Global transcriptional response of Caulobacter crescentus to iron availability

BACKGROUND: In the alpha subclass of proteobacteria iron homeostasis is controlled by diverse iron responsive regulators. Caulobacter crescentus, an important freshwater α-proteobacterium, uses the ferric uptake repressor (Fur) for such purpose. However, the impact of the iron availability on the C. crescentus transcriptome and an overall perspective of the regulatory networks involved remain unknown. RESULTS: In this work we report the identification of iron-responsive and Fur-regulated genes in C. crescentus using microarray-based global transcriptional analyses. We identified 42 genes that were strongly upregulated both by mutation of fur and by iron limitation condition. Among them, there are genes involved in iron uptake (four TonB-dependent receptor gene clusters, and feoAB), riboflavin biosynthesis and genes encoding hypothetical proteins. Most of these genes are associated with predicted Fur binding sites, implicating them as direct targets of Fur-mediated repression. These data were validated by β-galactosidase and EMSA assays for two operons encoding putative transporters. The role of Fur as a positive regulator is also evident, given that 27 genes were downregulated both by mutation of fur and under low-iron condition. As expected, this group includes many genes involved in energy metabolism, mostly iron-using enzymes. Surprisingly, included in this group are also TonB-dependent receptors genes and the genes fixK, fixT and ftrB encoding an oxygen signaling network required for growth during hypoxia. Bioinformatics analyses suggest that positive regulation by Fur is mainly indirect. In addition to the Fur modulon, iron limitation altered expression of 113 more genes, including induction of genes involved in Fe-S cluster assembly, oxidative stress and heat shock response, as well as repression of genes implicated in amino acid metabolism, chemotaxis and motility. CONCLUSIONS: Using a global transcriptional approach, we determined the C. crescentus iron stimulon. Many but not all of iron responsive genes were directly or indirectly controlled by Fur. The iron limitation stimulon overlaps with other regulatory systems, such as the RpoH and FixK regulons. Altogether, our results showed that adaptation of C. crescentus to iron limitation not only involves increasing the transcription of iron-acquisition systems and decreasing the production of iron-using proteins, but also includes novel genes and regulatory mechanisms

Identification of the N-Linked Glycosylation Sites of the Transcription Factor Rest and Effect of Glycosylation on DNA Binding and Transcriptional Activity

REST is a zinc-finger transcription factor implicated in several processes such as maintenance of embryonic stem cell pluripotency and regulation of mitotic fidelity in non-neuronal cells [Chong et al., 1995]. The gene encodes for a 116-kDa protein that acts as a molecular platform for co-repressors recruitment and promotes modifications of DNA and histones [Ballas, 2005]. REST showed different apparent molecular weights, consistent with the possible presence of post-translational modifications [Lee et al., 2000]. Among these the most common is glycosylation, the covalent attachment of carbohydrates during or after protein synthesis [Apweiler et al., 1999] My thesis has ascertained, for the first time, the presence of glycan chians in the transcription factor REST. Through enzymatic deglycosylation and MS, oligosaccharide composition of glycan chains was evaluated: a complex mixture of glycans, composed of N-acetylgalactosamine, galactose and mannose, was observed thus confirming the presence of O- and N-linked glycan chains. Glycosylation site mapping was done using a 18O-labeling method and MS/MS and twelve potential N-glycosylation sites were identified. The most probable glycosylation target residues were mutated through site-directed mutagenesis and REST mutants were expressed in different cell lines. Variations in the protein molecular weight and mutant REST ability to bind the RE-1 sequence were analyzed. Gene reporter assays showed that, altogether, removal of N-linked glycan chains causes loss of transcriptional repressor function, except for mutant N59 which showed a slight residual repressor activity in presence of IGF-I. Taken togheter these results demonstrate the presence of complex glycan chians in the transcription factor REST: I have depicted their composition, started defining their position on the protein backbone and identified their possible role in the transcription factor functioning. Considering the crucial role of glycosylation and transcription factors activity in the aetiology of many diseases, any further knowledge could find important and interesting pharmacological application.

Regulation der Sphingosinkinase 1 und 2 und der neutralen Ceramidase in renalen Mesangiumzellen der Ratte

In den letzten Jahren gewann die Erforschung des Sphingolipidstoffwechsels in den verschiedensten Zellsystemen immer mehr an Bedeutung, da es sich zeigte, dass einige Sphingolipidspezies, vor allem Ceramid und Sphingosin-1-Phosphat, als wichtige intra- und extrazelluläre Botenstoffe wirken und bei einer Vielzahl unterschiedlicher zellulärer Antworten, wie Apoptose, Proliferation und Migration, eine wichtige Rolle spielen. Während Ceramid eher pro-apoptotisch und wachstumshemmend wirkt, begünstigt Sphingosin-1-Phosphat als „Gegenspieler“ eher die Proliferation und das Zellwachstum. Ceramid kann relativ schnell in Sphingosin-1-Phosphat umgewandelt werden durch die Wirkung zweier Enzymklassen, den Ceramidasen und den Sphingosinkinasen. Konsequenterweise ist die Regulation dieser Enzyme von entscheidender Bedeutung für das zelluläre Gleichgewicht zwischen Ceramid und Sphingosin-1-Phosphat. Im Rahmen dieser Dissertation wurde die Wirkung von extrazellulären Nukleotiden, die ebenfalls als Regulatoren zahlreicher zellulärer Antworten, wie z.B. Proliferation und Migration, bekannt sind und über entsprechende Oberflächenrezeptoren, die Purinrezeptoren, wirken, auf die Aktivität besonders der Sphingosinkinasen 1 und 2 näher untersucht. Es sollte geklärt werden, ob die Sphingosinkinasen an einigen durch extrazelluläre Nukleotide induzierbaren zellulären Antworten, in diesem Falle der Migration und der Proliferation von Zellen, beteiligt sind. Als Zellsystem wurden Nierenmesangiumzellen verwendet, da diese Zellen bei verschiedenen entzündlichen Nierenerkrankungen (Glomerulonephritiden) eine wichtige Rolle spielen. Es konnte in dieser Arbeit gezeigt werden, dass extrazelluläre Nukleotide die Aktivität der Sphingosinkinase 1 in den Mesangiumzellen stimulieren können. Zu beobachten ist dabei eine biphasische Aktivitätssteigerung der Sphingosinkinase 1. Die erste Aktivitätssteigerung nach einer Kurzzeitstimulation ist dabei auf eine Phosphorylierung des Enzyms zurückzuführen, während die zweite Aktivitätssteigerung mit einer Aktivierung des Sphingosinkinase 1-Promotors, einer verstärkten mRNA-Expression und einer de novo Proteinsynthese zu erklären ist. Diese Induktion kann durch die Verwendung von Hemmstoffen des PKC- und MAPK-Signalweges, sowie durch Verwendung eines Transkriptions- (Actinomycin D) oder eines Translationsinhibitors (Cycloheximid) blockiert werden. Die Halbwertszeit der mRNA der Sphingosinkinase 1 in den Mesangiumzellen konnte auf ca. 20 Minuten bestimmt werden. Im Gegensatz dazu ist die Sphingosinkinase 2 nicht durch ATP aktivierbar, wohl aber durch diverse Abbauprodukte von ATP, wie AMP und Adenosin, sowie durch UTP und seine Abbauprodukten UDP und UMP. Die neutrale Ceramidase kann nicht durch ATP und UTP aktiviert werden, wohl aber durch P2X7-Rezeptoragonisten (Bz-ATP, αβ-Me-ATP, γS-ATP) und TPA. In einem zweiten Schritt wurde die Rolle der Sphingosinkinasen und der neutralen Ceramidase bei der durch extrazelluläre Nukleotide induzierten Migration und Proliferation untersucht. Es zeigte sich mit Hilfe von genspezifischer siRNA zur Depletion der Sphingosinkinasen und der neutralen Ceramidase, sowie durch Verwendung von Kinase-Hemmstoffen und damit einhergehend der Inhibierung der Signalwege und mit Hilfe von verschiedenen Zelllinien isoliert aus Wildtyp-, SPHK 1-überexprimierenden und mSPHK1-defizienten Mäusen, dass die Aktivierung der Sphingosinkinase 1 durch extrazelluläre Nukleotide von entscheidender Bedeutung für die Migrationsfähigkeit der Zellen ist, jedoch keinen signifikanten Einfluss auf die Proliferationsrate der Mesangiumzellen hat. Auch die Aktivität der neutralen Ceramidase ist von entscheidender Bedeutung für die Migrationsfähigkeit der Zellen. Durch Depletion der neutralen Ceramidase scheint Ceramid in den Zellen zu akkumulieren, was die Proliferationsrate reduziert. Für die Proliferation der Mesangiumzellen könnte die Sphingosinkinase 2 als negativer Regulator fungieren, wie die Experimente mit der genspezifischen siRNA unter UTP-Stimulation gezeigt haben. Für die Migration der Mesangiumzellen gilt darüber hinaus, dass auch das Produkt der Sphingosinkinase 1, Sphingosin-1-Phosphat, in der Lage ist, die Migration zu stimulieren. Im Gegensatz dazu spielt Sphingosin-1-Phosphat für die Induktion der Proliferation der hier verwendeten Zellen keine wesentliche Rolle. Zusammenfassend zeigen die Daten, dass die Sphingosinkinase 1 und vorgeschaltet auch die neutrale Ceramidase bei der Migration von Mesangiumzellen eine zentrale Rolle spielen und damit als therapeutische Angriffspunkte bei der Behandlung von Krankheiten, die durch eine vermehrte Migration gekennzeichnet sind, in Frage kommen.

Strategies to identify and further characterize novel and known genes involved in regulation of skeletogenesis

372 osteochondrodysplasias and genetically determined dysostoses were reported in 2007 [Superti-Furga and Unger, 2007]. For 215 of these conditions, an association with one or more genes can be stated, while the molecular changes for the remaining syndromes remain illusive to date. Thus, the present dissertation aims at the identification of novel genes involved in processes regarding cartilage/ bone formation, growth, differentiation and homeostasis, which may serve as candidate genes for the above mentioned conditions. Two different approaches were undertaken. Firstly, a high throughput EST sequencing project from a human fetal cartilage library was performed to identify novel genes in early skeletal development (20th week of gestation until 2nd year of life) that could be investigated as potential candidate genes. 5000 EST sequences were generated and analyzed representing 1573 individual transcripts, corresponding to known (1400) and to novel, yet uncharacterized genes (173). About 7% of the proteins were already described in cartilage/ bone development or homeostasis, showing that the generated library is tissue specific. The remaining profile of this library was compared to previously published libraries from different time points (8th–12th, 18th–20th week and adult human cartilage) that also showed a similar distribution, reflecting the quality of the presented library analyzed. Furthermore, three potential candidate genes (LRRC59, CRELD2, ZNF577) were further investigated and their potential involvement in skeletogenesis was discussed. Secondly, a disease-orientated approach was undertaken to identify downstream targets of LMX1B, the gene causing Nail-Patella syndrome (NPS), and to investigate similar conditions. Like NPS, Genitopatellar syndrome (GPS) is characterized by aplasia or hypoplasia of the patella and renal anomalies. Therefore, six GPS patients were enrolled in a study to investigate the molecular changes responsible for this relatively rare disease. A 3.07 Mb deletion including LMX1B and NR5A1 (SF1) was found in one female patient that showed features of both NPS and GPS and investigations revealed a 46,XY karyotype and ovotestes indicating true hermaphroditism. The microdeletion was not seen in any of the five other patients with GPS features only, but a potential regulatory element between the two genes cannot be ruled out yet. Since Lmx1b is expressed in the dorsal limb bud and in podocytes, proteomic approaches and expression profiling were performed with murine material of the limbs and the kidneys to identify its downstream targets. After 2D-gel electrophoresis with protein extracts from E13.5 fore limb buds and newborn kidneys of Lmx1b wild type and knock-out mice and mass spectrometry analysis, only two proteins, agrin and carbonic anhydrase 2, remained of interest, but further analysis of the two genes did not show a transcriptional down regulation by Lmx1b. The focus was switched to expression profiles and RNA from newborn Lmx1b wild type and knock-out kidneys was compared by microarray analysis. Potential Lmx1b targets were almost impossible to study, because of the early death of Lmx1b deficient mice, when the glomeruli, containing podocytes, are still immature. Because Lmx1b is also expressed during limb development, RNA from wild type and knock-out Lmx1b E11.5 fore limb buds was investigated by microarray, revealing four potential Lmx1b downstream targets: neuropilin 2, single-stranded DNA binding protein 2, peroxisome proliferative activated receptor, gamma, co-activator 1 alpha, and short stature homeobox 2. Whole mount in situ hybridization strengthened a potential down regulation of neuropilin 2 by Lmx1b, but further investigations including in situ hybridization and protein-protein interaction studies will be needed.

Regulation der Phorbolester-induzierten Matrix-Metalloproteinase-9-Expression in humanen Brustkrebszelllinien durch Stickstoffmonoxid

Das Hauptziel dieser Arbeit war die Identifizierung der Regulationsebenen auf denen die TPA-induzierte Matrix-Metalloproteinase-9 (MMP-9) durch das nitrose Gas Stickstoffmonoxid (NO) in MCF-7-Zellen verändert wird. Dabei konnte sowohl mit Hilfe der Zymographie als auch mit einem MMP-9-Aktivitäts-ELISA gezeigt werden, dass die extrazellulären MMP-9-Spiegel durch die Behandlung der Zellen mit NO reduziert werden. Gleichzeitig zeigte sich auch eine durch NO bedingte Abnahme der intrazellulären MMP-9-Spiegel, wie mit Hilfe von Western-Blot-Analyse nachgewiesen werden konnte. Experimente mit dem Proteasominhibitor Lactacystin und dem Proteinsynthesehemmstoff Cycloheximid ließen darüber hinaus eine NO-bedingte Veränderung der MMP-9-Proteinstabilität ausschließen. Im Gegensatz dazu konnte mittels der metabolischen Markierung mit radioaktiv markiertem Methionin und Cystein gezeigt werden, dass die Proteinneusynthese der MMP-9 durch eine Behandlung der Zellen mit NO stark beeinträchtigt wird. In Übereinstimmung mit diesen Daten finden sich reduzierte MMP-9-mRNA-Spiegel auch in der polysomalen Zellfraktion von MCF-7-Zellen. Wie mit Hilfe des Transkriptionshemmstoffes Actinomycin D und durch Reportergenstudien mit hybriden MMP-9-Promotorkonstrukten gezeigt werden konnte, ist die NO-induzierte Reduktion der MMP-9-mRNA-Spiegel nicht auf eine Verringerung der MMP-9-mRNA-Stabilität zurückzuführen. Reportergenstudien mit einem 670bp langen Promotorfragment des 5’flankierenden Bereichs des humanen MMP-9-Gens zeigten jedoch auf, dass der hemmende Effekt des NOs zum Teil auf eine NO-vermittelte Abnahme der TPA-induzierten MMP-9-Promotoraktivität zurückgeführt werden kann. Demzufolge wurde in den nachfolgenden Experimenten nach den für die MMP-9-Expression notwendigen und von NO modulierten Transkriptionsfaktoren in MCF-7-Zellen gesucht. Anhand von Western-Blot-Analysen und Gelshiftanalysen konnte gezeigt werden, dass die Aktivität des Transkriptionsfaktors AP-1 in MCF-7-Zellen durch NO gehemmt wird, während weder die Expressionspiegel noch die Bindungsaffinität der Transkriptionsfaktoren NFκB und Sp1 durch die NO-Behandlung verändert sind. Weiterhin konnte unter Verwendung von pharmakologischen Inhibitoren der MAPK-Signalwege mit Hilfe der Western-Blot-Analyse nachgewiesen werden, dass MAPK-vermittelte Signalwege zwar für die Induktion der MMP-9-Expression essenziell sind, diese jedoch nicht von NO beeinflusst sind. Im Unterschied hierzu konnte mit Hilfe eines PKC-Aktivitätsassays gezeigt werden, dass die Gesamtaktivität von PKCs nach Behandlung von MCF-7-Zellen mit NO signifikant gehemmt ist. Zusammenfassend zeigen diese Untersuchungen, dass die NO-vermittelte Hemmung der TPA-induzierten MMP-9-Expression in MCF-7-Zellen im Wesentlichen auf eine NO-abhängige Reduktion der Protein-Kinase-C-Aktivität und einer daraus resultierenden Aktivitätshemmung des Transkriptionsfaktors AP-1 zurückgeführt werden kann.

Regulation der Selenoproteinsynthese durch den Mevalonatweg

Im Rahmen dieser Arbeit sollte der Einfluss des Mevalonatpfads auf die Expression von Selenoproteinen untersucht werden. Im Mevalonatpfad, einem universellen Stoffwechselweg eukaryontischer Zellen, entstehen neben Cholesterol auch verschiedene Isoprenoide, die z.B. für die post-transkriptionelle Modifikation der Selenocystein-tRNA herangezogen werden. Selenocystein ist funktioneller Bestandteil von Selenoproteinen, welche häufig in den Abbau von oxidativem Stress involviert sind. rnDer Mevalonatpfad wird hauptsächlich durch die HMG-CoA-Reduktase (HMGCR) reguliert. Pharmaka vom „Statin“-Typ gelten als wirkungsvolle kompetitive Inhibitoren dieses Enzyms und finden ihren Einsatz bei Patienten zur Behandlung von Hypercholesterolämie, welche eine Grundlage für vaskuläre Krankheiten bildet. Trotz der allgemein guten Verträglichkeit der Statine treten jedoch auch unerwünschte Nebeneffekte, wie Erhöhung der Leberenzyme oder Myopathien auf, deren biochemischer Hintergrund bislang noch im Dunkeln liegt. rnDie in dieser Arbeit durchgeführten Experimente belegen, dass Atorvastatin, Cerivastatin und Lovastatin in klinisch relevanten Dosen die Synthese bestimmter Selenoproteine, wie der Glutathionperoxidase (GPx), in klonalen humanen Hepatocyten post-transkriptionell unterdrücken, wodurch die Zellen anfälliger für oxidativen Stress in Form von Peroxiden werden. Dieser Mechanismus könnte eine Erklärung für die häufig beobachteten abnormen Leberwerte von Statin-behandelten Patienten darstellen.rnEndogenes Cholesterol gilt ebenfalls als potenter Inhibitor der HMGCR. Die in dieser Arbeit erzielten Ergebnisse zeigen, dass Cholesterol in verschiedenen Formen, als Low-Density-Lipoprotein (LDL), als 25-Hydroxycholesterol, und als Methylcyclodextrin-Komplex in unterschiedlichen humanen Zelltypen die Selenoproteinsynthese ebenfalls unterdrücken. Der negative Zusammenhang zwischen Cholesterol und bestimmten Selenoproteinen konnte auch in vivo beobachtet werden. In juvenilen Mäusen konnte gezeigt werden, dass ein Knockout des LDL-Rezeptors sowie auch ein Knockout von Apolipoprotein E zu einer Senkung des Lebercholesterols führte, was in einer Zunahme der GPx in der Leber resultierte.rnDie vorliegenden Daten belegen erstmals einen direkten und funktionellen Zusammenhang zwischen dem Mevalonatpfad und der Selenoproteinsynthese. Unterdrückung dieses Pfades, entweder durch exogene Substanzen wie Statine, oder durch endogene Substanzen wie Cholesterol, hat offenbar zur Folge, dass essentielle Zwischenprodukte für die Modifizierung der Selenocystein-tRNA fehlen, was in einer post-transkriptionellen Verminderung der induzierbaren Selenoproteine resultiert. Dies könnte die biochemische Grundlage für einen Teil der vielfältigen gesundheitlich negativen Auswirkungen schon geringfügig erhöhter Cholesterolspiegel sein.

Rolle der FOS-Proteine und des MAPK-Signallings in der Regulation der zellulären Antwort auf genotoxischen Stress

Die mittlere Überlebenszeit nach Erkennung eines Glioblastoms ohne Behandlung liegt bei 3 Monaten und kann durch die Behandlung mit Temozolomid (TMZ) auf etwa 15 Monate gesteigert werden. Neben TMZ sind die chlorethylierenden Nitrosoharnstoffe die meistversprechendsten und am häufigsten eingesetzten Chemotherapeutika in der Gliomtherapie. Hier liegt die mittlere Überlebenszeit bei 17,3 Monaten. Um die Therapie des Glioblastoms noch effektiver zu gestalten und Resistenzen zu begegnen, werden unterschiedlichste Ansätze untersucht. Eine zentrale Rolle spielen hierbei das activator protein 1 (AP-1) und die mitogen aktivierten Proteinkinasen (MAPK), deren Funktion in bisherigen Arbeiten noch unzureichend beleuchtet wurde.rnBesonders mit der Rolle des AP-1-bildenden Proteins FRA-1 in der Therapie des Glioblastoms haben sich bisher nur wenige Arbeiten beschäftigt, weshalb im ersten Teil der vorliegenden Arbeit dessen Funktion in der Regulation der Chemosensitivität gegenüber dem chlorethylierenden Agenz ACNU genauer untersucht wurde. Es konnte gezeigt werden, dass die FRA 1-Expression durch Behandlung mit ACNU induziert wird. Die Induktion erfolgte über die beiden MAPKs ERK1/2 und p38K. JNK hatte keinen Einfluss auf die Induktion. Durch die Herunterregulation der FRA-1-Expression mit Hilfe von siRNA und eines shRNA exprimierenden Plasmids kam es zu einer signifikanten Sensitivierung gegenüber ACNU. Dabei konnte gezeigt werden, dass die Herunterregulation der FRA-1-Expression in einer verminderten AP 1-Bildung, bedingt durch eine reduzierte Menge an FRA-1 im AP-1-Komplex resultiert. Die Sensitivierung gegenüber ACNU ist weder durch eine Veränderung in der DNA-Reparatur, noch in der Modulation der FAS-Ligand- bzw. FAS-Rezeptor-Expression bedingt. Auch die hier untersuchten BCL 2-Familienmitglieder wiesen keine Unterschiede in der Expression durch Modulation der FRA 1-Expression auf. Allerdings kam es durch die verminderte FRA-1-Expression zu einer Reduktion der Zellzahl in der G2/M-Phase nach Behandlung mit ACNU. Diese ging einher mit einer reduzierten Menge an phosphoryliertem und unphosphoryliertem CHK1, weshalb davon auszugehen ist, dass FRA 1 nach ACNU-Behandlung in Gliomzellen vor der Apoptose schützt, indem es modulierend auf die Zellzykluskontrolle einwirkt.rnIm zweiten Teil dieser Arbeit wurde die Regulation der apoptotischen Antwort nach Behandlung mit ACNU und TMZ genauer beleuchtet, wobei ein spezielles Augen¬merk auf AP 1 und die MAPKs gelegt wurde. Hier konnte gezeigt werden, dass die Apoptose nach Behandlung mit ACNU bzw. TMZ sowohl durch Spaltung von Pro-Caspase 8, als auch Pro-Caspase 9 eingeleitet wird. Dabei akkumulierte in beiden Fällen p53 vermehrt im Zellkern. Eine Inhibierung der transkriptionellen Aktivität von p53 führte nach ACNU-Behandlung zu einer Sensitivierung der Zellen, nach TMZ-Behandlung kam es zu einem leichten Anstieg in der Vitälität. Der FAS-Rezeptor wurde nach ACNU- und nach TMZ-Behandlung aktiviert und auch die DNA-Reparaturproteine DDB2 und XPC wurden in beiden Fällen vermehrt exprimiert. Für die MAPKs JNK und ERK1/2 konnte gezeigt werden, dass diese pro-apoptotisch wirken. Die AP-1-Bildung nach ACNU-Behandlung erfolgte bereits nach 24 h und war von langer Dauer, wohingegen nach TMZ-Behandlung nur eine transiente AP 1-Bildung zu relativ späten Zeitpunkten detektiert werden konnte. Ebenso konnte für das AP-1-Zielgen FAS-Ligand nach ACNU-Behandlung eine relativ schnelle, lang anhaltende Aktivierung detektiert werden, wohingegen nach TMZ-Behandlung zu einem späten Zeitpunkt ein kurzer Anstieg im Signal zu verzeichnen war. In späteren Experimenten konnte gezeigt werden, dass das BCL-2-Familienmitglied BIM eine zentrale Rolle in der Regulation des intrinsischen Apoptosesignalweges nach Behandlung mit ACNU und TMZ spielt. Die hier entstanden Ergebnisse tragen entscheidend zum Verständnis der durch diese beiden Agenzien gesteuerten, apoptotischen Signalwege bei und bieten eine fundierte Grundlage für weitere Untersuchungen.rn

Regulation and structure of YahD, a copper-inducible / serine hydrolase of Lactococcus lactis IL1403

Lactococcus lactis IL1403 is a lactic acid bacterium that is used widely for food fermentation. Copper homeostasis in this organism chiefly involves copper secretion by the CopA copper ATPase. This enzyme is under the control of the CopR transcriptional regulator. CopR not only controls its own expression and that of CopA, but also that of an additional three operons and two monocistronic genes. One of the genes under the control of CopR, yahD, encodes an α/β-hydrolase. YahD expression was induced by copper and cadmium, but not by other metals or oxidative or nitrosative stress. The three-dimensional structure of YahD was determined by X-ray crystallography to a resolution of 1.88 Å. The protein was found to adopt an α/β-hydrolase fold with the characteristic Ser-His-Asp catalytic triad. Functional testing of YahD for a wide range of substrates for esterases, lipases, epoxide hydrolases, phospholipases, amidases and proteases was, however, unsuccessful. A copper-inducible serine hydrolase has not been described previously and YahD appears to be a new functional member of this enzyme family.

Inhibition of SIRT1 Impairs the Accumulation and Transcriptional Activity of HIF-1α Protein under Hypoxic Conditions

Sirtuins and hypoxia-inducible transcription factors (HIF) have well-established roles in regulating cellular responses to metabolic and oxidative stress. Recent reports have linked these two protein families by demonstrating that sirtuins can regulate the activity of HIF-1 and HIF-2. Here we investigated the role of SIRT1, a NAD+-dependent deacetylase, in the regulation of HIF-1 activity in hypoxic conditions. Our results show that in hepatocellular carcinoma (HCC) cell lines, hypoxia did not alter SIRT1 mRNA or protein expression, whereas it predictably led to the accumulation of HIF-1α and the up-regulation of its target genes. In hypoxic models in vitro and in in vivo models of systemic hypoxia and xenograft tumor growth, knockdown of SIRT1 protein with shRNA or inhibition of its activity with small molecule inhibitors impaired the accumulation of HIF-1α protein and the transcriptional increase of its target genes. In addition, endogenous SIRT1 and HIF-1α proteins co-immunoprecipitated and loss of SIRT1 activity led to a hyperacetylation of HIF-1α. Taken together, our data suggest that HIF-1α and SIRT1 proteins interact in HCC cells and that HIF-1α is a target of SIRT1 deacetylase activity. Moreover, SIRT1 is necessary for HIF-1α protein accumulation and activation of HIF-1 target genes under hypoxic conditions.

Baicalein, a component of Scutellaria baicalensis, induces apoptosis by Mcl-1 down-regulation in human pancreatic cancer cells

Scutellaria baicalensis (SB) and SB-derived polyphenols possess anti-proliferative activities in several cancers, including pancreatic cancer (PaCa). However, the precise molecular mechanisms have not been fully defined. SB extract and SB-derived polyphenols (wogonin, baicalin, and baicalein) were used to determine their anti-proliferative mechanisms. Baicalein significantly inhibited the proliferation of PaCa cell lines in a dose-dependent manner, whereas wogonin and baicalin exhibited a much less robust effect. Treatment with baicalein induced apoptosis with release of cytochrome c from mitochondria, and activation of caspase-3 and -7 and PARP. The general caspase inhibitor zVAD-fmk reversed baicalein-induced apoptosis, indicating a caspase-dependent mechanism. Baicalein decreased expression of Mcl-1, an anti-apoptotic member of the Bcl-2 protein family, presumably through a transcriptional mechanism. Genetic knockdown of Mcl-1 resulted in marked induction of apoptosis. The effect of baicalein on apoptosis was significantly attenuated by Mcl-1 over-expression, suggesting a critical role of Mcl-1 in this process. Our results provide evidence that baicalein induces apoptosis in pancreatic cancer cells through down-regulation of the anti-apoptotic Mcl-1 protein.

Posttranscriptional regulation of Fas (CD95) ligand killing activity by lipid rafts

Fas (CD95/Apo-1) ligand-mediated apoptosis induction of target cells is one of the major effector mechanisms by which cytotoxic lymphocytes (T cells and natural killer cells) kill their target cells. In T cells, Fas ligand expression is tightly regulated at a transcriptional level through the activation of a distinct set of transcription factors. Increasing evidence, however, supports an important role for posttranscriptional regulation of Fas ligand expression and activity. Lipid rafts are cholesterol- and sphingolipid-rich membrane microdomains, critically involved in the regulation of membrane receptor signaling complexes through the clustering and concentration of signaling molecules. Here, we now provide evidence that Fas ligand is constitutively localized in lipid rafts of FasL transfectants and primary T cells. Importantly, disruption of lipid rafts strongly reduces the apoptosis-inducing activity of Fas ligand. Localization to lipid rafts appears to be predominantly mediated by the characteristic cytoplasmic proline-rich domain of Fas ligand because mutations of this domain result in reduced recruitment to lipid rafts and attenuated Fas ligand killing activity. We conclude that Fas ligand clustering in lipid rafts represents an important control mechanism in the regulation of T cell-mediated cytotoxicity.

Regulation of human liver delta-aminolevulinic acid synthase by bile acids

Aminolevulinic acid synthase 1 (ALAS1) is the rate-limiting enzyme of heme synthesis in the liver and is highly regulated to adapt to the metabolic demand of the hepatocyte. In the present study, we describe human hepatic ALAS1 as a new direct target of the bile acid-activated nuclear receptor farnesoid X receptor (FXR). Experiments in primary human hepatocytes and in human liver slices showed that ALAS1 messenger RNA (mRNA) and activity is increased upon exposure to chenodeoxycholic acid (CDCA), the most potent natural FXR ligand, or the synthetic FXR-specific agonist GW4064. Moreover, overexpression of a constitutively active form of FXR further increased ALAS1 mRNA expression. In agreement with these observations, an FXR response element was identified in the 5' flanking region of human ALAS1 and characterized in reporter gene assays. A highly conserved FXR binding site (IR1) within a 175-bp fragment at -13 kilobases upstream of the transcriptional start site was able to trigger an FXR-specific increase in luciferase activity upon CDCA treatment. Site-directed mutagenesis of IR1 abolished this effect. Binding of FXR/retinoid acid X receptor heterodimers was demonstrated by mobility gel shift experiments. Conclusion: These data strongly support a role of bile acid-activated FXR in the regulation of human ALAS1 and, consequently, hepatic porphyrin and heme synthesis. These data also suggest that elevated endogenous bile acids may precipitate neuropsychiatric attacks in patients with acute hepatic porphyrias.

Cell cycle-dependent regulation of extra-adrenal glucocorticoid synthesis in murine intestinal epithelial cells

Glucocorticoids are anti-inflammatory steroids with important applications in the treatment of inflammatory diseases. Endogenous glucocorticoids are mainly produced by the adrenal glands, although there is increasing evidence for extra-adrenal sources. Recent findings show that intestinal crypt cells produce glucocorticoids, which contribute to the maintenance of intestinal immune homeostasis. Intestinal glucocorticoid synthesis is critically regulated by the transcription factor liver receptor homologue-1 (LRH-1). As expression of steroidogenic enzymes and LRH-1 is restricted to the proliferating cells of the crypts, we aimed to investigate the role of the cell cycle in the regulation of LRH-1 activity and intestinal glucocorticoid synthesis. We here show that either pharmacological or molecular modulation of cell cycle progression significantly inhibited expression of steroidogenic enzymes and synthesis of glucocorticoids in intestinal epithelial cells. Synchronization of intestinal epithelial cells in the cell cycle revealed that expression of steroidogenic enzymes is preferentially induced at the G(1)/S stage. Differentiation of immature intestinal epithelial cells to mature nonproliferating cells also resulted in reduced expression of steroidogenic enzymes. This cell cycle-related effect on intestinal steroidogenesis was found to be mediated through the regulation of LRH-1 transcriptional activity. This mechanism may restrict intestinal glucocorticoid synthesis to the proliferating cells of the crypts.