Functional Analysis of Nuclear beta-Adrenergic Receptors in the Myocardium

Récemment plusieurs récepteurs couplés aux protéines G (RCPGs) ont été caractérisés au niveau des membranes intracellulaires, dont la membrane nucléaire. Notre objectif était de déterminer si les sous-types de récepteurs β-adrénergiques (βAR) et leurs machineries de signalisation étaient fonctionnels et localisés à la membrane nucléaire des cardiomyocytes. Nous avons démontré la présence des β1AR et β3AR, mais pas du β2AR à la membrane nucléaire de myocytes ventriculaires adultes par immunobuvardage, par microscopie confocale, et par des essais fonctionnels. De plus, certains partenaires de signalisation comme les protéines GαS, Gαi, l’adénylate cyclase II, et V/VI y étaient également localisés. Les sous-types de βAR nucléaires étaient fonctionnels puisqu'ils pouvaient lier leurs ligands et activer leurs effecteurs. En utilisant des noyaux isolés, nous avons observé que l'agoniste non-sélectif isoprotérénol (ISO), et que le BRL37344, un ligand sélectif du β3AR, stimulaient l'initiation de la synthèse de l’ARN, contrairement à l'agoniste sélectif du β1AR, le xamotérol. Cette synthèse était abolie par la toxine pertussique (PTX). Cependant, la stimulation des récepteurs nucléaires de type B de l’endothéline (ETB) causaient une réduction de l'initiation de la synthèse d’ARN. Les voies de signalisations impliquées dans la régulation de la synthèse d’ARN par les RCPGs ont ensuite été étudiées en utilisant des noyaux isolés stimulés par des agonistes en présence ou absence de différents inhibiteurs des voies MAP Kinases (proteines kinases activées par mitogènes) et de la voie PI3K/PKB. Les protéines impliquées dans les voies de signalisation de p38, JNK, ERK MAP Kinase et PKB étaient présents dans les noyaux isolés. L'inhibition de PKB par la triciribine, inhibait la synthèse d’ARN. Nous avons ensuite pu mettre en évidence par qPCR que la stimulation par l’ISO entrainait une augmentation du niveau d'ARNr 18S ainsi qu’une diminution de l'expression d’ARNm de NFκB. En contraste, l’ET-1 n’avait aucun effet sur le niveau d’expression de l’ARNr 18S. Nous avons ensuite montré que la stimulation par l’ISO réduisait l’expression de plusieurs gènes impliqués dans l'activation de NFκB, tandis que l’inhibition de ERK1/2 et PKB renversait cet effet. Un microarray global nous a ensuite permis de démontrer que les βARs et les ETRs nucléaires régulaient un grand nombre de gènes distincts. Finalement, les βARs et ETRs nucléaires augmentaient aussi une production de NO de noyaux isolés, ce qui pouvait être inhibée par le LNAME. Ces résultats ont été confirmés dans des cardiomyocytes intacts en utilisant des analogues cagés et perméables d’ISO et de l'ET-1: l'augmentation de NO nucléaire détectée par DAF2-DA, causée par l'ET-1 et l'ISO, pouvait être prévenue par le LNAME. Finalement, l’augmentation de l’initiation de la transcription induite par l'ISO était aussi bloquée par le L-NAME ou par un inbitheur de PKG, le KT5823, suggérant que la voie NO-GC-PKG est impliquée dans la régulation de la transcription par les βAR. En conclusion, les βARs et les ETRs nucléaires utilisent des voies de signalisation différentes et exercent ainsi des effets distincts sur l’expression des gènes cardiaques. Ils représentent donc une avenue intéressante pour le développement de drogues pharmacologiques.

Étude des déterminants moléculaires de la signalisation des récepteurs couplés aux protéines G et développement d'outils pour l'étude de l'effecteur bêta-arrestine.

Les récepteurs couplés aux protéines G (RCPG) constituent la plus grande famille de protéines membranaires du génome humain. Ils transmettent les signaux extracellulaires provenant de plusieurs stimuli comme les odeurs, les ions, les hormones et les neurotransmetteurs, à l'intérieur des cellules. En se liant aux RCPGs, ces molécules contribuent à la stabilisation des changements conformationnels activateurs qui se propagent jusqu'au domaine intracellulaire des récepteurs. Ces derniers engagent ensuite un ou plusieurs effecteurs, comme les protéines G hétérotrimériques et les β-arrestines (βarrs), qui activent une cascade d'événements moléculaires menant à la réponse cellulaire.Récemment, la publication de structures cristallines de RCPGs liant des ligands diffusibles a offert une opportunité de raffiner à une résolution atomique les modèles des mécanismes de transduction des signaux. Dans la première partie de cette thèse, nous avons donc exploré les déterminants de la signalisation du récepteur prototypique β2-adrénergique (β2AR), induite par les β-bloqueurs. En ne tenant compte que de leur efficacités sur le β2AR dans les voies de l'adénylate cyclase (AC) et des protéines kinases activées par les facteurs mitogéniques (MAPK), les β-bloqueurs peuvent être classés en 3 groupes distincts (agoniste inverse AC / agoniste MAPK, antagoniste neutre AC / agoniste MAPK et agoniste inverse AC / agoniste inverse MAPK). Afin de déterminer le lien entre leur efficacité et leur mode de liaison, nous avons réalisé des expériences d'arrimages moléculaires in silico entre des β-bloqueurs de chacun des groupes et la structure cristalline du β2AR liée au carazolol. De manière intéressante, les ligands à l'intérieur d'un groupe partagent un mode de liaison, alors que ceux des ligands entre les groupes divergent, suggérant que le mode de liaison des β-bloqueurs pourrait être utilisé pour prédire leur l'efficacité. En accord avec cette hypothèse, nous avons prédit et confirmé l'efficacité agoniste MAPK du carazolol, un inverse agoniste AC du β2AR se liant au récepteur de manière similaire au groupe inverse agoniste AC / agoniste MAPK. De manière intéressante, le groupement aryl des ligands agonistes inverses agonistes AC / agoniste MAPK, le seul groupement chimique variable de ce groupe, est prédite pour lier la région des 3e et 5e hélices transmembranaires (TM3 et TM5). Nous avons donc émis l'hypothèse que cette région pourrait être un déterminant de l'efficacité de ces ligands. En accord avec cette dernière, la mutation de 2 résidus (T118I, S203A) localisés proches du site de liaison des groupements aryls des β-bloqueurs, prévient l'efficacité agoniste inverse de l'ICI-118551 sur la voie de l'AC sans affecter l'efficacité d'un agoniste, indiquant que cette région est importante pour la transmission de l'effet agoniste inverse, du moins sur la voie de l'AC. Les βarrs sont des protéines d'échafaudage qui coordonnent la formation de complexes avec plusieurs dizaines d'effecteurs de signalisation. Originalement identifiées pour leur rôle dans la désensibilisation et l'internalisation des RCPGs, elles sont aussi d'importants effecteurs de la signalisation des RCPGs indépendante des protéines G hétérotrimériques. Cependant, contrairement aux protéines G hétérotrimériques, il n'existe que peu d'outils pour les étudier. Ainsi, la deuxième partie de la thèse est dédiée au développement d'outils pour l'étude des βarrs. À cette fin, nous avons d'abord tenté de transposer une méthode de mesure de l'interaction entre 2 protéines par la technologie de transfert d'énergie de bioluminescence par résonance (BRET) en microscopie et chez des souris transgéniques afin de mesurer de manière subcellulaire et dans un contexte natif l'engagement de la βarr à des RCPGs. Ainsi, nous avons établi les preuves de principe que le BRET peut être utilisé pour localiser l'interaction entre la βarr et le récepteur de la vasopressine de type 2 (V2R) sur une cellule au microscope et pour détecter l'interaction entre la βarr et le β2AR sur des tissus de souris transgéniques exprimant ces protéines fusionnées avec des partenaires BRET. Finalement, il n'existe aucun inhibiteur pharmacologique ciblant les βarrs. Ainsi, grâce à la combinaison d'approches de criblage virtuel sur un modèle de la structure des βarrs et d'essais de validation cellulaire, nous avons développé un inhibiteur pharmacologique des βarrs. À l'aide de cet outil, nous avons confirmé l'implication des βarrs dans l'activation des MAPK par le V2R, mais aussi montré un nouveau rôle des βarrs dans le recyclage du β2AR. Les connaissances et outils développés dans cette thèse permettront de mieux comprendre les déterminants moléculaires de la signalisation des RCPGs et entre autres, grâce à des nouvelles approches pour étudier le rôle cellulaire et physiologique des βarrs.

Etude du rôle de la réponse UV sur le contrôle de la réparation par excision de nucléotides (NER) des dommages à l’ADN : rôle des voies MAPK et de l’ADN polymérase eta

La réponse cellulaire aux ultra-violets (UV), ou réponse UV, est une réponse complexe et spécialisée dans l’adaptation et la tolérance des dommages aux UV. Celle-ci est initiée par un grand nombre d’évènements moléculaires et de signalisation nucléaire mais aussi au niveau de la membrane plasmique ou du cytoplasme. L’importance et l’influence exactes de ces évènements sur la réparation par excision de nucléotides (NER) des dommages UV à l’ADN sont encore mal comprises et doivent encore être méthodiquement démontrées. Dans cette thèse, grâce à l’utilisation d’une méthode sensible d’analyse de la réparation NER basée sur la cytométrie en flux, il est montré, dans un premier temps, que l’activité des voies MAPK (Mitogen-Activated Protein Kinases), qui sont des voies de signalisation de stress UV d’origine cytoplsamique, ne participent pas à l’efficacité de réparation NER des dommages UV dans les cellules humaines. En effet, l’abrogation de la signalisation MAPK, par inhibition pharmacologique, par utilisation de mutants dominant-négatifs ou par inhibition de leur expression endogène, ne révèlent aucun changement de la cinétique de réparation des dommages UV par excision de nucléotides. Cependant, l’utilisation de cette même méthode de réparation, mais cette fois, appliquée pour l’étude de réparation NER en fonction du cycle cellulaire, a permis de mettre en évidence la nécessité fonctionnelle de l’ADN polymérase translésionnelle eta (Pol η) dans la réparation NER des dommages UV, uniquement en phase S. Cette observation fut initialement caractérisée dans les cellules de patients affectés du syndrome variant de xérodermie pigmentaire (XP-V) puis, confirmée ensuite par l’inhibition de l’expression de Pol η endogène ou par la complémentation avec des mutants non-fonctionnels dans les cellules XP-V. Ces résultats indiquent que, contrairement à la réponse UV MAPK cytoplasmique, les évènements nucléaires comme la synthèse translésionnelle, peuvent influencer l’efficacité de réparation NER en phase S. Plus particulièrement, ces données établissent un lien possible entre la réparation NER en phase S et les niveaux de stress réplicatifs, révélé ici par la déficience fonctionnelle Pol η ou ATR. Les observations, présentées dans cette thèse, renforcent un rôle du point de contrôle S aux UV sur l’efficacité de la réparation NER et suggèrent que l’inhibition NER, observée en phase S dans les cellules XP-V, est modulée par le stress réplicatif. Un tel moyen de contrôle pourrait avoir une action plutôt protectrice pendant cette phase critique du cycle cellulaire. Mots clés: UV, translésionnelle, eta, MAPK, NER, CPD, cytométrie, phase-S, tolérance.

Early growth response protein 1 (Egr-1) expression by Insulin-like growth factor 1 (IGF-1) involves MAPKs and PKB pathways

Un remodelage vasculaire anormal est à la base de la pathogenèse des maladies cardio-vasculaires (MCV) telles que l’athérosclérose et l’hypertension. Des dysfonctionnements au niveau de la migration, l’hypertrophie et la prolifération des cellules musculaires lisses vasculaires (CMLV) sont des évènements cellulaires qui jouent un rôle primordial dans le remodelage vasculaire. L’insulin-like growth factor 1 (IGF-1), puissant facteur mitogène, contribue au développement des MCV, notamment via l’activation des protéines MAPK et PI3-K/PKB, composantes clés impliquées dans les voies de croissance cellulaire. Ces molécules sont également impliquées dans la modulation de l’expression de nombreux facteurs de transcription, incluant le facteur Egr-1. Egr-1 est régulé à la hausse dans différents types de maladies vasculaires impliquant les voies de signalisation de croissance et de stress oxydant qui par ailleurs peuvent être déclenchées par l’IGF-1. Cependant, la question d’une possible modulation de l’expression d’Egr-1 dans les CMLV demeure inabordée; plus spécifiquement, la caractérisation de la voie de signalisation reliant l’action d’IGF-1 à l’expression d’Egr-1 reste à établir. Dans cette optique, l’objectif de cette étude a été d’examiner l’implication de MAPK, PKB et des dérivés réactifs de l’oxygène (DRO) dans l’expression d’Egr-1 induite par l’IGF-1 dans les CMLV. L’IGF-1 a induit une augmentation marquée du niveau protéique de l’Egr-1 en fonction du temps et de la concentration utilisés. Cette augmentation a été inhibée en fonction des doses d’agents pharmacologiques qui ciblent les voies de signalisation de MAPK, PKB et DRO. De plus, l’expression du facteur de transcription, Egr-1, en réponse de l’IGF-1, a été atténuée suite à un blocage pharmacologique des processus cellulaires responsables de la synthèse d’ARN et de synthèse protéique. Pour conclure, on a démontré que l’IGF-1 stimule l’expression d’Egr-1 via les voies de signalisation, impliquant ERK1/2/JNK, PI3K/PKB. On a également proposé que les DRO jouent un rôle important dans ce processus. Dans l’ensemble, nous avons suggéré un nouveau mécanisme par lequel l’IGF-1 promeut la prolifération et l’hypertrophie cellulaire, processus à la base des anomalies vasculaires.

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.

Phosphorylation et régulation de l’E3 ubiquitine ligase MDM2 par la protéine kinase RSK dans les mélanomes

La voie de signalisation Ras/MAPK (Ras/mitogen-activated protein kinase) régule une variété de protéines intracellulaires qui jouent un rôle important dans la croissance et la prolifération cellulaire. La régulation inappropriée de cette voie de signalisation conduit au développement de nombreux cancers comme le mélanome, qui est caractérisé par des mutations activatrices au niveau des gènes NRAS et BRAF. La protéine kinase RSK (p90 ribosomal S6 kinase) est un composant central de la voie Ras/MAPK, mais son rôle dans la croissance et la prolifération cellulaire n’est pas bien compris. RSK a été montrée pour participer à la résistance des mélanomes aux chimiothérapies, mais le mécanisme moléculaire reste encore à élucider. Nous montrons à l’aide d’un anticorps phospho-spécifique que MDM2 est phosphorylée en réponse à des agonistes et des mutations oncogéniques activant spécifiquement la voie Ras/MAPK. En utilisant des méthodes in vitro et in vivo, nous avons constaté que RSK phosphoryle directement MDM2 sur les Sérines 166 et 186, ce qui suggère que MDM2 est un substrat de RSK. La mutagénèse dirigée envers ces sites nous indique que ces résidus régulent l’ubiquitination de MDM2, suggérant que RSK régule la stabilité de MDM2 et de p53. De plus, nous avons observé que l’inhibition de RSK conduit à une augmentation du niveau protéique de p53 après un dommage à l’ADN dans les cellules de mélanomes. En conclusion, nos travaux suggèrent un rôle important de la protéine kinase RSK dans la régulation de MDM2 et de sa cible, p53. L’étude de ces mécanismes moléculaires aidera à mieux définir le rôle de RSK dans la croissance tumorale, mais également dans la résistance aux agents chimiothérapeutiques.

Flavonoids: antioxidants or signalling molecules?

Many studies are accumulating that report the neuroprotective, cardioprotective, and chemopreventive actions of dietary flavonoids. While there has been a major focus on the antioxidant properties, there is an emerging view that flavonoids, and their in vivo metabolites, do not act as conventional hydrogen-donating antioxidants but may exert modulatory actions in cells through actions at protein kinase and lipid kinase signalling pathways. Flavonoids, and more recently their metabolites, have been reported to act at phosphoinositide 3-kinase (PI 3-kinase), Akt/protein kinase B (Akt/PKB), tyrosine kinases, protein kinase C (PKC), and mitogen activated protein kinase (MAP kinase) signalling cascades. Inhibitory or stimulatory actions at these pathways are likely to affect cellular function profoundly by altering the phosphorylation state of target molecules and by modulating gene expression. A clear understanding of the mechanisms of action of flavonoids, either as antioxidants or modulators of cell signalling, and the influence of their metabolism on these properties are key to the evaluation of these potent biomolecules as anticancer agents, cardioprotectants, and inhibitors of neurodegeneration (C) 2004 Elsevier Inc. All rights reserved.

Neuroinflammation and its modulation by flavonoids

There is increasing evidence to suggest that neuroinflammatory processes contribute to the cascade of events that lead to the progressive neuronal damage observed in neurodegenerative disorders such as Parkinson’s disease and Alzheimer’s disease. Therefore, treatment regimes aimed at modulating neuroinflammatory processes may act to slow the progression of these debilitating brain disorders. Recently, a group of dietary polyphenols known as flavonoids have been shown to exert neuroprotective effects in vivo and in neuronal cell models. In this review we discuss the evidence relating to the modulation of neuroinflammation by flavonoids. We highlight the evidence which suggests their mechanism of action involves: 1) attenuation of the release of cytokines, such as interleukin-1β (IL-1β) and tumor necrosis factor-alpha (TNF-α); 2) an inhibitory action against inducible nitric oxide synthase (iNOS) induction and subsequent nitric oxide (NO•) production; 3) inhibition of the activation of NADPH oxidase and subsequent reactive oxygen species generation; 4) a capacity to down-regulate the activity of pro-inflammatory transcription factors such as nuclear factor-κB (NF-κB); and 5) the potential to modulate signalling pathways such as mitogen-activated protein kinase (MAPK) cascade. We also consider the potential of these dietary compounds to represent novel therapeutic agents by considering their metabolism in the body and their ability to access the brain via the blood brain barrier. Finally, we discuss future areas of study which are necessary before dietary flavonoids can be established as therapeutic agents against neuroinflammation.

Food for thought: the role of dietary flavonoids in enhancing human memory, learning and neuro-cognitive performance

Emerging evidence suggests that dietary-derived flavonoids have the potential to improve human memory and neuro-cognitive performance via their ability to protect vulnerable neurons, enhance existing neuronal function and stimulate neuronal regeneration. Long-term potentiation (LTP) is widely considered to be one of the major mechanisms underlying memory acquisition, consolidation and storage in the brain and is known to be controlled at the molecular level by the activation of a number of neuronal signalling pathways. These pathways include the phosphatidylinositol-3 kinase/protein kinase B/Akt (Akt), protein kinase C, protein kinase A, Ca-calmodulin kinase and mitogen-activated protein kinase pathways. Growing evidence suggests that flavonoids exert effects on LTP, and consequently memory and cognitive performance, through their interactions with these signalling pathways. Of particular interest is the ability of flavonoids to activate the extracellular signal-regulated kinase and the Akt signalling pathways leading to the activation of the cAMP-response element-binding protein, a transcription factor responsible for increasing the expression of a number of neurotrophins important in LTP and long-term memory. One such neurotrophin is brain-derived neurotrophic factor, which is known to be crucial in controlling synapse growth, in promoting an increase in dendritic spine density and in enhancing synaptic receptor density. The present review explores the potential of flavonoids and their metabolite forms to promote memory and learning through their interactions with neuronal signalling pathways pivotal in controlling LTP and memory in human subjects.

Enhanced sensitivity to rapamycin following long-term oestrogen deprivation in MCF-7, T-47-D and ZR-75-1 human breast cancer cells

Human breast cancer cells (MCF-7, T-47-D and ZR-75-1) can adapt to circumvent any reduced growth rate during long-term oestrogen deprivation, and this provides three model systems to investigate mechanisms of endocrine resistance in breast cancer. In this paper we report consistent differences in the effects of three growth inhibitors following long-term oestrogen deprivation in all three cell models. Long-term oestrogen deprivation of MCF-7, T-47-D and ZR-75-1 cells resulted in reduced growth inhibition by PD98059 (2–10 µg/ml), implying a loss of dependence on mitogen-activated protein kinase pathways for growth. The growth inhibitor LY294002 (2–10 µM) inhibited growth of both oestrogen-maintained and oestrogen-deprived cells with similar dose–responses, implying continued similar dependence on phosphoinositide 3-kinase (PI3K) pathways with no alteration after adaptation to oestrogen independent growth. However, by contrast, long-term oestrogen deprivation resulted in an increased sensitivity to growth inhibition by rapamycin, which was not reduced by readdition of oestradiol. The enhanced inhibition of long-term oestrogen-deprived MCF-7-ED, T-47-D-ED and ZR-75-1-ED cell growth by combining rapamycin with LY294002 at concentrations where each alone had little effect, offers preclinical support to the development of therapeutic combinations of rapamycin analogues with other PI3K inhibitors in endocrine-resistant breast cancer.

The impact of fruit flavonoids on memory and cognition

There is intense interest in the studies related to the potential of phytochemical-rich foods to prevent age-related neurodegeneration and cognitive decline. Recent evidence has indicated that a group of plant-derived compounds known as flavonoids may exert particularly powerful actions on mammalian cognition and may reverse age-related declines in memory and learning. In particular, evidence suggests that foods rich in three specific flavonoid sub-groups, the flavanols, anthocyanins and/or flavanones, possess the greatest potential to act on the cognitive processes. This review will highlight the evidence for the actions of such flavonoids, found most commonly in fruits, such as apples, berries and citrus, on cognitive behaviour and the underlying cellular architecture. Although the precise mechanisms by which these flavonoids act within the brain remain unresolved, the present review focuses on their ability to protect vulnerable neurons and enhance the function of existing neuronal structures, two processes known to be influenced by flavonoids and also known to underpin neuro-cognitive function. Most notably, we discuss their selective interactions with protein kinase and lipid kinase signalling cascades (i.e. phosphoinositide-3 kinase/Akt and mitogen-activated protein kinase pathways), which regulate transcription factors and gene expression involved in both synaptic plasticity and cerebrovascular blood flow. Overall, the review attempts to provide an initial insight into the potential impact of regular flavonoid-rich fruit consumption on normal or abnormal deteriorations in cognitive performance.

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.

Endosomal endothelin-converting enzyme-1: a regulator of beta-arrestin-dependent ERK signaling

Neuropeptide signaling at the cell surface is regulated by metalloendopeptidases, which degrade peptides in the extracellular fluid, and beta-arrestins, which interact with G protein-coupled receptors (GPCRs) to mediate desensitization. beta-Arrestins also recruit GPCRs and mitogen-activated protein kinases to endosomes to allow internalized receptors to continue signaling, but the mechanisms regulating endosomal signaling are unknown. We report that endothelin-converting enzyme-1 (ECE-1) degrades substance P (SP) in early endosomes of epithelial cells and neurons to destabilize the endosomal mitogen-activated protein kinase signalosome and terminate signaling. ECE-1 inhibition caused endosomal retention of the SP neurokinin 1 receptor, beta-arrestins, and Src, resulting in markedly sustained ERK2 activation in the cytosol and nucleus, whereas ECE-1 overexpression attenuated ERK2 activation. ECE-1 inhibition also enhanced SP-induced expression and phosphorylation of the nuclear death receptor Nur77, resulting in cell death. Thus, endosomal ECE-1 attenuates ERK2-mediated SP signaling in the nucleus to prevent cell death. We propose that agonist availability in endosomes, here regulated by ECE-1, controls beta-arrestin-dependent signaling of endocytosed GPCRs.

Stimulation of phosphatidylinositol hydrolysis, protein kinase C translocation, and mitogen-activated protein kinase activity by bradykinin in rat ventricular myocytes: dissociation from the hypertrophic response.

In ventricular myocytes cultured from neonatal rat hearts, bradykinin (BK), kallidin or BK(1-8) [(Des-Arg9)BK] stimulated PtdinsP2 hydrolysis by 3-4-fold. EC50 values were 6 nM (BK), 2 nM (kallidin), and 14 microM [BK(1-8)]. BK or kallidin stimulated the rapid (less than 30 s) translocation of more than 80% of the novel protein kinase C (PKC) isoforms nPKC-delta and nPKC-epsilon from the soluble to the particulate fraction. EC50 values for nPKC-delta translocation by BK or kallidin were 10 and 2 nM respectively. EC50 values for nPKC-epsilon translocation by BK or kallidin were 2 and 0.6 nM respectively. EC50 values for the translocation of nPKC-delta and nPKC-epsilon by BK(1-8) were more than 5 microM. The classical PKC, cPKC-alpha, and the atypical PKC, nPKC-zeta, did not translocate. BK caused activation and phosphorylation of p42-mitogen-activated protein kinase (MAPK) (maximal at 3-5 min, 30-35% of p42-MAPK phosphorylated). p44-MAPK was similarly activated. EC50 values for p42/p44-MAPK activation by BK were less than 1 nM whereas values for BK(1-8) were more than 10 microM. The order of potency [BK approximately equal to kallidin > BK (1-8)] for the stimulation of PtdInsP2 hydrolysis, nPKC-delta and nPKC-epsilon translocation, and p42/p44-MAPK activities suggests involvement of the B2 BK receptor subtype. In addition, stimulation of all three processes by BK was inhibited by the B2BK receptor-selective antagonist HOE140 but not by the B1-selective antagonist Leu8BK(1-8). Exposure of cells to phorbol 12-myristate 13-acetate for 24 h inhibited subsequent activation of p42/p44-MAPK by BK suggesting participation of nPKC (and possibly cPKC) isoforms in the activation process. Thus, like hypertrophic agents such as endothelin-1 (ET-1) and phenylephrine (PE), BK activates PtdInsP2 hydrolysis, translocates nPKC-delta, and nPKC-epsilon, and activates p42/p44-MAPK. However, in comparison with ET-1 and PE, BK was only weakly hypertrophic as assessed by cell morphology and patterns of gene expression. This difference could not be attributed to dissimilarities between the duration of activation of p42/p44-MAPK by BK or ET-1. Thus activation of these signalling pathways alone may be insufficient to induce a powerful hypertrophic response.

Stimulation of the p38 mitogen-activated protein kinase pathway in neonatal rat ventricular myocytes by the G protein-coupled receptor agonists, endothelin-1 and phenylephrine: a role in cardiac myocyte hypertrophy?

We examined the activation of the p38 mitogen-activated protein kinase (p38-MAPK) pathway by the G protein-coupled receptor agonists, endothelin-1 and phenylephrine in primary cultures of cardiac myocytes from neonatal rat hearts. Both agonists increased the phosphorylation (activation) of p38-MAPK by approximately 12-fold. A p38-MAPK substrate, MAPK-activated protein kinase 2 (MAPKAPK2), was activated approximately fourfold and 10 microM SB203580, a p38-MAPK inhibitor, abolished this activation. Phosphorylation of the MAPKAPK2 substrate, heat shock protein 25/27, was also increased. Using selective inhibitors, activation of the p38-MAPK pathway by endothelin-1 was shown to involve protein kinase C but not Gi/Go nor the extracellularly responsive kinase (ERK) pathway. SB203580 failed to inhibit the morphological changes associated with cardiac myocyte hypertrophy induced by endothelin-1 or phenylephrine between 4 and 24 h. However, it decreased the myofibrillar organization and cell profile at 48 h. In contrast, inhibition of the ERK cascade with PD98059 prevented the increase in myofibrillar organization but not cell profile. These data are not consistent with a role for the p38-MAPK pathway in the immediate induction of the morphological changes of hypertrophy but suggest that it may be necessary over a longer period to maintain the response.