Involvement of mitochondrial and B-RAF/ERK signaling pathways in berberine-induced apoptosis in human melanoma cells

The natural isoquinoline alkaloid berberine exhibits a wide spectrum of biological activities including antitumor activity, but its mechanism of action remains to be fully elucidated. Here, we report that berberine induced apoptosis in human melanoma cells, through a process that involved mitochondria and caspase activation. Berberine-induced activation of a number of caspases, including caspases 3, 4, 7, 8, and 9. Pan-caspase inhibitor, z-VAD-fmk, and caspase-8 and caspase-9 inhibitors prevented apoptosis. Berberine also led to the generation of the p20 cleavage fragment of BAP31, involved in directing proapoptotic signals between the endoplasmic reticulum and the mitochondria. Treatment of SK-MEL-2 melanoma cells with berberine induced disruption of the mitochondrial transmembrane potential, release of cytochrome c and apoptosis-inducing factor from the mitochondria to the cytosol, generation of reactive oxygen species (ROS), and a decreased ATP/ADP ratio. Overexpression of bcl-xL by gene transfer prevented berberine-induced cell death, mitochondrial transmembrane potential loss, and cytochrome c and apoptosis-inducing factor release, but not ROS generation. N-acetyl-L-cysteine inhibited the production of ROS, but did not abrogate the berberine-induced apoptosis. Inhibition of extracellular signal-regulated kinase (ERK) phosphorylation, by using the mitogen-activated protein kinase/ERK kinase inhibitor PD98059, and reduction of B-RAF levels by silencing RNA induced cell death of SK-MEL-2 cells, and diminished the berberine concentration required to promote apoptosis. These data show that berberine-induced apoptosis in melanoma cells involves mitochondria and caspase activation, but ROS generation was not essential. Our results indicate that inhibition of B-RAF/ERK survival signaling facilitates the cell death response triggered by berberine. © 2011 Wolters Kluwer Health | Lippincott Williams & Wilkins.

Orphan receptor IL-17RD tunes IL-17A signalling and is required for neutrophilia

Interleukin-17A, the prototypical member of the interleukin-17 cytokine family, coordinates local tissue inflammation by recruiting neutrophils to sites of infection. Dysregulation of interleukin-17 signalling has been linked to the pathogenesis of inflammatory diseases and autoimmunity. The interleukin-17 receptor family members (A-E) have a broad range of functional effects in immune signalling yet no known role has been described for the remaining orphan receptor, interleukin-17 receptor D, in regulating interleukin-17A-induced signalling pathways. Here we demonstrate that interleukin-17 receptor D can differentially regulate the various pathways employed by interleukin-17A. Neutrophil recruitment, in response to in vivo administration of interleukin-17A, is abolished in interleukin-17 receptor D-deficient mice, correlating with reduced interleukin-17A-induced activation of p38 mitogen-activated protein kinase and expression of the neutrophil chemokine MIP-2. In contrast, interleukin-17 receptor D deficiency results in enhanced interleukin-17A-induced activation of nuclear factor-kappa B and interleukin-6 and keratinocyte chemoattractant expression. Interleukin-17 receptor D disrupts the interaction of Act1 and TRAF6 causing differential regulation of nuclear factor-kappa B and p38 mitogen-activated protein kinase signalling pathways. © 2012 Macmillan Publishers Limited. All rights reserved.

Analysis of IL6 Signal Transduction Model using Reduced Rank Regression

This work presents the application of reduced rank regression to the field of systems biology. A computational approach is used to investigate the mechanisms of the janus-associated kinases/signal transducers and transcription factors (JAK/STAT) and mitogen activated protein kinases (MAPK) signal transduction pathways in hepatic cells stimulated by interleukin-6. The results obtained identify the contribution of individual reactions to the dynamics of the model. These findings are compared to previously available results from sensitivity analysis of the model which focused on the parameters involved and their effect. This application of reduced rank regression allows for an understanding of the individual reaction terms involved in the modelled signal transduction pathways and has the benefit of being computationally inexpensive. The obtained results complement existing findings and also confirm the importance of several protein complexes in the MAPK pathway which hints at benefits that can be achieved by further refining the model.

Reduced phospholipase A2 activity is not accompanied by reduced arachidonic acid release

Arachidonic acid release in cells highly over expressing cytosolic phospholipase A2 has been attributed to mitogen-activated protein kinase phosphorylation of cytosolic phospholipase A2 on serine-505. To investigate the role of cytosolic phospholipase A2 in cellular physiology, we attempted to inhibit cytosolic phospholipase A2 in the intact cell employing an antisense RNA strategy. Swiss 3T3 cells were stably transfected with an antisense cytosolic phospholipase A2 expression vector. A clone of cells with reduced immunodetectable cytosolic phospholipase A2, compared to a vector transfected cell line, was identified by Western blotting and a corresponding decrease in phospholipase A2 activity was confirmed by enzymatic assay in cell free extracts. However, arachidonic acid release from intact cells in response to agonists was not different between antisense and control cell lines. Thus, arachidonic acid release in intact cells with decreased cytosolic phospholipase A2 activity is likely to be modulated by rate limiting factors that are extrinsic to cytosolic phospholipase A2.

Tumor suppressor Ras-association domain family 1 isoform A is a novel regulator of cardiac hypertrophy

BACKGROUND: Ras signaling regulates a number of important processes in the heart, including cell growth and hypertrophy. Although it is known that defective Ras signaling is associated with Noonan, Costello, and other syndromes that are characterized by tumor formation and cardiac hypertrophy, little is known about factors that may control it. Here we investigate the role of Ras effector Ras-association domain family 1 isoform A (RASSF1A) in regulating myocardial hypertrophy.

METHODS AND RESULTS: A significant downregulation of RASSF1A expression was observed in hypertrophic mouse hearts, as well as in failing human hearts. To further investigate the role of RASSF1A in cardiac (patho)physiology, we used RASSF1A knock-out (RASSF1A(-)(/)(-)) mice and neonatal rat cardiomyocytes with adenoviral overexpression of RASSF1A. Ablation of RASSF1A in mice significantly enhanced the hypertrophic response to transverse aortic constriction (64.2% increase in heart weight/body weight ratio in RASSF1A(-)(/)(-) mice compared with 32.4% in wild type). Consistent with the in vivo data, overexpression of RASSF1A in cardiomyocytes markedly reduced the cellular hypertrophic response to phenylephrine stimulation. Analysis of molecular signaling events in isolated cardiomyocytes indicated that RASSF1A inhibited extracellular regulated kinase 1/2 activation, likely by blocking the binding of Raf1 to active Ras.

CONCLUSIONS: Our data establish RASSF1A as a novel inhibitor of cardiac hypertrophy by modulating the extracellular regulated kinase 1/2 pathway.

IB1/JIP-1 controls JNK activation and increased during prostatic LNCaP cells neuroendocrine differentiation.

The scaffold protein Islet-Brain1/c-Jun amino-terminal kinase Interacting Protein-1 (IB1/JIP-1) is a modulator of the c-Jun N-terminal kinase (JNK) activity, which has been implicated in pleiotrophic cellular functions including cell differentiation, division, and death. In this study, we described the presence of IB1/JIP-1 in epithelium of the rat prostate as well as in the human prostatic LNCaP cells. We investigated the functional role of IB1/JIP-1 in LNCaP cells exposed to the proapoptotic agent N-(4-hydroxyphenyl)retinamide (4-HPR) which induced a reduction of IB1/JIP-1 content and a concomittant increase in JNK activity. Conversely, IB1/JIP-1 overexpression using a viral gene transfer prevented the JNK activation and the 4-HPR-induced apoptosis was blunted. In prostatic adenocarcinoma cells, the neuroendocrine (NE) phenotype acquisition is associated with tumor progression and androgen independence. During NE transdifferentiation of LNCaP cells, IB1/JIP-1 levels were increased. This regulated expression of IB1/JIP-1 is secondary to a loss of the neuronal transcriptional repressor neuron restrictive silencing factor (NRSF/REST) function which is known to repress IB1/JIP-1. Together, these results indicated that IB1/JIP-1 participates to the neuronal phenotype of the human LNCaP cells and is a regulator of JNK signaling pathway.

Islet Brain 1 Protects Insulin Producing Cells against Lipotoxicity.

Chronic intake of saturated free fatty acids is associated with diabetes and may contribute to the impairment of functional beta cell mass. Mitogen activated protein kinase 8 interacting protein 1 also called islet brain 1 (IB1) is a candidate gene for diabetes that is required for beta cell survival and glucose-induced insulin secretion (GSIS). In this study we investigated whether IB1 expression is required for preserving beta cell survival and function in response to palmitate. Chronic exposure of MIN6 and isolated rat islets cells to palmitate led to reduction of the IB1 mRNA and protein content. Diminution of IB1 mRNA and protein level relied on the inducible cAMP early repressor activity and proteasome-mediated degradation, respectively. Suppression of IB1 level mimicked the harmful effects of palmitate on the beta cell survival and GSIS. Conversely, ectopic expression of IB1 counteracted the deleterious effects of palmitate on the beta cell survival and insulin secretion. These findings highlight the importance in preserving the IB1 content for protecting beta cell against lipotoxicity in diabetes.

Endothelin-1 in osteoarthritic chondrocytes triggers nitric oxide production and upregulates collagenase production

Affiliation: Florina Moldovan: Faculté de médecine dentaire, Université de Montréal & CHU Hôpital Sainte-Justine, Université de Montréal. Christina Alexandra Manacu, Marjolaine Roy-Beaudry, Fazool Shipkolye : CHU Hôpital Sainte-Justine, Université de Montréal. Johanne Martel-Pelletier & Jean-Pierre Pelletier : CHUM Hôpital Notre-Dame, Université de Montréal.

Hydrogen peroxide enhances the expression and function of Giα proteins in aortic vascular smooth muscle cells from Sprague-Dawley rats : role of growth factor receptors transactivation

Nous avons récemment démontré que les espèces réactives oxygénées induisent une augmentation de l’expression des protéines Giα dans les cellules du muscle lisse vasculaire (CMLV) provenant d’aortes de rats spontanément hypertendus (SHR, de l’anglais spontaneously hypertensive rats). La présente étude a pour but d’étudier les effets du peroxyde d’hydrogène (H2O2), un oxydant qui induit le stress oxydatif, sur l’expression de Giα et sur l’activité de l’adénylate cyclase, et d’explorer les voies de signalisation sous-jacentes responsables de cette réponse. Nos résultats montrent que H2O2 induit une augmentation de l’expression des protéines Giα-2 et Giα-3 de manière dose- et temps-dépendante avec une augmentation maximale de 40-50% à 100 µM après 1 heure, sans affecter l’expression de Gsα. L’expression des protéines Giα a été maintenue au niveau normal en presence de AG 1478, AG1295, PD98059 et la wortmannine, des inhibiteurs d’EGF-R (de l’anglais epidermal growth factor receptor), PDGFR-β (de l’anglais platelet-derived growth factor receptor β), de la voie de signalisation ras-ERK1/2 (de l’anglais extracellular regulated kinase1/2), et de la voie de la PI3Kinase-AKT (de l’anglais phosphatidyl inositol-3 kinase), respectivement. En outre, le traitement des CMLV avec H2O2 a induit une augmentation du degré de phosphorylation d’EGF-R, PDGF-R, ERK1/2 et AKT; et cette expression a été maintenue au niveau témoin par leurs inhibiteurs respectifs. Les inhibiteurs d’EGF-R et PDGF-R ont aussi induit une diminution du degré de phosphorylation de ERK1/2, et AKT/PKB. En outre, la transfection des cellules avec le siRNA (de l’anglais, small interfering ribonucleic acid) de EGF-R et PDGFR-β a atténué la surexpression des protéines Giα-2 et Giα-3 induite par le traitement au H2O2. La surexpression des protéines Giα induite par H2O2 a été corrélée avec une augmentation de la fonction de la protéine Giα. L’inhibition de l’activité de l’adénylate cyclase par de faibles concentrations de GTPγS après stimulation par la forskoline a augmenté de 20% dans les cellules traitées au H2O2. En outre, le traitement des CMLV au H2O2 a aussi accru l’inhibition de l’activité de l’adénylate cyclase par les hormones inhibitrices telles que l’angiotensine II, oxotrémorine et C-ANP4-23. D’autre part, la stimulation de l’adénylate cyclase induite par GTPγS, glucagon, isoprotérénol, forskoline, et le fluorure de sodium (NaF) a été atténuée de façon significative dans les cellules traitées au H2O2. Ces résultats suggèrent que H2O2 induit la surexpression des protéines Giα-2 and Giα-3 via la transactivation des récepteurs des facteurs de croissance EGF-R, PDGFR-β et l’activation des voies de signalisation ras-ERK1/2 et PI3K-AKT Mot-cles: Protéines Giα, peroxyde d’hydrogène, stress oxydant, récepteurs des facteurs de croissance, MAP kinases, adénylate cyclase, hypertension

Rôle de l'axe CD40/CD40L dans la régulation de la fonction paquettaire

Le CD40 ligand (CD40L) est une molécule inflammatoire appartenant à la famille du Facteur de Nécrose Tumorale ("Tumor Necrosis Factor", TNF), originalement identifié au niveau des cellules immunitaires. L’interaction du CD40L avec son récepteur de haute affinité présent sur les cellules B, le CD40, est d’une importance cruciale à la production d’immunoglobulines lors de la réponse immunitaire. Aujourd’hui, nous savons que ces deux molécules qui constituent l’axe CD40/CD40L sont aussi exprimées au niveau des cellules du système vasculaire et occupent une place importante dans une variété de réactions inflammatoires, de sorte que le CD40L est présentement reconnu comme une molécule thrombo-inflammatoire prédictive des évènements cardiovasculaires. Les plaquettes sont la principale source du CD40L soluble ("soluble CD40L", sCD40L) plasmatique et il fut démontré être impliqué dans l’activation plaquettaire, malgré que son impact exact sur la fonction plaquettaire et les mécanismes sous-jacents demeurent inconnus. Ainsi, le but de ce projet était de déterminer l’impact du sCD40L sur la fonction plaquettaire et d’élucider les mécanismes cellulaires et moléculaires sous-jacents. Les objectifs spécifiques étaient : 1) d’évaluer l’impact du sCD40L sur l’activation et l’agrégation plaquettaire in vitro; 2) de déterminer le récepteur cible (CD40 ou autre) impliqué dans ces effets; 3) de décortiquer les voies signalétiques intracellulaires et moléculaires induites par le sCD40L, impliquant la participation potentielle de la famille du facteur associé du récepteur du TNF ("Tumor Necrosis Factor Receptor Associated Factor", TRAF) et 4) d’analyser l’effet du sCD40L sur la formation du thrombus in vivo. Le sCD40L augmente fortement l’activation et l’agrégation plaquettaire induite par de faibles doses d’agonistes. Les plaquettes humaines traitées avec une forme mutante du sCD40L qui n’interagit pas avec le CD40 et les plaquettes de souris CD40 déficientes (CD40-/-) ne furent pas en mesure d’induire ces effets. De plus, nous démontrons la présence de plusieurs membres de la famille des TRAFs dans les plaquettes, parmi lesquels seulement TRAF-2 interagit avec le CD40 suite à la stimulation par le sCD40L. Le sCD40L agit sur les plaquettes au repos par l’entremise de la protéine Rac1 et de sa cible en aval, soit la protéine kinase activatrice du mitogène p38 ("Mitogen Activating Protein Kinase", MAPK). Ceci mène ultimement au changement de forme plaquettaire et à la polymérisation de l’actine. Par ailleurs, il est intéressant de noter que les souris CD40-/- démontrent un défaut significatif de l’agrégation plaquettaire en réponse au collagène, ce qui souligne l’importance du CD40 dans les interactions plaquettes-plaquettes. Dans un deuxième temps, le sCD40L amplifie l’agrégation plaquettaire en sang complet, accélère les temps de thrombose in vitro mesurés à l’aide du système PFA-100 et augmente l’adhésion plaquettaire au collagène sous condition de flux, le tout par l’entremise du CD40. Finalement, dans un modèle de thrombose artérielle murin, l’infusion du sCD40L exacerbe la formation du thrombus chez les souris du type sauvage ("Wild Type", WT), mais non chez les souris CD40-/-. Ceci fut en plus associé à une augmentation significative du nombre de leucocytes au sein du thrombus des souris WT traitées à l’aide du sCD40L, tel que démontré par marquage immuno-histologique anti-CD45 et par quantification des coupes artérielles par microscopie optique. En résumé, ce projet identifie une nouvelle voie signalétique, TRAF-2/Rac1/p38 MAPK, en réponse au sCD40L et démontre ses effets sur l’activation et l’agrégation plaquettaire. De manière encore plus importante, nous démontrons pour la première fois la présence d’une corrélation positive entre les niveaux circulants du sCD40L et la thrombose artérielle, tout en soulignant l’importance du CD40 dans ce processus. Ainsi, le sCD40L constitue un activateur important des plaquettes, les prédisposant à une thrombose exacerbée en réponse au dommage vasculaire. Ces résultats peuvent expliquer le lien étroit qui existe entre les niveaux circulants du sCD40L et l’incidence des maladies cardiovasculaires.

Modulation de l'expression et de l'activité de la NADPH P450 réductase chez le lapin.

L’activité catalytique du cytochrome P450 dépend de la disponibilité d’électrons produits par la NADPH P450 réductase (NPR). Notre étude a pour but de déterminer comment l’expression de la NPR est modulée chez le lapin. Afin de comprendre comment l’expression de la NPR est modulée, des hépatocytes de lapins témoins ont été incubés pendant 2, 4, 24 et 48 heures en présence de plusieurs activateurs de facteurs de transcription connus du cytochrome P450. De plus, des lapins ayant reçu une injection sous-cutanée de térébenthine afin de produire une réaction inflammatoire aseptique sont sacrifiés 48 heures plus tard dans le but d’étudier les effets de l’inflammation sur l’expression de la NPR. La rosiglitazone, le fénofibrate, l’acétate de plomb et le chlorure de cobalt (des inducteurs des PPAR, PPAR, AP-1 et HIF-1), après 48 heures d’incubation, n’ont provoqué aucun changement d’expression ou d’activité de la NPR. Après 48 heures d’incubation, la dexaméthasone (Dexa) a augmenté la quantité d’ARNm (QT-PCR), l’expression et l’activité de la NPR (p<0,05), en plus d’augmenter l’ARNm des récepteurs nucléaires CAR (récepteur constitutif à l’androstane) et PXR (récepteur X prégnane) (p<0.05). Le phénobarbital (PB) a augmenté seulement l’activité de la NPR (p<0.05). Par contre, après 48 heures d’incubation, la combinaison PB et Dexa a augmenté la quantité d’ARNm, ainsi que l’expression et l’activité de la NPR (p<0.05). La combinaison de PB et Dexa a induit une augmentation d’ARNm des récepteurs nucléaires CAR, PXR et RXR (récepteur X du rétinoïde) plus précocement, soit après 2 heures d’incubation (p<0.05). Le PD098059 (PD), un bloqueur de l’activation de MAPK1 (mitogen-activated protein kinase), et l’acide okadaïque (OA), un inhibiteur de la protéine phosphatase 2A (PP2A), ont bloqué l'augmentation d'expression et d'activité de la NPR induite par le PB après 48 heures d’incubation. La réaction inflammatoire aseptique a diminué l’expression et l’activité de la NPR après 48 heures d’incubation (p<0.05). On conclue que la dexaméthasone et le phénobarbital sont des inducteurs potentiels de la NPR et que les voies de signalisation de CAR, PXR et RXR semblent être impliquées dans le contrôle de cette induction. Des études supplémentaires devront être complétées afin de confirmer ces résultats préliminaires.

Caractérisation des processus moléculaires impliqués dans l’activation de la protéine IKKbeta par l'angiotensine II et son rôle dans la réponse phénotypique des CMLV.

Le système rénine-angiotensine-aldostérone (SRAA) régule l’homéostasie de la contraction des artères. Or, suivant la liaison de l’angiotensine II (Ang II) à son récepteur AT1, le SRAA est également impliqué dans l’activation de voies de signalisation à l’origine de l’inflammation et de l’hypertrophie des cellules musculaires lisses vasculaires (CMLV), soit deux processus participant au remodelage vasculaire caractéristique de diverses maladies cardiovasculaires, telles l’hypertension et l’athérosclérose. Ces pathologies sont les premières causes de mortalité naturelle en Amérique et les traitements les ciblant ne sont pas optimaux puisqu’ils visent seulement quelques facteurs de risque qui leur sont associés. Ainsi, la détermination des effecteurs intracellulaires régulant ces voies délétères est nécessaire à l'identification de nouvelles cibles thérapeutiques. L’inflammation Ang II-dépendante dans les CMLV est attribuée au facteur de transcription nuclear factor-kappa B (NF-κB). Cependant, les processus moléculaires couplant le récepteur AT1 à son activation sont peu caractérisés. L’étude abordant cette question démontre in vitro que NF-κB est activé par la protéine IκB kinase β (IKKβ) dans les CMLV exposées à l’Ang II et que cette kinase est régulée par deux voies de signalisation indépendantes, mais complémentaires afin d’assurer son activation rigoureuse et soutenue. L’une des voies est précoce et dépend des seconds messagers ainsi que de deux nouveaux effecteurs sous-jacents au récepteur AT1, soit la E3 ligase TNF receptor-associated factor 6 (TRAF6) et la IKK kinase transforming growth factor-beta-activated kinase 1 (TAK1) tandis que la seconde est tardive et résulte de la signalisation mitogen-activated protein kinase kinase 1/2 (MEK1/2) - extracellular signal-regulated kinase 1/2 (ERK1/2) - ribosomal S6 kinase (RSK). L’inhibition conjointe de ces voies abroge complètement la réponse inflammatoire, ce qui indique qu’elles en sont la seule source. Ainsi, l’inhibition d’IKKβ pourrait suffire à contrer l’inflammation impliquée dans le remodelage vasculaire associé à une suractivation du SRAA. Une découverte des plus novatrices découle de cette étude, qui veut que la E3 ligase TRAF6 est un nouvel effecteur des récepteurs couplés aux protéines G et est à l’origine de la formation d’un nouveau type de second messager, soit des chaînes libres de poly-ubiquitines. Les mécanismes moléculaires à la base de l’hypertrophie Ang II-dépendante dans les CMLV sont également peu définis. Or, suivant la parution d’un article démontrant qu’IKKβ dans les cellules cancéreuses participe aux mécanismes d’initiation de la traduction en réponse au facteur de nécrose tumorale α (TNFα) via la phosphorylation de la protéine Tuberous sclerosis 1 (TSC1) et donc l’activation du complexe mammalian target of rapamycin (mTORC1), une hypothèse a été émise selon laquelle cette kinase serait impliquée dans la synthèse protéique Ang II-dépendante dans les CMLV. Les expériences effectuées in vitro dans des CMLV exposées à l’Ang II démontrent qu’IKKβ induit la phosphorylation de TSC1 ainsi que l’activation de mTORC1 et de ses substrats S6 kinase 1 (S6K1) et translational regulators eukaryotic translation initiation factor 4E-binding protein (4E-BP1), deux protéines impliquées directement dans l’hypertrophie. Par ailleurs, la synthèse protéique au niveau des CMLV exposées à l’Ang II est réduite de 75% suivant la diminution de l’expression d’IKKβ et suivant la surexpression d’un mutant de TSC1 dont le site consensus d’IKKβ a été modifié, faisant de cette kinase un médiateur majeur au niveau de ce processus. Ainsi, in vitro IKKβ en réponse à l’Ang II est en amont de deux processus impliqués dans un remodelage vasculaire à l’origine de maladies cardiovasculaires. De plus, plusieurs facteurs de risque de ces pathologies convergent à l’activation d’IKKβ, ce qui en fait une cible thérapeutique particulièrement attrayante. Qui plus est, l’administration d’un inhibiteur d’IKKβ à des rats diminue non seulement la synthèse protéique dépendante de l’Ang II au niveau de l’aorte et des artères mésentériques, mais également la synthèse de la protéine pro-inflammatoire VCAM-1 par les cellules composant l’aorte, ce qui confirme son envergure en tant que cible.

Flavonoids: antioxidants or signalling molecules?

Many studies are accumulating that report the neuroprotective, cardioprotective, and chemopreventive actions of dietary flavonoids. While there has been a major focus on the antioxidant properties, there is an emerging view that flavonoids, and their in vivo metabolites, do not act as conventional hydrogen-donating antioxidants but may exert modulatory actions in cells through actions at protein kinase and lipid kinase signalling pathways. Flavonoids, and more recently their metabolites, have been reported to act at phosphoinositide 3-kinase (PI 3-kinase), Akt/protein kinase B (Akt/PKB), tyrosine kinases, protein kinase C (PKC), and mitogen activated protein kinase (MAP kinase) signalling cascades. Inhibitory or stimulatory actions at these pathways are likely to affect cellular function profoundly by altering the phosphorylation state of target molecules and by modulating gene expression. A clear understanding of the mechanisms of action of flavonoids, either as antioxidants or modulators of cell signalling, and the influence of their metabolism on these properties are key to the evaluation of these potent biomolecules as anticancer agents, cardioprotectants, and inhibitors of neurodegeneration (C) 2004 Elsevier Inc. All rights reserved.

Food for thought: the role of dietary flavonoids in enhancing human memory, learning and neuro-cognitive performance

Emerging evidence suggests that dietary-derived flavonoids have the potential to improve human memory and neuro-cognitive performance via their ability to protect vulnerable neurons, enhance existing neuronal function and stimulate neuronal regeneration. Long-term potentiation (LTP) is widely considered to be one of the major mechanisms underlying memory acquisition, consolidation and storage in the brain and is known to be controlled at the molecular level by the activation of a number of neuronal signalling pathways. These pathways include the phosphatidylinositol-3 kinase/protein kinase B/Akt (Akt), protein kinase C, protein kinase A, Ca-calmodulin kinase and mitogen-activated protein kinase pathways. Growing evidence suggests that flavonoids exert effects on LTP, and consequently memory and cognitive performance, through their interactions with these signalling pathways. Of particular interest is the ability of flavonoids to activate the extracellular signal-regulated kinase and the Akt signalling pathways leading to the activation of the cAMP-response element-binding protein, a transcription factor responsible for increasing the expression of a number of neurotrophins important in LTP and long-term memory. One such neurotrophin is brain-derived neurotrophic factor, which is known to be crucial in controlling synapse growth, in promoting an increase in dendritic spine density and in enhancing synaptic receptor density. The present review explores the potential of flavonoids and their metabolite forms to promote memory and learning through their interactions with neuronal signalling pathways pivotal in controlling LTP and memory in human subjects.

The interactions of flavonoids within neuronal signalling pathways

Emerging evidence suggests that dietary phytochemicals, in particular flavonoids, may exert beneficial effects in the central nervous system by protecting neurons against stress-induced injury, by suppressing neuroinflammation and by promoting neurocognitive performance, through changes in synaptic plasticity. It is likely that flavonoids exert such effects in neurons, through selective actions on different components within a number of protein kinase and lipid kinase signalling cascades, such as phosphatidylinositol-3 kinase (PI3K)/Akt, protein kinase C and mitogen-activated protein kinase. This review details the potential inhibitory or stimulatory actions of flavonoids within these pathways, and describes how such interactions are likely to affect cellular function through changes in the activation state of target molecules and/or by modulating gene expression. Although, precise sites of action are presently unknown, their abilities to: (1) bind to ATP binding sites on enzymes and receptors; (2) modulate the activity of kinases directly; (3) affect the function of important phosphatases; (4) preserve neuronal Ca2+ homeostasis; and (5) modulate signalling cascades lying downstream of kinases, are explored. Future research directions are outlined in relation to their precise site(s) of action within the signalling pathways and the sequence of events that allow them to regulate neuronal function in the central nervous system.