Intrinsic uncoupling in the ATP synthase of Escherichia coli. Studies on WT and ε-truncated mutants

The H+/ATP ratio in the catalysis of ATP synthase has generally been considered a fixed parameter. However, Melandri and coworkers have recently shown that, in the ATP synthase of the photosynthetic bacterium Rb.capsulatus, this ratio can significantly decrease during ATP hydrolysis when the concentration of either ADP or Pi is maintained at a low level (Turina et al., 2004). The present work has dealt with the ATP synthase of E.coli, looking for evidence of this phenomenon of intrinsic uncoupling in this organism as well. First of all, we have shown that the DCCD-sensitive ATP hydrolysis activity of E.coli internal membranes was strongly inhibited by ADP and Pi, with a half-maximal effect in the submicromolar range for ADP and at 140 µM for Pi. In contrast to this monotonic inhibition, however, the proton pumping activity of the enzyme, as estimated under the same conditions by the fluorescence quenching of the ΔpH-sensitive probe ACMA, showed a clearly biphasic progression, both for Pi, increasing from 0 up to approximately 200 µM, and for ADP, increasing from 0 up to a few µM. We have interpreted these results as indicating that the occupancy of ADP and Pi binding sites shifts the enzyme from a partially uncoupled state to a fully coupled state, and we expect that the ADP- and Pi-modulated intrinsic uncoupling is likely to be a general feature of prokaryotic ATP synthases. Moreover, the biphasicity of the proton pumping data suggested that two Pi binding sites are involved. In order to verify whether the same behaviour could be observed in the isolated enzyme, we have purified the ATP synthase of E.coli and reconstituted it into liposomes. Similarly as observed in the internal membrane preparation, in the isolated and reconstituted enzyme it was possible to observe inhibition of the hydrolytic activity by ADP and Pi (with half-maximal effects at few µM for ADP and at 400 µM for Pi) with a concomitant stimulation of proton pumping. Both the inhibition of ATP hydrolysis and the stimulation of proton pumping as a function of Pi were lost upon ADP removal by an ADP trap. These data have made it possible to conclude that the results obtained in E.coli internal membranes are not due to the artefactual interference of enzymatic activities other than the ones of the ATP synthase. In addition, data obtained with liposomes have allowed a calibration of the ACMA signal by ΔpH transitions of known extent, leading to a quantitative evaluation of the proton pumping data. Finally, we have focused our efforts on searching for a possible structural candidate involved in the phenomenon of intrinsic uncoupling. The ε-subunit of the ATP-synthase is known as an endogenous inhibitor of the hydrolysis activity of the complex and appears to undergo drastic conformational changes between a non-inhibitory form (down-state) and an inhibitory form (up-state)(Rodgers & Wilce, 2000; Gibbons et al., 2000). In addition, the results of Cipriano & Dunn (2006) indicated that the C-terminal domain of this subunit played an important role in the coupling mechanism of the pump, and those of Capaldi et al. (2001), Suzuki et al. (2003) were consistent with the down-state showing a higher hydrolysis-to-synthesis ratio than the up-state. Therefore, we decided to search for modulation of pumping efficiency in a C-terminally truncated ε mutant. A low copy number expression vector has been built, carrying an extra copy of uncC, with the aim of generating an ε-overexpressing E.coli strain in which normal levels of assembly of the mutated ATP-synthase complex would be promoted. We have then compared the ATP hydrolysis and the proton pumping activity in membranes prepared from these ε-overexpressing E.coli strains, which carried either the WT ε subunit or the ε88-stop truncated form. Both strains yielded well energized membranes. Noticeably, they showed a marked difference in the inhibition of hydrolysis by Pi, this effect being largely lost in the truncated mutant. However, pre-incubation of the mutated enzyme with ADP at low nanomolar concentrations (apparent Kd = 0.7nM) restored the hydrolysis inhibition, together with the modulation of intrinsic uncoupling by Pi, indicating that, contrary to wild-type, during membrane preparation the truncated mutant had lost the ADP bound at this high-affinity site, evidently due to a lower affinity (and/or higher release) for ADP of the mutant relative to wild type. Therefore, one of the effects of the C-terminal domain of ε appears to be to modulate the affinity of at least one of the binding sites for ADP. The lack of this domain does not appear so much to influence the modulability of coupling efficiency, but instead the extent of this modulation. At higher preincubated ADP concentrations (apparent Kd = 117nM), the only observed effects were inhibition of both hydrolysis and synthesis, providing a direct proof that two ADP-binding sites on the enzyme are involved in the inhibition of hydrolysis, of which only the one at higher affinity also modulates the coupling efficiency.

Reinigung der Vinorin-Synthase aus Zellkulturen von Rauvolfia serpentina

Abstrakt - DeutschThema: Reinigung der Vinorin-Synthase aus Zellkulturen von Rauvolfia serpentina Die Arbeit befaßte sich mit der Reinigung und Charakterisierung des Enzyms Vinorin-Synthase aus Zellkulturen von Rauvolfia serpentina. Dieses Acetyl-Coenzym-A-abhängige Enzym katalysiert im Biosyntheseweg des Alkaloids Ajmalin die Umwandlung von 16-epi-Vellosimin zu Vinorin. Mit Hilfe eines neu entwickelten Enzymaktivitätstests ist eine einfache und schnelle qualitative sowie quantitative Bestimmung der Aktivität der Vinorin-Synthase möglich. Das Molekulargewicht der Vinorin-Synthase wurde durch Größenausschlußchromatographie an Superdex 75 zu 43 kD ermittelt. Das entwickelte Reinigungsschema mit den vier säulenchromatographischen Reinigungsschritten Anionenaustauschchromatographie an SOURCE 30Q, Chromatographie an Hydroxyapatit, Anionenaustauschchromatographie an Mono Q und Chromatofokussierung an Mono P führte zu einer 340fachen Anreicherung der Vinorin-Synthase. Das nach der Reinigung durchgeführten gelelektrophoretischen Untersuchungen ermöglichten keine Zuordnung einer Bande zur Bande der Vinorin-Synthase. Mögliche Ursachen für die Nichtzuordnung einer Bande im SDS-Gel zur Vinorin-Synthase sind in einer möglichen Überlagerung eines Fremdprotein mit der Vinorin-Synthase, eine niedrige Expression der Vinorin-Synthase, die eine deutlich bessere Anreicherung erfordern würde oder der Aufbau des Proteins aus Untereinheiten, in die es während der Behandlung mit SDS zerfällt, gegeben.

Untersuchungen zur Expression und Funktion intrazellulärer Globine

Im Rahmen meiner Dissertation untersuchte ich die intrazelluläre Lokalisation des Hämoglobin von Drosophila melanogaster, sowie von Neuroglobin und Cytoglobin der Vertebraten. Obwohl alle drei Globine erst kürzlich entdeckt wurden, liegen bereits Daten über ihre Struktur, ihre biochemischen Eigenschaften und die Lokalisation der mRNA vor. Ihre Funktionen konnten bisher jedoch nicht eindeutig geklärt werden. Das Globin von Drosophila melanogaster konnte mittels Westernblot sowohl in Larven als auch adulten Fliegen nachgewiesen werden. Ebenso war es mir möglich, mittels Immunperoxidaseuntersuchungen die Tracheen, die Terminalzellen der Tracheolen sowie die Fettkörperzellen als Ort der Globinexpression in Drosophila zu identifizieren. Diese Daten deuten darauf hin, dass dieses Globin eine Funktion als Sauerstoffpuffer, der sowohl Sauerstoff speichert als auch transportiert, hin. Damit würde das Drosophila Globin eine zu anderen Insektenglobinen vergleichbare Funktion übernehmen. Zum ersten Mal konnte gezeigt werden, dass Neuroglobin auch in der neuronalen Netzhaut von Säugern und Fischen vorkommt. Des Weiteren konnte Neuroglobin in der Retina zellulär sowie subzellulär lokalisiert werden. In der avaskulären Mäuseretina wurde Neuroglobin neben den Innensegmenten der Photorezeptorzellen, auch noch in den beiden plexiformen Schichten sowie in der Ganglienzellschicht gefunden. Die gezeigte Kolokalisation dieses intrazellulären Globins mit Mitochondrien und somit auch mit den Orten des höchsten Sauerstoffbedarfs in der Retina deutet auf eine Funktion im Sauerstofftransport zu den Mitochondrien hin. Des Weiteren könnte Neuroglobin auch als Sauerstoffspeicher dienen, der es Neuronen ermöglicht, kurzfristige hypoxische Bedingungen unbeschadet zu überstehen. Andere mögliche Funktionen wie z.B. die als Detoxifizierer von reaktiven Sauerstoff- bzw. Sickstoffverbindungen, als Sauerstoffsensor, sowie als terminale Oxidase erscheinen durch die gezeigten Daten eher unwahrscheinlich. Die bisherige Annahme, dass Cytoglobin ein ubiquitär exprimiertes Protein ist, konnte von mir nicht bestätigt werden. Für nichtneuronale Gewebe konnte gezeigt werden, dass Cytoglobin lediglich auf das Cytoplasma von Fibroblasten und ontogenetisch verwandte Zelltypen wie Osteoblasten, Chondroblasten und Sternzellen beschränkt ist. Möglicherweise hat Cytoglobin dort eine Funktion in der Kollagensynthese. Ferner wird Cygb cytoplasmatisch und nukleär in einigen Neuronen der Retina und des Gehirns exprimiert. Dort könnte Cygb z.B. nukleäre Enzyme wie die NO-Synthase mit Sauerstoff versorgen. Andere Funktionen scheinen aufgrund meiner Daten im Moment unwahrscheinlich.

Nukleation pflanzlicher Mikrotubuli: Expression relevanter Gene

Die wichtigsten Bestandteile des Cytoskeletts in pflanzlichen Zellen sind die Actinfilamente und die Mikrotubuli. Die Mikrotubuli spielen in der Organisation und der Morphogenese von pflanzlichen Zellen eine wichtige Rolle. Sie sind zusammen mit den Cellulosefibrillen an der Formgebung der Pflanzenzelle beteiligt. Sie bilden das Präprophaseband, das die Zellteilungsebene bestimmt und die Mitosespindel, die für die Trennung der Chromosomen sorgt, sowie den Phragmoplasten, der die Zellwand zwischen den Tochterzellen bildet. Weiterhin geben die Mikrotubuli durch Interaktion mit den Cellulose-Synthase-Komplexen die Richtung der Zellexpansion vor (GRANGER und CYR, 2001; LLOYD und CHAN, 2002; BASKIN, 2002). Die Mikrotubuli sind auch an der Stabilisierung der Zellform und an Transportprozessen beteiligt. Als Bestandteil der Mikrotubuli-organisierenden Zentren (MTOCs) wurde das γ-Tubulin identifiziert, das sehr wahrscheinlich an der Nukleation der Mikrotubuli beteiligt ist, indem es die Assemblierung der αβ-Tubulindimere zu Mikrotubuli einleitet. In tierischen Zellen ist durch intensive Forschung inzwischen relativ viel über die Funktion von γ-Tubulin, vor allem im Verlauf der Zellteilung bekannt, wie z. B. die Lokalisation in Centrosomen mit ihren paarweise angeordneten Centriolen, die die MTOCs darstellen. In pflanzlichen Zellen sind bisher nur wenige Funktionen des Proteins hinreichend geklärt. Die höheren Pflanzen besitzen keine Centriolen und keine Centrosomen. Über die Zellteilung hinaus gibt es kaum Anhaltspunkte über das Vorhandensein oder eventuelle Aufgaben von γ-Tubulin in expandierenden und voll expandierten Zellkulturen und Pflanzengeweben. In dieser Arbeit wurde die Expression über PCR und die Messung des Proteingehalts von cytoskelett-relevanten Proteinen in den Entwicklungsstadien der Zellsuspensionskultur (BY-2) und von Blattstadien der Tabakpflanze (SR1) von Nicotiana tabacum gemessen. Primäres Ziel war es eine Aussage zu erhalten, in welchem Ausmaß γ-Tubulin in expandierenden und voll expandierten Zellen noch exprimiert wird und ob bzw. wie eine Regulation (transkriptionell oder posttranskriptionell) des γ-Tubulins in der Pflanze stattfindet. Für den Nachweis des γ-Tubulins auf der Proteinebene wurde ein pflanzenspezifischer γ-Tubulin Antikörper zu entwickelt. Bei diesem Antikörper handelte es sich um einen polyklonalen Antikörper, der spezifisch gegen eine Sequenz in pflanzlichem γ-Tubulin gerichtet ist. Dabei zeigte der in der Arbeit entwickelte Antikörper gegen die pflanzliche JOSHI-Domäne spezifische Signale. Der erfolgte Nachweis von γ-Tubulin auf der Proteinebene und der Transkripte zeigte bis in die ältesten untersuchten Stadien der Zellsuspensionskultur (BY-2) und in Geweben der Blattstadien der Tabakpflanze (SR1) deutliche Signale für γ-Tubulin. Es war somit nicht nur in meristematisch aktiven Zellen und Geweben von Nicotiana tabacum, sondern auch in nichtmitotischen Zellen und Geweben vorhanden. Hierbei war über die Phasen der Zellteilung und der Zellformgebung hinweg auf beiden Ebenen eine parallele Entwicklung mit relativ konstanten starken Signalen zu beobachten. Nach dem Einstellen der Teilungsaktivität fiel der Gehalt an mRNA deutlich ab. Dabei nahm die Konzentration des Proteins im Vergleich zur mRNA zeitlich verzögert ab. Diese Ergebnisse bei der Zellsuspensionskultur (BY-2) und Tabakpflanze (SR1) gehen mit der möglichen Nukleationstätigkeit des Proteins konform. Es waren geringere aber doch deutlichen Signale bei Absterbenden Zellen der Zellkultur, bzw. bei expandierenden und voll expandierten und seneszenten Blättern der Tabakpflanze (SR1) nachzuweisen. Dies lässt die Folgerung zu, dass die nachgewiesene mRNA von γ-Tubulin nicht posttranskriptionell reguliert wird, sondern dass das γ-Tubulin auch eine wichtige Rolle außerhalb der Zellteilung in den postmitotischen Stadien, z. B. als organisierender Faktor bei der Umgestaltung oder Stabilisierung des Mikrotubuli-Cytoskeletts, spielt. Der γ-Tubulin-Gehalt in den Geweben der SR1-Pflanze zeigte über die Zellkultur hinaus, dass die Expression von α-Tubulin nach Einstellen der Teilungsaktivität kontinuierlich abnimmt. Dieses Ergebnis legt die Vermutung nahe, dass γ-Tubulin in älteren Blattgeweben zusätzliche Aufgaben übernehmen könnte, die nicht auf eine gleichzeitige Expression von α-Tubulin angewiesen sind. So kann beispielsweise eine Beteiligung von γ-Tubulin an der Stabilisierung der Mikrotubuli, und damit einhergehend eine Abnahme der dynamischen Instabilität dieser Filamente, eine denkbare Funktion des Proteins in expandierendem und voll expandiertem Gewebe sein. Die Aufgaben von γ-Tubulin in sehr altem Gewebe mit deutlichen Anzeichen der Seneszenz können allerdings nach dem derzeitigen Stand der Forschung nicht eindeutig beantwortet werden und bedürfen weitergehenden Untersuchungen, da dadurch ein die Komplexität und die Dynamik des pflanzlichen Cytoskeletts geklärt werden kann.

Effects of glucocorticoids on vascular NADPH oxidases and endothelial NO synthase

Glukokortikoide (GCs) stellen wichtige Hormone in der Regulation der metabolischen Homöostase dar. Synthetische GCs, wie Dexamethasone (DEX), spielen eine essentielle Rolle in der Behandlung inflammatorischer Krankheiten. Jedoch sind unter einer Dexamethason-Therapie zahlreiche Nebenwirkungen bekannt, so z.B. auch die Entwicklung einer Hypertonie, in deren Pathogenese oxidativer Stress eine entscheidende Rolle spielt. Obwohl sich in den vergangenen Jahren zahlreiche Studien zum Ziel setzten die GC-induzierte Hypertonie (GC-HT) aufzuklären, sind die genauen Mechanismen bis heute unklar. Eine erhöhte Expression von NADPH Oxidasen (Nox) und eine Entkopplung der endothelialen NO Synthase (eNOS), die Hauptquellen reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) im vaskulären System, tragen maßgeblich zur Pathogenese kardiovaskulärer Erkrankungen bei. Daher ist eine Beteiligung dieser Enzyme in GC-induziertem oxidativen Stress sehr wahrscheinlich. Folglich wurde die Hypothese aufgestellt, dass NADPH Oxidasen und eine entkoppelte eNOS die vielversprechendsten unter den zahlreichen involvierten pro- und anti-oxidativen Enzymen sind. Mit Fokus auf die oben genannten Systeme wurde in der vorliegenden Studie der Effekt von DEX mit Hilfe von in vivo (WKY Ratten) ebenso wie in vitro Experimenten (A7r5 und EA.hy 926 Zellen) untersucht. Dabei zeigte sich, dass Nox1, Nox4 und p22phox durch DEX unterschiedlich reguliert wurden. Nox1 wurde hoch-, Nox4 hingegen herunterreguliert, während p22phox unverändert blieb. Die Modufikation schien hierbei auf transkriptioneller und post-transkriptioneller Ebene stattzufinden. Durch die gegensätzliche Regulation von Nox1 und Nox4 bleibt die Nettowirkung der verschiedenen Nox Isoformen unklar. Immer mehr Studien bringen vaskulären oxidativen Stress mit der Pathogenese einer GC-HT in Zusammenhang, welche letztendlich zu einer verminderten Bioverfügbarkeit von Stickstoffmonoxid (NO) führt. Durch die eNOS produziertes NO stellt einen essentiellen Schutzfaktor der Blutgefäße dar. Eine verminderte NO-Bioverfügbarkeit könnte die Folge einer eNOS-Entkopplung darstellen, ausgelöst durch oxidativen Stress. Da die Verfügbarkeit von Tetrahydrobiopterin (BH4) entscheident ist für die Aktivität und enzymatische Kopplung der eNOS, beschäftigt sich die vorliegende Arbeit mit GC-induzierten Veränderungen in der BH4-Versorgung. Die Behandlung von EA.hy 926 Zellen mit DEX führte zu einer zeit- und konzentrationsabhängigen Herunterregulation von eNOS auf mRNA- und Proteinebene. Gleichzeitig wurde die Phosphorylierung an Serine1177 vermindert. Als maßgeblicher “Kopplungs-Schalter” kann BH4 endogen über zwei verschiedene Signalwege synthetisiert werden, welche durch die Enzyme GCH1 und DHFR reguliert werden. DEX führte zu einer zeit- und konzentrationsabhängigen Herunterregulation von BH4, BH2 und Biopterin, wobei ebenso das BH4 / BH2 -Verhältnis vermindert wurde. Beide Enzyme, GCH1 genauso wie DHFR, wurden auf mRNA- und Proteinebene herunterreguliert, was auf einen Effekt von GCs auf beide rnBH4-produzierenden Signalwege schließen lässt. Nach Behandlung mit DEX wurde die Produktion von NO in Endothelzellen maßgeblich vermindert. In ROS-Messungen zeigte sich eine Tendenz hin zu einer eNOS-Entkopplung, jedoch war es mit unserem experimentellen Aufbau nicht möglich, diese endgültig zu beweisen.rnZusammenfassend lässt sich sagen, dass die Behandlung mit GCs zu Veränderungen in beiden untersuchten Systemen, den NADPH Oxidasen ebenso wie dem eNOS-NO System, führte. DEX erhöhte die Expression von Nox1 in glatten Muskelzellen und reduzierte die Nox4-Expression in Endothelzellen. Gleichzeitig verminderte DEX die Verfügbarkeit von BH4 und inhibierte die Phosphorylierung / Aktivität von eNOS. Mithilfe weiterer Studien muss die endgültige Beteiligung von NADPH Oxidasen und einer eNOS-Entkopplung an oxidativem Stress in GC-HT abschließend aufgeklärt werden.rn

Analysen zur Expression proinflammatorischer Mediatoren in humanen Zellkulturmodellen und murinen Tiermodellen chronisch-inflammatorischer Erkrankungen

Die humane induzierbare NO-Synthase (iNOS) spielt bei zahlreichen Erkrankungen wie Asthma, Krebs und der rheumatoiden Arthritis eine entscheidende Rolle. Durch Fehlregulation der iNOS-Expression kommt es häufig zu massiven Gewebeschädigungen. Aus diesem Grund ist es wichtig die Mechanismen der Genregulation der iNOS-Expression zu verstehen. Bei Affinitätschromatographie-Analysen wurde das zytosolische PolyA-bindende Protein (PABP) als direkter Interaktionspartner der 3´UTR der humanen iNOS identifiziert. Weitere Bindungsanalysen konnten eine spezifische Bindestelle für PABP in der 5´UTR und zwei Bindestellen im AU-reichen Bereich der 3´UTR der humanen iNOS nachweisen. Eine siRNA-mediierte Herabregulation von PABP mit Hilfe der stabilen Expression spezifischer siRNAs in DLD-1 Zellen (siPABP Zellen) zeigte eine signifikant verringerte Expression der humanen iNOS und damit einhergehend eine verringerte NO-Produktion nach Zytokinstimulation. Promotoranalysen zeigten keine Veränderung der Induzierbarkeit des humanen 16 kb iNOS-Promotors in siPABP Zellen. RNA-Stabilitätsanalysen zeigten einen verstärkten Abbau der iNOS-mRNA in diesen Zellen, so dass davon auszugehen ist, dass die Regulation der humanen iNOS über die mRNA-Stabilität erfolgt. Reportergen-Analysen mit Plasmiden, welche die 5’ und/oder 3’UTR Sequenzen der humanen iNOS mit den identifizierten PABP-Bindestellen oder Mutationen in diesen Bindestellen enthielten, zeigten, dass PABP die iNOS-mRNA über die 5´UTR stabilisiert und anscheinend über die 3´UTR einen destabilisierenden Effekt auf die mRNA ausübt. Ebenfalls scheint PABP über die 3’UTR dieTranslation der iNOS mRNA zu hemmen. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass PABP, über seine allgemeinen Funktionen hinaus, eine spezifische Rolle in der Regulation der Expression der humanen iNOS einnimmt.rnDie rheumatoide Arthritis (RA) ist eine chronisch entzündliche Autoimmunerkrankung, welche überwiegend die peripheren Gelenke der Hände und Füße betrifft. Die aktuellen Therapiemöglichkeiten sind immer noch mit einer Vielzahl von Nebenwirkungen behaftet und führen nicht zur vollständigen Remission der Erkrankung, so dass die Entwicklung neuer Medikamente unerlässlich ist. In dieser Arbeit wurden die antiinflammatorischen Substanzen Gallielalacton (Gal) und Oxacyclododecindion (Oxa) im Mausmodell der kollagen-induzierten Arthritis (CIA) getestet. Leider waren beide Substanzen nicht in der Lage die Symptome der CIA zu vermindern, obwohl beide im Modell der LPS-induzierten akuten Entzündung die Expression proinflammatorischer Mediatoren senken konnten. Die Substanz S-Curvularin (SC) hat sich im CIA-Modell bereits bewährt und wurde in dieser Arbeit weiter untersucht. SC war in der Lage die Expression knorpel- und knochendestruktiver Markergene signifikant zu verrindern. rnIn der vorliegenden Arbeit wurden neue microRNAs identifiziert, die in der Pathogenese der CIA eine Dysregulation zeigen. Die Expression dieser microRNAs wurde von SC wieder auf das Normalniveau gebracht, so dass SC eine vielversprechende Substanz in der Therapie chronisch inflammatorische Erkrangungen sein könnte. Die neu identifizierten CIA-relevanten microRNAs könnten als neueRA-Marker oder als Zielstrukturen für neue Medikamente dienen.rn

Gene expression responses to acute and chronic heat stress in the common reef-building coral Pocillopora verrucosa

Global climate change is impacting coral reefs worldwide, with approximately 19% of reefs being permanently degraded, 15% showing symptoms of imminent collapse, and 20% at risk of becoming critically affected in the next few decades. This alarming level of reef degradation is mainly due to an increase in frequency and intensity of natural and anthropogenic disturbances. Recent evidence has called into question whether corals have the capacity to acclimatize or adapt to climate changes and some groups of corals showed inherent physiological tolerance to environmental stressors. The aim of the present study was to evaluate mRNA expression patterns underlying differences in thermal tolerance in specimen of the common reef-building coral Pocillopora verrucosa collected at different locations in Bangka Island waters (North Sulawesi, Indonesia). Part of the experimental work was carried out at the CoralEye Reef Research Outpost (Bangka Island). This includes sampling of corals at selected sites and at different depths (3 and 12 m) as well as their experimental exposure to an increased water temperature under controlled conditions for 3 and 7 days. Levels of mRNAs encoding ATP synthase (ATPs) NADH dehydrogenase (NDH) and a 70kDa Heat Shock Protein (HSP70) were evaluated by quantitative real time PCR. Transcriptional profiles evaluated under field conditions suggested an adaptation to peculiar local environmental conditions in corals collected at different sites and at the low depth. Nevertheless, high–depth collected corals showed a less pronounced site-to-site separation suggesting more homogenous environmental conditions. Exposure to an elevated temperature under controlled conditions pointed out that corals adapted to the high depth are more sensitive to the effects of thermal stress, so that reacted to thermal challenge by significantly over-expressing the selected gene products. Being continuously exposed to fluctuating environmental conditions, low-depth adapted corals are more resilient to the stress stimulus, and indeed showed unaffected or down-regulated mRNA expression profiles. Overall these results highlight that transcriptional profiles of selected genes involved in cellular stress response are modulated by natural seasonal temperature changes in P. verrucosa. Moreover, specimens living in more variable habitats (low-depth) exhibit higher basal HSP70 mRNA levels, possibly enhancing physiological tolerance to environmental stressors.

Elevated level of metabotropic glutamate receptor 2/3 in the prefrontal cortex in major depression

Clinical, postmortem and preclinical research strongly implicates dysregulation of glutamatergic neurotransmission in major depressive disorder (MDD). Recently, metabotropic glutamate receptors (mGluRs) have been proposed as attractive targets for the discovery of novel therapeutic approaches against depression. The aim of this study was to examine mGluR2/3 protein levels in the prefrontal cortex (PFC) from depressed subjects. In addition, to test whether antidepressants influence mGluR2/3 expression we also studied levels of mGluR2/3 in fluoxetine-treated monkeys. Postmortem human prefrontal samples containing Brodmann's area 10 (BA10) were obtained from 11 depressed and 11 psychiatrically healthy controls. Male rhesus monkeys were treated chronically with fluoxetine (dose escalated to 3mg/kg, p.o.; n=7) or placebo (n=6) for 39 weeks. The mGluR2/3 immunoreactivity was investigated using Western blot method. There was a robust (+67%) increase in the expression of the mGlu2/3 protein in the PFC of depressed subjects relative to healthy controls. The expression of mGlu2/3 was unchanged in the PFC of monkeys treated with fluoxetine. Our findings provide the first evidence that mGluR2/3 is elevated in the PFC in MDD. This observation is consistent with reports showing that mGluR2/3 antagonists exhibit antidepressant-like activity in animal models and demonstrates that these receptors are promising targets for the discovery of novel antidepressants.

The beta-isoform of neuronal nitric oxide synthase (nNOS) lacking the PDZ domain is localized at the sarcolemma

In skeletal muscles, the expression of neuronal NO synthase (nNOS) isoforms is uncharacterized at the protein level. We therefore conducted epitope mapping with anti-peptide-antibodies. Antibodies specific for the nNOS N-terminus recognized the 160-kDa alpha-isoform. In contrast, antibodies against the middle portion or the C-terminus of nNOS bound additionally to the truncated 140-kDa beta-isoform which lacks the PDZ-domain present in the alpha-isoform. All nNOS immunohistochemical reactivity was confined to the sarcolemma. Consistently, immunoblotting disclosed both nNOS-isoforms to be co-enriched in the membrane-associated fractions. The beta-isoform was co-immunoprecipitated with alpha-isoform antibodies in muscle extracts indicating an association of both nNOS-isoforms to direct the beta-variant to the sarcolemma.

Reduced metabotropic glutamate receptor 5 density in major depression determined by [(11)C]ABP688 PET and postmortem study

Clinical and preclinical evidence suggests a hyperactive glutamatergic system in clinical depression. Recently, the metabotropic glutamate receptor 5 (mGluR5) has been proposed as an attractive target for novel therapeutic approaches to depression. The goal of this study was to compare mGluR5 binding (in a positron emission tomography [PET] study) and mGluR5 protein expression (in a postmortem study) between individuals with major depressive disorder and psychiatrically healthy comparison subjects.

Plasma leptin and mRNA expression of lipogenesis and lipolysis-related factors in bovine adipose tissue around parturition

The objective was to study changes in plasma leptin concentration parallel to changes in the gene expression of lipogenic- and lipolytic-related genes in adipose tissue of dairy cows around parturition. Subcutaneous fat biopsies were taken from 27 dairy cows in week 8 antepartum (a.p.), on day 1 postpartum (p.p.) and in week 5 p.p. Blood samples were assayed for concentrations of leptin and non-esterified fatty acids (NEFA). Subcutaneous adipose tissue was analysed for mRNA abundance by real-time qRT-PCR encoding for leptin, adiponectin receptor 1 (AdipoR1), adiponectin receptor 2 (AdipoR2), hormones-sensitive lipase (HSL), perilipin (PLIN), lipoprotein lipase (LPL), acyl-CoA synthase long-chain family member 1 (ACSL1), acetyl-CoA carboxylase (ACC), fatty acid synthase (FASN) and glycerol-3-phosphate dehydrogenase 2 (GPD2). Body weight and body condition score of the cows were lower after parturition than before parturition. The calculated energy balance was negative in week 1 and 5 p.p., with higher negative energy balance in week 1 p.p. compared with that in week 5 p.p. On day 1 p.p., highest concentrations of NEFA (353.3 mumol/l) were detected compared with the other biopsy time-points (210.6 and 107.7 mumol/l, in week 8 a.p., and week 5 p.p. respectively). Reduced plasma concentrations of leptin during p.p. when compared with a.p. would favour increasing metabolic efficiency and energy conservation for mammary function and reconstitution of body reserves. Lower mRNA abundance of ACC and FASN expression on day 1 p.p. compared with other biopsy time-points suggests an attenuation of fatty acid synthesis in subcutaneous adipose tissue shortly after parturition. Gene expression of AdipoR1, AdipoR2, HSL, PLIN, LPL, ACSL1 and GPD2 was unchanged over time.

Coordinated gene expression in adipose tissue and liver differs between cows with high or low NEFA concentrations in early lactation

Dairy cows with high and low plasma non-esterified fatty acid (NEFA) concentrations in early lactation were compared for plasma parameters and mRNA expression of genes in liver and subcutaneous adipose tissue. The study involved 16 multiparous dairy cows with a plasma NEFA concentration of >500 mumol/l [n = 8, high NEFA (HNEFA)] and <140 mumol/l [n = 8, low NEFA (LNEFA)] in the first week post-partum (pp). Blood samples, adipose and liver tissues were collected on day 1 (+1d) and at week 3 pp (+3wk). Blood plasma was assayed for concentrations of metabolites and hormones. Subcutaneous adipose and liver tissues were analysed for mRNA abundance by real-time qRT-PCR encoding parameters related to lipid metabolism. Results showed that mean daily milk yield and milk fat quantity were higher in HNEFA than in LNEFA cows (p < 0.01), and the NEB was more negative in HNEFA than in LNEFA in +3wk too (p < 0.05). HNEFA cows had slightly lower (p < 0.1) insulin concentrations than LNEFA cows across the study period, and the body condition score decreased more from +1d to +3wk in HNEFA than in LNEFA (p = 0.09). The mRNA abundance of genes in the liver related to fatty acid oxidation (carnitine palmitoyltransferase 2 and very long chain acyl-coenzyme A dehydrogenase) and ketogenesis (3-hydroxy-3-methylglutaryl-coenzyme A synthase 2) were lower in HNEFA than in LNEFA cows. No differences between the two groups were observed for mRNA expression of genes in adipose tissue. The number of calculated significant correlation coefficients (moderately strong) between parameters in the liver and in adipose tissue was nearly similar on +1d, and higher for HNEFA compared with LNEFA cows in +3wk. In conclusion, dairy cows with high compared with low plasma NEFA concentrations in early lactation show differentially synchronized mRNA expression of genes in adipose tissue and liver in +3wk that suggests a different orchestrated homeorhetic regulation of lipid metabolism.

An essential bacterial-type cardiolipin synthase mediates cardiolipin formation in a eukaryote

Cardiolipin is important for bacterial and mitochondrial stability and function. The final step in cardiolipin biosynthesis is catalyzed by cardiolipin synthase and differs mechanistically between prokaryotes and eukaryotes. To study the importance of cardiolipin synthesis for mitochondrial integrity, membrane protein complex formation, and cell proliferation in the human and animal pathogenic protozoan parasite, Trypanosoma brucei, we generated conditional cardiolipin synthase-knockout parasites. We found that cardiolipin formation in T. brucei procyclic forms is catalyzed by a bacterial-type cardiolipin synthase, providing experimental evidence for a prokaryotic-type cardiolipin synthase in a eukaryotic organism. Ablation of enzyme expression resulted in inhibition of de novo cardiolipin synthesis, reduction in cellular cardiolipin levels, alterations in mitochondrial morphology and function, and parasite death in culture. By using immunofluorescence microscopy and blue-native gel electrophoresis, cardiolipin synthase was shown to colocalize with inner mitochondrial membrane proteins and to be part of a large protein complex. During depletion of cardiolipin synthase, the levels of cytochrome oxidase subunit IV and cytochrome c1, reflecting mitochondrial respiratory complexes IV and III, respectively, decreased progressively.

Topical application of 17β-estradiol (E2) improves skin flap survival through activation of endothelial nitric oxide synthase in rats

This study investigates the influence of 17β-estradiol (E2) on nitric oxide (NO) production in endothelial cell cultures and the effect of topical E2 on the survival of skin flap transplants in a rat model. Human umbilical vein endothelial cells were treated with three different E2 concentrations and nitrite (NO2) concentrations, as well as endothelial nitric oxide synthase (eNOS) protein expressions were analyzed. In vivo, random-pattern skin flaps were raised in female Wistar rats 14 days following ovariectomy and treated with placebo ointment (group 1), E2 as gel (group 2), and E2 via plaster (group 3). Flap perfusion, survival, and NO2 levels were measured on postoperative day 7. In vitro, E2 treatment increased NO2 concentration in cell supernatant and eNOS expression in cell lysates (p < 0.05). In vivo, E2 treated (gel and plaster groups) demonstrated significantly increased skin flap survival compared to the placebo group (p < 0.05). E2 plaster-treated animals exhibited higher NO2 blood levels than placebo (p < 0.05) paralleling the in vitro observations. E2 increases NO production in endothelial cells via eNOS activation. Topical E2 application can significantly increase survival of ischemically challenged skin flaps in a rat model and may augment wound healing in other ischemic situations via activation of NO production.

Sensitivity to endothelin-1 is decreased in isolated livers of endothelial constitutive nitric oxide synthase knockout mice

ABSTRACT: BACKGROUND: Hepatic sinusoidal resistance is regulated by vasoactive factors including endothelin-1 (ET-1) and nitric oxide (NO). In the absence of NO, vasoconstrictor response to endothelin is expected to predominate. Therefore, we hypothesized sensitivity to endothelin to be increased in mice lacking the endothelial cell NO synthase gene. Response of vascular resistance to endothelin was assessed in the in situ perfused liver of endothelial constitutive nitric oxide synthase (ecNOS) knockout and wild type mice. Livers were also harvested for RNA and protein isolation for quantitative PCR and Western blotting, respectively. The expression of endothelin receptors, isoenzymes of NO synthase, heme-oxygenase and adrenomedullin was quantified. RESULTS: Endothelin increased hepatic vascular resistance in a dose-dependent manner in both strains; however, this increase was significantly less in ecNOS knockout mice at physiologic concentrations. Expression of heme-oxygenases and adrenomedullin was similar in both groups, whereas inducible nitric oxide synthase (iNOS) protein was not detectable in either strain. mRNA levels of pre-pro-endothelin-1 and ETB receptor were comparable in both strains, while mRNA for ETA receptor was decreased in ecNOS knockouts. CONCLUSION: Livers of ecNOS knockout mice have a decreased sensitivity to endothelin at physiologic concentrations; this is associated with a decreased expression of ETA receptors, but not with other factors, such as iNOS, ETB receptors, adrenomedullin or heme-oxygenase. Further studies targeting adaptive changes in ETA receptor distribution and/or intracellular signaling downstream of the receptor are indicated.