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

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

Impact d’un épisode asphyxique périnatal associé à des convulsions sur le développement des interneurones corticaux : rôle de l’adenosine monophosphate-activated protein kinase (AMPK)

L’encéphalopathie hypoxique-­‐ischémique cause des milliers de victimes à travers le monde chaque année. Les enfants survivants à un épisode hypoxique-­‐ischémique sont à risque de développer des problèmes neurologiques incapacitants comme une paralysie cérébrale, un retard mental, une épilepsie ou des troubles d’ordre comportemental. Les modèles animaux ont amélioré nos connaissances sur les mécanismes sous-­‐jacents aux dommages cérébraux, mais elles sont encore trop incomplètes pour être capables de prévenir les problèmes neurologiques. Ce projet vise à comprendre l’impact d’un épisode asphyxique périnatale associé à des convulsions ainsi que l’activation de l’adenosine monophosphate-­‐activated protein kinase (AMPK) sur les circuits GABAergiques inhibiteurs en développement chez la souris. Dans le but d’investiguer le sort des neurones inhibiteurs, appelés interneurones, suite à un épisode asphyxique périnatal associé à des convulsions avec des animaux transgéniques, nous avons pris avantage d’un nouveau modèle d’hypoxie permettant d’induire des convulsions chez la souris. Deux populations d’interneurones représentant ensemble environ 60% de tous les interneurones corticaux ont été étudiées, soit les cellules exprimant la parvalbumine (PV) et les cellules exprimant la somatostatine (SOM). L’étude stéréologique n’a montré aucune mort neuronale de ces deux populations d’interneurones dans l’hippocampe chez les souris hypoxique d’âge adulte. Par contre, le cortex des souris hypoxiques présentait des zones complètement ou fortement dépourvues de cellules PV alors que les cellules SOM n’étaient pas affectées. L’utilisation d’une lignée de souris transgénique exprimant une protéine verte fluorescente (GFP) dans les cellules PV nous a permis de comprendre que les trous PV sont le reflet de deux choses : 1) une diminution des cellules PV et 2) une immaturité des cellules PV restantes. Puisque les cellules PV sont spécifiquement affectées dans la première partie de notre étude, nous avons voulu étudier les mécanismes moléculaires sous-­‐jacents à cette vulnérabilité. L’AMPK est un senseur d’énergie qui orchestre le rétablissement des i niveaux d’énergie cellulaire dans le cas d’une déplétion énergétique en modulant des voies de signalisation impliquant la synthèse de protéines et l’excitabilité membranaire. Il est possible que l’activation d’AMPK suite à un épisode asphyxique périnatal associé à des convulsions soit néfaste à long-­‐terme pour le circuit GABAergique en développement et modifie l’établissement de l’innervation périsomatique d’une cellule PV sur les cellules pyramidales. Nous avons étudié cette hypothèse dans un modèle de culture organotypique en surexprimant la forme wild-­‐type (WT) de la sous-­‐unité α2 d’AMPK, ainsi qu’une forme mutée dominante négative (DN), dans des cellules PV individuelles. Nous avons montré que pendant la phase de formation synaptique (jours post-­‐natals équivalents EP 10-­‐18), la surexpression de la forme WT désorganise la stabilisation des synapses. De plus, l’abolition de l’activité d’AMPK semble augmenter le nombre de synapses périsomatiques faits par la cellule PV sur les cellules pyramidales pendant la phase de formation et semble avoir l’effet inverse pendant la phase de maturation (EP 16-­‐24). La neurotransmission GABAergique joue plusieurs rôles dans le cerveau, depuis la naissance jusqu’à l’âge adulte des interneurones, et une dysfonction des interneurones a été associée à plusieurs troubles neurologiques, comme la schizophrénie, l’autisme et l’épilepsie. La maturation des circuits GABAergiques se fait majoritairement pendant la période post-­‐natale et est hautement dépendante de l’activité neuronale et de l’expérience sensorielle. Nos résultats révèlent que le lourd fardeau en demande énergétique d’un épisode asphyxique périnatal peut causer une mort neuronale sélective des cellules PV et compromettre l’intégrité de leur maturation. Un des mécanismes sous-­‐ jacents possible à cette immaturité des cellules PV suite à l’épisode hypoxique est l’activation d’AMPK, en désorganisant leur profil d’innervation sur les cellules pyramidales. Nous pensons que ces changements dans le réseau GABAergique pourrait contribuer aux problèmes neurologiques associés à une insulte hypoxique.

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.

Fas ligand-induced apoptosis is regulated by nitric oxide through the inhibition of fas receptor clustering and the nitrosylation of protein kinase Cepsilon

Apoptosis induced by the death-inducing ligand FasL (CD95L) is a major mechanism of cell death. Trophoblast cells express the Fas receptor yet survive in an environment that is rich in the ligand. We report that basal nitric oxide (NO) production is responsible for the resistance of trophoblasts to FasL-induced apoptosis. In this study we demonstrate that basal NO production resulted in the inhibition of receptor clustering following ligand binding. In addition NO also protected cells through the selective nitrosylation, and inhibition, of protein kinase Cepsilon (PKCepsilon) but not PKCalpha. In the absence of NO production PKCepsilon interacted with, and phosphorylated, the anti-apoptotic protein cFLIP. The interaction is predominantly with the short form of cFLIP and its phosphorylation reduces its recruitment to the death-inducing signaling complex (DISC) that is formed following binding of a death-inducing ligand to its receptor. Inhibition of cFLIP recruitment to the DISC leads to increased activation of caspase 8 and subsequently to apoptosis. Inhibition of PKCepsilon using siRNA significantly reversed the sensitivity to apoptosis induced by inhibition of NO synthesis suggesting that NO-mediated inhibition of PKCepsilon plays an important role in the regulation of Fas-induced apoptosis.

Diacylglycerol-induced protection against injury during ischemia and reperfusion can be achieved without activation of protein kinase C in the rat heart: Comparative studies with ischemic preconditioning

The role of protein kinase C (PKC) activation in ischemic preconditioning remains controversial. Since diacylglycerol is the endogenous activator of PKC and as such might be expected cardioprotective, we have investigated whether: (i) the diacylglycerol analog 1,2-dioctanoyl-sn-glycerol (DOG) can protect against injury during ischemia and reperfusion; (ii) any effect is mediated via PKC activation; and (iii) the outcome is influenced by the time of administration. Isolated rat hearts were perfused with buffer at 37°C and paced at 400 bpm. In Study 1, hearts (n=6/group) were subjected to one of the following: (1) 36 min aerobic perfusion (controls); (2) 20 min aerobic perfusion plus ischemic preconditioning (3 min ischemia/3 min reperfusion+5 min ischemia/5 min reperfusion); (3) aerobic perfusion with buffer containing DOG (10 μM) given as a substitute for ischemic preconditioning; (4) aerobic perfusion with DOG (10 μM) during the last 2 min of aerobic perfusion. All hearts then were subjected to 35 min of global ischemia and 40 min reperfusion. A further group (5) were perfused with DOG (10 μM) for the first 2 min of reperfusion. Ischemic preconditioning improved postischemic recovery of LVDP from 24±3% in controls to 71±2% (P<0.05). Recovery of LVDP also was enhanced by DOG when given just before ischemia (54±4%), however, DOG had no effect on the recovery of LVDP when used as a substitute for ischemic preconditioning (22±5%) or when given during reperfusion (29±6%). In Study 2, the first four groups of study were repeated (n=4–5/group) without imposing the periods of ischemia and reperfusion, instead hearts were taken for the measurement of PKC activity (pmol/min/mg protein±SEM). PKC activity after 36 min in groups (1), (2), (3) and (4) was: 332±102, 299±63, 521±144, and 340±113 and the membrane:cytosolic PKC activity ratio was: 5.6±1.5, 5.3±1.8, 6.6±2.7, and 3.9±2.1 (P=NS in each instance). In conclusion, DOG is cardioprotective but under the conditions of the present study is less cardioprotective than ischemic preconditioning, furthermore the protection does not appear to necessitate PKC activation prior to ischemia.

Phorbol ester, but not ischemic preconditioning, activates protein kinase D in the rat heart

The signal transduction pathways that mediate the cardioprotective effects of ischemic preconditioning remain unclear. Here we have determined the role of a novel kinase, protein kinase D (PKD), in mediating preconditioning in the rat heart. Isolated rat hearts (n=6/group) were subjected to either: (i) 36 min aerobic perfusion (control); (ii) 20 min aerobic perfusion plus 3 min no-flow ischemia, 3 min reperfusion, 5 min no-flow ischemia, 5 min reperfusion (ischemic preconditioning); (iii) 20 min aerobic perfusion plus 200 nmol/l phorbol 12-myristate 13-acetate (PMA) given as a substitute for ischemic preconditioning. The left ventricle then was excised, homogenized and PKD immunoprecipitated from the homogenate. Activity of the purified kinase was determined following bincubation with [γ32P]-ATP±syntide-2, a substrate for PKD. Significant PKD autophosphorylation and syntide-2 phosphorylation occurred in PMA-treated hearts, but not in control or preconditioned hearts. Additional studies confirmed that recovery of LVDP was greater and initiation of ischemic contracture and time-to-peak contracture were less, in ischemic preconditioned hearts compared with controls (P<0.05). Our results suggest that the early events that mediate ischemic preconditioning in the rat heart occur via a PKD-independent mechanism.

Expression and regulation of 80K/MARCKS, a major substrate of protein kinase C, in the developing rat heart

Objective: Protein kinase C (PKC) plays a pivotal role in modulating the growth and differentiation of many cell types including the cardiac myocyte. However, little is known about molecules that act immediately downstream of PKC in the heart. In this study we have investigated the expression of 80K/MARCKS, a major PKC substrate, in whole ventricles and in cardiac myocytes from developing rat hearts. Methods: Poly A+ RNA was prepared from neonatal (2-day) and adult (42-day) cardiac myocytes and whole ventricular tissue and mRNA expression determined by reverse transcription-polymerase chain reaction (RT-PCR) using primers designed to identify a 420 bp fragment in the 80K/MARCKS gene. Protein extracts were prepared from either 2-day and 42-day cardiac myocytes or from whole ventricular tissue at 2, 5–11, 14, 17, 21, 28 and 42 days of age. Protein expression was determined by immunoblotting with an 80K/MARCKS antipeptide antibody and PKC activity was determined by measuring the amount of γ32P-ATP transferred to a specific peptide substrate. Results: RT-PCR analysis of 80K/MARCKS mRNA in neonatal (2-day) and adult (42-day) cardiac myocytes showed the expression of this gene in both cell types. Immunoblotting revealed maximum 80K/MARCKS protein expression in whole ventricular tissue at 5 days (a 75% increase above values at 2 days), followed by a transient decrease in expression during the 6–8-day period (61% of the protein expressed at 2 days for 8-day tissue) with levels returning to 5 day levels by 11 days of age. 80K/MARCKS protein was present in cardiac myocytes at 2 days of age whereas it was not detectable in adult cells. In addition, PKC activity levels increased to 160% of levels present at 2 days in 8-day-old ventricles with PKC activity levels returning to 5-day levels by 9 days of age. This was then followed by a steady decline in both 80K/MARCKS protein expression and PKC activity through to adulthood. Conclusions: Expression of the PKC substrate, 80K/MARCKS, in cardiac myocytes changes significantly during development and the transient loss of immunoreactive protein during the 6–8-day developmental period may reflect 80K/MARCKS phosphorylation and subsequent down-regulation as a result of the concomitant up-regulation of PKC activity at this time.

Growth of melanocytic cells is associated with down-regulation of protein kinase C α,δ and ε isoforms: Possible role of diacylglycerol

Protein kinase C (PKC) down-regulation has been shown to correlate with the growth of murine melanocytic cells in culture (Brooks, G., Wilson, R. E., Dooley, T. P., Goss, M. W., and Hart, I. R. (1991) Cancer Res. 51, 3281-3288). We now show that PKC alpha, delta, epsilon, and zeta isoforms are present at the protein level in quiescent, non-transformed Mel-ab melanocytes, maintained in the absence of phorbol ester. Proliferation of Mel-ab cells, achieved by incubation in the continual presence of phorbol 12,13-dibutyrate, was associated with a down-regulation of the PKC alpha, delta, and epsilon isozymes. Examination of two transformed syngeneic lines (the B16 murine melanoma and the long terminal repeat Ras.2 line), that grew in the absence of exogenous phorbol esters, showed that PKC alpha protein levels were either partially down-regulated or unaffected, the PKC delta and epsilon isoforms were down-regulated completely, and the levels of PKC zeta protein remained unaltered relative to quiescent Mel-ab cells. Basal levels of total diacylglycerol were elevated 5-fold in B16 melanoma cells compared with levels found in quiescent or proliferating Mel-ab melanocytes and appear to arise largely from the breakdown of phosphatidylinositol phospholipids accompanied by a significant rise in phospholipase C activity. Hourly treatments of quiescent Mel-ab melanocytes with the synthetic diacylglycerol analogue, 1,2-dioctanoyl-sn-glycerol, for 24 h, resulted in an induction of DNA synthesis which was associated with a significant down-regulation of PKC levels mediated largely via post-translational rather than transcriptional mechanisms. These results show for the first time that specific isoforms of PKC are down-regulated at the protein level during proliferation of murine melanocytic cells and suggest that the constitutive down-regulation of PKC in transformed melanoma cells may arise as a consequence of elevated endogenous phosphatidylinositol-derived diacylglycerol levels.

Protein kinase C down-regulation, and not transient activation, correlates with melanocyte growth

The nontumorigenic, immortal line of murine melanocytes, Mel-ab, requires the continual presence of biologically active phorbol esters for growth (R. E. Wilson et al., Cancer Res., 49: 711–716, 1989). Comparable treatments of B16 murine melanoma cells result in partial inhibition of cell proliferation. The role of protein kinase C (PKC) in the modulation of growth of cells from these two melanocytic cell lines has been investigated. Significant levels of PKC were present in quiescent Mel-ab cells as determined by Western blotting, whereas no immunoreactive protein was detected in cell extracts from either proliferating Mel-ab or B16.F1 cells. Phosphorylation of a Mr 80,000 protein, which by one- and two-dimensional gel analysis comigrated with the known Mr 80,000 protein substrate of PKC in fibroblasts, was induced in 12-O-tetradecanoylphorbol-13-acetate-stimulated quiescent Mel-ab cells but not in proliferating Mel-ab cells or B16.F1 melanoma cells. Direct measurement of PKC activity in these cells demonstrated a 10-fold greater level of activity in quiescent Mel-ab cells (262 ± 50 pmol/min/mg SD) compared with growing cells (22.8 ± 11.8 pmol/min/mg SD). An intermediate level of activity was detected in proliferating B16.F1 melanoma cells (148.5 ± 20.4 pmol/min/mg SD). The subcellular distribution of PKC was dependent upon the growth state of the cells such that quiescent Mel-ab cells displayed a higher level of activity in the cytosol, whereas growing Melab cells displayed greater activity in the particulate fraction. Like many other transformed lines, B16.F1 melanoma cells constitutively expressed the majority of enzyme activity in the particulate fraction. Measurement of [3H]phorbol ester binding in intact cells paralleled the PKC activation data such that quiescent Mel-ab cells displayed binding of 1612 ± 147 cpm/106 cells, whereas proliferating Mel-ab and B16.F1 melanoma cells displayed binding of 652 ± 28 and 947 ± 81 cpm/106 cells, respectively. Membrane-permeant diacylglycerol analogues, which activated but did not down-regulate PKC, were devoid of growth-stimulating effects on melanocytes, even in the presence of the specific diacylglycerol kinase inhibitor, R59022. Together, these data show that PKC down-regulation, and not activation, correlates with the growth of melanocytes in culture.

Both tumour-promoting and non-promoting phorbol esters inhibit 125I-EGF binding and stimulate the phosphorylation of a 80kd protein kinase C substrate protein in intact Swiss 3T3 cells

Sapintoxin A (SAP A) and 12-deoxyphorbol 13-phenylacetate (DOPP), are two biologically active but non-turnour-promoting phorbol esters that potently bind to and activate the phorbol ester receptor, protein kinase C (PKC). SAP A and DOPP cause a dose-dependent increase in the phosphorylation of an 80 kd (80K) substrate protein for PKC in Swiss 3T3 cells. A similar dose—response effect was seen with sapintoxin D (SAP D), the stage 2 promoting analogue of 12-O-tetradecanoylphorbol-13-acetate and the complete promoter phorbol 12,13-dibutyrate (PDB). The doses resulting in a half maximal phosphorylation of this protein (Ka were 20 nM (SAP A), 45 nM (DOPP), 23 nM (SAP D) and 37 nM (PDB). Both non-promoting and phorbol esters induced a dose-dependent inhibition of [125I]epidermal growth factor (EGF) binding to its receptor in Swiss 3T3 cells. The doses required for 50% inhibition of binding (Ki) were: 8 nM (SAP A), 16 nM (DOPP), 14 nM (SAP D) and 17 nM (PDB). The results clearly demonstrate that induction of phosphorylation of the Pu 80K phosphoprotein and inhibition of [125I]EGF binding in Swiss 3T3 cells following exposure to phorbol esters is independent of the tumour-promoting activity of these compounds. The fact that SAP A, DOPP, SAP D and PDB are mitogenic for a variety of cell types and that exposure to these compounds leads to 80K phosphorylation and inhibition of [125I]EGF binding, suggests that these early biological events may play a role in the mitogenic response induced by these compounds.

The effects of phorbol esters with different activities on protein kinase C

The sapintoxins are a series of naturally occurring fluorescent phorbol esters with a range of selective biological activities (e.g. pro-inflammatory but non-tumour promoting). Their ability to activate protein kinase C (PKC) in vitro has been studied. Both tumour promoting and non-promoting phorbol derivatives activate the enzyme in vitro at low concentrations. 12-deoxyphorbol-13-phenylacetate-20 acetate (DOPPA) acts as a partial agonist in the activation of protein kinase C. Structurally distinct phorbol esters may therefore preferentially activate different forms of protein kinase C. -sapinine, a biologically inactive compound, binds to protein kinase C without stimulating the enzyme and prevents subsequent activation by phorbol esters such as 12-O-tetradecanoyl phorbol-13-acetate (TPA).