Lipid thioesters derived from acylated proteins accumulate in infantile neuronal ceroid lipofuscinosis: correction of the defect in lymphoblasts by recombinant palmitoyl-protein thioesterase.

Palmitoyl-protein thioesterase is a lysosomal long-chain fatty acyl hydrolase that removes fatty acyl groups from modified cysteine residues in proteins. Mutations in palmitoyl-protein thioesterase were recently found to cause the neurodegenerative disorder infantile neuronal ceroid lipofuscinosis, a disease characterized by accumulation of amorphous granular deposits in cortical neurons, leading to blindness, seizures, and brain death by the age of three. In the current study, we demonstrate that [35S]cysteine-labeled lipid thioesters accumulate in immortalized lymphoblasts of patients with infantile neuronal ceroid lipofuscinosis. The accumulation in cultured cells is reversed by the addition of recombinant palmitoyl-protein thioesterase that is competent for lysosomal uptake through the mannose-6-phosphate receptor. The [35S]cysteine-labeled lipids are substrates for palmitoyl-protein thioesterase in vitro, and their formation requires prior protein synthesis. These data support a role for palmitoyl-protein thioesterase in the lysosomal degradation of S-acylated proteins and define a major new pathway for the catabolism of acylated proteins in the lysosome.

4E-BP1 phosphorylation is mediated by the FRAP-p70s6k pathway and is independent of mitogen-activated protein kinase.

It has previously been argued that the repressor of protein synthesis initiation factor 4E, 4E-BP1, is a direct in vivo target of p42mapk. However, the immunosuppressant rapamycin blocks serum-induced 4E-BP1 phosphorylation and, in parallel, p70s6k activation, with no apparent effect on p42mapk activation. Consistent with this finding, the kinetics of serum-induced 4E-BP1 phosphorylation closely follow those of p70s6k activation rather than those of p42mapk. More striking, insulin, which does not induce p42mapk activation in human 293 cells or Swiss mouse 3T3 cells, induces 4E-BP1 phosphorylation and p70s6k activation in both cell types. Anisomycin, which, like insulin, does not activate p42mapk, promotes a small parallel increase in 4E-BP1 phosphorylation and p70s6k activation. The insulin effect on 4E-BP1 phosphorylation and p70s6k activation in both cell types is blocked by SQ20006, wortmannin, and rapamycin. These three inhibitors have no effect on p42mapk activation induced by phorbol 12-tetradecanoate 13-acetate, though wortmannin partially suppresses both the p70s6k response and the 4E-BP1 response. Finally, in porcine aortic endothelial cells stably transfected with either the wild-type platelet-derived growth factor receptor or a mutant receptor bearing the double point mutation 740F/751F, p42mapk activation in response to platelet-derived growth factor is unimpaired, but increased 4E-BP1 phosphorylation is ablated, as previously reported for p70s6k. The data presented here demonstrate that 4E-BP1 phosphorylation is mediated by the FRAP-p70s6k pathway and is independent of mitogen-activated protein kinase.

Didemnin binds to the protein palmitoyl thioesterase responsible for infantile neuronal ceroid lipofuscinosis.

The marine natural product didemnin B, currently in clinical trials as an antitumor agent, has several potent biological activities apparently mediated by distinct mechanisms. Our initial investigation of didemnin B resulted in the discovery of its GTP-dependent binding of the translation elongation factor EF1 alpha. This finding is consistent with the protein synthesis inhibitory activity of didemnin B observed at intermediate concentrations. To begin to dissect the mechanisms involved in the cytostatic and immunosuppressive activities of didemnin B, observed at low concentrations, additional didemnin-binding proteins were sought. Here we report the purification of a 36-kDa glycosylated didemnin-binding protein from bovine brain lysate. Cloning of the human cDNA encoding this protein revealed a strong sequence similarity with palmitoyl protein thioesterase (PPT), an enzyme that removes palmitate from H-Ras and the G alpha s subunits of heterotrimeric GTP-binding proteins in vitro. Mutations in PPT have recently been shown to be responsible for infantile neuronal ceroid lipofuscinosis, which is a severe brain disorder characterized by progressive loss of brain function and early death.

Characterization of small nontranslated polyadenylylated RNAs in vaccinia virus-infected cells.

Host protein synthesis is selectively inhibited in vaccinia virus-infected cells. This inhibition has been associated with the production of a group of small, nontranslated, polyadenylylated RNAs (POLADS) produced during the early part of virus infection. The inhibitory function of POLADS is associated with the poly(A) tail of these small RNAs. To determine the origin of the 5'-ends of POLADS, reverse transcription was performed with POLADS isolated from VV-infected cells at 1 hr and 3.5 hr post infection. The cDNAs of these POLADS were cloned into plasmids (pBS or pBluescript II KS +/-), and their nucleotide composition was determined by DNA sequencing. The results of this investigation show the following: There is no specific gene encoding for POLADS. The 5' ends of POLADS may be derived from either viral or cellular RNAs. Any RNA sequence including tRNAs, small nuclear RNAs and 5'ends of mRNAs can become POLADS if they acquire a poly(A) tail at their 3' ends during infection. This nonspecific polyadenylylation found in vaccinia virus-infected cells is probably conducted by vaccinia virus poly(A)+ polymerase. No consensus sequence is found on the 5' ends of POLADS for polyadenylylation. The 5' ends of POLADS have no direct role in their inhibitory activity of protein synthesis.

Determinants of the G protein-dependent opioid modulation of neuronal calcium channels.

The modulation of a family of cloned neuronal calcium channels by stimulation of a coexpressed mu opioid receptor was studied by transient expression in Xenopus oocytes. Activation of the morphine receptor with the synthetic enkephalin [D-Ala2,N-Me-Phe4,Gly-ol5]enkephalin (DAMGO) resulted in a rapid inhibition of alpha1A (by approximately 20%) and alpha1B (by approximately 55%) currents while alpha1C and alpha1E currents were not significantly affected. The opioid-induced effects on alpha1A and alpha1B currents were blocked by pertussis toxin and the GTP analogue guanosine 5'-[beta-thio]diphosphate. Similar to modulation of native calcium currents, DAMGO induced a slowing of the activation kinetics and exhibited a voltage-dependent inhibition that was partially relieved by application of strong depolarizing pulses. alpha1A currents were still inhibited in the absence of coexpressed Ca channel alpha2 and beta subunits, suggesting that the response is mediated by the alpha1 subunit. Furthermore, the sensitivity of alpha1A currents to DAMGO-induced inhibition was increased approximately 3-fold in the absence of a beta subunit. Overall, the results show that the alpha1A (P/Q type) and the alpha1B (N type) calcium channels are selectively modulated by a GTP-binding protein (G protein). The results raise the possibility of competitive interactions between beta subunit and G protein binding to the alpha1 subunit, shifting gating in opposite directions. At presynaptic terminals, the G protein-dependent inhibition may result in decreased synaptic transmission and play a key role in the analgesic effect of opioids and morphine.

Cold shock induces a major ribosomal-associated protein that unwinds double-stranded RNA in Escherichia coli.

A 70-kDa protein was specifically induced in Escherichia coli when the culture temperature was shifted from 37 to 15 degrees C. The protein was identified to be the product of the deaD gene (reassigned csdA) encoding a DEAD-box protein. Furthermore, after the shift from 37 to 15 degrees C, CsdA was exclusively localized in the ribosomal fraction and became a major ribosomal-associated protein in cells grown at 15 degrees C. The csdA deletion significantly impaired cell growth and the synthesis of a number of proteins, specifically the derepression of heat-shock proteins, at low temperature. Purified CsdA was found to unwind double-stranded RNA in the absence of ATP. Therefore, the requirement for CsdA in derepression of heat-shock protein synthesis is a cold shock-induced function possibly mediated by destabilization of secondary structures previously identified in the rpoH mRNA.

Cutting activates a 46-kilodalton protein kinase in plants.

Using SDS/polyacrylamide gels that contained myelin basic protein, we identified a 46-kDa protein kinase in tobacco that is transiently activated by cutting. Although the activity of the kinase was rarely detectable in mature leaves, marked activity became apparent within several minutes after isolation of leaf discs and subsided within 30 min. In the presence of cycloheximide (CHX), the kinase activity did not diminish after the isolation over the course of 2 hr, suggesting that protein synthesis was not required for the activation of the kinase. A second cutting of leaf discs between 30 min and 60 min after the isolation failed to activate the kinase, whereas a second cutting given 3 hr after isolation apparently activated the kinase. These results suggest that the 46-kDa protein kinase is desensitized immediately after the first activation, which can be blocked by CHX, but the response ability recovers with time. When protein extracts containing the active kinase were treated with serine/threonine-specific or tyrosine-specific protein phosphatase, the kinase activity was abolished. After immunoprecipitation with antibody against phosphotyrosine, activity of the kinase was recovered in the immunoprecipitate. These results suggest that the active form of the kinase is phosphorylated at both serine/threonine and tyrosine residues. It seems likely that the 46-kDa protein kinase can be activated by dual phosphorylation. The activity of a 46-kDa protein kinase was also detected in leaves of a wide variety of plant species including dicotyledonous and monocotyledonous plants. We propose the name PMSAP (plant multisignal-activated protein) kinase for this kinase because the kinase was also activated by various signals other than cutting.

Identification of C1q as the heat-labile serum cofactor required for immune complexes to stimulate endothelial expression of the adhesion molecules E-selectin and intercellular and vascular cell adhesion molecules 1.

To examine the role of complement components as regulators of the expression of endothelial adhesive molecules in response to immune complexes (ICs), we determined whether ICs stimulate both endothelial adhesiveness for leukocytes and expression of E-selectin and intercellular and vascular cell adhesion molecules 1 (ICAM-1 and VCAM-1). We found that ICs [bovine serum albumin (BSA)-anti-BSA] stimulated endothelial cell adhesiveness for added leukocytes in the presence of complement-sufficient normal human serum (NHS) but not in the presence of heat-inactivated serum (HIS) or in tissue culture medium alone. Depletion of complement component C3 or C8 from serum did not prevent enhanced endothelial adhesiveness stimulated by ICs. In contrast, depletion of complement component C1q markedly inhibited IC-stimulated endothelial adhesiveness for leukocytes. When the heat-labile complement component C1q was added to HIS, the capacity of ICs to stimulate endothelial adhesiveness for leukocytes was completely restored. Further evidence for the possible role of C1q in mediating the effect of ICs on endothelial cells was the discovery of the presence of the 100- to 126-kDa C1q-binding protein on the surface of endothelial cells (by cytofluorography) and of message for the 33-kDa C1q receptor in resting endothelial cells (by reverse transcription-PCR). Inhibition of protein synthesis by cycloheximide blocked endothelial adhesiveness for leukocytes stimulated by either interleukin 1 or ICs in the presence of NHS. After stimulation with ICs in the presence of NHS, endothelial cells expressed increased numbers of adhesion molecules (E-selectin, ICAM-1, and VCAM-1). Endothelial expression of adhesion molecules mediated, at least in part, endothelial adhesiveness for leukocytes, since leukocyte adhesion was blocked by monoclonal antibodies directed against E-selectin. These studies show that ICs stimulate endothelial cells to express adhesive proteins for leukocytes in the presence of a heat-labile serum factor. That factor appears to be C1q.

Shigella flexneri surface protein IcsA is sufficient to direct actin-based motility.

Shigella flexneri is a Gram-negative bacterial pathogen that can grow directly in the cytoplasm of infected host cells and uses a form of actin-based motility for intra- and intercellular spread. Moving intracellular bacteria are associated with a polarized "comet tail" composed of actin filaments. IcsA, a 120-kDa outer membrane protein necessary for actin-based motility, is located at a single pole on the surface of the organism, at the junction with the actin tail. Here, we demonstrate that stable expression of IcsA on the surface of Escherichia coli is sufficient to allow actin-dependent movement of E. coli in cytoplasmic extracts, at rates comparable to the movement of S. flexneri in infected cells. Thus, IcsA is the sole Shigella-specific factor required for actin-based motility. Continuous protein synthesis and polarized distribution of the protein are not necessary for actin tail formation or movement. Listeria monocytogenes is an unrelated bacterial pathogen that exhibits similar actin-based intracytoplasmic motility. Actin filament dynamics in the comet tails associated with the two different organisms are essentially identical, which indicates that they have independently evolved mechanisms to interact with the same components of the host cytoskeleton.

Micrornas 9a, 9b, 9c And 315 Regulate Expression Of A Reporter For The Neuronal Microtubule-Associated Protein Futsch/map1b

Fragile X syndrome (FXS) is the most common form of inherited mental retardation in humans. FXS is caused by loss of the Fragile X Mental Retardation Protein (FMRP), an important regulator of neuronal mRNA translation. Patients with FXS display cognitive deficits including memory problems. Protein synthesis-dependent long-term changes in synaptic plasticity are involved in the establishment and maintenance of long-term memory. One prevalent theory of FXS pathology predicts that FMRP is required to negatively regulate the translation of important mRNAs at the synapse. We are investigating microRNAs (miRNAs) as a potential regulator of synaptic FMRP-regulated mRNAs that have previously been described as being crucial to the process of synaptic plasticity. The general hypothesis underlying this thesis is that FMRP may negatively regulate the expression of futsch (the Drosophila homologue of the microtubule-associated protein gene MAP1B) via the miRNA pathway. The first step we took in testing this hypothesis was to confirm that futsch is subject to miRNA-mediated translational control. Using in silico target analysis, we predicted that several neuronally expressed miRNAs target the futsch mRNA 3'UTR and repress expression of Futsch protein. Then, using an in vitro luciferase reporter system, we showed that miR-315 and members of the miR-9 family selectively down-regulated futsch reporter translation. We have confirmed by site- directed mutagenesis that the miRNA interaction with the futsch 3'UTR is specific to the miRNA seed region binding site. Interestingly, reduction of FMRP levels by RNAi had no effect on futsch 3'UTR reporter expression. Together, these data suggest regulation of futsch expression by the miRNA pathway might be independent of FMRP activity. However, additional experiments need to be completed to confirm these preliminary results.

Mécanismes moléculaires de l’hypertrophie vasculaire dans le modèle animal d’hypertension essentielle (SHR)

La voie de signalisation des phosphoinositides joue un rôle clé dans la régulation du tonus vasculaire. Plusieurs études rapportent une production endogène de l’angiotensin II (Ang II) et de l’endothéline-1 (ET-1) par les cellules musculaires lisses vasculaires (CMLVs) de rats spontanément hypertendus (spontaneously hypertensive rats : SHR). De plus, l’Ang II exogène induit son effet prohypertrophique sur les CMLVs selon un mécanisme dépendant de la protéine Gqα et de la PKCẟ. Cependant, le rôle de l’axe Gqα/PLCβ/PKCẟ dans l’hypertrophie des CMLVs provenant d’un modèle animal de l’hypertension artérielle n’est pas encore étudié. L’objectif principal de cette thèse est d’examiner le rôle de l’axe Gqα/PLCβ1 dans les mécanismes moléculaires de l’hypertrophie des CMLVs provenant d’un modèle animal d’hypertension artérielle essentielle (spontaneously hypertensive rats : SHR). Nos premiers résultats indiquent que contrairement aux CMLVs de SHR âgés de 12 semaines (absence d’hypertrophie cardiaque), les CMLVs de SHR âgés de 16 semaines (présence d’hypertrophie cardiaque) présentent une surexpression protéique endogène de Gqα et de PLCβ1 par rapport aux CMLVs de rats WKY appariés pour l’âge. L’inhibition du taux d’expression protéique de Gqα et de PLCβ1 par des siRNAs spécifiques diminue significativement le taux de synthèse protéique élevé dans les CMLVs de SHR. De plus, la surexpression endogène des Gqα et PLCβ1, l’hyperphosphorylation de la molécule ERK1/2 et le taux de synthèse protéique élevé dans les CMLVs de SHR de 16 semaines ont été atténués significativement par des antagonistes des récepteurs AT1 (losartan) et ETA (BQ123), mais pas par l’antagoniste du récepteur ETB (BQ788). L’inhibition pharmacologique des MAPKs par PD98059 diminue significativement la surexpression endogène de Gqα/PLCβ1 et le taux de synthèse protéique élevé dans les CMLVs de SHR. D’un côté, l’inhibition du stress oxydatif (par DPI, inhibiteur de la NAD(P)H oxidase, et NAC , molécule anti-oxydante), de la molécule c-Src (PP2) et des récepteurs de facteurs de croissance (AG1024 (inhibiteur de l’IGF1-R), AG1478 (inhibiteur de l’EGFR) et AG1295 (inhibiteur du PDGFR)) a permis d’atténuer significativement la surexpression endogène élevée de Gqα/PLCβ1 et l’hypertrophie des CMLVs de SHR. D’un autre côté, DPI, NAC et PP2 atténuent significativement l’hyperphosphorylation de la molécule c-Src, des RTKs (récepteurs à activité tyrosine kinase) et de la molécule ERK1/2. Dans une autre étude, nous avons aussi démontré que la PKCẟ montre une hyperphosphorylation en Tyr311 dans les CMLVs de SHR comparées aux CMLVs de WKY. La rottlerin, utilisée comme inhibiteur spécifique de la PKCẟ, inhibe significativement cette hyperphosphorylation en Tyr311 dépendamment de la concentration. L’inhibition de l’activité de la PKCẟ par la rottlerin a été aussi associée à une atténuation significative de la surexpression protéique endogène de Gqα/PLCβ1 et l’hypertrophie des CMLVs de SHR. De plus, l’inhibition pharmacologique de l’activité de la PKCẟ, en amont du stress oxydatif, a permis d’inhiber significativement l’activité de la NADPH, le taux de production élevée de l’ion superoxyde ainsi que l’hyperphosphorylation de la molécule ERK1/2, de la molécule c-Src et des RTKs. À notre surprise, nous avons aussi remarqué une surexpression protéique de l’EGFR et de l’IGF-1R dans les CMLVs de SHR à l’âge de 16 semaines. L’inhibition pharmacologique de l’activité de la PKCẟ, de la molécule c-Src et du stress oxydatif a permis d’inhiber significativement la surexpression protéique endogène de ces RTKs. De plus, l’inhibition de l’expression protéique de l’EGFR et de la molécule c-Src par des siRNA spécifiques atténue significativement le taux d’expression protéique élevé de Gqα et de PLCβ1 ainsi que le taux de synthèse protéique élevé dans les CMLVs de SHR. Des siRNAs spécifiques à la PKCẟ ont permis d’atténuer significativement le taux de synthèse protéique élevé dans les CMLVs de SHR et confirment le rôle important de la PKCẟ dans les mécanismes moléculaires de l’hypertrophie des CMLVs selon une voie dépendante du stress oxydatif. En conclusion, ces résultats suggèrent un rôle important de l’activation endogène de l’axe Gqα-PLCβ-PKCẟ dans le processus d’hypertrophie vasculaire selon un mécanisme impliquant une activation endogène des récepteurs AT1/ETa, de la molécule c-Src, du stress oxidatif, des RTKs et des MAPKs.

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.

Increased expression of phosphorylated forms of RNA-dependent protein kinase and eukaryotic initiation factor 2 alpha may signal skeletal muscle atrophy in weight-losing cancer patients

Previous studies suggest that the activation (autophosphorylation) of dsRNA-dependent protein kinase (PKR) can stimulate protein degradation, and depress protein synthesis in skeletal muscle through phosphorylation of the translation initiation factor 2 (eIF2) on the alpha-subunit. To understand whether these mediators are important in muscle wasting in cancer patients, levels of the phospho forms of PKR and eIF2alpha have been determined in rectus abdominus muscle of weight losing patients with oesophago-gastric cancer, in comparison with healthy controls. Levels of both phospho PKR and phospho eIF2alpha were significantly enhanced in muscle of cancer patients with weight loss irrespective of the amount and there was a linear relationship between phosphorylation of PKR and phosphorylation of eIF2alpha (correlation coefficient 0.76, P=0.005). This suggests that phosphorylation of PKR led to phosphorylation of eIF2alpha. Myosin levels decreased as the weight loss increased, and there was a linear relationship between myosin expression and the extent of phosphorylation of eIF2alpha (correlation coefficient 0.77, P=0.004). These results suggest that phosphorylation of PKR may be an important initiator of muscle wasting in cancer patients.

Identification and characterization of a membrane receptor for proteolysis-inducing factor on skeletal muscle

Proteolysis-inducing factor (PIF) is a sulfated glycoprotein produced by cachexia-inducing tumors, which induces atrophy of skeletal muscle. PIF has been shown to bind specifically with high affinity (Kd, in nanomolar) to sarcolemma membranes from skeletal muscle of both the mouse and the pig, as well as murine myoblasts and a human muscle cell line. Ligand binding was abolished after enzymatic deglycosylation, suggesting that binding was mediated through the oligosaccharide chains in PIF. Chondroitin sulfate, but not heparan or dermatan sulfate, showed competitive inhibition (Kd, 1.1 × 10-7 mol/L) of binding of PIF to the receptor, suggesting an interaction with the sulfated oligosaccharide chains. Ligand blotting of [ 35S]PIF to triton solublized membranes from C2C 12 cells provided evidence for a binding protein of apparent M r of ∼40,000. Amino acid sequence analysis showed the PIF receptor to be a DING protein. Antisera reactive to a 19mer from the N-terminal amino acid residues of the binding protein attenuated protein degradation and activation of the ubiquitin-proteasome pathway induced by PIF in murine myotubes. In addition, the antisera was highly effective in attenuating the decrease in body weight in mice bearing the MAC16 tumor, with a significant increase in muscle wet weight due to an increase in the rate of protein synthesis, together with a reduction in protein degradation through attenuation of the increased proteasome expression and activity. These results confirm that the PIF binding protein has a functional role in muscle protein atrophy in cachexia and that it represents a potential new therapeutic target. ©2007 American Association for Cancer Research.