Interactome mapping of the phosphatidylinositol 3-kinase-mammalian target of rapamycin pathway identifies deformed epidermal autoregulatory factor-1 as a new glycogen synthase kinase-3 interactor.

The phosphatidylinositol 3-kinase-mammalian target of rapamycin (PI3K-mTOR) pathway plays pivotal roles in cell survival, growth, and proliferation downstream of growth factors. Its perturbations are associated with cancer progression, type 2 diabetes, and neurological disorders. To better understand the mechanisms of action and regulation of this pathway, we initiated a large scale yeast two-hybrid screen for 33 components of the PI3K-mTOR pathway. Identification of 67 new interactions was followed by validation by co-affinity purification and exhaustive literature curation of existing information. We provide a nearly complete, functionally annotated interactome of 802 interactions for the PI3K-mTOR pathway. Our screen revealed a predominant place for glycogen synthase kinase-3 (GSK3) A and B and the AMP-activated protein kinase. In particular, we identified the deformed epidermal autoregulatory factor-1 (DEAF1) transcription factor as an interactor and in vitro substrate of GSK3A and GSK3B. Moreover, GSK3 inhibitors increased DEAF1 transcriptional activity on the 5-HT1A serotonin receptor promoter. We propose that DEAF1 may represent a therapeutic target of lithium and other GSK3 inhibitors used in bipolar disease and depression.

Cholesterol is the major component of native lipoproteins activating the p38 mitogen-activated protein kinases.

Elevated low-density lipoprotein (LDL) levels induce activation of the p38 mitogen-activated protein kinase (MAPK), a stress-activated protein kinase potentially participating in the development of atherosclerosis. The nature of the lipoprotein components inducing p38 MAPK activation has remained unclear however. We show here that both LDLs and high-density lipoproteins (HDLs) have the ability to stimulate the p38 MAPKs with potencies that correlate with their cholesterol content. Cholesterol solubilized in methyl-beta-cyclodextrin was sufficient to activate the p38 MAPK pathway. Liposomes made of phosphatidylcholine (PC) or sphingomyelin, the two main phospholipids found in lipoproteins, were unable to stimulate the p38 MAPKs. In contrast, PC liposomes loaded with cholesterol potently activated this pathway. Reducing the cholesterol content of LDL particles lowered their ability to activate the p38 MAPKs. Cell lines representative of the three main cell types found in blood vessels (endothelial cells, smooth muscle cells and fibroblasts) all activated their p38 MAPK pathway in response to LDLs or cholesterol-loaded PC liposomes. These results indicate that elevated cholesterol content in lipoproteins, as seen in hypercholesterolemia, favors the activation of the stress-activated p38 MAPK pathway in cells from the vessel wall, an event that might contribute to the development of atherosclerosis.

Role of Mitogen-Activated Protein Kinases in Myocardial Ischemia-Reperfusion Injury during Heart Transplantation.

In solid organ transplantation, ischemia/reperfusion (IR) injury during organ procurement, storage and reperfusion is an unavoidable detrimental event for the graft, as it amplifies graft inflammation and rejection. Intracellular mitogen-activated protein kinase (MAPK) signaling pathways regulate inflammation and cell survival during IR injury. The four best-characterized MAPK subfamilies are the c-Jun NH2-terminal kinase (JNK), extracellular signal- regulated kinase-1/2 (ERK1/2), p38 MAPK, and big MAPK-1 (BMK1/ERK5). Here, we review the role of MAPK activation during myocardial IR injury as it occurs during heart transplantation. Most of our current knowledge regarding MAPK activation and cardioprotection comes from studies of preconditioning and postconditioning in nontransplanted hearts. JNK and p38 MAPK activation contributes to myocardial IR injury after prolonged hypothermic storage. p38 MAPK inhibition improves cardiac function after cold storage, rewarming and reperfusion. Small-molecule p38 MAPK inhibitors have been tested clinically in patients with chronic inflammatory diseases, but not in transplanted patients, so far. Organ transplantation offers the opportunity of starting a preconditioning treatment before organ procurement or during cold storage, thus modulating early events in IR injury. Future studies will need to evaluate combined strategies including p38 MAPK and/or JNK inhibition, ERK1/2 activation, pre- or postconditioning protocols, new storage solutions, and gentle reperfusion.

Roles of mitogen-activated protein kinases and angiotensin II in renal development

Experimental and clinical evidence suggests that angiotensin II (AII) participates in renal development. Renal AII content is several-fold higher in newborn rats and mice than in adult animals. AII receptors are also expressed in higher amounts in the kidneys of newborn rats. The kidneys of fetuses whose mother received a type 1 AII receptor (AT1) antagonist during gestation present several morphological alterations. Mutations in genes that encode components of the renin-angiotensin system are associated with autosomal recessive renal tubular dysgenesis. Morphological changes were detected in the kidneys of 3-week-old angiotensin-deficient mice. Mitogen-activated protein kinases (MAPKs) are important mediators that transduce extracellular stimuli to intracellular responses. The MAPK family comprises three major subgroups, namely extracellular signal-regulated protein kinase (ERK), c-jun N-terminal kinases (JNK), and p38 MAPK (p38). Important events in renal growth during nephrogenesis such as cellular proliferation and differentiation accompanied by apoptosis on a large scale can be mediated by MAPK pathways. A decrease in glomerulus number was observed in embryos cultured for 48 and 120 h with ERK or p38 inhibitors. Many effects of AII are mediated by MAPK pathways. Treatment with losartan during lactation provoked changes in renal function and structure associated with alterations in AT1 and type 2 AII (AT2) receptors and p-JNK and p-p38 expression in the kidney. Several studies have shown that AII and MAPKs play an important role in renal development. However, the relationship between the effects of AII and MAPK activation on renal development is still unclear.

Étude dans la cellule bêta pancréatique de voies inhibitrices de la sécrétion d'insuline liées au métabolisme des lipides

Le diabète de type 2 (DT2) est une maladie métabolique complexe causée par des facteurs génétiques mais aussi environnementaux, tels la sédentarité et le surpoids. La dysfonction de la cellule β pancréatique est maintenant reconnue comme l’élément déterminant dans le développement du DT2. Notre laboratoire s’intéresse à la sécrétion d’insuline par la cellule β en réponse aux nutriments calorigéniques et aux mécanismes qui la contrôle. Alors que la connaissance des mécanismes responsables de l’induction de la sécrétion d’insuline en réponse aux glucose et acides gras est assez avancée, les procédés d’inhibition de la sécrétion dans des contextes normaux ou pathologiques sont moins bien compris. L’objectif de la présente thèse était d’identifier quelques-uns de ces mécanismes de régulation négative de la sécrétion d’insuline dans la cellule β pancréatique, et ce en situation normale ou pathologique en lien avec le DT2. La première hypothèse testée était que l’enzyme mitochondriale hydroxyacyl-CoA déshydrogénase spécifique pour les molécules à chaîne courte (short-chain hydroxyacyl-CoA dehydrogenase, SCHAD) régule la sécrétion d’insuline induite par le glucose (SIIG) par la modulation des concentrations d’acides gras ou leur dérivés tels les acyl-CoA ou acyl-carnitine dans la cellule β. Pour ce faire, nous avons utilisé la technologie des ARN interférants (ARNi) afin de diminuer l’expression de SCHAD dans la lignée cellulaire β pancréatique INS832/13. Nous avons par la suite vérifié chez la souris DIO (diet-induced obesity) si une exposition prolongée à une diète riche en gras activerait certaines voies métaboliques et signalétiques assurant une régulation négative de la sécrétion d’insuline et contribuerait au développement du DT2. Pour ce faire, nous avons mesuré la SIIG, le métabolisme intracellulaire des lipides, la fonction mitochondriale et l’activation de certaines voies signalétiques dans les îlots de Langerhans isolés des souris normales (ND, normal diet) ou nourries à la dière riche en gras (DIO) Nos résultats suggèrent que l’enzyme SCHAD est importante dans l’atténuation de la sécrétion d’insuline induite par le glucose et les acides aminés. En effet, l’oxydation des acides gras par la protéine SCHAD préviendrait l’accumulation d’acyl-CoA ou de leurs dérivés carnitine à chaîne courtes potentialisatrices de la sécrétion d’insuline. De plus, SCHAD régule le métabolisme du glutamate par l’inhibition allostérique de l’enzyme glutamate déshydrogénase (GDH), prévenant ainsi une hyperinsulinémie causée par une sur-activité de GDH. L’étude de la dysfonction de la cellule β dans le modèle de souris DIO a démontré qu’il existe une grande hétérogénéité dans l’obésité et l’hyperglycémie développées suite à la diète riche en gras. L’orginialité de notre étude réside dans la stratification des souris DIO en deux groupes : les faibles et forts répondants à la diète (low diet responders (LDR) et high diet responder (HDR)) sur la base de leur gain de poids corporel. Nous avons mis en lumières divers mécanismes liés au métabolisme des acides gras impliqués dans la diminution de la SIIG. Une diminution du flux à travers le cycle TG/FFA accompagnée d’une augmentation de l’oxydation des acides gras et d’une accumulation intracellulaire de cholestérol contribuent à la diminution de la SIIG chez les souris DIO-HDR. De plus, l’altération de la signalisation par les voies AMPK (AMP-activated protein kinase) et PKC epsilon (protéine kinase C epsilon) pourrait expliquer certaines de ces modifications du métabolisme des îlots DIO et causer le défaut de sécrétion d’insuline. En résumé, nous avons mis en lumière des mécanismes importants pour la régulation négative de la sécrétion d’insuline dans la cellule β pancréatique saine ou en situation pathologique. Ces mécanismes pourraient permettre d’une part de limiter l’amplitude ou la durée de la sécrétion d’insuline suite à un repas chez la cellule saine, et d’autre part de préserver la fonction de la cellule β en retardant l’épuisement de celle-ci en situation pathologique. Certaines de ces voies peuvent expliquer l’altération de la sécrétion d’insuline dans le cadre du DT2 lié à l’obésité. À la lumière de nos recherches, le développement de thérapies ayant pour cible les mécanismes de régulation négative de la sécrétion d’insuline pourrait être bénéfique pour le traitement de patients diabétiques.

Intestin et défauts métaboliques dans la résistance à l'insuline

En lien avec l’augmentation constante de l’obésité, de plus en plus de personnes sont atteintes de résistance à l’insuline ou de diabète de type 2. Ce projet doctoral s’est surtout intéressé à l’une des conséquences majeures des pathologies cardiométaboliques, soit la dyslipidémie diabétique. À cet égard, les gens présentant une résistance à l’insuline ou un diabète de type 2 sont plus à risque de développer des perturbations lipidiques caractérisées essentiellement par des taux élevés de triglycérides et de LDL-cholestérol ainsi que de concentrations restreintes en HDL-cholestérol dans la circulation. Les risques de maladies cardiovasculaires sont ainsi plus élevés chez ces patients. Classiquement, trois organes sont connus pour développer l’insulino-résistance : le muscle, le tissu adipeux et le foie. Néanmoins, certaines évidences scientifiques commencent également à pointer du doigt l’intestin, un organe critique dans la régulation du métabolisme des lipides postprandiaux, et qui pourrait, conséquemment, avoir un impact important dans l’apparition de la dyslipidémie diabétique. De façon très intéressante, des peptides produits par l’intestin, notamment le GLP-1 (glucagon-like peptide-1), ont déjà démontré leur potentiel thérapeutique quant à l’amélioration du statut diabétique et leur rôle dans le métabolisme intestinal lipoprotéinique. Une autre évidence est apportée par la chirurgie bariatrique qui a un effet positif, durable et radical sur la perte pondérale, le contrôle métabolique et la réduction des comorbidités du diabète de type 2, suite à la dérivation bilio-intestinale. Les objectifs centraux du présent programme scientifique consistent donc à déterminer le rôle de l’intestin dans (i) l’homéostasie lipidique/lipoprotéinique en réponse à des concentrations élevées de glucose (à l’instar du diabète) et à des peptides gastro-intestinaux tels que le PYY (peptide YY); (ii) la coordination du métabolisme en disposant de l’AMPK (AMP-activated protein kinase) comme senseur incontournable permettant l’ajustement précis des besoins et disponibilités énergétiques cellulaires; et (iii) l’ajustement de sa capacité d’absorption des graisses alimentaires en fonction du gain ou de la perte de sa sensibilité à l’insuline démontrée dans les spécimens intestinaux humains prélevés durant la chirurgie bariatrique. Dans le but de confirmer le rôle de l’intestin dans la dyslipidémie diabétique, nous avons tout d’abord utilisé le modèle cellulaire intestinal Caco-2/15. Ces cellules ont permis de démontrer qu’en présence de hautes concentrations de glucose en basolatéral, telle qu’en condition diabétique, l’intestin absorbe davantage de cholestérol provenant de la lumière intestinale par l’intermédiaire du transporteur NPC1L1 (Niemann Pick C1-like 1). L’utilisation de l’ezetimibe, un inhibiteur du NPC1L1, a permis de contrecarrer cette augmentation de l’expression de NPC1L1 tout comme l’élévation de l’absorption du cholestérol, prouvant ainsi que le NPC1L1 est bel et bien responsable de cet effet. D’autre part, des travaux antérieurs avaient identifié certains indices quant à un rôle potentiel du peptide intestinal PYY au niveau du métabolisme des lipides intestinaux. Toutefois, aucune étude n’avait encore traité cet aspect systématiquement. Pour établir définitivement l’aptitude du PYY à moduler le transport et le métabolisme lipidique dans l’intestin, nous avons utilisé les cellules Caco-2/15. Notre étude a permis de constater que le PYY incubé du côté apical est capable de réduire significativement l’absorption du cholestérol et le transporteur NPC1L1. Puisque le rôle de l'AMPK dans l'intestin demeure inexploré, il est important non seulement de définir sa structure moléculaire, sa régulation et sa fonction dans le métabolisme des lipides, mais aussi d'examiner l'impact de l’insulino-résistance et du diabète de type 2 (DT2) sur son statut et son mode d’action gastro-intestinal. En employant les cellules Caco-2/15, nous avons été capables de montrer (i) la présence de toutes les sous-unités AMPK (α1/α2/β1/β2/γ1/γ2/γ3) avec une différence marquée dans leur abondance et une prédominance de l’AMPKα1 et la prévalence de l’hétérotrimère α1/β2/γ1; (ii) l’activation de l’AMPK par la metformine et l’AICAR, résultant ainsi en une phosphorylation accrue de l’enzyme acétylCoA carboxylase (ACC) et sans influence sur l'HMG-CoA réductase; (iii) la modulation négative de l’AMPK par le composé C et des concentrations de glucose élevées avec des répercussions sur la phosphorylation de l’ACC. D’autre part, l’administration de metformine au Psammomys obesus, un modèle animal de diabète et de syndrome métabolique, a conduit à (i) une régulation positive de l’AMPK intestinale (phosphorylation de l’AMPKα-Thr172); (ii) la réduction de l'activité ACC; (iii) l’augmentation de l’expression génique et protéique de CPT1, supportant une stimulation de la β-oxydation; (iv) une tendance à la hausse de la sensibilité à l'insuline représentée par l’induction de la phosphorylation d'Akt et l’inactivation de la phosphorylation de p38; et (v) l’abaissement de la formation des chylomicrons ce qui conduit à la diminution de la dyslipidémie diabétique. Ces données suggèrent que l'AMPK remplit des fonctions clés dans les processus métaboliques de l'intestin grêle. La preuve flagrante de l’implication de l’intestin dans les événements cardiométaboliques a été obtenue par l’examen des spécimens intestinaux obtenus de sujets obèses, suite à une chirurgie bariatrique. L’exploration intestinale nous a permis de constater chez ceux avec un indice HOMA élevé (marqueur d’insulinorésistance) (i) des défauts de signalisation de l'insuline comme en témoigne la phosphorylation réduite d'Akt et la phosphorylation élevée de p38 MAPK; (ii) la présence du stress oxydatif et de marqueurs de l'inflammation; (iii) la stimulation de la lipogenèse et de la production des lipoprotéines riches en triglycérides avec l’implication des protéines clés FABP, MTP et apo B-48. En conclusion, l'intestin grêle peut être classé comme un tissu insulino-sensible et répondant à plusieurs stimuli nutritionnels et hormonaux. Son dérèglement peut être déclenché par le stress oxydatif et l'inflammation, ce qui conduit à l'amplification de la lipogenèse et la synthèse des lipoprotéines, contribuant ainsi à la dyslipidémie athérogène chez les patients atteints du syndrome métabolique et de diabète de type 2.

Caractérisation et régulation du métabolisme des acides gras dans l’hypothalamus

Un déséquilibre de la balance énergétique constitue la principale cause du développement des pathologies métaboliques telles que l’obésité et le diabète de type 2. Au sein du cerveau, l’hypothalamus joue un rôle primordial dans le contrôle de la prise alimentaire et du métabolisme périphérique via le système nerveux autonome. Ce contrôle, repose sur l’existence de différentes populations neuronales au sein de l’hypothalamus médio-basal (MBH), neurones à neuropeptide Y (NPY)/Agouti-related peptide (AgRP), et neurones a proopiomelanocortine (POMC), dont l’activité est directement modulée par les variations des taux circulants des nutriments tels que le glucose et les acides gras (FA). Alors que les mécanismes de détection et le métabolisme intracellulaire du glucose ont été largement étudiés, l’implication du métabolisme intracellulaire des FA dans leurs effets centraux, est très peu comprise. De plus, on ignore si le glucose, module le métabolisme intracellulaire des acides gras à longue chaine (LCFA) dans le MBH. Le but de notre première étude est, de déterminer l'impact du glucose sur le métabolisme des LCFA, le rôle de l’AMP-activated protein kinase (AMPK), kinase détectrice du statut énergétique cellulaire, et d'établir s’il y a des changements dans le métabolisme des LCFA en fonction de leur structure, du type cellulaire et de la région cérébrale. Nos résultats montrent que le glucose inhibe l'oxydation du palmitate via l’AMPK dans les neurones et les astrocytes primaires hypothalamiques, in vitro, ainsi que dans les explants du MBH, ex vivo, mais pas dans les astrocytes et les explants corticaux. De plus, le glucose augmente l'estérification du palmitate et non de l’oléate dans les neurones et les explants du MBH, mais pas dans les astrocytes hypothalamiques. Ces résultats décrivent le devenir métabolique de différents LCFA dans le MBH, ainsi que, la régulation AMPK - dépendante de leur métabolisme par le glucose dans les astrocytes et les neurones, et démontrent pour la première fois que le métabolisme du glucose et des LCFA est couplé spécifiquement dans les noyaux du MBH, dont le rôle est critique pour le contrôle de l'équilibre énergétique. Le deuxième volet de cette thèse s’est intéressé à déterminer les mécanismes intracellulaires impliqués dans le rôle de la protéine de liaison ACBP dans le métabolisme central des FA. Nous avons démontré que le métabolisme de l’oléate et non celui du palmitate est dépendant de la protéine ACBP, dans les astrocytes hypothalamiques ainsi que dans les explants du MBH. Ainsi, nos résultats démontrent qu’ACBP, protéine identifiée originellement au niveau central, comme un modulateur allostérique des récepteurs GABA, agit comme un régulateur du métabolisme intracellulaire des FA. Ces résultats ouvrent de nouvelles pistes de recherche liées à la régulation du métabolisme des acides gras au niveau central, ainsi que, la nouvelle fonction de la protéine ACBP dans la régulation du métabolisme des FA au niveau du système nerveux central. Ceci aiderait à identifier des cibles moléculaires pouvant contribuer au développement de nouvelles approches thérapeutiques de pathologies telles que l’obésité et le diabète de type 2.

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.

Heme oxygenase-1 protects against Alzheimer’s amyloid-β1-42 induced toxicity via carbon monoxide production

Heme oxygenase-1 (HO-1), an inducible enzyme up-regulated in Alzheimer‟s disease (AD), catabolises heme to biliverdin, Fe2+ and carbon monoxide (CO). CO can protect neurones from oxidative stress-induced apoptosis by inhibiting Kv2.1 channels, which mediate cellular K+ efflux as an early step in the apoptotic cascade. Since apoptosis contributes to the neuronal loss associated with amyloid β peptide (Aβ) toxicity in AD, we investigated the protective effects of HO-1 and CO against Aβ1-42 toxicity in SH-SY5Y cells, employing cells stably transfected with empty vector or expressing the cellular prion protein, PrPc, and rat primary hippocampal neurons. Aβ1-42 (containing protofibrils) caused a concentrationdependent decrease in cell viability, attributable at least in part to induction of apoptosis, with the PrPc expressing cells showing greater susceptibility to Aβ1-42 toxicity. Pharmacological induction or genetic over-expression of HO-1 significantly ameliorated the effects of Aβ1-42. The CO-donor CORM-2 protected cells against Aβ1-42 toxicity in a concentration-dependent manner. Electrophysiological studies revealed no differences in the outward current pre- and post-Aβ1-42 treatment suggesting that K+ channel activity is unaffected in these cells. Instead, Aβ toxicity was reduced by the L-type Ca2+ channel blocker nifedipine, and by the CaMKKII inhibitor, STO-609. Aβ also activated the downstream kinase, AMP-dependent protein kinase (AMPK). CO prevented this activation of AMPK. Our findings indicate that HO-1 protects against Aβ toxicity via production of CO. Protection does not arise from inhibition of apoptosis-associated K+ efflux, but rather by inhibition of AMPK activation, which has been recently implicated in the toxic effects of Aβ. These data provide a novel, beneficial effect of CO which adds to its growing potential as a therapeutic agent.

Stimulation of "stress-regulated" mitogen-activated protein kinases (stress-activated protein kinases/c-Jun N-terminal kinases and p38-mitogen-activated protein kinases) in perfused rat hearts by oxidative and other stresses.

"Stress-regulated" mitogen-activated protein kinases (SR-MAPKs) comprise the stress-activated protein kinases (SAPKs)/c-Jun N-terminal kinases (JNKs) and the p38-MAPKs. In the perfused heart, ischemia/reperfusion activates SR-MAPKs. Although the agent(s) directly responsible is unclear, reactive oxygen species are generated during ischemia/reperfusion. We have assessed the ability of oxidative stress (as exemplified by H2O2) to activate SR-MAPKs in the perfused heart and compared it with the effect of ischemia/reperfusion. H2O2 activated both SAPKs/JNKs and p38-MAPK. Maximal activation by H2O2 in both cases was observed at 0.5 mM. Whereas activation of p38-MAPK by H2O2 was comparable to that of ischemia and ischemia/reperfusion, activation of the SAPKs/JNKs was less than that of ischemia/reperfusion. As with ischemia/reperfusion, there was minimal activation of the ERK MAPK subfamily by H2O2. MAPK-activated protein kinase 2 (MAPKAPK2), a downstream substrate of p38-MAPKs, was activated by H2O2 to a similar extent as with ischemia or ischemia/reperfusion. In all instances, activation of MAPKAPK2 in perfused hearts was inhibited by SB203580, an inhibitor of p38-MAPKs. Perfusion of hearts at high aortic pressure (20 kilopascals) also activated the SR-MAPKs and MAPKAPK2. Free radical trapping agents (dimethyl sulfoxide and N-t-butyl-alpha-phenyl nitrone) inhibited the activation of SR-MAPKs and MAPKAPK2 by ischemia/reperfusion. These data are consistent with a role for reactive oxygen species in the activation of SR-MAPKs during ischemia/reperfusion.

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

We investigated the ability of phenylephrine (PE), an alpha-adrenergic agonist and promoter of hypertrophic growth in the ventricular myocyte, to activate the three best-characterized mitogen-activated protein kinase (MAPK) subfamilies, namely p38-MAPKs, SAPKs/JNKs (i.e. stress-activated protein kinases/c-Jun N-terminal kinases) and ERKs (extracellularly responsive kinases), in perfused contracting rat hearts. Perfusion of hearts with 100 microM PE caused a rapid (maximal at 10 min) 12-fold activation of two p38-MAPK isoforms, as measured by subsequent phosphorylation of a p38-MAPK substrate, recombinant MAPK-activated protein kinase 2 (MAPKAPK2). This activation coincided with phosphorylation of p38-MAPK. Endogenous MAPKAPK2 was activated 4-5-fold in these perfusions and this was inhibited completely by the p38-MAPK inhibitor, SB203580 (10 microM). Activation of p38-MAPK and MAPKAPK2 was also detected in non-contracting hearts perfused with PE, indicating that the effects were not dependent on the positive inotropic/chronotropic properties of the agonist. Although SAPKs/JNKs were also rapidly activated, the activation (2-3-fold) was less than that of p38-MAPK. The ERKs were activated by perfusion with PE and the activation was at least 50% of that seen with 1 microM PMA, the most powerful activator of the ERKs yet identified in cardiac myocytes. These results indicate that, in addition to the ERKs, two MAPK subfamilies, whose activation is more usually associated with cellular stresses, are activated by the Gq/11-protein-coupled receptor (Gq/11PCR) agonist, PE, in whole hearts. These data indicate that Gq/11PCR agonists activate multiple MAPK signalling pathways in the heart, all of which may contribute to the overall response (e.g. the development of the hypertrophic phenotype).

Activation of c-Jun N-terminal kinases and p38-mitogen-activated protein kinases in human heart failure secondary to ischaemic heart disease.

Three well-characterized mitogen-activated protein kinase (MAPK) subfamilies are expressed in rodent and rabbit hearts, and are activated by pathophysiological stimuli. We have determined and compared the expression and activation of these MAPKs in donor and failing human hearts. The amount and activation of MAPKs was assessed in samples from the left ventricles of 4 unused donor hearts and 12 explanted hearts from patients with heart failure secondary to ischaemic heart disease. Total MAPKs or dually phosphorylated (activated) MAPKs were detected by Western blotting and MAPK activities were measured by in gel kinase assays. As in rat heart, c-Jun N-terminal kinases (JNKs) were detected in human hearts as bands corresponding to 46 and 54 kDa; p38-MAPK(s) was detected as a band corresponding to approximately 40 kDa, and extracellularly regulated kinases, ERK1 and ERK2, were detected as 44- and 42-kDa bands respectively. The total amounts of 54 kDa JNK, p38-MAPK and ERK2 were similar in all samples, although 46-kDa JNK was reduced in the failing hearts. However, the mean activities of JNKs and p38-MAPK(s) were significantly higher in failing heart samples than in those from donor hearts (P<0.05). There was no significant difference in phosphorylated (activated) ERKs between the two groups. In conclusion, JNKs, p38-MAPK(s) and ERKs are expressed in the human heart and the activities of JNKs and p38-MAPK(s) were increased in heart failure secondary to ischaemic heart disease. These data indicate that JNKs and p38-MAPKs may be important in human cardiac pathology.

Activation of protein kinase cascades in the heart by hypertrophic G protein-coupled receptor agonists.

Cardiac myocyte hypertrophy involves changes in cell structure and alterations in protein expression regulated at both the transcriptional and translational levels. Hypertrophic G protein-coupled receptor (GPCR) agonists such as endothelin-(ET-1) and phenylephrine stimulate a number of protein kinase cascades in the heart. Mitogen-activated protein kinase (MAPK) cascades stimulated include the extracellularly regulated kinase cascade, the stress-activated protein kinase/c-Jun N-terminal kinase cascade, and the p38 MAPK cascade. All 3 pathways have been implicated in hypertrophy, but recent ex vivo evidence also suggests that there may be additional effects on cell survival. ET-1 and phenylephrine also stimulate the protein kinase B pathway, and this may be involved in the regulation of protein synthesis by these agonists. Thus, protein kinase-mediated signaling may be important in the regulation of the development of myocyte hypertrophy.

Regulation of mitogen-activated protein kinases in cardiac myocytes through the small G protein Rac1.

Small guanine nucleotide-binding proteins of the Ras and Rho (Rac, Cdc42, and Rho) families have been implicated in cardiac myocyte hypertrophy, and this may involve the extracellular signal-related kinase (ERK), c-Jun N-terminal kinase (JNK), and/or p38 mitogen-activated protein kinase (MAPK) cascades. In other systems, Rac and Cdc42 have been particularly implicated in the activation of JNKs and p38-MAPKs. We examined the activation of Rho family small G proteins and the regulation of MAPKs through Rac1 in cardiac myocytes. Endothelin 1 and phenylephrine (both hypertrophic agonists) induced rapid activation of endogenous Rac1, and endothelin 1 also promoted significant activation of RhoA. Toxin B (which inactivates Rho family proteins) attenuated the activation of JNKs by hyperosmotic shock or endothelin 1 but had no effect on p38-MAPK activation. Toxin B also inhibited the activation of the ERK cascade by these stimuli. In transfection experiments, dominant-negative N17Rac1 inhibited activation of ERK by endothelin 1, whereas activated V12Rac1 cooperated with c-Raf to activate ERK. Rac1 may stimulate the ERK cascade either by promoting the phosphorylation of c-Raf or by increasing MEK1 and/or -2 association with c-Raf to facilitate MEK1 and/or -2 activation. In cardiac myocytes, toxin B attenuated c-Raf(Ser-338) phosphorylation (50 to 70% inhibition), but this had no effect on c-Raf activity. However, toxin B decreased both the association of MEK1 and/or -2 with c-Raf and c-Raf-associated ERK-activating activity. V12Rac1 cooperated with c-Raf to increase expression of atrial natriuretic factor (ANF), whereas N17Rac1 inhibited endothelin 1-stimulated ANF expression, indicating that the synergy between Rac1 and c-Raf is potentially physiologically important. We conclude that activation of Rac1 by hypertrophic stimuli contributes to the hypertrophic response by modulating the ERK and/or possibly the JNK (but not the p38-MAPK) cascades.

Evidence for involvement of Saccharomyces cerevisiae protein kinase C in glucose induction of HXT genes and derepression of SUC2

The PKC1 gene in the yeast Saccharomyces cerevisiae encodes protein kinase C that is known to control a mitogen-activated protein (MAP) kinase cascade consisting of Bck1, Mkk1 and Mkk2, and Mpk1. This cascade affects the cell wall integrity but the phenotype of Pkc1 mutants suggests additional targets which have not yet been identified. We show that a pkc1Δ mutant, as opposed to mutants in the MAP kinase cascade, displays two major defects in the control of carbon metabolism. It shows a delay in the initiation of fermentation upon addition of glucose and a defect in derepression of SUC2 gene after exhaustion of glucose from the medium. After addition of glucose the production of both ethanol and glycerol started very slowly. The V max of glucose transport dropped considerably and Northern blot analysis showed that induction of the HXT1, HXT2 and HXT4 genes was strongly reduced. Growth of the pkc1Δ mutant was absent on glycerol and poor on galactose and raffinose. Oxygen uptake was barely present. Derepression of invertase activity and SUC2 transcription upon transfer of cells from glucose to raffinose was deficient in the pkc1Δ mutant as opposed to the wild-type. Our results suggest an involvement of Pkc1p in the control of carbon metabolism which is not shared by the downstream MAP kinase cascade. © 2002 Federation of European Microbiological Societies. Published by Elsevier Science B.V. All rights reserved.