Characterization of the molecular mechanisms of insulin exocytosis and of their adaptation to physiopathological conditions

Résumé large public Le glucose est une source d'énergie essentielle pour notre organisme, indispensable pour le bon fonctionnement des cellules de notre corps. Les cellules β du pancréas sont chargées de réguler l'utilisation du glucose et de maintenir la glycémie (taux de glucose dans le sang) à un niveau constant. Lorsque la glycémie augmente, ces dernières sécrètent l'insuline, une hormone favorisant l'absorption, l'utilisation et le stockage du glucose. Une sécrétion insuffisante d'insuline provoque une élévation anormale du taux de glucose dans le sang (hyperglycémie) et peut mener au développement du diabète sucré. L'insuline est sécrétée dans le sang par un mécanisme particulier appelé exocytose. Une meilleure compréhension de ce mécanisme est nécessaire dans l'espoir de trouver des nouvelles thérapies pour traiter les 170 millions de personnes atteintes de diabète sucré à travers le monde. L'implication de diverses protéines, comme les SNAREs ou Rabs a déjà été démontrée. Cependant leurs mécanismes d'action restent, à ce jour, peu compris. De plus, l'adaptation de la machinerie d'exocytose à des conditions physiopathologiques, comme l'hyperglycémie, est encore à élucider. Le but de mon travail de thèse a été de clarifier le rôle de deux protéines, Noc2 et Tomosyn, dans l'exocytose ; puis de déterminer les effets d'une exposition prolongée à un taux élevé de glucose sur l'ensemble des protéines de la machinerie d'exocytose. Noc2 est un partenaire potentiel de deux Rabs connues pour leur implication dans les dernières étapes de l'exocytose, Rab3 et Rab27. Grâce à l'étude de différents mutants de Noc2, j'ai montré que l'interaction avec Rab27 permet à la protéine de s'associer avec les organelles de la cellule β contenant l'insuline. De plus, en diminuant sélectivement l'expression de Noc2, j'ai déterminé l'importance de cette protéine pour le bon fonctionnement du processus d'exocytose et le relâchement de l'insuline. Quant à Tomosyn, une protéine interagissant avec les protéines SNAREs, j'ai démontré son importance dans la sécrétion d'insuline en diminuant de manière sélective son expression dans les cellules β. Ensuite, grâce à une combinaison d'approches moléculaires et de microscopie, j'ai mis en évidence le rôle de Tomosyn dans les dernières étapes de l'exocytose. Enfin, puisque la sécrétion d'insuline est diminuée lors d'une hyperglycémie prolongée, j'ai analysé l'adaptation de la machinerie d'exocytose à ces conditions. Ceci m'a permis de découvrir que l'expression de quatre protéines essentielles pour le processus d'exocytose, Noc2, Rab3, Rab27 et Granuphilin, est fortement diminuée lors d'une hyperglycémie chronique. L'ensemble de ces données met en évidence l'importance de Noc2 et Tomosyn dans la sécrétion d'insuline. L'inhibition, par un taux élevé de glucose, de l'expression de Noc2 et d'autres protéines indispensables pour l'exocytose suggère que ce phénomène pourrait contribuer au développement du diabète sucré. Résumé L'exocytose d'insuline, en réponse au glucose circulant dans le sang, est la fonction principale de la cellule β. Celle-ci permet de stabiliser le taux de glucose sanguin (glycémie). Le diabète de type 2 est caractérisé par une glycémie élevée due, principalement, à un défaut de sécrétion d'insuline en réponse au glucose. La compréhension des mécanismes qui contrôlent l'exocytose d'insuline est essentielle pour clarifier les causes du diabète sucré. Plusieurs composants impliqués dans ce processus ont été identifiés. Ceux-ci incluent les SNAREs Syntaxin-1, VAMP2 et SNAP25 et les GTPases Rab3 et Rab27 qui jouent un rôle dans les dernières étapes de l'exocytose. Pendant mon travail de thèse, j'ai étudié le rôle de Noc2, un des partenaires de Rab3 et Rab27, dans l'exocytose d'insuline. Nous avons déterminé que Noc2 s'associe aux granules de sécrétion d'insuline grâce à son interaction avec Rab27. La diminution de l'expression de Noc2 dans la lignée cellulaire β INS-1E, par ARN interférence, influence négativement la sécrétion d'insuline stimulée par différents sécrétagogues et prouve que cette protéine Noc2 est essentielle pour l'exocytose d'insuline. L'interaction avec Munc13, une protéine impliquée dans l'arrimage des vésicules, suggère que Noc2 participe au recrutement des granules d'insuline à la membrane plasmique. Ensuite, j'ai analysé l'adaptation de la machinerie d'exocytose à des concentrations supraphysiologiques de glucose. Le niveau d'expression de Rab3 et Rab27 et de leurs effecteurs Granuphilin/S1p4 et Noc2 est fortement diminué par une exposition prolongée des cellules β à haut glucose. L'effet observé est en relation avec l'induction de l'expression de ICER, un facteur de transcription surexprimé dans des conditions d'hyperglycémie et également dans des modèles génétiques de diabète de type 2. La surexpression de ICER dans des cellules INS-1E diminue l'expression de Rab3, Rab27, Granuphilin/Slp4 et Noc2 et par conséquent l'exocytose d'insuline. Ainsi, l'induction de ICER, après une exposition prolongée à haut glucose, régule négativement l'expression de protéines essentielles pour l'exocytose et altère la sécrétion d'insuline. Ce mécanisme pourrait contribuer au dysfonctionnement de l'exocytose d'insuline dans le diabète de type 2. Dans la dernière partie de ma thèse, j'ai investigué le rôle de la protéine Tomosyn-1 dans la formation du complexe SNARE. Cette protéine a une forte affinité pour Syntaxin-1 et contient un domaine SNARE. Tomosyn-1 est concentrée dans les régions cellulaires enrichies en granules de sécrétion. La diminution sélective de l'expression de Tomosyn-1 induit une réduction de l'exocytose stimulée par différents sécrétagogues. Cet effet est dû à un défaut de fusion des granules avec la membrane plasmique. Ceci nous indique que Tomosyn-1 intervient dans une phase importante de la préparation des vésicules à la fusion, qui est nécessaire à l'exocytose. Abstract: Insulin exocytosis from pancreatic β-cells plays a central role in blood glucose homeostasis. Diabetes mellitus is a complex metabolic disorder characterized by secretory dysfunctions in pancreatic β-cells and release of amounts of insulin that are inappropriate to maintain blood glucose concentration within normal physiological ranges. To define the causes of β-cell failure a basic understanding of the molecular mechanisms that control insulin exocytosis is essential. Some of the molecular components involved in this process have been identified, including the SNARE proteins VAMP2, Syntaxin-1 and SNAP25 and the two GTPases, Rab3 and Rab27, that regulate the final steps of insulin secretion. I first investigated the role of Noc2, a potential Rab3 and Rab27 partner, in insulin secretion. I found that Noc2 associates with Rab27 and is recruited by this GTPase on insulin- containing granules. Silencing of the Noc2 gene by RNA interference led to a strong impairment in the capacity of the β-cell line INS-1E to respond to secretagogues, indicating that appropriate levels of the protein are essential for insulin exocytosis. I also showed that Noc2 interacts with Munc13, a protein that controls vesicle priming, suggesting a possible involvement of Noc2 in the recruitment of secretory granules at the plasma membrane. In the second part of my thesis, I investigated the adaptation of the molecular machinery of exocytosis to physiopathological conditions. I found that the expression of Rab3, Rab27 and of their effectors Granuphilin/Slp4 and Noc2 is dramatically decreased by chronic exposure of β-ce1ls to supraphysiological glucose levels. The observed glucotoxic effect is a consequence of the induction of ICER, a transcriptional repressor that is increased by prolonged hyperglycemia and in genetic models of type 2 diabetes. Overexpression of ICER reduced Granuphilin, Noc2, Rab3 and Rab27 levels and inhibited exocytosis. These results suggest that the presence of inappropriate levels of ICER diminishes the expression of a group of proteins essential for exocytosis and contributes to defective insulin release in type 2 diabetes. In the last part of my thesis, I focused my attention on the role of Tomosyn-1, a Syntaxin-1 binding protein possessing a SNARE-like motif, in the control of SNARE complex assembly. I found that Tomosyn-1 is concentrated in cellular compartments enriched in insulin-containing secretory granules. Silencing of Tomosyn-1 did not affect the number of secretory granules docked at the plasma membrane but decreased their release probability, resulting in a reduction in stimulus-induced insulin exocytosis. These findings suggest that Tomosyn-1 is involved in a post-docking event that prepares secretory granules for fusion and is necessary to sustain exocytosis in response to insulin secretagogues.

Amphibian albumins as members of the albumin, alpha-fetoprotein, vitamin D-binding protein multigene family.

The Xenopus laevis 68-kd and 74-kd albumin amino acid sequences are examined with respect to their relationship to the other known members of the albumin/alpha-fetoprotein/vitamin D-binding protein gene family. Each of the three members of this family presents a unique pattern of conserved regions indicating a differential selective pressure related to specific functional characteristics. Furthermore, an evolutionary tree of these genes was deduced from the divergence times calculated from direct nucleotide sequence comparisons of individual gene pairs. These calculations indicate that the vitamin D-binding protein/albumin separation occurred 560-600 million years (Myr) ago and the albumin/alpha-fetoprotein divergence 280 Myr ago. This observation leads to the hypothesis according to which the albumin/alpha-fetoprotein gene duplication occurred shortly after the amphibian/reptile separation. Consequently, and unlike mammals, amphibians and fishes should lack an alpha-fetoprotein in their serum at larval stages, which is consistent with a recent analysis of serum proteins in Xenopus laevis larvae. This hypothesis now will have to be tested further in additional lower vertebrates.

Coregulator Control of Androgen Receptor Action by a Novel Nuclear Receptor-Binding Motif

The androgen receptor (AR) is a ligand-activated transcription factor that is essential for prostate cancer development. It is activated by androgens through its ligand-binding domain (LBD), which consists predominantly of 11 α-helices. Upon ligand binding, the last helix is reorganized to an agonist conformation termed activator function-2 (AF-2) for coactivator binding. Several coactivators bind to the AF-2 pocket through conserved LXXLL or FXXLF sequences to enhance the activity of the receptor. Recently, a small compound-binding surface adjacent to AF-2 has been identified as an allosteric modulator of the AF-2 activity and is termed binding function-3 (BF-3). However, the role of BF-3 in vivo is currently unknown, and little is understood about what proteins can bind to it. Here we demonstrate that a duplicated GARRPR motif at the N terminus of the cochaperone Bag-1L functions through the BF-3 pocket. These findings are supported by the fact that a selective BF-3 inhibitor or mutations within the BF-3 pocket abolish the interaction between the GARRPR motif(s) and the BF-3. Conversely, amino acid exchanges in the two GARRPR motifs of Bag-1L can impair the interaction between Bag-1L and AR without altering the ability of Bag-1L to bind to chromatin. Furthermore, the mutant Bag-1L increases androgen-dependent activation of a subset of AR targets in a genome-wide transcriptome analysis, demonstrating a repressive function of the GARRPR/BF-3 interaction. We have therefore identified GARRPR as a novel BF-3 regulatory sequence important for fine-tuning the activity of the AR.

MRS glucose mapping and PET joining forces: re-evaluation of the lumped constant in the rat brain under isoflurane anaesthesia.

Although numerous positron emission tomography (PET) studies with (18) F-fluoro-deoxyglucose (FDG) have reported quantitative results on cerebral glucose kinetics and consumption, there is a large variation between the absolute values found in the literature. One of the underlying causes is the inconsistent use of the lumped constants (LCs), the derivation of which is often based on multiple assumptions that render absolute numbers imprecise and errors hard to quantify. We combined a kinetic FDG-PET study with magnetic resonance spectroscopic imaging (MRSI) of glucose dynamics in Sprague-Dawley rats to obtain a more comprehensive view of brain glucose kinetics and determine a reliable value for the LC under isoflurane anaesthesia. Maps of Tmax /CMRglc derived from MRSI data and Tmax determined from PET kinetic modelling allowed to obtain an LC-independent CMRglc . The LC was estimated to range from 0.33 ± 0.07 in retrosplenial cortex to 0.44 ± 0.05 in hippocampus, yielding CMRglc between 62 ± 14 and 54 ± 11 μmol/min/100 g, respectively. These newly determined LCs for four distinct areas in the rat brain under isoflurane anaesthesia provide means of comparing the growing amount of FDG-PET data available from translational studies.

Binding free energy differences in a TCR-peptide-MHC complex induced by a peptide mutation: a simulation analysis.

Recognition by the T-cell receptor (TCR) of immunogenic peptides presented by class I major histocompatibility complexes (MHCs) is the determining event in the specific cellular immune response against virus-infected cells or tumor cells. It is of great interest, therefore, to elucidate the molecular principles upon which the selectivity of a TCR is based. These principles can in turn be used to design therapeutic approaches, such as peptide-based immunotherapies of cancer. In this study, free energy simulation methods are used to analyze the binding free energy difference of a particular TCR (A6) for a wild-type peptide (Tax) and a mutant peptide (Tax P6A), both presented in HLA A2. The computed free energy difference is 2.9 kcal/mol, in good agreement with the experimental value. This makes possible the use of the simulation results for obtaining an understanding of the origin of the free energy difference which was not available from the experimental results. A free energy component analysis makes possible the decomposition of the free energy difference between the binding of the wild-type and mutant peptide into its components. Of particular interest is the fact that better solvation of the mutant peptide when bound to the MHC molecule is an important contribution to the greater affinity of the TCR for the latter. The results make possible identification of the residues of the TCR which are important for the selectivity. This provides an understanding of the molecular principles that govern the recognition. The possibility of using free energy simulations in designing peptide derivatives for cancer immunotherapy is briefly discussed.

Heterologously expressed Staphylococcus aureus fibronectin-binding proteins are sufficient for invasion of host cells.

Staphylococcus aureus invasion of mammalian cells, including epithelial, endothelial, and fibroblastic cells, critically depends on fibronectin bridging between S. aureus fibronectin-binding proteins (FnBPs) and the host fibronectin receptor integrin alpha(5)beta(1) (B. Sinha et al., Cell. Microbiol. 1:101-117, 1999). However, it is unknown whether this mechanism is sufficient for S. aureus invasion. To address this question, various S. aureus adhesins (FnBPA, FnBPB, and clumping factor [ClfA]) were expressed in Staphylococcus carnosus and Lactococcus lactis subsp. cremoris. Both noninvasive gram-positive microorganisms are genetically distinct from S. aureus, lack any known S. aureus surface protein, and do not bind fibronectin. Transformants of S. carnosus and L. lactis harboring plasmids coding for various S. aureus surface proteins (FnBPA, FnBPB, and ClfA) functionally expressed adhesins (as determined by bacterial clumping in plasma, specific latex agglutination, Western ligand blotting, and binding to immobilized and soluble fibronectin). FnBPA or FnBPB but not of ClfA conferred invasiveness to S. carnosus and L. lactis. Invasion of 293 cells by transformants was comparable to that of strongly invasive S. aureus strain Cowan 1. Binding of soluble and immobilized fibronectin paralleled invasiveness, demonstrating that the amount of accessible surface FnBPs is rate limiting. Thus, S. aureus FnBPs confer invasiveness to noninvasive, apathogenic gram-positive cocci. Furthermore, FnBP-coated polystyrene beads were internalized by 293 cells, demonstrating that FnBPs are sufficient for invasion of host cells without the need for (S. aureus-specific) coreceptors.

A role for the transcriptional repressor ICER in the molecular pathogenesis of type 2 diabetes

AbstractType 2 diabetes (T2D) is a metabolic disease which affects more than 200 millions people worldwide. The progression of this affection reaches nowadays epidemic proportions, owing to the constant augmentation in the frequency of overweight, obesity and sedentary. The pathogenesis of T2D is characterized by reduction in the action of insulin on its target tissues - an alteration referred as insulin resistance - and pancreatic β-cell dysfunction. This latter deterioration is defined by impairment in insulin biosynthesis and secretion, and a loss of β-cell mass by apoptosis. Environmental factors related to T2D, such as chronic elevation in glucose and free fatty acids levels, inflammatory cytokines and pro-atherogenic oxidized low- density lipoproteins (LDL), contribute to the loss of pancreatic β-cell function.In this study, we have demonstrated that the transcription factor Inducible Cyclic AMP Early Repressor (ICER) participates to the progression of both β-cell dysfunction and insulin resistance. The expression of this factor is driven by an alternative promoter and ICER protein represents therefore a truncated product of the Cyclic AMP Response Element Modulator (CREM) family which lacks transactivation domain. Consequently, the transcription factor ICER acts as a passive repressor which reduces expression of genes controlled by the cyclic AMP and Cyclic AMP Response Element Binding protein (CREB) pathway.In insulin-secreting cells, the accumulation of reactive oxygen species caused by environmental factors and notably oxidized LDL - a process known as oxidative stress - induces the transcription factor ICER. This transcriptional repressor hampers the secretory capacity of β-cells by silencing key genes of the exocytotic machinery. In addition, the factor ICER reduces the expression of the scaffold protein Islet Brain 1 (IB 1 ), thereby favouring the activation of the c-Jun N-terminal Kinase (JNK) pathway. This triggering alters in turn insulin biosynthesis and survival capacities of pancreatic β-cells.In the adipose tissue of mice and human subjects suffering from obesity, the transcription factor ICER contributes to the alteration in insulin action. The loss in ICER protein in these tissues induces a constant activation of the CREB pathway and the subsequent expression of the Activating Transcription Factor 3 (ATF3). In turn, this repressor reduces the transcript levels of the glucose transporter GLUT4 and the insulin-sensitizer peptide adiponectin, thereby contributing to the diminution in insulin action.In conclusion, these data shed light on the important role of the transcriptional repressor ICER in the pathogenesis of T2D, which contributes to both alteration in β-cell function and aggravation of insulin resistance. Consequently, a better understanding of the molecular mechanisms responsible for the alterations in ICER levels is required and could lead to develop new therapeutic strategies for the treatment of T2D.RésuméLe diabète de type 2 (DT2) est une maladie métabolique qui affecte plus de 200 millions de personnes dans le monde. La progression de cette affection atteint aujourd'hui des proportions épidémiques imputables à l'augmentation rapide dans les fréquences du surpoids, de l'obésité et de la sédentarité. La pathogenèse du DT2 se caractérise par une diminution de l'action de l'insuline sur ses tissus cibles - un processus nommé insulino-résistance - ainsi qu'une dysfonction des cellules β pancréatiques sécrétrices d'insuline. Cette dernière détérioration se définit par une réduction de la capacité de synthèse et de sécrétion de l'insuline et mène finalement à une perte de la masse de cellules β par apoptose. Des facteurs environnementaux fréquemment associés au DT2, tels l'élévation chronique des taux plasmatiques de glucose et d'acides gras libres, les cytokines pro-inflammatoires et les lipoprotéines de faible densité (LDL) oxydées, contribuent à la perte de fonction des cellules β pancréatiques.Dans cette étude, nous avons démontré que le facteur de transcription « Inducible Cyclic AMP Early Repressor » (ICER) participe à la progression de la dysfonction des cellules β pancréatiques et au développement de Pinsulino-résistance. Son expression étant gouvernée par un promoteur alternatif, la protéine d'ICER représente un produit tronqué de la famille des «Cyclic AMP Response Element Modulator » (CREM), sans domaine de transactivation. Par conséquent, le facteur ICER agit comme un répresseur passif qui réduit l'expression des gènes contrôlés par la voie de l'AMP cyclique et des « Cyclic AMP Response Element Binding protein » (CREB).Dans les cellules sécrétrices d'insuline, l'accumulation de radicaux d'oxygène libres, soutenue par les facteurs environnementaux et notamment les LDL oxydées - un processus appelé stress oxydatif- induit de manière ininterrompue le facteur de transcription ICER. Ainsi activé, ce répresseur transcriptionnel altère la capacité sécrétoire des cellules β en bloquant l'expression de gènes clés de la machinerie d'exocytose. En outre, le facteur ICER favorise l'activation de la cascade de signalisation « c-Jun N- terminal Kinase » (JNK) en réduisant l'expression de la protéine « Islet Brain 1 » (IB1), altérant ainsi les fonctions de biosynthèse de l'insuline et de survie des cellules β pancréatiques.Dans le tissu adipeux des souris et des sujets humains souffrant d'obésité, le facteur de transcription ICER contribue à l'altération de la réponse à l'insuline. La disparition de la protéine ICER dans ces tissus entraîne une activation persistante de la voie de signalisation des CREB et une induction du facteur de transcription « Activating Transcription Factor 3 » (ATF3). A son tour, le répresseur ATF3 inhibe l'expression du transporteur de glucose GLUT4 et du peptide adipocytaire insulino-sensibilisateur adiponectine, contribuant ainsi à la diminution de l'action de l'insuline en conditions d'obésité.En conclusion, à la lumière de ces résultats, le répresseur transcriptionnel ICER apparaît comme un facteur important dans la pathogenèse du DT2, en participant à la perte de fonction des cellules β pancréatiques et à l'aggravation de l'insulino-résistance. Par conséquent, l'étude des mécanismes moléculaires responsables de l'altération des niveaux du facteur ICER pourrait permettre le développement de nouvelles stratégies de traitement du DT2.Résumé didactiqueL'énergie nécessaire au bon fonctionnement de l'organisme est fournie par l'alimentation, notamment sous forme de sucres (glucides). Ceux-ci sont dégradés en glucose, lequel sera distribué aux différents organes par la circulation sanguine. Après un repas, le niveau de glucose sanguin, nommé glycémie, s'élève et favorise la sécrétion d'une hormone appelée insuline par les cellules β du pancréas. L'insuline permet, à son tour, aux organes, tels le foie, les muscles et le tissu adipeux de capter et d'utiliser le glucose ; la glycémie retrouve ainsi son niveau basai.Le diabète de type 2 (DT2) est une maladie métabolique qui affecte plus de 200 millions de personnes dans le monde. Le développement de cette affection est causée par deux processus pathologiques. D'une part, les quantités d'insuline secrétée par les cellules β pancréatiques, ainsi que la survie de ces cellules sont réduites, un phénomène connu sous le nom de dysfonction des cellules β. D'autre part, la sensibilité des tissus à l'insuline se trouve diminuée. Cette dernière altération, l'insulino-résistance, empêche le transport et l'utilisation du glucose par les tissus et mène à une accumulation de ce sucre dans le sang. Cette stagnation de glucose dans le compartiment sanguin est appelée hyperglycémie et favorise l'apparition des complications secondaires du diabète, telles que les maladies cardiovasculaires, l'insuffisance rénale, la cécité et la perte de sensibilité des extrémités.Dans cette étude, nous avons démontré que le facteur ICER qui contrôle spécifiquement l'expression de certains gènes, contribue non seulement à la dysfonction des cellules β, mais aussi au développement de l'insulino-résistance. En effet, dans les cellules β pancréatiques en conditions diabétiques, l'activation du facteur ICER altère la capacité de synthèse et de sécrétion d'insuline et réduit la survie ces cellules.Dans le tissu adipeux des souris et des sujets humains souffrant d'obésité, le facteur ICER contribue à la perte de sensibilité à l'insuline. La disparition d'ICER altère l'expression de la protéine qui capte le glucose, le transoprteur GLUT4, et l'hormone adipocytaire favorisant la sensibilité à l'insuline, nommée adiponectine. Ainsi, la perte d'ICER participe à la réduction de la captation de glucose par le tissue adipeux et au développement de l'insulino-résistance au cours de l'obésité.En conclusion, à la lumière de ces résultats, le facteur ICER apparaît comme un contributeur important à la progression du DT2, en soutenant la dysfonction des cellules β pancréatiques et l'aggravation de l'insulino-résistance. Par conséquent, l'étude des mécanismes responsables de la dérégulation du facteur ICER pourrait permettre le développement de nouvelles stratégies de traitement du DT2.

Odorant binding proteins of the red imported fire ant, Solenopsis invicta: an example of the problems facing the analysis of widely divergent proteins.

We describe the odorant binding proteins (OBPs) of the red imported fire ant, Solenopsis invicta, obtained from analyses of an EST library and separate 454 sequencing runs of two normalized cDNA libraries. We identified a total of 18 putative functional OBPs in this ant. A third of the fire ant OBPs are orthologs to honey bee OBPs. Another third of the OBPs belong to a lineage-specific expansion, which is a common feature of insect OBP evolution. Like other OBPs, the different fire ant OBPs share little sequence similarity (∼ 20%), rendering evolutionary analyses difficult. We discuss the resulting problems with sequence alignment, phylogenetic analysis, and tests of selection. As previously suggested, our results underscore the importance for careful exploration of the sensitivity to the effects of alignment methods for data comprising widely divergent sequences.

Nuclear translocation and DNA recognition signals colocalized within the bZIP domain of cyclic adenosine 3',5'-monophosphate response element-binding protein CREB.

CREB is a cAMP-responsive nuclear DNA-binding protein that binds to cAMP response elements and stimulates gene transcription upon activation of the cAMP signalling pathway. The protein consists of an amino-terminal transcriptional transactivation domain and a carboxyl-terminal DNA-binding domain (bZIP domain) comprised of a basic region and a leucine zipper involved in DNA recognition and dimerization, respectively. Recently, we discovered a testis-specific transcript of CREB that contains an alternatively spliced exon encoding multiple stop codons. CREB encoded by this transcript is a truncated protein lacking the bZIP domain. We postulated that the antigen detected by CREB antiserum in the cytoplasm of germinal cells is the truncated CREB that must also lack its nuclear translocation signal (NTS). To test this hypothesis we prepared multiple expression plasmids encoding carboxyl-terminal deletions of CREB and transiently expressed them in COS-1 cells. By Western immunoblot analysis as well as immunocytochemistry of transfected cells, we show that CREB proteins truncated to amino acid 286 or shorter are sequestered in the cytoplasm, whereas a CREB of 295 amino acids is translocated into the nucleus. Chimeric CREBs containing a heterologous NTS fused to the first 248 or 261 amino acids of CREB are able to drive the translocation of the protein into the nucleus. Thus, the nine amino acids in the basic region involved in DNA recognition between positions 287 and 295 (RRKKKEYVK) of CREB contain the NTS. Further, mutation of the lysine at position 290 in CREB to an asparagine diminishes nuclear translocation of the protein.(ABSTRACT TRUNCATED AT 250 WORDS)

Structural Insight into the Mode of Action of a Direct Inhibitor of Coregulator Binding to the Thyroid Hormone Receptor.

The development of nuclear hormone receptor antagonists that directly inhibit the association of the receptor with its essential coactivators would allow useful manipulation of nuclear hormone receptor signaling. We previously identified 3-(dibutylamino)-1-(4-hexylphenyl)-propan-1-one (DHPPA), an aromatic β-amino ketone that inhibits coactivator recruitment to thyroid hormone receptor β (TRβ), in a high-throughput screen. Initial evidence suggested that the aromatic β-enone 1-(4-hexylphenyl)-prop-2-en-1-one (HPPE), which alkylates a specific cysteine residue on the TRβ surface, is liberated from DHPPA. Nevertheless, aspects of the mechanism and specificity of action of DHPPA remained unclear. Here, we report an x-ray structure of TRβ with the inhibitor HPPE at 2.3-Å resolution. Unreacted HPPE is located at the interface that normally mediates binding between TRβ and its coactivator. Several lines of evidence, including experiments with TRβ mutants and mass spectroscopic analysis, showed that HPPE specifically alkylates cysteine residue 298 of TRβ, which is located near the activation function-2 pocket. We propose that this covalent adduct formation proceeds through a two-step mechanism: 1) β-elimination to form HPPE; and 2) a covalent bond slowly forms between HPPE and TRβ. DHPPA represents a novel class of potent TRβ antagonist, and its crystal structure suggests new ways to design antagonists that target the assembly of nuclear hormone receptor gene-regulatory complexes and block transcription.