Développement de peptidomimétiques antagonistes du récepteur de l’interleukine-1β

Dans ce mémoire, je présente mes études sur la synthèse, la caractérisation et l’évaluation biologique de différentes séries d’analogues du D-heptapeptide appelé 101.10, un modulateur négatif allostérique du récepteur de l’interleukine-1β (IL-1β). Sachant que les peptides ont généralement de faibles propriétés pharmacologiques, le but de ce projet portait sur l’examen des structures nécessaires à la bioactivité, la conformation tridimensionnelle de ces derniers afin d’améliorer la droguabilité du peptide parent. Les stratégies d’optimisation du 101.10 utilisées furent : la coupure N- et C-terminale; la substitution par la proline, α-amino-γ-lactame (Agl), β-amino-γ-lactame (Bgl) et α-amino-β-hydroxy-γ-lactame (Hgl); et la rigidification du squelette à l’aide d’un bicycle, l’indolozidin-2-one (I2aa). Afin de clarifier certaines relations de structure-activité, quelques modifications furent apportées au peptide, incluant l’échange de la thréonine pour la valine, la permutation de la stéréochimie de certains résidus clés ainsi que le remplacement de certaines chaînes latérales par un méthyle. Pour pallier aux difficultés de reproductibilité des résultats avec des échantillons provenant de différentes sources, des études sur l’identité du contre-anion et la pureté du peptide furent conduites. Afin d’évaluer l’effet des modifications sur la conformation aqueuse et l’activité biologique du peptide, des analyses de dichroïsme circulaire et des tests in vitro mesurant l’inhibition de certains effets de l’IL-1β furent effectués. Ces essais cellulaires comportaient l’inhibition de la prolifération de cellules immunes et de l’activation des voies de signalisation inflammatoires du facteur nucléaire κB (NF-κB) et de la protéine kinase activée par mitogène (MAPK), toutes deux stimulées par l’IL-1β. La compilation de ces données a permis de déceler certaines tendances entre la structure, la conformation et l’activité anti-IL-1β des peptidomimétiques.

Role of receptor and non-receptor protein tyrosine kinases in vasoactive peptide-induced signaling

L'endothéline-1 (ET-1) et l'angiotensine II (Ang II) jouent un rôle important dans le maintien de la pression artérielle et l'homéostasie vasculaire. Une activité accrue de ces peptides vasoactifs est présumée contribuer au développement de pathologies vasculaires, telles que l'hypertension, l'athérosclérose, l'hypertrophie et la resténose. Ceci est causé par une activation excessive de plusieurs voies de signalisation hypertrophiques et prolifératives, qui incluent des membres de la famille des Mitogen Activated Protein Kinases (MAPK), ainsi que la famille phosphatidylinositol 3-kinase (PI3-K) / protéine kinase B (PKB). Bien que l'activation de ces voies de signalisation soit bien élucidée, les éléments en amont responsables de l'activation des MAPK et de la PKB, induite par l'ET-1 et Ang II, demeurent mal compris. Durant les dernières années, le concept de la transactivation de récepteurs et/ou non-récepteurs protéines tyrosine kinases (PTK) dans le déclenchement des événements de signalisation induits par les peptides vasoactifs a gagné beaucoup de reconnaissance. Nous avons récemment démontré que la PTK Insulin-like Growth Factor type-1 Receptor (IGF-1R) joue un rôle dans la transduction des signaux induits par l‟H2O2, menant à la phosphorylation de la PKB. Étant donné que les peptides vasoactifs génèrent des espèces réactives d'oxygène, telles que l‟H2O2 lors de leur signalisation, nous avons examiné le rôle de d‟IGF-1R dans la phosphorylation de la PKB et les réponses hypertrophiques dans les cellules muscle lisse vasculaires (CMLV) induites par l'ET-1 et Ang II. AG-1024, un inhibiteur spécifique de l'IGF-1R, a atténué la phosphorylation de la PKB induite à la fois par l'ET-1 et Ang II. Le traitement des CMLVs avec l‟ET-1 et Ang II a également induit une phosphorylation des résidus tyrosine dans les sites d'autophosphorylation d'IGF-1R, celle-ci a été bloquée par l‟AG-1024. En outre, l‟ET-1 et l‟Ang II on tous les deux provoqué la phosphorylation de c-Src, une PTK non-récepteur, bloqué par PP-2, inhibiteur spécifique de la famille Src. La PP-2 a également inhibé la phosphorylation de PKB et d‟IGF-1R induite par l‟ET-1 et l‟Ang II. De plus, la synthèse de protéines ainsi que d‟ADN, marqueurs de la prolifération cellulaire et de l'hypertrophie, ont également été atténuée par l‟AG-1024 et le PP-2. Bien que ce travail démontre le rôle de c-Src dans la phosphorylation PKB induite par l'ET-1 et Ang II, son rôle dans l'activation des MAPK induit par l'ET-1 dans les CMLVs reste controversé. Par conséquent, nous avons examiné l'implication de c-Src dans l'activation de ERK 1/2, JNK et p38MAPK, par l'ET-1 et Ang II, ainsi que leur capacité à régulariser l'expression du facteur de transcription Early growth transcription factor-1 « Egr-1 ». ET-1 et Ang II ont induit la phosphorylation de ERK 1/2, JNK et p38 MAPK, et ont amplifié l'expression d'Egr-1 dans les CMLVs. Cette augmentation de la phosphorylation des MAPK a été diminuée par la PP-2, qui a aussi atténué l'expression d'Egr-1 induite par l'ET-1 et l'Ang II. Une preuve supplémentaire du rôle de c-Src dans ce processus a été obtenue en utilisant des fibroblastes embryonnaires de souris déficientes en c-Src (Src -/- MEF). L'expression d'Egr-1, ainsi que l'activation des trois MAPKs par l'ET-1 ont été atténuées dans les cellules Src -/- par rapport au MEF exprimant des taux normaux Src. En résumé, ces données suggèrent que l'IGF-1R et c-Src PTK jouent un rôle essentiel dans la régulation de la phosphorylation de PKB et des MAPK dans l‟expression d'Egr-1, ainsi que dans les réponses hypertrophiques et prolifératives induites par l'ET-1 et Ang II dans les CMLVs.

Rôle de la voie PGD2/L-PGDS dans la physiopathologie de l’arthrose

L’arthrose (OA) est la maladie articulaire la plus répandue dans le monde faisant l’objet de nombreux travaux de recherche en raison de son lourd impact socioéconomique. Plusieurs travaux dans ce domaine ont pour objectif de déterminer les mécanismes moléculaires impliqués dans sa physiopathologie. Plusieurs travaux ont appuyés l’implication de la prostaglandine (E2) PGE2 dans sa physiopathologie, contrairement à la prostaglandine (D2) (PGD2) dont le rôle reste à déterminer. C’est pourquoi, nous nous sommes penchés dans cette thèse à l’étude de cette dernière molécule. Dans la première partie de nos travaux, nous avons montré que la PGD2 diminue au niveau du cartilage articulaire et au niveau niveau des explants de cartilage humains, la production des métalloprotéases-1(MMP-1) et MMP-13 induites par (Interleukine-1β) l’IL-1β. Cette diminution de la production protéique est accompagnée d’une diminution de l’expression au niveau de l’ARNm, et d’une diminution de l’activité du promoteur de MMP-1 et MMP-13. Cet effet est exercé via le récepteur D prostanoïde (DP1), bien que le Chemoattractant receptor expressed on Th2 cells (CRTH2) soit également exprimé chez les chondrocytes humains, mais ne semble pas être impliqué dans l’effet observé. Cette action inhibitrice se fait via la voie DP1/AMPc/protéine kinase A (AMPc/PKA). Dans la suite de nos travaux, nous avons montré pour la première fois l’expression des prostaglandines D-synthases responsables de la biosynthèse de la PGD2 au niveau des chondrocytes humains par immunohistochimie, avec des niveaux d’expression de l’ARNm plus élevés de la L-PGDS au niveau du cartilage OA comparativement au cartilage normal. L’IL-1β pourrait être responsable de cette augmentation via l’activation de la voie JNK et p38 MAPK, ainsi que par la voie NF-κB. L’ensemble de ces données indiquent que la modulation des niveaux de la PGD2 au niveau de l’articulation pourrait être pourvue d’un important potentiel thérapeutique. La L-PGDS pour sa part semble avoir un rôle important dans la physiopathologie de l’OA.

Rôle et régulation de la protéine kinase AMPK au niveau intestinal

réalisé en cotutelle avec l'Université Claude Bernard Lyon 1

CD40 signalling in platelet function

Le CD40 est un membre de la famille des récepteurs du facteur de nécrose tumorale ("Tumour necrosis factor", TNF), initialement identifié sur des cellules de carcinome de la vessie. L'interaction du CD40 avec son ligand (CD40L) est d'une importance cruciale pour le développement des cellules B et de la commutation d'isotype au cours de la réponse immunitaire acquise. L'expression du complexe CD40/CD40L était initialement cru d'être limiter aux cellules du système immunitaire, mais aujourd'hui il est bien connu que ce complexe est également exprimé sur les cellules du système circulatoire et vasculaire, et est impliqué dans diverses réactions inflammatoires; de sorte que le CD40L est maintenant considéré comme une molécule thrombo-inflammatoire prédictive des événements cardiovasculaires. Les plaquettes expriment constitutivement le CD40, alors que le CD40L n'est exprimé que suite à leur l'activation. Il est ensuite clivé en sa forme soluble (sCD40L) qui représente la majorité du sCD40L en circulation. Il fut démontré que le sCD40L influence l'activation plaquettaire mais son effet exact sur la fonction plaquettaire, ainsi que les mécanismes cellulaires et moléculaires sous-jacents à son action demeurent inconnus. Ainsi, ce projet a été entrepris dans le but d’adresser les objectifs spécifiques suivants: 1) évaluer les effets in vitro du sCD40L sur l'activation et l'agrégation plaquettaire; 2) identifier les récepteurs plaquettaires impliqués dans l’action du sCD40L; 3) élucider les voies signalétiques intracellulaires induits par le sCD40L; 4) évaluer les effets du sCD40L sur la formation de thrombus in vivo. Nous avons trouvé que le sCD40L augmente fortement l'activation et l'agrégation des plaquettes en réponse à de faibles concentrations d'agonistes. Les plaquettes humaines traitées avec une forme mutante du sCD40L qui n'interagit pas avec le CD40, et les plaquettes de souris déficientes en CD40 ne furent pas en mesure d'induire de telles réponses, indiquant que le récepteur principal du sCD40L au niveau des plaquettes est le CD40. En plus, nous avons identifié la présence de plusieurs membres de la famille du facteur associé du récepteur du TNF ("TNF receptor-associated factor", TRAF) dans les plaquettes et nous avons montré que seulement le TRAF2 s'associe avec le CD40 suite à la stimulation par le sCD40L. Nos résultats indiquent aussi que le sCD40L agisse sur les plaquettes au repos par l'entremise de deux voies signalétiques distinctes. La première voie implique l'activation de la petite GTPase Rac1 et de sa cible en aval, soit la protéine kinase p38 activée par le mitogène ("p38 mitogen-activated protein kinase", p38 MAPK ), menant au changement de forme plaquettaire et à la polymérisation de l'actine; alors que la deuxième voie implique l'activation de la cascade signalétique du NF-kB. Par ailleurs, à la suite d'une lésion artérielle induite par le chlorure de fer, le sCD40L exacerbe la formation de thrombus et l'infiltration leucocytaire au sein du thrombus dans les souris du type sauvage, mais pas chez les souris déficientes en CD40. En conclusion, ce projet a permis d'identifier pour la première fois deux voies signalétiques distinctes en aval du CD40 plaquettaire et a permis d'établir leur implication dans l'activation et l'agrégation plaquettaire en réponse au sCD40L. De manière plus importante, ce projet nous a permis d'établir un lien direct entre les niveaux élevés du sCD40L circulant et la formation de thrombus in vivo, tout en soulignant l'importance du CD40 dans ce processus. Par conséquent, l'axe CD40/CD40L joue un rôle important dans l'activation des plaquettes, les prédisposant à une thrombose accrue en réponse à une lésion vasculaire. Ces résultats peuvent expliquer en partie la corrélation entre les taux circulants élevés du sCD40L et l'incidence des maladies cardiovasculaires.

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.

Feedback regulation of Gab2-dependent signaling by the Ras/MAPK pathway

La voie de signalisation des Récepteurs Tyrosine Kinase (RTK) occupe un rôle central dans la régulation de la croissance cellulaire, la prolifération, la différentiation et la motilité. Une régulation anormale des RTKs mène à plusieurs maladies humaines telles que le cancer du sein, la seconde cause de mortalité chez les femmes à cause de l’amplification et la mutation fréquente de la protéine tyrosine kinase HER2 (ERBB2). Grb2-associated binder (Gab) 2 est une protéine adaptatrice qui agit en aval de plusieurs RTKs, y compris HER2, pour réguler de multiples voies de signalisation. En réponse à la stimulation par de nombreux facteurs de croissances et cytokines, Gab2 est recruté à la membrane plasmique où il potentialise l’activation des voies de signalisation Ras/mitogen-activated protein kinase (MAPK) et PI3K (phosphatidylinositol-3-kinase)/Akt (protein kinase B). En plus d’occuper un rôle essentiel durant le développement du système hématopoïétique, Gab2 est souvent amplifié dans les cancers, notamment le cancer du sein et les mélanomes. Cependant, les mécanismes moléculaires qui régulent le fonctionnement de Gab2 sont peu connus. Il est établi que lors de l’activation des RTKs, Gab2 est phosphorylé au niveau de plusieurs résidus Tyrosine, menant à l’association de différentes protéines comme p85 et Shp2. En plus de la phosphorylation en Tyrosine, notre laboratoire ainsi que d’autres groupes de recherche avons identifié que Gab2 est aussi phosphorylé au niveau de résidus Ser/Thr suite à l’activation de la voie de signalisation MAPK. Cependant, la régulation des fonctions de Gab2 par ces modifications post-traductionnelles est encore peu connue. Dans le but de comprendre comment Gab2 est régulé par la voie de signalisation MAPK, nous avons utilisé différentes approches. Dans la première partie de ma thèse, nous avons déterminé un nouveau mécanisme démontrant que la voie de signalisation Ras/MAPK, par le biais des protéines kinases RSK (p90 ribosomal S6 kinase), phosphoryle Gab2. Ce phénomène se produit à la fois in vivo et in vitro au niveau de trois résidus Ser/Thr conservés. Des mutations au niveau de ces sites de phosphorylation entrainent le recrutement de Shp2 menant à l’augmentation de la motilité cellulaire, ce qui suggère que les protéines RSK restreignent les fonctions dépendantes de Gab2. Ce phénomène est le résultat de la participation de RSK dans la boucle de rétroaction négative de la voie de signalisation MAPK. Dans la seconde partie de ma thèse, nous avons démontré que les protéines ERK1/2 phosphorylent Gab2 au niveau de plusieurs résidus pS/T-P à la fois in vitro et in vivo, entrainant l’inhibition du recrutement de p85. De plus, nous avons établi pour la première fois que Gab2 interagit physiquement avec ERK1/2 dans des cellules lors de l’activation de la voie de signalisation MAPK. Par ailleurs, nous avons montré un nouveau domaine d’attache du module ERK1/2 sur Gab2. Des mutations sur les résidus essentiels de ce domaine d’attache n’entrainent pas seulement la dissociation de ERK1/2 avec Gab2, mais diminuent également la phosphorylation dépendante de ERK1/2 sur Gab2. Ainsi, nos données montrent que la voie de signalisation MAPK régule les fonctions de la protéine Gab2 par le biais des kinases RSK et ERK1/2. Cette thèse élabore par ailleurs un schéma complet des fonctions de Gab2 dépendantes de la voie de signalisation MAPK dans le développement de nombreux cancers.

Modulation of pro-survival Akt/protein kinase B and ERK1/2 signaling cascades by quercetin and its in vivo metabolites underlie their action on neuronal viability

Much recent interest has focused on the potential of flavonoids to interact with intracellular signaling pathways such as with the mitogen-activated protein kinase cascade. We have investigated whether the observed strong neurotoxic potential of quercetin in primary cortical neurons may occur via specific and sensitive interactions within neuronal mitogen-activated protein kinase and Akt/protein kinase B (PKB) signaling cascades, both implicated in neuronal apoptosis. Quercetin induced potent inhibition of both Akt/PKB and ERK phosphorylation, resulting in reduced phosphorylation of BAD and a strong activation of caspase-3. High quercetin concentrations (30 microM) led to sustained loss of Akt phosphorylation and subsequent Akt cleavage by caspase-3, whereas at lower concentrations (<10 microM) the inhibition of Akt phosphorylation was transient and eventually returned to basal levels. Lower levels of quercetin also induced strong activation of the pro-survival transcription factor cAMP-responsive element-binding protein, although this did not prevent neuronal damage. O-Methylated quercetin metabolites inhibited Akt/PKB to lesser extent and did not induce such strong activation of caspase-3, which was reflected in the lower amount of damage they inflicted on neurons. In contrast, neither quercetin nor its O-methylated metabolites had any measurable effect on c-Jun N-terminal kinase phosphorylation. The glucuronide of quercetin was not toxic and did not evoke any alterations in neuronal signaling, probably reflecting its inability to enter neurons. Together these data suggest that quercetin and to a lesser extent its O-methylated metabolites may induce neuronal death via a mechanism involving an inhibition of neuronal survival signaling through the inhibition of both Akt/PKB and ERK rather than by an activation of the c-Jun N-terminal kinase-mediated death pathway.

Enhanced hepatitis C virus genome replication and lipid accumulation mediated by inhibition of AMP-activated protein kinase

Hepatitis C virus (HCV) infection is associated with dysregulation of both lipid and glucose metabolism. As well as contributing to viral replication, these perturbations influence the pathogenesis associated with the virus, including steatosis, insulin resistance, and type 2 diabetes. AMP-activated protein kinase (AMPK) plays a key role in regulation of both lipid and glucose metabolism. We show here that, in cells either infected with HCV or harboring an HCV subgenomic replicon, phosphorylation of AMPK at threonine 172 and concomitant AMPK activity are dramatically reduced. We demonstrate that this effect is mediated by activation of the serine/threonine kinase, protein kinase B, which inhibits AMPK by phosphorylating serine 485. The physiological significance of this inhibition is demonstrated by the observation that pharmacological restoration of AMPK activity not only abrogates the lipid accumulation observed in virus-infected and subgenomic replicon-harboring cells but also efficiently inhibits viral replication. These data demonstrate that inhibition of AMPK is required for HCV replication and that the restoration of AMPK activity may present a target for much needed anti-HCV therapies.

Phosphorylation of the voltage-gated potassium channel Kv2.1 by AMP-activated protein kinase regulates membrane excitability

Firing of action potentials in excitable cells accelerates ATP turnover. The voltage-gated potassium channel Kv2.1 regulates action potential frequency in central neurons, whereas the ubiquitous cellular energy sensor AMP-activated protein kinase (AMPK) is activated by ATP depletion and protects cells by switching off energy-consuming processes. We show that treatment of HEK293 cells expressing Kv2.1 with the AMPK activator A-769662 caused hyperpolarizing shifts in the current-voltage relationship for channel activation and inactivation. We identified two sites (S440 and S537) directly phosphorylated on Kv2.1 by AMPK and, using phosphospecific antibodies and quantitative mass spectrometry, show that phosphorylation of both sites increased in A-769662-treated cells. Effects of A-769662 were abolished in cells expressing Kv2.1 with S440A but not with S537A substitutions, suggesting that phosphorylation of S440 was responsible for these effects. Identical shifts in voltage gating were observed after introducing into cells, via the patch pipette, recombinant AMPK rendered active but phosphatase-resistant by thiophosphorylation. Ionomycin caused changes in Kv2.1 gating very similar to those caused by A-769662 but acted via a different mechanism involving Kv2.1 dephosphorylation. In cultured rat hippocampal neurons, A-769662 caused hyperpolarizing shifts in voltage gating similar to those in HEK293 cells, effects that were abolished by intracellular dialysis with Kv2.1 antibodies. When active thiophosphorylated AMPK was introduced into cultured neurons via the patch pipette, a progressive, time-dependent decrease in the frequency of evoked action potentials was observed. Our results suggest that activation of AMPK in neurons during conditions of metabolic stress exerts a protective role by reducing neuronal excitability and thus conserving energy.

SOcK, MiSTs, MASK and STicKs: the GCKIII (germinal centre kinase III) kinases and their heterologous protein–protein interactions

The GCKIII (germinal centre kinase III) subfamily of the mammalian Ste20 (sterile 20)-like group of serine/threonine protein kinases comprises SOK1 (Ste20-like/oxidant-stressresponse kinase 1), MST3 (mammalian Ste20-like kinase 3) and MST4. Initially, GCKIIIs were considered in the contexts of the regulation of mitogen-activated protein kinase cascades and apoptosis. More recently, their participation in multiprotein heterocomplexes has become apparent. In the present review, we discuss the structure and phosphorylation of GCKIIIs and then focus on their interactions with other proteins. GCKIIIs possess a highly-conserved, structured catalytic domain at the N-terminus and a less-well conserved C-terminal regulatory domain. GCKIIIs are activated by tonic autophosphorylation of a T-loop threonine residue and their phosphorylation is regulated primarily through protein serine/threonine phosphatases [especially PP2A (protein phosphatase 2A)]. The GCKIII regulatory domains are highly disorganized, but can interact with more structured proteins, particularly the CCM3 (cerebral cavernous malformation 3)/PDCD10 (programmed cell death 10) protein. We explore the role(s) of GCKIIIs (and CCM3/PDCD10) in STRIPAK (striatin-interacting phosphatase and kinase) complexes and their association with the cis-Golgi protein GOLGA2 (golgin A2; GM130). Recently, an interaction of GCKIIIs with MO25 has been identified. This exhibits similarities to the STRADα (STE20-related kinase adaptor α)–MO25 interaction (as in the LKB1–STRADα–MO25 heterotrimer) and, at least for MST3, the interaction may be enhanced by cis-autophosphorylation of its regulatory domain. In these various heterocomplexes, GCKIIIs associate with the Golgi apparatus, the centrosome and the nucleus, as well as with focal adhesions and cell junctions, and are probably involved in cell migration, polarity and proliferation. Finally, we consider the association of GCKIIIs with a number of human diseases, particularly cerebral cavernous malformations.

Cardiac protein kinases: the cardiomyocyte kinome and differential kinase expression in human failing hearts

Aims. Protein kinases are potential therapeutic targets for heart failure, but most studies of cardiac protein kinases derive from other systems, an approach that fails to account for specific kinases expressed in the heart and the contractile cardiomyocytes. We aimed to define the cardiomyocyte kinome (i.e. the protein kinases expressed in cardiomyocytes) and identify kinases with altered expression in human failing hearts. Methods and Results. Expression profiling (Affymetrix microarrays) detected >400 protein kinase mRNAs in rat neonatal ventricular myocytes (NVMs) and/or adult ventricular myocytes (AVMs), 32 and 93 of which were significantly upregulated or downregulated (>2-fold), respectively, in AVMs. Data for AGC family members were validated by qPCR. Proteomics analysis identified >180 cardiomyocyte protein kinases, with high relative expression of mitogen-activated protein kinase cascades and other known cardiomyocyte kinases (e.g. CAMKs, cAMP-dependent protein kinase). Other kinases are poorly-investigated (e.g. Slk, Stk24, Oxsr1). Expression of Akt1/2/3, BRaf, ERK1/2, Map2k1, Map3k8, Map4k4, MST1/3, p38-MAPK, PKCδ, Pkn2, Ripk1/2, Tnni3k and Zak was confirmed by immunoblotting. Relative to total protein, Map3k8 and Tnni3k were upregulated in AVMs vs NVMs. Microarray data for human hearts demonstrated variation in kinome expression that may influence responses to kinase inhibitor therapies. Furthermore, some kinases were upregulated (e.g. NRK, JAK2, STK38L) or downregulated (e.g. MAP2K1, IRAK1, STK40) in human failing hearts. Conclusions. This characterization of the spectrum of kinases expressed in cardiomyocytes and the heart (cardiomyocyte and cardiac kinomes) identified novel kinases, some of which are differentially expressed in failing human hearts and could serve as potential therapeutic targets.

Activation of p21-activated protein kinase alpha (alpha PAK) by hyperosmotic shock in neonatal ventricular myocytes.

The p21-activated protein kinases (PAKs) may participate in signalling from Cdc42/Rac1 to the stress-regulated MAPKs (SAPKs/JNKs and p38-/HOG-1-related-MAPKs). We characterized the expression and regulation of alpha PAK in cultured ventricular myocytes. alpha PAK was specifically immunoprecipitated from myocyte extracts. High basal alpha PAK activity was detected in unstimulated myocytes. Its activity was increased rapidly (<30 s) by hyperosmotic shock in the presence of okadaic acid, and was maximal by 3 min (187 +/- 7% relative to unstimulated cells). Endothelin-1 and interleukin-1beta, which also activate SAPKs/JNKs, did not increase alpha PAK activity and presumably act through different PAK isoforms or other mechanisms.

Activation of mitogen-activated protein kinases (p38-MAPKs, SAPKs/JNKs and ERKs) by adenosine in the perfused rat heart.

Adenosine and mitogen-activated protein kinases (MAPKs) have been separately implicated in cardiac ischaemic preconditioning. We investigated the activation of MAPK subfamilies by adenosine in perfused rat hearts. p38-MAPK was rapidly phosphorylated and activated (10-fold activation, maximal at 5 min) by 10 mM adenosine, as was the p38-MAPK substrate, MAPKAPK2 (4.5-fold). SAPKs/JNKs were activated (5-fold) and ERKs were phosphorylated (both maximal at 5 min). The concentration dependences of activation of p38-MAPK and ERKs were biphasic with a 'high affinity' component (maximal at 10-100 microM adenosine) and a 'low affinity' component that had not saturated at 10 mM. SAPKs/JNKs were activated only by 10 mM adenosine. These results are consistent with MAPK involvement in adenosine-mediated ischaemic preconditioning.