Ser6 in the maize actin-depolymerizing factor, ZmADF3, is phosphorylated by a calcium-stimulated protein kinase and is essential for the control of functional activity

Maize actin-depolymerizing factor, ZmADF, binds both G- and F-actin and enhances in vitro actin dynamics. Evidence from studies on vertebrate ADF/cofilin supports the view that this class of protein responds to intracellular and extracellular signals and causes actin reorganization. As a test to determine whether such signal-responsive pathways existed in plants, this study addressed the ability of maize ADF to be phosphorylated and the likely effects of such phosphorylation on its capacity to modulate actin dynamics. It is shown that maize ADF3 (ZmADF3) can be phosphorylated by a calcium-stimulated protein kinase present in a 40-70% ammonium sulphate fraction of a plant cell extract. Phosphorylation is shown to be on Ser6, which is only one of nine amino acids that are fully conserved among the ADF/cofilin proteins across distantly related species. In addition, an analogue of phosphorylated ZmADF3 created by mutating Ser6 to Asp6 (zmadf3-4) does not bind G- or F-actin and has little effect on the enhancement of actin dynamics. These results are discussed in context of the previously observed actin reorganization in root hair cells.

Activation of AMP-activated protein kinase inhibits oxidized LDL-triggered endoplasmic reticulum stress in vivo

The oxidation of LDLs is considered a key step in the development of atherosclerosis. How LDL oxidation contributes to atherosclerosis remains poorly defined. Here we report that oxidized and glycated LDL (HOG-LDL) causes aberrant endoplasmic reticulum (ER) stress and that the AMP-activated protein kinase (AMPK) suppressed HOG-LDL-triggered ER stress in vivo.

Adult cardiac fibroblast proliferation is modulated by calcium/calmodulin-dependent protein kinase II in normal and hypertrophied hearts

Increased adult cardiac fibroblast proliferation results in an increased collagen deposition responsible for the fibrosis accompanying pathological remodelling of the heart. The mechanisms regulating cardiac fibroblast proliferation remain poorly understood. Using a minimally invasive transverse aortic banding (MTAB) mouse model of cardiac hypertrophy, we have assessed fibrosis and cardiac fibroblast proliferation. We have investigated whether calcium/calmodulin-dependent protein kinase IIδ (CaMKIIδ) regulates proliferation in fibroblasts isolated from normal and hypertrophied hearts. It is known that CaMKIIδ plays a central role in cardiac myocyte contractility, but nothing is known of its role in adult cardiac fibroblast function. The MTAB model used here produces extensive hypertrophy and fibrosis. CaMKIIδ protein expression and activity is upregulated in MTAB hearts and, specifically, in cardiac fibroblasts isolated from hypertrophied hearts. In response to angiotensin II, cardiac fibroblasts isolated from MTAB hearts show increased proliferation rates. Inhibition of CaMKII with autocamtide inhibitory peptide inhibits proliferation in cells isolated from both sham and MTAB hearts, with a significantly greater effect evident in MTAB cells. These results are the first to show selective upregulation of CaMKIIδ in adult cardiac fibroblasts following cardiac hypertrophy and to assign a previously unrecognised role to CaMKII in regulating adult cardiac fibroblast function in normal and diseased hearts.

Increased expression of the RIα subunit of the cAMP-dependent protein kinase A is associated with advanced stage ovarian cancer

The primary element in the cAMP signal transduction pathway is the cAMP-dependent protein kinase (PKA). Expression of the RIα subunit of type I PKA is elevated in a variety of human tumours and cancer cell lines. The purpose of this study was to assess the prognostic importance of RIα expression in patients with ovarian cancer. We have evaluated the expression of RIα in a panel of human ovarian tumours (n = 40) and five human ovarian cancer cell lines using quantitative reverse transcription polymerase chain reaction (RT-PCR) and Western blot analysis. The human ovarian cell lines OAW42 and OTN14 express high endogenous levels of RIα mRNA and protein (at significantly higher mRNA levels than high tissue expressors, P < 0.05). The ovarian cell line A2780 expresses low endogenous levels of RIα mRNA and protein (also at higher mRNA levels than low tissue expressors, P < 0.05). Quantitative RT-PCR revealed no significant difference in RIα mRNA expression between different ovarian histological subtypes in this study. No associations were found between RIα mRNA expression and differentiation state. RIα mRNA expression was significantly associated with tumour stage (P = 0.0036), and this remained significant in univariate analysis (P = 0.0002). A trend emerged between RIα mRNA expression levels and overall survival in univariate analysis (P = 0.051), however, by multivariate analysis, stage remained the major determinant of overall survival (P = 0.0001). This study indicates that in ovarian epithelial tumours high RIα mRNA expression is associated with advanced stage disease. RIα expression may be of predictive value in ovarian cancer and may be associated with dysfunctional signalling pathways in this cancer type.

Remyelination in vitro following protein kinase C activator-induced demyelination.

In previous work we found that mezerein, a C kinase activator, as well as basic fibroblast growth factor (FGF-2) induce demyelination and partial oligodendrocyte dedifferentiation in highly differentiated aggregating brain cell cultures. Here we show that following protein kinase C activator-induced demyelination, effective remyelination occurs. We found that mezerein or FGF-2 caused a transient increase in DNA synthesis following a pronounced decrease of the myelin markers myelin basic protein and 2',3'-cyclic nucleotide 3'-phosphohydrolase. Both oligodendrocytes and astrocytes were involved in this mitogenic response. Within 17 days after demyelination, myelin was restored to the level of the untreated controls. Transient mitotic activity was indispensable for remyelination. The present results suggest that myelinating oligodendrocytes retain the capacity to reenter the cell cycle, and that this plasticity is important for the regeneration of the oligodendrocyte lineage and remyelination. Although it cannot be excluded that a quiescent population of oligodendrocyte precursor cells was present in the aggregates and able to proliferate, differentiate and remyelinate, we could not find evidence supporting this view.

Activation of peroxisome proliferator-activated receptors (PPARs) by their ligands and protein kinase A activators.

The nuclear peroxisome proliferator-activated receptors (PPARs) alpha, beta, and gamma activate the transcription of multiple genes involved in lipid metabolism. Several natural and synthetic ligands have been identified for each PPAR isotype but little is known about the phosphorylation state of these receptors. We show here that activators of protein kinase A (PKA) can enhance mouse PPAR activity in the absence and the presence of exogenous ligands in transient transfection experiments. Activation function 1 (AF-1) of PPARs was dispensable for transcriptional enhancement, whereas activation function 2 (AF-2) was required for this effect. We also show that several domains of PPAR can be phosphorylated by PKA in vitro. Moreover, gel retardation experiments suggest that PKA stabilizes binding of the liganded PPAR to DNA. PKA inhibitors decreased not only the kinase-dependent induction of PPARs but also their ligand-dependent induction, suggesting an interaction between both pathways that leads to maximal transcriptional induction by PPARs. Moreover, comparing PPAR alpha knockout (KO) with PPAR alpha WT mice, we show that the expression of the acyl CoA oxidase (ACO) gene can be regulated by PKA-activated PPAR alpha in liver. These data demonstrate that the PKA pathway is an important modulator of PPAR activity, and we propose a model associating this pathway in the control of fatty acid beta-oxidation under conditions of fasting, stress, and exercise.

Regulation of the memory T cell development and islet beta-cell survival by DAPK-related apoptosis-inducing protein kinase 2 (Drak2)

Drak2 est un membre de la famille des protéines associées à la mort et c’est une sérine/thréonine kinase. Chez les souris mutantes nulles Drak2, les cellules T ne présentent aucune défectuosité apparente en apoptose induite par activation, après stimulation avec anti-CD3 et anti-CD28, mais ont un seuil de stimulation réduit, comparées aux cellules T de type sauvage (TS). Dans notre étude, l’analyse d’hybridation in situ a révélé que l’expression de Drak2 est ubiquiste au stade de la mi-gestation chez les embryons, suivie d’une expression plus focale dans les divers organes pendant la période périnatale et l’âge adulte, notamment dans le thymus, la rate, les ganglions lymphatiques, le cervelet, les noyaux suprachiasmatiques, la glande pituitaire, les lobes olfactifs, la médullaire surrénale, l’estomac, la peau et les testicules. Nous avons créé des souris transgéniques (Tg) Drak2 en utilisant le promoteur humain beta-actine. Ces souris Tg montraient des ratios normaux entre cellules T versus B et entre cellules CD4 versus CD8, mais leur cellularité et leur poids spléniques étaient inférieurs comparé aux souris de type sauvage. Après activation TCR, la réponse proliférative des cellules T Tg Drak2 était normale, même si leur production d’interleukine (IL)-2 et IL-4 mais non d’interféron-r était augmentée. Les cellules T Tg Drak2 activées ont démontré une apoptose significativement accrue en présence d’IL-2 exogène. Au niveau moléculaire, les cellules T Tg Drak2 ont manifesté une augmentation moins élevée des facteurs anti-apoptotiques durant l’activation; un tel changement a probablement rendu les cellules vulnérables aux attaques subséquentes d’IL-2. L’apoptose compromise dans les cellulesT Tg Drak2 a été associée à un nombre réduit de cellules T ayant le phénotype des cellules mémoires (CD62Llo) et avec des réactions secondaires réprimées des cellules T dans l’hypersensibilité de type différé. Ces résultats démontrent que Drak2 s’exprime dans le compartiment des cellules T mais n’est pas spécifique aux cellules T; et aussi qu’il joue des rôles déterminants dans l’apoptose des cellules T et dans le développement des cellules mémoires T. En outre, nous avons recherché le rôle de Drak2 dans la survie des cellules beta et le diabète. L’ARNm et la protéine Drak2 ont été rapidement induits dans les cellules beta de l’îlot après stimulation exogène par les cytokines inflammatoires ou les acides gras libres et qui est présente de façon endogène dans le diabète, qu’il soit de type 1 ou de type 2. La régulation positive de Drak2 a été accompagnée d’une apoptose accrue des cellules beta. L’apoptose des cellules beta provoquée par les stimuli en question a été inhibée par la chute de Drak2 en utilisant petit ARNi. Inversement, la surexpression de Drak2 Tg a mené à l’apoptose aggravée des cellules beta déclenchée par les stimuli. La surexpression de Drak2 dans les îlots a compromis l’augmentation des facteurs anti-apoptotiques, tels que Bcl-2, Bcl-xL et Flip, sur stimulation par la cytokine et les acides gras libres. De plus, les expériences in vivo ont démontré que les souris Tg Drak2 étaient sujettes au diabète de type 1 dans un modèle de diabète provoqué par de petites doses multiples de streptozotocine et qu’elles étaient aussi sujettes au diabète de type 2 dans un modèle d’obésité induite par la diète. Nos données montrent que Drak2 est défavorable à la survie des cellules beta. Nous avons aussi étudié la voie de transmission de Drak2. Nous avons trouvé que Drak2 purifiée pouvait phosphoryler p70S6 kinase dans une analyse kinase in vitro. Lasurexpression de Drak2 dans les cellules NIT-1 a entraîné l’augmentation de la phosphorylasation p70S6 kinase tandis que l’abaissement de Drak2 dans ces cellules a réduit la phosphorylation. Ces recherches mécanistes ont prouvé que p70S6 kinase était véritablement un substrat de Drak2 in vitro et in vivo. Cette étude a découvert les fonctions importantes de Drak2 dans l’homéostasie des cellules T et le diabète. Nous avons prouvé que p70S6 kinase était un substrat de Drak2. Nos résultats ont approfondi nos connaissances de Drak2 à l’intérieur des systèmes immunitaire et endocrinien. Certaines de nos conclusions, comme les rôles de Drak2 dans le développement des cellules mémoires T et la survie des cellules beta pourraient être explorées pour des applications cliniques dans les domaines de la transplantation et du diabète.

Impact d’un épisode asphyxique périnatal associé à des convulsions sur le développement des interneurones corticaux : rôle de l’adenosine monophosphate-activated protein kinase (AMPK)

L’encéphalopathie hypoxique-­‐ischémique cause des milliers de victimes à travers le monde chaque année. Les enfants survivants à un épisode hypoxique-­‐ischémique sont à risque de développer des problèmes neurologiques incapacitants comme une paralysie cérébrale, un retard mental, une épilepsie ou des troubles d’ordre comportemental. Les modèles animaux ont amélioré nos connaissances sur les mécanismes sous-­‐jacents aux dommages cérébraux, mais elles sont encore trop incomplètes pour être capables de prévenir les problèmes neurologiques. Ce projet vise à comprendre l’impact d’un épisode asphyxique périnatale associé à des convulsions ainsi que l’activation de l’adenosine monophosphate-­‐activated protein kinase (AMPK) sur les circuits GABAergiques inhibiteurs en développement chez la souris. Dans le but d’investiguer le sort des neurones inhibiteurs, appelés interneurones, suite à un épisode asphyxique périnatal associé à des convulsions avec des animaux transgéniques, nous avons pris avantage d’un nouveau modèle d’hypoxie permettant d’induire des convulsions chez la souris. Deux populations d’interneurones représentant ensemble environ 60% de tous les interneurones corticaux ont été étudiées, soit les cellules exprimant la parvalbumine (PV) et les cellules exprimant la somatostatine (SOM). L’étude stéréologique n’a montré aucune mort neuronale de ces deux populations d’interneurones dans l’hippocampe chez les souris hypoxique d’âge adulte. Par contre, le cortex des souris hypoxiques présentait des zones complètement ou fortement dépourvues de cellules PV alors que les cellules SOM n’étaient pas affectées. L’utilisation d’une lignée de souris transgénique exprimant une protéine verte fluorescente (GFP) dans les cellules PV nous a permis de comprendre que les trous PV sont le reflet de deux choses : 1) une diminution des cellules PV et 2) une immaturité des cellules PV restantes. Puisque les cellules PV sont spécifiquement affectées dans la première partie de notre étude, nous avons voulu étudier les mécanismes moléculaires sous-­‐jacents à cette vulnérabilité. L’AMPK est un senseur d’énergie qui orchestre le rétablissement des i niveaux d’énergie cellulaire dans le cas d’une déplétion énergétique en modulant des voies de signalisation impliquant la synthèse de protéines et l’excitabilité membranaire. Il est possible que l’activation d’AMPK suite à un épisode asphyxique périnatal associé à des convulsions soit néfaste à long-­‐terme pour le circuit GABAergique en développement et modifie l’établissement de l’innervation périsomatique d’une cellule PV sur les cellules pyramidales. Nous avons étudié cette hypothèse dans un modèle de culture organotypique en surexprimant la forme wild-­‐type (WT) de la sous-­‐unité α2 d’AMPK, ainsi qu’une forme mutée dominante négative (DN), dans des cellules PV individuelles. Nous avons montré que pendant la phase de formation synaptique (jours post-­‐natals équivalents EP 10-­‐18), la surexpression de la forme WT désorganise la stabilisation des synapses. De plus, l’abolition de l’activité d’AMPK semble augmenter le nombre de synapses périsomatiques faits par la cellule PV sur les cellules pyramidales pendant la phase de formation et semble avoir l’effet inverse pendant la phase de maturation (EP 16-­‐24). La neurotransmission GABAergique joue plusieurs rôles dans le cerveau, depuis la naissance jusqu’à l’âge adulte des interneurones, et une dysfonction des interneurones a été associée à plusieurs troubles neurologiques, comme la schizophrénie, l’autisme et l’épilepsie. La maturation des circuits GABAergiques se fait majoritairement pendant la période post-­‐natale et est hautement dépendante de l’activité neuronale et de l’expérience sensorielle. Nos résultats révèlent que le lourd fardeau en demande énergétique d’un épisode asphyxique périnatal peut causer une mort neuronale sélective des cellules PV et compromettre l’intégrité de leur maturation. Un des mécanismes sous-­‐ jacents possible à cette immaturité des cellules PV suite à l’épisode hypoxique est l’activation d’AMPK, en désorganisant leur profil d’innervation sur les cellules pyramidales. Nous pensons que ces changements dans le réseau GABAergique pourrait contribuer aux problèmes neurologiques associés à une insulte hypoxique.

Structural insights into the allosteric activation mechanism of cGMP-dependent protein kinase I

Cyclic GMP-dependent protein kinase (PKG) is a key transducer in the NO-cGMP signaling pathway. In this line, PKG has been considered an important drug target for treating hypertensive cardiovascular and pulmonary diseases. However, the investigation of PKG’s allosteric activation mechanism has been hampered by a lack of structural information. One of the fundamental questions on the cGMP-dependent activation of PKG is how the enzyme can distinguish cGMP over cAMP and selectively respond to cGMP. To ensure proper signaling, PKG must have developed unique features to ensure its activation upon the right activation signal. In this thesis, the cGMP-selective activation mechanism of PKG was studied through determining crystal structures of three truncated constructs of the regulatory domain [CNB-A (92-227), CNB-B (271-369), and CNB-A/B (92-351)] of PKG Iβ in the absence or presence of cyclic nucleotides. Herein, two individual CNB domain structures with biochemical data revealed that the C-terminal CNB domain (CNB-B) is responsible for cGMP selectivity, while the N-terminal CNB-domain (CNB-A) has a higher binding affinity for both cGMP and cAMP without showing any selectivity. Based on these crystal structures, mutagenesis studies were performed in which the critical residues for cyclic nucleotide selectivity and activation were identified. Furthermore, we discovered that the conformational changes of the C-terminal helix of the CNB-B that bridges between the regulatory and catalytic domains including the hydrophobic capping interaction are crucial for PKG activation. In addition, to observe the global conformation of the activated R-domain, I solved a co-crystal structure of the CNB-A/B with cGMP. Although a monomeric construct was crystallized, the structure displays a dimer. Strikingly, the CNB-A domain and its bound cGMP provide a key interface for this dimeric interaction. Using small angle X-ray scattering (SAXS), the existence of the cGMP-mediated dimeric interface within the CNB domains was confirmed. Furthermore, measuring cGMP-binding affinities (EC50) of the dimeric interface mutants as well as determining activation constants (Ka) revealed that the interface formation is important for PKG activation. To conclude, this thesis study provides a new mechanistic insight in PKG activation along with a newly found interface that can be targeted for designing PKG-specific activity modulators.

Fas ligand-induced apoptosis is regulated by nitric oxide through the inhibition of fas receptor clustering and the nitrosylation of protein kinase Cepsilon

Apoptosis induced by the death-inducing ligand FasL (CD95L) is a major mechanism of cell death. Trophoblast cells express the Fas receptor yet survive in an environment that is rich in the ligand. We report that basal nitric oxide (NO) production is responsible for the resistance of trophoblasts to FasL-induced apoptosis. In this study we demonstrate that basal NO production resulted in the inhibition of receptor clustering following ligand binding. In addition NO also protected cells through the selective nitrosylation, and inhibition, of protein kinase Cepsilon (PKCepsilon) but not PKCalpha. In the absence of NO production PKCepsilon interacted with, and phosphorylated, the anti-apoptotic protein cFLIP. The interaction is predominantly with the short form of cFLIP and its phosphorylation reduces its recruitment to the death-inducing signaling complex (DISC) that is formed following binding of a death-inducing ligand to its receptor. Inhibition of cFLIP recruitment to the DISC leads to increased activation of caspase 8 and subsequently to apoptosis. Inhibition of PKCepsilon using siRNA significantly reversed the sensitivity to apoptosis induced by inhibition of NO synthesis suggesting that NO-mediated inhibition of PKCepsilon plays an important role in the regulation of Fas-induced apoptosis.

Diacylglycerol-induced protection against injury during ischemia and reperfusion can be achieved without activation of protein kinase C in the rat heart: Comparative studies with ischemic preconditioning

The role of protein kinase C (PKC) activation in ischemic preconditioning remains controversial. Since diacylglycerol is the endogenous activator of PKC and as such might be expected cardioprotective, we have investigated whether: (i) the diacylglycerol analog 1,2-dioctanoyl-sn-glycerol (DOG) can protect against injury during ischemia and reperfusion; (ii) any effect is mediated via PKC activation; and (iii) the outcome is influenced by the time of administration. Isolated rat hearts were perfused with buffer at 37°C and paced at 400 bpm. In Study 1, hearts (n=6/group) were subjected to one of the following: (1) 36 min aerobic perfusion (controls); (2) 20 min aerobic perfusion plus ischemic preconditioning (3 min ischemia/3 min reperfusion+5 min ischemia/5 min reperfusion); (3) aerobic perfusion with buffer containing DOG (10 μM) given as a substitute for ischemic preconditioning; (4) aerobic perfusion with DOG (10 μM) during the last 2 min of aerobic perfusion. All hearts then were subjected to 35 min of global ischemia and 40 min reperfusion. A further group (5) were perfused with DOG (10 μM) for the first 2 min of reperfusion. Ischemic preconditioning improved postischemic recovery of LVDP from 24±3% in controls to 71±2% (P<0.05). Recovery of LVDP also was enhanced by DOG when given just before ischemia (54±4%), however, DOG had no effect on the recovery of LVDP when used as a substitute for ischemic preconditioning (22±5%) or when given during reperfusion (29±6%). In Study 2, the first four groups of study were repeated (n=4–5/group) without imposing the periods of ischemia and reperfusion, instead hearts were taken for the measurement of PKC activity (pmol/min/mg protein±SEM). PKC activity after 36 min in groups (1), (2), (3) and (4) was: 332±102, 299±63, 521±144, and 340±113 and the membrane:cytosolic PKC activity ratio was: 5.6±1.5, 5.3±1.8, 6.6±2.7, and 3.9±2.1 (P=NS in each instance). In conclusion, DOG is cardioprotective but under the conditions of the present study is less cardioprotective than ischemic preconditioning, furthermore the protection does not appear to necessitate PKC activation prior to ischemia.