Guanylyl cyclase C agonists regulate progression through the cell cycle of human colon carcinoma cells

The effects of Escherichia coli heat-stable enterotoxin (ST) and uroguanylin were examined on the proliferation of T84 and Caco2 human colon carcinoma cells that express guanylyl cyclase C (GC-C) and SW480 human colon carcinoma cells that do not express this receptor. ST or uroguanylin inhibited proliferation of T84 and Caco2 cells, but not SW480 cells, in a concentration-dependent fashion, assessed by quantifying cell number, cell protein, and [3H]thymidine incorporation into DNA. These agonists did not inhibit proliferation by induction of apoptosis, assessed by TUNEL (terminal deoxynucleotidyl transferase-mediated dNTP-biotin nick end labeling of DNA fragments) assay and DNA laddering, or necrosis, assessed by trypan blue exclusion and lactate dehydrogenase release. Rather, ST prolonged the cell cycle, assessed by flow cytometry and [3H]thymidine incorporation into DNA. The cytostatic effects of GC-C agonists were associated with accumulation of intracellular cGMP, mimicked by the cell-permeant analog 8-Br-cGMP, and reproduced and potentiated by the cGMP-specific phosphodiesterase inhibitor zaprinast but not the inactive ST analog TJU 1-103. Thus, GC-C agonists regulate the proliferation of intestinal cells through cGMP-dependent mechanisms by delaying progression of the cell cycle. These data suggest that endogenous agonists of GC-C, such as uroguanylin, may play a role in regulating the balance between epithelial proliferation and differentiation in normal intestinal physiology. Therefore, GC-C ligands may be novel therapeutic agents for the treatment of patients with colorectal cancer.

Catalytic consumption of nitric oxide by 12/15- lipoxygenase: Inhibition of monocyte soluble guanylate cyclase activation

12/15-Lipoxygenase (LOX) activity is elevated in vascular diseases associated with impaired nitric oxide (⋅NO) bioactivity, such as hypertension and atherosclerosis. In this study, primary porcine monocytes expressing 12/15-LOX, rat A10 smooth muscle cells transfected with murine 12/15-LOX, and purified porcine 12/15-LOX all consumed ⋅NO in the presence of lipid substrate. Suppression of LOX diene conjugation by ⋅NO was also found, although the lipid product profile was unchanged. ⋅NO consumption by porcine monocytes was inhibited by the LOX inhibitor, eicosatetraynoic acid. Rates of arachidonate (AA)- or linoleate (LA)-dependent ⋅NO depletion by porcine monocytes (2.68 ± 0.03 nmol ⋅ min−1 ⋅ 106 cells−1 and 1.5 ± 0.25 nmol ⋅ min−1 ⋅ 106 cells−1, respectively) were several-fold greater than rates of ⋅NO generation by cytokine-activated macrophages (0.1–0.2 nmol ⋅ min−1 ⋅ 106 cells−1) and LA-dependent ⋅NO consumption by primary porcine monocytes inhibited ⋅NO activation of soluble guanylate cyclase. These data indicate that catalytic ⋅NO consumption by 12/15-LOX modulates monocyte ⋅NO signaling and suggest that LOXs may contribute to vascular dysfunction not only by the bioactivity of their lipid products, but also by serving as catalytic sinks for ⋅NO in the vasculature.

The heart communicates with the kidney exclusively through the guanylyl cyclase-A receptor: acute handling of sodium and water in response to volume expansion.

Disruption of guanylyl cyclase-A (GC-A) results in mice displaying an elevated blood pressure, which is not altered by high or low dietary salt. However, atrial natriuretic peptide (ANP), a proposed ligand for GC-A, has been suggested as critical for the maintenance of normal blood pressure during high salt intake. In this report, we show that infusion of ANP results in substantial natriuresis and diuresis in wild-type mice but fails to cause significant changes in sodium excretion or urine output in GC-A-deficient mice. ANP, therefore, appears to signal through GC-A in the kidney. Other natriuretic/diuretic factors could be released from the heart. Therefore, acute volume expansion was used as a means to cause release of granules from the atrium of the heart. That granule release occurred was confirmed by measurements of plasma ANP concentrations, which were markedly elevated in both wild-type and GC-A-null mice. After volume expansion, urine output as well as urinary sodium and cyclic GMP excretion increased rapidly and markedly in wild-type mice, but the rapid increases were abolished in GC-A-deficient animals. These results strongly suggest that natriuretic/diuretic factors released from the heart function exclusively through GC-A.

A receptor guanylyl cyclase expressed specifically in olfactory sensory neurons.

We have cloned an additional member (GC-D) of the membrane receptor guanylyl cyclase [GTP pyrophosphate-lyase (cyclizing), EC 4.6.1.2] family that is specifically expressed in a subpopulation of olfactory sensory neurons. The extracellular, putative ligand-binding domain of the olfactory cyclase is similar in primary structure to two guanylyl cyclases expressed in the retina but diverges considerably from other known guanylyl cyclases. The expression of GC-D RNA is restricted to a small, randomly dispersed population of neurons that is within a single topographic zone in the olfactory neuroepithelium and resembles the pattern of the more diverse seven-transmembrane-domain odorant receptors. These observations suggest that GC-D may function directly in odor recognition or in modulating the sensitivity of a subpopulation of sensory neurons to specific odors.

Gene expression profiling in hearts of transgenic mice overexpressing guanylyl cyclase domain of the GC-A receptor

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Gene expression profiling in hearts of transgenic mice overexpressing guanylyl cyclase domain of the GC-A receptor

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Endothelin-1 and H2O2-induced signaling in vascular smooth muscle cells : modulation by CaMKII and Nitric oxide

L’endothéline-1 (ET-1) est un peptide vasoactif extrêmement puissant qui possède une forte activité mitogénique dans les cellules du muscle lisse vasculaire (VSMCs). Il a été démontré que l’ET-1 est impliquée dans plusieurs maladies cardio-vasculaires, comme l’athérosclérose, l'hypertension, la resténose après l'angioplastie, l’insuffisance cardiaque et l'arythmie. L’ET-1 exerce ses effets via plusieurs voies de signalisation qui incluent le Ca2+, les protéines kinases activées par les mitogènes (MAPKs) y compris les kinases régulées par les signaux extracellulaires (ERK1/2) et la voie de la phosphatidylinositol 3-kinase (PI-3K)/protein kinase B (PKB). Plusieurs études ont démontré que les dérivés réactifs de l'oxygène (ROS) peuvent jouer un rôle important dans la signalisation d’ERK1/2 et de PKB induite par plusieurs facteurs de croissance et hormones. Nous avons précédemment montré que l'ET-1 produit des ROS qui agissent comme médiateur de la signalisation cellulaire induite par l’ET-1. Le peroxyde d’hydrogène (H2O2), une molécule qui appartient à la famille des ROS, peut activer les voies de la MAPK et de la PKB dans les VSMCs. Par ailleurs, nos résultats suggèrent également que le Ca2+ et la calmoduline (CaM) sont essentiels pour la phosphorylation d’ERK1/2, de p38 et de PKB induite par le H2O2 dans les VSMCs. La Ca2+/CaM-dependent protein kinases II (CaMKII) est une sérine/thréonine protéine kinase multifonctionnelle activée par le Ca2+/CaM. Il a été montré que la CaMKII est impliquée dans les voies de signalisation induite par le H2O2 dans les cellules endothéliales. Cependant, le rôle de la CaMKII dans la phosphorylation d’ERK1/2, de PKB et de la proline-rich tyrosine kinase 2 (Pyk2) induite par l’ET-1 et le H2O2, de même que son rôle dans l’effet hypertrophique et prolifératif de l’ET-1 dans les VSMCs demeure inexploré. Le monoxyde d’azote (NO) est une molécule vasoactive impliquée dans la régulation de plusieurs réponses hormonales. Le NO peut moduler la signalisation contrôlant la croissance cellulaire induite par plusieurs agonistes d’où son rôle protecteur dans le système vasculaire. Des études ont montré que le NO peut inhiber la voie de Ras/Raf/ERK1/2 et la voie de PKB induite par le facteur de croissance endothélial (EGF) et l’angiotensine II (Ang II). Beaucoup d’autres travaux ont mis en évidence un cross-talk entre les voies de signalisation activées par l’ET-1 et le NO. La capacité du NO à inhiber la signalisation intracellulaire induite par l’ET-1 dans les VSMCs demeure inconnue. Le travail présenté dans cette thèse vise à déterminer le rôle du système Ca2+-CaM-CaMKII dans la phosphorylation d’ERK1/2, de PKB et de Pyk2 induite par l’ET-1 et le H2O2 ainsi que son rôle dans la croissance et la prolifération cellulaire induites par l’ET-1 dans les VSMCs. Nous avons également testé le rôle du NO dans la phosphorylation d’ERK1/2, de PKB et de Pyk2 ainsi que la synthèse protéique induite par l’ET-1. Dans la première partie de notre étude, nous avons examiné le rôle de la CaMKII dans la phosphorylation d’ERK1/2 et de PKB induite par l’ET-1 dans les VSMCs en utilisant trois approches différentes i.e. l'usage d'inhibiteurs pharmacologiques, un peptide auto-inhibiteur de la CaMKII (CaMKII AIP) et la technique de siRNA. Nous avons démontré que la CaMKII est impliquée dans la phosphorylation d’ERK1/2 et de PKB induite par l’ET-1 dans les VSMCs. Des études précédentes ont montré à l’aide d’inhibiteurs pharmacologiques comme le KN-93 que l'Ang II et les agents induisant une augmentation de la concentration en Ca2+ intracellulaire comme l’ionomycine, provoquent la phosphorylation d’ERK1/2 via la CaM dans les VSMCs. Cependant, en utilisant différentes approches, nos études ont montré pour la première fois une implication de la CaMKII dans la phosphorylation d’ERK1/2 et de PKB induite par l’ET-1 dans les VSMCs. Nous avons également rapporté pour la première fois, un rôle crucial de la CaMKII dans la pathophysiologie vasculaire associée à l’ET-1 puisque l’activation de la CaMKII joue un rôle important dans l’hypertrophie et la croissance cellulaire. Dans la deuxième partie, à la lumière des études précédentes qui montraient que les ROS agissent comme médiateurs de la signalisation induite par l’ET-1 dans les VSMCs, nous avons examiné si la CaMKII est également impliquée dans l’activation des voies d’ERK1/2 et de PKB induite par le H2O2. En utilisant des approches pharmacologiques et moléculaires, nous avons montré, comme pour l’ET-1, que la CaMKII joue un rôle critique en amont de la phosphorylation d’ERK1/2, de PKB et de Pyk2 induite par le H2O2. Nous avons précédemment montré que la transactivation du récepteur de type I de l’insulin-like growth factor (IGF-1R) est nécessaire à l’activation de PKB induite par le H2O2. Pour cette raison, nous avons examiné l'effet de l'inhibition de la CaMKII par l’inhibiteur pharmacologique ou par le knock-down de la CaMKII sur la phosphorylation d’IGF-1R induite par le H2O2. Les résultats démontrent que la CaMKII joue un rôle critique en amont de la phosphorylation d’ERK1/2, de PKB et d’IGF-1R induite par le H2O2. Dans la troisième partie de notre étude, nous avons également examiné le mécanisme moléculaire par lequel le NO exerce ses effets anti-mitogéniques et anti-hypertrophiques dans la signalisation induite par l’ET-1. En testant l'effet de deux différents donneurs de NO (S-nitroso-N-acetylpenicillamine (SNAP), sodium nitroprusside (SNP)) et un inhibiteur de NO synthase, le N (G)-nitro-L-arginine methyl ester (L-NAME) dans la phosphorylation d’ERK1/2, de PKB et de Pyk2 induite par l’ET-1, nous avons observé que le NO a un effet inhibiteur sur la signalisation induite par l’ET-1 dans les VSMCs. Par ailleurs, le 8-Br-GMPc, un analogue du GMPc, a un effet similaire à celui des deux donneurs du NO, tandis que l’oxadiazole quinoxaline (ODQ), un inhibiteur de la guanylate cyclase soluble, inverse l'effet inhibiteur du NO. Nous concluons que le NO diminue la phosphorylation d’ERK1/2, de PKB et de Pyk2 induite par l’ET-1 d’une manière dépendante du GMPc. Le NO inhibe aussi les effets hypertrophiques de l’ET-1 puisque le traitement avec le SNAP diminue la synthèse des protéines induite par l’ET-1. En résumé, les études présentées dans cette thèse démontrent que l’ET-1 et le H2O2 sont des activateurs de la phosphorylation d’ERK1/2, de PKB et de Pyk2 dans les VSMCs et que la CaMKII s’avère nécessaire pour ce processus, en agissant en amont de l’activation de IGF-1R induite par le H2O2 dans les VSMCs. Elles montrent également que le NO inhibe la phosphorylation d’ERK1/2, de PKB et de Pyk2 induite par l’ET-1. Enfin, nos travaux suggèrent aussi que l’activation de la CaMKII stimule la synthèse des protéines et de l’ADN induites par l’ET-1 alors que le NO inhibe la synthèse des protéines induite par ET-1. Mots clés: Endothéline ; Peroxyde d'hydrogène ; CaMKII ; Monoxyde d’azote ; Système vasculaire ; PKB; ERK1/2; IGF-1R; Hypertrophie.

Evaluation of oxytocin pharmacokinetic : pharmacodynamic profile and establishment of its cardiomyogenic potential in swine

La thérapie cellulaire est une avenue pleine de promesses pour la régénération myocardique, par le remplacement du tissu nécrosé, ou en prévenant l'apoptose du myocarde survivant, ou encore par l'amélioration de la néovascularisation. Les cellules souches de la moelle osseuse (CSMO) expriment des marqueurs cardiaques in vitro quand elles sont exposées à des inducteurs. Pour cette raison, elles ont été utilisées dans la thérapie cellulaire de l'infarctus au myocarde dans des études pre-cliniques et cliniques. Récemment, il a été soulevé de possibles effets bénéfiques de l'ocytocine (OT) lors d’infarctus. Ainsi, l’OT est un inducteur de différenciation cardiaque des cellules souches embryonnaires, et cette différenciation est véhiculée par la voie de signalisation du monoxyde d’azote (NO)-guanylyl cyclase soluble. Toutefois, des données pharmacocinétiques de l’OT lui attribue un profil non linéaire et celui-ci pourrait expliquer les effets pharmacodynamiques controversés, rapportés dans la lttérature. Les objectifs de ce programme doctoral étaient les suivants : 1) Caractériser le profil pharmacocinétique de différents schémas posologiques d'OT chez le porc, en développant une modélisation pharmacocinétique / pharmacodynamique plus adaptée à intégrer les effets biologiques (rénaux, cardiovasculaires) observés. 2) Isoler, différencier et trouver le temps optimal d’induction de la différenciation pour les CSMO porcines (CSMOp), sur la base de l'expression des facteurs de transcription et des protéines structurales cardiaques retrouvées aux différents passages. 3) Induire et quantifier la différenciation cardiaque par l’OT sur les CSMOp. 4) Vérifier le rôle du NO dans cette différenciation cardiaque sur les CSMOp. Nous avons constaté que le profil pharmacocinétique de l’OT est mieux expliqué par le modèle connu comme target-mediated drug disposition (TMDD), parce que la durée du séjour de l’OT dans l’organisme dépend de sa capacité de liaison à son récepteur, ainsi que de son élimination (métabolisme). D'ailleurs, nous avons constaté que la différenciation cardiomyogénique des CSMOp médiée par l’OT devrait être induite pendant les premiers passages, parce que le nombre de passages modifie le profile phénotypique des CSMOp, ainsi que leur potentiel de différenciation. Nous avons observé que l’OT est un inducteur de la différenciation cardiomyogénique des CSMOp, parce que les cellules induites par l’OT expriment des marqueurs cardiaques, et l'expression de protéines cardiaques spécifiques a été plus abondante dans les cellules traitées à l’OT en comparaison aux cellules traitées avec la 5-azacytidine, qui a été largement utilisée comme inducteur de différenciation cardiaque des cellules souches adultes. Aussi, l’OT a causé la prolifération des CMSOp. Finalement, nous avons observé que l'inhibition de la voie de signalisation du NO affecte de manière significative l'expression des protéines cardiaques spécifiques. En conclusion, ces études précisent un potentiel certain de l’OT dans le cadre de la thérapie cellulaire cardiomyogénique à base de cellules souches adultes, mais soulignent que son utilisation requerra de la prudence et un approfondissement des connaissances.

Le syndrome métabolique chez les congéniques du rat Dahl : influence de la diète et rôle du récepteur de l'ANP

L’hypertension artérielle et l’obésité sont deux composantes conjointement reliées du syndrome métabolique. Les récepteurs de l’ANP (GCA) et de l’oxyde nitrique (GCs) ont des propriétés diurétiques, natriurétiques, vasodilatatrices et sont liés au contrôle de la pression. Des études récentes ont démontré leur implication dans l’obésité. Hypothèse : Une différence génétique au niveau du gène GCA pourrait contribuer à des différences physiologiques. La composante lipidique et/ou sodique de la diète pourrait influencer la fonction rénale, cardiaque et les valeurs anthropométriques différemment chez les souches congéniques. Objectifs : (1) Déterminer l’effet de la composante lipidique et sodique des diètes; (2) Évaluer l’influence de GCA sur la réponse physiologique des souches congéniques; (3) Expliquer les mécanismes physiologiques procurant une réduction de la pression artérielle chez la souche SM9. Méthodologie : Des modèles congéniques du rat Dahl (DSS) hypertendu, nourri avec une diète riche en gras (HF) ou normale (NF), ont été utilisés pour démontrer l’impact d’un segment chromosomique d’origine normotendue. Résultats : La souche SM9 a une prise de poids plus importante que SM12 et DSS sur diète HF malgré un apport alimentaire équivalent. La souche SM9 présente également un ratio masse adipeuse/masse maigre plus élevé que SM12 et DSS. Nous n’avons observé aucune augmentation de la pression artérielle en réponse à la diète HF pour les 3 souches malgré une augmentation du dommage rénal pour les 3 souches. Le dommage rénal est plus important chez DSS que pour les 2 congéniques. La réponse diurétique à l’ANP est plus élevée chez SM9 et est influencée par le contenu en sel dand la diète. La perte glomérulaire plus importante chez le rat DSS semble compensée par une augmentation de la réponse à l’ANP par les glomérules résiduels. Il y a une corrélation entre l’activité de GCA en réponse à l’ANP, les niveaux d’ARNm et le nombre de répétition du dinucléotide TA dans son promoteur. Le rat DSS présente une hypertrophie cardiaque plus importante que les deux souches congénique et ceci n’est pas modifié par la diète HF. Conclusion : Nos études ont permis de mettre en évidence un effet génétique impliquant le segment chromosomique normotendu contenant GCA dans la réponse à une diète HF chez le rat DSS.

Long-term nitric oxide deficiency causes muscarinic supersensitivity and reduces beta(3)-adrenoceptor-mediated relaxation, causing rat detrusor overactivity

Background and purpose: Overactive bladder is a complex and widely prevalent condition, but little is known about its physiopathology. We have carried out morphological, biochemical and functional assays to investigate the effects of long-term nitric oxide (NO) deficiency on muscarinic receptor and beta-adrenoceptor modulation leading to overactivity of rat detrusor muscle. Experimental approach: Male Wistar rats received No-nitro-L-arginine methyl ester (L-NAME) in drinking water for 7-30 days. Functional responses to muscarinic and b-adrenoceptor agonists were measured in detrusor smooth muscle (DSM) strips in Krebs-Henseleit solution. Measurements of [H-3] inositol phosphate, NO synthase (NOS) activity, [H-3] quinuclidinyl benzilate ([H-3]QNB) binding and bladder morphology were also performed. Key results: Long-term L-NAME treatment significantly increased carbachol-induced DSM contractile responses after 15 and 30 days; relaxing responses to the beta(3)-adrenoceptor agonist BRL 37-344 were significantly reduced at 30 days. Constitutive NOS activity in bladder was reduced by 86% after 7 days and maintained up to 30 days of L-NAME treatment. Carbachol increased sixfold the [H-3] inositol phosphate in bladder tissue from rats treated with L-NAME. [H-3] QNB was bound with an apparent KD twofold higher in bladder membranes after L-NAME treatment compared with that in control. No morphological alterations in DSM were found. Conclusions and implications: Long-term NO deficiency increased rat DSM contractile responses to a muscarinic agonist, accompanied by significantly enhanced KD values for muscarinic receptors and [H-3] inositol phosphate accumulation in bladder. This supersensitivity for muscarinic agonists along with reductions of beta(3)-adrenoceptor-mediated relaxations indicated that overactive DSM resulted from chronic NO deficiency.

Decreased cGMP Level Contributes to Increased Contraction in Arteries From Hypertensive Rats Role of Phosphodiesterase 1

Recent evidence suggests that angiotensin II (Ang II) upregulates phosphodiesterase (PDE) 1A expression. We hypothesized that Ang II augmented PDE1 activation, decreasing the bioavailability of cyclic guanosine 3` 5`-monophosphate (cGMP), and contributing to increased vascular contractility. Male Sprague-Dawley rats received mini-osmotic pumps with Ang II (60 ng.min(-1)) or saline for 14 days. Phenylephrine (PE)-induced contractions were increased in aorta (E(max)168%+/- 8% vs 136%+/- 4%) and small mesenteric arteries (SMA; E(max)170%+/- 6% vs 143%+/- 3%) from Ang II-infused rats compared to control. PDE1 inhibition with vinpocetine (10 mu mol/L) reduced PE-induced contraction in aortas from Ang II rats (E(max)94%+/- 12%) but not in controls (154%+/- 7%). Vinpocetine decreased the sensitivity to PE in SMA from Ang II rats compared to vehicle (-log of half maximal effective concentration 5.1 +/- 0.1 vs 5.9 +/- 0.06), but not in controls (6.0 +/- 0.03 vs 6.1 +/- 0.04). Sildenafil (10 mu mol/L), a PDE5 inhibitor, reduced PE-induced maximal contraction similarly in Ang II and control rats. Arteries were contracted with PE (1 mu mol/L), and concentration-dependent relaxation to vinpocetine and sildenafil was evaluated. Aortas from Ang II rats displayed increased relaxation to vinpocetine compared to control (E(max)82%+/- 12% vs 445 +/- 5%). SMA from Ang II rats showed greater sensitivity during vinpocetine-induced relaxation compared to control (-log of half maximal effective concentration 6.1 +/- 0.3 vs 5.3 +/- 0.1). No differences in sildenafil-induced relaxation were observed. PDE1A and PDE1C expressions in aorta and PDE1A expression in SMA were increased in Ang II rats. cGMP production, which is decreased in arteries from Ang II rats, was restored after PDE1 blockade. We conclude that PDE1 activation reduces cGMP bioavailability in arteries from Ang II, contributing to increased contractile responsiveness. (Hypertension. 2011;57[part 2]:655-663.)

Platelet hyperaggregability in high-fat fed rats: A role for intraplatelet reactive-oxygen species production

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

Natriuretic peptides and nitric oxide stimulate cGMP synthesis in different cellular compartments.

Cyclic nucleotide-gated (CNG) channels are a family of ion channels activated by the binding of cyclic nucleotides. Endogenous channels have been used to measure cyclic nucleotide signals in photoreceptor outer segments and olfactory cilia for decades. Here we have investigated the subcellular localization of cGMP signals by monitoring CNG channel activity in response to agonists that activate either particulate or soluble guanylyl cyclase. CNG channels were heterologously expressed in either human embryonic kidney (HEK)-293 cells that stably overexpress a particulate guanylyl cyclase (HEK-NPRA cells), or cultured vascular smooth muscle cells (VSMCs). Atrial natriuretic peptide (ANP) was used to activate the particulate guanylyl cyclase and the nitric oxide donor S-nitroso-n-acetylpenicillamine (SNAP) was used to activate the soluble guanylyl cyclase. CNG channel activity was monitored by measuring Ca2+ or Mn2+ influx through the channels using the fluorescent dye, fura-2. We found that in HEK-NPRA cells, ANP-induced increases in cGMP levels activated CNG channels in a dose-dependent manner (0.05-10 nM), whereas SNAP (0.01-100 microM) induced increases in cGMP levels triggered little or no activation of CNG channels (P < 0.01). After pretreatment with 100 microM 3-isobutyl-1-methylxanthine (IBMX), a nonspecific phosphodiesterase inhibitor, ANP-induced Mn2+ influx through CNG channels was significantly enhanced, while SNAP-induced Mn2+ influx remained small. In contrast, we found that in the presence of IBMX, both 1 nM ANP and 100 microM SNAP triggered similar increases in total cGMP levels. We next sought to determine if cGMP signals are compartmentalized in VSMCs, which endogenously express particulate and soluble guanylyl cyclase. We found that 10 nM ANP induced activation of CNG channels more readily than 100 muM SNAP; whereas 100 microM SNAP triggered higher levels of total cellular cGMP accumulation. These results suggest that cGMP signals are spatially segregated within cells, and that the functional compartmentalization of cGMP signals may underlie the unique actions of ANP and nitric oxide.

Heme oxygenase 2: endothelial and neuronal localization and role in endothelium-dependent relaxation.

Heme oxygenase 2 (HO-2), which synthesizes carbon monoxide (CO), has been localized by immunohistochemistry to endothelial cells and adventitial nerves of blood vessels. HO-2 is also localized to neurons in autonomic ganglia, including the petrosal, superior cervical, and nodose ganglia, as well as ganglia in the myenteric plexus of the intestine. Enzyme studies demonstrated that tin protoporphyrin-9 is a selective inhibitor of HO with approximately 10-fold selectivity for HO over endothelial nitric oxide synthase (NOS) and soluble guanylyl cyclase. Inhibition of HO activity by tin protoporphyrin 9 reverses the component of endothelial-derived relaxation of porcine distal pulmonary arteries not reversed by an inhibitor of NOS. Thus, CO, like NO, may have endothelial-derived relaxing activity. The similarity of NOS and HO-2 localizations and functions in blood vessels and the autonomic nervous system implies complementary and possibly coordinated physiologic roles for these two mediators.

The white gene and locomotor recovery from anoxia in Drosophila melanogaster

Locomotor recovery from anoxia is complicated and little is known about the molecular and cellular mechanisms regulating anoxic recovery in Drosophila. For this thesis I established a protocol for large-scale analysis of locomotor activity in adult flies with exposure to a transient anoxia. Using this protocol I observed that wild-type Canton-S flies recovered faster and more consistently from anoxia than the white-eyed mutant w1118, which carries a null allele of w1118 in an isogenic genetic background. Both Canton-S and w1118 are commonly used controls in the Drosophila community. Genetic analysis including serial backcrossing, RNAi knockdown, w+ duplication to Y chromosome as well as gene mutation revealed a strong association between the white gene and the timing of locomotor recovery. I also found that the locomotor recovery phenotype is independent of white-associated eye pigmentation, that heterozygous w+ allele was haplo-insufficient to induce fast and consistent locomotor recovery from anoxia in female flies, and that mini-white is insufficient to promote fast and consistent locomotor recovery. Moreover, locomotor recovery was delayed in flies with RNAi knockdown of white in subsets of serotonin neurons in the central nervous system. I further demonstrated that mutations of phosphodiesterase genes (PDE) displayed wild-type-like fast and consistent locomotor recovery, and that locomotor recovery was light-sensitive in the night in w1118. The delayed locomotor recovery and the light sensitivity were eliminated in PDE mutants that were dual-specific or cyclic guanosine monophosphate (cGMP)-specific. Up-regulation of cGMP using multiple approaches including PDE mutation, sildenafil feeding or specific expression of an atypical soluble guanylyl cyclase (Gyc88E) was sufficient to suppress w-RNAi induced delay of locomotor recovery. Taken together, these data strongly support the hypothesis that White transports cGMP and promotes fast and consistent locomotor recovery from anoxia.