Regulation of Nox4 expression by histone deacetylases in human endothelial cells : involvement of epigenetic mechanisms

Nox4 is a member of the NADPH oxidase family, which represents a major source of reactive oxygen species (ROS) in the vascular wall. Nox4-mediated ROS production mainly depends on the expression levels of the enzyme. The aim of my study was to investigate the mechanisms of Nox4 transcription regulation by histone deacetylases (HDAC). Treatment of human umbilical vein endothelial cells (HUVEC) and HUVEC-derived EA.hy926 cells with the pan-HDAC inhibitor scriptaid led to a marked decrease in Nox4 mRNA expression. A similar down-regulation of Nox4 mRNA expression was observed by siRNA-mediated knockdown of HDAC3. HDAC inhibition in endothelial cells was associated with enhanced histone acetylation, increased chromatin accessibility in the human Nox4 promoter region, with no significant changes in DNA methylation. In addition, the present study provided evidence that c-Jun played an important role in controlling Nox4 transcription. Knockdown of c-Jun with siRNA led to a down-regulation of Nox4 mRNA expression. In response to scriptaid treatment, the binding of c-Jun to the Nox4 promoter region was reduced despite the open chromatin structure. In parallel, the binding of RNA polymerase IIa to the Nox4 promoter was significantly inhibited as well, which may explain the reduction in Nox4 transcription. In conclusion, HDAC inhibition decreases Nox4 transcription in human endothelial cells by preventing the binding of transcription factor(s) and polymerase(s) to the Nox4 promoter, most likely because of a hyperacetylation-mediated steric inhibition. In addition, HDAC inhibition-induced Nox4 downregulation may also involves microRNA-mediated mRNA destabilization, because the effect of the scriptaid could be partially blocked by DICER1 knockdown or by transcription inhibition.

Effects of maternal PETN treatment of spontaneously hypertensive rats on blood pressure in the offspring

Pentaerithrityltetranitrat (PETN) ist ein organisches Nitrat und wird in der Klinik zur Behandlung der Angina Pectoris eingesetzt. PETN hat, wenn direkt verabreicht, kaum Wirkung auf den Blutdruck. Diese Arbeit wurde konzipiert, um einen potentiellen „perinatalen Programmierung“-Effekt von PETN in spontan-hypertensiven Ratten (SHR), einem Rattenmodel der genetischen Hypertonie, zu testen. Die F0-Elterntiere wurden mit PETN (50 mg/kg/Tag) während der Schwangerschaft und der Laktation behandelt; die F1-Nachkommen bekamen nach der Ablaktation normales Haltungsfutter. Der Blutdruck wurde an den Nachkommen vom 3. Monat bis zum 8. Monat nach der Geburt gemessen. Maternale PETN-Behandlung hatte kaum Wirkung auf den Blutdruck in den männlichen SHR-Nachkommen. Dagegen zeigten die weiblichen Nachkommen der PETN-Behandlungsgruppe eine persistente Reduktion des Blutdrucks. Der systolische Blutdruck war in den weiblichen Nachkommen in der PETN-Gruppe etwa 13 mmHg niedriger im 4. Monat und etwa 10 mmHg niedriger im 8. Monat als in den Kontrolltieren. Dieser lang-anhaltende Effekt ging mit einer substanziellen Änderung der Genexpression einher, die auch beim 8. Monat noch nachzuweisen war. In den Aorten der weiblichen F1-Nachkommen wurde Veränderungen an Genexpression der α-adrenergen Rezeptoren sowie Endothelin-Rezeptoren festgestellt, die aber funktionell von minimaler Bedeutung für die PETN-Wirkung waren. Hingegen war eine klare Rolle des StickstoffmoNOXid (NO) zu sehen. Maternale PETN-Behandlung führte zur Heraufregulation der endothelialen NO-Synthase (eNOS) und der GTP-Cyclohydrolase I (GCH-1). GCH-1 ist für die Biosynthese des Tetrahydrobiopterins, eines essentiellen eNOS-Kofaktors, entscheidend, und dadurch auch für die eNOS-Funktionalität. Zusätzlich wurden auch anti-oxidative Enzyme wie die mitochondriale Superoxid-Dismutase (SOD2), die Glutathion-Peroxidase 1 (GPx1) und die Hem-Oxygenase 1 (HO-1) heraufreguliert, und die Superoxid-produzierende NADPH-Oxidase NOX1 herunterreguliert. Dies kann zur Verminderung vom oxidativen Stress und Erhöhung der NO-Bioverfügbarkeit führen. Letztlich wurde auch ~ 74 ~ die Sirtuin 1 (SIRT1) durch maternale PETN-Behandlung heraufreguliert, die auch zur Heraufregulation der SOD2, GPx1 und eNOS beitragen kann. Im Organbad-Experiment wurde die Acetylcholin-induzierte, Endothel-abhängige Vasodilatation in der Aorta der weiblichen Nachkommen der PETN-Gruppe verstärkt. Diese verbesserte Endothelfunktion, was vermutlich aus der Genexpressionsänderung resultiert, stellt sehr wahrscheinlich einen Schlüsselmechanismus der Blutdrucksenkung in den Nachkommen der PETN-behandelten F0-Tiere dar.

Zelluläre und molekulare Mechanismen der angeborenen Immunität

Die myeloide Zelllinie MUTZ-3 konnte als geeignetes Modellsystem zur Charakterisierung der TREM-1-Signaltransduktion etabliert werden, da diese TREM-1 und dessen essentielles Adaptermoleküle DAP12 funktional exprimiert. Übereinstimmend mit bisherigen Daten wurden die Kinasen PI3K und p38-MAPK als wichtige Regulatoren in der Signalweiterleitung nach TREM-1-Aktivierung identifiziert, wobei sich einige Unterschiede in der exakten Signalhierarchie zwischen monozytären und granulozytären Zellen ergaben. So erfolgt die Aktivierung von PI3K und p38-MAPK in PMN unabhängig voneinander und in monozytären Zellen findet die Aktivierung von p38-MAPK vor der Akt-Phosphorylierung statt und ist für Letztere notwendig. Zudem ist die Ca2+-Mobilisierung in PMN nur von PI3K abhängig und in monozytären Zellen von PI3K und p38-MAPK. Bei der durch TLR- oder NLR-Koligation gesteigerten TREM-1-Aktivierung sind PI3K und p38-MAPK ebenfalls zentrale Regulatoren. Es ergaben sich ebenfalls Unterschiede in der exakten TREM-1-Signaltransduktion.rnrnEin Mausmodell für invasive Aspergillose (IA) wurde erfolgreich etabliert, wobei die wichtige Rolle der PMN bei der Abwehr von Pilzinfektionen durch deren Depletion mit unterschiedlichen Antikörpern belegt wurde. Für das Abtöten von A. fumigatus-Konidien sind oxidative und nicht-oxidative PMN-Effektormechanismen notwendig. Dabei konnte die essentielle Rolle der oxidativen PMN-Effektorfunktionen anhand NADPH-Oxidase-defizienter p47phox-/- und gp91phox-/- Mäuse für das Überleben von Pilzinfektionen gezeigt werden. Dagegen war die Infektion von Neutrophiler Elastase defizienter ELANE Mäuse nicht letal. Dies deutet darauf hin, dass diese als prototypische Serinprotease und wichtiger Bestandteil der NET-Formation nicht essentiell für das Überleben von IA ist oder durch andere, nicht-oxidative Effektormechanismen kompensiert werden kann. Keinen Einfluss auf die IA hatte die Depletion von Arginin mittels ADI-PEG, da weder das Überleben der Mäuse noch das Abtöten der Pilzkonidien beeinflusst wurde. Außerdem wurden keine Veränderung in der Einwanderung und Aktivierung von PMN nach Infektion quantifiziert. Dagegen induzierte die Defizienz in ADAMTS13 (ADAMTS13-/- Mäuse) eine verminderte Rekrutierung von PMN, einhergehend mit erhöhter Mortalität, vermindertem Abtöten von A. fumigatus-Konidien und erhöhter Schädigung der Lunge bei IA. Da in vitro keine generellen oder pilzspezifischen Defekte der PMN quantifiziert wurden, muss ADAMTS13 die Einwanderung der PMN beeinflussen. Normalerweise spaltet die Protease ADAMTS13 den von-Willebrand-Faktor (vWF), der die Quervernetzung und das Anhaften von Blutplättchen an beschädigte Gefäßwände steuert. Ob und wie ADAMTS13 oder der vWF die verminderte PMN-Einwanderung bei Pilzinfektionen verursacht, muss weiter untersucht werden.rnrnZusammenfassend verbessern die erhaltenen Daten für eine zellspezifische TREM-1-Signaltransduktion, ein von oxidativen und nicht-oxidativen PMN-Effektorfunktionen abhängiges sowie Arginin-unabhängiges Abtöten vom Pilz A. fumigatus als auch der Einfluss von ADAMTS13 und vWF bei der Rekrutierung von PMN nach A. fumigatus-Infektion unser Verständnis der angeborenen Immunität. Diese Erkenntnisse dienen der zukünftigen Entwicklung von Therapien zur Behandlung von schweren Entzündungsreaktionen wie Aspergillose und Sepsis.

Molekulare Mechanismen Proteinkinase C-induzierter Nox4-Hochregulation in humanen Endothelzellen

Eine verstärkte Transkription von NADPH-Oxidasen (Nox) wird mit der Entstehung von atherosklerotischer Veränderungen in Verbindung gebracht. Die Arbeit unserer Gruppe zeigte, dass die Aktivität der Proteinkinase C (PKC) zu einer Nox4-Hochregulation führt, der dominanten NOX Isoform in endothelialen Zellen. Die vorliegende Arbeit zielte auf die Aufdeckung der dowm-stream gelegenen Mechanismen. Die Behandlung von humanen EA.hy 926-Zellen mit dem PKC Aktivator Phorbol-12-Myristat-13-Acetat (PMA) für 48 h führte in eine signifikante Nox4-mRNA-Hochregulation, welche mittels PKC-Inhibitoren oder PKC alpha siRNA abgewendet werden konnte. PMA führte zu einer andauernden Aktivierung der MAP-Kinase Erk1/2. Die PMA vermittelte Nox4-Expression konnte durch Erk1/2-Inhibitoren oder durch Erk1/2-Knock-down geblockt werden. Down-stream konnte die Involvierung der Erk1/2-Substarte Elk-1 und c-Fos mittels siRNA-Experimente gezeigt werden. Darüber hinaus blockte die Inhibierung der Histondeacetylasen (HDACs) mit Scriptaid oder durch HDAC3-Knock-down mittels siRNA die PMA-induzierte Nox4-Expression in EA.hy 926-Zellen, weswegen eine Rolle für HADC3 in der Regulation der Nox4-Expression angezeigt wurde. Abschließend reduzierte ein Knock-down von p53 (siRNA) deutlich die basale Expression von Nox4, hatte aber nur einen kleinen Effekt auf die PMA-induzierte Nox4-Expression. Zusammenfassend zeigen die Daten der vorliegenden Arbeit, dass in einer PKC alpha induzierten Nox4-mRNA-Hochregulation Erk1/2, Elk-1, cFos und HDAC3 involviert sind.

Die Rolle der IFN-gamma Signalübertragung und von MyD88 in der Angiotensin-II-induzierten vaskulären Dysfunkion, Inflammation und arteriellen Hypertonie

Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Rolle von myelomonozytären Zellen, IFN-gamma (Interferon gamma), MyD88 (myeloid differentiation factor 88) und zugrundeliegenden Signalwege in der Angiotensin II (ATII)-induzierten vaskulären Inflammation, Dysfunktion und arteriellen Hypertonie untersucht. Wie bereits veröffentlichte Vordaten aus meiner Arbeitsgruppe zeigten, schützt die Depletion von Lysozym M (LysM)+ myelomonozytären Zellen (Diphteriatoxin-vermittelt in Mäusen, die transgen für den humanen Diphtheriatoxin-Rezeptor sind, LysMiDTR Mäuse) vor der ATII-induzierten vaskulären Dysfunktion und arterieller Hypertonie, und kann durch adoptiven Zelltransfer von Wildtyp Monozyten wiederhergestellt werden. In meiner Arbeit konnte ich zeigen, dass die Rekonstitution von Monozyten-depletierten LysMiDTR Mäusen mit Wildtyp Monozyten den Phänotyp der vaskulären Dysfunktion wiederherstellen kann, die Rekonstitution mit gp91phox-/y oder Agtr1-/- Monozyten jedoch nicht. Die Hypertonus-mediierenden Effekte dieser infiltrierenden Monozyten scheinen demnach von der intakten ATII und NADPH Oxidase Signalübertragung in diesen Zellen abhängig zu sein. Vermutlich ebenfalls für die Aktivierung der Monozyten funktionell wichtig sind IFN-gamma, produziert durch NK-Zellen, und der Transkriptionsfaktor T-bet (T-box expressed in T cells), exprimiert von NK-Zellen und Monozyten. IFN-gamma-/- Mäuse waren partiell geschützt vor der ATII-induzierten vaskulären Dysfunktion und charakterisiert durch reduzierte Level an Superoxid im Gefäß im Vergleich zu ATII-infundierten Wildtyp Mäusen. IFN-gamma-/- und T-bet defiziente Tbx21-/- Mäuse zeichneten sich ferner durch eine reduzierte ATII-mediierte Rekrutierung von NK1.1+ NK-Zellen, als ein Hautproduzent von IFN-gamma, sowie CD11b+GR-1low Interleukin-12 (IL-12) kompetenten Monozyten aus. Durch Depletions- und adoptive Transferexperimente konnte ich in dieser Arbeit NK-Zellen als essentielle Mitstreiter in der vaskulären Dysfunktion identifizieren und stellte fest, dass T-bet+LysM+ myelomonozytäre Zellen für die NK-Zellrekrutierung in die Gefäßwand und lokale IFN-gamma Produktion benötigt werden. Damit wurde erstmals NK-Zellen eine essentielle Rolle in der ATII-induzierten vaskulären Dysfunktion zugeschrieben. Außerdem wurde der T-bet-IFN-gamma Signalweg und die gegenseitige Monozyten-NK-Zellaktivierung als ein potentielles therapeutisches Ziel in kardiovaskulären Erkrankungen aufgedeckt. Des Weiteren identifizierte ich in meiner Arbeit MyD88 als ein zentrales Signalmolekül in der ATII-getriebenen Inflammation und vaskulären Gefäßschädigung. MyD88 Defizienz reduzierte den ATII-induzierten Anstieg des systolischen Blutdrucks und die endotheliale und glattmuskuläre vaskuläre Dysfunktion. Zusätzlich waren die vaskuläre Superoxid-Bildung sowie die Expressionslevel der NADPH Oxidase, der wichtigsten Quelle für oxidativem Stress im Gefäß, in ATII-infundierten MyD88-/- Mäusen im Vergleich zum Wildtyp reduziert. Mit Hilfe von durchflusszytometrischen Analysen deckte ich zudem auf, dass die ATII-induzierte Einwanderung von CD45+ Leukozyten, insbesondere CD11b+Ly6G-Ly6Chigh inflammatorischen Monozyten in MyD88-/- Mäusen signifikant abgeschwächt war. Diese Resultate wurden durch immunhistochemische Untersuchung von Aortengewebe auf CD68+, F4/80+ und Nox2+ Makrophagen/Phagozyten sowie Expressionsanalysen von Inflammationsmarkern untermauert. Analysen der mRNA Expression in Aortengewebe zeigten ferner eine in Wildtyp Mäusen nach ATII Infusion tendenziell gesteigerte Expression von inflammatorischen Monozytenmakern sowie eine abnehmende Expression von reparativen Monozytenmarken, während dieser Shift zu einem proinflammatorsichen Phänotyp in MyD88-/- blockiert zu sein schien. Dies zeigt eine Rolle von MyD88 in der terminalen Differenzierung von myelomonozytären Zellen an. Um dies weitergehend zu untersuchen und aufzudecken, ob die MyD88 Effekte abhängig sind von Zellen der hämatopoetischen Linie oder Gewebszellen, wurden Knochenmarktransferexperimente durchgeführt. MyD88 Defizienz in Knochenmark-abstammende Zellen reduzierte die ATII-induzierte vaskuläre Dysfunktion und Infiltration der Gefäßwand mit CD45+ Leukozyten und inflammatorischen myelomonozytären Zellen. Die protektiven Effekte der MyD88 Defizienz in der Angiotensin II-induzierten Inflammation konnten nicht auf Signalwege über die Toll-like Rezeptoren TLR2, -7 oder -9 zurückgeführt werden, wie die Untersuchung der vaskulären Reaktivität entsprechender Knockout Mäuse zeigte. Zusammenfassend konnte ich in meiner Arbeit zeigen, dass die Infiltration der Gefäßwand mit Nox2+AT1R+T-bet+MyD88+ myelomonozytären Zellen und die Wechselwirkung und gegenseitige Aktivierung dieser Zellen mit IFN-gamma produzierenden NK-Zellen eine zentrale Bedeutung in der Pathogenese der Angiotensin II (ATII)-induzierten vaskulären Dysfunktion, Inflammation und arteriellen Hypertonie einnehmen.

Restoration of mutant cytochrome P450 reductase activity by external flavin

Cytochrome P450 oxidoreductase (POR) supplies electrons from NADPH to steroid and drug metabolizing reactions catalyzed by the cytochrome P450s located in endoplasmic reticulum. Mutations in human POR cause a wide spectrum of disease ranging from disordered steroidogenesis to sexual differentiation. Previously we and others have shown that POR mutations can lead to reduced activities of steroidogenic P450s CYP17A1, CYP19A1 and CYP21A1. Here we are reporting that mutations in the FMN binding domain of POR may reduce CYP3A4 activity, potentially influencing drug and steroid metabolism; and the loss of CYP3A4 activity may be correlated to the reduction of cytochrome b(5) by POR. Computational molecular docking experiments with a FMN free structural model of POR revealed that an external FMN could be docked in close proximity to the FAD moiety and receive electrons donated by NADPH. Using FMN supplemented assays we have demonstrated restoration of the defective POR activity in vitro.

Reduction in hepatic drug metabolizing CYP3A4 activities caused by P450 oxidoreductase mutations identified in patients with disordered steroid metabolism

Cytochrome P450 3A4 (CYP3A4), the major P450 present in human liver metabolizes approximately half the drugs in clinical use and requires electrons supplied from NADPH through NADPH-P450 reductase (POR, CPR). Mutations in human POR cause a rare form of congenital adrenal hyperplasia from diminished activities of steroid metabolizing P450s. In this study we examined the effect of mutations in POR on CYP3A4 activity. We used purified preparations of wild type and mutant human POR and in vitro reconstitution with purified CYP3A4 to perform kinetic studies. We are reporting that mutations in POR identified in patients with disordered steroidogenesis/Antley-Bixler syndrome (ABS) may reduce CYP3A4 activity, potentially affecting drug metabolism in individuals carrying mutant POR alleles. POR mutants Y181D, A457H, Y459H, V492E and R616X had more than 99% loss of CYP3A4 activity, while POR mutations A287P, C569Y and V608F lost 60-85% activity. Loss of CYP3A4 activity may result in increased risk of drug toxicities and adverse drug reactions in patients with POR mutations.

Comparative genomics of metabolic networks of free-living and parasitic eukaryotes

Background Obligate endoparasites often lack particular metabolic pathways as compared to free-living organisms. This phenomenon comprises anabolic as well as catabolic reactions. Presumably, the corresponding enzymes were lost in adaptation to parasitism. Here we compare the predicted core metabolic graphs of obligate endoparasites and non-parasites (free living organisms and facultative parasites) in order to analyze how the parasites' metabolic networks shrunk in the course of evolution. Results Core metabolic graphs comprising biochemical reactions present in the presumed ancestor of parasites and non-parasites were reconstructed from the Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes. While the parasites' networks had fewer nodes (metabolites) and edges (reactions), other parameters such as average connectivity, network diameter and number of isolated edges were similar in parasites and non-parasites. The parasites' networks contained a higher percentage of ATP-consuming reactions and a lower percentage of NAD-requiring reactions. Control networks, shrunk to the size of the parasites' by random deletion of edges, were scale-free but exhibited smaller diameters and more isolated edges. Conclusions The parasites' networks were smaller than those of the non-parasites regarding number of nodes or edges, but not regarding network diameters. Network integrity but not scale-freeness has acted as a selective principle during the evolutionary reduction of parasite metabolism. ATP-requiring reactions in particular have been retained in the parasites' core metabolism while NADH- or NADPH-requiring reactions were lost preferentially.

A novel TNFR1-triggered apoptosis pathway mediated by class IA PI3Ks in neutrophils

The most common form of neutrophil death is apoptosis. In the present study, we report surprising differences in the molecular mechanisms used for caspase activation between FAS/CD95-stimulated and TNF receptor 1 (TNFR1)-stimulated neutrophils. Whereas FAS-induced apoptosis was followed by caspase-8 activation and required Bid to initiate the mitochondrial amplification loop, TNF-?-induced apoptosis involved class IA PI3Ks, which were activated by MAPK p38. TNF-?-induced PI3K activation resulted in the generation of reactive oxygen species, which activated caspase-3, a mechanism that did not operate in neutrophils without active NADPH oxidase. We conclude that in neutrophils, proapoptotic pathways after TNFR1 stimulation are initiated by p38 and PI3K, but not by caspase-8, a finding that should be considered in anti-inflammatory drug-development strategies.

Peculiarities of cell death mechanisms in neutrophils

Analyses of neutrophil death mechanisms have revealed many similarities with other cell types; however, a few important molecular features make these cells unique executors of cell death mechanisms. For instance, in order to fight invading pathogens, neutrophils possess a potent machinery to produce reactive oxygen species (ROS), the phagocyte nicotinamide adenine dinucleotide phosphate (NADPH) oxidase. Evidence is emerging that these ROS are crucial in the execution of most neutrophil cell death mechanisms. Likewise, neutrophils exhibit many diverse granules that are packed with cytotoxic mediators. Of those, cathepsins were recently shown to activate pro-apoptotic B-cell lymphoma-2 (Bcl-2) family members and caspases, thus acting on apoptosis regulators. Moreover, neutrophils have few mitochondria, which hardly participate in ATP synthesis, as neutrophils gain energy from glycolysis. In spite of relatively low levels of cytochrome c in these cells, the mitochondrial death pathway is functional. In addition to these pecularities defining neutrophil death pathways, neutrophils are terminally differentiated cells, hence they do not divide but undergo apoptosis shortly after maturation. The initial trigger of this spontaneous apoptosis remains to be determined, but may result from low transcription and translation activities in mature neutrophils. Due to the unique biological characteristics of neutrophils, pharmacological intervention of inflammation has revealed unexpected and sometimes disappointing results when neutrophils were among the prime target cells during therapy. In this study, we review the current and emerging models of neutrophil cell death mechanisms with a focus on neutrophil peculiarities.

Eosinophil extracellular DNA traps: molecular mechanisms and potential roles in disease

Eosinophil extracellular traps (EETs) are part of the innate immune response and are seen in multiple infectious, allergic, and autoimmune eosinophilic diseases. EETs are composed of a meshwork of DNA fibers and eosinophil granule proteins, such as major basic protein (MBP) and eosinophil cationic protein (ECP). Interestingly, the DNA within the EETs appears to have its origin in the mitochondria of eosinophils, which had released most their mitochondrial DNA, but were still viable, exhibiting no evidence of a reduced life span. Multiple eosinophil activation mechanisms are represented, whereby toll-like, cytokine, chemokine, and adhesion receptors can all initiate transmembrane signal transduction processes leading to the formation of EETs. One of the key signaling events required for DNA release is the activation of the NADPH oxidase. Here, we review recent progress made in the understanding the molecular mechanisms involved in DNA and granule protein release, discuss the presence of EETs in disease, speculate on their potential role(s) in pathogenesis, and compare available data on other DNA-releasing cells, particularly neutrophils.

Differences in catalytic activity between rat testicular and ovarian carbonyl reductases are due to two amino acids

The sequences of rat testis carbonyl reductase (rCR1) and rat ovary carbonyl reductase (rCR2) are 98% identical, differing only at amino acids 140, 141, 143, 235 and 238. Despite such strong sequence identity, we find that rCR1 and rCR2 have different catalytic constants for metabolism of menadione and 4-benzoyl-pyridine. Compared to rCR1, rCR2 has a 20-fold lower K(m) and 5-fold lower k(cat) towards menadione and a 7-fold lower K(m) and 7-fold lower k(cat) towards 4-benzoyl-pyridine. We constructed hybrids of rCR1 and rCR2 that were changed at either residues 140, 141 and 143 or residues 235 and 238. rCR1 with residues 140, 141 and 143 of rCR2 has similar catalytic efficiency for menadione and 4-benzoyl-pyridine as rCR1. rCR1 with Thr-235 and Glu-238 of rCR2 has the catalytic constants of rCR2, indicating that it is this part of rCR2 that contributes to its lower K(m) for menadione and 4-benzoyl-pyridine. Comparisons of three-dimensional models of rCR1 and rCR2 show how Thr-235 and Glu-238 stabilize rCR2 binding of NADPH and menadione.

Why is 11beta-hydroxysteroid dehydrogenase type 1 facing the endoplasmic reticulum lumen? Physiological relevance of the membrane topology of 11beta-HSD1

11Beta-hydroxysteroid dehydrogenase type 1 (11beta-HSD1) is essential for the local activation of glucocorticoid receptors (GR). Unlike unliganded cytoplasmic GR, 11beta-HSD1 is an endoplasmic reticulum (ER)-membrane protein with lumenal orientation. Cortisone might gain direct access to 11beta-HSD1 by free diffusion across membranes, indirectly via intracellular binding proteins or, alternatively, by insertion into membranes. Membranous cortisol, formed by 11beta-HSD1 at the ER-lumenal side, might then activate cytoplasmic GR or bind to ER-lumenal secretory proteins. Compartmentalization of 11beta-HSD1 is important for its regulation by hexose-6-phosphate dehydrogenase (H6PDH), which regenerates cofactor NADPH in the ER lumen and stimulates oxoreductase activity. ER-lumenal orientation of 11beta-HSD1 is also essential for the metabolism of the alternative substrate 7-ketocholesterol (7KC), a major cholesterol oxidation product found in atherosclerotic plaques and taken up from processed cholesterol-rich food. An 11beta-HSD1 mutant adopting cytoplasmic orientation efficiently catalyzed the oxoreduction of cortisone but not 7KC, indicating access to cortisone from both sides of the ER-membrane but to 7KC only from the lumenal side. These aspects may be relevant for understanding the physiological role of 11beta-HSD1 and for developing therapeutic interventions to control glucocorticoid reactivation.

Hexose-6-phosphate dehydrogenase modulates 11beta-hydroxysteroid dehydrogenase type 1-dependent metabolism of 7-keto- and 7beta-hydroxy-neurosteroids

BACKGROUND: The role of 11beta-hydroxysteroid dehydrogenase type 1 (11beta-HSD1) in the regulation of energy metabolism and immune system by locally reactivating glucocorticoids has been extensively studied. Experiments determining initial rates of enzyme activity revealed that 11beta-HSD1 can catalyze both the reductase and the dehydrogenase reaction in cell lysates, whereas it predominantly catalyzes the reduction of cortisone to cortisol in intact cells that also express hexose-6-phosphate dehydrogenase (H6PDH), which provides cofactor NADPH. Besides its role in glucocorticoid metabolism, there is evidence that 11beta-HSD1 is involved in the metabolism of 7-keto- and 7-hydroxy-steroids; however the impact of H6PDH on this alternative function of 11beta-HSD1 has not been assessed. METHODOLOGY: We investigated the 11beta-HSD1-dependent metabolism of the neurosteroids 7-keto-, 7alpha-hydroxy- and 7beta-hydroxy-dehydroepiandrosterone (DHEA) and 7-keto- and 7beta-hydroxy-pregnenolone, respectively, in the absence or presence of H6PDH in intact cells. 3D-structural modeling was applied to study the binding of ligands in 11beta-HSD1. PRINCIPAL FINDINGS: We demonstrated that 11beta-HSD1 functions in a reversible way and efficiently catalyzed the interconversion of these 7-keto- and 7-hydroxy-neurosteroids in intact cells. In the presence of H6PDH, 11beta-HSD1 predominantly converted 7-keto-DHEA and 7-ketopregnenolone into their corresponding 7beta-hydroxy metabolites, indicating a role for H6PDH and 11beta-HSD1 in the local generation of 7beta-hydroxy-neurosteroids. 3D-structural modeling offered an explanation for the preferred formation of 7beta-hydroxy-neurosteroids. CONCLUSIONS: Our results from experiments determining the steady state concentrations of glucocorticoids or 7-oxygenated neurosteroids suggested that the equilibrium between cortisone and cortisol and between 7-keto- and 7-hydroxy-neurosteroids is regulated by 11beta-HSD1 and greatly depends on the coexpression with H6PDH. Thus, the impact of H6PDH on 11beta-HSD1 activity has to be considered for understanding both glucocorticoid and neurosteroid action in different tissues.

Inactivity of nitric oxide synthase gene in the atherosclerotic human carotid artery

OBJECTIVE: Nitric oxide (NO) inhibits thrombus formation, vascular contraction, and smooth muscle cell proliferation. We investigated whether NO release is enhanced after endothelial NO synthase (eNOS) gene transfer in atherosclerotic human carotid artery ex vivo. METHODS AND RESULTS: Western blotting and immunohistochemistry revealed that transduction enhanced eNOS expression; however, neither nitrite production nor NO release measured by porphyrinic microsensor was altered. In contrast, transduction enhanced NO production in non-atherosclerotic rat aorta and human internal mammary artery. In transduced carotid artery, calcium-dependent eNOS activity was minimal and did not differ from control conditions. Vascular tetrahydrobiopterin concentrations did not differ between the experimental groups.Treatment of transduced carotid artery with FAD, FMN, NADPH, L-arginine, and either sepiapterin or tetrahydrobiopterin did not alter NO release. Superoxide formation was similar in transduced carotid artery and control. Treatment of transduced carotid artery with superoxide dismutase (SOD), PEG-SOD, PEG-catalase did not affect NO release. CONCLUSIONS: eNOS transduction in atherosclerotic human carotid artery results in high expression without any measurable activity of the recombinant protein. The defect in the atherosclerotic vessels is neither caused by cofactor deficiency nor enhanced NO breakdown. Since angioplasty is performed in atherosclerotic arteries,eNOS gene therapy is unlikely to provide clinical benefit.