Rôle de la plasticité synaptique des interneurones somatostatinergiques dans l’apprentissage et la mémoire dépendants de l’hippocampe

La plasticité synaptique activité-dépendante forme la base physiologique de l’apprentissage et de la mémoire dépendants de l’hippocampe. Le rôle joué par les différents sous-types d’interneurones dans l’apprentissage et la mémoire hippocampiques reste inconnu, mais repose probablement sur des mécanismes de la plasticité spécifique aux synapses de certains sous-types d’interneurones. Les synapses excitatrices établies sur les interneurones de l’oriens-alveus dans l’aire CA1 exhibent une forme persistante de potentialisation à long terme induite par la stimulation chimique des récepteurs métabotropiques du glutamate de type 1 (mGluR1) [mGluR1-mediated chemical late long-term potentiation (cL-LTPmGluR1)]. Le présent projet de recherche avait pour objectifs d’identifier les sous-types d’interneurones de l’oriens-alveus exprimant la cL-LTPmGluR1 et d’examiner les mécanismes d’induction et d’expression de celle-ci. Nous avons déterminé que la stimulation répétée des mGluR1 induit de la cL-LTPmGluR1 aux synapses excitatrices établies sur le sous-type d’interneurones exprimant le peptide somatostatine (SOM-INs). Des enregistrements électrophysiologiques couplés à des inhibiteurs pharmacologiques et à un knock-out fonctionnel de mammalian target of rapamycin complexe 1 (mTORC1) ont montré que l’induction de la cL-LTPmGluR1 (qui consiste en trois applications de l’agoniste des mGluR1/5, le (S)-3,5-dihydroxyphénylglycine (DHPG) en présence de l’antagoniste des récepteurs métabotropiques du glutamate de type 5 (mGluR5), le 2-méthyl-6-(phényléthynyl)-pyridine (MPEP)) des SOM-INs requiert les voies de signalisation des mGluR1, de extracellular signal-regulated protein kinase (ERK) et de mTORC1. L’ensemble de nos résultats montre qu’une forme persistante de plasticité synaptique sous-tendue par mTORC1 est induite par la stimulation répétée des mGluR1 dans les interneurones hippocampiques exprimant le peptide somatostatine. La connaissance des mécanismes sous-tendant la cL-LTPmGluR1, couplée à l’utilisation de modèles animal in vivo, rendront maintenant possible le blocage de la cL-LTPmGluR1 dans les SOM-INs et l’examen de son rôle dans l’apprentissage et la mémoire dépendants de l’hippocampe.

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.

Maternal nutrition modifies trophoblast giant cell phenotype and fetal growth in mice

Mammalian placentation is dependent upon the action of trophoblast cells at the time of implantation. Appropriate fetal growth, regulated by maternal nutrition and nutrient transport across the placenta, is a critical factor for adult offspring long-term health. We have demonstrated that a mouse maternal low-protein diet (LPD) fed exclusively during preimplantation development (Emb-LPD) increases offspring growth but programmes adult cardiovascular and metabolic disease. In this study, we investigate the impact of maternal nutrition on post-implantation trophoblast phenotype and fetal growth. Ectoplacental cone explants were isolated at day 8 of gestation from female mice fed either normal protein diet (NPD: 18% casein), LPD (9% casein) or Emb-LPD and cultured in vitro. We observed enhanced spreading and cell division within proliferative and secondary trophoblast giant cells (TGCs) emerging from explants isolated from LPD-fed females when compared with NPD and Emb-LPD explants after 24 and 48 h. Moreover, both LPD and Emb-LPD explants showed substantial expansion of TGC area during 24-48 h, not observed in NPD. No difference in invasive capacity was observed between treatments using Matrigel transwell migration assays. At day 17 of gestation, LPD- and Emb-LPD-fed conceptuses displayed smaller placentas and larger fetuses respectively, resulting in increased fetal:placental ratios in both groups compared with NPD conceptuses. Analysis of placental and yolk sac nutrient signalling within the mammalian target of rapamycin complex 1 pathway revealed similar levels of total and phosphorylated downstream targets across groups. These data demonstrate that early post-implantation embryos modify trophoblast phenotype to regulate fetal growth under conditions of poor maternal nutrition.

Do little embryos make big decisions? How maternal dietary protein restriction can permanently change an embryo's potential, affecting adult health

Periconceptional environment may influence embryo development, ultimately affecting adult health. Here, we review the rodent model of maternal low-protein diet specifically during the preimplantation period (Emb-LPD) with normal nutrition during subsequent gestation and postnatally. This model, studied mainly in the mouse, leads to cardiovascular, metabolic and behavioural disease in adult offspring, with females more susceptible. We evaluate the sequence of events from diet administration that may lead to adult disease. Emb-LPD changes maternal serum and/or uterine fluid metabolite composition, notably with reduced insulin and branched-chain amino acids. This is sensed by blastocysts through reduced mammalian target of rapamycin complex 1 signalling. Embryos respond by permanently changing the pattern of development of their extra-embryonic lineages, trophectoderm and primitive endoderm, to enhance maternal nutrient retrieval during subsequent gestation. These compensatory changes include stimulation in proliferation, endocytosis and cellular motility, and epigenetic mechanisms underlying them are being identified. Collectively, these responses act to protect fetal growth and likely contribute to offspring competitive fitness. However, the resulting growth adversely affects long-term health because perinatal weight positively correlates with adult disease risk. We argue that periconception environmental responses reflect developmental plasticity and 'decisions' made by embryos to optimise their own development, but with lasting consequences.

Protein Kinase Activity and Identification of a Toxic Effector Domain of the Target of Rapamycin TOR Proteins in Yeast

In complex with FKBP12, the immunosuppressant rapamycin binds to and inhibits the yeast TOR1 and TOR2 proteins and the mammalian homologue mTOR/FRAP/RAFT1. The TOR proteins promote cell cycle progression in yeast and human cells by regulating translation and polarization of the actin cytoskeleton. A C-terminal domain of the TOR proteins shares identity with protein and lipid kinases, but only one substrate (PHAS-I), and no regulators of the TOR-signaling cascade have been identified. We report here that yeast TOR1 has an intrinsic protein kinase activity capable of phosphorylating PHAS-1, and this activity is abolished by an active site mutation and inhibited by FKBP12-rapamycin or wortmannin. We find that an intact TOR1 kinase domain is essential for TOR1 functions in yeast. Overexpression of a TOR1 kinase-inactive mutant, or of a central region of the TOR proteins distinct from the FRB and kinase domains, was toxic in yeast, and overexpression of wild-type TOR1 suppressed this toxic effect. Expression of the TOR-toxic domain leads to a G1 cell cycle arrest, consistent with an inhibition of TOR function in translation. Overexpression of the PLC1 gene, which encodes the yeast phospholipase C homologue, suppressed growth inhibition by the TOR-toxic domains. In conclusion, our findings identify a toxic effector domain of the TOR proteins that may interact with substrates or regulators of the TOR kinase cascade and that shares sequence identity with other PIK family members, including ATR, Rad3, Mei-41, and ATM.

The glucocorticoid receptor type II complex is a target of the HIV-1 vpr gene product.

The vpr gene of human immunodeficiency virus type 1 (HIV-1) encodes a 15-kDa virion-associated protein that functions as a regulator of cellular processes linked to the HIV life cycle. We report the interaction of a 41-kDa cytosolic viral protein R interacting protein 1 (Rip-1) with Vpr in vitro. Rip-1 displays a wide tissue distribution, including relevant targets of HIV infection. Vpr protein induced nuclear translocation of Rip-1, as did glucocorticoid receptor (GR)-II-stimulating steroids. Importantly, Vpr and Rip-1 coimmunoprecipitated with the human GR as part of an activated receptor complex. Vpr complementation of a vpr mutant virus was also mimicked by GR-II-stimulating steroids. Vpr and GR-II actions were inhibited by mifepristone, a GR-II pathway inhibitor. Together these data directly link the activity of the vpr gene product to the glucocorticoid steroid pathway and provide a biochemical mechanism for the cellular and viral activity of Vpr, as well as suggest that a unique class of antivirals, which includes mifepristone (RU486), may influence HIV-1 replication.

The role of mechanistic target of rapamycin (mTOR) pathway and synaptic protein GABAA-R in cortical GABAergic cell connectivity

Quelque 30 % de la population neuronale du cortex mammalien est composée d’une population très hétérogène d’interneurones GABAergiques. Ces interneurones diffèrent quant à leur morphologie, leur expression génique, leurs propriétés électrophysiologiques et leurs cibles subcellulaires, formant une riche diversité. Après leur naissance dans les éminences ganglioniques, ces cellules migrent vers les différentes couches corticales. Les interneurones GABAergiques corticaux exprimant la parvalbumin (PV), lesquels constituent le sous-type majeur des interneurones GABAergiques, ciblent spécifiquement le soma et les dendrites proximales des neurones principaux et des neurones PV+. Ces interneurones sont nommés cellules à panier (Basket Cells –BCs) en raison de la complexité morphologique de leur axone. La maturation de la connectivité distincte des BCs PV+, caractérisée par une augmentation de la complexité de l’axone et de la densité synaptique, se déroule graduellement chez la souris juvénile. Des travaux précédents ont commencé à élucider les mécanismes contrôlant ce processus de maturation, identifiant des facteurs génétiques, l’activité neuronale ainsi que l’expérience sensorielle. Cette augmentation marquante de la complexité axonale et de la synaptogénèse durant cette phase de maturation suggère la nécessité d’une synthèse de protéines élevée. La voie de signalisation de la cible mécanistique de la rapamycine (Mechanistic Target Of Rapamycin -mTOR) a été impliquée dans le contrôle de plusieurs aspects neurodéveloppementaux en régulant la synthèse de protéines. Des mutations des régulateurs Tsc1 et Tsc2 du complexe mTOR1 causent la sclérose tubéreuse (TSC) chez l’humain. La majorité des patients TSC développent des problèmes neurologiques incluant des crises épileptiques, des retards mentaux et l’autisme. D’études récentes ont investigué le rôle de la dérégulation de la voie de signalisation de mTOR dans les neurones corticaux excitateurs. Toutefois, son rôle dans le développement des interneurones GABAergiques corticaux et la contribution spécifique de ces interneurones GABAergiques altérés dans les manifestations de la maladie demeurent largement inconnus. Ici, nous avons investigué si et comment l’ablation du gène Tsc1 perturbe le développement de la connectivité GABAergique, autant in vitro que in vivo. Pour investiguer le rôle de l’activation de mTORC1 dans le développement d’une BC unique, nous avons délété le gène Tsc1 en transfectant CRE-GFP dirigé par un promoteur spécifique aux BCs dans des cultures organotypiques provenant de souris Tsc1lox. Le knockdown in vitro de Tsc1 a causé une augmentation précoce de la densité des boutons et des embranchements terminaux formés par les BCs mutantes, augmentation renversée par le traitement à la rapamycine. Ces données suggèrent que l’hyperactivation de la voie de signalisation de mTOR affecte le rythme de la maturation des synapses des BCs. Pour investiguer le rôle de mTORC1 dans les interneurones GABAergiques in vivo, nous avons croisé les souris Tsc1lox avec les souris Nkx2.1-Cre et PV-Cre. À P18, les souris Tg(Nkx2.1-Cre);Tsc1flox/flox ont montré une hyperactivation de mTORC1 et une hypertrophie somatique des BCs de même qu’une augmentation de l’expression de PV dans la région périsomatique des neurones pyramidaux. Au contraire, à P45 nous avons découvert une réduction de la densité des punctas périsomatiques PV-gephyrin (un marqueur post-synaptique GABAergique). L’étude de la morphologie des BCs en cultures organotypiques provenant du knock-out conditionnel Nkx2.1-Cre a confirmé l’augmentation initiale du rythme de maturation, lequel s’effondre ensuite aux étapes développementales tardives. De plus, les souris Tg(Nkx2.1Cre);Tsc1flox/flox montrent des déficits dans la mémoire de travail et le comportement social et ce d’une façon dose-dépendante. En somme, ces résultats suggèrent que l’activation contrôlée de mTOR régule le déroulement de la maturation et la maintenance des synapses des BCs. Des dysfonctions de la neurotransmission GABAergique ont été impliquées dans des maladies telles que l’épilepsie et chez certains patients, elles sont associées avec des mutations du récepteur GABAA. De quelle façon ces mutations affectent le processus de maturation des BCs demeuret toutefois inconnu. Pour adresser cette question, nous avons utilisé la stratégie Cre-lox pour déléter le gène GABRA1, codant pour la sous-unité alpha-1 du récepteur GABAA dans une unique BC en culture organotypique. La perte de GABRA1 réduit l’étendue du champ d’innervation des BCs, suggérant que des variations dans les entrées inhibitrices en raison de l’absence de la sous-unité GABAAR α1 peuvent affecter le développement des BCs. La surexpression des sous-unités GABAAR α1 contenant des mutations identifiées chez des patients épileptiques ont montré des effets similaires en termes d’étendue du champ d’innervation des BCs. Pour approfondir, nous avons investigué les effets de ces mutations identifiées chez l’humain dans le développement des épines des neurones pyramidaux, lesquelles sont l’endroit privilégié pour la formation des synapses excitatrices. Somme toute, ces données montrent pour la première fois que différentes mutations de GABRA1 associées à des syndromes épileptiques peuvent affecter les épines dendritiques et la formation des boutons GABAergiques d’une façon mutation-spécifique.

The role of mechanistic target of rapamycin (mTOR) pathway and synaptic protein GABAA-R in cortical GABAergic cell connectivity

Quelque 30 % de la population neuronale du cortex mammalien est composée d’une population très hétérogène d’interneurones GABAergiques. Ces interneurones diffèrent quant à leur morphologie, leur expression génique, leurs propriétés électrophysiologiques et leurs cibles subcellulaires, formant une riche diversité. Après leur naissance dans les éminences ganglioniques, ces cellules migrent vers les différentes couches corticales. Les interneurones GABAergiques corticaux exprimant la parvalbumin (PV), lesquels constituent le sous-type majeur des interneurones GABAergiques, ciblent spécifiquement le soma et les dendrites proximales des neurones principaux et des neurones PV+. Ces interneurones sont nommés cellules à panier (Basket Cells –BCs) en raison de la complexité morphologique de leur axone. La maturation de la connectivité distincte des BCs PV+, caractérisée par une augmentation de la complexité de l’axone et de la densité synaptique, se déroule graduellement chez la souris juvénile. Des travaux précédents ont commencé à élucider les mécanismes contrôlant ce processus de maturation, identifiant des facteurs génétiques, l’activité neuronale ainsi que l’expérience sensorielle. Cette augmentation marquante de la complexité axonale et de la synaptogénèse durant cette phase de maturation suggère la nécessité d’une synthèse de protéines élevée. La voie de signalisation de la cible mécanistique de la rapamycine (Mechanistic Target Of Rapamycin -mTOR) a été impliquée dans le contrôle de plusieurs aspects neurodéveloppementaux en régulant la synthèse de protéines. Des mutations des régulateurs Tsc1 et Tsc2 du complexe mTOR1 causent la sclérose tubéreuse (TSC) chez l’humain. La majorité des patients TSC développent des problèmes neurologiques incluant des crises épileptiques, des retards mentaux et l’autisme. D’études récentes ont investigué le rôle de la dérégulation de la voie de signalisation de mTOR dans les neurones corticaux excitateurs. Toutefois, son rôle dans le développement des interneurones GABAergiques corticaux et la contribution spécifique de ces interneurones GABAergiques altérés dans les manifestations de la maladie demeurent largement inconnus. Ici, nous avons investigué si et comment l’ablation du gène Tsc1 perturbe le développement de la connectivité GABAergique, autant in vitro que in vivo. Pour investiguer le rôle de l’activation de mTORC1 dans le développement d’une BC unique, nous avons délété le gène Tsc1 en transfectant CRE-GFP dirigé par un promoteur spécifique aux BCs dans des cultures organotypiques provenant de souris Tsc1lox. Le knockdown in vitro de Tsc1 a causé une augmentation précoce de la densité des boutons et des embranchements terminaux formés par les BCs mutantes, augmentation renversée par le traitement à la rapamycine. Ces données suggèrent que l’hyperactivation de la voie de signalisation de mTOR affecte le rythme de la maturation des synapses des BCs. Pour investiguer le rôle de mTORC1 dans les interneurones GABAergiques in vivo, nous avons croisé les souris Tsc1lox avec les souris Nkx2.1-Cre et PV-Cre. À P18, les souris Tg(Nkx2.1-Cre);Tsc1flox/flox ont montré une hyperactivation de mTORC1 et une hypertrophie somatique des BCs de même qu’une augmentation de l’expression de PV dans la région périsomatique des neurones pyramidaux. Au contraire, à P45 nous avons découvert une réduction de la densité des punctas périsomatiques PV-gephyrin (un marqueur post-synaptique GABAergique). L’étude de la morphologie des BCs en cultures organotypiques provenant du knock-out conditionnel Nkx2.1-Cre a confirmé l’augmentation initiale du rythme de maturation, lequel s’effondre ensuite aux étapes développementales tardives. De plus, les souris Tg(Nkx2.1Cre);Tsc1flox/flox montrent des déficits dans la mémoire de travail et le comportement social et ce d’une façon dose-dépendante. En somme, ces résultats suggèrent que l’activation contrôlée de mTOR régule le déroulement de la maturation et la maintenance des synapses des BCs. Des dysfonctions de la neurotransmission GABAergique ont été impliquées dans des maladies telles que l’épilepsie et chez certains patients, elles sont associées avec des mutations du récepteur GABAA. De quelle façon ces mutations affectent le processus de maturation des BCs demeuret toutefois inconnu. Pour adresser cette question, nous avons utilisé la stratégie Cre-lox pour déléter le gène GABRA1, codant pour la sous-unité alpha-1 du récepteur GABAA dans une unique BC en culture organotypique. La perte de GABRA1 réduit l’étendue du champ d’innervation des BCs, suggérant que des variations dans les entrées inhibitrices en raison de l’absence de la sous-unité GABAAR α1 peuvent affecter le développement des BCs. La surexpression des sous-unités GABAAR α1 contenant des mutations identifiées chez des patients épileptiques ont montré des effets similaires en termes d’étendue du champ d’innervation des BCs. Pour approfondir, nous avons investigué les effets de ces mutations identifiées chez l’humain dans le développement des épines des neurones pyramidaux, lesquelles sont l’endroit privilégié pour la formation des synapses excitatrices. Somme toute, ces données montrent pour la première fois que différentes mutations de GABRA1 associées à des syndromes épileptiques peuvent affecter les épines dendritiques et la formation des boutons GABAergiques d’une façon mutation-spécifique.

Kinetic modelling of in vitro data of PI3K, mTOR1, PTEN enzymes and on-target inhibitors Rapamycin, BEZ235, and LY294002

The phosphatidylinositide 3-kinases (PI3K) and mammalian target of rapamycin-1 (mTOR1) are two key targets for anti-cancer therapy. Predicting the response of the PI3K/AKT/mTOR1 signalling pathway to targeted therapy is made difficult because of network complexities. Systems biology models can help explore those complexities but the value of such models is dependent on accurate parameterisation. Motivated by a need to increase accuracy in kinetic parameter estimation, and therefore the predictive power of the model, we present a framework to integrate kinetic data from enzyme assays into a unified enzyme kinetic model. We present exemplar kinetic models of PI3K and mTOR1, calibrated on in vitro enzyme data and founded on Michaelis-Menten (MM) approximation. We describe the effects of an allosteric mTOR1 inhibitor (Rapamycin) and ATP-competitive inhibitors (BEZ2235 and LY294002) that show dual inhibition of mTOR1 and PI3K. We also model the kinetics of phosphatase and tensin homolog (PTEN), which modulates sensitivity of the PI3K/AKT/mTOR1 pathway to these drugs. Model validation with independent data sets allows investigation of enzyme function and drug dose dependencies in a wide range of experimental conditions. Modelling of the mTOR1 kinetics showed that Rapamycin has an IC50 independent of ATP concentration and that it is a selective inhibitor of mTOR1 substrates S6K1 and 4EBP1: it retains 40% of mTOR1 activity relative to 4EBP1 phosphorylation and inhibits completely S6K1 activity. For the dual ATP-competitive inhibitors of mTOR1 and PI3K, LY294002 and BEZ235, we derived the dependence of the IC50 on ATP concentration that allows prediction of the IC50 at different ATP concentrations in enzyme and cellular assays. Comparison of the drug effectiveness in enzyme and cellular assays showed that some features of these drugs arise from signalling modulation beyond the on-target action and MM approximation and require a systems-level consideration of the whole PI3K/PTEN/AKT/mTOR1 network in order to understand mechanisms of drug sensitivity and resistance in different cancer cell lines. We suggest that using these models in systems biology investigation of the PI3K/AKT/mTOR1 signalling in cancer cells can bridge the gap between direct drug target action and the therapeutic response to these drugs and their combinations.

Increasing leucine concentration stimulates mechanistic target of rapamycin signaling and cell growth in C2C12 skeletal muscle cells

Leucine is a key amino acid for initiating translation in muscle cells, but the dose-dependent effects of leucine on intracellular signaling are poorly characterized. This study examined the effect that increasing doses of leucine would have on changes in mechanistic target of rapamycin (mTOR)–mediated signaling, rates of protein synthesis, and cell size in C2C12 cells. We hypothesized that a leucine “threshold” exists, which represents the minimum stimulus required to initiate mTOR signaling in muscle cells. Acute exposure to 1.5, 3.2, 5.0, and 16.1 mM leucine increased phosphorylation of mTORSer2448 (~1.4-fold; P < .04), 4E-BP1 Thr37/46 (~1.9-fold; P < .001), and rpS6Ser235/6 (~2.3-fold; P < .001). However, only p70S6kThr389 exhibited a dose-dependent response to leucine with all treatments higher than control (~4-fold; P < .001) and at least 5 mM higher than the 1.5-mM concentration (1.2-fold; P < .02). Rates of protein synthesis were not altered by any treatment. Seven days of exposure to 0.5, 1.5, 5.0, and 16.5 mM leucine resulted in an increase in cell size in at least 5 mM treatments (~1.6-fold, P < .001 vs control). Our findings indicate that even at low leucine concentrations, phosphorylation of proteins regulating translation initiation signaling is enhanced. The phosphorylation of p70S6kThr389 follows a leucine dose-response relationship, although this was not reflected by the acute protein synthetic response. Nevertheless, under the conditions of the present study, it appears that leucine concentrations of at least 5 mM are necessary to enhance cell growth.

Unspliced X-box-binding Protein 1 (XBP1) Protects Endothelial Cells from Oxidative Stress through Interaction with Histone Deacetylase 3

It is well-known that atherosclerosis occurs geographically at branch points where disturbed flow predisposes to the development of plaque via triggering of oxidative stress and inflammatory reactions. In this study, we found that disturbed flow activated anti-oxidative reactions via up-regulating heme oxygenase 1 (HO-1) in an X-box binding protein 1 (XBP1) and histone deacetylase 3 (HDAC3)-dependent manner. Disturbed flow concomitantly up-regulated the unspliced XBP1 (XBP1u) and HDAC3 in a vascular endothelial growth factor receptor (VEGFR) and PI3K/Akt dependent manner. The presence of XBP1 was essential for the up-regulation of HDAC3 protein. Over-expression of XBP1u and/or HDAC3 activated Akt1 phosphorylation, Nrf2 protein stabilization and nuclear translocation, and HO-1 expression. Knockdown of XBP1u decreased the basal level and disturbed flow-induced Akt1 phosphorylation, Nrf2 stabilization and HO-1 expression. Knockdown of HDAC3 ablated XBP1u-mediated effects. The mammalian target of rapamycin complex 2 (mTORC2) inhibitor, AZD2014, ablated XBP1u or HDAC3 or disturbed flow-mediated Akt1 phosphorylation, Nrf2 nuclear translocation and HO-1 expression. Neither actinomycin D nor cycloheximide affected disturbed flow-induced up-regulation of Nrf2 Protein. Knockdown of Nrf2 abolished XBP1u or HDAC3 or disturbed flow-induced HO-1 up-regulation. Co-immunoprecipitation assays demonstrated that XBP1u physically bound to HDAC3 and Akt1. The region of amino acids 201 to 323 of the HDAC3 protein was responsible for the binding to XBP1u. Double immunofluorescence staining revealed that the interactions between Akt1 and mTORC2, Akt1 and HDAC3, Akt1 and XBP1u, HDAC3 and XBP1u occurred in the cytosol. Thus, we demonstrate that XBP1u and HDAC3 exert a protective effect on disturbed flow-induced oxidative stress via up-regulation of mTORC2-dependent Akt1 phosphorylation and Nrf2-mediated HO-1 expression.

The regulation of mTORC2 kinase activity and complex integrity

Growth factor signaling promotes anabolic processes via activation of the PI3K-Akt kinase cascade. Deregulation of the growth factor-dependent PI3K-Akt pathway was implicated in tumorigenesis. Akt is an essential serine/threonine protein kinase that controls multiple physiological functions such as cell growth, proliferation, and survival to maintain cellular homeostasis. Recently, the mammalian Target of Rapamycin Complex 2 (mTORC2) was identified as the main Akt Ser-473 kinase, and Ser-473 phosphorylation is required for Akt hyperactivation. However, the detailed mechanism of mTORC2 regulation in response to growth factor stimulation or cellular stresses is not well understood. In the first project, we studied the regulation of the mTORC2-Akt signaling under ER stress. We identified the inactivation of mTORC2 by glycogen synthase kinase-3β (GSK-3β). Under ER stress, the essential mTORC2 component, rictor, is phosphorylated by GSK-3β at Ser-1235. This phosphorylation event results in the inhibition of mTORC2 kinase activity by interrupting Akt binding to mTORC2. Blocking rictor Ser-1235 phosphorylation can attenuate the negative impacts of GSK-3β on mTORC2/Akt signaling and tumor growth. Thus, our work demonstrated that GSK-3β-mediated rictor Ser-1235 phosphorylation in response to ER stress interferes with Akt signaling by inhibiting mTORC2 kinase activity. In the second project, I investigated the regulation of the mTORC2 integrity. We found that basal mTOR kinase activity depends on ATP level, which is tightly regulated by cell metabolism. The ATP-sensitive mTOR kinase is required for SIN1 protein phosphorylation and stabilization. SIN1 is an indispensable subunit of mTORC2 and is required for the complex assembly and mTORC2 kinase activity. Our findings reveal that mTOR-mediated phosphorylation of SIN1 is critical for maintaining complex integrity by preventing SIN1 from lysosomal degradation. In sum, our findings verify two distinct mTORC2 regulatory mechanisms via its components rictor and SIN1. First, GSK-3β-mediated rictor Ser-1235 phosphorylation results in mTORC2 inactivation by interfering its substrate binding ability. Second, mTOR-mediated Ser-260 phosphorylation of SIN1 preserves its complex integrity. Thus, these two projects provide novel insights into the regulation of mTORC2.

A chemical genomics approach toward understanding the global functions of the target of rapamycin protein (TOR)

The target of rapamycin protein (TOR) is a highly conserved ataxia telangiectasia-related protein kinase essential for cell growth. Emerging evidence indicates that TOR signaling is highly complex and is involved in a variety of cellular processes. To understand its general functions, we took a chemical genomics approach to explore the genetic interaction between TOR and other yeast genes on a genomic scale. In this study, the rapamycin sensitivity of individual deletion mutants generated by the Saccharomyces Genome Deletion Project was systematically measured. Our results provide a global view of the rapamycin-sensitive functions of TOR. In contrast to conventional genetic analysis, this approach offers a simple and thorough analysis of genetic interaction on a genomic scale and measures genetic interaction at different possible levels. It can be used to study the functions of other drug targets and to identify novel protein components of a conserved core biological process such as DNA damage checkpoint/repair that is interfered with by a cell-permeable chemical compound.

BSTA Promotes mTORC2-Mediated Phosphorylation of Akt1 to Suppress Expression of FoxC2 and Stimulate Adipocyte Differentiation

Phosphorylation and activation of Akt1 is a crucial signaling event that promotes adipogenesis. However, neither the complex multistep process that leads to activation of Akt1 through phosphorylation at Thr308 and Ser473 nor the mechanism by which Akt1 stimulates adipogenesis is fully understood. We found that the BSD domain–containing signal transducer and Akt interactor (BSTA) promoted phosphorylation of Akt1 at Ser473 in various human and murine cells, and we uncovered a function for the BSD domain in BSTA-Akt1 complex formation. The mammalian target of rapamycin complex 2 (mTORC2) facilitated the phosphorylation of BSTA and its association with Akt1, and the BSTA-Akt1 interaction promoted the association of mTORC2 with Akt1 and phosphorylation of Akt1 at Ser473 in response to growth factor stimulation. Furthermore, analyses of bsta gene-trap murine embryonic stem cells revealed an essential function for BSTA and phosphorylation of Akt1 at Ser473 in promoting adipocyte differentiation, which required suppression of the expression of the gene encoding the transcription factor FoxC2. These findings indicate that BSTA is a molecular switch that promotes phosphorylation of Akt1 at Ser473 and reveal an mTORC2-BSTA-Akt1-FoxC2–mediated signaling mechanism that is critical for adipocyte differentiation.