Emerging role of angiotensin type 2 receptor (AT2R)/Akt/NO pathway in vascular smooth muscle cell in the hyperthyroidism

Hyperthyroidism is characterized by increased vascular relaxation and decreased vascular contraction and is associated with augmented levels of triiodothyronine (T3) that contribute to the diminished systemic vascular resistance found in this condition. T3 leads to augmented NO production via PI3K/Akt signaling pathway, which in turn causes vascular smooth muscle cell (VSMC) relaxation; however, the underlying mechanisms involved remain largely unknown. Evidence from human and animal studies demonstrates that the renin-angiotensin system (RAS) plays a crucial role in vascular function and also mediates some of cardiovascular effects found during hyperthyroidism. Thus, in this study, we hypothesized that type 2 angiotensin II receptor (AT2R), a key component of RAS vasodilatory actions, mediates T3 induced-decreased vascular contraction. Marked induction of AT2R expression was observed in aortas from T3-induced hyperthyroid rats (Hyper). These vessels showed decreased protein levels of the contractile apparatus: α-actin, calponin and phosphorylated myosin light chain (p-MLC). Vascular reactivity studies showed that denuded aortic rings from Hyper rats exhibited decreased maximal contractile response to angiotensin II (AngII), which was attenuated in aortic rings pre-incubated with an AT2R blocker. Further study showed that cultured VSMC stimulated with T3 (0.1 µmol/L) for 24 hours had increased AT2R gene and protein expression. Augmented NO levels and decreased p-MLC levels were found in VSMC stimulated with T3, both of which were reversed by a PI3K/Akt inhibitor and AT2R blocker. These findings indicate for the first time that the AT2R/Akt/NO pathway contributes to decreased contractile responses in rat aorta, promoted by T3, and this mechanism is independent from the endothelium.

Charakterisierung spezieller pflanzlicher Gamma-Tubulin-Sequenzbereiche und Detektion potentieller Interaktionspartner mittels Yeast-two-Hybrid-System

Mitotische und postmitotische Vorgänge pflanzlicher Zellen basieren auf der Funktion von Mikrotubuli. Es liegen nur wenige gesicherte Erkenntnisse zur Organisation dieser Multifunktionalität vor. Eine zentrale Bedeutung wird bei der Nukleation der Mikrotubuli an MTOCs durch γ-Tubulin zugeschrieben. Deren Zusammenlagerung an MTOCs ist jedoch noch nicht richtig verstanden. Domänen, die an der Proteinoberfläche exponiert werden, könnten in Interaktionen involviert sein. Hier werden im Besonderen der γ-A und γ-B-Peptivmotiv diskutiert. Es wurde das γ-A- und γ-B-Peptidmotiv des γ-Tubulins hinsichtlich einer Konservierung innerhalb des Pflanzenreiches untersucht. Die beiden Bereiche sind bei den grünen Landpflanzen stark konserviert. Sie divergieren stark zu den einzelligen Grünalgen Chlamydomonas reinhardtii und Chlorella spec. Es wurden daher in der bestehenden phylogentischen Lücke weitere Organismen hinsichtlich des γ-A und γ-B Peptidmotivs untersucht. Auswahlkriterien der Organismen waren Ein-/Mehrzelligkeit, Besitz/Abwesenheit von Centriolen und Besitz/Abwesenheit von Geißeln. Des weiteren wurde mit verschiedenen γ-Tubulin-Konstrukten um das γ-A- und γ-B-Peptidmotiv, gewonnen aus Nicotiana tabacum (BY2) mittels Y2H-System nach Interaktionspartnern gesucht. Bei den Sequenzuntersuchungen des γ-A- und γ-B-Peptidmotivs konnte festgestellt werden, dass die Konservierung innerhalb der Streptophytenlinie erfolgt. Interessant erweist sich die Tatsache, dass dieses Motiv bei den Jochalgen, welche ebenfalls den Streptophyten angehören, nur im γ-A-Peptidmotiv auftritt. Es besteht die Möglichkeit, dass die beiden potentiellen Interaktionspartner verschiedene Proteine als Interaktions-partner besitzen. Durch eine Anwendung eines auf dem GAL4-Protein basierenden Y2H-Systems mit vier unterschiedlichen Konstrukten des γ-Tubulin-A/B-Peptidbereichs als Köder-konstrukt und einer cDNA-Bibliothek als Beutekonstrukt, wurden diverse Sequenzen identifiziert. Identifiziert wurden das Poly(A)-Bindeprotein, Glycerin-aldehyd-3-phosphatdehydrogenase, die S-adenosyl-L-methionine-Synthetase, diverse Proteasom-Untereinheiten, eine sekretorische Peroxidase, eine Ascorbat-Peroxidase, die NtPOX1-Peroxidase und verschiedene Peroxidasen aus Nicotiana tabacum, Sequenzen des Chloroplastengenoms, ein Myosin-ähnliches Protein und eine Sequenz auf dem 5. Chromosom des Medicago truncatula-Klons mth2-16f8 und diverse humane Sequenzen der Proteine DKFZp68 und DKFZp77. Die Ergebnisse weisen auf eine komplexe Funktionsweise der unterschiedlichen Komponenten des pflanzlichen Cytoskeletts und des γ-Tubulins hin. Zur Aufklärung müsste dies in Zukunft mittels anderer genetischer, biochemischer oder funktioneller Methoden untersucht werden. Hypothesen über Interaktionen der Cytoskelettkomponenten können wahrscheinlich nicht allein durch die Anwendung des Y2H-Systems aufgeklärt werden.

Der Wirkungsmechanismus von Neurosteroiden auf das Cytoskelett neuronaler Zellen

Neurosteroide können langsame genomische und schnelle nicht-genomische Effekte zeigen. Die Synthese und der Metabolismus von Neurosteroiden werden entwicklungsbedingt reguliert. In den letzten Jahren sind immer mehr schnelle Steroideffekte bekannt geworden, die sowohl über klassische als auch über nicht-klassische Rezeptoren laufen. Zum heutigen Stand der Forschung sind die morphologischen Effekte von Neurosteroiden auf das neuronale Cytoskelett und die involvierten Signalkaskaden noch weitgehend unerforscht. In diesem Zusammenhang stellen sich auch die Fragen nach den verantwortlichen Rezeptoren und dem Transportmechanismus sowie der subzellulären Lokalisation der Steroide. Die im Rahmen meiner Promotion erhaltenen Ergebnisse zeigen, dass die Steroide DHEA und Testosteron eine Reorganisation des Aktincytoskeletts in neuronalen Zellen induzieren und dass diese Effekte diesen Steroiden und nicht ihren Folgemetaboliten zuzuordnen sind. DHEA bewirkt die Kontraktion der Zellen, eine erhöhte Ausbildung von Stressfasern und fokalen Adhäsionskomplexen sowie die Bildung von Filopodien. Der diesen Effekten zu Grunde liegende Signalweg konnte eindeutig identifiziert werden. DHEA induziert in neuronalen Zellen die Aktivierung des Rho-Signalwegs. Diese Aktivierung führt zu einem erhöhten Phosphorylierungsstatus der regulatorischen leichten Kette von Myosin II (MRLC) an Serin 19 und der damit verbundenen erhöhten Myosin-Aktin-Interaktion. Die Ausbildung von Filopodien wird vermutlich über eine Aktivierung der GTPase Cdc42 vermittelt. Testosteron induziert das Auswachsen langer Neuriten sowie eine Verminderung von Stressfasern in neuronalen Zellen. Diese Effekte sind abhängig von der Aktivität der PI3-Kinase. Die im Rahmen dieser Arbeit gewonnenen Erkenntnisse deuten darauf hin, dass Testosteron über die PI3-Kinase und FAK den Rac-Signalweg induziert, da es zu einer Inhibierung des Rho-Signalwegs kommt. Zahlreiche Erkenntnisse weisen darauf hin, dass DHEA und Testosteron die Aktivierung der beteiligten Signalwege über einen G-Protein gekoppelten Rezeptor induzieren. DHEA und Testosteron beeinflussen auch die Expression und die Lokalisation der regulatorischen leichten Ketten von Myosin II. Im Gegensatz zu DHEA (Lokalisation der MRLC in der kortikalen Region der Zelle), induziert Testosteron eine Umlokalisation der MRLC in den Zellkern. Daher ist es denkbar, dass die MRLCs, wie auch Aktin, als Transkriptionsfaktoren wirken können. Die Synthese eines funktionalen, fluoreszierenden DHEA-Derivats (DHEA-Bodipy) ermöglichte erstmals, den Transport und die subzelluläre Lokalisation von DHEA in neuronalen Zellen zu beobachten. DHEA-Bodipy wird in neuronalen Zellen in den Mitochondrien lokalisiert. Diese Lokalisation ergibt völlig neue Ansätze im Verständnis zellulärer Wirkungsorte von Steroiden und beteiligter Rezeptoren. Das in meiner Arbeit vorgestellte Verfahren zur Fluoreszenzmarkierung von Steroiden bietet vielfältige Möglichkeiten im Einsatz zellbiologischer Methoden. Nach diesem Verfahren hergestellte, fluoreszierende Steroide eignen sich aufgrund ihrer Stabilität sehr gut für die Untersuchung des Transports und der subzellulären Lokalisation von Steroiden an fixierten und lebenden Zellen sowie für Colokalisationsexperimente. Diese Methode grenzt somit auch die Anzahl möglicher molekularer Interaktionspartner ein. Für Testosteron konnte ebenfalls ein fluoreszierendes Testosteron-Derivat (Testosteron-Bodipy) synthetisiert werden. Die Aufklärung der Effekte von Steroiden auf das neuronale Cytoskelett und der beteiligten Signalkaskaden sowie die Identifizierung der zellulären Wirkungsorte ermöglichen therapeutische Ansätze zur Behandlung neurodegenerativer Erkrankungen, deren Ursachen in Abnormitäten des Cytoskeletts oder fehlregulierter Neurosteroidogenese zu begründen sind.

Inhibierung des IL-17A vermittelten Blut-Hirnschrankenversagens in experimenteller Autoimmunenzephalomyelitis (EAE) und Mikrogliaaktivierung durch IL-17A

Experimentelle Autoimmunenzephalomyelitis (EAE) ist das Tiermodell für Multiple Sklerose (MS). Es ist bekannt, dass das proinflammatorische Zytokin IL-17A eine wichtige Rolle in MS und EAE spielt. Dieses wird hauptsächlich von einer Subpopulation der T-Helferzellen (Th17 Zellen) exprimiert. Es war bekannt, dass diese am Zusammenbruch der Blut-Hirnschranke (BHS) beteiligt sind. Der Integritätsverlust der BHS ist ein wichtiger und früher Aspekt in der Pathogenese von EAE und MS. Daraufhin können Immunzellen in das zentrale Nervensystem (ZNS) eindringen. Spezifische T-Zellen greifen das Myelin an und führen so zu einer Entzündungsreaktion, Demyelinisierung und axonalem Schaden. In dieser Arbeit konnte ich zeigen, dass durch Hemmung des kontraktilen endothelialen Apparates das BHS Versagen vermindert werden kann und es dadurch zu einem milderen Verlauf der EAE Pathogenese kommt. Wird der Inhibitor der Myosinleichtkettenkinase ML-7 C57/bl6 Mäusen, bei denen EAE induziert wurde, intraperitoneal verabreicht, kommt es zu einem geringeren Phosphorylierungsgrad der leichten Kette des Myosins in Endothelzellen und folglich zu einem verringerten Schrankenversagen. Außerdem konnte ich zeigen, dass weniger reaktive Sauerstoffspezies (ROS) gebildet werden. Folglich kommt es zu einer geringeren Infiltration von Immunzellen aus der Peripherie in das ZNS. Somit werden weniger Zytokine und auch Matrixmetalloproteinasen (MMP) ausgeschüttet, wodurch die Entzündungsreaktion weniger stark ausgeprägt ist. Außerdem werden weniger Mikrogliazellen aktiviert. Ich habe den Zusammenhang zwischen Mikrogliazellaktivierung und IL-17A näher untersucht. Dieses proinflammatorische Zytokin aktiviert Mikrogliazellen auch in vitro. Durch IL-17A Stimulation kommt es zur vermehrten ROS Bildung. Folglich kommt es zu einer vermehrten Proliferation und Migration, sowie einer erhöhten Zytokinproduktion. Außerdem konnte ich zeigen, dass der N-Methyl-D-Aspartat (NMDA)-Rezeptor an der Mikrogliaaktivierung beteiligt ist. Abhängig von IL-17A Stimulation kommt es zu einem Kalziumeinstrom über den NMDA-Rezeptor. Werden Inhibitoren des NMDA-Rezeptors eingesetzt, können IL-17A vermittelte Proliferation, Migration, Zytokin-und ROS-Produktion verhindert werden. Der NMDA-Rezeptor ist sehr gut in Neuronen erforscht, wohingegen bisher sehr wenig über seine Funktion in Gliazellen bekannt war. In dieser Arbeit ist es mir gelungen einen Zusammenhang zwischen IL-17A vermittelter Mikrogliaaktivierung und Kalziumeinstrom über den NMDA-Rezeptor herzustellen.

Rolle des endothelialen kontraktilen Apparates bei der Entstehung eines Hirnödems nach Schädelhirntrauma und Subarachnoidalblutung

Zerebrale Erkrankungen, wie Schädelhirntrauma (SHT) und Subarachnoidalblutung (SAB) sind mit einer hohen Morbidität und Mortalität vergesellschaftet und stellen eine ernsthafte medizinische und ökonomische Herausforderung dar. Grundlage für die Entwicklung neuer effektiver Therapieansätze ist das Verständnis der pathophysiologischen Mechanismen dieser Krankheiten. Das Entstehen eines vasogenen Hirnödems ist eine schwere Komplikation nach SHT und SAB und beruht u.a. auf einem Öffnen der Bluthirnschranke (BHS). Ein möglicher zu Grunde liegender Mechanismus könnte die Aktivierung der Myosin-leichte-Kette-Kinase (MLCK) sein, was man therapeutisch unterbinden könnte.rnIn der vorliegenden Studie wurde in zwei unterschiedlichen experimentellen, zerebralen Schadensmodellen der Einfluss des kontraktilen Apparates auf die BHS Störung untersucht. In dem Schadensmodell des SHT sind die Hauptergebnisse: 1.) die Myosin-leichte-Kette-Kinase (MLCK) wird durch das induzierte Schädelhirntrauma hochreguliert. 2.) eine pharmakologische MLCK Inhibition stabilisiert die BHS, senkt den ICP und das Hirnödem nach experimentellen SHT. 3.) die MLCK Inhibition führte nicht zu einer Verbesserung des Hirnschadens, der neurologischen Funktion oder der zerebralen Inflammation 24 Stunden nach SHT, obwohl angenommen wird, dass die Entstehung eines Hirnödems den sekundären Hirnschaden vergrößert. In einer weitern Studie wurde untersucht, durch welchen Signalweg dieser zugrunde liegende Mechanismus aktiviert wird. In einem in-vitro BHS Model konnte gezeigt werden, dass C-reaktives Protein (CRP) über die Bindung an Fcγ-Rezeptoren den kontraktilen Apparat aktiviert und somit zu einem Öffnen der BHS führt. Obwohl der CRP Plasmaspiegel nach experimentellen SHT ansteigt, kommt es nicht zu einer Verringerungrndes Hirnwassergehaltes in FcγR-/- Mäusen. Die Entstehung des vasogenen Hirnödems wird im murinen CCI Model somit nicht über den Fcγ-Rezeptor vermittelt. Die in-vitro gezeigte Fcγ vermittelte Öffnung der BHS konnte in-vivo in dieser Studie nicht reproduziert werden. Mit der vorliegenden Studie kann nicht ausgeschlossen werden, dass CRP über einen Fcγ unabhängigen Mechanismus eine Öffnung der BHS vermittelt. Jedoch deuten die Daten daraufhin, das CRP im murinen CCI Model eine untergeordnete Rolle spielt. Die FcγR-/- Mäuse zeigten allerdings ein deutlich reduziertes Kontusionsvolumen und eine reduzierte Mikroglia Aktivierung, was darauf hindeutet, dass FcγR eine wesentliche Rolle bei der zerebralen Inflammation spielen.rnIn dem Schadensmodell der experimentellen SAB konnte gezeigt werden, dass die Inhibition der MLCK die Folgen einer SAB mindert. Sie führt zu einer Senkung des Hirnödems, des intrakraniellen Drucks und Verbesserung der neurologischen Erholung nach experimenteller SAB. Die Ergebnisse unterstützen die Hypothese, dass die MLCK einer der Endpunkteffektor für verschiedene Mechanismen ist, welche die endotheliale Permeabilität sowohl nach SHT als auch nach SAB erhöhen.rnZusammenfassend lässt sich feststellen, dass in beiden zerebralen experimentellen Insulten die MLCK eine wichtige Rolle beim BHS Versagen spielt. Die Daten tragen dazu bei, den zugrundeliegenden Mechanismus der BHS Öffnung, der durch eine Aktivierung der MLCK hervorgerufen werden könnte, besser zu verstehen. Dies könnte zu Entwicklung neuer Medikamente für eine Therapie des zerebralen Hirnödems führen.

Neuronal polarity selection by topography-induced focal adhesion control

Interaction between differentiating neurons and the extracellular environment guides the establishment of cell polarity during nervous system development. Developing neurons read the physical properties of the local substrate in a contact-dependent manner and retrieve essential guidance cues. In previous works we demonstrated that PC12 cell interaction with nanogratings (alternating lines of ridges and grooves of submicron size) promotes bipolarity and alignment to the substrate topography. Here, we investigate the role of focal adhesions, cell contractility, and actin dynamics in this process. Exploiting nanoimprint lithography techniques and a cyclic olefin copolymer, we engineered biocompatible nanostructured substrates designed for high-resolution live-cell microscopy. Our results reveal that neuronal polarization and contact guidance are based on a geometrical constraint of focal adhesions resulting in an angular modulation of their maturation and persistence. We report on ROCK1/2-myosin-II pathway activity and demonstrate that ROCK-mediated contractility contributes to polarity selection during neuronal differentiation. Importantly, the selection process confined the generation of actin-supported membrane protrusions and the initiation of new neurites at the poles. Maintenance of the established polarity was independent from NGF stimulation. Altogether our results imply that focal adhesions and cell contractility stably link the topographical configuration of the extracellular environment to a corresponding neuronal polarity state.

In vivo analysis of uropod function during physiological T cell trafficking

Migrating lymphocytes acquire a polarized phenotype with a leading and a trailing edge, or uropod. Although in vitro experiments in cell lines or activated primary cell cultures have established that Rho-p160 coiled-coil kinase (ROCK)-myosin II-mediated uropod contractility is required for integrin de-adhesion on two-dimensional surfaces and nuclear propulsion through narrow pores in three-dimensional matrices, less is known about the role of these two events during the recirculation of primary, nonactivated lymphocytes. Using pharmacological antagonists of ROCK and myosin II, we report that inhibition of uropod contractility blocked integrin-independent mouse T cell migration through narrow, but not large, pores in vitro. T cell crawling on chemokine-coated endothelial cells under shear was severely impaired by ROCK inhibition, whereas transendothelial migration was only reduced through endothelial cells with high, but not low, barrier properties. Using three-dimensional thick-tissue imaging and dynamic two-photon microscopy of T cell motility in lymphoid tissue, we demonstrated a significant role for uropod contractility in intraluminal crawling and transendothelial migration through lymph node, but not bone marrow, endothelial cells. Finally, we demonstrated that ICAM-1, but not anatomical constraints or integrin-independent interactions, reduced parenchymal motility of inhibitor-treated T cells within the dense lymphoid microenvironment, thus assigning context-dependent roles for uropod contraction during lymphocyte recirculation.

Role of RhoA/ROCK-dependent actin contractility in the induction of tenascin-C by cyclic tensile strain

In chick embryo fibroblasts, the mRNA for extracellular matrix protein tenascin-C is induced 2-fold by cyclic strain (10%, 0.3 Hz, 6 h). This response is attenuated by inhibiting Rho-dependent kinase (ROCK). The RhoA/ROCK signaling pathway is primarily involved in actin dynamics. Here, we demonstrate its crucial importance in regulating tenascin-C expression. Cyclic strain stimulated RhoA activation and induced fibroblast contraction. Chemical activators of RhoA synergistically enhanced the effects of cyclic strain on cell contractility. Interestingly, tenascin-C mRNA levels perfectly matched the extent of RhoA/ROCK-mediated actin contraction. First, RhoA activation by thrombin, lysophosphatidic acid, or colchicine induced tenascin-C mRNA to a similar extent as strain. Second, RhoA activating drugs in combination with cyclic strain caused a super-induction (4- to 5-fold) of tenascin-C mRNA, which was again suppressed by ROCK inhibition. Third, disruption of the actin cytoskeleton with latrunculin A abolished induction of tenascin-C mRNA by chemical RhoA activators in combination with cyclic strain. Lastly, we found that myosin II activity is required for tenascin-C induction by cyclic strain. We conclude that RhoA/ROCK-controlled actin contractility has a mechanosensory function in fibroblasts that correlates directly with tenascin-C gene expression. Previous RhoA/ROCK activation, either by chemical or mechanical signals, might render fibroblasts more sensitive to external tensile stress, e.g., during wound healing.

Ezrin/moesin in motile Walker 256 carcinosarcoma cells: signal-dependent relocalization and role in migration

Rat Walker 256 carcinosarcoma cells spontaneously develop front-tail polarity and migrate in the absence of added stimuli. Constitutive activation of phosphatidylinositol-3 kinase (PI 3-kinase), Rac, Rho and Rho kinase are essential for these processes. Ezrin and moesin are putative targets of these signaling pathways leading to spontaneous migration. To test this hypothesis, we used specific siRNA probes that resulted in a downregulation of ezrin and moesin by about 70% and in a similar reduction in the fraction of migrating cells. Spontaneous polarization however was not affected, indicating a more subtle role of ezrin and moesin in migration. We provide furthermore evidence that endogenous ezrin and moesin colocalize with F-actin at the contracted tail of polarized cells, similar to ectopically expressed green fluorescent protein-tagged ezrin. Our results suggest that myosin light chain and ezrin are markers of front and tail, respectively, even in the absence of morphological polarization. We further show that endogenous ezrin and moesin are phosphorylated and that activities of PI-3 kinase, Rho and Rac, but not of Rho-kinase, are required for this C-terminal phosphorylation. Activation of protein kinase C in contrast suppressed phosphorylation of ezrin and moesin. Inhibition of ezrin phosphorylation prevented its membrane association.

Proteomic alterations in heat shock protein 27 and identification of phosphoproteins in ascending aortic aneurysm associated with bicuspid and tricuspid aortic valve

Whether or not there are molecular differences, at the intra- and extracellular level, between aortic dilatation in patients with bicuspid (BAV) and those with a tricuspid aortic valve (TAV) has remained controversial for years. We have performed 2-dimensional gel electrophoresis and mass spectrometry coupled with dephosphorylation and phosphostaining experiments to reveal and define protein alterations and the high abundant structural phosphoproteins in BAV compared to TAV aortic aneurysm samples. 2-D gel patterns showed a high correlation in protein expression between BAV and TAV specimens (n=10). Few proteins showed significant differences, among those a phosphorylated form of heat shock protein (HSP) 27 with significantly lower expression in BAV compared to TAV aortic samples (p=0.02). The phosphoprotein tracing revealed four different phosphoproteins including Rho GDP dissociation inhibitor 1, calponin 3, myosin regulatory light chain 2 and four differentially phosphorylated forms of HSP27. Levels of total HSP27 and dually phosphorylated HSP27 (S78/S82) were investigated in an extended patient cohort (n=15) using ELISA. Total HSP27 was significantly lower in BAV compared to TAV patients (p=0.03), with no correlation in levels of phospho-HSP27 (S78/S82) (p=0.4). Western blots analysis showed a trend towards lower levels of phospho-HSP27 (S78) in BAV patients (p=0.07). Immunohistochemical analysis revealed that differences in HSP27 occur in the cytoplasma of VSMC's and not extracellularly. Alterations in HSP27 may give early evidence for intracellular differences in aortic aneurysm of patients with BAV and TAV. Whether HSP27 and the defined phosphoproteins have a specific role in BAV associated aortic dilatation remains to be elucidated.

Proteomic analysis in aortic media of patients with Marfan syndrome reveals increased activity of calpain 2 in aortic aneurysms

BACKGROUND: Marfan syndrome (MFS) is a heritable disorder of connective tissue, affecting principally skeletal, ocular, and cardiovascular systems. The most life-threatening manifestations are aortic aneurysm and dissection. We investigated changes in the proteome of aortic media in patients with and without MFS to gain insight into molecular mechanisms leading to aortic dilatation. METHODS AND RESULTS: Aortic samples were collected from 46 patients. Twenty-two patients suffered from MFS, 9 patients had bicuspid aortic valve, and 15 patients without connective tissue disorder served as controls. Aortic media was isolated and its proteome was analyzed in 12 patients with the use of 2-dimensional difference gel electrophoresis and mass spectrometry. We found higher amounts of filamin A C-terminal fragment, calponin 1, vinculin, microfibril-associated glycoprotein 4, and myosin-10 heavy chain in aortic media of MFS aneurysm samples than in controls. Regulation of filamin A C-terminal fragmentation was validated in all patient samples by immunoblotting. Cleavage of filamin A and the calpain substrate spectrin was increased in the MFS and bicuspid aortic valve groups. Extent of cleavage correlated positively with calpain 2 expression and negatively with the expression of its endogenous inhibitor calpastatin. CONCLUSIONS: Our observation demonstrates for the first time upregulation of the C-terminal fragment of filamin A in dilated aortic media of MFS and bicuspid aortic valve patients. In addition, our results present evidence that the cleavage of filamin A is highly likely the result of the protease calpain. Increased calpain activity might explain, at least in part, histological alterations in dilated aorta.

Focal adhesion kinase is a load-dependent governor of the slow contractile and oxidative muscle phenotype

Striated muscle exhibits a pronounced structural-functional plasticity in response to chronic alterations in loading. We assessed the implication of focal adhesion kinase (FAK) signalling in mechano-regulated differentiation of slow-oxidative muscle. Load-dependent consequences of FAK signal modulation were identified using a multi-level approach after electrotransfer of rat soleus muscle with FAK-expression plasmid vs. empty plasmid-transfected contralateral controls. Muscle fibre-targeted over-expression of FAK in anti-gravitational muscle for 9 days up-regulated transcript levels of gene ontologies underpinning mitochondrial metabolism and contraction in the transfected belly portion. Concomitantly, mRNA expression of the major fast-type myosin heavy chain (MHC) isoform, MHC2A, was reduced. The promotion of the slow-oxidative expression programme by FAK was abolished after co-expression of the FAK inhibitor FAK-related non-kinase (FRNK). Elevated protein content of MHC1 (+9%) and proteins of mitochondrial respiration (+165-610%) with FAK overexpression demonstrated the translation of transcript differentiation in targeted muscle fibres towards a slow-oxidative muscle phenotype. Coincidentally MHC2A protein was reduced by 50% due to protection of muscle from de-differentiation with electrotransfer. Fibre cross section in FAK-transfected muscle was elevated by 6%. The FAK-modulated muscle transcriptome was load-dependent and regulated in correspondence to tyrosine 397 phosphorylation of FAK. In the context of overload, the FAK-induced gene expression became manifest at the level of contraction by a slow transformation and the re-establishment of normal muscle force from the lowered levels with transfection. These results highlight the analytic power of a systematic somatic transgene approach by mapping a role of FAK in the dominant mechano-regulation of muscular motor performance via control of gene expression.

Dynamic patterns of ventricular remodeling and apoptosis in hearts unloaded by heterotopic transplantation

BACKGROUND Mechanical unloading of failing hearts can trigger functional recovery but results in progressive atrophy and possibly detrimental adaptation. In an unbiased approach, we examined the dynamic effects of unloading duration on molecular markers indicative of myocardial damage, hypothesizing that potential recovery may be improved by optimized unloading time. METHODS Heterotopically transplanted normal rat hearts were harvested at 3, 8, 15, 30, and 60 days. Forty-seven genes were analyzed using TaqMan-based microarray, Western blot, and immunohistochemistry. RESULTS In parallel with marked atrophy (22% to 64% volume loss at 3 respectively 60 days), expression of myosin heavy-chain isoforms (MHC-α/-β) was characteristically switched in a time-dependent manner. Genes involved in tissue remodeling (FGF-2, CTGF, TGFb, IGF-1) were increasingly upregulated with duration of unloading. A distinct pattern was observed for genes involved in generation of contractile force; an indiscriminate early downregulation was followed by a new steady-state below normal. For pro-apoptotic transcripts bax, bnip-3, and cCasp-6 and -9 mRNA levels demonstrated a slight increase up to 30 days unloading with pronunciation at 60 days. Findings regarding cell death were confirmed on the protein level. Proteasome activity indicated early increase of protein degradation but decreased below baseline in unloaded hearts at 60 days. CONCLUSIONS We identified incrementally increased apoptosis after myocardial unloading of the normal rat heart, which is exacerbated at late time points (60 days) and inversely related to loss of myocardial mass. Our findings suggest an irreversible detrimental effect of long-term unloading on myocardium that may be precluded by partial reloading and amenable to molecular therapeutic intervention.

Creatine supports propagation and promotes neuronal differentiation of inner ear progenitor cells

Long-term propagation of inner ear-derived progenitor/stem cells beyond the third generation and differentiation into inner ear cell types has been shown to be feasible, but challenging. We investigated whether the known neuroprotective guanidine compound creatine (Cr) promotes propagation of inner ear progenitor/stem cells as mitogen-expanded neurosphere cultures judged from the formation of spheres over passages. In addition, we studied whether Cr alone or in combination with brain-derived neurotrophic factor (BDNF) promotes neuronal differentiation of inner ear progenitors. For this purpose, early postnatal rat spiral ganglia, utricle, and organ of Corti-derived progenitors were grown as floating spheres in the absence (controls) or presence of Cr (5 mM) from passage 3 onward. Similarly, dissociated sphere-derived cultures were differentiated for 14 days in the presence or absence of Cr (5 mM) and spiral ganglia sphere-derived cultures in a combination of Cr with the neurotrophin BDNF (50 ng/ml). We found that the cumulative total number of spheres over all passages was significantly higher after Cr supplementation as compared with controls in all the three inner ear cultures. In contrast, sphere sizes were not affected by the administration of Cr. Administration of Cr during differentiation of spiral ganglia cells resulted in a significantly higher density of β-III-tubulin-positive cells compared with controls, whereas densities of myosin VIIa-positive cells in cultures of utricle and organ of Corti were not affected by the treatment. Importantly, a combination of Cr with the neurotrophin BDNF resulted in further significantly increased densities of β-III-tubulin-positive cells in cultures of spiral ganglia cells as compared with single treatments. In sum, Cr promoted continuing propagation of rat inner ear-derived progenitor cells and supported specifically in combination with BDNF the differentiation of neuronal cell types from spiral ganglion-derived spheres.

Ezrin/Radixin/Moesin proteins and flotillins cooperate to promote uropod formation in T cells

T cell uropods are enriched in specific proteins including adhesion receptors such as P-selectin glycoprotein ligand-1 (PSGL-1), lipid raft-associated proteins such as flotillins and ezrin/radixin/moesin (ERM) proteins which associate with cholesterol-rich raft domains and anchor adhesion receptors to the actin cytoskeleton. Using dominant mutants and siRNA technology we have tested the interactions among these proteins and their role in shaping the T cell uropod. Expression of wild type (WT) ezrin-EGFP failed to affect the morphology of human T cells or chemokine-induced uropod recruitment of PSGL-1 and flotillin-1 and -2. In contrast, expression of constitutively active T567D ezrin-EGFP induced a motile, polarized phenotype in some of the transfected T cells, even in the absence of chemokine. These cells featured F-actin-rich ruffles in the front and uropod enrichment of PSGL-1 and flotillins. T567D ezrin-EGFP was itself strongly enriched in the rear of the polarized T cells. Uropod formation induced by T567D ezrin-EGFP was actin-dependent as it was attenuated by inhibition of Rho-kinase or myosin II, and abolished by disruption of actin filaments. While expression of constitutively active ezrin enhanced cell polarity, expression of a dominant-negative deletion mutant of ezrin, 1-310 ezrin-EGFP, markedly reduced uropod formation induced by the chemokine SDF-1, T cell front-tail polarity, and capping of PSGL-1 and flotillins. Transfection of T cells with WT or T567D ezrin did not affect chemokine-mediated chemotaxis whereas 1-310 ezrin significantly impaired spontaneous 2D migration and chemotaxis. siRNA-mediated downregulation of flotillins in murine T cells attenuated moesin capping and uropod formation, indicating that ERM proteins and flotillins cooperate in uropod formation. In summary, our results indicate that activated ERM proteins function together with flotillins to promote efficient chemotaxis of T cells by structuring the uropod of migrating T cells.