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.

Le peptide natriurétique auriculaire induit la différenciation cardiaque dans les cellules souches embryonnaires carcinomateuses de souris P19

Traditionnellement associée à la reproduction féminine, l'ocytocine (OT), une hormone peptidique synthétisée par les noyaux paraventriculaire et supraoptique de l'hypothalamus et sécrétée par l'hypophyse postérieure (neurohypophyse), a été récemment revue et a été démontrée avoir plusieurs nouveaux rôles dans le système cardio-vasculaire. En effet, notre laboratoire a montré que l’OT peut induire la différenciation des cellules souches embryonnaires (CSE) en cardiomyocytes (CM) fonctionnels. À l’aide du modèle cellulaire embryonnaire carcinomateux de souris P19, il a été démontré que ce processus survenait suite à la libération de la guanosine monophosphate cyclique (GMPc) dépendante du monoxyde d’azote. De même, il est connu que le peptide natriurétique auriculaire (ANP), un peptide produit, stocké et sécrété par les myocytes cardiaques, peut aussi induire la production du GMPc. De nombreuses études ont démontré que le cœur ayant subi un infarctus pouvait être régénéré à partir d’une population isolée de cellules souches et progénitrices transplantées. Une de ces populations de cellules, fréquemment isolées à partir d'organes provenant d'animaux aux stades de développement embryonnaire et adulte, appelée « Side Population » (SP), sont identifiées par cytométrie en flux (FACS) comme une population de cellules non marquées par le colorant fluorescent Hoechst 33342 (Ho). Les cellules SP expriment des protéines de transport spécifiques, de la famille ATP-binding cassette, qui ont pour rôle de transporter activement le colorant fluorescent Ho de leur cytoplasme. La sous-population de cellules SP isolée du cœur affiche un potentiel de différenciation cardiaque amélioré en réponse à un traitement avec l’OT. Récemment, l'hétérogénéité phénotypique et fonctionnelle des CSE a été mise en évidence, et cela a été corrélé avec la présence de sous-populations cellulaires ressemblant beaucoup aux cellules SP issues du cœur. Puisque l’ANP peut induire la production du GMPc et qu’il a été démontré que la différenciation cardiaque était médiée par la production du GMPc, alors nous émettons l'hypothèse selon laquelle l’ANP pourrait induire la différenciation cardiaque. Étant donné que les CSE sont composés d’un mélange de différents types cellulaires alors nous émettons aussi l’hypothèse selon laquelle l’utilisation d’une sous-population de CSE plus homogène renforcerait le potentiel de différenciation de l'ANP. Méthodes : Les SP ont été isolées des cellules P19 par FACS en utilisant la méthode d’exclusion du colorant fluorescent Ho. Puis, leur phénotype a été caractérisé par immunofluorescence (IF) pour les marqueurs de l’état indifférencié, d’auto-renouvellement et de pluripotence octamer-binding transcription factor 4 (OCT4) et stage-specific embryonic antigen-1 (SSEA1). Ensuite, la dose pharmacologique optimale d’ANP a été déterminée via des tests de cytotoxicité sur des cellules P19 (MTT assay). Pour induire la différenciation en cardiomyocytes, des cellules à l’état de sphéroïdes ont été formées à l’aide de la technique du « Hanging-Drop » sous la stimulation de l’ANP pendant 5 jours. Puis, des cryosections ont été faites dans les sphéroïdes afin de mettre en évidence la présence de marqueurs de cellules cardiaques progénitrices tels que GATA4, Nkx2.5 et un marqueur mitochondrial spécifique Tom22. Ensuite, les cellules SP P19 ont été stimulées dans les sphéroïdes cellulaires par le traitement avec de l'ANP (10-7 M) ou de l’OT (10-7 M), de l’antagoniste spécifique du guanylate cyclase particulé (GCp) A71915 (10-6 M), ainsi que la combinaison des inducteurs OT+ANP, OT+A71915, ANP+A71915. Après la mise en culture, la différenciation en cardiomyocytes a été identifié par l’apparition de colonies de cellules battantes caractéristiques des cellules cardiaques, par la détermination du phénotype cellulaire par IF, et enfin par l’extraction d'ARN et de protéines qui ont été utilisés pour le dosage du GMPc par RIA, l’expression des ARNm par RT-PCR et l’expression des protéines par immunobuvardage de type western. Résultats : Les sphéroïdes obtenus à l’aide de la technique du « Hanging-Drop » ont montré une hausse modeste de l’expression des ARNm suivants : OTR, ANP et GATA4 comparativement aux cellules cultivées en monocouches. Les sphéroïdes induits par l’ANP ont présenté une augmentation significative des facteurs de transcription cardiaque GATA4 et Nkx2.5 ainsi qu’un plus grand nombre de mitochondries caractérisé par une plus grande présence de Tom22. De plus, L’ANP a induit l’apparition de colonies de cellules battantes du jour 7 (stade précoce) au jour 14 (stade mature) de façon presque similaire à l’OT. Cependant, la combinaison de l’ANP avec l’OT n’a pas induit de colonies de cellules battantes suggérant un effet opposé à celui de l’OT. Par IF, nous avons quantifié (nombre de cellules positives) et caractérisé, du jour 6 au jour 14 de différenciation, le phénotype cardiaque de nos cellules en utilisant les marqueurs suivants : Troponine T Cardiaque, ANP, Connexines 40 et 43, l’isoforme ventriculaire de la chaîne légère de myosine (MLC-2v), OTR. Les SP différenciées sous la stimulation de l’ANP ont montré une augmentation significative du GMPc intracellulaire comparé aux cellules non différenciées. À notre grande surprise, l’antagoniste A71915 a induit une plus grande apparition de colonies de cellules battantes comparativement à l’OT et l’ANP à un jour précoce de différenciation cardiaque et l’ajout de l’OT ou de l’ANP a potentialisé ses effets, augmentant encore plus la proportion de colonies de cellules battantes. De plus, la taille des colonies de cellules battantes était encore plus importante que sous la simple stimulation de l’OT ou de l’ANP. Les analyses radioimmunologiques dans les cellules SP P19 stimulés avec l’ANP, A71915 et la combinaison des deux pendant 15min, 30min et 60min a montré que l’ANP stimule significativement la production du GMPc, cependant A71915 n’abolit pas les effets de l’ANP et celui-ci au contraire stimule la production du GMPc via des effets agonistes partiels. Conclusion : Nos résultats démontrent d’une part que l’ANP induit la différenciation des cellules SP P19 en CM fonctionnels. D’autre part, il semblerait que la voie de signalisation NPRA-B/GCp/GMPc soit impliquée dans le mécanisme de différenciation cardiaque puisque l’abolition du GMPc médiée par le GCp potentialise la différenciation cardiaque et il semblerait que cette voie de signalisation soit additive de la voie de signalisation induite par l’OT, NO/GCs/GMPc, puisque l’ajout de l’OT à l’antagoniste A71915 stimule plus fortement la différenciation cardiaque que l’OT ou l’A71915 seuls. Cela suggère que l’effet thérapeutique des peptides natriurétiques observé dans la défaillance cardiaque ainsi que les propriétés vasodilatatrices de certains antagonistes des récepteurs peptidiques natriurétiques inclus la stimulation de la différenciation des cellules souches en cardiomyocytes. Cela laisse donc à penser que les peptides natriurétiques ou les antagonistes des récepteurs peptidiques natriurétiques pourraient être une alternative très intéressante dans la thérapie cellulaire visant à induire la régénération cardiovasculaire.

Protective signaling of oxytocin in an in vitro model of myocardial ischemia - reperfusion

Introduction : La prévention de la mort de cellules cardiaques contractiles suite à un épisode d'infarctus du myocarde représente le plus grand défi dans la récupération de la fonction cardiaque. On a démontré à maintes reprises que l'ocytocine (OT), l'hormone bien connue pour ses rôles dans le comportement social et reproductif et couramment utilisée dans l’induction de l’accouchement, diminue la taille de l'infarctus et améliore la récupération fonctionnelle du myocarde blessé. Les mécanismes de cette protection ne sont pas totalement compris. Objectif : Étudier les effets d'un traitement avec de l'ocytocine sur des cardiomyocytes isolés en utilisant un modèle in vitro qui simule les conditions d'un infarctus du myocarde. Méthodes : La lignée cellulaire myoblastique H9c2 a été utilisée comme modèle de cardiomyocyte. Pour simuler le dommage d'ischémie-reperfusion (IR), les cellules ont été placées dans un tampon ischémique et incubées dans une chambre anoxique pendant 2 heures. La reperfusion a été accomplie par la restauration du milieu de culture régulier dans des conditions normales d'oxygène. L'OT a été administrée en présence ou en absence d'inhibiteurs de kinases connues pour être impliquées dans la cardioprotection. La mortalité cellulaire a été évaluée par TUNEL et l'activité mitochondriale par la production de formazan pendant 1 à 4 heures de reperfusion. La microscopie confocale a servie pour localiser les structures cellulaires. Résultats : Le modèle expérimental de l'IR dans les cellules H9c2 a été caractérisé par une diminution dans la production de formazan (aux alentours de 50 à 70 % du groupe témoin, p < 0.001) et par l'augmentation du nombre de noyaux TUNEL-positif (11.7 ± 4.5% contre 1.3 ± 0.7% pour le contrôle). L'addition de l'OT (10-7 a 10-9 M) au commencement de la reperfusion a inversé les effets de l'IR jusqu'aux niveaux du contrôle (p < 0.001). L'effet protecteur de l'OT a été abrogé par : i) un antagoniste de l'OT ; ii) le knockdown de l'expression du récepteur à l'OT induit par le siRNA ; iii) la wortmannin, l'inhibiteur de phosphatidylinositol 3-kinases ; iv) KT5823, l'inhibiteur de la protéine kinase dépendante du cGMP (PKG); v) l'ODQ, un inhibiteur du guanylate cyclase (GC) soluble, et A71915, un antagoniste du GC membranaire. L'analyse confocale des cellules traitées avec OT a révélé la translocation du récepteur à l'OT et la forme phosphorylée de l'Akt (Thr 308, p-Akt) dans le noyau et dans les mitochondries. Conclusions : L'OT protège directement la viabilité des cardiomyocytes, lorsqu'elle est administrée au début de la reperfusion, par le déclenchement de la signalisation du PI3K, la phosphorylation de l'Akt et son trafic cellulaire. La cytoprotection médiée par l'OT implique la production de cGMP par les deux formes de GC.

Azul de metileno no tratamento da síndrome vasoplégica em cirurgia cardíaca. quinze anos de perguntas, respostas, dúvidas e certezas

Objective: There is strong evidence that methylene blue (MB), an inhibitor of guanylate cyclase, is an excellent therapeutic option for vasoplegic syndrome (VS) treatment in heart surgery. The aim of this article is to review the MB's therapeutic function in the vasoplegic syndrome treatment. Methods: Fifteen years of literature review. Results: 1) Heparin and ACE inhibitors are risk factors; 2) In the recommended doses it is safe (the lethal dose is 40 mg/ kg); 3) The use of MB does not cause endothelial dysfunction; 4) The MB effect appears in cases of nitric oxide (NO) up-regulation; 5) MB is not a vasoconstrictor, by blocking of the GMPc system it releases the AMPc system, facilitating the norepinephrine vasoconstrictor effect; 6) The most used dosage is 2 mg/kg as IV bolus followed by the same continuous infusion because plasmatic concentrations strongly decays in the first 40 minutes; 7) There is a possible window of opportunity for the MB's effectiveness. Conclusions: Although there are no definitive multicentric studies, the MB used to treat heart surgery VS, at the present time, is the best, safest and cheapest option, being a Brazilian contribution for the heart surgery.

The peripheral L-arginine-nitric oxide-cyclic GMP pathway and ATP-sensitive K+ channels are involved in the antinociceptive effect of crotalphine on neuropathic pain in rats

Crotalphine, a 14 amino acid peptide first isolated from the venom of the South American rattlesnake Crotalus durissus terrificus, induces a peripheral long-lasting and opioid receptor-mediated antinociceptive effect in a rat model of neuropathic pain induced by chronic constriction of the sciatic nerve. In the present study, we further characterized the molecular mechanisms involved in this effect, determining the type of opioid receptor responsible for this effect and the involvement of the nitric oxide-cyclic GMP pathway and of K+ channels. Crotalphine (0.2 or 5 mu g/kg, orally; 0.0006 mu g/paw), administered on day 14 after nerve constriction, inhibited mechanical hyperalgesia and low-threshold mechanical allodynia. The effect of the peptide was antagonized by intraplantar administration of naltrindole, an antagonist of delta-opioid receptors, and partially reversed by norbinaltorphimine, an antagonist of kappa-opioid receptors. The effect of crotalphine was also blocked by 7-nitroindazole, an inhibitor of the neuronal nitric oxide synthase; by 1H-(1,2,4) oxadiazolo[4,3-a]quinoxaline-1-one, an inhibitor of guanylate cyclase activation; and by glibenclamide, an ATP-sensitive K+ channel blocker. The results suggest that peripheral delta-opioid and kappa-opioid receptors, the nitric oxide-cyclic GMP pathway, and ATP-sensitive K+ channels are involved in the antinociceptive effect of crotalphine. The present data point to the therapeutic potential of this peptide for the treatment of chronic neuropathic pain. Behavioural Pharmacology 23:14-24 (C) 2012 Wolters Kluwer Health | Lippincott Williams & Wilkins.

Mechanisms underlying the inhibitory effects of uroguanylin on NHE3 transport activity in renal proximal tubule

Lessa LM, Carraro-Lacroix LR, Crajoinas RO, Bezerra CN, Dariolli R, Girardi AC, Fonteles MC, Malnic G. Mechanisms underlying the inhibitory effects of uroguanylin on NHE3 transport activity in renal proximal tubule. Am J Physiol Renal Physiol 303: F1399-F1408, 2012. First published September 5, 2012; doi: 10.1152/ajprenal.00385.2011.-We previously demonstrated that uroguanylin (UGN) significantly inhibits Na+/H+ exchanger (NHE)3-mediated bicarbonate reabsorption. In the present study, we aimed to elucidate the molecular mechanisms underlying the action of UGN on NHE3 in rat renal proximal tubules and in a proximal tubule cell line (LLC-PK1). The in vivo studies were performed by the stationary microperfusion technique, in which we measured H+ secretion in rat renal proximal segments, through a H+-sensitive microelectrode. UGN (1 mu M) significantly inhibited the net of proximal bicarbonate reabsorption. The inhibitory effect of UGN was completely abolished by either the protein kinase G (PKG) inhibitor KT5823 or by the protein kinase A (PKA) inhibitor H-89. The effects of UGN in vitro were found to be similar to those obtained by microperfusion. Indeed, we observed that incubation of LLC-PK1 cells with UGN induced an increase in the intracellular levels of cAMP and cGMP, as well as activation of both PKA and PKG. Furthermore, we found that UGN can increase the levels of NHE3 phosphorylation at the PKA consensus sites 552 and 605 in LLC-PK1 cells. Finally, treatment of LLC-PK1 cells with UGN reduced the amount of NHE3 at the cell surface. Overall, our data suggest that the inhibitory effect of UGN on NHE3 transport activity in proximal tubule is mediated by activation of both cGMP/PKG and cAMP/PKA signaling pathways which in turn leads to NHE3 phosphorylation and reduced NHE3 surface expression. Moreover, this study sheds light on mechanisms by which guanylin peptides

Impaired vascular function in normoglycemic mice prone to autoimmune diabetes: role of nitric oxide

Type 1 diabetes is an immuno-inflammatory condition which increases the risk of cardiovascular disease, particularly in young adults. This study investigated whether vascular function is altered in mice prone to autoimmune diabetes and whether the nitric oxide (NO)-cyclic GMP axis is involved. Aortic rings suspended in organ chambers and precontracted with phenylephrine were exposed to cumulative concentrations of acetylcholine. To investigate the role of NO, some experiments were performed in the presence of either 1400W (N-(3-aminomethyl)benzyl-acetamidine hydrochloride), a selective inhibitor of the iNOS-isoform, L-NAME (N(G)-nitro-L-arginine methyl ester hydrochloride), an inhibitor of all three NOS-isoforms, or ODQ (1H-[1,2,4]oxadiazolo[4,3-a]quinoxalin-1-one), a selective inhibitor of guanylate cyclase. Moreover, contractility to phenylephrine, big endothelin-1, and endothelin-1 was assessed and histological analysis and iNOS immunohistochemistry were performed. Endothelium-dependent relaxation was reduced in prediabetic NOD mice (78+/-4 vs. 88+/-2%, respectively, P<0.05 vs. control) despite normal plasma glucose levels (n.s. vs. control). Preincubation with 1400W further attenuated responses in prediabetic (P<0.05 vs. untreated) but not in diabetic or in control mice. In contrast, basal NO bioactivity remained unaffected until the onset of diabetes in NOD mice. Contractile responses to big endothelin-1 and endothelin-1 were reduced in prediabetic animals (P<0.05 vs. control), whereas in diabetic mice only responses to big endothelin-1 were decreased (P<0.05 vs. control). These data demonstrate that endothelium-dependent and -independent vascular function in NOD mice is abnormal already in prediabetes in the absence of structural injury. Early proinflammatory activation due to iNOS in diabetes-prone NOD mice appears to be one of the mechanisms contributing to impaired vasoreactivity.

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.

Characterization of the antiproliferative signal mediated by the somatostatin receptor subtype sst5

We investigated cell proliferation modulated by cholecystokinin (CCK) and somatostatin analogue RC-160 in CHO cells bearing endogenous CCKA receptors and stably transfected by human subtype sst5 somatostatin receptor. CCK stimulated cell proliferation of CHO cells. This effect was suppressed by inhibitor of the soluble guanylate cyclase, LY 83583, the inhibitor of the cGMP dependent kinases, KT 5823, and the inhibitor of mitogen-activated protein (MAP) kinase kinase, PD 98059. CCK treatment induced an increase of intracellular cGMP concentrations, but concomitant addition of LY 83583 virtually suppressed this increase. CCK also activated both phosphorylation and activity of p42-MAP kinase; these effects were inhibited by KT 5823. All the effects of CCK depended on a pertussis toxin-dependent G protein. Somatostatin analogue RC-160 inhibited CCK-induced stimulation of cell proliferation but it did not potentiate the suppressive effect of the inhibitors LY 83583 and KT 5823. RC-160 inhibited both CCK-induced intracellular cGMP formation as well as activation of p42-MAP kinase phosphorylation and activity. This inhibitory effect was observed at doses of RC-160 similar to those necessary to occupy the sst5 recombinant receptor and to inhibit CCK-induced cell proliferation. We conclude that, in CHO cells, the proliferation and the MAP kinase signaling cascade depend on a cGMP-dependent pathway. These effects are positively regulated by CCK and negatively influenced by RC-160, interacting through CCKA and sst5 receptors, respectively. These studies provide a characterization of the antiproliferative signal mediated by sst5 receptor.

A rhodopsin-guanylyl cyclase gene fusion functions in visual perception in a fungus

Copyright © 2014 The Authors. Published by Elsevier Inc. All rights reserved.

Human recombinant soluble guanylyl cyclase: Expression, purification, and regulation

The α1- and β1-subunits of human soluble guanylate cyclase (sGC) were coexpressed in the Sf9 cells/baculovirus system. In addition to the native enzyme, constructs with hexahistidine tag at the amino and carboxyl termini of each subunit were coexpressed. This permitted the rapid and efficient purification of active recombinant enzyme on a nickel-affinity column. The enzyme has one heme per heterodimer and was readily activated with the NO donor sodium nitroprusside or 3-(5′-hydroxymethyl-2′furyl)-1-benzyl-indazole (YC-1). Sodium nitroprusside and YC-1 treatment potentiated each other in combination and demonstrated a remarkable 2,200-fold stimulation of the human recombinant sGC. The effects were inhibited with 1H-(1,2,4)oxadiazole(4,3-a)quinoxalin-1one (ODQ). The kinetics of the recombinant enzyme with respect to GTP was examined. The products of the reaction, cGMP and pyrophosphate, inhibited the enzyme. The extent of inhibition by cGMP depended on the activation state of the enzyme, whereas inhibition by pyrophosphate was not affected by the enzyme state. Both reaction products displayed independent binding and cooperativity with respect to enzyme inhibition. The expression of large quantities of active enzyme will facilitate structural characterization of the protein.

Mechanism for fetal globin gene expression: Role of the soluble guanylate cyclase–cGMP-dependent protein kinase pathway

Despite considerable concerns with pharmacological stimulation of fetal hemoglobin (Hb F) as a therapeutic option for the β-globin disorders, the molecular basis of action of Hb F-inducing agents remains unclear. Here we show that an intracellular pathway including soluble guanylate cyclase (sGC) and cGMP-dependent protein kinase (PKG) plays a role in induced expression of the γ-globin gene. sGC, an obligate heterodimer of α- and β-subunits, participates in a variety of physiological processes by converting GTP to cGMP. Northern blot analyses with erythroid cell lines expressing different β-like globin genes showed that, whereas the β-subunit is expressed at similar levels, high-level expression of the α-subunit is preferentially observed in erythroid cells expressing γ-globin but not those expressing β-globin. Also, the levels of expression of the γ-globin gene correlate to those of the α-subunit. sGC activators or cGMP analogs increased expression of the γ-globin gene in erythroleukemic cells as well as in primary erythroblasts from normal subjects and patients with β-thalassemia. Nuclear run-off assays showed that the sGC activator protoporphyrin IX stimulates transcription of the γ-globin gene. Furthermore, increased expression of the γ-globin gene by well known Hb F-inducers such as hemin and butyrate was abolished by inhibiting sGC or PKG activity. Taken together, these results strongly suggest that the sGC–PKG pathway constitutes a mechanism that regulates expression of the γ-globin gene. Further characterization of this pathway should permit us to develop new therapeutics for the β-globin disorders.

Spatiotemporal dynamics of guanosine 3′,5′-cyclic monophosphate revealed by a genetically encoded, fluorescent indicator

To investigate the dynamics of guanosine 3′,5′-cyclic monophosphate (cGMP) in single living cells, we constructed genetically encoded, fluorescent cGMP indicators by bracketing cGMP-dependent protein kinase (cGPK), minus residues 1–77, between cyan and yellow mutants of green fluorescent protein. cGMP decreased fluorescence resonance energy transfer (FRET) and increased the ratio of cyan to yellow emissions by up to 1.5-fold with apparent dissociation constants of ≈2 μM and >100:1 selectivity for cGMP over cAMP. To eliminate constitutive kinase activity, Thr516 of cGPK was mutated to Ala. Emission ratio imaging of the indicators transfected into rat fetal lung fibroblast (RFL)-6 showed cGMP transients resulting from activation of soluble and particulate guanylyl cyclase, respectively, by nitric oxide (NO) and C-type natriuretic peptide (CNP). Whereas all naive cells tested responded to CNP, only 68% responded to NO. Both sets of signals showed large and variable (0.5–4 min) latencies. The phosphodiesterase (PDE) inhibitor 3-isobutyl-1-methylxanthine (IBMX) did not elevate cGMP on its own but consistently amplified responses to NO or CNP, suggesting that basal activity of guanylate cyclase is very low and emphasizing the importance of PDEs in cGMP recycling. A fraction of RFL cells showed slowly propagating tides of cGMP spreading across the cell in response to delocalized application of NO. Biolistically transfected Purkinje neurons showed cGMP responses to parallel fiber activity and NO donors, confirming that single-cell increases in cGMP occur under conditions appropriate to cause synaptic plasticity.

Nitric oxide inhibits the release of norepinephrine and dopamine from the medial basal hypothalamus of the rat.

Previous research indicates that norepinephrine and dopamine stimulate release of luteinizing hormone (LH)-releasing hormone (LHRH), which then reaches the adenohypophysis via the hypophyseal portal vessels to release LH. Norepinephrine exerts its effect via alpha 1-adrenergic receptors, which stimulate the release of nitric oxide (NO) from nitricoxidergic (NOergic) neurons in the medial basal hypothalamus (MBH). The NO activates guanylate cyclase and cyclooxygenase, thereby inducing release of LHRH into the hypophyseal portal vessels. We tested the hypothesis that these two catecholamines modulate NO release by local feedback. MBH explants were incubated in the presence of sodium nitroprusside (NP), a releaser of NO, and the effect on release of catecholamines was determined. NP inhibited release of norepinephrine. Basal release was increased by incubation of the tissue with the NO scavenger hemoglobin (20 micrograms/ml). Hemoglobin also blocked the inhibitory effect of NP. In the presence of high-potassium (40 mM) medium to depolarize cell membranes, norepinephrine release was increased by a factor of 3, and this was significantly inhibited by NP. Hemoglobin again produced a further increase in norepinephrine release and also blocked the action of NP. When constitutive NO synthase was inhibited by the competitive inhibitor NG-monomethyl-L-arginine (NMMA) at 300 microM, basal release of norepinephrine was increased, as was potassium-evoked release, and this was associated in the latter instance with a decrease in tissue concentration, presumably because synthesis did not keep up with the increased release in the presence of NMMA. The results were very similar with dopamine, except that reduction of potassium-evoked dopamine release by NP was not significant. However, the increase following incubation with hemoglobin was significant, and hemoglobin, when incubated with NP, caused a significant elevation in dopamine release above that with NP alone. In this case, NP increased tissue concentration of dopamine along with inhibiting release, suggesting that synthesis continued, thereby raising the tissue concentration in the face of diminished release. When the tissue was incubated with NP plus hemoglobin, which caused an increase in release above that obtained with NP alone, the tissue concentration decreased significantly compared with that in the absence of hemoglobin, indicating that, with increased release, release exceeded synthesis, causing a fall in tissue concentration. When NO synthase was blocked by NMMA, the release of dopamine, under either basal or potassium-evoked conditions, was increased. Again, in the latter instance the tissue concentration declined significantly, presumably because synthesis did not match release. Therefore, the results were very similar with both catecholamines and indicate that NO acts to suppress release of both amines. Since both catecholamines activate the release of LHRH, the inhibition of their release by NO serves as an ultra-short-loop negative feedback by which NO inhibits the release of the catecholamines, thereby reducing the activation of the NOergic neurons and decreasing the release of LHRH. This may be an important means for terminating the pulses of release of LHRH, which generate the pulsatile release of LH that stimulates gonadal function in both male and female mammals.

Sildenafil Potentiates a cGMP-Dependent Pathway to Promote Melanoma Growth.

Sildenafil, an inhibitor of the cGMP-degrading phosphodiesterase 5 that is used to treat erectile dysfunction, has been linked to an increased risk of melanoma. Here, we have examined the potential connection between cGMP-dependent signaling cascades and melanoma growth. Using a combination of biochemical assays and real-time monitoring of melanoma cells, we report a cGMP-dependent growth-promoting pathway in murine and human melanoma cells. We document that C-type natriuretic peptide (CNP), a ligand of the membrane-bound guanylate cyclase B, enhances the activity of cGMP-dependent protein kinase I (cGKI) in melanoma cells by increasing the intracellular levels of cGMP. Activation of this cGMP pathway promotes melanoma cell growth and migration in a p44/42 MAPK-dependent manner. Sildenafil treatment further increases intracellular cGMP concentrations, potentiating activation of this pathway. Collectively, our data identify this cGMP-cGKI pathway as the link between sildenafil usage and increased melanoma risk.