Pivotal Role for Platelet-Activating Factor Receptor in CD36 Expression and oxLDL Uptake by Human Monocytes/Macrophages

The uptake of oxLDL by CD36 is not regulated by intracellular levels of cholesterol, leading to macrophage differentiation into foam cells which play a major role in atherosclerosis. Furthermore, oxLDL competes with PAF in macrophages for binding to PAF receptors (PAFR). Here we investigated the involvement of PAFR in CD36 expression and uptake of oxLDL by human monocytes/macrophages. Adherent peripheral blood mononuclear cells were treated with PAFR-antagonists (WEB2170, CV3988); inhibitors of ERK1/2 (PD98059), p38 (SB203580), JNK (SP600125) or diluents, before stimulation with oxLDL or PAF. After 24 h, uptake of FITC oxLDL and expression of CD36 was determined by flow cytometry and phosphorylation of MAP-kinases by Western blot. It was shown that the uptake of oxLDL was reduced by PAFR antagonists. CD36 expression was up-regulated by oxLDL, an effect reversed by PAFR antagonists. The up-regulation of CD36 and oxLDL uptake both required MAP-kinases activation. The oxLDL induced ERK1/2 and JNK but not p38 phosphorylation was reversed by PAFR-antagonists suggesting that oxLDL signalling involves PAFR dependent and independent pathways. In macrophages from PAFR(-/-) mice, oxLDL was unable to up-regulate CD36 expression and the oxLDL uptake was reduced compared to wild type. These results suggest that oxLDL interacts with PAFR in macrophages to increase CD36 expression and oxLDL uptake. Whereas pharmacological intervention at the level of PAFR would be beneficial in atherosclerosis remains to be determined. Copyright (C) 2011 S. Karger AG, Basel

Differential kinase requirement for enhancement of Fc gamma R-mediated phagocytosis in alveolar macrophages by leukotriene B(4) vs. D(4)

In alveolar macrophages, leukotriene (IT) B(4) and cysteinyl LTs (LTC(4), LTD(4) and LTE(4)) both enhance Fc gamma receptor (Fc gamma R)-mediated phagocytosis. In the present study we investigated the role of specific PKC isoforms (PKC-alpha and -delta), the MAP kinases p38 and ERK 1/2, and PI3K in mediating the potentiation of Fc gamma R-mediated phagocytosis induced by addition of leukotrienes to the AMs. It was found that exogenously added LTB(4) and LTD(4) both enhanced PKC-delta and -alpha phosphorylation during Fc gamma R engagement. Studies with isoform-selective inhibitors indicated that exogenous LTB(4) effects were dependent on both PKC-alpha and -delta, while LTD(4) effects were exclusively due to PKC-delta activation. Although both exogenous LTB(4) and LTD(4) enhanced p38 and ERK 1/2 activation, LTB(4) required only ERK 1/2, while LTD(4) required only p38 activation. Activation by both LTs was dependent on PI3K activation. Effects of endogenous LTs on kinase activation were also investigated using selective LT receptor antagonists. Endogenous LTB(4) contributed to Fc gamma R-mediated activation of PKC-alpha, ERK 1/2 and PI3K, while endogenous cysLTs contributes to activation of PKC-delta, p38 and PI3K. Taken together, our data show that the capacities of LTB(4) and LTD(4) to enhance Fc gamma R-mediated phagocytosis reflect their differential activation of specific kinase programs. (C) 2008 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Curcurnin abrogates LPS-induced pro-inflammatory cytokines in RAW 264.7 macrophages. Evidence for novel mechanisms involving SOCS-1,-3 and p38 MAPK

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Co-Stimulation of PAFR and CD36 Is Required for oxLDL-Induced Human Macrophages Activation

The oxidative process of LDL particles generates molecules which are structurally similar to platelet-activating factor (PAF), and some effects of oxidized LDL (oxLDL) have been shown to be dependent on PAF receptor (PAFR) activation. In a previous study, we showed that PAFR is required for upregulation of CD36 and oxLDL uptake. In the present study we analyzed the molecular mechanisms activated by oxLDL in human macrophages and the contribution of PAFR to this response. Human adherent monocytes/macrophages were stimulated with oxLDL. Uptake of oxLDL and CD36 expression were determined by flow cytometry; MAP kinases and Akt phosphorylation by Western blot; IL-8 and MCP-1 concentration by ELISA and mRNA expression by real-time PCR. To investigate the participation of the PI3K/Akt pathway, G alpha i-coupled protein or PAFR, macrophages were treated with LY294002, pertussis toxin or with the PAFR antagonists WEB2170 and CV3988, respectively before addition of oxLDL. It was found that the addition of oxLDL to human monocytes/macrophages activates the PI3K/Akt pathway which in turn activates the MAPK (p38 and JNK). Phosphorylation of Akt requires the engagement of PAFR and a G alpha i-coupled protein. The upregulation of CD36 protein and the uptake of oxLDL as well as the IL-8 production are dependent on PI3K/Akt pathway activation. The increased CD36 protein expression is dependent on PAFR and G alpha i-coupled protein. Transfection studies using HEK 293t cells showed that oxLDL uptake occurs with either PAFR or CD36, but IL-8 production requires the co-transfection of both PAFR and CD36. These findings show that PAFR has a pivotal role in macrophages response to oxLDL and suggest that pharmacological intervention at the level of PAFR activation might be beneficial in atherosclerosis.

Endo-PDI is required for TNFα-induced angiogenesis

Protein disulfide isomerase (PDI) and its homologs are oxidoreductases facilitating protein folding in the ER. Endo-PDI (also termed ERp46) is highly expressed in endothelial cells. It belongs to the PDI family but its physiological function is largely unknown. We studied the role of Endo-PDI in endothelial angiogenic responses. Stimulation of human umbilical vein endothelial cells (with TNFα (10ng/ml) increased ERK1/2 phosphorylation. This effect was largely attenuated by Endo-PDI siRNA, whereas JNK and p38 MAP kinase phosphorylation was Endo-PDI independent. Similarly, TNFα-stimulated NF-κB signaling determined by IκBα degradation as well as TNFα-induced ICAM expression was unaffected by Endo-PDI siRNA. The action of Endo-PDI was not mediated by extracellular thiol exchange or cell surface PDI as demonstrated by nonpermeative inhibitors and PDI-neutralizing antibody. Moreover, exogenously added PDI failed to restore ERK1/2 activation after Endo-PDI knockdown. This suggests that Endo-PDI acts intracellularly potentially by maintaining the Ras/Raf/MEK/ERK pathway. Indeed, knockdown of Endo-PDI attenuated Ras activation measured by G-LISA and Raf phosphorylation. ERK activation influences gene expression by the transcriptional factor AP-1, which controls MMP-9 and cathepsin B, two proteases required for angiogenesis. TNFα-stimulated MMP-9 and cathepsin B induction was reduced by silencing of Endo-PDI. Accordingly, inhibition of cathepsin B or Endo-PDI siRNA blocked the TNFα-stimulated angiogenic response in the spheroid outgrowth assays. Moreover ex vivo tube formation and in vivo Matrigel angiogenesis in response to TNFα were attenuated by Endo-PDI siRNA. In conclusion, our study establishes Endo-PDI as a novel, important mediator of AP-1-driven gene expression and endothelial angiogenic function

Charakterisierung der neuroprotektiven Eigenschaften des Corticotropin-Releasing-Hormons

Das Corticotropin Releasing Hormon (CRH) ist ein zentraler Mediator des neuroendokrinen Systems von Säugetieren und kontrolliert die physiologische Stressreaktion des Körpers. Zudem zeigten in vitro Daten, dass es Neuroprotektion gegenüber oxidativem Stress induzieren kann. In der vorliegenden Arbeit konnte erstmals ein neuroprotektiver Effekt des CRH in vivo gezeigt werden. Die Überexpression des CRH im ZNS von Mäusen konnte Nervenzellen in vivo vor Exzitotoxizität schützen; nach Injektion des Exzitotoxins Kainat verkürzte die CRH-Überexpression die Dauer der epileptischen Anfälle, schützte die Neurone der betroffenen Hippocampusregion vor Zelltod und verhinderte die bei Exzitotoxizität und vielen neurodegenerativen Erkrankungen auftretende Neuroinflammation. Desweiteren konnten in CRH-überexprimierenden Tieren erhöhte BDNF-Proteinspiegel nachgewiesen werden. BDNF, ein bedeutender neurotropher Faktor im ZNS, vermittelt daher teilweise die CRH-induzierte Neuroprotektion gegenüber der Exzitotoxizität in vivo. Im Rahmen dieser Arbeit wurde mit Connexin43, dem Haupt-Gap Junction-Protein der Astrozyten, ein neues CRH-Zielgen im ZNS identifiziert. Es konnte erstmals gezeigt werden, dass CRH sowohl die Expression des Connexin43-Gens als auch den Connexin43-Proteinspiegel in vitro und in vivo erhöht. Diese Effekte werden über die Aktivierung des CRH-Rezeptor 1 und nachfolgend der PKA- und MAPK-Signalwege vermittelt. In Übereinstimmung mit der Hochregulation des Connexin43-Proteinspiegels verstärkte CRH auch die interzelluläre Kommunikation über Gap Junctions. Physiologisch hat diese CRH-induzierte Verstärkung der astrozytären Gap Junction-Kommunikation eine große Bedeutung für die Neuroprotektion, da eine Hochregulation der interzellulären Kommunikation schnell toxische Moleküle verdünnt, Energiesubstrate und protektive Faktoren verteilt und Ionen abpuffert. Dadurch werden Schädigungen durch oxidativen Stress in den Zellen reduziert, was über die Analyse der Proteincarbonylierung gezeigt wurde. Die Relevanz der astrozytären Gap Junction-Kommunikation für das Überleben der Neurone konnte in organotypischen hippocampalen Schnitten und in Neuron-Astrozyten-Co-Kulturen deutlich gemacht werden. Die im Rahmen der vorliegenden Arbeit gewonnenen Daten zeigen, dass die Stress-induzierte Sekretion von CRH im ZNS zur verstärkten Expression neuroprotektiver Moleküle wie BDNF und Connexin43 beiträgt. Diese vermögen Neurone gegenüber toxischen Einflüssen zu schützen und zum Erhalt ihrer Funktion beizutragen. Die protektiven CRH-Effekte könnten speziell bei chronischen neurodegenerativen Krankheiten wie der Alzheimerschen Demenz und der Parkinsonschen Krankheit hilfreich sein.

Molekulare Mechanismen der Kontaktinhibition: Identifizierung neuer Tumorsuppressorgene

Die Zellen eines Organismus unterliegen ständig den Einflüssen wachstumsfördernder und –hemmender Signale. Die korrekte Verarbeitung dieser Signale ist essentiell für die Aufrechterhaltung der Gewebehomöostase. Wachstumsfördernde Signale sind z. B. Wachstumsfaktoren und –hormone. Diese Substanzen sowie ihre Rezeptoren und Signalwege sind relativ gut erforscht. Dagegen ist über die wachstumshemmenden Signalwege vergleichsweise wenig bekannt. Wichtige wachstumshemmende Signale werden einerseits über lösliche Faktoren, wie z. B. TGF-β, und andererseits über Zell-Zell-Kontakte vermittelt. Den Zell-Zell-Kontakt vermittelten Wachstumsstopp bezeichnet man auch als Kontaktinhibition. Die Kontaktinhibition ist ein wichtiges Merkmal nicht-transformierter Zellen. Im Gegensatz dazu zeichnen sich transformierte Zellen durch den Verlust der Kontaktinhibition aus, der einhergeht mit unkontrolliertem Wachstum der Zellen und Tumorbildung. Genauere Kenntnisse der molekularen Ursachen der Kontaktinhibition bzw. ihres Verlustes während der Tumorentstehung werden neue Ansatzpunkte für die Krebstherapie liefern. Diese können bei der Entwicklung neuer, nebenwirkungsärmerer Krebsmedikamente und einer verbesserten Diagnostik helfen. In der vorliegenden Arbeit sollten daher die molekularen Mechanismen der Kontaktinhibition in Fibroblasten aus der Maus näher untersucht werden. Dazu wurden differentielle Genexpressionsanalysen mittels genomweiter Microarrays durchgeführt. Weiterhin wurde der Einfluss der Kontaktinhibition auf die Regulation der Signalkaskaden der MAP-Kinasen ERK und p38 untersucht. Durch die Genexpressionsanalyse konnte gezeigt werden, dass viele Schlüsselgene des Zellzyklus und der DNA-Synthese in der Kontaktinhibition eine Rolle spielen, so zum Beispiel Skp2, Foxm1 und einige Komponenten des MCM-Komplexes. Weiterhin haben wir gezeigt, dass durch Kontaktinhibition selektiv die EGF-induzierte Signalkaskade über die MAP-Kinasen gehemmt wird.

In-vivo-Tumorbiologie mittels 68 Ga-PET: Beurteilung der p-Glykoprotein-Aktivität in Weichgewebe-Tumoren sowie Diagnose und Therapie von Knochenmetastasen

Krebs ist eine der häufigsten Krankheiten und stellt eine der wichtigsten medizinischen Herausforderungen des 21. Jahrhunderts dar. Eine frühzeitige Diagnose ist dabei essentiell für eine individuell angepasste Therapie zur Verbesserung der Lebensqualität und -erwartung der Patienten. Hierbei kommen der 68Ge/68Ga-Generator und das daraus resultierende PET-Nuklid 68Ga immer stärker in den Fokus von Wissenschaft und Medizin. rnrnFür eine erfolgreiche Therapie stellt die Chemoresistenz (Multi-Drug-Resistance) zahlreicher Tumore eine schwerwiegende Komplikation dar. Für das Therapieversagen ist die Aktivierung des Transportproteins p-Glykoprotein (pGP) maßgeblich mit verantwortlich. Mit Hilfe der Schiff’schen Base [68Ga]MFL6.MZ konnte die Aktivitätsänderung von pGP unter verschiedener Beeinflussung erstmals in vivo beobachtet werden. So zeigte sich, dass sich unter azidotischen Bedingungen in Tumoren die Aktivität des pGP erhöht und somit vermehrt auch Zytostatika, die pGP-Substrate sind, aus den Tumoren transportiert werden. Durch Aufklärung der Abhängigkeit der pGP-Aktivität von dessen Signalkaskade konnte gezeigt werden, dass durch eine Blockade der MAP-Kinase p38 eine Erniedrigung der pGP-Aktivität zu verzeichnen ist. Die ebenfalls in der Signalkaskade eingebundene MAP-Kinase ERK1/2 hingegen spielt hier nur eine untergeordnete Rolle.rnrnNeben dem Versagen der Chemotherapie stellt auch die Metastasierung eines Malignoms massive Einschnitte in die Lebensqualität von Erkrankten dar. Befallen die Metastasen das Skelett eines Menschen, wird dies zumeist erst spät registriert. 68Ga-markierte Bisphosphonate bieten nun die Möglichkeit, Patienten quantitativ auf Knochenmetastasen hin untersuchen zu können. So konnten zu Beginn einfache Phosphonate wie EDTMP und DOTP nicht die nötige in vivo Stabilität bzw. hohe radiochemische Ausbeuten liefern und sind damit für die Anwendung am Menschen uninteressant. Jedoch die DOTA-basierten Bisphosphonate allen voran der Ligand BPAMD zeigen ein großes Potential. In vivo-Versuche an Ratten mit Knochenmetastasen zeigten, dass sich [68Ga]BPAMD an den Metastasen anreichert und einen sehr guten Kontrast zum gesunden Knochen darstellt. Der Tracer konnte erstmals am Menschen angewendet werden und zeigte in ausgewählten Regionen eine höhere Anreicherung als eine zuvor durchgeführte PET-Aufnahme mit [18F]Fluorid. Der Ligand BPAMD bietet außerdem den Vorteil, neben 68Ga auch andere dreiwertige Radionuklide wie das therapeutische 177Lu komplexieren zu können. Durch Studien zur Komplexbildung und Stabilität konnte auch [177Lu]BPAMD in der klinischen Anwendung erprobt werden und zeigte eine Anreicherung an den Knochenmetastasen. So ist es nun möglich, Knochenmetastasen mittels 68Ga-PET zu diagnostizieren, eine entsprechende Dosisberechnung anzustellen und anschließend mit dem gleichen Liganden eine Therapie mit [177Lu]BPAMD durchzuführen.

Untersuchungen zum Ectodomain shedding des Receptor for advanced glycation endproducts

Zu den Liganden des Zelloberflächenrezeptors RAGE gehören AGEs, S100-Proteine, HMGB1 und Aβ. RAGE wird daher eine Rolle bei verschiedenen neurologischen Erkrankungen sowie Diabetes, Arteriosklerose und Krebs zugesprochen. Des Weiteren geht eine Verringerung der Menge an sRAGE häufig mit diesen Krankheiten einher. Aus diesen Gründen stellt die pharmakologische Stimulierung der Proteolyse von RAGE eine vielversprechende Therapieform dar. Im Rahmen dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass eine Steigerung der sRAGE-Bildung über PAC1-, V2- und OT-Rezeptoren möglich ist. Die Untersuchung der PAC1-Signalwege zeigte, dass PKCα/PKCβI, CaMKII, Ca2+-Ionen, PI3-Kinase und der MAP-Kinase-Weg wichtig für die Stimulierung sind und dass der PKA-Weg nicht beteiligt ist. Die dreimonatige Behandlung von Mäusen mit PACAP-38 weist darauf hin, dass eine Stimulierung des Ectodomain Sheddings von RAGE auch in vivo erfolgen kann. Die Untersuchung der Signalwege, ausgehend von den V2- und OT-Rezeptoren, zeigte, dass ebenfalls PKCα/PKCβI, CaMKII, Ca2+-Ionen zur Aktivierung der Proteasen führen, dagegen konnte weder ein Einfluss des PKA- noch des MAP-Kinase-Weges festgestellt werden. Außerdem wurden sowohl MMP-9 als auch ADAM-10 als RAGE-spaltende Proteasen identifiziert. Die nähere Untersuchung der RAGE-Spaltstelle erbrachte, dass keine spezifische Sequenz, sondern vielmehr die Sekundärstruktur eine Rolle bei der Erkennung durch die Proteasen spielt. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde weiterhin ein anti-RAGE Antikörper anhand einer neu entwickelten Methode zunächst gereinigt und dann erfolgreich an ein mit dem Fluoreszenzfarbstoff Rhodamin markiertes Polymer gekoppelt. Die Stimulierung der Proteolyse von Meprin β wurde auch untersucht und es konnte ebenfalls eine Beteiligung von ADAM-10 an der Spaltung nachgewiesen werden.

Induction of RAGE shedding by activation of G-protein-coupled receptors

The multiligand Receptor for Advanced Glycation End products (RAGE) is involved in various pathophysiological processes, including diabetic inflammatory conditions and Alzheimers disease. Full-length RAGE, a cell surface-located type I membrane protein, can proteolytically be converted by metalloproteinases ADAM10 and MMP9 into a soluble RAGE form. Moreover, administration of recombinant soluble RAGE suppresses activation of cell surface-located RAGE by trapping RAGE ligands. Therefore stimulation of RAGE shedding might have a therapeutic value regarding inflammatory diseases. We aimed to investigate whether RAGE shedding is inducible via ligand-induced activation of G protein-coupled receptors (GPCRs). We chose three different GPCRs coupled to distinct signaling cascades: the V2 vasopressin receptor (V2R) activating adenylyl cyclase, the oxytocin receptor (OTR) linked to phospholipase Cβ, and the PACAP receptor (subtype PAC1) coupled to adenylyl cyclase, phospholipase Cβ, calcium signaling and MAP kinases. We generated HEK cell lines stably coexpressing an individual GPCR and full-length RAGE and then investigated GPCR ligand-induced activation of RAGE shedding. We found metalloproteinase-mediated RAGE shedding on the cell surface to be inducible via ligand-specific activation of all analyzed GPCRs. By using specific inhibitors we have identified Ca2+ signaling, PKCα/PKCβI, CaMKII, PI3 kinases and MAP kinases to be involved in PAC1 receptor-induced RAGE shedding. We detected an induction of calcium signaling in all our cell lines coexpressing RAGE and different GPCRs after agonist treatment. However, we did not disclose a contribution of adenylyl cyclase in RAGE shedding induction. Furthermore, by using a selective metalloproteinase inhibitor and siRNAmediated knock-down approaches, we show that ADAM10 and/or MMP9 are playing important roles in constitutive and PACAP-induced RAGE shedding. We also found that treatment of mice with PACAP increases the amount of soluble RAGE in the mouse lung. Our findings suggest that pharmacological stimulation of RAGE shedding might open alternative treatment strategies for Alzheimers disease and diabetes-induced inflammation.

Zelluläre und molekulare Mechanismen der angeborenen Immunität

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

Advanced glycation end products regulate extracellular matrix protein and protease expression by human glomerular mesangial cells

Advanced glycation end products (AGEs) may play a role in the pathogenesis of diabetic nephropathy, by modulating extracellular matrix turnover. AGEs are known to activate specific membrane receptors, including the receptor for AGE (RAGE). In the present study, we analyzed the various receptors for AGEs expressed by human mesangial cells and we studied the effects of glycated albumin and of carboxymethyl lysine on matrix protein and remodelling enzyme synthesis. Membrane RAGE expression was confirmed by FACS analysis. Microarray methods, RT-PCR, and Northern blot analysis were used to detect and confirm specific gene induction. Zymographic analysis and ELISA were used to measure the induction of tPA and PAI-1. We show herein that cultured human mesangial cells express AGE receptor type 1, type 2 and type 3 and RAGE. AGEs (200 microg/ml) induced at least a 2-fold increase in mRNA for 10 genes involved in ECM remodelling, including tPA, PAI-1 and TIMP-3. The increase in tPA synthesis was confirmed by fibrin zymography. The stimulation of PAI-1 synthesis was confirmed by ELISA. AGEs increased PAI-1 mRNA through a signalling pathway involving reactive oxygen species, the MAP kinases ERK-1/ERK-2 and the nuclear transcription factor NF-kappaB, but not AP-1. Carboxymethyl lysine (CML, 5 microM), which is a RAGE ligand, also stimulated PAI-1 synthesis by mesangial cells. In addition, a blocking anti-RAGE antibody partially inhibited the AGE-stimulated gene expression and decreased the PAI-1 accumulation induced by AGEs and by CML. Inhibition of AGE receptors or neutralization of the protease inhibitors TIMP-3 and PAI-1 could represent an important new therapeutic strategy for diabetic nephropathy.

Downregulation of Rap1GAP contributes to Ras transformation.

Although abundant in well-differentiated rat thyroid cells, Rap1GAP expression was extinguished in a subset of human thyroid tumor-derived cell lines. Intriguingly, Rap1GAP was downregulated selectively in tumor cell lines that had acquired a mesenchymal morphology. Restoring Rap1GAP expression to these cells inhibited cell migration and invasion, effects that were correlated with the inhibition of Rap1 and Rac1 activity. The reexpression of Rap1GAP also inhibited DNA synthesis and anchorage-independent proliferation. Conversely, eliminating Rap1GAP expression in rat thyroid cells induced a transient increase in cell number. Strikingly, Rap1GAP expression was abolished by Ras transformation. The downregulation of Rap1GAP by Ras required the activation of the Raf/MEK/extracellular signal-regulated kinase cascade and was correlated with the induction of mesenchymal morphology and migratory behavior. Remarkably, the acute expression of oncogenic Ras was sufficient to downregulate Rap1GAP expression in rat thyroid cells, identifying Rap1GAP as a novel target of oncogenic Ras. Collectively, these data implicate Rap1GAP as a putative tumor/invasion suppressor in the thyroid. In support of that notion, Rap1GAP was highly expressed in normal human thyroid cells and downregulated in primary thyroid tumors.

Bifurcation and singularity analysis of a molecular network for the induction of long-term memory.

Withdrawal reflexes of the mollusk Aplysia exhibit sensitization, a simple form of long-term memory (LTM). Sensitization is due, in part, to long-term facilitation (LTF) of sensorimotor neuron synapses. LTF is induced by the modulatory actions of serotonin (5-HT). Pettigrew et al. developed a computational model of the nonlinear intracellular signaling and gene network that underlies the induction of 5-HT-induced LTF. The model simulated empirical observations that repeated applications of 5-HT induce persistent activation of protein kinase A (PKA) and that this persistent activation requires a suprathreshold exposure of 5-HT. This study extends the analysis of the Pettigrew model by applying bifurcation analysis, singularity theory, and numerical simulation. Using singularity theory, classification diagrams of parameter space were constructed, identifying regions with qualitatively different steady-state behaviors. The graphical representation of these regions illustrates the robustness of these regions to changes in model parameters. Because persistent protein kinase A (PKA) activity correlates with Aplysia LTM, the analysis focuses on a positive feedback loop in the model that tends to maintain PKA activity. In this loop, PKA phosphorylates a transcription factor (TF-1), thereby increasing the expression of an ubiquitin hydrolase (Ap-Uch). Ap-Uch then acts to increase PKA activity, closing the loop. This positive feedback loop manifests multiple, coexisting steady states, or multiplicity, which provides a mechanism for a bistable switch in PKA activity. After the removal of 5-HT, the PKA activity either returns to its basal level (reversible switch) or remains at a high level (irreversible switch). Such an irreversible switch might be a mechanism that contributes to the persistence of LTM. The classification diagrams also identify parameters and processes that might be manipulated, perhaps pharmacologically, to enhance the induction of memory. Rational drug design, to affect complex processes such as memory formation, can benefit from this type of analysis.

Regulation of mucin gene expression by CREB via a nonclassical retinoic acid signaling pathway.

Vitamin A and its metabolite retinoic acid (RA) are essential elements for normal lung development and the differentiation of lung epithelial cells. We previously showed that RA rapidly activated cyclic AMP response element-binding protein (CREB) in a nonclassical manner in normal human tracheobronchial epithelial (NHTBE) cells. In the present study, we further demonstrated that this nonclassical signaling of RA on the activation of CREB plays a critical role in regulating the expression of airway epithelial cell differentiation markers, the MUC2, MUC5AC, and MUC5B genes. We found that RA rapidly activates the protein kinase Calpha isozyme and transmits the activation signal to CREB via the Raf/MEK/extracellular signal-regulated kinase/p90 ribosomal S6 kinase (RSK) pathway. Activated RSK translocated from the cytoplasm to the nucleus, where it phosphorylates CREB. Activated CREB then binds to a cis-acting replication element motif on the promoter (at nucleotides [nt] -878 to -871) of the MUC5AC gene. The depletion of CREB using small interfering RNA abolished not only the RA-induced MUC5AC but also RA-induced MUC2 and MUC5B. Taken together, our findings demonstrate that CREB activation via this nonclassical RA signaling pathway may play an important role in regulating the expression of mucin genes and mediating the early biological effects of RA during normal mucous differentiation in NHTBE cells.