Methods and strategies to identify the mode of action of phytoactive compounds

Small molecules affecting biological processes in plants are widely used in agricultural practice as herbicides or plant growth regulators and in basic plant sciences as probes to study the physiology of plants. Most of the compounds were identified in large screens by the agrochemical industry, as phytoactive natural products and more recently, novel phytoactive compounds originated from academic research by chemical screens performed to induce specific phenotypes of interest. The aim of the present PhD thesis is to evaluate different approaches used for the identification of the primary mode of action (MoA) of a phytoactive compound. Based on the methodologies used for MoA identification, three approaches are discerned: a phenotyping approach, an approach based on a genetic screen and a biochemical screening approach.rnFour scientific publications resulting from my work are presented as examples of how a phenotyping approach can successfully be applied to describe the plant MoA of different compounds in detail.rnI. A subgroup of cyanoacrylates has been discovered as plant growth inhibitors. A set of bioassays indicated a specific effect on cell division. Cytological investigations of the cell division process in plant cell cultures, studies of microtubule assembly with green fluorescent protein marker lines in vivo and cross resistant studies with Eleusine indica plants harbouring a mutation in alpha-tubulin, led to the description of alpha-tubulin as a target site of cyanoacrylates (Tresch et al., 2005).rnII. The MoA of the herbicide flamprop-m-methyl was not known so far. The studies described in Tresch et al. (2008) indicate a primary effect on cell division. Detailed studies unravelled a specific effect on mitotic microtubule figures, causing a block in cell division. In contrast to other inhibitors of microtubule rearrangement such as dinitroanilines, flamprop-m-methyl did not influence microtubule assembly in vitro. An influence of flamprop-m-methyl on a target within the cytoskeleton signalling network could be proposed (Tresch et al., 2008).rnIII. The herbicide endothall is a protein phosphatase inhibitor structurally related to the natural product cantharidin. Bioassay studies indicated a dominant effect on dark-growing cells that was unrelated to effects observed in the light. Cytological characterisation of the microtubule cytoskeleton in corn tissue and heterotrophic tobacco cells showed a specific effect of endothall on mitotic spindle formation and ultrastructure of the nucleus in combination with a decrease of the proliferation index. The observed effects are similar to those of other protein phosphatase inhibitors such as cantharidin and the structurally different okadaic acid. Additionally, the observed effects show similarities to knock-out lines of the TON1 pathway, a protein phosphatase-regulated signalling pathway. The data presented in Tresch et al. (2011) associate endothall’s known in vitro inhibition of protein phosphatases with in vivo-effects and suggest an interaction between endothall and the TON1 pathway.rnIV. Mefluidide as a plant growth regulator induces growth retardation and a specific phenotype indicating an inhibition of fatty acid biosynthesis. A test of the cuticle functionality suggested a defect in the biosynthesis of very-long-chain fatty acids (VLCFA) or waxes. Metabolic profiling studies showed similarities with different groups of VLCFA synthesis inhibitors. Detailed analyses of VLCFA composition in tissues of duckweed (Lemna paucicostata) indicated a specific inhibition of the known herbicide target 3 ketoacyl-CoA synthase (KCS). Inhibitor studies using a yeast expression system established for plant KCS proteins verified the potency of mefluidide as an inhibitor of plant KCS enzymes. It could be shown that the strength of inhibition varied for different KCS homologues. The Arabidopsis Cer6 protein, which induces a plant growth phenotype similar to mefluidide when knocked out, was one of the most sensitive KCS enzymes (Tresch et al., 2012).rnThe findings of my own work were combined with other publications reporting a successful identification of the MoA and primary target proteins of different compounds or compound classes.rnA revised three-tier approach for the MoA identification of phytoactive compounds is proposed. The approach consists of a 1st level aiming to address compound stability, uniformity of effects in different species, general cytotoxicity and the effect on common processes like transcription and translation. Based on these findings advanced studies can be defined to start the 2nd level of MoA characterisation, either with further phenotypic characterisation, starting a genetic screen or establishing a biochemical screen. At the 3rd level, enzyme assays or protein affinity studies should show the activity of the compound on the hypothesized target and should associate the in vitro effects with the in vivo profile of the compound.

Regulation des Proteins Alpha-Synuclein während der zellulären Alterung

α-Synuclein wird durch Mutationen sowie der Ausbildung von Proteinaggregaten namens Lewy-Körperchen mit der Entstehung der altersassoziierten Parkinson-Krankheit in Verbindung gebracht. Sowohl familiäre als auch sporadische Fälle sind durch erhöhte α-Synuclein-Spiegel gekennzeichnet. In familiären Fällen wurden Multiplikationen des α-Synuclein-Gens als Ursache für die erhöhte Expression aufgedeckt. In sporadischen Fällen stellt die Alterung den entscheidenden Risikofaktor für die Entstehung der Krankheit dar. Daher wurde in der vorliegenden Arbeit die Regulation von α-Synuclein während der zellulären Alterung in humanen Fibroblasten untersucht. In seneszenten Zellen konnte ein Anstieg der α-Synuclein-Expression nachgewiesen werden, der jedoch die Löslichkeit des Proteins nicht veränderte. Damit scheint die zelluläre Alterung per se nicht für die Aggregation des Proteins, wie sie in Form von Lewy-Körperchen bei z. B. Patienten der Parkinson-Krankheit beobachtet wird, verantwortlich zu sein. Möglicherweise ist die Hochregulation von α-Synuclein eine Folge der Akkumulation von DNA-Schäden in den seneszenten Zellen. Diese Korrelation konnte in jungen Zellen nach dem Einsatz verschiedener DNA-schädigender Agenzien bestätigt werden. Die Untersuchung des Regulationsmechanismus ergab, dass die erhöhte Expression von α-Synuclein in Folge von DNA-Schäden über den ERK1/2-MAPK-Signalweg vermittelt wird. In seneszenten Zellen konnte ebenfalls ein Einfluss dieses Signalweges auf die Expression von α-Synuclein beobachtet werden, allerdings scheint dieser nicht alleinig für die Hochregulation verantwortlich zu sein. Des Weiteren ergab die Betrachtung des γH2A.X-Spiegels nach Induktion von DNA-Schäden, dass α-Synuclein möglicherweise eine protektive Funktion besitzt, da dessen Überexpression zu einer verringerten und die Herunterregulation zu einer vermehrten DNA-Schädigung führte. Die Analyse der subzellulären Lokalisation von α-Synuclein ergab außerdem, dass es in jungen Zellen nach der Induktion von DNA-Schäden zu einer Translokation des Proteins in den Zellkern kommt. Diese Translokation war in seneszenten Zellen verringert. Dies lässt vermuten, dass α-Synuclein in jungen Zellen nach DNA-Schädigung durch den ERK1/2-MAPK-Signalweg hochreguliert wird und durch die Translokation in den Zellkern möglicherweise die Transkription von protektiven Genen beeinflusst oder an DNA-Reparatur-Prozessen beteiligt ist. In seneszenten Zellen ist das Protein zwar deutlich stärker exprimiert, der Transport in den Zellkern jedoch verringert, wodurch die protektive Wirkung im Zellkern herabgesetzt wäre.

Untersuchungen zur Bedeutung von Histidinkinasen in Magnaporthe oryzae und zum Wirkmechanismus des Fungizids Fludioxonil

Das aus wissenschaftlicher und ökonomischer Sicht wichtigste Pflanzenpathogen M. oryzae entwickelte im Laufe der Evolution konservierte aber auch einzigartige Mechanismen zur Signaltransduktion. Das Erforschen dieser Mechanismen und Prozesse ist essenziell für das Verständnis von Differenzierungsprozessen bei der Pathogen-Wirt-Interaktion.rnIm ersten Teil der vorliegenden Arbeit wurde der Signalweg zur Osmoregulation, der „High Osmolarity Glycerol“ (HOG)-Signalweg, erstmals anhand physiologischer Experimente in entsprechenden Mutantenstämmen in M. oryzae untersucht. Dabei konnten klare Unter-schiede zum HOG-Signalweg von S. cerevisiae aufgezeigt werden. rnDas in M. oryzae bisher noch nicht beschriebene Gen MoYPD1, welches das Phosphotransferprotein MoYpd1p kodiert, wurde erfolgreich inaktiviert. Diese Inaktivierung ist in S. cerevisiae und vielen anderen Pilzen letal und resultierte bei M. oryzae in einer apathoge¬nen Albinomutante, deren Konidiogenese gestört ist. Insbesondere die Funktion des Phosphotransferproteins MoYpd1p, sowohl im Phosphorelaysystem des HOG-Signal¬wegs als auch im Wirkmechanismus des Fungizids Fludioxonil, konnte eindeutig mittels Y2H- und Western Blot-Analysen nachgewiesen werden.rnEs wurden entscheidende Fortschritte für das Verständnis des Aufbaus und der Funktion des HOG-Signalwegs sowohl als physiologisches Regulationssystem für Umweltreize als auch als Fungizidtarget im Pflanzenschutz erzielt. Dabei konnte gezeigt werden, dass die Zweikompo-nenten-Hybrid-Histidinkinase (HIK) MoSln1p als Signalsensor für Salzstress und MoHik1p als Signalsensor für Zuckerstress fungiert. Die Beteiligung der Histidinkinasen MoHik5p und MoHik9p als Sensorproteine für Hypoxie im HOG-Signalweg ist durchaus denk¬bar und wurde durch erste Ergebnisse bekräftigt. rnSo konnte der HOG-Signalweg in mehreren Modellen dargestellt werden. Die Modelle der Signalerkennung und –transduktion von osmotischem Stress, von Hypoxie und der Wirkmecha¬nismus von Fludioxonil wurden erstmals in diesem Umfang für M. oryzae ausgearbei¬tet.rnDer zweite Teil dieser Arbeit repräsentiert die erste umfassende Untersuchung aller zehn HIK-codierender Gensequenzen, die im Genom von M. oryzae identifiziert werden konnten. Diese Signalproteine waren bisher noch nicht Gegenstand wissenschaftlicher Studien. Die Untersuchung beginnt mit einer phylogenetischen Einordnung aller untersuchten Proteinsequen¬zen in die verschiedenen Gruppen von Histidinkinasen in Pilzen. Eine ausführli-che phänotypische Charakterisierung aller HIK-codierender Gene folgt und wurde anhand von Mutanten durchgeführt, in denen diese Gene einzeln inaktiviert wurden.rnDie Beteiligung von MoHik5p und MoHik9p als mögliche Sauerstoffsensoren im HOG-Signal-weg konnte dokumentiert werden und die anschließenden Western Blot-Analysen bestätig¬ten erstmals die Aktivierung des HOG-Signalwegs bei hypoxieähnlichen Zuständen.rnDes Weiteren wurden mit MoHik5p und MoHik8p zwei neue Pathogenitätsfaktoren in M. oryzae identifiziert. Die apathogenen Mutantenstämme ΔMohik5 und ΔMohik8 sind in der Konidiogenese gestört und nicht in der Lage Appressorien zu differenzieren. Der Einsatz dieser Proteine als Fungizidtarget im protektiven Pflanzenschutz in der Zukunft ist somit denk-bar.rn

Einfluss des Treg-Aktivierungsmarkers GARP auf die Differenzierung und Funktion von T-Zellen

CD4+CD25+FoxP3+ regulatorische T-Zellen (Treg) spielen eine essentielle Rolle bei der Unterdrückung von schädlichen Immunreaktionen. Da aktivierte CD4+ T-Helferzellen auch CD25 und FoxP3 exprimieren, können diese nicht als spezifische Marker zur Identifikation von Treg verwendet werden. Die Analyse der Membranproteinexpression beider Populationen führte zur Identifikation von GARP (glycoprotein A repetitions predominant) als spezifischer Marker auf aktivierten Treg. GARP bindet LAP und TGF-beta, welches für die Unterdrückung von entzündlichen T-Zellantworten von Bedeutung ist. Um die Funktion von GARP unabhängig von Treg zu untersuchen, wurde ein lösliches GARP Protein (sGARP) synthetisiert und sein Effekt auf die Aktivierung und Differenzierung von humanen T-Zellen untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass sGARP die Proliferation von naiven CD4+ T-Zellen supprimiert und zu einer Phosphorylierung von SMAD2/3 sowie zu der Induktion von FoxP3 führt. Zusätzlich inhibiert sGARP die Produktion von Effektorzytokinen wie IL-2 und IFN-gamma. Die Stimulation von naiven CD4+ T-Zellen mit sGARP induziert die Differenzierung zu Treg, welche in Kokultur die Aktivierung von T-Effektorzellen supprimieren. Die Wirkung war vergleichbar in naiven CD4+ und ruhenden CD4+CD45RA+ T-Zellen, konnte aber in differenzierten CD4+CD45RO+ T-Zellen nicht nachgewiesen werden. Die Induktion von FoxP3 und die Phosphorylierung von SMAD2/3 konnte durch eine Blockade des TGF-beta-Signalweges inhibiert werden. Dies lässt vermuten, dass die Funktion von sGARP zumindest teilweise von TGF-beta abhängig ist. Zusätzlich zu seiner passiven Rolle als TGF-beta-Transporter, induzierte sGARP die TGF-beta-Produktion in naiven T-Zellen und trägt so zum Mechanismus der infektiösen Toleranz bei. Des Weiteren fördert die Stimulation von sGARP in Anwesenheit von IL-6 und IL-23 die Differenzierung zu Th17 Zellen. rnNeben dem Einfluss von sGARP auf die Differenzierung von CD4+ T-Zellen, supprimiert sGARP die Proliferation und Granzyme B-Expression in CD8+ T-Zellen. rnFür die Analyse der immunmodulatorischen Funktion von sGARP in vivo wurde ein Modell einer xenogenen GvHD (graft-versus-host disease) verwendet. Der Transfer von humanen PBMC in neugeborene, immundefiziente Rag2-/-gamma-chain-/--Mäuse führt zu einer letalen GvHD, welche durch die Applikation von humanen Treg dosisabhängig unterdrückt werden kann. In diesem Modell konnte die repetitive Gabe von sGARP, ohne zusätzliche Zugabe von Treg, ebenfalls die GvHD unterdrücken. Dies lässt auf einen synergistischen Effekt von sGARP und Treg bei der Suppression inflammatorischer T-Zellantworten schließen. rnZusammengefasst lassen die Ergebnisse auf eine entscheidende Rolle von GARP in der Modulation der peripheren Toleranz folgern und zeigen sGARP als potentes Biological für die Behandlung von unerwünschten inflammatorischen Immunantworten.

Genexpressionsanalyse boviner mesenchymaler Stammzellen und deren in-vitro-differenzierten Folgelinien

Mesenchymale Stamzellen (MSC) sind Vertreter der adulten Stammzellen. Sie bergen durch ihre große Plastizität ein immenses Potential für die klinische Nutzung in Form von Stammzelltherapien. Zellen dieses Typs kommen vornehmlich im Knochenmark der großen Röhrenknochen vor und können zu Knochen, Knorpel und Fettzellen differenzieren. MSC leisten einen wichtigen Beitrag im Rahmen regenerativer Prozesse, beispielsweise zur Heilung von Frakturen. Breite Studien demonstrieren bereits jetzt auch bei komplexeren Erkrankungen (z.B. Osteoporose) therapeutisch vielversprechende Einsatzmöglichkeiten. Oft kommen hierbei aus MSC gezielt differenzierte Folgelinien aus Zellkulturen zum Einsatz. Dies bedingt eine kontrollierte Steuerung der Differenzierungsprozesse in vitro. Der Differenzierung einer Stammzelle liegt eine komplexe Veränderung ihrer Genexpression zugrunde. Genexpressionsmuster zur Erhaltung und Proliferation der Stammzellen müssen durch solche, die der linienspezifischen Differenzierung dienen, ersetzt werden. Die mit der Differenzierung einhergehende, transkriptomische Neuausrichtung ist für das Verständnis der Prozesse grundlegend und wurde bislang nur unzureichend untersucht. Ziel der vorliegenden Arbeit ist eine transkriptomweite und vergleichende Genexpressionsanalyse Mesenchymaler Stammzellen und deren in vitro differenzierten Folgelinien mittels Plasmid - DNA Microarrays und Sequenziertechniken der nächsten Generation (RNA-Seq, Illumina Plattform). In dieser Arbeit diente das Hausrind (Bos taurus) als Modellorganismus, da es genetisch betrachtet eine hohe Ähnlichkeit zum Menschen aufweist und Knochenmark als Quelle von MSC gut verfügbar ist. Primärkulturen Mesenchymaler Stammzellen konnten aus dem Knochenmark von Rindern erfolgreich isoliert werden. Es wurden in vitro Zellkultur - Versuche durchgeführt, um die Zellen zu Osteoblasten, Chondrozyten und Adipozyten zu differenzieren. Zur Genexpressionsanalyse wurde RNA aus jungen MSC und einer MSC Langzeitkultur („alte MSC“), sowie aus den differenzierten Zelllinien isoliert und für nachfolgende Experimente wo nötig amplifiziert. Der Erfolg der Differenzierungen konnte anhand der Genexpression von spezifischen Markergenen und mittels histologischer Färbungen belegt werden. Hierbei zeigte sich die Differenzierung zu Osteoblasten und Adipozyten erfolgreich, während die Differenzierung zu Chondrozyten trotz diverser Modifikationen am Protokoll nicht erfolgreich durchgeführt werden konnte. Eine vergleichende Hybridisierung zur Bestimmung differentieller Genexpression (MSC vs. Differenzierung) mittels selbst hergestellter Plasmid - DNA Microarrays ergab für die Osteogenese mit Genen wie destrin und enpp1, für die undifferenzierten MSC mit dem Gen sema3c neue Kandidatengene, deren biologische Funktion aufzuklären in zukünftigen Experimenten vielversprechende Ergebnisse liefern sollte. Die Analyse der transkriptomweiten Genexpression mittels NGS lieferte einen noch umfangreicheren Einblick ins Differenzierungsgeschehen. Es zeigte sich eine hohe Ähnlichkeit im Expressionsprofil von jungen MSC und Adipozyten, sowie zwischen den Profilen der alten MSC (eine Langzeitkultur) und Osteoblasten. Die alten MSC wiesen deutliche Anzeichen für eine spontane Differenzierung in die osteogene Richtung auf. Durch Analyse der 100 am stärksten exprimierten Gene jeder Zelllinie ließen sich für junge MSC und Adipozyten besonders Gene der extrazellulären Matrix (z.B col1a1,6 ; fn1 uvm.) auffinden. Sowohl Osteoblasten, als auch die alten MSC exprimieren hingegen verstärkt Gene mit Bezug zur oxidativen Phosphorylierung, sowie ribosomale Proteine. Eine Betrachtung der differentiellen Genexpression (junge MSC vs. Differenzierung) mit anschließender Pathway Analyse und Genontologie Anreicherungsstatistik unterstützt diese Ergebnisse vor allem bei Osteoblasten, wo nun jedoch zusätzlich auch Gene zur Regulation der Knochenentwicklung und Mineralisierung in den Vordergrund treten. Für Adipozyten konnte mit Genen des „Jak-STAT signaling pathway“, der Fokalen Adhäsion, sowie Genen des „Cytokine-cytokine receptor interaction pathway“ sehr spannende Einsichten in die Biologie dieses Zelltyps erlangt werden, die sicher weiterer Untersuchungen bedürfen. In undifferenzierten MSC konnte durch differentielle Genexpressionsanalyse die Rolle des nicht kanonischen Teils des WNT Signalweges als für die Aufrechterhaltung des Stammzellstatus potentiell äußerst einflussreich ermittelt werden. Die hier diskutierten Ergebnisse zeigen beispielhaft, dass besonders mittels Genexpressionsanalyse im Hochdurchsatzverfahren wertvolle Einblicke in die komplexe Biologie der Stammzelldifferenzierung möglich sind. Als Grundlage für nachfolgende Arbeiten konnten interessante Gene ermittelt und Hypothesen zu deren Einfluss auf Stammzelleigenschaften und Differenzierungsprozesse aufgestellt werden. Um einen besseren Einblick in den Differenzierungsverlauf zu ermöglichen, könnten künftig NGS Analysen zu unterschiedlichen Differenzierungszeitpunkten durchgeführt werden. Zudem wären weitere Anstrengungen zur erfolgreichen Etablierung der chondrogenen Differenzierung zur vollständigen Analyse der Genexpression des trilinearen Differenzierungspotentials von MSC wünschenswert.

Ephrin-B2 controls VEGF-induced angiogenesis and lymphangiogenesis

In development, tissue regeneration or certain diseases, angiogenic growth leads to the expansion of blood vessels and the lymphatic vasculature. This involves endothelial cell proliferation as well as angiogenic sprouting, in which a subset of cells, termed tip cells, acquires motile, invasive behaviour and extends filopodial protrusions. Although it is already appreciated that angiogenesis is triggered by tissue-derived signals, such as vascular endothelial growth factor (VEGF) family growth factors, the resulting signalling processes in endothelial cells are only partly understood. Here we show with genetic experiments in mouse and zebrafish that ephrin-B2, a transmembrane ligand for Eph receptor tyrosine kinases, promotes sprouting behaviour and motility in the angiogenic endothelium. We link this pro-angiogenic function to a crucial role of ephrin-B2 in the VEGF signalling pathway, which we have studied in detail for VEGFR3, the receptor for VEGF-C. In the absence of ephrin-B2, the internalization of VEGFR3 in cultured cells and mutant mice is defective, which compromises downstream signal transduction by the small GTPase Rac1, Akt and the mitogen-activated protein kinase Erk. Our results show that full VEGFR3 signalling is coupled to receptor internalization. Ephrin-B2 is a key regulator of this process and thereby controls angiogenic and lymphangiogenic growth.

Characterization of the bovine IkappaB kinases (IKK)alpha and IKKbeta, the regulatory subunit NEMO and their substrate IkappaBalpha

The Nuclear factor (NF)-kappaB signalling pathway plays a critical role in the regulation and coordination of a wide range of cellular events such as cell growth, apoptosis and cell differentiation. Activation of the IKK (inhibitor of NF-kappaB kinase) complex is a crucial step and a point of convergence of all known NF-kappaB signalling pathways. To analyse bovine IKKalpha (IKK1), IKKbeta (IKK2) and IKKgamma (or NF-kappaB Essential MOdulator, NEMO) and their substrate IkappaBalpha (Inhibitor of NF-kappaB), the corresponding cDNAs of these molecules were isolated, sequenced and characterized. A comparison of the amino acid sequences with those of their orthologues in other species showed a very high degree of identity, suggesting that the IKK complex and its substrate IkappaBalpha are evolutionarily highly conserved components of the NF-kappaB pathway. Bovine IKKalpha and IKKbeta are related protein kinases showing 50% identity which is especially prominent in the kinase and leucine zipper domains. Co-immunoprecipitation assays and GST-pull-down experiments were carried out to determine the composition of bovine IKK complexes compared to that in human Jurkat T cells. Using these approaches, the presence of bovine IKK complexes harbouring IKKalpha, IKKbeta, NEMO and the interaction of IKK with its substrate IkappaBalpha could be demonstrated. Parallel experiments using human Jurkat T cells confirmed the high degree of conservation also at the level of protein-protein interactions. Finally, a yeast two-hybrid analysis showed that bovine NEMO molecules, in addition to the binding to IKKalpha and IKKbeta, also strongly interact with each other.

Plakoglobin deficiency protects keratinocytes from apoptosis

The armadillo family protein plakoglobin (Pg) is a well-characterized component of anchoring junctions, where it functions to mediate cell-cell adhesion and maintain epithelial tissue integrity. Although its closest homolog beta-catenin acts in the Wnt signaling pathway to dictate cell fate and promote proliferation and survival, the role of Pg in these processes is not well understood. Here, we investigate how Pg affects the survival of mouse keratinocytes by challenging both Pg-null cells and their heterozygote counterparts with apoptotic stimuli. Our results indicate that Pg deletion protects keratinocytes from apoptosis, with null cells exhibiting delayed mitochondrial cytochrome c release and activation of caspase-3. Pg-null keratinocytes also exhibit increased messenger RNA and protein levels of the anti-apoptotic molecule Bcl-X(L) compared to heterozygote controls. Importantly, reintroduction of Pg into the null cells shifts their phenotype towards that of the Pg+/- keratinocytes, providing further evidence that Pg plays a direct role in regulating cell survival. Taken together, our results suggest that in addition to its adhesive role in epithelia, Pg may also function in contrast to the pro-survival tendencies of beta-catenin, to potentiate death in cells damaged by apoptotic stimuli, perhaps limiting the potential for the propagation of mutations and cellular transformation.Journal of Investigative Dermatology advance online publication, 16 November 2006; doi:10.1038/sj.jid.5700615.

Tumour suppressors in liver carcinogenesis

The circuitous cell signalling pathways of hepatocytes comprise several factors that operate to downgrade or even interrupt the transmission of a given signal. These down-regulating influences are essential to keep cell proliferation and cell survival in check and if impaired, can alter a delicate balance in favour of cell proliferation. Each signalling pathway that has been implicated in carcinogenesis is influenced by both oncogenic factors that promote tumour growth when activated as well as tumour suppressor proteins that have to be impaired to favour tumour growth. This summary of the Tumour Suppressors in Liver Carcinogenesis Symposium held at the 2007 EASL Annual Meeting discusses four pathways with pre-eminent tumour suppressor activity, each involved in hepatocarcinogenesis: p53, mTOR, beta-catenin and hedgehog.

Nitric oxide synthase protein levels, not the mRNA, are downregulated in olfactory bulb interneurons of reeler mice

Homozygous mutations in the Reelin gene result in severe disruption of brain development. The histogenesis of layered regions, like the neocortex, hippocampus and the cerebellum, is most notably affected in mouse reeler mutants and similar traits are also present in mice lacking molecular components of the Reelin signalling pathway. Moreover, there is evidence for an additional role of Reelin in sustaining synaptic plasticity in adult networks. Nitric oxide is an important gaseous messenger that can modulate neuronal plasticity both in developing and mature synaptic networks and has been shown to facilitate synaptic changes in the hippocampus, cerebellum and olfactory bulb. We studied the distribution and content of neuronal nitric oxide synthase in the olfactory bulbs of reeler and wildtype mice. Immunocytochemistry reveals that Reelin and neuronal nitric oxide synthase containing interneurons are two distinct, non overlapping cell populations of the olfactory bulb. We show by in situ hybridization that both nitrergic and Reelin expressing cells represent only a subset of olfactory bulb GABAergic neurons. Immunoblots show that neuronal nitric oxide synthase protein content is decreased by two thirds in reeler mice causing a detectable loss of immunolabelled cells throughout the olfactory bulb of this strain. However, neuronal nitric oxide synthase mRNA levels, essayed by quantitative real-time RT-PCR, are unaffected in the reeler olfactory bulb. Thus, disruption of the Reelin signalling pathway may modify the turnover of neuronal nitric oxide synthase in the olfactory bulb and possibly affects nitric oxide functions in reeler mice.

Advanced glycation end products regulate extracellular matrix protein and protease expression by human glomerular mesangial cells

Advanced glycation end products (AGEs) may play a role in the pathogenesis of diabetic nephropathy, by modulating extracellular matrix turnover. AGEs are known to activate specific membrane receptors, including the receptor for AGE (RAGE). In the present study, we analyzed the various receptors for AGEs expressed by human mesangial cells and we studied the effects of glycated albumin and of carboxymethyl lysine on matrix protein and remodelling enzyme synthesis. Membrane RAGE expression was confirmed by FACS analysis. Microarray methods, RT-PCR, and Northern blot analysis were used to detect and confirm specific gene induction. Zymographic analysis and ELISA were used to measure the induction of tPA and PAI-1. We show herein that cultured human mesangial cells express AGE receptor type 1, type 2 and type 3 and RAGE. AGEs (200 microg/ml) induced at least a 2-fold increase in mRNA for 10 genes involved in ECM remodelling, including tPA, PAI-1 and TIMP-3. The increase in tPA synthesis was confirmed by fibrin zymography. The stimulation of PAI-1 synthesis was confirmed by ELISA. AGEs increased PAI-1 mRNA through a signalling pathway involving reactive oxygen species, the MAP kinases ERK-1/ERK-2 and the nuclear transcription factor NF-kappaB, but not AP-1. Carboxymethyl lysine (CML, 5 microM), which is a RAGE ligand, also stimulated PAI-1 synthesis by mesangial cells. In addition, a blocking anti-RAGE antibody partially inhibited the AGE-stimulated gene expression and decreased the PAI-1 accumulation induced by AGEs and by CML. Inhibition of AGE receptors or neutralization of the protease inhibitors TIMP-3 and PAI-1 could represent an important new therapeutic strategy for diabetic nephropathy.

NO-dependent CaMKII activation during -adrenergic stimulation of cardiac muscle

AIMS:During β-adrenergic receptor (β-AR) stimulation, phosphorylation of cardiomyocyte ryanodine receptors by protein kinases may contribute to an increased diastolic Ca(2+) spark frequency. Regardless of prompt activation of protein kinase A during β-AR stimulation, this appears to rely more on activation of Ca(2+)/calmodulin-dependent protein kinase II (CaMKII), by a not yet identified signalling pathway. The goal of the present study was to identify and characterize the mechanisms which lead to CaMKII activation and elevated Ca(2+) spark frequencies during β-AR stimulation in single cardiomyocytes in diastolic conditions. METHODS AND RESULTS:Confocal imaging revealed that β-AR stimulation increases endogenous NO production in cardiomyocytes, resulting in NO-dependent activation of CaMKII and a subsequent increase in diastolic Ca(2+) spark frequency. These changes of spark frequency could be mimicked by exposure to the NO donor GSNO and were sensitive to the CaMKII inhibitors KN-93 and AIP. In vitro, CaMKII became nitrosated and its activity remained increased independent of Ca(2+) in the presence of GSNO, as assessed with biochemical assays. CONCLUSIONS:β-AR stimulation of cardiomyocytes may activate CaMKII by a novel direct pathway involving NO, without requiring Ca(2+) transients. This crosstalk between two established signalling pathways may contribute to arrhythmogenic diastolic Ca(2+) release and Ca(2+) waves during adrenergic stress, particularly in combination with cardiac diseases. In addition, NO-dependent activation of CaMKII is likely to have repercussions in many cellular signalling systems and cell types.

Tissue metabolomics of hepatocellular carcinoma: Tumor energy metabolism and the role of transcriptomic classification

Hepatocellular carcinoma (HCC) is one of the commonest causes of death from cancer. A plethora of metabolomic investigations of HCC have yielded molecules in biofluids that are both up- and down-regulated but no real consensus has emerged regarding exploitable biomarkers for early detection of HCC. We report here a different approach, a combined transcriptomics and metabolomics study of energy metabolism in HCC. A panel of 31 pairs of HCC tumors and corresponding nontumor liver tissues from the same patients was investigated by gas chromatography-mass spectrometry (GCMS)-based metabolomics. HCC was characterized by ∼2-fold depletion of glucose, glycerol 3- and 2-phosphate, malate, alanine, myo-inositol, and linoleic acid. Data are consistent with a metabolic remodeling involving a 4-fold increase in glycolysis over mitochondrial oxidative phosphorylation. A second panel of 59 HCC that had been typed by transcriptomics and classified in G1 to G6 subgroups was also subjected to GCMS tissue metabolomics. No differences in glucose, lactate, alanine, glycerol 3-phosphate, malate, myo-inositol, or stearic acid tissue concentrations were found, suggesting that the Wnt/β-catenin pathway activated by CTNNB1 mutation in subgroups G5 and G6 did not exhibit specific metabolic remodeling. However, subgroup G1 had markedly reduced tissue concentrations of 1-stearoylglycerol, 1-palmitoylglycerol, and palmitic acid, suggesting that the high serum α-fetoprotein phenotype of G1, associated with the known overexpression of lipid catabolic enzymes, could be detected through metabolomics as increased lipid catabolism. Conclusion: Tissue metabolomics yielded precise biochemical information regarding HCC tumor metabolic remodeling from mitochondrial oxidation to aerobic glycolysis and the impact of molecular subtypes on this process.

Effects of externally supplied protein on root morphology and biomass allocation in Arabidopsis

Growth, morphogenesis and function of roots are influenced by the concentration and form of nutrients present in soils, including low molecular mass inorganicN(IN, ammonium, nitrate) and organicN(ON, e. g. amino acids). Proteins, ON of high molecular mass, are prevalent in soils but their possible effects on roots have received little attention. Here, we investigated how externally supplied protein of a size typical of soluble soil proteins influences root development of axenically grown Arabidopsis. Addition of low to intermediate concentrations of protein (bovine serum albumen, BSA) to IN-replete growth medium increased root dry weight, root length and thickness, and root hair length. Supply of higher BSA concentrations inhibited root development. These effects were independent of total N concentrations in the growth medium. The possible involvement of phytohormones was investigated using Arabidopsis with defective auxin (tir1-1 and axr2-1) and ethylene (ein2-1) responses. That no phenotype was observed suggests a signalling pathway is operating independent of auxin and ethylene responses. This study expands the knowledge on N form-explicit responses to demonstrate that ON of high molecular mass elicits specific responses.

Dental and periodontal phenotype in sclerostin knockout mice.

Sclerostin is a Wnt signalling antagonist that controls bone metabolism. Sclerostin is expressed by osteocytes and cementocytes; however, its role in the formation of dental structures remains unclear. Here, we analysed the mandibles of sclerostin knockout mice to determine the influence of sclerostin on dental structures and dimensions using histomorphometry and micro-computed tomography (μCT) imaging. μCT and histomorphometric analyses were performed on the first lower molar and its surrounding structures in mice lacking a functional sclerostin gene and in wild-type controls. μCT on six animals in each group revealed that the dimension of the basal bone as well as the coronal and apical part of alveolar part increased in the sclerostin knockout mice. No significant differences were observed for the tooth and pulp chamber volume. Descriptive histomorphometric analyses of four wild-type and three sclerostin knockout mice demonstrated an increased width of the cementum and a concomitant moderate decrease in the periodontal space width. Taken together, these results suggest that the lack of sclerostin mainly alters the bone and cementum phenotypes rather than producing abnormalities in tooth structures such as dentin.