BubR1 is required for a sustained mitotic spindle checkpoint arrest in human cancer cells treated with tubulin-targeting pyrrolo-1,5-benzoxazepines

Intrinsic or acquired resistance to chemotherapy is a major clinical problem that has evoked the need to develop innovative approaches to predict and ultimately reverse drug resistance. A prolonged G(2)M arrest has been associated with apoptotic resistance to various microtubule-targeting agents (MTAs). In this study, we describe the functional significance of the mitotic spindle checkpoint proteins, BubR1 and Bub3, in maintaining a mitotic arrest after microtubule disruption by nocodazole and a novel series of MTAs, the pyrrolo-1,5-benzoxazepines (PBOXs), in human cancer cells. Cells expressing high levels of BubR1 and Bub3 (K562, MDA-MB-231, and HeLa) display a prolonged G(2)M arrest after exposure to MTAs. On the other hand, cells with low endogenous levels of mitotic spindle checkpoint proteins (SK-BR-3 and HL-60) transiently arrest in mitosis and undergo increased apoptosis. The phosphorylation of BubR1 correlated with PBOX-induced G(2)M arrest in four cell lines tested, indicating an active mitotic spindle checkpoint. Gene silencing of BubR1 by small interfering RNA interference reduced PBOX-induced G(2)M arrest without enhancing apoptotic efficacy. Further analysis demonstrated that PBOX-treated BubR1-depleted cells were both mononucleated and multinucleated with a polyploid DNA content, suggesting a requirement for BubR1 in cytokinesis. Taken together, these results suggest that BubR1 contributes to the mitotic checkpoint induced by the PBOXs.

Interleukin-8 is associated with proliferation, migration, angiogenesis and chemosensitivity in vitro and in vivo in colon cancer cell line models

Interleukin-8 (IL-8), a chemokine with a defining CXC amino acid motif, is known to possess tumorigenic and proangiogenic properties. Overexpression of IL-8 has been detected in many human tumors, including colorectal cancer (CRC), and is associated with poor prognosis. The goal of our study was to determine the role of IL-8 overexpression in CRC cells in vitro and in vivo. We stably transfected the IL-8 cDNA into two human colon cancer cell lines, HCT116 and Caco2, and selected IL-8-secreting transfectants. Real-time RT-PCR confirmed that IL-8 mRNA was overexpressed in IL-8 transfectants with 45- to 85-fold higher than parental cells. The IL-8-transfected clones secreted 19- to 28-fold more IL-8 protein than control and parental cells as detected by ELISA. The IL-8 transfectants demonstrated increased cellular proliferation, cell migration and invasion based on functional assays. Growth inhibition studies showed that IL-8 overexpression lead to a significant resistance to oxaliplatin (p < 0.0001). Inhibition of IL-8 overexpression with small interfering RNA reversed the observed increases in tumorigenic functions and oxaliplatin resistance, suggesting that IL-8 not only provides a proliferative advantage but also promotes the metastatic potential of colon cancer cells. Using a tumor xenograft model, IL-8-expressing cells formed significantly larger tumors than the control cells with increased microvessel density. Together, these findings indicate that overexpression of IL-8 promotes tumor growth, metastasis, chemoresistance and angiogenesis, implying IL-8 to be an important therapeutic target in CRC.

Cavin 1 and cavin 2 roles on adipocyte cell function

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Genética Molecular e Biomedicina

Polymeric micelles as versatile carriers for drugs and nucleic acids

Le cancer est la principale cause de mortalité au Canada. Les taxanes (e.g. le paclitaxel et le docétaxel (DCTX)) constituent des remèdes efficaces contre une série de tumeurs solides telles que les cancers du sein, du poumon et de l’ovaire. Par ailleurs, des acides nucléiques (e.g. les oligonucléotides antisens (AON) ou les petits ARN interférents (siRNAs)), capables de supprimer sélectivement certains oncogènes impliqués dans la carcinogénèse, sont actuellement étudiés pour traiter une large gamme de cancers. Bien que l’activité des taxanes et des acides nucléiques soit bien établie sur des modèles humains et/ou animaux, plusieurs aspects physico-chimiques et cliniques restent encore à améliorer. Leur solubilité limitée (pour les taxanes), leur dégradation rapide dans le sang (pour les acides nucléiques), leur élimination précoce, leur absence de sélectivité et leur toxicité envers les tissus sains sont les principaux facteurs limitant leur efficacité. C’est pourquoi de nombreux efforts ont porté sur l’élaboration de systèmes de vectorisation ciblés à base de polymères, dans le but de surmonter les problèmes associés aux thérapies actuelles. Dans cette thèse, deux types de micelles polymères ont été développés pour la vectorisation de DCTX et d’acides nucléiques. D’une part, des micelles de poly(oxyde d’éthylène)-bloc-poly(oxyde de butylène/styrène) ont été étudiées pour la première fois pour solubiliser le DCTX et le protéger de l’hydrolyse. Ces polymères se sont révélés moins toxiques que le surfactant utilisé commercialement pour solubiliser le DCTX (i.e. polysorbate 80) et ont permis une libération prolongée du principe actif. D’autre part, deux systèmes différents de micelles polyioniques (PICM) ont été mis au point pour la vectorisation d’acides nucléiques. De nouveaux conjugués de poly(éthylène glycol) (PEG)-oligonucléotide ont été proposés pour la protection et la libération contrôlée d’AON. Lorsque ces conjugués ont été formulés avec des dendrimères de poly(amidoamine) (PAMAM), des complexes de taille homogène ont été obtenus. Ces PICM ont permis de prolonger la libération de l’AON et de le protéger efficacement contre la dégradation enzymatique. De plus, des polymères de poly(oxyde d’éthylène)-bloc-poly(méthacrylate de propyle-co-acide méthacrylique) ont été incorporés afin de conférer des propriétés acido-sensibles aux PICM. Dans ces micelles, formées de ce dernier polymère formulé avec le dendrimère PAMAM, des oligonucléotides (AON et siRNA) ciblant l’oncogène Bcl-2 ont été encapsulés. L’internalisation cellulaire fut assurée par un fragment d’anticorps monoclonal (Fab’) situé à l’extrémité de la couronne de PEG. Après l’internalisation cellulaire et la protonation des unités d’acide méthacrylique sous l’effet de l’acidification des endosomes, les micelles se sont affranchies de leur couronne. Elles ont ainsi exposé leur cœur composé d’acide nucléique et de dendrimère PAMAM, qui possède une charge positive et des propriétés endosomolytiques. En effet, ces PICM acido-sensibles ciblées ont permis d’augmenter la biodisponibilité des acides nucléiques vectorisés et se sont avérées plus efficaces pour silencer l’oncoprotéine Bcl-2 que les micelles non ciblées ou que le dendrimère de PAMAM commercial seul. Finalement, les nanovecteurs polymères présentés dans cette thèse se révèlent être des systèmes prometteurs pour la vectorisation des anticancéreux et des acides nucléiques.

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.

GREBP, un nouveau facteur de transcription contrôlant l’expression de la guanylate cyclase A, récepteur de l’ANP, via l’élément de réponse au cGMP

La découverte du système des peptides natriurétiques (NP), au début des années 80, fut une découverte majeure qui révéla le rôle endocrinien du cœur. Les connaissances sur la relaxation vasculaire, la diurèse et la natriurèse provoquées par ce système ont évolué vers un niveau de complexité insoupçonné à cette époque. Nous savons à présent que les NP sont impliqués dans plusieurs autres mécanismes dont la prolifération cellulaire, l’apoptose, l’inhibition du système rénine-angiotensine-aldostérone (RAAS) et le métabolisme des adipocytes. Le métabolisme des lipides est maintenant devenu une cible de choix dans la lutte contre l’obésité. Cette condition aux proportions pandémiques est un facteur de risque majeur dans l’apparition de l’hypertension et du syndrome métabolique (MetS). La compréhension des mécanismes et des défauts de la voie des NP pourrait avoir un impact positif sur le contrôle du MetS et de l’hypertension. L’expression du récepteur des peptides natriuretiques de type 1 (NPR1/GCA) est contrôlée par plusieurs agents incluant son propre ligand, le peptide natriurétique de l’oreillette (ANP). La découverte d’une boucle de retro-inhibition, dans les années 90, a été un événement majeur dans le domaine des NP. En effet, suite à une stimulation à l’ANP, le NPR1/GCA peut inhiber l’activité transcriptionnelle de son propre gène par un mécanisme dépendant du cGMP. Notre groupe a identifié un élément cis-régulateur responsable de cette sensibilité au cGMP et mon projet consistait à identifier la ou les protéine(s) liant cet élément de réponse au cGMP (cGMP-RE). Nous avons identifié un clone liant le cGMP-RE en utilisant la technique du simple hybride chez la levure et une banque d’ADN complémentaire (ADNc) de rein humain. Ce clone provient d’un ADNc de 1083-bp dont le gène est localisé sur le chromosome 1 humain (1p33.36) et codant pour une protéine dont la fonction était inconnue jusqu’ici. Nous avons nommé cette nouvelle protéine GREBP en raison de sa fonction de cGMP Response Element Binding Protein. Des essais de liaison à l’ADN ont montré que cette protéine possède une affinité 18 fois plus élevée pour le cGMP-RE que le contrôle, tandis que des expériences de retard sur gel (EMSA) ont confirmé la spécificité des interactions protéine-ADN. De plus, l’immuno-précipitation de la chromatine (ChIP) a prouvé que GREBP lie le cGMP-RE dans des conditions physiologiques. La liaison de GREBP au cGMP-RE inhibe l’expression du gène rapporteur luciférase sous contrôle du promoteur de npr1/gca. L’inhibition de GREBP à l’aide d’ARN interférant active le promoteur de npr1/gca. Dans les cellules NCI-H295R, l’ANP stimule l’expression de grebp de 60% après seulement 3 heures et inhibe l’expression de npr1/gca de 30%. GREBP est une protéine nucléaire surtout exprimée dans le cœur et ayant le facteur eIF3F comme partenaire. Les variations nucléotidiques du gène sont plus fréquentes chez les patients hypertendus que chez des patients normotendus ou hypertendus souffrant de MetS. Nous rapportons ici l’existence d’un gène spécifique à l’humain qui agit comme répresseur transcriptionnel de npr1/gca et potentiellement impliqué dans le développement de l’hypertension.

Hypertension et régulation de l'expression moléculaire de l'angiotensinogène par la ribonucléoprotéine hétérogène nucléaire K

Le diabète est une maladie chronique dont la principale caractéristique est un niveau plasmatique élevé de glucose, qui est causé soit par un défaut dans la production d’insuline, l’action de l’insuline, ou les deux à la fois. Plusieurs études ont démontré que l’hyperglycémie chronique peut mener à la dysfonction et même la défaillance de plusieurs organes, dont le coeur, le système vasculaire, les yeux et les reins, se traduisant par des infarctus du myocarde, des accidents cérébro-vasculaires et des complications rétinales et rénales, respectivement. La néphropathie diabétique (DN) est la principale cause de déficience rénale et affecte près de 25-40% des patients diabétiques. La DN est invariablement associée à un risque élevé d’accident cérébrovasculaire et de dysfonction cardivasculaire. L’angiotensinogène (Agt) est l’unique précurseur de tous les types d’angiotensines. En plus du système rénine-angiotensine (RAS) sytémique, le rein possède son propre système intrarénal et exprime tous les composants du RAS. L’Agt est fortement exprimé dans les cellules du tubule proximal rénal (RPTC) et y est converti en angiotensine II (AngII), le peptide biologiquement actif du RAS. Les patients diabétiques présentent de hauts niveaux d’AngII et une augmentation de l’expression des gènes du RAS, suggérant que l’activation du RAS intrarénal joue un rôle important dans la progression de la DN. Les mécanismes qui contrôlent la régulation du niveau rénal d’Agt par l’hyperglycémie et l’insuline demeurent mal compris. Le but global de cette thèse est de mieux comprendre les mécanismes moléculaires qui contrôlent l’expression du gène Agt chez la souris Akita (un modèle murin de diabète de type 1). Dans cette optique, la première partie de la thèse se concentre sur deux facteurs de transcription de la famille des ribonucléoprotéines nucléaires hétérogènes (hnRNP). Chan et collaborateurs ont déjà identifié 2 protéines nucléaires hnRNP F et hnRNP K, de 48kD et 70kD respectivement. HnRNP F et hnRNP K forment un hétérodimère et se lient à l’élément de réponse à l’insuline (IRE) présent dans le promoteur du gène Agt du rat et inhibent la transcription du gène Agt in vitro. Afin de déterminer si hnRNP F / K sont responsables de l’inhibition de l’expression rénale de Agt par l’insuline in vivo, nous avons étudié des souris Akita males traités ou non avec des implants d’insuline pour une période de 4 semaines. Des souris non-Akita males ont été employées comme contrôles. Les souris Akita développent de l’hypertension et de l’hypertrophie rénale. Le traitement à l’insuline rétablit les niveaux de glucose plasmatiques et la pression systolique (SBP), et atténue l’hypertrophie rénale, l’albuminurie (ratio albumine/créatinine urinaire, ACR) et les niveaux urinaires d’Agt et AngII chez les souris Akita. De plus, le traitement à l’insuline inhibe l’expression rénale du gène Agt, tout en augmentant l’expression des gènes hnRNP F, hnRNP K et ACE2 (enzyme de conversion de l’angiotensine-2). Dans des RPTC in vitro, l’insuline inhibe Agt, mais stimule l’expression de hnRNP F et hnRNP K en présence de hautes concentrations de glucose, et ce via la voie de signalisation MAPK p44/42 (protéine kinase activée par un mitogène). La transfection avec des petits ARN interférents (siRNA) contre hnRNP F et hnRNP K prévient l’inhibition de l’expression d’Agt par l’insuline dans les RPTC. Cette étude démontre bien que l’insuline prévient l’hypertension et atténue les dommages rénaux observés chez les souris Akita diabétiques, en partie grâce à la suppression de la transcription rénale de Agt, via une augmentation de l’expression de hnRNP F et hnRNP K. La seconde partie de cette thèse change de focus et se tourne vers le facteur Nrf2 (nuclear factor erythroid 2-related factor 2). Nrf2 est un facteur de transcription qui contrôle les gènes de la réponse antioxydante cellulaire en réponse au stress oxydant ou aux électrophiles. Le but de cette étude est d’examiner l’impact de la surexpression de la catalase (Cat) dans les RPTC sur l’expression du gène Agt via Nrf2 et sur le développement de l’hypertension et des dommages rénaux résultants chez les souris diabétiques Akita transgéniques (Tg). Nos études ont démontré que la surexpression de Cat dans les souris Akita Cat-Tg normalise la SBP, atténue les dommages rénaux et inhibe l’expression des gènes Nrf2 et Agt dans les RPTC. In vitro, le glucose élevé (HG) et l’oltipraz (un activateur de Nrf2) stimulent l’expression de Nrf2 et Agt, et cet effet peut être bloqué par la trigonelline (inhibiteur de Nrf2), des siRNA contre Nrf2, des antioxydants ou des inhibiteurs pharmacologiques NF-κB et MAPK p38. La suppression de sites de réponse à Nrf2 présents dans le promoteur du gène Agt du rat abolit la stimulation par l’oltipraz. Finalement, des souris males adultes non-transgéniques traitées avec l’oltipraz montrent une augmentation de l’expression de Nrf2 et Agt dans leurs RPTC et cette augmentation peut être normalisée par la trigonelline. Ces données permettent d’identifier un nouveau mécanisme d’action de Nrf2, par la stimulation du gène Agt intrarénal et l’activation du RAS, qui induisent l’hypertension et les dommages rénaux par le glucose élevé et les espèces réactives de l’oxygène chez les souris diabétiques. Nos conclusions permettent de démontrer que l’insuline induit l’expression de hnRNP F et hnRNP K, qui jouent ensuite un rôle protecteur en prévenant l’hypertension. La surexpression de la catalase dans les RPTC vient quant à elle atténuer l’activation de Nrf2 et ainsi réduit la SBP chez les souris Akita.

Rôle du TLR2 dans l’hépatite fulminante induite par le virus de l’hépatite murine

Ce travail examine les mécanismes de l’immunité innée impliqués dans l’hépatite aiguë virale du modèle murin d’infection par le virus de l’hépatite virale murine de type 3 (MHV-3). Afin de déterminer le rôle du TLR2 dans l’aggravation de l’hépatite, des infections avec le virus MHV-3 ont été réalisées in vivo chez des souris C57BL/6 et des souris déficientes pour le gène tlr2 et in vitro dans des macrophages et des hépatocytes infectés avec le virus MHV-3 et le virus moins virulent MHV-A59. Les niveaux de transcription et de traduction des senseurs microbiens, des interférons (IFN) de type I, des cytokines et/ou des chimiokines ont été évalués par qRT-PCR et ELISA. Les cellules ont été traitées avec des petits ARNs interférants (siRNAs) pour le TLR2 et le CEACAM1a ou mises en présence d’inhibiteurs des voies d’endocytose. Les résultats révèlent le rôle stimulateur du TLR2 pour la réplication virale, la production de cytokines pro-inflammatoires IL-6 et TNF-α et des chimiokines CXCL1, CXCL10 et CCL2. Un nouveau mécanisme d’échappement aux senseurs viraux dépendant du TLR2 a également été mis en évidence dans les macrophages et les hépatocytes lors de l’infection de ces cellules avec le virus MHV-3, et non pas avec le virus moins virulent MHV-A59. Ces différents travaux révèlent un nouveau rôle du TLR2 lors d’infections virales dans l'aggravation de la réponse inflammatoire tout en protégeant le virus des autres senseurs de la réponse immune innée.

La protéine accessoire Vpu du VIH-1 inhibe l'activité antivirale des pDCs à travers un processus ILT7-dépendant

Viral protein U (Vpu) is an accessory protein of HIV‐1 that efficiently targets BST2/Tetherin, a cellular restriction factor that acts as molecular anchor impeding the release of various enveloped viruses from the cell surface. The recently discovered natural receptor of BST2 is ILT7, a molecule exclusively expressed at the surface of the professional type 1 interferon (IFN‐1) producing cells, plasmacytoid dendritic cells (pDCs). The interaction between BST2 and ILT7 has been reported to efficiently induce a repression of IFN­‐1 secretion by pDCs. Here, we investigated the impact of Vpu mediated antagonism of BST2, in regards to this newly described immune function of BST2. Using a system of CD4+ T cell lines infected with wild type or Vpu‐deficient HIV-­1 cultured with peripheral blood mononuclear cells or purified pDCs, we report that the presence of Vpu efficiently reduces IFN-­1 production from sensing pDCs. Furthermore, we observed that this Vpu effect is dependent on the availability of BST2 molecules at the surface of the infected cells, since the Vpu's immunoregulation is abrogated when blocking any potential BST2 trans interaction with anti­‐BST2 antibodies. Similarly, depleting ILT7 from pDCs by means of small interfering RNA treatment equally negates the downregulation of pDC IFN-­1 secretion by Vpu. Finally, the use of recombinant soluble ILT7 competes with pDC‐bound ILT7 for the free BST2 and similarly results in high IFN-­1 production, causing an identical phenotype. Overall, our results demonstrate that Vpu heightens ILT7 activation and subsequent repression of IFN‐1 production by pDCs in response to HIV­‐1 infected CD4+ T cells by promoting it's trans interaction with infected T cell bound BST2, through a yet uncharacterized mechanism. By allowing efficient particle release and restraining pDCs antiviral functions, Vpu exerts a double role on BST2 that seems crucial for the replication and dissemination of HIV‐1.

Protein phosphatase 2A mediates resensitization of the neurokinin 1 receptor

Activated G protein-coupled receptors (GPCRs) are phosphorylated and interact with beta-arrestins, which mediate desensitization and endocytosis. Endothelin-converting enzyme-1 (ECE-1) degrades neuropeptides in endosomes and can promote recycling. Although endocytosis, dephosphorylation, and recycling are accepted mechanisms of receptor resensitization, a large proportion of desensitized receptors can remain at the cell surface. We investigated whether reactivation of noninternalized, desensitized (phosphorylated) receptors mediates resensitization of the substance P (SP) neurokinin 1 receptor (NK(1)R). Herein, we report a novel mechanism of resensitization by which protein phosphatase 2A (PP2A) is recruited to dephosphorylate noninternalized NK(1)R. A desensitizing concentration of SP reduced cell-surface SP binding sites by only 25%, and SP-induced Ca(2+) signals were fully resensitized before cell-surface binding sites started to recover, suggesting resensitization of cell-surface-retained NK(1)R. SP induced association of beta-arrestin1 and PP2A with noninternalized NK(1)R. beta-Arrestin1 small interfering RNA knockdown prevented SP-induced association of cell-surface NK(1)R with PP2A, indicating that beta-arrestin1 mediates this interaction. ECE-1 inhibition, by trapping beta-arrestin1 in endosomes, also impeded SP-induced association of cell-surface NK(1)R with PP2A. Resensitization of NK(1)R signaling required both PP2A and ECE-1 activity. Thus, after stimulation with SP, PP2A interacts with noninternalized NK(1)R and mediates resensitization. PP2A interaction with NK(1)R requires beta-arrestin1. ECE-1 promotes this process by releasing beta-arrestin1 from NK(1)R in endosomes. These findings represent a novel mechanism of PP2A- and ECE-1-dependent resensitization of GPCRs.

Endosomal deubiquitinating enzymes control ubiquitination and down-regulation of protease-activated receptor 2

The E3 ubiquitin ligase c-Cbl ubiquitinates the G protein-coupled receptor protease-activated receptor 2 (PAR(2)), which is required for postendocytic sorting of activated receptors to lysosomes, where degradation terminates signaling. The mechanisms of PAR(2) deubiquitination and its importance in trafficking and signaling of endocytosed PAR(2) are unknown. We report that receptor deubiquitination occurs between early endosomes and lysosomes and involves the endosomal deubiquitinating proteases AMSH and UBPY. Expression of the catalytically inactive mutants, AMSH(D348A) and UBPY(C786S), caused an increase in PAR(2) ubiquitination and trapped the receptor in early endosomes, thereby preventing lysosomal trafficking and degradation. Small interfering RNA knockdown of AMSH or UBPY also impaired deubiquitination, lysosomal trafficking, and degradation of PAR(2). Trapping PAR(2) in endosomes through expression of AMSH(D348A) or UBPY(C786S) did not prolong the association of PAR(2) with beta-arrestin2 or the duration of PAR(2)-induced ERK2 activation. Thus, AMSH and UBPY are essential for trafficking and down-regulation of PAR(2) but not for regulating PAR(2) dissociation from beta-arrestin2 or PAR(2)-mediated ERK2 activation.

Hepatocyte growth factor-regulated tyrosine kinase substrate (HRS) mediates post-endocytic trafficking of protease-activated receptor 2 and calcitonin receptor-like receptor

The E3 ligase c-Cbl ubiquitinates protease-activated receptor 2 (PAR(2)), which is required for post-endocytic sorting of PAR(2) to lysosomes, where degradation arrests signaling. The mechanisms of post-endocytic sorting of ubiquitinated receptors are incompletely understood. Here, we investigated the role of hepatocyte growth factor-regulated tyrosine kinase substrate (HRS), in post-endocytic sorting and signaling of PAR(2). In HEK-PAR(2) cells, PAR(2) activating peptide (PAR(2)-AP) induced PAR(2) trafficking from the cell surface to early endosomes containing endogenous HRS, and then to lysosomes. HRS overexpression or knockdown with small interfering RNA caused formation of enlarged HRS-positive endosomes, where activated PAR(2) and c-Cbl accumulated, and PAR(2) failed to traffic to lysosomes. Overexpression of HRS prevented PAR(2)-AP-induced degradation of PAR(2), as determined by Western blotting. Overexpression of HRS mutant lacking an ubiquitin-binding motif similarly caused retention of PAR(2) in enlarged endosomes. Moreover, HRS overexpression or knockdown caused retention of ubiquitin-resistant PAR(2)Delta14K/R in enlarged HRS-containing endosomes, preventing recycling and resensitization of PAR(2)Delta14K/R. HRS overexpression or knockdown similarly prevented lysosomal trafficking and recycling of calcitonin receptor-like receptor, a non-ubiquitinated receptor that traffics to lysosomes after sustained activation and recycles after transient activation. Thus, HRS plays a critically important role in the post-endocytic sorting of single receptors, PAR(2) and CLR, to both degradative and recycling pathways. This sorting role for HRS is independent of its ubiquitin-interacting motif, and it can regulate trafficking of both ubiquitinated and non-ubiquitinated PAR(2) and non-ubiquitinated CLR. The ultimate sorting decision to degradative or recycling pathways appears to occur downstream from HRS.

Mast cell tryptase controls paracellular permeability of the intestine: role of protease-activated receptor 2 and beta-arrestins

Tight junctions between intestinal epithelial cells prevent ingress of luminal macromolecules and bacteria and protect against inflammation and infection. During stress and inflammation, mast cells mediate increased mucosal permeability by unknown mechanisms. We hypothesized that mast cell tryptase cleaves protease-activated receptor 2 (PAR2) on colonocytes to increase paracellular permeability. Colonocytes expressed PAR2 mRNA and responded to PAR2 agonists with increased [Ca2+]i. Supernatant from degranulated mast cells increased [Ca2+]i in colonocytes, which was prevented by a tryptase inhibitor, and desensitized responses to PAR2 agonist, suggesting PAR2 cleavage. When applied to the basolateral surface of colonocytes, PAR2 agonists and mast cell supernatant decreased transepithelial resistance, increased transepithelial flux of macromolecules, and induced redistribution of tight junction ZO-1 and occludin and perijunctional F-actin. When mast cells were co-cultured with colonocytes, mast cell degranulation increased paracellular permeability of colonocytes. This was prevented by a tryptase inhibitor. We determined the role of ERK1/2 and of beta-arrestins, which recruit ERK1/2 to PAR2 in endosomes and retain ERK1/2 in the cytosol, on PAR2-mediated alterations in permeability. An ERK1/2 inhibitor abolished the effects of PAR2 agonist on permeability and redistribution of F-actin. Down-regulation of beta-arrestins with small interfering RNA inhibited PAR2-induced activation of ERK1/2 and suppressed PAR2-induced changes in permeability. Thus, mast cells signal to colonocytes in a paracrine manner by release of tryptase and activation of PAR2. PAR2 couples to beta-arrestin-dependent activation of ERK1/2, which regulates reorganization of perijunctional F-actin to increase epithelial permeability. These mechanisms may explain the increased epithelial permeability of the intestine during stress and inflammation.

Synaptic vesicle glycoprotein 2A modulates vesicular release and calcium channel function at peripheral sympathetic synapses

Synaptic vesicle glycoprotein (SV)2A is a transmembrane protein found in secretory vesicles and is critical for Ca2+-dependent exocytosis in central neurons, although its mechanism of action remains uncertain. Previous studies have proposed, variously, a role of SV2 in the maintenance and formation of the readily releasable pool (RRP) or in the regulation of Ca2+ responsiveness of primed vesicles. Such previous studies have typically used genetic approaches to ablate SV2 levels; here, we used a strategy involving small interference RNA (siRNA) injection to knockdown solely presynaptic SV2A levels in rat superior cervical ganglion (SCG) neuron synapses. Moreover, we investigated the effects of SV2A knockdown on voltage-dependent Ca2+ channel (VDCC) function in SCG neurons. Thus, we extended the studies of SV2A mechanisms by investigating the effects on vesicular transmitter release and VDCC function in peripheral sympathetic neurons. We first demonstrated an siRNA-mediated SV2A knockdown. We showed that this SV2A knockdown markedly affected presynaptic function, causing an attenuated RRP size, increased paired-pulse depression and delayed RRP recovery after stimulus-dependent depletion. We further demonstrated that the SV2A–siRNA-mediated effects on vesicular release were accompanied by a reduction in VDCC current density in isolated SCG neurons. Together, our data showed that SV2A is required for correct transmitter release at sympathetic neurons. Mechanistically, we demonstrated that presynaptic SV2A: (i) acted to direct normal synaptic transmission by maintaining RRP size, (ii) had a facilitatory role in recovery from synaptic depression, and that (iii) SV2A deficits were associated with aberrant Ca2+ current density, which may contribute to the secretory phenotype in sympathetic peripheral neurons.

The Recombination Protein RAD52 Cooperates with the Excision Repair Protein OGG1 for the Repair of Oxidative Lesions in Mammalian Cells

Oxidized bases are common types of DNA modifications. Their accumulation in the genome is linked to aging and degenerative diseases. These modifications are commonly repaired by the base excision repair (BER) pathway. Oxoguanine DNA glycosylase (OGG1) initiates BER of oxidized purine bases. A small number of protein interactions have been identified for OGG1, while very few appear to have functional consequences. We report here that OGG1 interacts with the recombination protein RAD52 in vitro and in vivo. This interaction has reciprocal functional consequences as OGG1 inhibits RAD52 catalytic activities and RAD52 stimulates OGG1 incision activity, likely increasing its turnover rate. RAD52 colocalizes with OGG1 after oxidative stress to cultured cells, but not after the direct induction of double-strand breaks by ionizing radiation. Human cells depleted of RAD52 via small interfering RNA knockdown, and mouse cells lacking the protein via gene knockout showed increased sensitivity to oxidative stress. Moreover, cells depleted of RAD52 show higher accumulation of oxidized bases in their genome than cells with normal levels of RAD52. Our results indicate that RAD52 cooperates with OGG1 to repair oxidative DNA damage and enhances the cellular resistance to oxidative stress. Our observations suggest a coordinated action between these proteins that may be relevant when oxidative lesions positioned close to strand breaks impose a hindrance to RAD52 catalytic activities.