Sensibilisierung hitzeevozierter Ionenströme an nozizeptiven Spinalganglienneuronen der Ratte

Die freien Endigungen von Spinalganglienneuronen sind für die Detektion schmerzhafter Reize verantwortlich. Dabei rufen thermische, chemische oder mechanische Reize Ionenströme über die Membran und dadurch Membranpotentialänderungen hervor. Diese noxisch induzierten Ströme sind in großem Ausmaß durch chemische Substanzen und andere Reize modulierbar. Der Ionenkanal TRPV1 ist für die Detektion zahlreicher chemischer Reize und zumindest eines Teils der noxischen Hitzereize verantwortlich. Im Rahmen dieser Arbeit wurden einige der Mechanismen geklärt, die zur schnellen Sensibilisierung hitzeevozierter Ionenströme führen. Hierfür wurden akut dissoziierte Spinalganglienneurone der Ratte als Modell ihrer peripheren Endigung verwendet und mittels Ganzzellableitung in der patch-clamp-Technik untersucht. Die Verwendung von Trypsin während der Präparation von Spinalganglienneuronen hat keinen funktionellen Einfluss auf hitze- oder capsaicininduzierte Ströme, verbessert aber die Untersuchungsbedingungen für das patch-clamp-Verfahren. Bei 144 akut dissoziierten Spinalganglienneuronen wurden die Stromantworten auf drei im Abstand von 40 s durch Überspülen mit 45,3 bis 46,3°C heißer Extrazellularlösung applizierte einsekündige Hitzereize gemessen. Dabei ließen sich repetitiv reproduzierbare hitzeinduzierte Einwärtsströme von etwa 160 pA erzielen; es konnte keine Tachyphylaxie und nahezu keine Inaktivierung beobachtet werden. Direkt vor dem zweiten Hitzereiz wurden die Neurone für zwei Sekunden mit Extrazellularlösung überspült, die Kontrolllösung, 0,5 μM Capsaicin, 10 μM Natriumnitroprussid oder 10 μM YC-1 enthielt. Es fand sich kein Hinweis, dass Stickstoffmonoxid oder die Guanylatzyklase einen signifikanten Beitrag zur Sensibilisierung von hitzeinduzierten Strömen in Spinalganglienneuronen leisten, wobei ein durch den Versuchsaufbau bedingtes Auswaschen zytosolischer Faktoren, die für den Signalweg notwendig sind, nicht ausgeschlossen werden kann. Bei einer Konzentration von 0,5 μM löst Capsaicin für zwei Sekunden einen sehr kleinen Einwärtsstrom von etwa 33 pA aus und führt innerhalb von zwei Sekunden zu einer schnell reversiblen Sensibilisierung von hitzeinduzierten Einwärtsströmen in Spinalganglienneuronen (p<0,01). Das Ausmaß der Sensibilisierung ist proportional zur Größe des capsaicininduzierten Stromes (r=−0,7, p<0,001). Konstant halten der intrazellulären Calciumkonzentration mittels des Calciumchelators BAPTA verhindert die capsaicininduzierte Sensibilisierung hitzeinduzierter Ströme an Spinalganglienneuronen. Demzufolge beruht die capsaicininduzierte Sensibilisierung trotz der schnellen Kinetik nicht auf einer synergistischen Wirkung der beiden Agonisten Capsaicin und Hitze auf ihren gemeinsamen Rezeptor; vielmehr ist sie von einer Erhöhung der intrazellulären freien Calciumkonzentration abhängig. Funktionelle Änderungen der zellulären Funktion werden häufig durch Proteinkinasen vermittelt. Die zur Gruppe der MAP-Kinasen gehörende ERK (extracellular signal related kinase) wird bei Membrandepolarisation und Calciumeinstrom in die Zelle durch MEK (MAPK/extracellular signal related kinase kinase) aktiviert. Blockade der MEK/ERK-Kaskade durch den spezifischen MEK-Hemmstoff U0126 führt ebenfalls zu einer Aufhebung der Sensibilisierung der Hitzeantworten durch Capsaicin. Applikation von Capsaicin führt innerhalb von zwei Sekunden zu einer schnell reversiblen Sensibilisierung hitzeevozierter Ionenströme an nozizeptiven Spinalganglienneuronen. Diese Sensibilisierung wird durch einen Calciumeinstrom in die Zelle und die dadurch eintretende Aktivierung von Proteinkinasen hervorgerufen. Die MEK/ERK-Kaskade ist ein sehr schnell (deutlich unter 2 s) aktivierbares intrazelluläres Signalsystem, welches bei der Regulation der Empfindlichkeit nozizeptiver Spinalganglienneurone eine entscheidende Rolle spielt; die schnelle Kinetik ist dabei nur durch eine membranständige oder zumindest membrannahe Lokalisation dieser Proteinkinasen erklärbar. Durch Applikation zehnsekündiger Hitzereize lässt sich ebenfalls eine Sensibilisierung hitzeevozierter Ionenströme auslösen, die ebenso ausgeprägt ist, wie die Sensibilisierung durch 0,5 μM Capsaicin (p<0,005). Durch das immer größere Verständnis der Funktionsweise des nozizeptiven Systems ergeben sich ständig neue Ansätze für die Entwicklung neuer Analgetika. So könnte durch Modulation spezifischer intrazellulärer Proteinkinasen der Phosphorylierungszustand und damit die Aktivierbarkeit von Ionenkanälen, die der Transduktion noxischer Reize dienen, positiv beeinflusst werden. Neuere, noch spezifischere Inhibitoren der MEK können der Forschung und später auch der Therapie neue Möglichkeiten eröffnen.

SANS (USH1G) in USH-Proteinnetzwerken von Photorezeptorzellen der Vertebratenretina

Das Usher Syndrom (USH) führt beim Menschen zur häufigsten Form erblicher Taub-Blindheit und wird aufgrund klinischer Merkmale in drei Typen unterteilt (USH1-3). Das Ziel dieser Arbeit war die Analyse der Expression und subzellulären Lokalisation des USH1G-Proteins SANS („Scaffold protein containing Ankyrin repeats and SAM domain“) in der Retina. Ein weiterer Fokus lag auf der Identifikation neuer Interaktionspartner zur funktionellen Charakterisierung von SANS. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit konnte ein USH-Proteinnetzwerk identifiziert werden, das im Verbindungscilium und benachbarter Struktur, dem apikalen Innensegment von Photorezeptorzellen lokalisiert ist. Als Netzwerkkomponenten konnten die USH-Proteine SANS, USH2A Isoform b (USH2A), VLGR1b („Very Large G-protein coupled Receptor 1b“, USH2C) sowie Whirlin (USH2D) ermittelt werden. Innerhalb dieses Netzwerkes interagieren die Gerüstproteine SANS und Whirlin direkt miteinander. Die Transmembranproteine USH2A Isoform b und VLGR1b sind durch die direkte Interaktion mit Whirlin in ciliären-periciliären Membranen verankert und projizieren mit ihren langen Ektodomänen in den extrazellulären Spalt zwischen Verbindungscilium und apikalem Innensegment. Darüber hinaus konnte die Partizipation von SANS an Mikrotubuli-assoziiertem Vesikeltransport durch Identifikation neuer Interaktionspartner, wie dem MAGUK-Protein MAGI-2 („Membrane-Associated Guanylate Kinase Inverted-2“) sowie Dynaktin-1 (p150Glued) eruiert werden. Die Funktion des ciliären-periciliären USH-Proteinnetzwerkes könnte demnach in der Aufrechterhaltung benachbarter Membranstrukturen sowie der Beteiligung der Positionierung und Fusion von Transportvesikeln liegen.

Charakterisierung funktioneller Domänen von Centrin-Isoformen

Centrine sind kleine Ca2+-bindende Proteine aus der Familie der EF-Hand Proteine. Erstmals wurden Centrine als Hauptbestandteil der kontraktilen Flagellenwurzeln von Grünalgen beschrieben. Mittlerweile konnten Centrine in nahezu allen eukaryotischen Organismen nachgewiesen werden. In Säugetieren wurden bis zu vier Isoformen identifiziert, die an Centrosomen oder davon abgeleiteten Strukturen, wie Spindelpolkörpern und Basalkörper, aber auch in Übergangszonen von Cilien exprimiert werden. In der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass die Centrine im zellulären Kontext der Photorezeptorzellen nicht nur durch die Bindung von Ca2+ reguliert werden, sondern auch durch reversible Phosphorylierungen. Die Phosphorylierung der Centrin-Isoformen findet in der Retina von Vertebraten lichtabhängig während der Dunkeladaption statt. Die Protein Kinase CK2 (CK2) ist für die beschriebenen lichtabhängigen Phosphorylierungen hauptverantwortlich. Obwohl alle Centrin-Isoformen mehrere mögliche Zielsequenzen für die CK2 besitzen, kommt es nur zur Phosphorylierung einer einzigen Aminosäure in Cen1p, Cen2p und Cen4p. Im Gegensatz dazu stellt die Isoform Cen3p kein Substrat für die CK2 dar. Zudem wurden hier erstmals Phosphatasen identifiziert, die in der Lage sind Centrine zu dephosphorylieren. Die Dephosphorylierung durch die PP2Cund PP2C ist sehr spezifisch, da keine andere Phosphatase der Retina die CK2-vermittelte Phosphorylierung der Centrine rückgängig machen kann. Hoch auflösende licht- und elektronenmikroskopische Analysen zeigten erstmals, dass die Centrine sowohl mit der CK2 als auch mit der PP2C im Verbindungscilium der Photorezeptorzellen colokalisiert sind. Cen1p und CK2 sind in der Lage, direkt an Mikrotubuli zu binden, was die notwendige räumliche Nähe zwischen Enzymen und Substrat herstellt. Bisherige Arbeiten zeigten, dass alle Centrine Ca2+-abhängig mit dem visuellen G-Protein Transducin interagieren. Diese Wechselwirkung dürfte an der Regulation der lichtabhängigen Translokation des visuellen G-Proteins Transducin zwischen dem Außen- und dem Innensegment der Photorezeptorzelle beteiligt sein. In der vorliegenden Arbeit zeigten Interaktionsstudien, dass die Bindungsaffinitäten der Centrine für Transducin durch die CK2-vermittelte Phosphorylierung drastisch verringert wurden. Dieser beobachtete Effekt beruht auf deutlich verringerten Ca2+-Affinitäten der Centrin-Isoformen nach der CK2-vermittelten Phosphorylierung. In der vorliegenden Arbeit wurde ein neuartiger Regulationsmechanismus der Centrine in den Photorezeptorzellen der Vertebraten beschrieben. Centrine werden nicht nur durch Ca2+-Bindung zur Bildung von Protein Komplexen stimuliert, sondern durch die Phosphorylierung zum Auflösen dieser Komplexe angeregt. Damit reguliert die CK2-vermittelte, lichtabhängige Phosphorylierung der Centrine möglicherweise ebenfalls die adaptive Translokation des visuellen G-Proteins Transducin zwischen dem Außen- und Innensegment der Photorezeptorzellen.

Die regulatorische Funktion des Usher-Syndrom-Proteins SANS in Proteinnetzwerken

Die vorliegende kumulative Arbeit umfasst Analysen zur Aufklärung der molekularen Grundlagen des humanen Usher-Syndroms (USH), der häufigsten Ursache kombinierter vererblicher Taub-Blindheit. Ziel dieser Arbeit war es, neue Erkenntnisse zur Funktion der USH-Proteine und den von ihnen organisierten Protein-Netzwerken in der Photorezeptorzelle zu erhalten. Dadurch sollten weitere Einsichten in die molekularen Ursachen des retinalen Phänotyps von USH gewonnen werden. Die Ergebnisse dieser Analysen wurden in einem Übersichtsartikel (I) und zwei Originalarbeiten (II, III) zusammengestellt.rn Im Übersichtsartikel (I) wurden die vorliegenden Hinweise zusammengefasst, die USH auf Grundlage der molekularen Verbindungen ebenfalls als Ciliopathien definiert. Zudem wird die Bedeutung des periciliären USH-Proteinnetzwerkes für das sensorische Cilium (Außensegment) der Photorezeptorzelle herausgestellt. rn In Publikation II wurde der Aufbau des USH1-USH2-Proteinnetzwerkes als Teil des periciliären Komplexes analysiert, der beim cargo handover von vesikulärer Fracht vom Innensegment- auf den ciliären Transport für die Photorezeptorzelle essentiell ist. Experimentell wurde Ush2a als neuer SANS-Interaktionspartner validiert. Des Weiteren wurde ein ternärer Komplex aus den USH-Proteinen SANS, Ush2a und Whirlin identifiziert, dessen Zusammensetzung durch die phosphorylierungsabhängige Interaktion zwischen SANS und Ush2a reguliert werden könnte. Dieser ternäre Komplex kann sowohl der Integrität der Zielmembran dienen als auch am Transfer von Molekülen ins Außensegment beteiligt sein.rn In Publikation III wurde das MAGUK-Protein Magi2 als neuer Interaktionspartner von SANS identifiziert und die Interaktion durch komplementäre Interaktionsassays validiert. Dabei wurde ein internes PDZ-Binde-Motiv in der SAM-Domäne von SANS identifiziert, das die Interaktion zur PDZ5-Domäne von Magi2 phosphorylierungsabhängig vermittelt. Dadurch wurde bestätigt, dass SANS durch post-translationale Modifizierung reguliert wird. Weiterführende Experimente zur Funktion des Magi2-SANS-Komplexes zeigen, dass Magi2 an Prozess der Rezeptor-vermittelten Endocytose beteiligt ist. Die Phosphorylierung von SANS durch die Kinase CK2 spielt bei der Endocytose ebenfalls eine wichtige Rolle. Der Phosphorylierungsstatus von SANS moduliert die Interaktion zu Magi2 und reguliert dadurch negativ den Prozess der Endocytose. In RNAi-Studien wurde die durch Magi2-vermittelte Endocytose darüber hinaus mit dem Prozess der Ciliogenese verknüpft. Die Analyse der subzellulären Verteilung der Interaktionspartner lokalisieren Magi2 im periciliären Komplex und assoziieren das periciliäre USH-Proteinnetzwerk dadurch mit dem Prozess der Endocytose in der ciliary pocket. Der SANS-Magi2-Komplex sollte demnach für Aufbau und Funktion des sensorischen Ciliums der Photorezeptorzelle eine wichtige Rolle spielen.rn Die Gesamtheit an Informationen, die aus den Publikationen dieser Dissertation und aus den Kooperationsprojekten (*) resultieren, haben die Kenntnisse zur zellulären Funktion der USH-Proteine und ihrer Interaktionspartner und damit über die pathogenen Mechanismen von USH erweitert. Dies bildet die Basis, um fundierte Therapiestrategien zu entwickeln.

Analysen zur molekularen Charakterisierung von Proteinen des humanen Usher-Syndroms und Evaluation genbasierter Therapiestrategien

Analysen zur molekularen Charakterisierung von Proteinen des humanen Usher-Syndroms und Evaluation genbasierter Therapiestrategien rnDas humane Usher Syndrom (USH) ist die häufigste Form vererbter Taub-Blindheit. In der vorliegenden Dissertation wurde diese komplexe Erkrankung auf verschiedenen Ebenen analysiert: in Arbeiten zur Expression und Lokalisation von USH-Proteinen, der Analyse der USH-Proteinnetzwerke und deren Funktionen sowie darauf aufbauend die Entwicklung von Therapiestrategien für USH.rnIm Rahmen der Arbeit wurde die Expression und (sub)-zelluläre Lokalisation des USH1D-Genproduktes CDH23 in der Retina und Cochlea analysiert. CDH23-Isoformen werden in der Maus zeitlich und räumlich differentiell exprimiert. In den Retinae von Mäusen, nicht humanen Primaten und Menschen zeigten Analysen eine unterschiedliche Expression und Lokalisation des Zell-Zelladhäsionsmoleküls CDH23, was auf Funktions-unterschiede der einzelnen Isoformen in den analysierten Spezies hindeutet.rnAnalysen zur Aufklärung der USH-Proteinnetzwerke ergaben eine potentielle Interaktion des USH1G-Gerüstproteins SANS mit dem Golgi- und Centrosom-assoziierten Protein Myomegalin. Die direkte Interaktion der Proteine konnte durch unabhängige Experimente verifiziert werden. Beide Interaktionspartner sind in den Retinae verschiedener Spezies partiell ko-lokalisiert und partizipieren im periciliären USH-Proteinnetzwerk. Die Assoziation von SANS und Myomegalin mit dem Mikrotubuli-Cytoskelett weist auf eine Funktion des Proteinkomplexes in gerichteten Transportprozessen innerhalb der Photorezeptoren hin und bekräftigt die Hypothese einer Rolle von SANS und assoziierten Netzwerken mit Transportprozessen.rnDas hier gewonnene erweiterte Verständnis der molekularen Grundlagen sowie die Aufklärung der zellulären Funktion der Proteinnetzwerke ermöglichen die Entwicklung therapeutischer Strategien für USH. Ein Fokus der vorliegenden Arbeit lag auf der Entwicklung genbasierter Therapiestrategien und deren Evaluation, wobei der Schwerpunkt auf der Therapiestrategie der Genreparatur lag. Die mit Hilfe von Zinkfinger-Nukleasen (ZFN) induzierte Homologe Rekombination für die Genkorrektur wurde exemplarisch an der 91C>T/p.R31X-Mutation im USH1C-Gen gezeigt. Effiziente ZFN wurden identifiziert, generiert und erfolgreich im Zellkulturmodellsystem eingesetzt. Die Analysen demonstrierten eine Reparatur der Mutation durch Homologe Rekombination auf genomischer Ebene und die Expression des wiederhergestellten Proteins. Durch die Genkorrektur im endogenen Lokus sind Größe des Gens, Isoformen oder die Art der Mutation keine limitierenden Faktoren für die Therapie. Die in der vorliegenden Arbeit durchgeführten Experimente unterstreichen das enorme Potential ZFN-basierter Therapiestrategien hin zu personalisierten Therapieformen nicht nur für USH sondern auch für andere erbliche Erkrankungen, deren genetische Grundlagen bekannt sind.rn

Polyunsaturated fatty acid-enriched diets used for the treatment of canine chronic enteropathies decrease the abundance of selected genes of cholesterol homeostasis

Lipids are important for cell function and survival, but abnormal concentrations may lead to various diseases. Cholesterol homeostasis is greatly dependent on the active transport by membrane proteins, whose activities coordinate lipid status with cellular function. Intestinal Niemann-Pick C1-Like 1 protein (NPC1L1) and scavenger receptor B1 (SR-B1) participate in the uptake of extracellular cholesterol, whereas ATP binding cassette A1 (ABCA1) mediates the efflux of excessive intracellular cholesterol. Caveolin-1 binds cholesterol and fatty acids (FA) and participates in cholesterol trafficking. Sterol response element binding protein-2 (SREBP-2) is a sensor that regulates intracellular cholesterol synthesis. Given that cholesterol is a constituent of chylomicrons, whose synthesis is enhanced with an increased FA supply, we tested the hypothesis that feeding polyunsaturated FA (PUFA)-enriched diets in treatment of canine chronic enteropathies alters the mRNA expression of genes involved in cholesterol homeostasis. Using quantitative reverse transcriptase polymerase chain reaction (RT-PCR), we compared the mRNA abundance of NPC1L1, SR-B1, ABCA1, caveolin-1, and SREBP-2 in duodenal mucosal biopsies of dogs with food-responsive diarrhea (FRD; n=14) and inflammatory bowel disease (IBD; n=7) before and after treatment with cholesterol-free PUFA-enriched diets and in healthy controls (n=14). The abundance of caveolin-1, ABCA1, and SREBP-2 were altered by PUFA-enriched diets (P<0.05), whereas that of NPC1L1 and SR-B1 mRNA remained unchanged. The gene expression of caveolin-1, ABCA1, and SREBP-2 was down-regulated (P<0.05) by PUFA-enriched diets in IBD dogs only. Our results suggest that feeding PUFA-enriched diets may alter cholesterol homeostasis in duodenal mucosal cells of dogs suffering from IBD.

A graph theoretic approach to testing associations between disparate sources of functional genomic data

The last few years have seen the advent of high-throughput technologies to analyze various properties of the transcriptome and proteome of several organisms. The congruency of these different data sources, or lack thereof, can shed light on the mechanisms that govern cellular function. A central challenge for bioinformatics research is to develop a unified framework for combining the multiple sources of functional genomics information and testing associations between them, thus obtaining a robust and integrated view of the underlying biology. We present a graph theoretic approach to test the significance of the association between multiple disparate sources of functional genomics data by proposing two statistical tests, namely edge permutation and node label permutation tests. We demonstrate the use of the proposed tests by finding significant association between a Gene Ontology-derived "predictome" and data obtained from mRNA expression and phenotypic experiments for Saccharomyces cerevisiae. Moreover, we employ the graph theoretic framework to recast a surprising discrepancy presented in Giaever et al. (2002) between gene expression and knockout phenotype, using expression data from a different set of experiments.

Mechanisms of intrinsic beating variability in cardiac cell cultures and model pacemaker networks

Heart rate variability (HRV) exhibits fluctuations characterized by a power law behavior of its power spectrum. The interpretation of this nonlinear HRV behavior, resulting from interactions between extracardiac regulatory mechanisms, could be clinically useful. However, the involvement of intrinsic variations of pacemaker rate in HRV has scarcely been investigated. We examined beating variability in spontaneously active incubating cultures of neonatal rat ventricular myocytes using microelectrode arrays. In networks of mathematical model pacemaker cells, we evaluated the variability induced by the stochastic gating of transmembrane currents and of calcium release channels and by the dynamic turnover of ion channels. In the cultures, spontaneous activity originated from a mobile focus. Both the beat-to-beat movement of the focus and beat rate variability exhibited a power law behavior. In the model networks, stochastic fluctuations in transmembrane currents and stochastic gating of calcium release channels did not reproduce the spatiotemporal patterns observed in vitro. In contrast, long-term correlations produced by the turnover of ion channels induced variability patterns with a power law behavior similar to those observed experimentally. Therefore, phenomena leading to long-term correlated variations in pacemaker cellular function may, in conjunction with extracardiac regulatory mechanisms, contribute to the nonlinear characteristics of HRV.

Structural analysis of B-Box 2 from MuRF1: identification of a novel self-association pattern in a RING-like fold

The B-box motif is the defining feature of the TRIM family of proteins, characterized by a RING finger-B-box-coiled coil tripartite fold. We have elucidated the crystal structure of B-box 2 (B2) from MuRF1, a TRIM protein that supports a wide variety of protein interactions in the sarcomere and regulates the trophic state of striated muscle tissue. MuRF1 B2 coordinates two zinc ions through a cross-brace alpha/beta-topology typical of members of the RING finger superfamily. However, it self-associates into dimers with high affinity. The dimerization pattern is mediated by the helical component of this fold and is unique among RING-like folds. This B2 reveals a long shallow groove that encircles the C-terminal metal binding site ZnII and appears as the defining protein-protein interaction feature of this domain. A cluster of conserved hydrophobic residues in this groove and, in particular, a highly conserved aromatic residue (Y133 in MuRF1 B2) is likely to be central to this role. We expect these findings to aid the future exploration of the cellular function and therapeutic potential of MuRF1.

Protective autophagy is involved in resistance towards MET inhibitors in human gastric adenocarcinoma cells

MET, also known as hepatocyte growth factor receptor (HGFR), is a receptor tyrosine kinase with an important role, both in normal cellular function as well as in oncogenesis. In many cancer types, abnormal activation of MET is related to poor prognosis and various strategies to inhibit its function, including small molecule inhibitors, are currently in preclinical and clinical evaluation. Autophagy, a self-digesting recycling mechanism with cytoprotective functions, is induced by cellular stress. This process is also induced upon cytotoxic drug treatment of cancer cells and partially allows these cells to escape cell death. Thus, since autophagy protects different tumor cells from chemotherapy-induced cell death, current clinical trials aim at combining autophagy inhibitors with different cancer treatments. We found that in a gastric adenocarcinoma cell line GTL-16, where MET activity is deregulated due to receptor overexpression, two different MET inhibitors PHA665752 and EMD1214063 lead to cell death paralleled by the induction of autophagy. A combined treatment of MET inhibitors together with the autophagy inhibitor 3-MA or genetically impairing autophagy by knocking down the key autophagy gene ATG7 further decreased cell viability of gastric cancer cells. In general, we observed the induction of cytoprotective autophagy in MET expressing cells upon MET inhibition and a combination of MET and autophagy inhibition resulted in significantly decreased cell viability in gastric cancer cells.

RP1 is a phosphorylation target of CK2 and is involved in cell adhesion

RP1 (synonym: MAPRE2, EB2) is a member of the microtubule binding EB1 protein family, which interacts with APC, a key regulatory molecule in the Wnt signalling pathway. While the other EB1 proteins are well characterized the cellular function and regulation of RP1 remain speculative to date. However, recently RP1 has been implicated in pancreatic cancerogenesis. CK2 is a pleiotropic kinase involved in adhesion, proliferation and anti-apoptosis. Overexpression of protein kinase CK2 is a hallmark of many cancers and supports the malignant phenotype of tumor cells. In this study we investigate the interaction of protein kinase CK2 with RP1 and demonstrate that CK2 phosphorylates RP1 at Ser(236) in vitro. Stable RP1 expression in cell lines leads to a significant cleavage and down-regulation of N-cadherin and impaired adhesion. Cells expressing a Phospho-mimicking point mutant RP1-ASP(236) show a marked decrease of adhesion to endothelial cells under shear stress. Inversely, we found that the cells under shear stress downregulate endogenous RP1, most likely to improve cellular adhesion. Accordingly, when RP1 expression is suppressed by shRNA, cells lacking RP1 display significantly increased cell adherence to surfaces. In summary, RP1 phosphorylation at Ser(236) by CK2 seems to play a significant role in cell adhesion and might initiate new insights in the CK2 and EB1 family protein association.

Differential dynamic properties of scleroderma fibroblasts in response to perturbation of environmental stimuli.

Diseases are believed to arise from dysregulation of biological systems (pathways) perturbed by environmental triggers. Biological systems as a whole are not just the sum of their components, rather ever-changing, complex and dynamic systems over time in response to internal and external perturbation. In the past, biologists have mainly focused on studying either functions of isolated genes or steady-states of small biological pathways. However, it is systems dynamics that play an essential role in giving rise to cellular function/dysfunction which cause diseases, such as growth, differentiation, division and apoptosis. Biological phenomena of the entire organism are not only determined by steady-state characteristics of the biological systems, but also by intrinsic dynamic properties of biological systems, including stability, transient-response, and controllability, which determine how the systems maintain their functions and performance under a broad range of random internal and external perturbations. As a proof of principle, we examine signal transduction pathways and genetic regulatory pathways as biological systems. We employ widely used state-space equations in systems science to model biological systems, and use expectation-maximization (EM) algorithms and Kalman filter to estimate the parameters in the models. We apply the developed state-space models to human fibroblasts obtained from the autoimmune fibrosing disease, scleroderma, and then perform dynamic analysis of partial TGF-beta pathway in both normal and scleroderma fibroblasts stimulated by silica. We find that TGF-beta pathway under perturbation of silica shows significant differences in dynamic properties between normal and scleroderma fibroblasts. Our findings may open a new avenue in exploring the functions of cells and mechanism operative in disease development.

Lobe specific Ca2+-calmodulin nano-domain in neuronal spines: a single molecule level analysis.

Calmodulin (CaM) is a ubiquitous Ca(2+) buffer and second messenger that affects cellular function as diverse as cardiac excitability, synaptic plasticity, and gene transcription. In CA1 pyramidal neurons, CaM regulates two opposing Ca(2+)-dependent processes that underlie memory formation: long-term potentiation (LTP) and long-term depression (LTD). Induction of LTP and LTD require activation of Ca(2+)-CaM-dependent enzymes: Ca(2+)/CaM-dependent kinase II (CaMKII) and calcineurin, respectively. Yet, it remains unclear as to how Ca(2+) and CaM produce these two opposing effects, LTP and LTD. CaM binds 4 Ca(2+) ions: two in its N-terminal lobe and two in its C-terminal lobe. Experimental studies have shown that the N- and C-terminal lobes of CaM have different binding kinetics toward Ca(2+) and its downstream targets. This may suggest that each lobe of CaM differentially responds to Ca(2+) signal patterns. Here, we use a novel event-driven particle-based Monte Carlo simulation and statistical point pattern analysis to explore the spatial and temporal dynamics of lobe-specific Ca(2+)-CaM interaction at the single molecule level. We show that the N-lobe of CaM, but not the C-lobe, exhibits a nano-scale domain of activation that is highly sensitive to the location of Ca(2+) channels, and to the microscopic injection rate of Ca(2+) ions. We also demonstrate that Ca(2+) saturation takes place via two different pathways depending on the Ca(2+) injection rate, one dominated by the N-terminal lobe, and the other one by the C-terminal lobe. Taken together, these results suggest that the two lobes of CaM function as distinct Ca(2+) sensors that can differentially transduce Ca(2+) influx to downstream targets. We discuss a possible role of the N-terminal lobe-specific Ca(2+)-CaM nano-domain in CaMKII activation required for the induction of synaptic plasticity.

Molluscan memory of injury: evolutionary insights into chronic pain and neurological disorders.

Molluscan preparations have yielded seminal discoveries in neuroscience, but the experimental advantages of this group have not, until now, been complemented by adequate molecular or genomic information for comparisons to genetically defined model organisms in other phyla. The recent sequencing of the transcriptome and genome of Aplysia californica, however, will enable extensive comparative studies at the molecular level. Among other benefits, this will bring the power of individually identifiable and manipulable neurons to bear upon questions of cellular function for evolutionarily conserved genes associated with clinically important neural dysfunction. Because of the slower rate of gene evolution in this molluscan lineage, more homologs of genes associated with human disease are present in Aplysia than in leading model organisms from Arthropoda (Drosophila) or Nematoda (Caenorhabditis elegans). Research has hardly begun in molluscs on the cellular functions of gene products that in humans are associated with neurological diseases. On the other hand, much is known about molecular and cellular mechanisms of long-term neuronal plasticity. Persistent nociceptive sensitization of nociceptors in Aplysia displays many functional similarities to alterations in mammalian nociceptors associated with the clinical problem of chronic pain. Moreover, in Aplysia and mammals the same cell signaling pathways trigger persistent enhancement of excitability and synaptic transmission following noxious stimulation, and these highly conserved pathways are also used to induce memory traces in neural circuits of diverse species. This functional and molecular overlap in distantly related lineages and neuronal types supports the proposal that fundamental plasticity mechanisms important for memory, chronic pain, and other lasting alterations evolved from adaptive responses to peripheral injury in the earliest neurons. Molluscan preparations should become increasingly useful for comparative studies across phyla that can provide insight into cellular functions of clinically important genes.

Differential dynamic properties of scleroderma fibroblasts in response to perturbation of environmental stimuli.

Diseases are believed to arise from dysregulation of biological systems (pathways) perturbed by environmental triggers. Biological systems as a whole are not just the sum of their components, rather ever-changing, complex and dynamic systems over time in response to internal and external perturbation. In the past, biologists have mainly focused on studying either functions of isolated genes or steady-states of small biological pathways. However, it is systems dynamics that play an essential role in giving rise to cellular function/dysfunction which cause diseases, such as growth, differentiation, division and apoptosis. Biological phenomena of the entire organism are not only determined by steady-state characteristics of the biological systems, but also by intrinsic dynamic properties of biological systems, including stability, transient-response, and controllability, which determine how the systems maintain their functions and performance under a broad range of random internal and external perturbations. As a proof of principle, we examine signal transduction pathways and genetic regulatory pathways as biological systems. We employ widely used state-space equations in systems science to model biological systems, and use expectation-maximization (EM) algorithms and Kalman filter to estimate the parameters in the models. We apply the developed state-space models to human fibroblasts obtained from the autoimmune fibrosing disease, scleroderma, and then perform dynamic analysis of partial TGF-beta pathway in both normal and scleroderma fibroblasts stimulated by silica. We find that TGF-beta pathway under perturbation of silica shows significant differences in dynamic properties between normal and scleroderma fibroblasts. Our findings may open a new avenue in exploring the functions of cells and mechanism operative in disease development.