Effects of different intensities of physical exercise on insulin sensitivity and protein kinase B/Akt activity in skeletal muscle of obese mice

Objetivo: Investigar os efeitos do exercício físico agudo com diferentes intensidades sobre a sensibilidade à insulina e a atividade da proteína quinase B/Akt no músculo esquelético de camundongos obesos. Método: Foram utilizados camundongos Swiss, divididos aleatoriamente em quatro grupos, que receberam dieta padrão (grupo controle) ou dieta hiperlipídica (grupos obeso sedentário e grupos obesos exercitados 1 e 2), por período de 12 semanas. Dois diferentes protocolos de exercício foram utilizados: natação durante 1 hora com ou sem sobrecarga de 5% da massa corporal. O teste de tolerância à insulina foi realizado para estimar a sensibilidade à insulina. E os níveis protéicos da proteína quinase B/Akt e de sua fosforilação foram determinados no músculo esquelético dos camundongos, através da técnica de Western blot. Resultado: Uma sessão de exercício físico foi capaz de inibir a resistência à insulina em decorrência de uma dieta hiperlipídica. Foi possível demonstrar um aumento na fosforilação da proteína quinase B/Akt, melhora da sinalização da insulina e redução da glicemia de jejum nos camundongos que realizaram 1 hora de natação sem sobrecarga adicional e nos camundongos que realizaram 1 hora de natação com sobrecarga adicional de 5% de sua massa corporal. Entretanto, não houve diferença significativa entre os grupos que realizaram o exercício em diferentes intensidades. Conclusão: Independente da intensidade, o exercício físico aeróbio conseguiu aumentar a sensibilidade à insulina e a fosforilação da proteína quinase B/Akt, revelando ser uma boa forma de tratamento e prevenção do diabetes tipo 2.

Antifungal activity of flavonoids from Heteropterys byrsonimifolia and a commercial source against Aspergillus ochraceus: In silico interactions of these compounds with a protein kinase

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Exercise training decreases mitogen-activated protein kinase phosphatase-3 expression and suppresses hepatic gluconeogenesis in obese mice

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Tonic modulation of anxiety-like behavior by corticotropin-releasing factor (CRF) type 1 receptor (CRF1) within the medial prefrontal cortex (mPFC) in male mice: Role of protein kinase A (PKA)

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

A protein kinase screen of Neurospora crassa mutant strains reveals that the SNF1 protein kinase promotes glycogen synthase phosphorylation

Glycogen functions as a carbohydrate reserve in a variety of organisms and its metabolism is highly regulated. The activities of glycogen synthase and glycogen phosphorylase, the rate-limiting enzymes of the synthesis and degradation processes, respectively, are regulated by allosteric modulation and reversible phosphorylation. To identify the protein kinases affecting glycogen metabolism in Neurospora crassa, we performed a screen of 84 serine/threonine kinase knockout strains. We identified multiple kinases that have already been described as controlling glycogen metabolism in different organisms, such as NcSNF1, NcPHO85, NcGSK3, NcPKA, PSK2 homologue and NcATG1. In addition, many hypothetical kinases have been implicated in the control of glycogen metabolism. Two kinases, NcIME-2 and NcNIMA, already functionally characterized but with no functions related to glycogen metabolism regulation, were also identified. Among the kinases identified, it is important to mention the role of NcSNF1. We showed in the present study that this kinase was implicated in glycogen synthase phosphorylation, as demonstrated by the higher levels of glycogen accumulated during growth, along with a higher glycogen synthase (GSN) ±glucose 6-phosphate activity ratio and a lesser set of phosphorylated GSN isoforms in strain Ncsnf1KO, when compared with the wild-type strain. The results led us to conclude that, in N. crassa, this kinase promotes phosphorylation of glycogen synthase either directly or indirectly, which is the opposite of what is described for Saccharomyces cerevisiae. The kinases also play a role in gene expression regulation, in that gdn, the gene encoding the debranching enzyme, was down-regulated by the proteins identified in the screen. Some kinases affected growth and development, suggesting a connection linking glycogen metabolism with cell growth and development.

Silencing mitogen-activated protein kinase-activated protein kinase-2 arrests inflammatory bone loss

p38 mitogen-activated protein kinases (MAPKs) are critical for innate immune signaling and subsequent cytokine expression in periodontal inflammation and bone destruction. In fact, previous studies show that systemic p38 MAPK inhibitors block periodontal disease progression. However, development of p38 MAPK inhibitors with favorable toxicological profiles is difficult. Here, we report our findings regarding the contribution of the downstream p38 MAPK substrate, mitogen-activated protein kinase-activated protein kinase 2 (MK2 or MAPKAPK-2), in immune response modulation in an experimental model of pathogen-derived lipopolysaccharide (LPS)-induced periodontal bone loss. To determine whether small interfering RNA (siRNA) technology has intraoral applications, we initially validated MK2 siRNA specificity. Then, gingival tissue surrounding maxillary molars of rats was injected with MK2 siRNA or scrambled siRNA at the palatal regions of bone loss. Intraoral tissues treated with MK2 siRNA had significantly less MK2 mRNA expression compared with scrambled siRNA-treated tissues. MK2 siRNA delivery arrested LPS-induced inflammatory bone loss, decreased inflammatory infiltrate, and decreased osteoclastogenesis. This proof-of-concept study suggests a novel target using an intraoral RNA interference strategy to control periodontal inflammation.

Fructose-Induced Hypothalamic AMPK Activation Stimulates Hepatic PEPCK and Gluconeogenesis due to Increased Corticosterone Levels

Fructose consumption causes insulin resistance and favors hepatic gluconeogenesis through mechanisms that are not completely understood. Recent studies demonstrated that the activation of hypothalamic 5'-AMP-activated protein kinase (AMPK) controls dynamic fluctuations in hepatic glucose production. Thus, the present study was designed to investigate whether hypothalamic AMPK activation by fructose would mediate increased gluconeogenesis. Both ip and intracerebroventricular (icv) fructose treatment stimulated hypothalamic AMPK and acetyl-CoA carboxylase phosphorylation, in parallel with increased hepatic phosphoenolpyruvate carboxy kinase (PEPCK) and gluconeogenesis. An increase in AMPK phosphorylation by icv fructose was observed in the lateral hypothalamus as well as in the paraventricular nucleus and the arcuate nucleus. These effects were mimicked by icv 5-amino-imidazole-4-carboxamide-1-beta-D-ribofuranoside treatment. Hypothalamic AMPK inhibition with icv injection of compound C or with injection of a small interfering RNA targeted to AMPK alpha 2 in the mediobasal hypothalamus (MBH) suppressed the hepatic effects of ip fructose. We also found that fructose increased corticosterone levels through a mechanism that is dependent on hypothalamic AMPK activation. Concomitantly, fructose-stimulated gluconeogenesis, hepatic PEPCK expression, and glucocorticoid receptor binding to the PEPCK gene were suppressed by pharmacological glucocorticoid receptor blockage. Altogether the data presented herein support the hypothesis that fructose-induced hypothalamic AMPK activation stimulates hepatic gluconeogenesis by increasing corticosterone levels. (Endocrinology 153: 3633-3645, 2012)

Glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase (GAPDH) phosphorylation by protein kinase Cδ (PKCδ) inhibits mitochondria elimination by lysosomal-like structures following ischemia and reoxygenation-induced injury

Background: How damaged mitochondria are removed by mitophagy is not fully described. Results: Ischemia and reoxygenation (I/R)-induced injury triggers mitochondria association of glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase (GAPDH) and mitophagy, and protein kinase Cδ (PKCδ) activation inhibits it. Conclusion: PKCδ-mediated phosphorylation of GAPDH inhibits mitophagy. Significance: GAPDH/PKCδ is a signaling switch, which is activated during ischemic injury to regulate the balance between cell survival by mitophagy and cell death by apoptosis.

Funktionale Bedeutung der Protein Kinase C - delta (PKC - delta) in der Reorganisation der zytoskelettären Architektur humaner Keratinozyten

Die Kontaktihibition, d.h. die Zell-Zell-Kontakt-vermittelte Proliferationskontrolle, stellt einen fundamentalen Mechanismus zur Aufrechterhaltung der Homöostase in vitro und in vivo dar. So stellen in der Zellkultur nicht-transformierte Zellen in der Regel ihr Wachstum ein, sobald sie einen einschichtigen Zellrasen gebildet haben. Umgekehrt zeichnen sich transformierte Zellen durch einen Verlust der Kontaktinhibition aus. Sie wachsen nach Erreichen eines konfluenten Zellrasens mehrschichtig weiter, und es kommt zur Ausbildung charakteristischer Foci. In dieser Arbeit konnte nachgewiesen werden, dass die Proteinkinase C - delta eine wichtige Funktion in der Regulation der Zytoarchitektur humaner Keratinozyten besitzt und zugleich über Modulation der Zell-Zelladhäsion, insbesondere über Cadherin und Catenin, Einfluss nimmt.

Einfluss der AMPK-Aktivität auf Endothelfunktion, oxidativen Stress und vaskuläre Inflammation

Die AMPK ist ein ubiquitär exprimiertes, heterotrimeres Enzym, das bei Energiemangel das Überleben der Zelle sichert. Um diese Funktion ausüben zu können fungiert die AMPK als sogenannter „Energie-Sensor“, der durch steigende AMP Mengen aktiviert wird. In diesem Zustand werden ATP verbrauchende Reaktionen inhibiert und gleichzeitig ATP generierende Vorgänge induziert. Im vaskulären System konnte gezeigt werden, dass die endotheliale NOSynthase durch die AMPK aktiviert, die Angiogenese stimuliert, die Endothelzellapoptose und das Wachstum von Gefäßmuskelzellen inhibiert wird. All diese Prozesse sind fundamental in der Entwicklung von kardiovaskulären Krankheiten, was auf eine protektive Funktion der AMPK im vaskulären System hindeutet. In der vorliegenden Arbeit sollten die Effekte der in vivo Modulation der AMPK Aktivität auf Endothelfunktion, oxidativen Stress und Inflammation untersucht werden. Dazu wurden zwei unterschiedliche Mausmodelle genutzt: Einerseits wurde die AMPK Aktivität durch den pharmakologischen AMPK-Aktivator AICAR stimuliert und andererseits die vaskulär vorherrschende AMPK-Isoform durch knock out ausgeschaltet. Zur Induktion von oxidativem Stress wurde ein bereits charakterisiertes Angiotensin II-Modell angewandt. Zur Untersuchung gehörten neben den Superoxid-Messungen auch die Bestimmung der Stickstoffmonoxid-Mengen in Serum und Aortengewebe, die Relaxationsmessungen in isometrischen Tonusstudien sowie HPLC-basierte Assays. Es konnte gezeigt werden, dass durch die Aktivierung der AMPK mittels AICAR die Angiotensin II induzierte Endotheldysfunktion, der oxidative Stress und auch die vaskuläre Inflammation verbessert werden konnte. Weiterhin zeigte sich dass der knock out der vaskulären Isoform (α1) im Angiotensin II Modell eine signifikant verstärkte Endotheldysfunktion, oxidativen Stress und Inflammation nach sich zog. Anhand der erhobenen Daten konnte die NADPH-Oxidase als Hauptquelle des Angiotensin II induzierten oxidativen Stresses identifiziert werden, wobei sich diese Quelle als AMPK sensitiv erwies. Durch die Aktivierung konnte die Aktivität der NADPH-Oxidase verringert und durch die α1AMPK Defizienz signifikant erhöht werden. Auch die mitochondriale Superoxidproduktion konnte durch die Modulation der AMPK Aktivität beeinflusst werden. Die vaskuläre Inflammation, die anhand der Surrogaten VCAM-1, COX-2 und iNOS untersucht wurde, konnte durch Aktivierung der AMPK verringert werden, der knock out der α1AMPK führte so einer sehr starken Expressionssteigerung der induzierbaren NO-Synthase, was in einem starken Anstieg der NO-Produktion und somit der Peroxynitritbildung resultierte.Die dargestellten Daten deuten stark auf eine protektive Funktion der AMPK im vaskulären System hin und sollte als therapeutisches Ziel, nicht nur in Bezug auf diabetische Patienten, in Betracht gezogen werden.

Funktionelle Charakterisierung der Protein-Kinase CK2 in der Suppression Th2-vermittelter Immunantworten durch regulatorische T-Zellen

Regulatorische T-Zellen (Tregs) leisten durch ihre suppressiven Eigenschaften einen essenziellen Beitrag zur Aufrechterhaltung der immunologischen Toleranz. Sie verhindern schädliche Immunreaktionen gegen Autoantigene, kommensale Bakterien, sowie harmlose Nahrungsmittel-bestandteile. Gleichzeitig gewährleisten sie die Entwicklung effektiver Immunantworten gegen eindringende Pathogene, wie z.B. Parasiten, Bakterien und Viren. Damit haben Tregs direkten Einfluss auf das Gleichgewicht zwischen Immunität und Toleranz. Fehler in der suppressiven Funktionsweise von Tregs begünstigen daher auf der einen Seite die Entstehung zahlreicher autoimmuner Erkrankungen und Allergien. Auf der anderen Seite können Tregs Immunreaktionen bei chronischen Infektionen reduzieren, sowie die Entstehung effektiver Immunantworten gegen Tumore hemmen. Ihre Beteiligung an der Ätiologie all dieser Krankheiten macht Tregs zu einem bedeutenden potenziellen Zielobjekt, um diese Krankheiten effektiv zu therapieren. Die Erweiterung des Grundwissens um die molekularen Mechanismen der Treg-vermittelten Suppression ist daher ein notwendiger Schritt bei der Entwicklung Treg-basierter Theraphieansätze. 2003 konnte mit Foxp3 ein Transkriptionsfaktor identifiziert werden, der maßgeblich die suppressiven Funktionen von Tregs steuert. Um weiteren Einblick in die der Suppression zugrundeliegenden Signalwege zu erhalten, wurde im Institut für Immunologie ein komparativer Kinomarray durchgeführt, anhand dessen die Casein Kinase 2 (CK2) als eine der aktivsten Kinasen in Tregs identifiziert wurde (Daten freundlicherweise von Prof. Dr. Tobias Bopp bereitgestellt). rnBasierend auf den Ergebnissen des Kinomarrays wurde in dieser Arbeit die Funktion der CK2 in Tregs untersucht. Dabei konnte in in vitro Experimenten die Treg-vermittelte Suppression durch den pharmakologische CK2 Inhibitor DMAT aufgehoben werden. Weil derartige Inhibitoren jedoch nicht absolut spezifisch die Aktivität nur einer Kinase supprimieren, wurden außerdem Mäuse mit konditionalem „knockout“ der CK2β Untereinheit spezifisch in Tregs gekreuzt (CK2βTreg-/- Mäuse). Die Analyse dieser Tiere offenbarte eine essenzielle Beteiligung der CK2 an den suppressiven Funktionen von Tregs. So entwickeln CK2βTreg-/- Mäuse mit zunehmendem Alter Splenomegalien und Lymphadenopathien, von denen in besonderem Maße die Mukosa-assoziierten Lymphknoten betroffen sind. Eine Analyse des Aktivierungsstatus der T-Zellen in den Tieren konnte zudem einen erhöhten Anteil sogenannter Effektor-Gedächtnis T-Zellen aufdecken, die charakteristische Merkmale eines Th2 Phänotyps zeigten. Erhöhte Titer des Antikörperisotyps IgE in den Seren von CK2βTreg-/- Mäusen suggerieren zusätzlich eine fehlerhafte Suppression speziell Th2-vermittelter Immunantworten durch CK2β-defiziente Tregs. In Th2-vermittelten Asthma Experimenten in vivo konnte der Verdacht der fehlerhaften Kontrolle von Th2-Antwort bestätigt werden, wobei zusätzlich aufgedeckt wurde, dass bereits unbehandelte CK2βTreg-/- Mäuse Zeichen einer Entzündungsreaktion in der Lunge aufweisen. Bei der Suche nach den molekularen Ursachen der fehlerhaften Suppression Th2-vermittelter Immunantworten durch CK2β-defiziente Tregs konnten zwei mögliche Erklärungsansätze gefunden werden. Zum einen zeigen CK2β-defiziente Tregs eine verringerte Expression von Foxp3, was, in Analogie zu Ergebnissen der Gruppe von R. Flavell (Wang Y.Y. Nature. 445, 766-770 (2007)), zu einer Konversion von Tregs zu Th2 Zellen und damit zur Entstehung eines Th2-basierten, autoimmunen Phänotyps führt. Des Weiteren weisen CK2β-defiziente Tregs eine reduzierte Expression des Transkriptionsfaktors IRF4 auf, der in Tregs entscheidend für die Kontrolle Th2-basierter Immunreaktionen ist (Zheng Y. Nature. 19; 351-356 (2009)). Die dargelegten Ergebnisse identifizieren die CK2 damit als Kinase, die entscheidend an der Treg-vermittelten Suppression speziell Th2-basierter Immunantworten beteiligt ist. Demnach könnten pharmakologische CK2 Inhibitoren beispielsweise dazu eingesetzt werden, um die Treg-vermittelte Suppression im Rahmen chronischer Parasiten-Infektionen aufzuheben. Die in CK2βTreg-/- Mäusen beobachtete Prävalenz der Funktion der CK2 für Mukosa-assoziierte Organe stellt dabei einen zusätzlichen Vorteil dar, weil systemische Nebenwirkungen, die durch die Blockade der Treg-vermittelte Suppression entstehen, zumindest in nicht-Mukosa-assoziierten Geweben nicht zu erwarten sind.rn

Optimization of RNA-based transgene expression by targeting Protein Kinase R

The aim of this thesis was to establish a method for repeated transfection of in vitro transcribed RNA (IVT-RNA) leading to a sustained protein expression lasting for days or even weeks. Once transfected cells recognize IVT-RNA as "non-self" and initiate defense pathways leading to an upregulated interferon (IFN) response and stalled translation. In this work Protein Kinase R (PKR) was identified as the main effector molecule mediating this cellular response. We assessed four strategies to inhibit PKR and the IFN response: A small molecule PKR inhibitor enhanced protein expression and hampered the induction of IFN-transcripts, but had to be excluded due to cytotoxicity. A siRNA mediated PKR knockdown and the overexpression of a kinase inactive PKR mutant elevated the protein expression, but the down-regulation of the IFN response was insufficient. The co-transfer of the viral inhibitors of PKR and the IFN response was most successful. The use of E3, K3 and B18R co-transfection enabled repeated IVT-RNA-based transfection of human fibroblasts. Thus, the developed protocol allows a continuous IVT-RNA encoded protein expression of proteins, which could be the basis for the generation of induced pluripotent stem cells (iPS) for several therapeutic applications in regenerative medicine or drug research.

Epigallocatechin-3-gallate induces cell death in acute myeloid leukaemia cells and supports all-trans retinoic acid-induced neutrophil differentiation via death-associated protein kinase 2

Acute promyelocytic leukaemia (APL) patients are successfully treated with all-trans retinoic acid (ATRA). However, concurrent chemotherapy is still necessary and less toxic therapeutic approaches are needed. Earlier studies suggested that in haematopoietic neoplasms, the green tea polyphenol epigallocatechin-3-gallate (EGCG) induces cell death without adversely affecting healthy cells. We aimed at deciphering the molecular mechanism of EGCG-induced cell death in acute myeloid leukaemia (AML). A significant increase of death-associated protein kinase 2 (DAPK2) levels was found in AML cells upon EGCG treatment paralleled by increased cell death that was significantly reduced upon silencing of DAPK2. Moreover, combined ATRA and EGCG treatment resulted in cooperative DAPK2 induction and potentiated differentiation. EGCG toxicity of primary AML blasts correlated with 67 kDa laminin receptor (67LR) expression. Pretreatment of AML cells with ATRA, causing downregulation of 67LR, rendered these cells resistant to EGCG-mediated cell death. In summary, it was found that (i) DAPK2 is essential for EGCG-induced cell death in AML cells, (ii) ATRA and EGCG cotreatment significantly boosted neutrophil differentiation, and 67LR expression correlates with susceptibility of AML cells to EGCG. We thus suggest that EGCG, by selectively targeting leukaemic cells, may improve differentiation therapies for APL and chemotherapy for other AML subtypes.

Metformin inhibits human androgen production by regulating steroidogenic enzymes HSD3B2 and CYP17A1 and complex I activity of the respiratory chain

Metformin is treatment of choice for the metabolic consequences seen in polycystic ovary syndrome for its insulin-sensitizing and androgen-lowering properties. Yet, the mechanism of action remains unclear. Two potential targets for metformin regulating steroid and glucose metabolism are AMP-activated protein kinase (AMPK) signaling and the complex I of the mitochondrial respiratory chain. Androgen biosynthesis requires steroid enzymes 17α-Hydroxylase/17,20 lyase (CYP17A1) and 3β-hydroxysteroid dehydrogenase type 2 (HSD3B2), which are overexpressed in ovarian cells of polycystic ovary syndrome women. Therefore, we aimed to understand how metformin modulates androgen production using NCI-H295R cells as an established model of steroidogenesis. Similar to in vivo situation, metformin inhibited androgen production in NCI cells by decreasing HSD3B2 expression and CYP17A1 and HSD3B2 activities. The effect of metformin on androgen production was dose dependent and subject to the presence of organic cation transporters, establishing an important role of organic cation transporters for metformin's action. Metformin did not affect AMPK, ERK1/2, or atypical protein kinase C signaling. By contrast, metformin inhibited complex I of the respiratory chain in mitochondria. Similar to metformin, direct inhibition of complex I by rotenone also inhibited HSD3B2 activity. In conclusion, metformin inhibits androgen production by mechanisms targeting HSD3B2 and CYP17-lyase. This regulation involves inhibition of mitochondrial complex I but appears to be independent of AMPK signaling.