Structural determinants of subunit -subunit interactions and subcellular localization of the calcium /calmodulin -dependent protein kinase II

The multifunctional Ca$\sp{2+}$/calmodulin-dependent protein kinase II (CaM kinase) is a Ser/Thr directed protein kinase that participates in diverse Ca$\sp{2+}$ signaling pathways in neurons. The function of CaM kinase depends upon the ability of subunits to form oligomers and to interact with other proteins. Oligomerization is required for autophosphorylation which produces significant functional changes that include Ca$\sp{2+}$/calmodulin-independent activity and calmodulin trapping. Associations with other proteins localize CaM kinase to specific substrates and effectors which serves to optimize the efficiency and speed of signal transduction. In this thesis, we investigate the interactions that underlie the appropriate positioning of CaM kinase activity in cells. We demonstrate that the subcellular distribution of CaM kinase is dynamic in hippocampal slices exposed to anoxic/aglycemic insults and to high K$\sp{+}$-induced depolarization. We determine the localization of CaM kinase domains expressed in neurons and PC-12 cells and find that the C-terminal domain of the $\alpha$ subunit is necessary for localization to dendrites. Moreover, monomeric forms of the enzyme gain access to the nucleus. Attempts made to identify novel CaM kinase binding proteins using the yeast two-hybrid system resulted in the isolation of hundreds of positive clones. Those that have been sequenced are identical to CaM kinase isoforms. Finally, we report the discovery of specific regions within the C-terminal domain that are necessary and sufficient for subunit-subunit interactions. Differences between the $\alpha$ and $\beta$ isoforms were discovered that indicate unique structural requirements for oligomerization. A model for how CaM kinase subunits interact to form holoenzymes and how structural heterogeneity might influence CaM kinase function is presented. ^

Mejora del valor proteico para rumiantes de la harina de girasol mediante tratamientos combinados con ácidos (málico y fosfórico) y calor = Improvement of the protein value for ruminants of sunflower meal by combined treatments with acids (malic and orthophosphoric) and heat

El objetivo principal de esta tesis fue incrementar el valor proteico para rumiantes de la harina de girasol mediante tratamientos combinados con ácidos y calor para proteger sus proteínas frente a la degradación ruminal. Estos estudios comprenden dos experimentos realizados sobre ovinos mediante tecnologías in vitro (experimento 1) o in situ e in vivo (experimento 2), empleando siempre dos ácidos: málico u ortofosfórico. Aprovechando este último experimento, también se consideraron otros objetivos de carácter metodológico con el fin de mejorar la precisión de las estimas de i) la degradabilidad ruminal y la digestibilidad intestinal de la proteína y los aminoácidos (AAs) de los alimentos y ii) la síntesis microbiana ruminal y su contribución al flujo post-ruminal de nutrientes al animal. En el experimento 1 (capítulo 2) se efectuaron cuatro ensayos in vitro para estudiar la influencia de distintos factores que puedan afectar la eficacia de estos tratamientos. En cada ensayo se utilizó una réplica por tratamiento (dos para el tratamiento control) y dos bolsas vacías (empleadas para corregir la contaminación microbiana) en cada una de las cuatro botellas del incubador (ANKOM Daisy II). Cada botella contenía 2 l de medio de incubación, saturado con CO2 para asegurar la anaerobiosis. Este medio consistió en una mezcla de solución McDougall y liquido ruminal filtrado en relación 4:1. El liquido ruminal fue obtenido de 2 corderos canulados en rumen, utilizándose bien solo o mezclado con el del otro cordero en una relación 3:1. Así, cada botella de incubación contenía un inoculo ruminal diferente. Las incubaciones se realizaron a 39 ºC durante 20 h, siendo las bolsas lavadas con agua corriente y almacenadas a -20 ºC. Tras ser descongeladas, se lavaron 3 veces durante 5 min en una mini-lavadora de turbina, se desecaron a 80 ºC durante 48 h y se destinaron íntegras al análisis de N-Kjeldahl. En el ensayo 1 se estudió el efecto del volumen de disolución de dos dosis de ácido ortofosfórico (0,4 y 1,2 equivalentes gramo (eq)/kg de harina de girasol), testando cinco volúmenes de disolución (80, 160, 240, 320 and 400 ml/kg de harina) para cada dosis, desecándose las harinas a 60 ºC hasta sequedad al tacto. La proteína bruta (PB) indegradada se incremento con la dosis de ácido empleada y también (como tendencia, P < 0,1) con el volumen de dilución. En base a ello en los siguientes ensayos se utilizo el volumen de dilución mayor (400 ml/kg). En el ensayo 2 se estudió el efecto de la dosis y del tipo de ácido a cuatro dosis (1,2; 2,4; 3,6 y 4,8 eq/kg), secándose igualmente las muestras tratadas a 60 ºC. La PB indegradada aumentó con la dosis de ácido, siendo también mayor para el ácido málico, tanto en este ensayo como en los posteriores. En el ensayo 3 se estudiaron los efectos de los dos ácidos, cuatro concentraciones (0,6; 1,2; 1,8 y 2,4 eq/kg) y tres tratamientos térmicos para el secado de las muestras (100, 150 and 200 ºC durante 60, 30 y 20 minutos, respectivamente). Con los tratamientos térmicos a 100 y 150 ºC no hubo un incremento de protección para concentraciones superiores a 0,8 eq/kg para ambos ácidos. Para incrementar la protección fue necesario aumentar la temperatura a 200 ºC y la dosis a 1,2 eq/kg, no observándose un aumento de protección a dosis mayores. En el ensayo 4 se estudiaron los efectos sobre la lisina disponible, la solubilidad de la PB en saliva artificial de McDougall y la PB indegradada in vitro de tratar la harina solo con agua o con disoluciones de ambos ácidos a dosis de 0,8 eq/kg y temperaturas de secado de 100 ó 150 ºC en las mismas condiciones que en el ensayo 3. No se apreciaron efectos sobre la lisina disponible para ninguno de los tratamientos. El efecto específico de los ácidos quedo demostrado tanto por la fuerte reducción de la solubilidad de la PB como por el aumento de la PB indegradada frente al tratamiento con agua. En conjunto, los resultados de este experimento mostraron que la eficacia de estos tratamientos depende del tipo y dosis de ácido y de su dilución, así como de las condiciones de secado. Como tratamiento de mayor interés a aplicar posteriormente en el experimento 2 se consideró una dosis de 0,8 eq/kg de harina, aplicada en un volumen de 400 ml/kg (correspondiente a soluciones 1 M y 0,67 M para los ácidos málico y ortofosfórico, respectivamente) y desecación a 150 ºC. El experimento 2 (capítulos 3 a 7) se realizó con un diseño en cuadrado latino 3x3, empleando tres corderos canulados en rumen y duodeno y tres dietas isoproteicas: U, M y P, que incluían harinas de girasol sin tratar (control) y tratadas con acido málico u ortofosfórico, respectivamente. La harina de girasol se trató en las condiciones ya indicadas siendo necesarias 6 horas para su secado en estufa. Las dietas incluían 40% de heno de raigrás italiano y 60% de concentrado a base de harina de girasol (tratada y/o sin tratar), trigo y corrector vitamínico-mineral, siendo suministradas a 75 g/kg P0.75 (equivalente a 2,3 × mantenimiento). La relación harina de girasol sin tratar y tratada fue de 100:0 en la dieta U y entorno a 40:60 en las dietas M y P. Tras 10 días de adaptación a la dieta, se estudiaron sucesivamente: i) el tránsito hasta el duodeno de las partículas del heno (solo en la dieta control) y de la harina de girasol marcadas previamente con europio e iterbio, respectivamente; ii) la fermentación ruminal durante el periodo postprandial, iii) la degradación ruminal in situ de la harina de girasol específica de cada dieta (y del trigo y el heno en la dieta control) y iv) la magnitud y composición del contenido ruminal mediante el vaciado manual del rumen-retículo. Durante todo el periodo experimental se infundio de forma continua una solución de sulfato amónico enriquecido en 15N (98 átomos %) para corregir la contaminación microbiana ruminal en los estudios in situ y para establecer las diferencias de composición química entre las bacterias libres (BAL) y adherentes (BAS) del rumen. Esta solución incluyó en los dos últimos días Li-Cr- EDTA para determinar la tasa de dilución ruminal. Posteriormente, y tras un periodo de al menos 10 días para eliminar el enriquecimiento en 15N de la digesta, se estudió la digestibilidad intestinal de los distintos alimentos mediante la técnica de bolsas móviles. La determinación del bypass (BP) o de la degradabilidad efectiva (DE) de la materia seca (MS) y de la PB se realizó por el método tradicional de integración matemática; estos valores se obtuvieron también para la PB y los AAs generando una muestra representativa del flujo post-ruminal del alimento en estudio en cada animal. Ello se realizó mediante la mezcla de los distintos residuos de incubación en base a la función que describe el flujo de alimento indegradado que abandona el rumen. Todos estos trabajos se realizaron considerando la tasa de salida de partículas del rumen (kp) y, según casos, considerando también la tasa de conminución y mezcla de las partículas en este compartimento (kc). Para este último caso se ha desarrollado también el modelo matemático que describe este flujo y permite este cálculo. Los valores no corregidos por la contaminación microbiana del BP (o de DE) de la PB resultantes de ambos métodos se han comparado tanto en las harinas de girasol como en los restantes alimentos de la dieta, obteniéndose valores similares, sin apreciarse desviaciones sistemáticas. Sobre las muestras compuestas representativas de la composición química del BP se determino la digestibilidad intestinal efectiva (DIE) de la MS, PB y AAs. Todos los valores resultantes de esta técnica fueron corregidos para la contaminación microbiana de las partículas que tiene lugar en el rumen. Los estudios de transito digestivo se realizaron tras suministrar en el comedero a los corderos una dosis simple de los alimentos marcados, seguida de la toma de muestras de la digesta duodenal durante 82 h. En la dieta testigo se suministraron simultáneamente el heno de raigrás y la harina de girasol, mientras que en las otras dietas solo se suministró esta última. La harina de girasol mostro un mayor valor para kc frente al heno (0,5766 v. 0,0892, /h), mientras que no hubo diferencias entre los dos alimentos para kp (0,0623 v. 0,0609, /h). Para la harina de girasol no se apreciaron diferencias entre dietas para kc, pero si se redujo de manera moderada la tasa kp con los tratamientos, siendo ésta también menor al utilizar ácido ortofosfórico frente al uso de ácido malico (0,0577 v. 0,0600, /h). El empleo de las harinas tratadas no modifico los parámetros de fermentación ruminal, la composición de los contenidos ruminales o la tasa de dilución del rumen. Los valores efectivos del BP y de DIE de la MS, PB y AAs de las harinas de girasol se obtuvieron considerando kc y kp, conjuntamente. Los tratamientos de protección incrementaron el BP de MS y PB en 48,5 y 268% de media, respectivamente. Estos incrementos se debieron principalmente al descenso de la fracción soluble y de la velocidad de degradación, pero también al aumento de la fracción indegradable, especialmente usando ácido ortofosfórico. Con los tratamientos se incrementó también la DIE de la MS (108% de media) y de la PB con gran diferencia entre los ácidos málico y ortofosfórico (20,7 v. 11,8%). Como consecuencia de estos cambios la protección aumentó la fracción realmente digerida en el intestino en 211% (MS) y 325% (PB), sin efectos entre ambos ácidos. Considerando la reducción del suministro de energía fermentable para los microorganismos ruminales asociada a la protección y los parámetros indicados por el sistema PDI francés para la síntesis de proteína microbiana digestible, la eficacia de conversión de PB en proteína metabolizable aumentó de 0,244 a 0,559 y 0,515 con el tratamiento con acido málico y ortofosfórico, respectivamente. El contenido en aminoácidos (AAs) fue similar en todas las harinas salvo por una disminución de lisina en las harinas tratadas. De forma análoga a la PB, los tratamientos de protección incrementaron el BP y la DIE de la mayoría de AAs. El aporte de AAs metabolizabes de la harina se multiplico en 3,87 para los AAs azufrados y en menor medida (2,5 veces) para la lisina, como consecuencia de las pérdidas sufridas a consecuencia del tratamiento térmico. Estos tratamientos se muestran, por tanto, útiles para incrementar el valor proteico de la harina de girasol, si bien su empleo junto con concentrados proteicos ricos en lisina bypass digestible mejoraría el perfil de la proteína metabolizable. La corrección de la contaminación microbiana de las partículas que tiene lugar en el rumen se asoció en todos los alimentos testados y, de forma general, con reducciones del BP y de su DIE en todas las fracciones estudiadas. Estas reducciones fueron pequeñas en todos los concentrados, de forma acorde con los muy pequeños niveles de contaminación registrados tanto en las harinas de girasol como en el grano de trigo. Por el contrario, esta contaminación, al igual que los efectos de su corrección, fueron muy importantes en el heno de raigrás. Esta contaminación aumentó al tener en cuenta kc. Así, para la proporción de PB de origen microbiano existente en las muestras compuestas representativas del BP, este aumento fue significativo para el heno de raigrás (0,463 v. 0,706) y solo numérico para la harina de girasol (0,0170 v. 0,0208). La reducción de las estimas de DIE al corregir esta contaminación fue consecuencia de la eliminación de forma casi completa de los microorganismos adherentes en todos los residuos testados. Así, esta biomasa se redujo en 96,1% como media de 7x3 observaciones. Como resultado de las diferencias acumulativas a nivel del rumen e intestino, la no corrección de la contaminación microbiana junto con la no consideración de kc condujo a fuertes sobrestimaciones de la PB digerida en el intestino. Ésta fue de 39% en la harina de girasol (0,146 v. 0,105) y de 761% en el heno de raigrás (0,373 v. 0,0433). Estos resultados muestran que es necesario considerar tanto kc como corregir la contaminación microbiana para obtener estimas in situ precisas en forrajes, mientras que en concentrados, siempre que la contaminación microbiana sea pequeña, es más importante considerar kc. La elevada contaminación microbiana observada en el heno de raigrás se asoció también con importantes errores a nivel del N asociado a la fibra neutro (FND) y ácido (FAD) detergente (NDIN y ADIN, respectivamente) e incluso de estas fracciones de fibra, evidenciándose que estos métodos no eliminan completamente la contaminación microbiana que sufren los alimentos en su paso por el retículorumen. Así, en la muestra compuesta representativa de la composición química del flujo postruminal antes descrita, la sobrevaloración por no corregir la contaminación microbiana fue de 99,8; 24,2; 3,34 y 0,48% para NDIN, ADIN, FND y FAD, respectivamente. Las subvaloraciones asociadas para su DE fueron 34,1; 8,79; 4,41 y 0,51%, respectivamente. La DE corregida del NDIN y ADIN (0,743 y 0,728, respectivamente) mostró un aprovechamiento ruminal elevado de estos compuestos, si bien menor al de la PB total (0,85). El estudio de este aprovechamiento sobre los residuos de incubación ruminal a 6 y 72 h demostró, además, una más rápida degradación del ADIN frente al NDIN, así como un mayor potencial de degradación de este último en este alimento. Para comprobar si la digestión en el abomaso eliminaba la contaminación microbiana en la FND y FAD se estudio esta contaminación y sus posibles errores en muestras liofilizadas de contenidos ruminales y duodenales correspondientes a una dieta mixta de similar composición a la utilizada en el experimento 2, comparándose, además, las diferencias entre la extracción secuencial o directa de la FAD. Utilizando como referencia las BAS se apreciaron elevadas contaminaciones en la FND y FAD y su N asociado tanto en las muestras ruminales como en las duodenales. Sin embargo, los resultados de enriquecimiento en 15N de las partículas fueron intermedios entre los correspondientes a BAS y BAL lo que evidencia una elevada contaminación con BAL en estas muestras probablemente durante el proceso de liofilización. Ello conlleva una sobrevaloración de esta estimación. El método de extracción directa de FAD se mostró, por otra parte, marcadamente menos eficaz en la eliminación de la contaminación microbiana. Los resultados muestran la necesidad de corregir la contaminación microbiana para obtener estimaciones precisas de la degradabilidad de las proteínas de las paredes celulares vegetales. Estos errores deberían ser también considerados para FND y FAD en estudios in situ e in vivo. La elevada tasa fraccional de degradación del grano de trigo (60,9 y 42,0%/h para MS y PB, respectivamente) implico que su flujo de material indegradado (calculado solo en base a la kp obtenida para la harina de girasol) se redujera muy rápidamente, de forma que es casi nulo a 8 h tras la ingestión. Los valores corregidos de PB digerida en el intestino (0,15) representan solo el 18,7% de la proteína metabolizable, lo que muestra que el valor proteico del grano de trigo está estrechamente ligado a la síntesis de proteína microbiana derivada de su fermentación. En el experimento 2 se observaron menores concentraciones para materia orgánica, lípidos y PB, así como en la proporción N-AAs/N total en BAL que en BAS, siendo, por el contrario, mayor su enriquecimiento en 15N. Estos últimos resultados se utilizaron (junto con los de otros trabajos previos de este equipo) para validar una predicción preexistente del enriquecimiento en 15N de las BAS a partir de este valor en las BAL. Esta ecuación, de muy alta precisión (R2 = 0.995), permite calcular la subvaloración que se comete en los aportes de nutrientes correspondientes a las BAS al usar las BAL como muestra de referencia. Esta subvaloración representa aproximadamente 21, 32,5 y 60% para PB, proteína verdadera y lípidos.

Recombination activities of HsDmc1 protein, the meiotic human homolog of RecA protein

Meiosis-specific homologs of RecA protein have been identified in Saccharomyces cerevisiae and higher eukaryotes including mammals, but their enzymatic activities have not been described. We have purified the human protein HsDmc1 produced in Escherichia coli from a cloned copy of the cDNA. The recombinant enzyme had DNA-dependent ATPase activity with an estimated kcat of 1.5 min−1. DNase protection experiments with oligonucleotides as substrates indicated that HsDmc1 protein binds preferentially to single-stranded DNA with a stoichiometry of approximately one molecule of protein per three nucleotide residues. HsDmc1 protein catalyzed the formation of D-loops in superhelical DNA, as well as strand exchange between single-stranded and double-stranded oligonucleotides. The requirements for strand exchange catalyzed by HsDmc1 were similar to those of RecA protein, but exchange caused by HsDmc1 was not supported by ATPγS.

The prion model for [URE3] of yeast: Spontaneous generation and requirements for propagation

The genetic properties of the non-Mendelian element, [URE3], suggest that it is a prion (infectious protein) form of Ure2p, a mediator of nitrogen regulation in Saccharomyces cerevisiae. Into a ure2Δ strain (necessarily lacking [URE3]), we introduced a plasmid overproducing Ure2p. This induced the frequent “spontaneous generation” of [URE3], with properties identical to the original [URE3]. Altering the translational frame only in the prion-inducing domain of URE2 shows that it is Ure2 protein (and not URE2 RNA) that induces appearance of [URE3]. The proteinase K-resistance of Ure2p is unique to [URE3] strains and is not seen in nitrogen regulation of normal strains. The prion-inducing domain of Ure2p (residues 1–65) can propagate [URE3] in the absence of the C-terminal part of the molecule. In contrast, the C-terminal part of Ure2p cannot be converted to the prion (inactive) form without the prion-inducing domain covalently attached. These experiments support the prion model for [URE3] and extend our understanding of its propagation.

Different Tyrosine Autophosphorylation Requirements in Fibroblast Growth Factor Receptor-1 Mediate Urokinase-Type Plasminogen Activator Induction and Mitogenesis

Among the seven tyrosine autophosphorylation sites identified in the intracellular domain of tyrosine kinase fibroblast growth factor receptor-1 (FGFR1), five of them are dispensable for FGFR1-mediated mitogenic signaling. The possibility of dissociating the mitogenic activity of basic FGF (FGF2) from its urokinase-type plasminogen activator (uPA)-inducing capacity both at pharmacological and structural levels prompted us to evaluate the role of these autophosphorylation sites in transducing FGF2-mediated uPA upregulation. To this purpose, L6 myoblasts transfected with either wild-type (wt) or various FGFR1 mutants were evaluated for the capacity to upregulate uPA production by FGF2. uPA was induced in cells transfected with wt-FGFR1, FGFR1-Y463F, -Y585F, -Y730F, -Y766F, or -Y583/585F mutants. In contrast, uPA upregulation was prevented in L6 cells transfected with FGFR1-Y463/583/585/730F mutant (FGFR1–4F) or with FGFR1-Y463/583/585/730/766F mutant (FGFR1–5F) that retained instead a full mitogenic response to FGF2; however, preservation of residue Y730 in FGFR1-Y463/583/585F mutant (FGFR1–3F) and FGFR1-Y463/583/585/766F mutant (FGFR1–4Fbis) allows the receptor to transduce uPA upregulation. Wild-type FGFR1, FGFR1–3F, and FGFR1–4F similarly bind to a 90-kDa tyrosine-phosphorylated protein and activate Shc, extracellular signal-regulated kinase (ERK)2, and JunD after stimulation with FGF2. These data, together with the capacity of the ERK kinase inhibitor PD 098059 to prevent ERK2 activation and uPA upregulation in wt-FGFR1 cells, suggest that signaling through the Ras/Raf-1/ERK kinase/ERK/JunD pathway is necessary but not sufficient for uPA induction in L6 transfectants. Accordingly, FGF2 was able to stimulate ERK1/2 phosphorylation and cell proliferation, but not uPA upregulation, in L6 cells transfected with the FGFR1-Y463/730F mutant, whereas the FGFR1-Y583/585/730F mutant was fully active. We conclude that different tyrosine autophosphorylation requirements in FGFR1 mediate cell proliferation and uPA upregulation induced by FGF2 in L6 cells. In particular, phosphorylation of either Y463 or Y730, dispensable for mitogenic signaling, represents an absolute requirement for FGF2-mediated uPA induction.

New Alleles of the Yeast MPS1 Gene Reveal Multiple Requirements in Spindle Pole Body Duplication

In Saccharomyces cerevisiae, the Mps1p protein kinase is critical for both spindle pole body (SPB) duplication and the mitotic spindle assembly checkpoint. The mps1–1 mutation causes failure early in SPB duplication, and because the spindle assembly checkpoint is also compromised, mps1–1 cells proceed with a monopolar mitosis and rapidly lose viability. Here we report the genetic and molecular characterization of mps1–1 and five new temperature-sensitive alleles of MPS1. Each of the six alleles contains a single point mutation in the region of the gene encoding the protein kinase domain. The mutations affect several residues conserved among protein kinases, most notably the invariant glutamate in subdomain III. In vivo and in vitro kinase activity of the six epitope-tagged mutant proteins varies widely. Only two display appreciable in vitro activity, and interestingly, this activity is not thermolabile under the assay conditions used. While five of the six alleles cause SPB duplication to fail early, yielding cells with a single SPB, mps1–737 cells proceed into SPB duplication and assemble a second SPB that is structurally defective. This phenotype, together with the observation of intragenic complementation between this unique allele and two others, suggests that Mps1p is required for multiple events in SPB duplication.

Amino Acid Sequence Requirements of the Transmembrane and Cytoplasmic Domains of Influenza Virus Hemagglutinin for Viable Membrane Fusion

The amino acid sequence requirements of the transmembrane (TM) domain and cytoplasmic tail (CT) of the hemagglutinin (HA) of influenza virus in membrane fusion have been investigated. Fusion properties of wild-type HA were compared with those of chimeras consisting of the ectodomain of HA and the TM domain and/or CT of polyimmunoglobulin receptor, a nonviral integral membrane protein. The presence of a CT was not required for fusion. But when a TM domain and CT were present, fusion activity was greater when they were derived from the same protein than derived from different proteins. In fact, the chimera with a TM domain of HA and truncated CT of polyimmunoglobulin receptor did not support full fusion, indicating that the two regions are not functionally independent. Despite the fact that there is wide latitude in the sequence of the TM domain that supports fusion, a point mutation of a semiconserved residue within the TM domain of HA inhibited fusion. The ability of a foreign TM domain to support fusion contradicts the hypothesis that a pore is composed solely of fusion proteins and supports the theory that the TM domain creates fusion pores after a stage of hemifusion has been achieved.

In Vitro Studies with Purified Components Reveal Signal Recognition Particle (SRP) and SecA/SecB as Constituents of Two Independent Protein-targeting Pathways of Escherichia coli

The molecular requirements for the translocation of secretory proteins across, and the integration of membrane proteins into, the plasma membrane of Escherichia coli were compared. This was achieved in a novel cell-free system from E. coli which, by extensive subfractionation, was simultaneously rendered deficient in SecA/SecB and the signal recognition particle (SRP) components, Ffh (P48), 4.5S RNA, and FtsY. The integration of two membrane proteins into inside-out plasma membrane vesicles of E. coli required all three SRP components and could not be driven by SecA, SecB, and ΔμH+. In contrast, these were the only components required for the translocation of secretory proteins into membrane vesicles, a process in which the SRP components were completely inactive. Our results, while confirming previous in vivo studies, provide the first in vitro evidence for the dependence of the integration of polytopic inner membrane proteins on SRP in E. coli. Furthermore, they suggest that SRP and SecA/SecB have different substrate specificities resulting in two separate targeting mechanisms for membrane and secretory proteins in E. coli. Both targeting pathways intersect at the translocation pore because they are equally affected by a blocked translocation channel.

The Dynamics of Golgi Protein Traffic Visualized in Living Yeast Cells

We describe for the first time the visualization of Golgi membranes in living yeast cells, using green fluorescent protein (GFP) chimeras. Late and early Golgi markers are present in distinct sets of scattered, moving cisternae. The immediate effects of temperature-sensitive mutations on the distribution of these markers give clues to the transport processes occurring. We show that the late Golgi marker GFP-Sft2p and the glycosyltransferases, Anp1p and Mnn1p, disperse into vesicle-like structures within minutes of a temperature shift in sec18, sft1, and sed5 cells, but not in sec14 cells. This is consistent with retrograde vesicular traffic, mediated by the vesicle SNARE Sft1p, to early cisternae containing the target SNARE Sed5p. Strikingly, Sed5p itself moves rapidly to the endoplasmic reticulum (ER) in sec12 cells, implying that it cycles through the ER. Electron microscopy shows that Golgi membranes vesiculate in sec18 cells within 10 min of a temperature shift. These results emphasize the dynamic nature of Golgi cisternae and satisfy the kinetic requirements of a cisternal maturation model in which all resident proteins must undergo retrograde vesicular transport, either within the Golgi complex or from there to the ER, as anterograde cargo advances.

Characterization of Cell–Matrix Adhesion Requirements for the Formation of Fascin Microspikes

Cell adhesion to thrombospondin-1 (TSP-1) correlates with assembly of cell–substratum contact structures that contain fascin microspikes. In this analysis, cell-matrix requirements for assembly of fascin microspikes were examined in detail. In six cell lines, cell spreading on a TSP-1 substratum correlated with expression of fascin protein and formation of fascin microspikes. Microspikes were not formed by H9c2 cells adherent on fibronectin, vitronectin, collagen IV, or platelet factor 4. However, both fascin microspikes and focal contacts were assembled by cells adherent on laminin-1. Using mixed substrata containing different proportions of TSP-1, and fibronectin, fascin microspike formation by H9c2 and C2C12 cells was found to be reduced on substrata containing 25% fibronectin and abolished on substrata containing 75% fibronectin. Adhesion to intermediate mixtures of TSP-1 and fibronectin resulted in coassembly of fascin microspikes and focal contacts, colocalization of fascin with actin stress fiber bundles and altered distributions of β1 integrins, cortical α-actinin, and tropomyosin. In cells adherent on 50% TSP-1:50% fibronectin, GRGDSP peptide treatment decreased focal contact assembly and altered cytoskeletal organization but did not inhibit microspike assembly. Treatment with chondroitin sulfate A or p-nitrophenol β-d-xylopyranoside decreased microspike formation and modified cytoskeletal organization but did not inhibit focal contact formation. In polarized migratory and postmitotic C2C12 cells, fascin microspikes and ruffles were localized at leading edges and TSP matrix deposition was also concentrated in this region. Depletion of matrix TSP by heparin treatment correlated with decreased microspike formation and cell motility. Thus, the balance of adhesive receptors ligated at the cell surface during initial cell–matrix attachment serves to regulate the type of substratum adhesion contact assembled and subsequent cytoskeletal organization. A role for fascin microspikes in cell motile behavior is indicated.

Essential role for p38α mitogen-activated protein kinase in placental angiogenesis

The p38 family of mitogen-activated protein kinases (MAPKs) mediates signaling in response to environmental stresses and inflammatory cytokines, but the requirements for the p38 MAPK pathway in normal mammalian development have not been elucidated. Here, we show that targeted disruption of the p38α MAPK gene results in homozygous embryonic lethality because of severe defects in placental development. Although chorioallantoic placentation is initiated appropriately in p38α null homozygotes, placental defects are manifest at 10.5 days postcoitum as nearly complete loss of the labyrinth layer and significant reduction of the spongiotrophoblast. In particular, p38α mutant placentas display lack of vascularization of the labyrinth layer as well as increased rates of apoptosis, consistent with a defect in placental angiogenesis. Furthermore, p38α mutants display abnormal angiogenesis in the embryo proper as well as in the visceral yolk sac. Thus, our results indicate a requirement for p38α MAPK in diploid trophoblast development and placental vascularization and suggest a more general role for p38 MAPK signaling in embryonic angiogenesis.

Reconstitution of HIV-1 Rev nuclear export: Independent requirements for nuclear import and export

The Rev protein of HIV-1 actively shuttles between nucleus and cytoplasm and mediates the export of unspliced retroviral RNAs. The localization of shuttling proteins such as Rev is controlled by the relative rates of nuclear import and export. To study nuclear export in isolation, we generated cell lines expressing a green fluorescent protein-labeled chimeric protein consisting of HIV-1 Rev and a hormone-inducible nuclear localization sequence. Steroid removal switches off import thus allowing direct visualization of the Rev export pathway in living cells. After digitonin permeabilization of these cells, we found that a functional nuclear export sequence (NES), ATP, and fractionated cytosol were sufficient for nuclear export in vitro. Nuclear pore-specific lectins and leptomycin B were potent export inhibitors. Nuclear export was not inhibited by antagonists of calcium metabolism that block nuclear import. These data further suggest that nuclear pores do not functionally close when luminal calcium stores are depleted. The distinct requirements for nuclear import and export argue that these competing processes may be regulated independently. This system should have wide applicability for the analysis of nuclear import and export.

Generation of mucosal cytotoxic T cells against soluble protein by tissue-specific environmental and costimulatory signals

We compared peripheral and mucosal primary CD8 T cell responses to inflammatory and noninflammatory forms of antigen in a T cell-adoptive transfer system. Immunization with the soluble antigen, ovalbumin (ova), administered i.p. or orally without adjuvant, activated nonmucosal CD8 T cells but did not induce cytotoxic activity. However, after activation, the transferred cells entered the intestinal mucosa and became potent antigen-specific killers. Thus, exogenous intact soluble protein entered the major histocompatibility complex class I antigen presentation pathway and induced mucosal cytotoxic T lymphocytes. Moreover, distinct costimulatory requirements for activation of peripheral versus mucosal T cells were noted in that the CD28 ligand, B7-1, was critical for activated mucosal T cell generation but not for activation of peripheral CD8 T cells. The costimulator, B7-2, was required for optimum activation of both populations. Infection with a new recombinant vesicular stomatitis virus encoding ovalbumin induced lytic activity in mucosal as well as peripheral sites, demonstrating an adjuvant effect of inflammatory mediators produced during virus infection. Generation of antiviral cytotoxic T lymphocytes was also costimulation-dependent. The results indicated that induction of peripheral tolerance via antigen administration may not extend to mucosal sites because of distinct costimulatory and inflammatory signals in the mucosa.

Temperature, template topology, and factor requirements of archaeal transcription

Although Archaea are prokaryotic and resemble Bacteria morphologically, their transcription apparatus is remarkably similar to those of eukaryotic cell nuclei. Because some Archaea exist in environments with temperatures of around 100°C, they are likely to have evolved unique strategies for transcriptional control. Here, we investigate the effects of temperature and DNA template topology in a thermophilic archaeal transcription system. Significantly, and in marked contrast with characterized eucaryal systems, archaeal DNA template topology has negligible effect on transcription levels at physiological temperatures using highly purified polymerase and recombinant transcription factors. Furthermore, archaeal transcription does not require hydrolysis of the β-γ phosphoanhydride bond of ATP. However, at lower temperatures, negatively supercoiled templates are transcribed more highly than those that are positively supercoiled. Notably, the block to transcription on positively supercoiled templates at lowered temperatures is at the level of polymerase binding and promoter opening. These data imply that Archaea do not possess a functional homologue of transcription factor TFIIH, and that for the promoters studied, transcription is mediated by TATA box-binding protein, transcription factor TFB, and RNA polymerase alone. Furthermore, they suggest that the reduction of plasmid linking number by hyperthermophilic Archaea in vivo in response to cold shock is a mechanism to maintain gene expression under these adverse circumstances.

Cis-acting requirements in flanking DNA for the programmed elimination of mse2.9: a common mechanism for deletion of internal eliminated sequences from the developing macronucleus of Tetrahymena thermophila

During macronuclear development in the ciliated protozoan Tetrahymena thermophila, extensive DNA deletions occur, eliminating thousands of internal eliminated sequences (IESs). Using an rDNA-based transformation assay we have analyzed the role during DNA deletion of DNA flanking mse2.9, an IES within the second intron of a gene encoding an as yet incompletely characterized protein. We establish that a cis-acting sequence for mse2.9 deletion acts at a distance to specify deletion boundaries. A complex sequence element necessary for efficient and accurate mse2.9 deletion is located in the region 47–81 bp from the right side of mse2.9. The ability of a variety of IES flanking sequences to rescue a processing deficient mse2.9 construct indicates that some cis-acting signal is shared among different IESs. In addition, the short intronic sequence that flanks mse2.9 is able to direct efficient and accurate processing. Despite no obvious sequence similarity between mse2.9 and other IESs, we suggest that a common mechanism is used to delete different families of IESs in Tetrahymena.