Decreased rate of protein synthesis, caspase-3 activity, and ubiquitin-proteasome proteolysis in soleus muscles from growing rats fed a low-protein, high-carbohydrate diet

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Clenbuterol suppresses proteasomal and lysosomal proteolysis and atrophy-related genes in denervated rat soleus muscles independently of Akt

Goncalves DA, Silveira WA, Lira EC, Gra a FA, Paula-Gomes S, Zanon NM, Kettelhut IC, Navegantes LC. Clenbuterol suppresses proteasomal and lysosomal proteolysis and atrophy-related genes in denervated rat soleus muscles independently of Akt. Am J Physiol Endocrinol Metab 302: E123-E133, 2012. First published September 27, 2011; doi:10.1152/ajpendo.00188.2011.-Although it is well known that administration of the selective beta(2)-adrenergic agonist clenbuterol (CB) protects muscle following denervation (DEN), the underlying molecular mechanism remains unclear. We report that in vivo treatment with CB (3 mg/kg sc) for 3 days induces antiproteolytic effects in normal and denervated rat soleus muscle via distinct mechanisms. In normal soleus muscle, CB treatment stimulates protein synthesis, inhibits Ca(2+)-dependent proteolysis, and increases the levels of calpastatin protein. On the other hand, the administration of CB to DEN rats ameliorates the loss of muscle mass, enhances the rate of protein synthesis, attenuates hyperactivation of proteasomal and lysosomal proteolysis, and suppresses the transcription of the lysosomal protease cathepsin L and of atrogin-1/MAFbx and MuRF1, two ubiquitin (Ub) ligases involved in muscle atrophy. These effects were not associated with alterations in either IGF-I content or Akt phosphorylation levels. In isolated muscles, CB (10(-6) M) treatment significantly attenuated DEN-induced overall proteolysis and upregulation in the mRNA levels of the Ub ligases. Similar responses were observed in denervated muscles exposed to 6-BNZ-cAMP (500 mu M), a PKA activator. The in vitro addition of triciribine (10 mu M), a selective Akt inhibitor, did not block the inhibitory effects of CB on proteolysis and Ub ligase mRNA levels. These data indicate that short-term treatment with CB mitigates DEN-induced atrophy of the soleus muscle through the stimulation of protein synthesis, downregulation of cathepsin L and Ub ligases, and consequent inhibition of lysosomal and proteasomal activities and that these effects are independent of Akt and possibly mediated by the cAMP/PKA signaling pathway.

Exercise training prevents oxidative stress and ubiquitin-proteasome system overactivity and reverse skeletal muscle atrophy in heart failure

Background: Heart failure (HF) is known to lead to skeletal muscle atrophy and dysfunction. However, intracellular mechanisms underlying HF-induced myopathy are not fully understood. We hypothesized that HF would increase oxidative stress and ubiquitin-proteasome system (UPS) activation in skeletal muscle of sympathetic hyperactivity mouse model. We also tested the hypothesis that aerobic exercise training (AET) would reestablish UPS activation in mice and human HF. Methods/Principal Findings: Time-course evaluation of plantaris muscle cross-sectional area, lipid hydroperoxidation, protein carbonylation and chymotrypsin-like proteasome activity was performed in a mouse model of sympathetic hyperactivity-induced HF. At the 7th month of age, HF mice displayed skeletal muscle atrophy, increased oxidative stress and UPS overactivation. Moderate-intensity AET restored lipid hydroperoxides and carbonylated protein levels paralleled by reduced E3 ligases mRNA levels, and reestablished chymotrypsin-like proteasome activity and plantaris trophicity. In human HF (patients randomized to sedentary or moderate-intensity AET protocol), skeletal muscle chymotrypsin-like proteasome activity was also increased and AET restored it to healthy control subjects' levels. Conclusions: Collectively, our data provide evidence that AET effectively counteracts redox imbalance and UPS overactivation, preventing skeletal myopathy and exercise intolerance in sympathetic hyperactivity-induced HF in mice. Of particular interest, AET attenuates skeletal muscle proteasome activity paralleled by improved aerobic capacity in HF patients, which is not achieved by drug treatment itself. Altogether these findings strengthen the clinical relevance of AET in the treatment of HF.

Aerobic exercise training upregulates skeletal muscle calpain and ubiquitin-proteasome systems in healthy mice

Cunha TF, Moreira JB, Paixao NA, Campos JC, Monteiro AW, Bacurau AV, Bueno CR Jr., Ferreira JC, Brum PC. Aerobic exercise training upregulates skeletal muscle calpain and ubiquitin-proteasome systems in healthy mice. J Appl Physiol 112: 1839-1846, 2012. First published March 29, 2012; doi:10.1152/japplphysiol.00346.2011.-Aerobic exercise training (AET) is an important mechanical stimulus that modulates skeletal muscle protein turnover, leading to structural rearrangement. Since the ubiquitin-proteasome system (UPS) and calpain system are major proteolytic pathways involved in protein turnover, we aimed to investigate the effects of intensity-controlled AET on the skeletal muscle UPS and calpain system and their association to training-induced structural adaptations. Long-lasting effects of AET were studied in C57BL/6J mice after 2 or 8 wk of AET. Plantaris cross-sectional area (CSA) and capillarization were assessed by myosin ATPase staining. mRNA and protein expression levels of main components of the UPS and calpain system were evaluated in plantaris by real-time PCR and Western immunoblotting, respectively. No proteolytic system activation was observed after 2 wk of AET. Eight weeks of AET resulted in improved running capacity, plantaris capillarization, and CSA. Muscle RING finger-1 mRNA expression was increased in 8-wk-trained mice. Accordingly, elevated 26S proteasome activity was observed in the 8-wk-trained group, without accumulation of ubiquitinated or carbonylated proteins. In addition, calpain abundance was increased by 8 wk of AET, whereas no difference was observed in its endogenous inhibitor calpastatin. Taken together, our findings indicate that skeletal muscle enhancements, as evidenced by increased running capacity, plantaris capillarization, and CSA, occurred in spite of the upregulated UPS and calpain system, suggesting that overactivation of skeletal muscle proteolytic systems is not restricted to atrophying states. Our data provide evidence for the contribution of the UPS and calpain system to metabolic turnover of myofibrillar proteins and skeletal muscle adaptations to AET.

Ubiquitin proteasome system and the atypical kinase PfPK7 are involved in melatonin signaling in Plasmodium falciparum

We previously reported that melatonin modulates the Plasmodium falciparum erythrocytic cycle by increasing schizont stage population as well as diminishing ring stage population. In addition, the importance of calcium and cAMP in melatonin signaling pathway in P. falciparum was also demonstrated. Nevertheless, the molecular effectors of the indoleamine signaling pathway remain elusive. We now demonstrate by real-time PCR that melatonin treatment up-regulates genes related to ubiquitin/proteasome system (UPS) components and that luzindole, a melatonin receptor antagonist, inhibits UPS transcription modulation. We also show that protein kinase PfPK7, a P. falciparum orphan kinase, plays a crucial role in the melatonin transduction pathway, since following melatonin treatment of P. falciparum parasites where pfpk7 gene is disrupted (pfpk7- parasites) (i) the ratio of asexual stages remain unchanged, (ii) the increase in cytoplasmatic calcium in response to melatonin was strongly diminished and (iii) up-regulation of UPS genes did not occur. The wild-type melatonin-induced alterations in cell cycle features, calcium rise and UPS gene transcription were restored by re-introduction of a functional copy of the pfpk7 gene in the pfpk7- parasites.

The COP9 signalosome counteracts the accumulation of cullin SCF ubiquitin E3 RING ligases during fungal development

Defects in the COP9 signalosome (CSN) impair multicellular development, including embryonic plant or animal death or a block in sexual development of the fungus Aspergillus nidulans. CSN deneddylates cullin-RING ligases (CRLs), which are activated by covalent linkage to ubiquitin-like NEDD8. Deneddylation allows CRL disassembly for subsequent reassembly. An attractive hypothesis is a consecutive order of CRLs for development, which demands repeated cycles of neddylation and deneddylation for reassembling CRLs. Interruption of these cycles could explain developmental blocks caused by csn mutations. This predicts an accumulation of neddylated CRLs exhibiting developmental functions when CSN is dysfunctional. We tested this hypothesis in A. nidulans, which tolerates reduced levels of neddylation for growth. We show that only genes for CRL subunits or neddylation are essential, whereas CSN is primarily required for development. We used functional tagged NEDD8, recruiting all three fungal cullins. Cullins are associated with the CSN1/CsnA subunit when deneddylation is defective. Two CRLs were identified which are specifically involved in differentiation and accumulate during the developmental block. This suggests that an active CSN complex is required to counteract the accumulation of specific CRLs during development.

Association of genetic variants in the promoter region of genes encoding p22phox (CYBA) and glutamate cysteine ligase catalytic subunit (GCLC) and renal disease in patients with type 1 diabetes mellitus

Background Oxidative stress is recognized as a major pathogenic factor of cellular damage caused by hyperglycemia. NOX/NADPH oxidases generate reactive oxygen species and NOX1, NOX2 and NOX4 isoforms are expressed in kidney and require association with subunit p22phox (encoded by the CYBA gene). Increased expression of p22phox was described in animal models of diabetic nephropathy. In the opposite direction, glutathione is one of the main endogenous antioxidants whose plasmatic concentrations were reported to be reduced in diabetes patients. The aim of the present investigation was to test whether functional single nucleotide polymorphisms (SNPs) in genes involved in the generation of NADPH-dependent O2•- (-675 T → A in CYBA, unregistered) and in glutathione metabolism (-129 C → T in GCLC [rs17883901] and -65 T → C in GPX3 [rs8177412]) confer susceptibility to renal disease in type 1 diabetes patients. Methods 401 patients were sorted into two groups according to the presence (n = 104) or absence (n = 196) of overt diabetic nephropathy or according to glomerular filtration rate (GFR) estimated by Modification of Diet in Renal Disease (MDRD) equation: ≥ 60 mL (n = 265) or < 60 mL/min/1.73 m2 (n = 136) and were genotyped. Results No differences were found in the frequency of genotypes between diabetic and non-diabetic subjects. The frequency of GFR < 60 mL/min was significantly lower in the group of patients carrying CYBA genotypes T/A+A/A (18.7%) than in the group carrying the T/T genotype (35.3%) (P = 0.0143) and the frequency of GFR < 60 mL/min was significantly higher in the group of patients carrying GCLC genotypes C/T+T/T (47.1%) than in the group carrying the C/C genotype (31.1%) (p = 0.0082). Logistic regression analysis identified the presence of at least one A allele of the CYBA SNP as an independent protection factor against decreased GFR (OR = 0.38, CI95% 0.14-0.88, p = 0.0354) and the presence of at least one T allele of the GCLC rs17883901 SNP as an independent risk factor for decreased GFR (OR = 2.40, CI95% 1.27-4.56, p = 0.0068). Conclusions The functional SNPs CYBA -675 T → A and GCLC rs17883901, probably associated with cellular redox imbalances, modulate the risk for renal disease in the studied population of type 1 diabetes patients and require validation in additional cohorts.

1031-1034delTAAC (Leu125Stop): a novel familial UBE3A mutation causing Angelman syndrome in two siblings showing distinct phenotypes

Background More than 50 mutations in the UBE3A gene (E6-AP ubiquitin protein ligase gene) have been found in Angelman syndrome patients with no deletion, no uniparental disomy, and no imprinting defect. Case Presentation We here describe a novel UBE3A frameshift mutation in two siblings who have inherited it from their asymptomatic mother. Despite carrying the same UBE3A mutation, the proband shows a more severe phenotype whereas his sister shows a milder phenotype presenting the typical AS features. Conclusions We hypothesized that the mutation Leu125Stop causes both severe and milder phenotypes. Potential mechanisms include: i) maybe the proband has an additional problem (genetic or environmental) besides the UBE3A mutation; ii) since the two siblings have different fathers, the UBE3A mutation is interacting with a different genetic variant in the proband that, by itself, does not cause problems but in combination with the UBE3A mutation causes the severe phenotype; iii) this UBE3A mutation alone can cause either typical AS or the severe clinical picture seen in the proband.

Die Rolle Prolin-reicher Sequenzmotive des Core-Proteins in der Morphogenese des Hepatitis-B Virus

Diese Arbeit hatte zum Ziel, den Ausschleusungsmechanismus des Hepatitis-B Virus zu beleuchten. Es ist bisher unbekannt, wie das virale Nukleokapsid umhüllt und das reife Virion aus der Leberzelle freigesetzt wird. Bei einigen RNA-Viren, beispielsweise HIV-1, Ebola oder RSV, vermitteln so genannte Late-Domänen im viralen Kapsid- oder Matrix-Protein die Knospung der Viren an intrazellulären Membranen oder der Plasmamembran. Da das HBV-Core-Protein ähnliche Sequenzen trägt, wurde in der vorliegenden Arbeit überprüft, welche Rolle diese im viralen Replikationszyklus spielen. Meine Ergebnisse zeigen, dass die beiden Prolin-reichen Sequenzen PPAY (129-132) und PPNAP (134-138), die retroviralen Late-Domänen ähneln, für die HBV-Morphogenese essentiell sind. Mutationen einzelner Aminosäuren innerhalb dieser Motive führen zu Phänotypen mit verändertem Kapsid-, Nukleokapsid- und Virus-Bildungs-Vermögen. Insbesondere sind die Aminosäure Tyrosin 132 des Motivs PPAY und die Prolinreste 134 und 135 des Motivs PPNAP erforderlich, da diese schon für die Bildung der Kapside unentbehrlich sind. Charakteristisch für beide Motive sind auch die hier gezeigten Interaktionen mit speziellen Wirtszellfaktoren, deren physiologische Funktion es ist, zelluläre Proteine in den endosomalen Sortierungsprozess einzuschleusen. Im Vordergrund stehen hier die E3 Ub-Ligase Nedd4, welche Proteine mit Ub konjugiert und diese so signifikant für die Einschleusung in das endosomale System markiert, und Tsg101, das als zentrale Komponente des ESCRT-I-Komplexes für die Erkennung von ubiquitinierten Proteinen zuständig ist und diese dadurch in die ESCRT-Kaskade des multivesikulären Endosoms einführt. Für die genannten Interaktionen ist das Motiv PPAY und hier wieder speziell das Tyrosin 132 des HBV-Core-Proteins für die Wechselwirkung mit Nedd4 notwendig. Hingegen vermittelt die L-Domänen-ähnliche Sequenz PPNAP die Assoziation von Core mit Tsg101, wobei die beiden Prolinreste 134 und 135 und auch das Asparagin 136 für die Interaktion essentiell sind. Sowohl Nedd4 als auch Tsg101 wirken im Zusammenhang mit Ubiquitin, weshalb eine Ubiquitinierung von Core, trotz bislang negativer Nachweise, wahrscheinlich ist. Zugunsten dieser Annahme spricht auch mein Nachweis, dass der Lysinrest an Position 96 des Core-Proteins, als potentieller Ub-Akzeptor, gerade in späten Schritten eine essentielle Rolle spielt. Weiterhin klärungsbedürftig ist auch die Frage, ob Core direkt mit Tsg101 und Nedd4 interagiert, oder ob andere Faktoren dazwischen geschaltet sind. Auch könnte mit Hilfe von siRNA-vermittelten Depletionsversuchen die physiologische Relevanz der Tsg101/Core-und Nedd4/Core-Interaktion weiterführend untersucht werden. Zudem zeigen meine Arbeiten, dass Core mit intrazellulären Membranen assoziiert, weshalb es interessant wäre, zu untersuchen, ob es sich hierbei um Membranen des endosomalen Systems handelt, an denen die finalen Schritte der Virus-Morphogenese stattfinden könnten.

The characterization of the Atxn2-CAG42-knock-in mouse as a model for Spinocerebellar Ataxia Type 2

Die Ursache der neurodegenerativen Erkrankung Spinozerebelläre Ataxie Typ 2 (SCA2) ist eine expandierte Polyglutamin-Domäne im humanen ATXN2-Gen von normalerweise 22 auf über 31 CAGs. Von der Degeneration sind vorwiegend die zerebellären Purkinje Neuronen betroffen, in denen zunehmend zytoplasmatische Aggregate sichtbar werden. Auch wenn die genaue Funktion von ATXN2 und die zugrunde liegenden molekularen Mechanismen noch immer ungeklärt sind, werden ein toxischer Funktionsgewinn sowie der Verlust der normalen Proteinfunktion als mögliche Ursachen diskutiert.rnUm ein wirklichkeitsgetreues Tiermodell für die SCA2 zu haben, wurde eine knock-in Maus generiert, deren einzelnes CAG im Atxn2-Gen durch 42 CAGs ersetzt wurde. Dieses Mausmodell ist durch eine stabile Vererbung der Expansion charakterisiert. Weiterhin zeigt sie ein verringertes Körpergewicht sowie eine spät beginnende motorische Inkoordination, was dem Krankheitsbild von SCA2 entspricht. rnIm Weiteren konnte gezeigt werden, dass, obwohl die Atxn2 mRNA-Spiegel in Großhirn und Kleinhirn erhöht waren, die Menge an löslichem ATXN2 im Laufe der Zeit abnahm und dies mit einem Auftreten an unlöslichem ATXN2 korrelierte. Dieser im Kleinhirn progressive Prozess resultierte schließlich in zytoplasmatischen Aggregaten innerhalb der Purkinje Neuronen alter Mäuse. Der Verlust an löslichem ATXN2 könnte Effekte erklären, die auf einen partiellen Funktionsverlust von ATXN2 zurückzuführen sind, wobei die Aggregatbildung einen toxischen Funktionsgewinn wiederspiegeln könnte. Neben ATXN2 wurde auch sein Interaktor PABPC1 zunehmend unlöslich. Während dies im Großhirn eine Erhöhung der PABPC1 mRNA- und löslichen Proteinspiegel zur Folge hatte, konnte keine kompensatorische Veränderung seiner mRNA und zudem eine Verminderung an löslichem PABPC1 im Kleinhirn beobachtet werden. Auch PABPC1 wurde in Aggregate sequestriert. Diese Unterschiede zwischen Großhirn und Kleinhirn könnten zu der spezifischen Vulnerabilität des Kleinhirns beitragen.rnUm die Folgen auf mRNA-Prozessierung zu untersuchen, wurde ein Transkriptomprofil im mittleren sowie fortgeschrittenen Alter der Mäuse erstellt. Hierbei war eine erhöhte Expression von Fbxw8 im Kleinhirn alter Mäuse auffällig. Als Komponente eines Ubiquitin-E3-Ligase-Komplexes, hilft FBXW8 in der Degradierung von Zielproteinen und könnte somit die Toxizität des expandieren ATXN2 verringern. rnZur näheren Beschreibung der physiologischen Funktion von ATXN2, konnte in ATXN2-knock-out Mäusen gezeigt werden, dass das Fehlen von ATXN2 zu einer reduzierten globalen Proteinsyntheserate führte und somit eine Rolle als Translationsaktivator möglich erscheint. Kompensatorisch wurde eine erhöhte S6-Phosphorylierung gemessen.

Die Interaktion von VHL und PTEN bei der Tumorinitiation und Progression

Das VHL-Syndrom umfasst Erkrankungen, die mit einem Funktionsverlust von VHL einhergehen. Das Tumorspektrum umfasst retinale und zerebrale Hämangioblastome, Nierenzysten und klarzellige Nierenkarzinome, Zysten und Tumore des Pankreas, Phäochromocytome, Adenome der Hoden und Tumore des Mittelohrs. Obwohl aufgrund klinischer Studien bekannt ist, welche VHL-Mutation mit welchen Neoplasien assoziiert werden können, konnte bisher kein VHL-Mausmodell das Krankheitsbild des VHL-Syndroms widerspiegeln. Daher ist vermutlich eine zusätzliche Fehlregulation weiterer Gene nötig ist, um die Tumorgenese in den verschiedenen Geweben zu induzieren. In mehreren klarzelligen Nierenkarzinomen konnte bereits eine PTEN-Defizienz nachgewiesen werden, der Verlust von PTEN wird außerdem auch mit der Tumorgenese von Phäochromocytomen assoziiert. Möglicherweise wirken VHL und PTEN also in der Tumorsuppression in der Niere und der Nebenniere zusammen.rnIm Rahmen dieser Arbeit konnte erstmals eine VHL-vermittelte Stabilisierung der PTEN-Konzentration sowohl in embryonalen als auch in Tumor-Zellen der Niere nachgewiesen werden. Die Analyse des Regulationsmechanismus ergab erstens eine Hypoxie-abhängige Abnahme der Transkription von PTEN. Des Weiteren konnte eine VHL-vermittelte Ubiquitinylierung von NEDD4-1, welches als E3-Ligase von PTEN dessen Degradation und Kerntransport reguliert, ermittelt werden. rnIn Nierenkarzinom-Zellen wurde weiterhin eine VHL- bzw. PTEN-Restitution induziert, um die Auswirkungen der beiden Tumorsuppressoren auf das Zellverhalten in vitro und in vivo zu untersuchen. Sowohl VHL als auch PTEN hatten dieselben Effekte lediglich in unterschiedlicher Intensität auf das Verhalten der Zellen. So konnte VHL- und PTEN-abhängig eine Verstärkung der Adhäsion, eine Inhibierung der Migration und eine Verminderung der Überlebens- und Metastasierungsfähigkeit nachgewiesen werden. Des Weiteren wurden Mausmodelle mit einem ubiquitären, heterozygoten Pten-Verlust generiert, die teilweise eine zusätzliche Haploinsuffizienz von Vhl bzw. eine heterozygote VHL Typ II-Mutation (V2B oder V2C) trugen. Sporadisch entwickelten diese Mäuse Vhl-abhängig Lebertumore und Pten-abhängig Lymphome und Ovarialkarzinome. Einige Mäuse mit einer kombinierten Vhl- und Pten-Defizienz bildeten zusätzlich Nierenzysten aus, die teilweise das gesamte Volumen der Niere einnahmen. Besonders häufig entstanden in Pten-haploinsuffizienten Mäusen Phäochromocytome, die durch eine zusätzliche V2B- oder V2C-Mutation in gleichaltrigen Mäusen deutlich weiterentwickelt waren. Demnach induziert erst der gemeinsame Verlust von Vhl und Pten die Bildung von Nierenzysten und Phäochromocytomen, welche dem Krankheitsbild des VHL-Syndroms zugeordnet werden.rnDie Untersuchungen innerhalb dieser Arbeit zeigen erstmalig die Interaktion und Kooperation von VHL und PTEN in der Tumorsuppression. Die Resultate bieten außerdem die Grundlage für weitere Analysen der Auswirkung der VHL-vermittelten PTEN-Stabilisierung und für detailliertere Untersuchungen der durch die kombinierte Vhl- und Pten-Defizienz induzierten Neoplasien der Niere und der Nebennieren-Tumore in in vivo Mausmodellen.rn