator genes and two cell division genes is controlled by the methylation state of GANTC sites in their promoters. To explore the global extent of this regulatory mechanism, we determined the methylation state of the entire chromosome at every base pair at five time points in the cell cycle using single-molecule, real-time sequencing. The methylation state of 4,515 GANTC sites, preferentially positioned in intergenic regions, changed progressively from full to hemimethylation as the replication forks advanced. However, 27 GANTC sites remained unmethylated throughout the cell cycle, suggesting that these protected sites could participate in epigenetic regulatory functions. An analysis of the time of activation of every cell-cycle regulatory transcription start site, coupled to both the position of a GANTC site in their promoter regions and the time in the cell cycle when the GANTC site transitions from full to hemimethylation, allowed the identification of 59 genes as candidates for epigenetic regulation. In addition, we identified two previously unidentified N(6)-methyladenine motifs and showed that they maintained a constant methylation state throughout the cell cycle. The cognate methyltransferase was identified for one of these motifs as well as for one of two 5-methylcytosine motifs.

Bcl-xL regulation and function in cell cycle checkpoints and progression

Quelques évidences suggèrent que Bcl-xL, un membre anti-apoptotique de la famille Bcl-2, possède également des fonctions au niveau du cycle cellulaire et de ses points-contrôle. Pour étudier la régulation et fonction de Bcl-xL au cours du cycle cellulaire, nous avons généré et exprimé dans des cellules humaines une série de mutants de phosphorylation incluant Thr41Ala, Ser43Ala, Thr47Ala, Ser49Ala, Ser56Ala, Ser62Ala et Thr115Ala. L'analyse de cette série de mutants révèle que les cellules exprimant Bcl-xL(Ser62Ala) sont moins stables au point-contrôle G2 du cycle cellulaire comparées aux cellules exprimant le type sauvage ou les autres mutants de phosphorylation incluant Thr41Ala, Ser43Ala, Thr47Ala, Ser56Ala et Thr115Ala. Les études de cinétiques de phosphorylation et de localisation de phospho-Bcl-xL(Ser62) dans des cellules synchronisées et suite à l'activation du point-contrôle en G2 médié par l'étoposide (VP16), nous indiquent que phospho-Bcl-xL(Ser62) migre dans les corps nucléolaires durant l'arrêt en G2 dans les cellules exposées au VP16. Une série d'expériences incluant des essais kinase in vitro, l'utilisation d'inhibiteurs pharmacologiques et d'ARN interférant, nous révèlent que Polo kinase 1 (PLK1) et MAPK9/JNK2 sont les protéines kinase impliquées dans la phosphorylation de Bcl-xL(Ser62), et pour son accumulation dans les corps nucléolaires pendant le point-contrôle en G2. Nos résultats indiquent que durant le point-contrôle en G2, phospho-Bcl-xL(Ser62) se lie et se co-localise avec CDK1(CDC2), le complexe cycline-kinase qui contrôle l'entrée en mitose. Nos résultats suggèrent que dans les corps nucléolaires, phospho-Bcl-xL(Ser62) stabilise l'arrêt en G2 en séquestrant CDK1(CDC2) pour retarder l'entrée en mitose. Ces résultats soulignent également que les dommages à l'ADN influencent la composition des corps nucléolaires, structure nucléaire qui émerge maintenant comme une composante importante de la réponse aux dommages à l'ADN. Dans une deuxième étude, nous décrivons que les cellules exprimant le mutant de phosphorylation Bcl-xL(Ser62Ala) sont également plus stables au point-contrôle de l'assemblage du fuseau de la chromatine (SAC) suite à une exposition au taxol, comparées aux cellules exprimant le type sauvage ou d'autres mutants de phosphorylation de Bcl-xL, incluant Thr41Ala, Ser43Ala, Thr47Ala, Ser56Ala. Cet effet est indépendent de la fonction anti-apoptotique de Bcl-xL. Bcl-xL(Ser62) est fortement phosphorylé par PLK1 et MAPK14/SAPKp38α à la prométaphase, la métaphase et à la frontière de l'anaphase, et déphosphorylé à la télophase et la cytokinèse. Phospho-Bcl-xL(Ser62) se trouve dans les centrosomes avec γ-tubuline, le long du fuseau mitotique avec la protéine moteure dynéine et dans le cytosol mitotique avec des composantes du SAC. Dans des cellules exposées au taxol, phospho-Bcl-xL(Ser62) se lie au complexe inhibiteur CDC20/MAD2/BUBR1/BUB3, alors que le mutant Bcl-xL(Ser62Ala) ne se lie pas à ce complexe. Ces résultats indiquent que durant le SAC, la phosphorylation de Bcl-xL(Ser62) accélère la résolution du SAC et l'entrée des cellules en anaphase. Des expériences bloquant l'expression de Bcl-xL révèlent ègalement un taux très élevé de cellules tétraploïdes et binuclées après un traitement au nocodazole, consistant avec une fonction de Bcl-xL durant la mitose et dans la stabilité génomique. Dans la troisième étude, l'analyse fonctionnelle de cette série de mutants de phosphorylation indique également que les cellules exprimant Bcl-xL(Ser49Ala) sont moins stables durant le point-contrôle G2 et entre en cytokinèse plus lentement dans des cellules exposées aux inhibiteurs de la polymérisation/dépolymérisation des tubulines, composantes des microtubules. Ces effets de Bcl-xL(Ser49Ala) sont indépendents de sa fonction anti-apoptotique. La phosphorylation de Bcl-xL(Ser49) est dynamique au cours du cycle cellulaire. Dans des cellules synchronisées, Bcl-xL(Ser49) est phosphorylé en phase S et G2, déphosphorylé à la prométaphase, la métaphase et à la frontière de l'anaphase, et re-phosphorylé durant la télophase et la cytokinèse. Au cours du point-contrôle G2 induit par les dommages à l'ADN, un pool important de phospho-Bcl-xL(Ser49) se trouve aux centrosomes, un site important pour la régulation de l'entrée en mitose. Durant la télophase et la cytokinèse, phospho-Bcl-xL(Ser49) se trouve le long des microtubules avec la protéine moteure dynéine et dans le cytosol mitotique. Finalement, nos résultats suggèrent que PLK3 est responsable de la phosphorylation de Bcl-xL(Ser49), une protéine kinase impliquée pour l'entrée des cellules en mitose et pour la progression de la mitose jusqu'à la division cellulaire.

Dissecting cell cycle protein complexes using the pptimized yeast cytosine deaminase protein-fragment complementation assay “You too can play with an edge”

Les protéines sont les produits finaux de la machinerie génétique. Elles jouent des rôles essentiels dans la définition de la structure, de l'intégrité et de la dynamique de la cellule afin de promouvoir les diverses transformations chimiques requises dans le métabolisme et dans la transmission des signaux biochimique. Nous savons que la doctrine centrale de la biologie moléculaire: un gène = un ARN messager = une protéine, est une simplification grossière du système biologique. En effet, plusieurs ARN messagers peuvent provenir d’un seul gène grâce à l’épissage alternatif. De plus, une protéine peut adopter plusieurs fonctions au courant de sa vie selon son état de modification post-traductionelle, sa conformation et son interaction avec d’autres protéines. La formation de complexes protéiques peut, en elle-même, être déterminée par l’état de modifications des protéines influencées par le contexte génétique, les compartiments subcellulaires, les conditions environmentales ou être intrinsèque à la croissance et la division cellulaire. Les complexes protéiques impliqués dans la régulation du cycle cellulaire sont particulièrement difficiles à disséquer car ils ne se forment qu’au cours de phases spécifiques du cycle cellulaire, ils sont fortement régulés par les modifications post-traductionnelles et peuvent se produire dans tous les compartiments subcellulaires. À ce jour, aucune méthode générale n’a été développée pour permettre une dissection fine de ces complexes macromoléculaires. L'objectif de cette thèse est d'établir et de démontrer une nouvelle stratégie pour disséquer les complexes protéines formés lors du cycle cellulaire de la levure Saccharomyces cerevisiae (S. cerevisiae). Dans cette thèse, je décris le développement et l'optimisation d'une stratégie simple de sélection basée sur un essai de complémentation de fragments protéiques en utilisant la cytosine déaminase de la levure comme sonde (PCA OyCD). En outre, je décris une série d'études de validation du PCA OyCD afin de l’utiliser pour disséquer les mécanismes d'activation des facteurs de transcription et des interactions protéine-protéines (IPPs) entre les régulateurs du cycle cellulaire. Une caractéristique clé du PCA OyCD est qu'il peut être utilisé pour détecter à la fois la formation et la dissociation des IPPs et émettre un signal détectable (la croissance des cellules) pour les deux types de sélections. J'ai appliqué le PCA OyCD pour disséquer les interactions entre SBF et MBF, deux facteurs de transcription clés régulant la transition de la phase G1 à la phase S. SBF et MBF sont deux facteurs de transcription hétérodimériques composés de deux sous-unités : une protéine qui peut lier directement l’ADN (Swi4 ou Mbp1, respectivement) et une protéine commune contenant un domain d’activation de la transcription appelée Swi6. J'ai appliqué le PCA OyCD afin de générer un mutant de Swi6 qui restreint ses activités transcriptionnelles à SBF, abolissant l’activité MBF. Nous avons isolé des souches portant des mutations dans le domaine C-terminal de Swi6, préalablement identifié comme responsable dans la formation de l’interaction avec Swi4 et Mbp1, et également important pour les activités de SBF et MBF. Nos résultats appuient un modèle où Swi6 subit un changement conformationnel lors de la liaison à Swi4 ou Mbp1. De plus, ce mutant de Swi6 a été utilisé pour disséquer le mécanisme de régulation de l’entrée de la cellule dans un nouveau cycle de division cellulaire appelé « START ». Nous avons constaté que le répresseur de SBF et MBF nommé Whi5 se lie directement au domaine C-terminal de Swi6. Finalement, j'ai appliqué le PCA OyCD afin de disséquer les complexes protéiques de la kinase cycline-dépendante de la levure nommé Cdk1. Cdk1 est la kinase essentielle qui régule la progression du cycle cellulaire et peut phosphoryler un grand nombre de substrats différents en s'associant à l'une des neuf protéines cycline régulatrice (Cln1-3, Clb1-6). Je décris une stratégie à haut débit, voir à une échelle génomique, visant à identifier les partenaires d'interaction de Cdk1 et d’y associer la cycline appropriée(s) requise(s) à l’observation d’une interaction en utilisant le PCA OyCD et des souches délétées pour chacune des cyclines. Mes résultats nous permettent d’identifier la phase(s) du cycle cellulaire où Cdk1 peut phosphoryler un substrat particulier et la fonction potentielle ou connue de Cdk1 pendant cette phase. Par exemple, nous avons identifié que l’interaction entre Cdk1 et la γ-tubuline (Tub4) est dépendante de Clb3. Ce résultat est conforme au rôle de Tub4 dans la nucléation et la croissance des faisceaux mitotiques émanant des centromères. Cette stratégie peut également être appliquée à l’étude d'autres IPPs qui sont contrôlées par des sous-unités régulatrices.

A proteome-wide strategy reveals a novel mechanism of control of cell cycle progression through modulation of cyclin mRNA stability

La quantité de données générée dans le cadre d'étude à grande échelle du réseau d'interaction protéine-protéine dépasse notre capacité à les analyser et à comprendre leur sens; d'une part, par leur complexité et leur volume, et d'un autre part, par la qualité du jeu de donnée produit qui semble bondé de faux positifs et de faux négatifs. Cette dissertation décrit une nouvelle méthode de criblage des interactions physique entre protéines à haut débit chez Saccharomyces cerevisiae, la complémentation de fragments protéiques (PCA). Cette approche est accomplie dans des cellules intactes dans les conditions natives des protéines; sous leur promoteur endogène et dans le respect des contextes de modifications post-traductionnelles et de localisations subcellulaires. Une application biologique de cette méthode a permis de démontrer la capacité de ce système rapporteur à répondre aux questions d'adaptation cellulaire à des stress, comme la famine en nutriments et un traitement à une drogue. Dans le premier chapitre de cette dissertation, nous avons présenté un criblage des paires d'interactions entre les protéines résultant des quelques 6000 cadres de lecture de Saccharomyces cerevisiae. Nous avons identifié 2770 interactions entre 1124 protéines. Nous avons estimé la qualité de notre criblage en le comparant à d'autres banques d'interaction. Nous avons réalisé que la majorité de nos interactions sont nouvelles, alors que le chevauchement avec les données des autres méthodes est large. Nous avons pris cette opportunité pour caractériser les facteurs déterminants dans la détection d'une interaction par PCA. Nous avons remarqué que notre approche est sous une contrainte stérique provenant de la nécessité des fragments rapporteurs à pouvoir se rejoindre dans l'espace cellulaire afin de récupérer l'activité observable de la sonde d'interaction. L'intégration de nos résultats aux connaissances des dynamiques de régulations génétiques et des modifications protéiques nous dirigera vers une meilleure compréhension des processus cellulaires complexes orchestrés aux niveaux moléculaires et structuraux dans les cellules vivantes. Nous avons appliqué notre méthode aux réarrangements dynamiques opérant durant l'adaptation de la cellule à des stress, comme la famine en nutriments et le traitement à une drogue. Cette investigation fait le détail de notre second chapitre. Nous avons déterminé de cette manière que l'équilibre entre les formes phosphorylées et déphosphorylées de l'arginine méthyltransférase de Saccharomyces cerevisiae, Hmt1, régulait du même coup sont assemblage en hexamère et son activité enzymatique. L'activité d'Hmt1 a directement un impact dans la progression du cycle cellulaire durant un stress, stabilisant les transcrits de CLB2 et permettant la synthèse de Cln3p. Nous avons utilisé notre criblage afin de déterminer les régulateurs de la phosphorylation d'Hmt1 dans un contexte de traitement à la rapamycin, un inhibiteur de la kinase cible de la rapamycin (TOR). Nous avons identifié la sous-unité catalytique de la phosphatase PP2a, Pph22, activé par l'inhibition de la kinase TOR et la kinase Dbf2, activé durant l'entrée en mitose de la cellule, comme la phosphatase et la kinase responsable de la modification d'Hmt1 et de ses fonctions de régulations dans le cycle cellulaire. Cette approche peut être généralisée afin d'identifier et de lier mécanistiquement les gènes, incluant ceux n'ayant aucune fonction connue, à tout processus cellulaire, comme les mécanismes régulant l'ARNm.

Study of the subcellular localization of cell cycle regulator Cks1 and its impact on cancer

La progression dans le cycle cellulaire est contrôlée par de vagues oscillantes de cyclines et des kinases cycline-dépendantes (Cdk). Ces kinases sont régulées positivement par l’association des sous-unités cyclines régulatrices et négativement en se liant aux inhibiteurs de Cdk. Parmi ces derniers, p27 inhibe tous les complexes cycline-Cdk quelle que soit la phase cellulaire et agit en tant que régulateur négatif principal de la prolifération cellulaire dans une variété de cellules et de tissus. Intrinsèquement, p27 phosphorylé est ubiquitiné et dégradé par le complexe SCFSkp2-Cks1. Des études génétiques de la souris, ainsi que des examens cliniques chez l’homme, ont montré que p27 est un important suppresseur de tumeur. Le gène est rarement muté. Cependant, p27 est fréquemment réprimé dans les cancers humains en raison d’une augmentation de l’expression de Skp2 et de Cks1 dans le noyau, ce qui est généralement associée à un mauvais pronostic. La localisation subcellulaire de Cks1 est donc d'une importance primordiale dans le contrôle de la prolifération cellulaire. Les résultats récents de notre laboratoire ont montré une interaction entre Cks1 et les protéines de transport nucléaire importine α1 et β3. Aussi, l’analyse de la séquence primaire de Cks1 a également révélé un signal de localisation nucléaire classique (NLS) à son extrémité C-terminale. Des mutations ont été effectuées sur le NLS suspect pour déterminer si oui ou non l'import nucléaire de Cks1 était contrôlé par cette séquence. Un inhibiteur synthétique de l’importine β a également été utilisé pour étudier l’import de Cks1 dans le noyau. Les résultats indiquent que l’extrémité C-terminale de Cks1 est en effet un NLS puisque les mutations de Cks1 et l'inhibition de l’importine β conduisent, tous deux, à l'accumulation de Cks1 dans le cytoplasme. Ces résultats ont été utiles pour mieux comprendre le mécanisme régulant la localisation de Cks1. Toutefois, des travaux futurs sont nécessaires pour mieux comprendre l'impact de la séquestration cytoplasmique de Cks1 sur le cancer et ainsi espérer aboutir à l'identification de nouvelles cibles pharmacologiques impliqués dans la prolifération cellulaire.

Histone H2B-R95A mutant identifies the pheromone pathway that signals cell cycle arrest during rapamycin response

La rapamycine est un immunosuppresseur utilisé pour traiter plusieurs types de maladies dont le cancer du rein. Son fonctionnement par l’inhibition de la voie de Tor mène à des changements dans des processus physiologiques, incluant le cycle cellulaire. Chez Saccharomyces cerevisiae, la rapamycine conduit à une altération rapide et globale de l’expression génique, déclenchant un remodelage de la chromatine. Nous proposons que les modifications des histones peuvent jouer un rôle crucial dans le remodelage de la chromatine en réponse à la rapamycine. Notre objectif principal est d’identifier d’une banque de mutants d’histone les variantes qui vont échouer à répondre à la rapamycine dans une tentative de réaliser une caractérisation des modifications d’histone critiques pour la réponse à cette drogue. Ainsi, nous avons réalisé un criblage d’une banque de mutants d’histone et identifié plusieurs mutants d‘histone dont la résistance à la rapamycine a été altérée. Nous avons caractérisé une de ces variantes d’histone, à savoir H2B, qui porte une substitution de l’alanine en arginine en position 95 (H2B-R95A) et démontré que ce mutant est extrêmement résistant à la rapamycine, et non à d’autres drogues. Des immunoprécipitations ont démontré que H2B-R95A est défectueux pour former un complexe avec Spt16, un facteur essentiel pour la dissociation de H2A et H2B de la chromatine, permetant la réplication et la transcription par les ADN et ARN polymérases, respectivement. Des expériences de ChIP-Chip et de micropuce ont démontré que l’arginine 95 de H2B est requise pour recruter Spt16 afin de permettre l’expression d’une multitude de gènes, dont certains font partie de la voie des phéromones. Des évidences seront présentées pour la première fois démontrant que la rapamycine peut activer la voie des phéromones et qu’une défectuosité dans cette voie cause la résistante à cette drogue.

Actinobacillus pleuropneumoniae induces SJPL cell cycle arrest in G2/M-phase and inhibits porcine reproductive and respiratory syndrome virus replication

Background: Porcine reproductive and respiratory syndrome virus (PRRSV) is one of the most important pathogens in the swine industry and causes important economic losses. No effective antiviral drugs against it are commercially available. We recently reported that the culture supernatant of Actinobacillus pleuropneumoniae, the porcine pleuropneumonia causative agent, has an antiviral activity in vitro against PRRSV in SJPL cells. Objectives of this study were (i) to identify the mechanism behind the antiviral activity displayed by A. pleuropneumoniae and (ii) to characterize the active molecules present in the bacterial culture supernatant. Methods: Antibody microarray analysis was used in order to point out cellular pathways modulated by the A. pleuropneumoniae supernatant. Subsequent, flow cytometry analysis and cell cycle inhibitors were used to confirm antibody microarray data and to link them to the antiviral activity of the A. pleuropneumoniae supernatant. Finally, A. pleuropneumoniae supernatant characterization was partially achieved using mass spectrometry. Results: Using antibody microarray, we observed modulations in G2/M-phase cell cycle regulation pathway when SJPL cells were treated with A. pleuropneumoniae culture supernatant. These modulations were confirmed by a cell cycle arrest at the G2/M-phase when cells were treated with the A. pleuropneumoniae culture supernatant. Furthermore, two G2/M-phase cell cycle inhibitors demonstrated the ability to inhibit PRRSV infection, indicating a potential key role for PRRSV infection. Finally, mass spectrometry lead to identify two molecules (m/z 515.2 and m/z 663.6) present only in the culture supernatant. Conclusions: We demonstrated for the first time that A. pleuropneumoniae is able to disrupt SJPL cell cycle resulting in inhibitory activity against PRRSV. Furthermore, two putative molecules were identified from the culture supernatant. This study highlighted the cell cycle importance for PRRSV and will allow the development of new prophylactic or therapeutic approaches against PRRSV.

Cell cycle perturbations induced by infection with the coronavirus infectious bronchitis virus and their effect on virus replication

In eukaryotic cells, cell growth and division occur in a stepwise, orderly fashion described by a process known as the cell cycle. The relationship between positive-strand RNA viruses and the cell cycle and the concomitant effects on virus replication are not clearly understood. We have shown that infection of asynchronously replicating and synchronized replicating cells with the avian coronavirus infectious bronchitis virus (IBV), a positive-strand RNA virus, resulted in the accumulation of infected cells in the G(2)/M phase of the cell cycle. Analysis of various cell cycle-regulatory proteins and cellular morphology indicated that there was a down-regulation of cyclins D1 and D2 (G(2) regulatory cyclins) and that a proportion of virus-infected cells underwent aberrant cytokinesis, in which the cells underwent nuclear, but not cytoplasmic, division. We assessed the impact of the perturbations on the cell cycle for virus-infected cells and found that IBV-infected G(2)/M-phase-synchronized cells exhibited increased viral protein production when released from the block when compared to cells synchronized in the Go phase or asynchronously replicating cells. Our data suggested that IBV induces a G(2)/M phase arrest in infected cells to promote favorable conditions for viral replication.

Forkhead (FOX) transcription factors and the cell cycle: measurement of DNA binding by FoxO and FoxM transcription factors

Certain forkhead (FOX) transcription factors have been shown to play an intrinsic role in controlling cell cycle progression. In particular, the FoxO subclass has been shown to regulate cell cycle entry and exit, whereas the expression and activity of FoxM1 is important for the correct coupling of DNA synthesis to mitosis. In this chapter, I describe a method for measuring FoxO and FoxM1 transcription factor DNA binding in nuclear extracts from mammalian cells.

The Mammalian cell cycle: an overview

In recent years, we have witnessed major advances in our understanding of the mammalian cell cycle and how it is regulated. Normal mammalian cellular proliferation is tightly regulated at each phase of the cell cycle by the activation and deactivation of a series of proteins that constitute the cell cycle machinery. This review article describes the various phases of the mammalian cell cycle and focuses on the cell cycle regulatory molecules that act at each stage to ensure normal cellular progression.

Targeting the cell cycle machinery for the treatment of cardiovascular disease

Cardiovascular disease represents a major clinical problem affecting a significant proportion of the world's population and remains the main cause of death in the UK. The majority of therapies currently available for the treatment of cardiovascular disease do not cure the problem but merely treat the symptoms. Furthermore, many cardioactive drugs have serious side effects and have narrow therapeutic windows that can limit their usefulness in the clinic. Thus, the development of more selective and highly effective therapeutic strategies that could cure specific cardiovascular diseases would be of enormous benefit both to the patient and to those countries where healthcare systems are responsible for an increasing number of patients. In this review, we discuss the evidence that suggests that targeting the cell cycle machinery in cardiovascular cells provides a novel strategy for the treatment of certain cardiovascular diseases. Those cell cycle molecules that are important for regulating terminal differentiation of cardiac myocytes and whether they can be targeted to reinitiate cell division and myocardial repair will be discussed as will the molecules that control vascular smooth muscle cell (VSMC) and endothelial cell proliferation in disorders such as atherosclerosis and restenosis. The main approaches currently used to target the cell cycle machinery in cardiovascular disease have employed gene therapy techniques. We will overview the different methods and routes of gene delivery to the cardiovascular system and describe possible future drug therapies for these disorders. Although the majority of the published data comes from animal studies, there are several instances where potential therapies have moved into the clinical setting with promising results.

Non-steroidal anti-inflammatory drugs (NSAIDs) inhibit vascular smooth muscle cell proliferation via differential effects on the cell cycle

Abnormal vascular smooth muscle cell (VSMC) proliferation plays an important role in the pathogenesis of both atherosclerosis and restenosis. Recent studies suggest that high-dose salicylates, in addition to inhibiting cyclooxygenase activity, exert an antiproliferative effect on VSMC growth both in-vitro and in-vivo. However, whether all non-steroidal anti-inflammatory drugs (NSAIDs) exert similar anti proliferative effects on VSMCs, and do so via a common mechanism of action, remains to be shown. In this study, we demonstrate that the NSAIDs aspirin, sodium salicylate, diclofenac, ibuprofen, indometacin and sulindac induce a dose-dependent inhibition of proliferation in rat A10 VSMCs in the absence of significant cytotoxicity. Flow cytometric analyses showed that exposure of A10 cells to diclofenac, indometacin, ibuprofen and sulindac, in the presence of the mitotic inhibitor, nocodazole, led to a significant G0/G1 arrest. In contrast, the salicylates failed to induce a significant G1 arrest since flow cytometry profiles were not significantly different from control cells. Cyclin A levels were elevated, and hyperphosphorylated p107 was present at significant levels, in salicylate-treated A10 cells, consistent with a post-G1/S block, whereas cyclin A levels were low, and hypophosphorylated p107 was the dominant form, in cells treated with other NSAIDs consistent with a G1 arrest. The ubiquitously expressed cyclin-dependent kinase (CDK) inhibitors, p21 and p27, were increased in all NSAID-treated cells. Our results suggest that diclofenac, indometacin, ibuprofen and sulindac inhibit VSMC proliferation by arresting the cell cycle in the G1 phase, whereas the growth inhibitory effect of salicylates probably affects the late S and/or G2/M phases. Irrespective of mechanism, our results suggest that NSAIDs might be of benefit in the treatment of certain vasculoproliferative disorders.

The intracellular genistein metabolite 5,7,3 ',4 '-tetrahydroxyisoflavone mediates G2-M cell cycle arrest in cancer cells via modulation of the p38 signaling pathway

The cellular actions of genistein are believed to mediate the decreased risk of breast cancer associated with high soy consumption. We have investigated the intracellular metabolism of genistein in T47D tumorigenic and MCF-10A nontumorigenic cells and assessed the cellular actions of resultant metabolites. Genistein selectively induced growth arrest and G2-M phase cell cycle block in T47D but not MCF10A breast epithelial cells. These antiproliferative effects were paralleled by significant differences in the association of genistein to cells and in particular its intracellular metabolism. Genistein was selectively taken up into T47D cells and was subject to metabolism by CYP450 enzymes leading to the formation of both 5,7,3',4'-tetrahydroxyisoflavone (THIF) and two glutathionyl conjugates of THIF THIF inhibited cdc2 activation via the phosphorylation of p38 MAP kinase, suggesting that this species may mediate genistein's cellular actions. THIF exposure activated p38 and caused subsequent inhibition of cyclin B1 (Ser 147) and cdc2 (Thr 161) phosphorylation, two events critical for the correct functioning of the cdc2-cyclin B1 complex. We suggest that the formation of THIF may mediate the cellular actions of genistein in tumorigenic breast epithelial cells via the activation of signaling through p38. (c) 2006 Elsevier Inc. All rights reserved.

Apolipoprotein E genotype and alpha-tocopherol modulate amyloid precursor protein metabolism and cell cycle regulation

Apolipoprotein E4 (apoE4) genotype is associated with an increased risk for Alzheimer's disease (AD). This is thought to be in part attributable to an impact of apoE genotype on the processing of the transmembrane amyloid precursor protein (APP) thereby contributing to amyloid beta peptide formation in apoE4 carriers, which is a primary patho-physiological feature of AD. As apoE and alphato-copherol (alpha-toc) have been shown to modulate membrane bilayer properties and hippocampal gene expression, we studied the effect of apoE genotype on APP metabolism and cell cycle regulation in response to dietary a-toc. ApoE3 and apoE4 transgenic mice were fed a diet low (VE) or high (+VE) in vitamin E (3 and 235 mg alpha-toe/kg diet, respectively) for 12 weeks. Cholesterol levels and membrane fluidity were not different in synaptosomal plasma membranes isolated from brains of apoE3 and apoE4 mice (-VE and +VE). Non-amyloidogenic alpha-secretase mRNA concentration and activity were significantly higher in brains of apoE3 relative to apoE4 mice irrespective of the dietary a-toe supply, while amyloidogenic beta-secretase and gamma-secretase remained unchanged. Relative mRNA concentration of cell cycle related proteins were modulated differentially by dietary a-toc supplementation in apoE3 and apoE4 mice, suggesting genotype-dependent signalling effects on cell cycle regulation.