Protein kinases C: potential targets for intervention in diabetic nephropathy

Protein kinases C are a family of serine threonine protein kinases that play key roles in extracellular signal transduction. Inappropriate activation of protein kinase C has been implicated in the pathophysiology of many diseases, including diabetes mellitus. Indeed, protein kinase C activation may contribute not only to the pathogenesis of diabetic complications such as nephropathy and retinopathy, but also to insulin resistance. Growing awareness that protein kinase C isoforms subserve specific subcellular functions has led to the development of isoform-specific inhibitors, which may be useful investigational tools and therapeutic agents for attenuating the effects of inappropriate protein kinase C activity. Here we review the role played by protein kinases C in diabetic nephropathy and the recent progress that has been made to modulate its activity using specific inhibitors. Curr Opin Nephrol Hypertens 7:563-570. (C) 1998 Lippincott Wiiliams & Wilkins.

Host cell kinases, α5 and β1 integrins, and Rac1 signalling on the microtubule cytoskeleton are important for non-typable Haemophilus influenzae invasion of respiratory epithelial cells

Non-typable Haemophilus influenzae (NTHi) is a common commensal of the human nasopharynx, but causes opportunistic infection when the respiratory tract is compromised by infection or disease. The ability of NTHi to invade epithelial cells has been described, but the underlying molecular mechanisms are poorly characterized. We previously determined that NTHi promotes phosphorylation of the serine-threonine kinase Akt in A549 human lung epithelial cells, and that Akt phosphorylation and NTHi cell invasion are prevented by inhibition of phosphoinositide 3-kinase (PI3K). Because PI3K-Akt signalling is associated with several host cell networks, the purpose of the current study was to identify eukaryotic molecules important for NTHi epithelial invasion. We found that inhibition of Akt activity reduced NTHi internalization; differently, bacterial entry was increased by phospholipase C?1 inhibition but was not affected by protein kinase inhibition. We also found that a5 and ß1 integrins, and the tyrosine kinases focal adhesion kinase and Src, are important for NTHi A549 cell invasion. NTHi internalization was shown to be favoured by activation of Rac1 guanosine triphosphatase (GTPase), together with the guanine nucleotide exchange factor Vav2 and the effector Pak1. Also, Pak1 might be associated with inactivation of the microtubule destabilizing agent Op18/stathmin, to facilitate microtubule polymerization and NTHi entry. Conversely, inhibition of RhoA GTPase and its effector ROCK increased the number of internalized bacteria. Src and Rac1 were found to be important for NTHi-triggered Akt phosphorylation. An increase in host cyclic AMP reduced bacterial entry, which was linked to protein kinase A. These findings suggest that NTHi finely manipulates host signalling molecules to invade respiratory epithelial cells.

The Role of Arg228 in the phosphorylation of galactokinase: The mechanism of GHMP kinases by QM/MM studies

GHMP kinases are a group of structurally-related small molecule kinases. They have been found in all kingdoms of life and are mostly responsible for catalysing the ATP-dependent phosphorylation of intermediary metabolites. Although the GHMP kinases are of clinical, pharmaceutical and biotechnological importance, the mechanism of GHMP-kinases is controversial. A catalytic base mechanism was suggested for mevalonate kinase that has a structural feature of the ?-phosphate of ATP close to an aspartate residue; however, for one GHMP member, homoserine kinase, where the residue acting as general base is absent, a direct phosphorylation mechanism was suggested. Furthermore, it has been proposed by some authors that all the GHMP kinases function via the direct phosphorylation mechanism. This controversy in mechanism has limited our ability to exploit these enzymes as drug targets and in biotechnology. Here the phosphorylation reaction mechanism of the human galactokinase, a member of GHMP kinase was investigated using molecular dynamics simulations and density functional theory-based QM/MM calculations (B3LYP-D/AMBER99). The reaction coordinates were localized by potential energy scan using adiabatic mapping method. Our results indicate that a highly conserved Glu174 captures Arg105 to the proximity of the a-phosphate of ATP forming a H-bond network, therefore the mobility of ATP in the large oxyanion hole is restricted. Arg228 functions to stabilize the negative charge developed at the ß,?-bridging oxygen of the ATP during bond cleavage. The reaction occurs via direct phosphorylation mechanism and the Asp186 in proximity of ATP does not directly participate in the reaction pathway. Since Arg228 is not conserved among GHMP kinases, reagents which form interactions with Arg228, and therefore can interrupt its function in phosphorylation may be developed into potential selective inhibitors for galactokinase.

Native and modified LDL activate extracellular signal-regulated kinases in mesangial cells

Glycation and/or oxidation of LDL may promote diabetic nephropathy. The mitogen-activated protein kinase (MAPK) cascade, which includes extracellular signal-regulated protein kinases (ERKs), modulates cell function. Therefore, we examined the effects of LDL on ERK phosphorylation in cultured rat mesangial cells. In cells exposed to 100 microg/ml native LDL or LDL modified by glycation, and/or mild or marked (copper-mediated) oxidation, ERK activation peaked at 5 min. Five minutes of exposure to 10-100 microg/ml native or modified LDL produced a concentration-dependent (up to sevenfold) increase in ERK activity. Also, 10 microg/ml native LDL and mildly modified LDL (glycated and/or mildly oxidized) produced significantly greater ERK activation than that induced by copper-oxidized LDL +/- glycation (P <0.05). Pretreatment of cells with Src kinase and MAPK kinase inhibitors blocked ERK activation by 50-80% (P <0.05). Native and mildly modified LDL, which are recognized by the native LDL receptor, induced a transient spike of intracellular calcium. Copper-oxidized (+/- glycation) LDL, recognized by the scavenger receptor, induced a sustained rise in intracellular calcium. The intracellular calcium chelator (EGTA/AM) further increased ERK activation by native and mildly modified LDL (P <0.05). These findings demonstrate that native and modified LDL activate ERKs 1 and 2, an early mitogenic signal, in mesangial cells and provide evidence for a potential link between modified LDL and the development of glomerular injury in diabetes.

GHMP Kinases - Structures, Mechanisms and Potential for Therapeutically Relevant Inhibition

The GHMP kinases are a structurally related family of small molecule kinases named after four of its members - galactokinase, homoserine kinase, mevalonate kinase and phosphomevalonate kinase. The group also includes the enzymes N-acetylgalactosamine kinase, arabinose kinase, mevalonate 5-diphosphate decarboxylase, archeal shikimate kinase and 4-(cytidine 5'-diphospho)-2-c-methyl-D-erythritol kinase. In addition the group includes two members not known to be catalytically active, the Caenorhabditis elegans sex-fate determining protein XOL-1 and the Saccharomyces cerevisiae transcriptional activator Gal3p. Two catalytic mechanisms have been proposed for GHMP kinases. The structure of mevalonate kinase suggests that an aspartate residue acts as an active site base, removing a proton from the substrate to facilitate attack on the ? phosphate of MgATP. In contrast, in homoserine kinase there is no potential catalytic base and it is proposed that catalysis is driven by transition state stabilisation. Potential chemotherapeutic interventions against GHMP kinases fall into three main categories: inhibition of galactokinase to assist suffers of galactosemia, inhibition of mevalonate kinase or mevalonate 5-diphosphate decarboxylase to reduce flux through the cholesterol biosynthesis pathway and inhibition of bacterial GHMP kinases for novel anti-microbial therapies. These are in the early stages of development, but the accumulation of structural and mechanistic data will assist future progress.

RIP kinases: key decision makers in cell death and innate immunity

Innate immunity represents the first line of defence against invading pathogens. It consists of an initial inflammatory response that recruits white blood cells to the site of infection in an effort to destroy and eliminate the pathogen. Some pathogens replicate within host cells, and cell death by apoptosis is an important effector mechanism to remove the replication niche for such microbes. However, some microbes have evolved evasive strategies to block apoptosis, and in these cases host cells may employ further countermeasures, including an inflammatory form of cell death know as necroptosis. This review aims to highlight the importance of the RIP kinase family in controlling these various defence strategies. RIP1 is initially discussed as a key component of death receptor signalling and in the context of dictating whether a cell triggers a pathway of pro-inflammatory gene expression or cell death by apoptosis. The molecular and functional interplay of RIP1 and RIP3 is described, especially with respect to mediating necroptosis and as key mediators of inflammation. The function of RIP2, with particular emphasis on its role in NOD signalling, is also explored. Special attention is given to emphasizing the physiological and pathophysiological contexts for these various functions of RIP kinases.

N-linked glycosylation supports cross-talk between receptor tyrosine kinases and androgen receptor

Prostate cancer is the second most common cause of cancer-associated deaths in men and signalling via a transcription factor called androgen receptor (AR) is an important driver of the disease. Androgen treatment is known to affect the expression and activity of other oncogenes including receptor tyrosine kinases (RTKs). In this study we report that AR-positive prostate cancer cell-lines express 50% higher levels of enzymes in the hexosamine biosynthesis pathway (HBP) than AR-negative prostate cell-lines. HBP produces hexosamines that are used by endoplasmic reticulum and golgi enzymes to glycosylate proteins targeted to plasma-membrane and secretion. Inhibition of O-linked glycosylation by ST045849 or N-linked glycosylation with tunicamycin decreased cell viability by 20%. In addition, tunicamycin inhibited the androgen-induced expression of AR target genes KLK3 and CaMKK2 by 50%. RTKs have been shown to enhance AR activity and we used an antibody array to identify changes in the phosphorylation status of RTKs in response to androgen stimulation. Hormone treatment increased the activity of Insulin like Growth Factor 1-Receptor (IGF-1R) ten-fold and this was associated with a concomitant increase in the N-linked glycosylation of the receptor, analyzed by lectin enrichment experiments. Glycosylation is known to be important for the processing and stability of RTKs. Inhibition of N-linked glycosylation resulted in accumulation of IGF-1R pro-receptor with altered mobility as shown by immunoprecipitation. Confocal imaging revealed that androgen induced plasma-membrane localization of IGF-1R was blocked by tunicamycin. In conclusion we have established that the glycosylation of IGF-1R is necessary for the full activation of the receptor in response to androgen treatment and that perturbing this process can break the feedback loop between AR and IGF-1R activation in prostate cells. Achieving similar results selectively in a clinical setting will be an important challenge in the future.

Studying N-linked glycosylation of receptor tyrosine kinases

Metabolic alterations have been identified as a frequent event in cancer. This is often associated with increased flux through glycolysis, and also a secondary pathway to glycolysis, hexosamine biosynthetic pathway (HBP). HBP provides substrate for N-linked glycosylation, which occurs in the endoplasmic reticulum and the Golgi apparatus. N-linked glycosylation supports protein folding and correct sorting of proteins to plasma membrane and secretion. This process generates complex glycoforms, which can be recognized by other proteins and glycosylation of receptor tyrosine kinases (RTK) can also regulate their plasma-membrane retention time. Of special interest for experimental biologists, plants produce proteins, termed lectins, which bind with high specificity to glyco-conjugates. For the purposes of molecular biology, plant lectins can be conjugated to different moieties, such as agarose beads, which enable precipitation of specifically glycosylated proteins. In this chapter, we describe in detail how to perform pull-down experiments with commercially available lectins to identify changes in the glycosylation of RTKs.

Regulation of gene expression by SnRK1 kinases and miRNAs during the plant stress response

Dissertation presented to obtain the Ph.D degree in Plant Physiology

Src family kinases are required for limb trajectory selection by spinal motor axons

Signal relay by guidance receptors at the axonal growth cone is a process essential for the assembly of a functional nervous system. We investigated the in vivo function of Src family kinases (SFKs) as growth cone guidance signaling intermediates in the context of spinal lateral motor column (LMC) motor axon projection toward the ventral or dorsal limb mesenchyme. Using in situ mRNA detection we determined that Src and Fyn are expressed in LMC motor neurons of chick and mouse embryos at the time of limb trajectory selection. Inhibition of SFK activity by C-terminal Src kinase (Csk) overexpression in chickLMCaxons using in ovo electroporation resulted inLMC axons selecting the inappropriate dorsoventral trajectory within the limb mesenchyme, with medial LMC axon projecting into the dorsal and ventral limb nerve with apparently random incidence. We also detected LMC axon trajectory choice errors in Src mutant mice demonstrating a nonredundant role for Src in motor axon guidance in agreement with gain and loss of Src function in chickLMCneurons which led to the redirection ofLMCaxons. Finally, Csk-mediated SFK inhibition attenuated the retargeting ofLMCaxons caused by EphA or EphB over-expression, implying the participation of SFKs in Eph-mediated LMC motor axon guidance. In summary, our findings demonstrate that SFKs are essential for motor axon guidance and suggest that they play an important role in relaying ephrin:Eph signals that mediate the selection of motor axon trajectory in the limb.

Caractérisation d'une famille de récepteurs kinases impliqués dans le développement gamétophytique chez Arabidopsis thaliana

Au cours du développement des végétaux, de l’établissement de l’identité cellulaire des premiers organes au guidage du tube pollinique, la communication cellule à cellule est d’une importance capitale. En réponse, les voies de signalisation moléculaires sont élaborées pour la perception d’un signal extérieur et la transduction en une réponse génique via une cascade intracellulaire. Les récepteurs kinases font partie des protéines perceptrices des stimuli et constituent chez les plantes une catégorie de protéines avec une occurrence considérable, mais dont très peu d’informations détaillées sont disponibles à ce jour. Une famille de récepteurs kinases chez Arabidopsis thaliana, AtORK11 (Arabidopsis thaliana Ovule Receptor Kinase 11), a été identifiée par orthologie à un récepteur spécifique aux ovaires chez une solanacéee sauvage, Solanum chacoense. La fonction présumée de cette famille de récepteurs kinases de type leucine-rich repeat, suggérée par son patron d’expression, implique les événements relatifs au développement des gamétophytes et à la reproduction. Afin de caractériser la fonction des quatre gènes de la famille (AtORK11a, AtORK11b, AtORK11c et AtORK11d) une stratégie d’analyse de mutants d’insertion de l’ADN-T et d’évaluation du mode d’action par complémentation bimoléculaire par fluorescence (BiFC) a été entreprise. Aucune fonction précise n’a pu être attribuée aux doubles mutants d’insertion, par contre la surexpression d’une construction dominante négative indique un rôle dans le développement gamétophytique. Il a aussi été démontré que les quatre récepteurs peuvent interagir par homodimérisation aussi bien que par hétérodimérisation. Une hypothèse de redondance fonctionnelle est ainsi mise à jour parmi la famille des gènes AtORK11.

Rôles des kinases IKK et IKK-related dans les maladies inflammatoires chroniques : implications dans l’athérosclérose et la réponse hypoxique

L’inflammation est un procédé complexe qui vise l’élimination de l’agent causal de dommages tissulaires en vue de faciliter la réparation du tissu affecté. La persistance de l’agent causal ou l’incapacité à résoudre l’inflammation mène à un dérèglement homéostatique chronique qui peut avoir une incidence sur la morbidité et la mortalité. L’athérosclérose est une condition inflammatoire chronique des vaisseaux sanguins dont l’origine est multifactorielle. L’hypertension et l’état infectieux représentent respectivement des facteurs de risque classiques et émergents du développement de cette maladie. Les fondements initiaux de l’inflammation font intervenir l’immunité innée, la première ligne de défense dont disposent les cellules pour répondre à un signal de danger. Le but de cette thèse est d’examiner le rôle pro-inflammatoire d’une famille de kinases essentielles à l’immunité innée, soit celle des kinases de IkappaB (IKK) et des kinases IKK-related. Les kinases IKKalpha et IKKbeta forment le complexe IKK avec la molécule adaptatrice NEMO/IKKgamma. Ce complexe est chargé d’effectuer la phosphorylation de l’inhibiteur de NF-kappaB, IkappaBalpha, ce qui mène à sa dégradation et à la libération du facteur de transcription NF-kappaB. Nous montrons que le peptide vasoactif angiotensine II (AngII) induit l’activité phosphotransférase d’IKKbeta dans les VSMC par immunoprécipitation de NEMO puis essai kinase in vitro. Grâce à une approche ARN interférence (ARNi) dirigée contre IKK, nous montrons que cette kinase est responsable de la phosphorylation de p65/RelA. Nous montrons que le mécanisme d’induction de NF-kappaB par l’AngII est atypique, puisqu’il ne module pas IkappaBalpha, et montrons à l’aide d’inhibiteurs pharmacologiques que l’activation de p65 est indépendante des voies MEK-ERK-RSK, PI3K et de la transactivation du récepteur de l’EGF. Les kinases IKK-related Tank-binding kinase 1 (TBK1) et IKK-i sont quant à elles principalement activées suite à une infection bactérienne ou virale. Ces kinases phosphorylent directement le facteur de transcription interferon regulatory factor (IRF)-3. Nous montrons que le cytomégalovirus humain, un pathogène associé à l’athérosclérose, a la capacité d’induire l’activation de TBK1 dans les VSMC. L’usage d’ARNi dirigé contre TBK1 et IKKi montre que les 2 kinases sont impliquées dans l’activation d’IRF-3. De plus, nous montrons à l’aide d’une lignée de VSMC exprimant une version dominante négative d’IRF-3 que ce dernier est essentiel à la synthèse des chimiokines RANTES et IP-10, tel qu’analysé par RT-PCR. Par ailleurs, il a récemment été montré que les kinases IKK-related étaient étroitement liées à la transformation oncogénique, et que TBK1 était pro-angiogénique. Or, l’angiogenèse est le plus souvent modulée par la réponse hypoxique qui est d’ailleurs commune à la majorité des processus inflammatoires. Le facteur de transcription hypoxia inducible factor (HIF)-1 module l’angiogenèse, l’inflammation et la survie cellulaire. Nous montrons à l’aide de cellules Tbk1 et Ikbke -/- et d’une approche lentivirale que TBK1 est spécifiquement impliquée dans l’induction traductionnelle de HIF-1alpha en condition de stress hypoxique. L’expression de TBK1 est induite sous ces conditions, et cette kinase module la phosphorylation de ERK, RSK, Akt et TSC1. Les résultats originaux présentés dans cette thèse montrent donc que les kinases IKK et IKK-related exercent leurs actions pro-inflammatoires par des mécanismes distincts.

Identification de nouveaux substrats des kinases Erk1/2 par une approche bio-informatique, pharmacologique et phosphoprotéomique

La phosphorylation est une modification post-traductionnelle omniprésente des protéines Cette modification est ajoutée et enlevée par l’activité enzymatique respective des protéines kinases et phosphatases. Les kinases Erk1/2 sont au cœur d’une voie de signalisation importante qui régule l’activité de protéines impliquées dans la traduction, le cycle cellulaire, le réarrangement du cytosquelette et la transcription. Ces kinases sont aussi impliquées dans le développement de l’organisme, le métabolisme du glucose, la réponse immunitaire et la mémoire. Différentes pathologies humaines comme le diabète, les maladies cardiovasculaires et principalement le cancer, sont associées à une perturbation de la phosphorylation sur les différents acteurs de cette voie. Considérant l’importance biologique et clinique de ces deux kinases, connaître l’étendue de leur activité enzymatique pourrait mener au développement de nouvelles thérapies pharmacologiques. Dans ce contexte, l’objectif principal de cette thèse était de mesurer l’influence de cette voie sur le phosphoprotéome et de découvrir de nouveaux substrats des kinases Erk1/2. Une étude phosphoprotéomique de cinétique d’inhibition pharmacologique de la voie de signalisation Erk1/2 a alors été entreprise. Le succès de cette étude était basé sur trois technologies clés, soit l’enrichissement des phosphopeptides avec le dioxyde de titane, la spectrométrie de masse haut débit et haute résolution, et le développement d’une plateforme bio-informatique nommée ProteoConnections. Cette plateforme permet d’organiser les données de protéomique, évaluer leur qualité, indiquer les changements d’abondance et accélérer l’interprétation des données. Une fonctionnalité distinctive de ProteoConnections est l’annotation des sites phosphorylés identifiés (kinases, domaines, structures, conservation, interactions protéiques phospho-dépendantes). Ces informations ont été essentielles à l’analyse des 9615 sites phosphorylés sur les 2108 protéines identifiées dans cette étude, soit le plus large ensemble rapporté chez le rat jusqu’à ce jour. L’analyse des domaines protéiques a révélé que les domaines impliqués dans les interactions avec les protéines, les acides nucléiques et les autres molécules sont les plus fréquemment phosphorylés et que les sites sont stratégiquement localisés pour affecter les interactions. Un algorithme a été implémenté pour trouver les substrats potentiels des kinases Erk1/2 à partir des sites identifiés selon leur motif de phosphorylation, leur cinétique de stimulation au sérum et l’inhibition pharmacologique de Mek1/2. Une liste de 157 substrats potentiels des kinases Erk1/2 a ainsi été obtenue. Parmi les substrats identifiés, douze ont déjà été rapportés et plusieurs autres ont des fonctions associées aux substrats déjà connus. Six substrats (Ddx47, Hmg20a, Junb, Map2k2, Numa1, Rras2) ont été confirmés par un essai kinase in vitro avec Erk1. Nos expériences d’immunofluorescence ont démontré que la phosphorylation de Hmg20a sur la sérine 105 par Erk1/2 affecte la localisation nucléocytoplasmique de cette protéine. Finalement, les phosphopeptides isomériques positionnels, soit des peptides avec la même séquence d’acides aminés mais phosphorylés à différentes positions, ont été étudiés avec deux nouveaux algorithmes. Cette étude a permis de déterminer leur fréquence dans un extrait enrichi en phosphopeptides et d’évaluer leur séparation par chromatographie liquide en phase inverse. Une stratégie analytique employant un des algorithmes a été développée pour réaliser une analyse de spectrométrie de masse ciblée afin de découvrir les isomères ayant été manqués par la méthode d’analyse conventionnelle.