Modulation de la voie de signalisation de Gαq par l’hyperglycémie : mécanisme moléculaire

Les complications vasculaires telles que l’augmentation de la contractilité et la prolifération cellulaire sont les complications les plus communes observées dans le diabète et l’hyperglycémie chronique est un facteur important dans ces processus. La voie de signalisation de Gαq joue un rôle important dans la régulation du tonus vasculaire et l’altération de celle-ci peut contribuer aux complications vasculaires observées dans les cas de diabète et d’hyperglycémie. Il a été observé que les taux et l’activité des protéines kinase C (PKC) et du diacylglycérol (DAG) sont augmentés dans ces conditions. Cependant, aucune étude n’a démontré l’implication de Gαq/11 et des PLCβ, molécules de signalisation en amont de PKC/DAG. Plusieurs études révèlent que l’augmentation des taux et de l’activité des PKC et du DAG induite par l’hyperglycémie dans des cellules du muscle lisse vasculaire (CMLV) est attribuée à l’augmentation du stress oxydatif. De plus, les niveaux de certains peptides vasoactifs, tels que l’angiotensine II et l’endothéline-1, augmentés dans les conditions de diabète/d’hyperglycémie, peuvent contribuer à l’augmentation du stress oxydatif observée. Le travail présenté dans cette thèse avait pour but d’examiner les effets de l’hyperglycémie sur les niveaux d’expression protéique de Gαq/11 et de ses molécules associées, ainsi que d’étudier le mécanisme moléculaire par lequel l’hyperglycémie module la voie de signalisation de Gαq dans les CMLV. Dans la première étude, nous avons examiné si l’hyperglycémie pouvait moduler l’expression des protéines Gαq, Gα11, PLCβ1 et PLCβ2. Le prétraitement des CMLV A10 avec 26 mM de glucose durant 72 heures augmente l’expression des protéines Gαq, Gα11, PLCβ-1 et PLCβ-2 en comparaison avec les CMLV témoins. Le traitement avec des antagonistes aux récepteurs AT1 de l’Ang II, et ETA/ETB de l’ET-1, atténue la hausse de Gαq, de Gα11, de PLCβ1 et de PLCβ2 induite par l’hyperglycémie. De plus, la formation d’IP3 stimulée par l’ET-1 était plus élevée dans les CMLV exposée à 26 mM de glucose. Le traitement des CMLV A10 avec l’Ang II et l’ET-1 augmente également les niveaux d’expression des protéines Gα q/11 et PLCβ. Cette augmentation de l’expression est restaurée au niveau des CMLV témoins par les antagonistes des récepteurs AT1, ETA et ETB. Ces résultats suggèrent que l’augmentation de l’expression des protéines Gαq/11 et PLCβ dans les CMLV induite par l’hyperglycémie est attribuée à l’activation des récepteurs AT1, ETA et ETB. Dans la seconde étude, nous avons examiné l’implication du stress oxydatif dans l’augmentation des niveaux d’expression des protéines Gαq/11 et PLCβ et de leur signalisation induite par l’hyperglycémie. Nous avons également déterminé le mécanisme responsable de l’augmentation du stress oxydatif induite par l’hyperglycémie. L’augmentation de l’expression des protéines Gαq/11 et PLCβ des CMLV A10 exposées à 26 mM de glucose est revenue au niveau basal après un traitement avec l’antioxydant diphenyleneiodonium (DPI), et la catalase, un chélateur du peroxyde d’hydrogène, mais pas par le 111Mn-tetralis(benzoic acid porphyrin) (MnTBAP) ni par l’acide urique, des chélateurs du peroxynitrite. De plus, l’augmentation de la formation d’IP3 stimulée par l’ET-1 dans les CMLV exposées à 26 mM de glucose est revenue au niveau basal après un traitement avec le DPI et la catalase. Ces résultats suggèrent que l’augmentation du stress oxydatif induite par l’hyperglycémie contribue à l’augmentation de l’expression des protéines Gαq/11 et les molécules associées à la voie de signalisation de Gq. De plus, l’augmentation de la production d’anion superoxyde (O2-), de l’activité de la NADPH oxydase et de l’expression des protéines p22(phox) et p47(phox) induite par l’hyperglycémie est revenue à un niveau basal après un traitement avec les antagonistes des récepteurs AT1, ETA et ETB. Ces résultats suggèrent que l’hyperglycémie augmente les niveaux endogènes de l’Ang II et de l’ET-1, ce qui augmente le stress oxydatif par la formation d’O2- et de H2O2 et peut contribuer à l’augmentation des niveaux de Gq/11α et de leurs molécules de signalisation. Puisqu’il a été observé que l’hyperglycémie transactive les récepteurs aux facteurs de croissance tels que le récepteur au facteur de croissance épidermique (EGF-R) et le récepteur au facteur de croissance dérivé des plaquettes (PDGF-R), nous avons entrepris d’examiner, dans la troisième étude, l’implication d’EGF-R et de PDGF-R dans l’augmentation des niveaux de Gαq/11, de PLCβ et de leur signalisation induite par l’hyperglycémie. L’augmentation des niveaux d’expression des protéines Gαq, Gα11, PLCβ-1 et PLCβ-2 induite par l’hyperglycémie est revenue au niveau basal après un traitement avec les inhibiteurs d’EGF-R (AG1478) et de PDGF-R (AG1295) et par l’inhibiteur de c-Src, PP2. L’augmentation de la phosphorylation d’EGF-R et de PDGF-R induite par l’hyperglycémie a été abolie par AG1478, AG1295 et PP2. De plus, l’augmentation des niveaux de Gαq/11, et de PLCβ induite par l’hyperglycémie est atténuée par l’inhibiteur des MAPK, le PD98059, et par l’inhibiteur d’AKT, le wortmannin. L’augmentation de la phosphorylation d’ERK et d’AKT était également atténuée par AG1478 et AG1295. Ces résultats suggèrent que la transactivation des récepteurs aux facteurs de croissance induite par c-Src peut contribuer à l’augmentation des niveaux de Gα q/11/PLC et de leur signalisation par la voie des MAPK/PI3K. En conclusion, les études présentées dans cette thèse indiquent que l’hyperglycémie augmente les niveaux de Gαq/11 et de PLCβ. Nous avons émis des évidences qui démontrent que l’augmentation endogène de l’Ang II et de l’ET-1 par l’hyperglycémie peut contribuer à l’augmentation de la production d’O2- et de H2O2 résultant ainsi en une augmentation du stress oxydatif qui pourrait être responsable de l’augmentation de Gαq/11/PLC et de leur signalisation dans les conditions d’hyperglycémie. Finalement, nous avons démontré que la transactivation des récepteurs aux facteurs de croissance induite par l’hyperglycémie peut être responsable de l’augmentation de Gαq/11/PLC et les molécules associées à la voie de signalisation de Gq dans les cas de diabète et d’hyperglycémie.

Hydrogen peroxide enhances the expression and function of Giα proteins in aortic vascular smooth muscle cells from Sprague-Dawley rats : role of growth factor receptors transactivation

Nous avons récemment démontré que les espèces réactives oxygénées induisent une augmentation de l’expression des protéines Giα dans les cellules du muscle lisse vasculaire (CMLV) provenant d’aortes de rats spontanément hypertendus (SHR, de l’anglais spontaneously hypertensive rats). La présente étude a pour but d’étudier les effets du peroxyde d’hydrogène (H2O2), un oxydant qui induit le stress oxydatif, sur l’expression de Giα et sur l’activité de l’adénylate cyclase, et d’explorer les voies de signalisation sous-jacentes responsables de cette réponse. Nos résultats montrent que H2O2 induit une augmentation de l’expression des protéines Giα-2 et Giα-3 de manière dose- et temps-dépendante avec une augmentation maximale de 40-50% à 100 µM après 1 heure, sans affecter l’expression de Gsα. L’expression des protéines Giα a été maintenue au niveau normal en presence de AG 1478, AG1295, PD98059 et la wortmannine, des inhibiteurs d’EGF-R (de l’anglais epidermal growth factor receptor), PDGFR-β (de l’anglais platelet-derived growth factor receptor β), de la voie de signalisation ras-ERK1/2 (de l’anglais extracellular regulated kinase1/2), et de la voie de la PI3Kinase-AKT (de l’anglais phosphatidyl inositol-3 kinase), respectivement. En outre, le traitement des CMLV avec H2O2 a induit une augmentation du degré de phosphorylation d’EGF-R, PDGF-R, ERK1/2 et AKT; et cette expression a été maintenue au niveau témoin par leurs inhibiteurs respectifs. Les inhibiteurs d’EGF-R et PDGF-R ont aussi induit une diminution du degré de phosphorylation de ERK1/2, et AKT/PKB. En outre, la transfection des cellules avec le siRNA (de l’anglais, small interfering ribonucleic acid) de EGF-R et PDGFR-β a atténué la surexpression des protéines Giα-2 et Giα-3 induite par le traitement au H2O2. La surexpression des protéines Giα induite par H2O2 a été corrélée avec une augmentation de la fonction de la protéine Giα. L’inhibition de l’activité de l’adénylate cyclase par de faibles concentrations de GTPγS après stimulation par la forskoline a augmenté de 20% dans les cellules traitées au H2O2. En outre, le traitement des CMLV au H2O2 a aussi accru l’inhibition de l’activité de l’adénylate cyclase par les hormones inhibitrices telles que l’angiotensine II, oxotrémorine et C-ANP4-23. D’autre part, la stimulation de l’adénylate cyclase induite par GTPγS, glucagon, isoprotérénol, forskoline, et le fluorure de sodium (NaF) a été atténuée de façon significative dans les cellules traitées au H2O2. Ces résultats suggèrent que H2O2 induit la surexpression des protéines Giα-2 and Giα-3 via la transactivation des récepteurs des facteurs de croissance EGF-R, PDGFR-β et l’activation des voies de signalisation ras-ERK1/2 et PI3K-AKT Mot-cles: Protéines Giα, peroxyde d’hydrogène, stress oxydant, récepteurs des facteurs de croissance, MAP kinases, adénylate cyclase, hypertension

Feedback regulation of Gab2-dependent signaling by the Ras/MAPK pathway

La voie de signalisation des Récepteurs Tyrosine Kinase (RTK) occupe un rôle central dans la régulation de la croissance cellulaire, la prolifération, la différentiation et la motilité. Une régulation anormale des RTKs mène à plusieurs maladies humaines telles que le cancer du sein, la seconde cause de mortalité chez les femmes à cause de l’amplification et la mutation fréquente de la protéine tyrosine kinase HER2 (ERBB2). Grb2-associated binder (Gab) 2 est une protéine adaptatrice qui agit en aval de plusieurs RTKs, y compris HER2, pour réguler de multiples voies de signalisation. En réponse à la stimulation par de nombreux facteurs de croissances et cytokines, Gab2 est recruté à la membrane plasmique où il potentialise l’activation des voies de signalisation Ras/mitogen-activated protein kinase (MAPK) et PI3K (phosphatidylinositol-3-kinase)/Akt (protein kinase B). En plus d’occuper un rôle essentiel durant le développement du système hématopoïétique, Gab2 est souvent amplifié dans les cancers, notamment le cancer du sein et les mélanomes. Cependant, les mécanismes moléculaires qui régulent le fonctionnement de Gab2 sont peu connus. Il est établi que lors de l’activation des RTKs, Gab2 est phosphorylé au niveau de plusieurs résidus Tyrosine, menant à l’association de différentes protéines comme p85 et Shp2. En plus de la phosphorylation en Tyrosine, notre laboratoire ainsi que d’autres groupes de recherche avons identifié que Gab2 est aussi phosphorylé au niveau de résidus Ser/Thr suite à l’activation de la voie de signalisation MAPK. Cependant, la régulation des fonctions de Gab2 par ces modifications post-traductionnelles est encore peu connue. Dans le but de comprendre comment Gab2 est régulé par la voie de signalisation MAPK, nous avons utilisé différentes approches. Dans la première partie de ma thèse, nous avons déterminé un nouveau mécanisme démontrant que la voie de signalisation Ras/MAPK, par le biais des protéines kinases RSK (p90 ribosomal S6 kinase), phosphoryle Gab2. Ce phénomène se produit à la fois in vivo et in vitro au niveau de trois résidus Ser/Thr conservés. Des mutations au niveau de ces sites de phosphorylation entrainent le recrutement de Shp2 menant à l’augmentation de la motilité cellulaire, ce qui suggère que les protéines RSK restreignent les fonctions dépendantes de Gab2. Ce phénomène est le résultat de la participation de RSK dans la boucle de rétroaction négative de la voie de signalisation MAPK. Dans la seconde partie de ma thèse, nous avons démontré que les protéines ERK1/2 phosphorylent Gab2 au niveau de plusieurs résidus pS/T-P à la fois in vitro et in vivo, entrainant l’inhibition du recrutement de p85. De plus, nous avons établi pour la première fois que Gab2 interagit physiquement avec ERK1/2 dans des cellules lors de l’activation de la voie de signalisation MAPK. Par ailleurs, nous avons montré un nouveau domaine d’attache du module ERK1/2 sur Gab2. Des mutations sur les résidus essentiels de ce domaine d’attache n’entrainent pas seulement la dissociation de ERK1/2 avec Gab2, mais diminuent également la phosphorylation dépendante de ERK1/2 sur Gab2. Ainsi, nos données montrent que la voie de signalisation MAPK régule les fonctions de la protéine Gab2 par le biais des kinases RSK et ERK1/2. Cette thèse élabore par ailleurs un schéma complet des fonctions de Gab2 dépendantes de la voie de signalisation MAPK dans le développement de nombreux cancers.

Convergencia de vías de señalización en un modelo de apoptosis

La sepsis es un evento inflamatorio generalizado del organismo inducido por un daño causado generalmente por un agente infeccioso. El patógeno más frecuentemente asociado con esta entidad es el Staphylococcus aureus, responsable de la inducción de apoptosis en células endoteliales debida a la producción de ceramida. Se ha descrito el efecto protector de la proteína C activada (PCA) en sepsis y su relación con la disminución de la apoptosis de las células endoteliales. En este trabajo se analizó la activación de las quinasas AKT, ASK1, SAPK/JNK y p38 en un modelo de apoptosis endotelial usando las técnicas de Western Blotting y ELISA. Las células endoteliales (EA.hy926), se trataron con C2-ceramida (130μM) en presencia de inhibidores químicos de cada una de estas quinasas y PCA. La supervivencia de las células en presencia de inhibidores químicos y PCA fue evaluada por medio de ensayos de activación de las caspasas 3, 7 y 9, que verificaban la muerte celular por apoptosis. Los resultados evidencian que la ceramida reduce la activación de AKT y aumenta la activación de las quinasas ASK, SAPK/JNK y p38, en tanto que PCA ejerce el efecto contrario. Adicionalmente se encontró que la tiorredoxina incrementa la activación/fosforilación de AKT, mientras que la quinasa p38 induce la defosforilación de AKT.

Pro-inflammatory cytokines stimulate mitogen-activated protein kinase subfamilies, increase phosphorylation of c-Jun and ATF2 and upregulate c-Jun protein in neonatal rat ventricular myocytes.

Pro-inflammatory cytokines may be important in the pathophysiological responses of the heart. We investigated the activation of the three mitogen-activated protein kinase (MAPK) subfamilies ¿c-Jun N-terminal kinases (JNKs), p38-MAPKs and extracellularly-responsive kinases (ERKs) by interleukin-1 beta (IL-1 beta) or tumour necrosis factor alpha (TNF alpha) in primary cultures of myocytes isolated from neonatal rat ventricles. Both cytokines stimulated a rapid (maximal within 10 min) increase in JNK activity. Although activation of JNKs by IL-1 beta was transient returning to control values within 1 h, the response to TNF alpha was sustained. IL-1 beta and TNF alpha also stimulated p38-MAPK phosphorylation, but the response to IL-1 beta was consistently greater than TNF alpha. Both cytokines activated ERKs, but to a lesser degree than that induced by phorbol esters. The transcription factors, c-Jun and ATF2, are phosphorylated by the MAPKs and are implicated in the upregulation of c-Jun. IL-1 beta and TNF alpha stimulated the phosphorylation of c-Jun and ATF2. However, IL-1 beta induced a greater increase in c-Jun protein. Inhibitors of protein kinase C (PKC) (Ro318220, GF109203X) and the ERK cascade (PD98059) attenuated the increase in c-Jun induced by IL-1 beta, but LY294002 (an inhibitor of phosphatidylinositol 3' kinase) and SB203580 (an inhibitor of p38-MAPK, which also inhibits certain JNK isoforms) had no effect. These data illustrate that some of the pathological effects of IL-1 beta and TNF alpha may be mediated through the MAPK cascades, and that the ERK cascade, rather than JNKs or p38-MAPKs, are implicated in the upregulation of c-Jun by IL-1 beta.

Short-Term Modulation of Extracellular Signal-Regulated Kinase 1/2 and Stress-Activated Protein Kinase/c-Jun NH2-Terminal Kinase in Pancreatic Islets by Glucose and Palmitate Possible Involvement of Ceramide

Objectives: The effect of glucose and palmitate on the phosphorylation of proteins associated with cell growth and survival (extracellular signal-regulated kinase 1/2 [ERK1/2] and stress-activated protein kinase/c-Jun NH2-terminal kinase [SAPK/JNK]) and on the expression of immediate early genes was investigated. Methods: Groups of freshly isolated rat pancreatic islets were incubated in 10-mmol/L glucose with palmitate, LY294002, or fumonisin B1 for the measurement of the phosphorylation and the content of ERK1/2, JNK/SAPK, and v-akt murine thymoma viral oncongene (AKT) (serine 473) by immunoblotting. The expressions of the immediate early genes, c-fos and c-jun, were evaluated by reverse transcription-polymerase chain reaction. Results: Glucose at 10 mmol/L induced ERK1/2 and AKT phosphorylations and decreased SAPK/JNK phosphorylation. Palmitate (0.1 mmol/L) abolished the glucose effect on ERK1/2, AKT, and SAPK/JNK phosphorylations. LY294002 caused a similar effect. The inhibitory effect of palmitate on glucose-induced ERK1/2 and AKT phosphorylation changes was not observed in the presence of fumonisin B1. Glucose increased c-fos and decreased c-jun expressions. Palmitate and LY294002 abolished these latter glucose effects. The presence of fumonisin B1 abolished the effect induced by palmitate on c-jun expression. Conclusions: Our results suggest that short-term changes of mitogen-activated protein kinase and AKT signaling pathways and c-fos and c-jun expressions caused by glucose are abolished by palmitate through phosphatidylinositol 3-kinase inhibition via ceramide synthesis.

Diet-induced obesity impairs AKT signalling in the retina and causes retinal degeneration

Retinopathy, a common complication of diabetes, is characterized by an unbalanced production of nitric oxide (NO), a process regulated by nitric oxide synthase (NOS). We hypothesized that retinopathy might stem from changes in the insulin receptor substrate (IRS)/PI3K/AKT pathway and/or expression of NOS isoforms. Thus, we analysed the morphology and apoptosis index in retinas of obese rats in whom insulin resistance had been induced by a high-fat diet (HFD). Immunoblotting analysis revealed that the retinal tissue of HFD rats had lower levels of AKT1, eNOS and nNOS protein than those of samples taken from control animals. Furthermore, immunohistochemical analyses indicated higher levels of iNOS and 4-hydroxynonenal and a larger number of apoptotic nuclei in HFD rats. Finally, both the inner and outer retinal layers of HFD rats were thinner than those in their control counterparts. When considered alongside previous results, these patterns suggest two major ways in which HFD might impact animals: direct activity of ingested fatty acids and/or via insulin-resistance-induced changes in intracellular pathways. We discuss these possibilities in further detail and advocate the use of this animal model for further understanding relationships between retinopathy, metabolic syndrome and type 2 diabetes. © 2012 John Wiley & Sons, Ltd.

PIK3CA exon 20 mutations are associated with poor prognosis in breast cancer patients

OBJECTIVES: The phosphatidylinositol 3-kinase/AKT axis is an important cell-signaling pathway that mediates cell proliferation and survival, two biological processes that regulate malignant cell growth. The phosphatidylinositol 3-kinase CA gene encodes the p110 alpha subunit of the phosphatidylinositol 3-kinase protein. There are phosphatidylinositol 3-kinase CA mutations in several types of human tumors, and they are frequently observed in breast cancer. However, these mutations have not been investigated in Brazilian breast cancer patients. METHODS: PCR-SSCP and direct DNA sequencing were performed to identify phosphatidylinositol 3-kinaseCA exon 9 and exon 20 mutations in 86 patients with sporadic breast cancer. The relationships between PIK3CA mutations and patient clinicopathological characteristics and survival were analyzed. The presence of the TP53 mutation was also examined. RESULTS: Twenty-three (27%) of the 86 primary breast tumors contained PIK3CA mutations. In exons 9 and 20, we identified the hotspot mutations E542K, E545K, and H1047R, and we identified two new missense mutations (I1022V and L1028S) and one nonsense (R992X) mutation. Phosphatidylinositol 3-kinase CA exon 20 mutations were associated with poor overall survival and TP53 gene mutations. CONCLUSIONS: Phosphatidylinositol 3-kinase CA mutations are common in tumors in Brazilian breast cancer patients, and phosphatidylinositol 3-kinase CA and TP53 mutations are not mutually exclusive. Phosphatidylinositol 3-kinase CA exon 20 mutations are associated with poor survival, and they may be useful biomarkers for identifying breast cancer patients with aggressive tumors and for predicting the response to treatment with PI3K pathway inhibitors.

Mechanotransduction pathways in skeletal muscle hypertrophy

In the last decade, molecular biology has contributed to define some of the cellular events that trigger skeletal muscle hypertrophy. Recent evidence shows that insulin like growth factor 1/phosphatidyl inositol 3-kinase/protein kinase B (IGF-1/PI3K/Akt) signaling is not the main pathway towards load-induced skeletal muscle hypertrophy. During load-induced skeletal muscle hypertrophy process, activation of mTORC1 does not require classical growth factor signaling. One potential mechanism that would activate mTORC1 is increased synthesis of phosphatidic acid (PA). Despite the huge progress in this field, it is still early to affirm which molecular event induces hypertrophy in response to mechanical overload. Until now, it seems that mTORC1 is the key regulator of load-induced skeletal muscle hypertrophy. On the other hand, how mTORC1 is activated by PA is unclear, and therefore these mechanisms have to be determined in the following years. The understanding of these molecular events may result in promising therapies for the treatment of muscle-wasting diseases. For now, the best approach is a good regime of resistance exercise training. The objective of this point-of-view paper is to highlight mechanotransduction events, with focus on the mechanisms of mTORC1 and PA activation, and the role of IGF-1 on hypertrophy process.

Swimming Training in Rats Increases Cardiac MicroRNA-126 Expression and Angiogenesis

DA SILVA, N. D. JR, T. FERNANDES, U. P. R. SOCI, A. W. A. MONTEIRO, M. I. PHILLIPS, and E. M. DE OLIVEIRA. Swimming Training in Rats Increases Cardiac MicroRNA-126 Expression and Angiogenesis. Med. Sci. Sports Exerc., Vol. 44, No. 8, pp. 1453-1462, 2012. Purpose: MicroRNA (miRNA)-126 is angiogenic and has two validated targets: Sprouty-related protein 1 (Spred-1) and phosphoinositol-3 kinase regulatory subunit 2 (PI3KR2), negative regulators of angiogenesis by VEGF pathway inhibition. We investigated the role of swimming training on cardiac miRNA-126 expression related to angiogenesis. Methods: Female Wistar rats were assigned to three groups: sedentary (S), training 1 (T1, moderate volume), and training 2 (T2, high volume). T1 consisted of 60 min.d(-1) of swimming, five times per week for 10 wk with 5% body overload. T2 consisted of the same protocol of T1 until the eighth week; in the ninth week, rats trained for two times a day, and in the 10th week, rats trained for three times a day. MiRNA and PI3KR2 gene expression analysis was performed by real-time polymerase chain reaction in heart muscle. We assessed markers of training, the cardiac capillary-fiber ratio, cardiac protein expression of VEGF, Spred-1, Raf-1/ERK 1/2, and PI3K/Akt/eNOS. Results: The cardiac capillary-fiber ratio increased in T1 (58%) and T2 (101%) compared with S. VEGF protein expression was increased 42% in T1 and 108% in T2. Cardiac miRNA-126 expression increased 26% (T1) and 42% (T2) compared with S, correlated with angiogenesis. The miRNA-126 target Spred-1 protein level decreased 41% (T1) and 39% (T2), which consequently favored an increase in angiogenic signaling pathway Raf-1/ERK 1/2. On the other hand, the gene expression of PI3KR2, the other miRNA-126 target, was reduced 39% (T1) and 78% (T2), and there was an increase in protein expression of components of the PI3K/Akt/eNOS signaling pathway in the trained groups. Conclusions: This study showed that aerobic training promotes an increase in the expression of miRNA-126 and that this may be related to exercise-induced cardiac angiogenesis, by indirect regulation of the VEGF pathway and direct regulation of its targets that converged in an increase in angiogenic pathways, such as MAPK and PI3K/Akt/eNOS.

Cellular Infiltrates and NF kappa B Subunit c-Rel Signaling in Kidney Allografts of Patients With Clinical Operational Tolerance

Background. Nuclear factor kappa B (NF kappa B) plays a potential role in tolerance by orchestrating onset and resolution of inflammation and regulatory T cell differentiation through subunit c-Rel. We characterized cellular infiltrates and expression of NF kappa B1, c-Rel and its upstream regulators phosphatidylinositol 3-kinase/RAC-alpha serine/threonine kinase, in allograft biopsies from patients with spontaneous clinical operational tolerance (COT). Methods. Paraffin-fixed kidney allograft biopsies from 40 patients with COT (n=4), interstitial rejection (IR; n=12), borderline changes (BC; n=12), and long-term allograft function without rejection (NR; n=12) were used in the study. Cellular infiltrates and immunohistochemical expression of key proteins of the NF kappa B pathway were evaluated in the cortical tubulointerstitium and in cellular infiltrates using digital image analysis software. Results were given as mean +/- SEM. Results. Biopsies from patients with COT exhibited a comparable amount of cellular infiltrate to IR, BC, and NR (COT, 191 +/- 81; IR, 291 +/- 62; BC, 178 +/- 45; and NR, 210 +/- 42 cells/mm(2)) but a significantly higher proportion of forkhead box P3-positive cells (COT, 11%+/- 1.7%; IR, 3.5%+/- 0.70%; BC, 3.4%+/- 0.57%; and NR, 3.7%+/- 0.78% of infiltrating cells; P=0.02). c-Rel expression in cellular infiltrates was significantly elevated in IR, BC, and NR when analyzing the number of positive cells per mm(2) (P=0.02) and positive cells per infiltrating cells (P=0.04). In contrast, tubular PI3K and c-Rel expression were significantly higher in IR and BC but not in NR compared with COT (P=0.03 and P=0.006, respectively). With RAC-alpha serine-threonine kinase, similar tendencies were observed (P=0.2). Conclusions. Allografts from COT patients show significant cellular infiltrates but a distinct expression of proteins involved in the NF kappa B pathway and a higher proportion of forkhead box P3-positive cells.

AICAR and metformin, but not exercise, increase muscle glucose transport through AMPK-, ERK-, and PDK1-dependent activation of atypical PKC

Activators of 5'-AMP-activated protein kinase (AMPK) 5-aminoimidazole-4-carboxamide-1-beta-d-ribofuranoside (AICAR), metformin, and exercise activate atypical protein kinase C (aPKC) and ERK and stimulate glucose transport in muscle by uncertain mechanisms. Here, in cultured L6 myotubes: AICAR- and metformin-induced activation of AMPK was required for activation of aPKC and ERK; aPKC activation involved and required phosphoinositide-dependent kinase 1 (PDK1) phosphorylation of Thr410-PKC-zeta; aPKC Thr410 phosphorylation and activation also required MEK1-dependent ERK; and glucose transport effects of AICAR and metformin were inhibited by expression of dominant-negative AMPK, kinase-inactive PDK1, MEK1 inhibitors, kinase-inactive PKC-zeta, and RNA interference (RNAi)-mediated knockdown of PKC-zeta. In mice, muscle-specific aPKC (PKC-lambda) depletion by conditional gene targeting impaired AICAR-stimulated glucose disposal and stimulatory effects of both AICAR and metformin on 2-deoxyglucose/glucose uptake in muscle in vivo and AICAR stimulation of 2-[(3)H]deoxyglucose uptake in isolated extensor digitorum longus muscle; however, AMPK activation was unimpaired. In marked contrast to AICAR and metformin, treadmill exercise-induced stimulation of 2-deoxyglucose/glucose uptake was not inhibited in aPKC-knockout mice. Finally, in intact rodents, AICAR and metformin activated aPKC in muscle, but not in liver, despite activating AMPK in both tissues. The findings demonstrate that in muscle AICAR and metformin activate aPKC via sequential activation of AMPK, ERK, and PDK1 and the AMPK/ERK/PDK1/aPKC pathway is required for metformin- and AICAR-stimulated increases in glucose transport. On the other hand, although aPKC is activated by treadmill exercise, this activation is not required for exercise-induced increases in glucose transport, and therefore may be a redundant mechanism.

Characterization of the regulation of renal Na+/H+ exchanger NHE3 by insulin

Insulin receptors are widely distributed in the kidney and affect multiple aspects of renal function. In the proximal tubule, insulin regulates volume and acid-base regulation through stimulation of the Na(+)/H(+) exchanger NHE3. This paper characterizes the signaling pathway by which insulin stimulates NHE3 in a cell culture model [opossum kidney (OK) cell]. Insulin has two distinct phases of action on NHE3. Chronic insulin (24 h) activates NHE3 through the classic phosphatidylinositol 3-kinase-serum- and glucocorticoid-dependent kinase 1 (PI3K-SGK1) pathway as insulin stimulates SGK1 phosphorylation and the insulin effect can be blocked by the PI3K inhibitor wortmannin or a dominant-negative SGK1. We showed that SGK1 transcript and protein are expressed in rat proximal tubule and OK cells. We previously showed that glucocorticoids augment the effect of insulin on NHE3 (Klisic J, Hu MC, Nief V, Reyes L, Fuster D, Moe OW, Ambuhl PM. Am J Physiol Renal Physiol 283: F532-F539, 2002). Part of this can be mediated via induction of SGK1 by glucocorticoids, and indeed the insulin effect on NHE3 can also be amplified by overexpression of SGK1. We next addressed the acute effect of insulin (1-2 h) on NHE3 by systematically examining the candidate signaling cascades and activation mechanisms of NHE3. We ruled out the PI3K-SGK1-Akt and TC10 pathways, increased surface NHE3, NHE3 phosphorylation, NHE3 association with calcineurin homologous protein 1 or megalin as mechanisms of acute activation of NHE3 by insulin. In summary, insulin stimulates NHE3 acutely via yet undefined pathways and mechanisms. The chronic effect of insulin is mediated by the classic PI3K-SGK1 route.

Circumvention of cellular defense responses to DNA -directed nucleoside analogues by the protein kinase inhibitor, UCN-01

DNA-directed nucleoside analogues, such as ara-C, fludarabine, and gemcitabine, are antimetabolites effective in the treatment of a variety of cancers. However, resistance to nucleoside analogue-based chemotherapy in treatments is still a major problem in therapy. Therefore, it is essential to develop rationales for optimizing the use of nucleoside analogues in combination with other anticancer drugs or modalities such as radiation. The present study focuses on establishing mechanism-based combination strategy to overcome resistance to nucleoside analogues. ^ I hypothesized that the cytostatic concentrations of nucleoside analogues may cause S-phase arrest by activating an S-phase checkpoint that consists of a series of kinases. This may allow cells to repair damaged DNA over time and spare cytotoxicity. Thus, the ability of cells to enact an S-phase arrest in response to incorporation of potentially lethal amounts of nucleoside analogue may serve as a mechanism of resistance to S-phase-specific agents. As a corollary, the addition of a kinase inhibitor, such as UCN-01, may dysregulate the checkpoint response and abrogate the survival of S-phase-arrested cells by suppression of the survival signaling pathways. Using gemcitabine as a model of S-phase-specific nucleoside analogues in human acute myelogenous leukemia ML-1 cells, I demonstrated that cells arrested in S-phase in response to cytostatic conditions. Proliferation continued after washing the cells into drug-free medium, suggesting S-phase arrest served as a resistance mechanism of cancer cells to spare cytotoxicity of nucleoside analogues. However, nontoxic concentrations of UCN-01 rapidly killed S-phase-arrested cells by apoptosis. Furthermore, the molecular mechanism for UCN-01-induced apoptosis in S-phase-arrested cells was through inhibition of survival pathways associated with these cells. In this regard, suppression of the PI 3-kinase-Akt-Bad survival pathway as well as the NF-κB signaling pathway were associated with induction of apoptosis in S-phase-arrested cells by UCN-01, whereas the Ras-Raf-MEK-ERK pathway appeared not involved. This study has provided the rationales and strategies for optimizing the design of effective combination therapies to overcome resistance to nucleoside analogues. In fact, a clinical trial of the combination of ara-C with UCN-01 to treat relapsed or refractory AML patients has been initiated at U.T.M.D. Anderson Cancer Center. ^

Epigallocathechin-3 Gallate Selectively Inhibits the PDGF-BB–induced Intracellular Signaling Transduction Pathway in Vascular Smooth Muscle Cells and Inhibits Transformation of sis-transfected NIH 3T3 Fibroblasts and Human Glioblastoma Cells (A172)

Enhanced activity of receptor tyrosine kinases such as the PDGF β-receptor and EGF receptor has been implicated as a contributing factor in the development of malignant and nonmalignant proliferative diseases such as cancer and atherosclerosis. Several epidemiological studies suggest that green tea may prevent the development of cancer and atherosclerosis. One of the major constituents of green tea is the polyphenol epigallocathechin-3 gallate (EGCG). In an attempt to offer a possible explanation for the anti-cancer and anti-atherosclerotic activity of EGCG, we examined the effect of EGCG on the PDGF-BB–, EGF-, angiotensin II-, and FCS-induced activation of the 44 kDa and 42 kDa mitogen-activated protein (MAP) kinase isoforms (p44mapk/p42mapk) in cultured vascular smooth muscle cells (VSMCs) from rat aorta. VSMCs were treated with EGCG (1–100 μM) for 24 h and stimulated with the above mentioned agonists for different time periods. Stimulation of the p44mapk/p42mapk was detected by the enhanced Western blotting method using phospho-specific MAP kinase antibodies that recognized the Tyr204-phosphorylated (active) isoforms. Treatment of VSMCs with 10 and 50 μM EGCG resulted in an 80% and a complete inhibition of the PDGF-BB–induced activation of MAP kinase isoforms, respectively. In striking contrast, EGCG (1–100 μM) did not influence MAP kinase activation by EGF, angiotensin II, and FCS. Similarly, the maximal effect of PDGF-BB on the c-fos and egr-1 mRNA expression as well as on intracellular free Ca2+ concentration was completely inhibited in EGCG-treated VSMCs, whereas the effect of EGF was not affected. Quantification of the immunoprecipitated tyrosine-phosphorylated PDGF-Rβ, phosphatidylinositol 3′-kinase, and phospholipase C-γ1 by the enhanced Western blotting method revealed that EGCG treatment effectively inhibits tyrosine phosphorylation of these kinases in VSMCs. Furthermore, we show that spheroid formation of human glioblastoma cells (A172) and colony formation of sis-transfected NIH 3T3 cells in semisolid agar are completely inhibited by 20–50 μM EGCG. Our findings demonstrate that EGCG is a selective inhibitor of the tyrosine phosphorylation of PDGF-Rβ and its downstream signaling pathway. The present findings may partly explain the anti-cancer and anti-atherosclerotic activity of green tea.