Mécanismes cellulaires et moléculaires impliqués dans le développement des synapses GABAergiques périsomatiques et dans la plasticité corticale : rôle de l’activité neuronale et de proBDNF/p75NTR

Dans le cortex visuel des mammifères, une cellule à panier (BC) qui représente un sous-type majoritaire d’interneurones GABAergiques, innerve une centaine de neurones par une multitude de synapses localisées sur le soma et sur les dendrites proximales de chacune de ses cibles. De plus, ces cellules sont importantes pour la génération des rythmes gammas, qui régulent de nombreuses fonctions cognitives, et pour la régulation de la plasticité corticale. Bien que la fonction des BC au sein des réseaux corticaux est à l'étude, les mécanismes qui contrôlent le développement de leur arborisation complexe ainsi que de leurs nombreux contacts synaptiques n’ont pas été entièrement déterminés. En utilisant les récepteurs allatostatines couplés aux protéines G de la drosophile (AlstR), nous démontrons in vitro que la réduction de l'excitation ainsi que la réduction de la libération des neurotransmetteurs par les BCs corticales individuelles des souris, diminuent le nombre de cellules innervées sans modifier le patron d'innervation périsomatique, durant et après la phase de prolifération des synapses périsomatiques. Inversement, lors de la suppression complète de la libération des neurotransmetteurs par les BCs individuelles avec l’utilisation de la chaîne légère de la toxine tétanus, nous observons des effets contraires selon le stade de développement. Les BCs exprimant TeNT-Lc pendant la phase de prolifération sont caractérisées par des arborisations axonales plus denses et un nombre accru de petits boutons homogènes autour des somas innervés. Toutefois, les cellules transfectées avec TeNT-Lc après la phase de la prolifération forment une innervation périsomatique avec moins de branchements terminaux d’axones et un nombre réduit de boutons avec une taille irrégulière autour des somas innervés. Nos résultats révèlent le rôle spécifique des niveaux de l’activité neuronale et de la neurotransmission dans l'établissement du territoire synaptique des cellules GABAergiques corticaux. Le facteur neurotrophique dérivé du cerveau (BDNF) est un modulateur puissant de la maturation activité-dépendante des synapses GABAergiques. Grâce à l'activation et à la signalisation de son récepteur tyrosine kinase B (TrkB), la liaison de mBDNF module fortement la prolifération des synapses périsomatiques GABAergiques formés par les BCs. Par contre, le rôle du récepteur neurotrophique de faible affinité, p75NTR, dans le développement du territoire synaptique des cellules reste encore inconnu. Dans ce projet, nous démontrons que la suppression de p75NTR au niveau des BCs individuelles in vitro provenant de souris p75NTRlox induit la formation d'une innervation périsomatique exubérante. BDNF est synthétisé sous une forme précurseur, proBDNF, qui est par la suite clivée par des enzymes, y compris la plasmine activée par tPA, pour produire une forme mature de BDNF (m)BDNF. mBDNF et proBDNF se lient avec une forte affinité à TrkB et p75NTR, respectivement. Nos résultats démontrent qu’un traitement des cultures organotypiques avec la forme résistante au clivage de proBDNF (mut-proBDNF) réduit fortement le territoire synaptique des BCs. Les cultures traitées avec le peptide PPACK, qui inactive tPA, ou avec tPA altèrent et favorisent respectivement la maturation de l’innervation synaptique des BCs. Nous démontrons aussi que l’innervation exubérante formée par les BCs p75NTR-/- n’est pas affectée par un traitement avec mut-proBDNF. L’ensemble de ces résultats suggère que l'activation de p75NTR via proBDNF régule négativement le territoire synaptique des BCs corticaux. Nous avons ensuite examiné si mut-proBDNF affecte l’innervation périsomatique formée par les BCs in vivo, chez la souris adulte. Nous avons constaté que les boutons GABAergiques périsomatiques sont significativement diminués dans le cortex infusé avec mut-proBDNF par rapport à l’hémisphère non-infusé ou traité avec de la saline. En outre, la plasticité de la dominance oculaire (OD) est rétablie par ce traitement chez la souris adulte. Enfin, en utilisant des souris qui ne possèdent pas le récepteur p75NTR dans leurs BCs spécifiquement, nous avons démontré que l'activation de p75NTR via proBDNF est nécessaire pour induire la plasticité de la OD chez les souris adultes. L’ensemble de ces résultats démontre un rôle critique de l'activation de p75NTR dans la régulation et le maintien de la connectivité des circuits GABAergiques, qui commencent lors du développement postnatal précoce jusqu’à l'âge adulte. De plus, nous suggérons que l'activation contrôlée de p75NTR pourrait être un outil utile pour restaurer la plasticité dans le cortex adulte.

A "Trojan horse" strategy to reverse drug-resistance in brain tumors

Los gliomas malignos representan una de las formas más agresivas de los tumores del sistema nervioso central (SNC). De acuerdo con la clasificación de los tumores cerebrales de la Organización Mundial de la Salud (OMS), los astrocitomas han sido categorizados en cuatro grados, determinados por la patología subyacente. Es así como los gliomas malignos (o de alto grado) incluyen el glioma anaplásico (grado III) así como el glioblastoma multiforme (GBM, grado IV),estos últimos los más agresivos con el peor pronóstico (1). El manejo terapéutico de los tumores del SNC se basa en la cirugía, la radioterapia y la quimioterapia, dependiendo de las características del tumor, el estadio clínico y la edad (2),(3), sin embargo ninguno de los tratamientos estándar es completamente seguro y compatible con una calidad de vida aceptable (3), (4). En general, la quimioterapia es la primera opción en los tumores diseminados, como el glioblastoma invasivo y el meduloblastoma de alto riesgo o con metástasis múltiple, pero el pronóstico en estos pacientes es muy pobre (2),(3). Solamente nuevas terapias dirigidas (2) como las terapias anti-angiogénicas (4); o terapias génicas muestran un beneficio real en grupos limitados de pacientes con defectos moleculares específicos conocidos (4). De este modo, se hace necesario el desarrollo de nuevas terapias farmacológicas para atacar los tumores cerebrales. Frente a las terapias los gliomas malignos son con frecuencia quimioresistentes, y esta resistencia parece depender de al menos dos mecanismos: en primer lugar, la pobre penetración de muchas drogas anticáncer a través de la barrera hematoencefálica (BBB: Blood Brain Barrier), la barrera del fluido sangre-cerebroespinal (BCSFB: Blood-cerebrospinal fluid barrier) y la barrera sangre-tumor (BTB: blood-tumor barrier). Dicha resistencia se debe a la interacción de la droga con varios transportadores o bombas de eflujo de droga ABC (ABC: ATP-binding cassette) que se sobre expresan en las células endoteliales o epiteliales de estas barreras. En segundo lugar, estos transportadores de eflujo de drogas ABC propios de las células tumorales confieren un fenotipo conocido como resistencia a multidrogas (MDR: multidrug resistance), el cual es característico de varios tumores sólidos. Este fenotipo también está presente en los tumores del SNC y su papel en gliomas es objeto de investigación (5). Por consiguiente el suministro de medicamentos a través de la BBB es uno de los problemas vitales en los tratamientos de terapia dirigida. Estudios recientes han demostrado que algunas moléculas pequeñas utilizadas en estas terapias son sustratos de la glicoproteína P (Pgp: P-gycoprotein), así como también de otras bombas de eflujo como las proteínas relacionadas con la resistencia a multidrogas (MRPs: multidrug resistance-related proteins (MRPs) o la proteína relacionada con cáncer de seno (BCRP: breast-cancer resistance related protein)) que no permiten que las drogas de este tipo alcancen el tumor (1). Un sustrato de Pgp y BCRP es la DOXOrubicina (DOXO), un fármaco utilizado en la terapia anti cáncer, el cual es muy eficaz para atacar las células del tumor cerebral in vitro, pero con un uso clínico limitado por la poca entrega a través de la barrera hematoencefálica (BBB) y por la resistencia propia de los tumores. Por otra parte las células de BBB y las células del tumor cerebral tienen también proteínas superficiales, como el receptor de la lipoproteína de baja densidad (LDLR), que podría utilizarse como blanco terapéutico en BBB y tumores cerebrales. Es asi como la importancia de este estudio se basa en la generación de estrategias terapéuticas que promuevan el paso de las drogas a través de la barrera hematoencefalica y tumoral, y a su vez, se reconozcan mecanismos celulares que induzcan el incremento en la expresión de los transportadores ABC, de manera que puedan ser utilizados como blancos terapéuticos.Este estudio demostró que el uso de una nueva estrategia basada en el “Caballo de Troya”, donde se combina la droga DOXOrubicina, la cual es introducida dentro de un liposoma, salvaguarda la droga de manera que se evita su reconocimiento por parte de los transportadores ABC tanto de la BBB como de las células del tumor. La construcción del liposoma permitió utilizar el receptor LDLR de las células asegurando la entrada a través de la BBB y hacia las células tumorales a través de un proceso de endocitosis. Este mecanismo fue asociado al uso de estatinas o drogas anticolesterol las cuales favorecieron la expresión de LDLR y disminuyeron la actividad de los transportadores ABC por nitración de los mismos, incrementando la eficiencia de nuestro Caballo de Troya. Por consiguiente demostramos que el uso de una nueva estrategia o formulación denominada ApolipoDOXO más el uso de estatinas favorece la administración de fármacos a través de la BBB, venciendo la resistencia del tumor y reduciendo los efectos colaterales dosis dependiente de la DOXOrubicina. Además esta estrategia del "Caballo de Troya", es un nuevo enfoque terapéutico que puede ser considerado como una nueva estrategia para aumentar la eficacia de diferentes fármacos en varios tumores cerebrales y garantiza una alta eficiencia incluso en un medio hipóxico,característico de las células cancerosas, donde la expresión del transportador Pgp se vió aumentada. Teniendo en cuenta la relación entre algunas vías de señalización reconocidas como moduladores de la actividad de Pgp, este estudio presenta no solo la estrategia del Caballo de Troya, sino también otra propuesta terapéutica relacionada con el uso de Temozolomide más DOXOrubicina. Esta estrategia demostró que el temozolomide logra penetrar la BBB por que interviene en la via de señalización de la Wnt/GSK3/β-catenina, la cual modula la expresión del transportador Pgp. Se demostró que el TMZ disminuye la proteína y el mRNA de Wnt3 permitiendo plantear la hipótesis de que la droga al disminuir la transcripción del gen Wnt3 en células de BBB, incrementa la activación de la vía fosforilando la β-catenina y conduciendo a disminuir la β-catenina nuclear y por tanto su unión al promotor del gen mdr1. Con base en los resultados este estudio permitió el reconocimiento de tres mecanismos básicos relacionados con la expresión de los transportadores ABC y asociados a las estrategias empleadas: el primero fue el uso de las estatinas, el cual condujo a la nitración de los transportadores disminuyendo su actividad por la via del factor de transcripción NFκB; el segundo a partir del uso del temozolomide, el cual metila el gen de Wnt3 reduciendo la actividad de la via de señalización de la la β-catenina, disminuyendo la expresión del transportador Pgp. El tercero consistió en la determinación de la relación entre el eje RhoA/RhoA quinasa como un modulador de la via (no canónica) GSK3/β-catenina. Se demostró que la proteína quinasa RhoA promovió la activación de la proteína PTB1, la cual al fosforilar a GSK3 indujo la fosforilación de la β-catenina, lo cual dio lugar a su destrucción por el proteosoma, evitando su unión al promotor del gen mdr1 y por tanto reduciendo su expresión. En conclusión las estrategias propuestas en este trabajo incrementaron la citotoxicidad de las células tumorales al aumentar la permeabilidad no solo de la barrera hematoencefálica, sino también de la propia barrera tumoral. Igualmente, la estrategia del “Caballo de Troya” podría ser útil para la terapia de otras enfermedades asociadas al sistema nervioso central. Por otra parte estos estudios indican que el reconocimiento de mecanismos asociados a la expresión de los transportadores ABC podría constituir una herramienta clave en el desarrollo de nuevas terapias anticáncer.

Estudi d'un receptor quinasa atípic (Mark) i de les proteïnes que interaccionen amb el seu domini intracel·lular. Transducció del senyal i desenvolupament en blat de moro (Zea mays)

Aquesta tesi doctoral s'engloba dins d'un projecte general d'estudi de gens implicats en l'embriogènesi del blat de moro. L'embriogènesi del blat de moro, i en general la de totes les plantes superiors, es dóna en tres etapes: una primera etapa on es diferencien tots els diversos teixits que formaran l'embrió, una segona etapa on l'embrió acumula productes de reserva i un tercer període, la dormància, que finalitza quan les condicions ambientals són les idònies per a la germinació. En el laboratori estàvem interessats, concretament, en l'estudi de gens implicats en la primera etapa morfogenètica, on els diferents teixits i estructures embrionàries queden definides. Per tal d'estudiar gens que s'expressaven en aquest període, una de les estratègies que es va realitzar fou un crivellat diferencial entre teixit embrionari i teixit de planta adulta. D'entre els diferents clons obtinguts, un corresponia a un clon parcial que presentava similitud amb receptors quinasa i que fou objecte d'estudi. A partir d'aquest clon es va obtenir el clon complet i es va anomenar MARK (per Maize Atypical Receptor Kinase). MARK presenta una estructura típica d'un receptor quinasa amb un domini extracel.lular, que conté 6 còpies imperfectes de LRR (Leucine- Rich Repeats), un únic domini transmembrana i un domini quinasa intracel.lular. El domini quinasa de MARK presenta, però, algunes variacions en els residus aminoacídics que es consideren claus per a la funció catalítica dels dominis quinasa. En concret cinc dels aminoàcids considerats essencials per a la fosforilació es troben substituits en el domini quinasa de MARK (DK-MARK). Els experiments de fosforilació in vitro que es van realitzar al laboratori, van mostrar com MARK era incapaç de fosforilar in vitro. Aquesta característica no és, però, exclusiva de MARK. Una búsqueda en les bases de dades ens van permetre identificar altres seqüències que també presentaven els mateixos o altres canvis en aquestes posicions aminoacídiques. En les bases de dades de plantes es van identificar un conjunt de seqüències genòmiques o ESTs amb aquestes característiques i només una d'elles, la proteïna TMKL1 d'Arabidopsis, ha sigut descrita com un receptor quinasa incapaç de fosforilar in vitro. Respecte a la búsqueda de receptors similars a MARK en les bases de dades d'animals, es van identificar també un conjunt de proteïnes que, en alguns casos, s'ha descrit que no tenen activitat quinasa in vivo. Per exemple, un dels casos més ben estudiats és el del receptor erbB3 que forma part de la família de receptors del EGF (Epidermal Growth Factor). Aquesta família de receptors està formada per 4 receptors: erbB1, erbB2, erbB3 i erbB4, dels quals només l'erbB3 no presenta activitat catalítica. S'ha descrit que erbB3 és capaç, tot i no fosforilar in vivo, de participar activament en la transducció del senyal formant heterodímers amb els altres membres de la família. Així, erbB3 és fosforilat pel seu partner i pot iniciar la cascada de transducció del senyal. La participació d'erbB3 en la transducció del senyal és essencial ja que embrions de ratolí knock-out pel gen erbB3 són inviables. Així doncs, el fet que receptors quinasa catalíticament inactius participin en les cascades de transducció del senyal, suggereix l'existència de nous mecanismes d'acció per a la transducció del senyal. Per tant, l'objectiu d'aquest treball fou l'estudi del mecanisme d'acció de MARK mitjançant la caracterització les proteïnes capaces d'interaccionar amb el seu domini quinasa. Per tal d'assolir aquest objectiu, es va realitzar un crivellat de doble-híbrid amb una llibreria de cDNA d'embrions de blat de moro de 7 DAP. D'aquest crivellat es va obtenir un conjunt de possibles clons positius que foren seqüenciats i entre els quals es van escollir per un estudi més detallat aquells que s'havien obtingut més vegades com a clons independents. Aquests clons codificaven per: una SAMDC (S-Adenosil Descarboxilasa), una eIF5 (Eukaryotic translation initiation), una hypothetical protein, una unknown protein, una gamma-adaptina i una MAP4K. Amb aquests 6 clons es van fer estudis in vitro i in vivo per tal de confirmar al seva interacció amb DK-MARK. Els estudis in vivo es van realitzar amb la soca de llevat AH109, una soca més astringent que la utilitzada en el crivellat, ja que presenta tres gens marcadors: Histidina, Adenina i Lacz. Els resultats obtinguts van mostrar que els clons codificants per SAMDC i eIF5 no van créixer en un medi selectiu per His i Ade i, per tant o es tracta de falsos positius del sistema o la seva interacció amb DK-MARK és dèbil. D'altra banda, la resta dels clons analitzats (proteïna hipotètica, una proteïna de funció desconeguda, la gamma-adaptina i una MAP4K) van créixer en medis en absència de Histidina i Adenina. Els assatjos de b-galactosidasa van ser tots positius a excepció de la proteïna hipotètica suggerint que potser aquesta interacció sigui més feble. D'altra banda també es van realitzar estudis in vitro amb la tècnica del pull-down. Els resultats obtinguts amb aquesta tècnica van recolzar els obtinguts en cèl.lules de llevat, ja que tots els clons analitzats a excepció dels codificants per SAMDC i eIF5 van donar un resultat d'interacció amb KD-MARK in vitro positiu. Davant aquests resultats ens vam centrar en l'estudi de la proteïna similar a MAP4K, doncs algunes proteïnes de la seva família s'han relacionat amb receptors de membrana. Els clons que es va obtenir del crivellat codificaven per una proteïna similar amb el domini C-terminal a les proteïnes BnMAP4Ka1 i a2 de Brassica napus. Aquestes proteïnes presenten una forta similitud de seqüència amb proteïnes de la família GCK/SPS1 que formen part d'un grup particular de MAPK relacionades amb la proteïna Ste20 (sterile 20 protein) de llevat. Ste20p activa la MAP3K de llevat Ste11 directament per fosforilació, transduint d'aquesta manera el senyal del receptor de feromones de creuament de les cèl.lules de llevat i es pot, doncs, considerar com una proteïna del tipus MAP4K (mitogen-activated protein kinase kinase kinase kinase). En els darrers anys, s'han identificat un gran nombre de proteïnes similars a Ste20: fins a una trentena en mamífers, en Drosophila, en Caenorhabditis elegans i en altres organismes. Segons la seva estructura aminoacídica, la família Ste20 s'ha classificat en dues subfamílies: les proteïnes STE20/PAK (p21-activated kinases) i la subfamília GCK/SPS1 (germinal center kinases). Les dues subfamílies estan formades per proteïnes que contenen un domini quinasa i un domini regulador, però, mentre que les proteïnes PAK presenten el domini quinasa en la part C-terminal, les GCKs el presenten en la regió N terminal. Les proteïnes GCK presenten una elevada diversitat estructural en el domini regulador permetent la seva classificació en 6 subfamílies. Mitjançant la tècnica del RACE es va obtenir el clon de cDNA complet que es va anomenar MIK (MARK Interacting Kinase). Amb la tècnica del Southern blot es va poder determinar que el gen MIK és un gen de còpia única en el genoma de blat de moro. Per tal d'analitzar la possible interacció entre DK-MARK i MIK, es va estudiar tant el patró d'expressió d'ambdós gens com el seu patró d'acumulació d'ambdues proteïnes durant l'embriogènesi del blat de moro. El patró d'expressió, analitzat per Northen blot va mostrar uns patrons coincidents al llarg de l'embriogènesi des del seu inici fins als 20 DAP amb una acumulació màxima de mRNA en embrions de 15 DAP. D'altra banda per tal d'estudiar el patró d'acumulació de la proteïna MIK així com per comparar-lo amb el de MARK, es van realitzar estudis de Westerns blot. Els resultats també van mostrar una coincidència en el temps de l'acumulació de les proteïnes MARK i MIK durant l'embriogènesi de blat de moro amb una major acumulació en embrions de 15 i 20 DAP. Es van dur a terme també estudis d'immunolocalitzacions sobre embrions de blat de moro de 15 DAP per tal d'estudiar en quins teixits s'acumulaven ambdues proteïnes. Les immunolocalitzacions van mostrar una major acumulació tant de MARK com de MIK en les zones meristemàtiques i en el teixit vascular sobretot del coleòptil on s'aprecia una forta co-localització de MARK i MIK. Totes aquestes dades són compatibles, doncs, amb una possible interacció de les proteïnes MARK i MIK, tot i que no la demostren. Per tal de demostrar la interacció es van realitzar experiments d'immunoprecipitació in vivo a partir d'extractes d'embrions. Malauradament, els resultats no són clars i en aquests moments en el laboratori s'estan posant a punt aquests experiments. També es van realitzar estudis comparatius de seqüència amb diferents proteïnes de la família GCK, mostrant una major similitud amb les proteïnes de la subfamília GCK-III. La subfamília GCK-III ha estat molt poc estudiada i en formen part un conjunt de proteïnes amb funcions molt diverses des de l'apoptosi, la citoquinesi o l'anòxia cel.lular. Per tant, la similitud de seqüència possiblement fa referència a una conservació en el mecanisme d'acció més que no pas a una conservació funcional. La possible interacció de MARK amb el domini C-terminal de MIK (el domini regulador) podria activar aquesta última iniciant una cascada de transducció del senyal en un model en el que una proteïna del tipus GCK-III faria de lligam directa entre un receptor de membrana i una cascada de senyalització intracel.lular. Aquest tipus de lligam entre un recepctor de membrana i mòduls intracel.lulars de senyalització s'ha descrit per a altres proteïnes GCK, si bé no directament sinó a través de proteïnes adaptadores. D'altra banda, la interacció directa de MARK, un receptor quinasa atípic que no té activitat catalítica, amb MIK suggereix un mecanisme on receptors atípics podrien interaccionar en la transducció del senyal activant la via de les MAPK.

Induction of heme oxygenase 1 by moderately oxidized low-density lipoproteins in human vascular smooth muscle cells: role of mitogen-activated protein kinases and Nrf2

Oxidized low-density lipoproteins (LDL) play a central role in atherogenesis and induce expression of the antioxidant stress protein heme oxygenase 1 (HO-1). In the present study we investigated induction of HO-1 and adaptive increases in reduced glutathione (GSH) in human aortic smooth muscle cells (SMC) in response to moderately oxidized LDL (moxLDL, 100 mu g protein/ml, 24 h), a species containing high levels of lipid hydroperoxides. Expression and activity of HO-1 and GSH levels were elevated to a greater extent by moxLDL than highly oxidized LDL but unaffected by native or acetylated LDL. Inhibitors of protein kinase C (PKC) or mitogen-activated protein kinases (MAPK) p38(MAPK) and MEK or c-jun-NH2-terminal kinase (JNK) significantly attenuated induction of HO-1. Phosphorylation of p38(MAPK), extracellular signal-regulated kinase (ERK1/2), or JNK and nuclear translocation of the transcription factor Nrf2 were enhanced following acute exposure of SMC to rnoxLDL (100 mu g proteiri/ml, 1-2 h). Pretreatment of SMC with the antioxidant vitamin C (100 mu M, 24 h) attenuated the induction of HO-1 by moxLDL. Native and oxidized LDL did not alter basal levels of intracellular ATP, mitochondrial dehydrogenase activity, or expression of the lectin-like oxidized LDL receptor (LOX-1) in SMC. These findings demonstrate for the first time that activation of PKC, p38(MAPK), JNK, ERK1/2, and Nrf2 by oxidized LDL in human SMC leads to HO-1 induction, constituting an adaptive response against oxidative injury that can be ameliorated by vitamin C. (C) 2005 Elsevier Inc. All rights reserved.

Platelet 12-lipoxygenase activation via glycoprotein VI: involvement of multiple signaling pathways in agonist control of H(P)ETE synthesis

Lipoxygenases (LOX) contribute to vascular disease and inflammation through generation of bioactive lipids, including 12-hydro(pero xyeicosatetraenoic acid (12-H(P)ETE). The physiological mechanisms that acutely control LOX product generation in mammalian cells are uncharacterized. Human platelets that contain a 12-LOX isoform (p12-LOX) were used to define pathways that activate H(P)ETE synthesis in the vasculature. Collagen and collagen-related peptide (CRP) (1 to 10 g/mL) acutely induced platelet 12-H(P)ETE synthesis. This implicated the collagen receptor glycoprotein VI (GPVI), which signals via the immunoreceptor-based activatory motif (ITAM)- containing FcR chain. Conversely, thrombin only activated at high concentrations ( 0.2 U/mL), whereas U46619 and ADP alone were ineffective. Collagen or CRP-stimulated 12-H(P)ETE generation was inhibited by staurosporine, PP2, wortmannin, BAPTA/AM, EGTA, and L-655238, implicating src-tyrosine kinases, PI3-kinase, Ca2 mobilization, and p12-LOX translocation. In contrast, protein kinase C (PKC) inhibition potentiated 12-H(P)ETE generation. Finally, activation of the immunoreceptor tyrosine-based inhibitory motif (ITIM)– containing platelet endothelial cell adhesion molecule (PECAM-1) inhibited p12-LOX product generation. This study characterizes a receptor-dependent pathway for 12-H(P)ETE synthesis via the collagen receptor GPVI, which is negatively regulated by PECAM-1 and PKC, and demonstrates a novel link between immune receptor signaling and lipid mediator generation in the vasculature. (Circ Res. 2004;94:1598-1605.)

Neuroinflammation and its modulation by flavonoids

There is increasing evidence to suggest that neuroinflammatory processes contribute to the cascade of events that lead to the progressive neuronal damage observed in neurodegenerative disorders such as Parkinson’s disease and Alzheimer’s disease. Therefore, treatment regimes aimed at modulating neuroinflammatory processes may act to slow the progression of these debilitating brain disorders. Recently, a group of dietary polyphenols known as flavonoids have been shown to exert neuroprotective effects in vivo and in neuronal cell models. In this review we discuss the evidence relating to the modulation of neuroinflammation by flavonoids. We highlight the evidence which suggests their mechanism of action involves: 1) attenuation of the release of cytokines, such as interleukin-1β (IL-1β) and tumor necrosis factor-alpha (TNF-α); 2) an inhibitory action against inducible nitric oxide synthase (iNOS) induction and subsequent nitric oxide (NO•) production; 3) inhibition of the activation of NADPH oxidase and subsequent reactive oxygen species generation; 4) a capacity to down-regulate the activity of pro-inflammatory transcription factors such as nuclear factor-κB (NF-κB); and 5) the potential to modulate signalling pathways such as mitogen-activated protein kinase (MAPK) cascade. We also consider the potential of these dietary compounds to represent novel therapeutic agents by considering their metabolism in the body and their ability to access the brain via the blood brain barrier. Finally, we discuss future areas of study which are necessary before dietary flavonoids can be established as therapeutic agents against neuroinflammation.

Peptide inhibitors of G protein-coupled receptor kinases

G protein-coupled receptor kinases (GRKs) are regulatory enzymes involved in the modulation of seven-transmembrane-helix receptors. In order to develop specific inhibitors for these kinases, we synthesized and investigated peptide inhibitors derived from the sequence of the first intracellular loop of the beta(2)-adrenergic receptor. Introduction of changes in the sequence and truncation of N- and C-terminal amino acids increased the inhibitory potency by a factor of 40. These inhibitors not only inhibited the prototypical GRK2 but also GRK3 and GRK5. In contrast there was no inhibition of protein kinase C and protein kinase A even at the highest concentration tested. The peptide with the sequence AKFERLQTVTNYFITSE inhibited GRK2 with an IC50 of 0.6 mu M, GRK3 with 2.6 mu M and GRK5 with 1.6 mu M. The peptide inhibitors were non-competitive for receptor and ATP. These findings demonstrate that specific peptides can inhibit GRKs in the submicromolar range and suggest that a further decrease in size is possible without losing the inhibitory potency. (c) 2005 Published by Elsevier Inc.

Modulation of neuroinflammation by dietary flavonoids

There is increasing evidence to suggest neuroinflammatory processes contribute to the cascade of events that lead to the progressive neuronal damage observed in neurodegenerative disorders such as Parkinson’s disease and Alzheimer’s disease. The molecular mechanisms underlying such neurodegenerative processes are rather complex and involve modulation of the mitogen-activated protein kinase (MAPK) and NF-κB pathways leading to the generation of nitric oxide (NO). Such a small molecule may diffuse to the neighbouring neurons and trigger neuronal death through the inhibition of mitochondrial respiration and increases in the reactive oxygen and nitrogen species. Recently, attention has focused on the neuroprotective effects of flavonoids which have been effective in protecting against both age-related cognitive and motor decline in vivo. Although, the precise mechanisms by which flavonoids may exert their neuroprotective effects remain unclear, accumulating evidence suggest that they may exert their neuroprotective effects through the modulation of the MAP Kinase and PI3 Kinase signaling pathways. The aim of the present chapter is to highlight the potential neuroprotective role of dietary flavonoids in terms of their ability to modulate neuroinflammation in the central nervous system. We will provide an outline of the role glial cells play in neuroinflammation and describe the involvement of inflammatory mediators, produced by glia, in the cascade of events leading to neuronal degeneration. We will then present the evidence that flavonoids may modulate neuroinflammation by inhibiting the production of these inflammatory agents and summarise their potential mechanisms of action.

A novel, non-canonical mechanism of regulation of MST3 (mammalian Sterile20-related kinase 3)

The canonical pathway of regulation of the germinal centre kinase (GCK) III subgroup member, mammalian Sterile20-related kinase 3 (MST3), involves a caspase-mediated cleavage between N-terminal catalytic and C-terminal regulatory domains with possible concurrent autophosphorylation of the activation loop MST3(Thr178-), induction of Ser-/Thr-protein kinase activity and nuclear localisation. We identified an alternative ‘non-canonical’ pathway of MST3 activation (regulated primarily through dephosphorylation) which may also be applicable to other GCKIII (and GCKVI) subgroup members. In the basal state, inactive MST3 co-immunoprecipitated with the Golgi protein, GOLGA2/gm130. Activation of MST3 by calyculin A (a protein Ser-/Thr- phosphatase 1/2A inhibitor) stimulated (auto)phosphorylation of MST3(Thr178-) in the catalytic domain with essentially simultaneous cis-autophosphorylation of MST3(Thr328-) in the regulatory domain, an event also requiring the MST3(341-376) sequence which acts as a putative docking domain. MST3(Thr178-) phosphorylation increased MST3 kinase activity but this activity was independent of MST3(Thr328-) phosphorylation. Interestingly, MST3(Thr328-) lies immediately C-terminal to a STRAD pseudokinase-like site recently identified as being involved in binding of GCKIII/GCKVI members to MO25 scaffolding proteins. MST3(Thr178- /Thr328-) phosphorylation was concurrent with dissociation of MST3 from GOLGA2/gm130 and association of MST3 with MO25, and MST3(Thr328-) phosphorylation was necessary for formation of the activated MST3-MO25 holocomplex.

New insights on regulation of LMTK2, a membrane kinase integrating pathways central to neurodegeneration

In a short communication in this issue (Manser et al. 2012), Christopher Miller’s group at the Institute of Psychiatry, King’s College London present an elegant and convincing set of experiments using molecular techniques to show that a brain-enriched membrane-associated protein kinase, lemur tyrosine kinase-2 (LMTK2), is directly phosphorylated by the cyclin-dependent kinase-5/p35 and this event is sufficient for LMTK2 to phosphorylate an abundant protein phosphatase, PP1C. LMTK2 has been little studied to date and, despite its name, is a kinase which phosphorylates serine or threonine residues of protein substrates. The paper adds to the evidence that this enzyme is a potentially important mediator positioned to integrate a number of intracellular signalling pathways relevant to neurodegeneration.

Structure of the ROC domain from the Parkinson's disease-associated leucine-rich repeat kinase 2 reveals a dimeric GTPase

Mutations in leucine-rich repeat kinase 2 (LRRK2) are the most common cause of Parkinson's disease (PD). LRRK2 contains a Ras of complex proteins (ROC) domain that may act as a GTPase to regulate its protein kinase activity. The structure of ROC and the mechanism(s) by which it regulates kinase activity are not known. Here, we report the crystal structure of the LRRK2 ROC domain in complex with GDP-Mg2+ at 2.0-Å resolution. The structure displays a dimeric fold generated by extensive domain-swapping, resulting in a pair of active sites constructed with essential functional groups contributed from both monomers. Two PD-associated pathogenic residues, R1441 and I1371, are located at the interface of two monomers and provide exquisite interactions to stabilize the ROC dimer. The structure demonstrates that loss of stabilizing forces in the ROC dimer is likely related to decreased GTPase activity resulting from mutations at these sites. Our data suggest that the ROC domain may regulate LRRK2 kinase activity as a dimer, possibly via the C-terminal of ROC (COR) domain as a molecular hinge. The structure of the LRRK2 ROC domain also represents a signature from a previously undescribed class of GTPases from complex proteins and results may provide a unique molecular target for therapeutics in PD.

Endosomal endothelin-converting enzyme-1: a regulator of beta-arrestin-dependent ERK signaling

Neuropeptide signaling at the cell surface is regulated by metalloendopeptidases, which degrade peptides in the extracellular fluid, and beta-arrestins, which interact with G protein-coupled receptors (GPCRs) to mediate desensitization. beta-Arrestins also recruit GPCRs and mitogen-activated protein kinases to endosomes to allow internalized receptors to continue signaling, but the mechanisms regulating endosomal signaling are unknown. We report that endothelin-converting enzyme-1 (ECE-1) degrades substance P (SP) in early endosomes of epithelial cells and neurons to destabilize the endosomal mitogen-activated protein kinase signalosome and terminate signaling. ECE-1 inhibition caused endosomal retention of the SP neurokinin 1 receptor, beta-arrestins, and Src, resulting in markedly sustained ERK2 activation in the cytosol and nucleus, whereas ECE-1 overexpression attenuated ERK2 activation. ECE-1 inhibition also enhanced SP-induced expression and phosphorylation of the nuclear death receptor Nur77, resulting in cell death. Thus, endosomal ECE-1 attenuates ERK2-mediated SP signaling in the nucleus to prevent cell death. We propose that agonist availability in endosomes, here regulated by ECE-1, controls beta-arrestin-dependent signaling of endocytosed GPCRs.

Protease-activated receptor 2 sensitizes the capsaicin receptor transient receptor potential vanilloid receptor 1 to induce hyperalgesia

Inflammatory proteases (mast cell tryptase and trypsins) cleave protease-activated receptor 2 (PAR2) on spinal afferent neurons and cause persistent inflammation and hyperalgesia by unknown mechanisms. We determined whether transient receptor potential vanilloid receptor 1 (TRPV1), a cation channel activated by capsaicin, protons, and noxious heat, mediates PAR2-induced hyperalgesia. PAR2 was coexpressed with TRPV1 in small- to medium-diameter neurons of the dorsal root ganglia (DRG), as determined by immunofluorescence. PAR2 agonists increased intracellular [Ca2+] ([Ca2+]i) in these neurons in culture, and PAR2-responsive neurons also responded to the TRPV1 agonist capsaicin, confirming coexpression of PAR2 and TRPV1. PAR2 agonists potentiated capsaicin-induced increases in [Ca2+]i in TRPV1-transfected human embryonic kidney (HEK) cells and DRG neurons and potentiated capsaicin-induced currents in DRG neurons. Inhibitors of phospholipase C and protein kinase C (PKC) suppressed PAR2-induced sensitization of TRPV1-mediated changes in [Ca2+]i and TRPV1 currents. Activation of PAR2 or PKC induced phosphorylation of TRPV1 in HEK cells, suggesting a direct regulation of the channel. Intraplantar injection of a PAR2 agonist caused persistent thermal hyperalgesia that was prevented by antagonism or deletion of TRPV1. Coinjection of nonhyperalgesic doses of PAR2 agonist and capsaicin induced hyperalgesia that was inhibited by deletion of TRPV1 or antagonism of PKC. PAR2 activation also potentiated capsaicin-induced release of substance P and calcitonin gene-related peptide from superfused segments of the dorsal horn of the spinal cord, where they mediate hyperalgesia. We have identified a novel mechanism by which proteases that activate PAR2 sensitize TRPV1 through PKC. Antagonism of PAR2, TRPV1, or PKC may abrogate protease-induced thermal hyperalgesia.

SOcK, MiSTs, MASK and STicKs: the GCKIII (germinal centre kinase III) kinases and their heterologous protein–protein interactions

The GCKIII (germinal centre kinase III) subfamily of the mammalian Ste20 (sterile 20)-like group of serine/threonine protein kinases comprises SOK1 (Ste20-like/oxidant-stressresponse kinase 1), MST3 (mammalian Ste20-like kinase 3) and MST4. Initially, GCKIIIs were considered in the contexts of the regulation of mitogen-activated protein kinase cascades and apoptosis. More recently, their participation in multiprotein heterocomplexes has become apparent. In the present review, we discuss the structure and phosphorylation of GCKIIIs and then focus on their interactions with other proteins. GCKIIIs possess a highly-conserved, structured catalytic domain at the N-terminus and a less-well conserved C-terminal regulatory domain. GCKIIIs are activated by tonic autophosphorylation of a T-loop threonine residue and their phosphorylation is regulated primarily through protein serine/threonine phosphatases [especially PP2A (protein phosphatase 2A)]. The GCKIII regulatory domains are highly disorganized, but can interact with more structured proteins, particularly the CCM3 (cerebral cavernous malformation 3)/PDCD10 (programmed cell death 10) protein. We explore the role(s) of GCKIIIs (and CCM3/PDCD10) in STRIPAK (striatin-interacting phosphatase and kinase) complexes and their association with the cis-Golgi protein GOLGA2 (golgin A2; GM130). Recently, an interaction of GCKIIIs with MO25 has been identified. This exhibits similarities to the STRADα (STE20-related kinase adaptor α)–MO25 interaction (as in the LKB1–STRADα–MO25 heterotrimer) and, at least for MST3, the interaction may be enhanced by cis-autophosphorylation of its regulatory domain. In these various heterocomplexes, GCKIIIs associate with the Golgi apparatus, the centrosome and the nucleus, as well as with focal adhesions and cell junctions, and are probably involved in cell migration, polarity and proliferation. Finally, we consider the association of GCKIIIs with a number of human diseases, particularly cerebral cavernous malformations.

Hepatitis C virus NS5A inhibits mixed lineage kinase 3 to block apoptosis

Hepatitis C virus (HCV) infection results in the activation of numerous stress responses including oxidative stress, with the potential to induce an apoptotic state. Previously we have shown that HCV attenuates the stress-induced, p38MAPK-mediated up-regulation of the K+ channel Kv2.1, to maintain the survival of infected cells in the face of cellular stress. We demonstrated that this effect was mediated by HCV non-structural 5A (NS5A) protein, which impaired p38MAPK activity through a polyproline motif dependent interaction, resulting in reduction of phosphorylation activation of Kv2.1. In this study, we investigated the host cell proteins targeted by NS5A in order to mediate Kv2.1 inhibition. We screened a phage-display library expressing the entire complement of human SH3 domains for novel NS5A-host cell interactions. This analysis identified mixed lineage kinase 3 (MLK3) as a putative NS5A interacting partner. MLK3 is a serine/threonine protein kinase that is a member of the MAPK kinase kinase (MAP3K) family and activates p38MAPK. An NS5A-MLK3 interaction was confirmed by co-immunoprecipitation and western blot analysis. We further demonstrate a novel role of MLK3 in the modulation of Kv2.1 activity, whereby MLK3 overexpression leads to the up-regulation of channel activity. Accordingly, coexpression of NS5A suppressed this stimulation. Additionally we demonstrate that overexpression of MLK3 induced apoptosis which was also counteracted by NS5A. We conclude that NS5A targets MLK3 with multiple downstream consequences for both apoptosis and K+ homeostasis.