Calcium-independent activation of endothelial nitric oxide synthase by ceramide

The endothelial isoform of NO synthase (eNOS) is targeted to sphingolipid-enriched signal-transducing microdomains in the plasma membrane termed caveolae. Among the caveolae-targeted sphingolipids are the ceramides, a class of acylated sphingosine compounds that have been implicated in diverse cellular responses. We have explored the role of ceramide analogues in eNOS signaling in cultured bovine aortic endothelial cells (BAEC). Addition of the ceramide analogue N-acetylsphingosine (C2-ceramide; 5 μM) to intact BAEC leads to a significant increase in NO synthase activity (assayed by using the fluorescent indicator 4,5-diaminofluorescein) and translocation of eNOS from the endothelial cell membrane to intracellular sites (measured by using quantitative immunofluorescence techniques); the biologically inactive ceramide N-acetyldihydrosphingosine is entirely without effect. C2-ceramide-induced eNOS activation and translocation are unaffected by the intracellular calcium chelator 1,2-bis-o-aminophenoxyethane-N,N,N′,N′-tetraacetic acid (BAPTA). Using the calcium-specific fluorescent indicator fluo-3, we also found that C2-ceramide activation of eNOS is unaccompanied by a drug-induced increase in intracellular calcium. These findings stand in sharp contrast to the mechanism by which bradykinin, estradiol, and other mediators acutely activate eNOS, in which a rapid, agonist-promoted increase in intracellular calcium is required. Finally, we show that treatment of BAEC with bradykinin causes a significant increase in cellular ceramide content; the response to bradykinin has an EC50 of 3 nM and is blocked by the bradykinin B2-receptor antagonist HOE140. Bradykinin-induced ceramide generation could represent a mechanism for longer-term regulation of eNOS activity. Our results suggest that ceramide functions independently of Ca2+-regulated pathways to promote activation and translocation of eNOS, and that this lipid mediator may represent a physiological regulator of eNOS in vascular endothelial cells.

Fas-induced apoptosis of T cells occurs independently of ceramide generation

The Fas receptor is one of a number of important physiological inducers of programmed cell death (apoptosis). Current models for regulation of this process involve rapid conversion of sphingomyelin to ceramide by cellular sphingomyelinases. Induced changes in cellular levels of such sphingosine-based ceramides are normally extrapolated from measurements of sphingomyelinase activity or following their conversion to ceramide phosphate by treatment of cellular lipid extracts with bacterial diacylglycerol kinase (DAGK). To allow direct study of cellular sphingosine- and sphinganine-based ceramide levels, we developed a mass spectrometric technique capable of determining inducible changes in both overall ceramide levels and species distribution in cellular lipid preparations. Contrary to current models, we detected no changes in cellular ceramide levels up to 2 hr poststimulation of Jurkat T cells with an anti-Fas IgM, although this treatment did induce apoptosis. We also determined in the same system that, when utilizing the DAGK assay, increased phosphorylation of substrates that comigrated with ceramide standards was apparent but that this effect was due to an enhancement of DAGK activity rather than increases in levels of cellular ceramides as substrates per se. Thus, the first direct measurement of ceramides present in cells undergoing apoptosis indicates that, insofar as it can be measured, the induction of apoptosis does not involve the generation of sphingosine-based ceramides, contrary to many published accounts.

Stimulation of CD95 (Fas) blocks T lymphocyte calcium channels through sphingomyelinase and sphingolipids

Calcium influx through store-operated calcium release-activated calcium channels (CRAC) is required for T cell activation, cytokine synthesis, and proliferation. The CD95 (Apo-1/Fas) receptor plays a role in self-tolerance and tumor immune escape, and it mediates apoptosis in activated T cells. In this paper we show that CD95-stimulation blocks CRAC and Ca2+ influx in lymphocytes through the activation of acidic sphingomyelinase (ASM) and ceramide release. The block of Ca2+ entry is lacking in CD95-defective lpr lymphocytes as well as in ASM-defective cells and can be restored by retransfection of ASM. C2 ceramide, C6 ceramide, and sphingosine block CRAC reversibly, whereas the inactive dihydroceramide has no effect. CD95-stimulation or the addition of ceramide prevents store-operated Ca2+ influx, activation of the transcriptional regulator NFAT, and IL-2 synthesis. The block of CRAC by sphingomyelinase metabolites adds a function to the repertoire of the CD95 receptor inhibiting T cell activation signals.

Loperamide: A positive modulator for store-operated calcium channels?

The depletion of inositol trisphosphate-sensitive intracellular pools of calcium causes activation of store-operated calcium (SOC) channels. Loperamide at 10–30 μM has no effect on intracellular calcium levels alone, but augments calcium levels in cultured cells when SOC channels have been activated. In HL-60 leukemic cells, the apparent positive modulatory effect of loperamide on SOC channels occurs when these channels have been activated after ATP, thapsigargin, or ionomycin-elicited depletion of calcium from intracellular storage sites. Loperamide has no effect when levels of intracellular calcium are elevated through a mechanism not involving SOC channels by using sphingosine. Loperamide caused augmentation of intracellular calcium levels after activation of SOC channels in NIH 3T3 fibroblasts, astrocytoma 1321N cells, smooth muscle DDT-MF2 cells, RBL-2H3 mast cells, and pituitary GH4C1 cells. Only in astrocytoma cells did loperamide cause an elevation in intracellular calcium in the absence of activation of SOC channels. The augmentation of intracellular calcium elicited by loperamide in cultured cells was dependent on extracellular calcium and was somewhat resistant to agents (SKF 96365, miconazole, clotrimazole, nitrendipine, and trifluoperazine) that in the absence of loperamide effectively blocked SOC channels. It appears that loperamide augments influx of calcium through activated SOC channels.

Molecular cloning of a high-affinity receptor for the growth factor-like lipid mediator lysophosphatidic acid from Xenopus oocytes

Lysophosphatidic acid (1-acyl-2-lyso-sn-glycero-3-phosphate, LPA) is a multifunctional lipid mediator found in a variety of organisms that span the phylogenetic tree from humans to plants. Although its physiological function is not clearly understood, LPA is a potent regulator of mammalian cell proliferation; it is one of the major mitogens found in blood serum. In Xenopus laevis oocytes, LPA elicits oscillatory Cl− currents. This current, like other effects of LPA, is consistent with a plasma membrane receptor-mediated activation of G protein-linked signal transduction pathways. Herein we report the identification of a complementary DNA from Xenopus that encodes a functional high-affinity LPA receptor. The predicted structure of this protein of 372 amino acids contains features common to members of the seven transmembrane receptor superfamily with a predicted extracellular amino and intracellular carboxyl terminus. An antisense oligonucleotide derived from the first 5–11 predicted amino acids, selectively inhibited the expression of the endogenous high-affinity LPA receptors in Xenopus oocytes, whereas the same oligonucleotide did not affect the low-affinity LPA receptor. Expression of the full-length cRNA in oocytes led to an increase in maximal Cl− current due to increased expression of the high-affinity LPA receptor, but activation of the low-affinity receptor was, again, unaffected. Oocytes expressing cRNA prepared from this clone showed no response to other lipid mediators including prostaglandins, leukotrienes, sphingosine 1-phosphate, sphingosylphosphorylcholine, and platelet-activating factor, suggesting that the receptor is highly selective for LPA.

Fumonisins and Alternaria alternata lycopersici toxins: sphinganine analog mycotoxins induce apoptosis in monkey kidney cells.

Fusarium moniliforme toxins (fumonisins) and Alternaria alternata lycopersici (AAL) toxins are members of a new class of sphinganine analog mycotoxins that occur widely in the food chain. These mycotoxins represent a serious threat to human and animal health, inducing both cell death and neoplastic events in mammals. The mechanisms by which this family of chemical congeners induce changes in cell homeostasis were investigated in African green monkey kidney cells (CV-1) by assessing the appearance of apoptosis, cell cycle regulation, and putative components of signal transduction pathways involved in apoptosis. Structurally, these mycotoxins resemble the sphingoid bases, sphingosine and sphinganine, that are reported to play critical roles in cell communication and signal transduction. The addition of fumonisin B1 or AAL toxin, TA, to CV-1 cells induced the stereotypical hallmarks of apoptosis, including the formation of DNA ladders, compaction of nuclear DNA, and the subsequent appearance of apoptotic bodies. Neither mycotoxin induced cell death, DNA ladders, or apoptotic bodies in CV-1 cells expressing simian virus 40 large T antigen (COS-7) at toxin concentrations that readily killed CV-1 cells. Fumonisin B1 induced cell cycle arrest in the G1 phase in CV-1 cells but not in COS-7 cells. AAL toxin TA did not arrest cell cycle progression in either cell line. The induction of apoptosis combined with the widespread presence of these compounds in food crops and animal feed identifies a previously unrecognized health risk to humans and livestock. These molecules also represent a new class of natural toxicants that can be used as model compounds to further characterize the molecular and biochemical pathways leading to apoptosis.

Design and synthesis of constrained azacyclic pyrrolidine analogues of FTY720 as anticancer agents & metal coordination-controlled and bifunctional catalysis toward tertiary β-Ketols

Cette thèse se compose en deux parties: Première Partie: La conception et la synthèse d’analogues pyrrolidiniques, utilisés comme agents anticancéreux, dérivés du FTY720. FTY720 est actuellement commercialisé comme médicament (GilenyaTM) pour le traitement de la sclérose en plaques rémittente-récurrente. Il agit comme immunosuppresseur en raison de son effet sur les récepteurs de la sphingosine-1-phosphate. A fortes doses, FTY720 présente un effet antinéoplasique. Cependant, à de telles doses, un des effets secondaires observé est la bradycardie dû à l’activation des récepteurs S1P1 et S1P3. Ceci limite son potentiel d’utilisation lors de chimiothérapie. Nos précédentes études ont montré que des analogues pyrrolidiniques dérivés du FTY720 présentaient une activité anticancéreuse mais aucune sur les récepteurs S1P1 et S1P3. Nous avons soumis l’idée qu’une étude relation structure-activité (SARs) pourrait nous conduire à la découverte de nouveaux agents anti tumoraux. Ainsi, deux séries de composés pyrrolidiniques (O-arylmethyl substitué et C-arylmethyl substitué) ont pu être envisagés et synthétisés (Chapitre 1). Ces analogues ont montré d’excellentes activités cytotoxiques contre diverses cellules cancéreuses humaines (prostate, colon, sein, pancréas et leucémie), plus particulièrement les analogues actifs qui ne peuvent pas être phosphorylés par SphK, présentent un plus grand potentiel pour le traitement du cancer sans effet secondaire comme la bradycardie. Les études mécanistiques suggèrent que ces analogues de déclencheurs de régulation négative sur les transporteurs de nutriments induisent une crise bioénergétique en affamant les cellules cancéreuses. Afin d’approfondir nos connaissances sur les récepteurs cibles, nous avons conçu et synthétisé des sondes diazirine basées sur le marquage d’affinité aux photons (méthode PAL: Photo-Affinity Labeling) (Chapitre 2). En s’appuyant sur la méthode PAL, il est possible de récolter des informations sur les récepteurs cibles à travers l’analyse LC/MS/MS de la protéine. Ces tests sont en cours et les résultats sont prometteurs. Deuxième partie: Coordination métallique et catalyse di fonctionnelle de dérivés β-hydroxy cétones tertiaires. Les réactions de Barbier et de Grignard sont des méthodes classiques pour former des liaisons carbone-carbone, et généralement utilisées pour la préparation d’alcools secondaires et tertiaires. En vue d’améliorer la réaction de Grignard avec le 1-iodobutane dans les conditions « one-pot » de Barbier, nous avons obtenu comme produit majoritaire la β-hydroxy cétone provenant de l’auto aldolisation de la 5-hexen-2-one, plutôt que le produit attendu d’addition de l’alcool (Chapitre 3). La formation inattendue de la β-hydroxy cétone a également été observée en utilisant d’autres dérivés méthyl cétone. Étonnement dans la réaction intramoléculaire d’une tricétone, connue pour former la cétone Hajos-Parrish, le produit majoritaire est rarement la β-hydroxy cétone présentant la fonction alcool en position axiale. Intrigué par ces résultats et après l’étude systématique des conditions de réaction, nous avons développé deux nouvelles méthodes à travers la synthèse sélective et catalytique de β-hydroxy cétones spécifiques par cyclisation intramoléculaire avec des rendements élevés (Chapitre 4). La réaction peut être catalysée soit par une base adaptée et du bromure de lithium comme additif en passant par un état de transition coordonné au lithium, ou bien soit à l’aide d’un catalyseur TBD di fonctionnel, via un état de transition médiée par une coordination bidenté au TBD. Les mécanismes proposés ont été corroborés par calcul DFT. Ces réactions catalytiques ont également été appliquées à d’autres substrats comme les tricétones et les dicétones. Bien que les efforts préliminaires afin d’obtenir une enantioselectivité se sont révélés sans succès, la synthèse et la recherche de nouveaux catalyseurs chiraux sont en cours.

Design and synthesis of constrained azacyclic pyrrolidine analogues of FTY720 as anticancer agents & metal coordination-controlled and bifunctional catalysis toward tertiary β-Ketols

Cette thèse se compose en deux parties: Première Partie: La conception et la synthèse d’analogues pyrrolidiniques, utilisés comme agents anticancéreux, dérivés du FTY720. FTY720 est actuellement commercialisé comme médicament (GilenyaTM) pour le traitement de la sclérose en plaques rémittente-récurrente. Il agit comme immunosuppresseur en raison de son effet sur les récepteurs de la sphingosine-1-phosphate. A fortes doses, FTY720 présente un effet antinéoplasique. Cependant, à de telles doses, un des effets secondaires observé est la bradycardie dû à l’activation des récepteurs S1P1 et S1P3. Ceci limite son potentiel d’utilisation lors de chimiothérapie. Nos précédentes études ont montré que des analogues pyrrolidiniques dérivés du FTY720 présentaient une activité anticancéreuse mais aucune sur les récepteurs S1P1 et S1P3. Nous avons soumis l’idée qu’une étude relation structure-activité (SARs) pourrait nous conduire à la découverte de nouveaux agents anti tumoraux. Ainsi, deux séries de composés pyrrolidiniques (O-arylmethyl substitué et C-arylmethyl substitué) ont pu être envisagés et synthétisés (Chapitre 1). Ces analogues ont montré d’excellentes activités cytotoxiques contre diverses cellules cancéreuses humaines (prostate, colon, sein, pancréas et leucémie), plus particulièrement les analogues actifs qui ne peuvent pas être phosphorylés par SphK, présentent un plus grand potentiel pour le traitement du cancer sans effet secondaire comme la bradycardie. Les études mécanistiques suggèrent que ces analogues de déclencheurs de régulation négative sur les transporteurs de nutriments induisent une crise bioénergétique en affamant les cellules cancéreuses. Afin d’approfondir nos connaissances sur les récepteurs cibles, nous avons conçu et synthétisé des sondes diazirine basées sur le marquage d’affinité aux photons (méthode PAL: Photo-Affinity Labeling) (Chapitre 2). En s’appuyant sur la méthode PAL, il est possible de récolter des informations sur les récepteurs cibles à travers l’analyse LC/MS/MS de la protéine. Ces tests sont en cours et les résultats sont prometteurs. Deuxième partie: Coordination métallique et catalyse di fonctionnelle de dérivés β-hydroxy cétones tertiaires. Les réactions de Barbier et de Grignard sont des méthodes classiques pour former des liaisons carbone-carbone, et généralement utilisées pour la préparation d’alcools secondaires et tertiaires. En vue d’améliorer la réaction de Grignard avec le 1-iodobutane dans les conditions « one-pot » de Barbier, nous avons obtenu comme produit majoritaire la β-hydroxy cétone provenant de l’auto aldolisation de la 5-hexen-2-one, plutôt que le produit attendu d’addition de l’alcool (Chapitre 3). La formation inattendue de la β-hydroxy cétone a également été observée en utilisant d’autres dérivés méthyl cétone. Étonnement dans la réaction intramoléculaire d’une tricétone, connue pour former la cétone Hajos-Parrish, le produit majoritaire est rarement la β-hydroxy cétone présentant la fonction alcool en position axiale. Intrigué par ces résultats et après l’étude systématique des conditions de réaction, nous avons développé deux nouvelles méthodes à travers la synthèse sélective et catalytique de β-hydroxy cétones spécifiques par cyclisation intramoléculaire avec des rendements élevés (Chapitre 4). La réaction peut être catalysée soit par une base adaptée et du bromure de lithium comme additif en passant par un état de transition coordonné au lithium, ou bien soit à l’aide d’un catalyseur TBD di fonctionnel, via un état de transition médiée par une coordination bidenté au TBD. Les mécanismes proposés ont été corroborés par calcul DFT. Ces réactions catalytiques ont également été appliquées à d’autres substrats comme les tricétones et les dicétones. Bien que les efforts préliminaires afin d’obtenir une enantioselectivité se sont révélés sans succès, la synthèse et la recherche de nouveaux catalyseurs chiraux sont en cours.

Mechanisms of B and T lymphocyte accumulation in tumor-draining lymph nodes

Thesis (Master's)--University of Washington, 2016-06

Transcriptome analysis of a cnidarian-dinoflagellate mutualism reveals complex modulation of host gene expression

Background: Cnidarian - dinoflagellate intracellular symbioses are one of the most important mutualisms in the marine environment. They form the trophic and structural foundation of coral reef ecosystems, and have played a key role in the evolutionary radiation and biodiversity of cnidarian species. Despite the prevalence of these symbioses, we still know very little about the molecular modulators that initiate, regulate, and maintain the interaction between these two different biological entities. In this study, we conducted a comparative host anemone transcriptome analysis using a cDNA microarray platform to identify genes involved in cnidarian - algal symbiosis. Results: We detected statistically significant differences in host gene expression profiles between sea anemones ( Anthopleura elegantissima) in a symbiotic and non-symbiotic state. The group of genes, whose expression is altered, is diverse, suggesting that the molecular regulation of the symbiosis is governed by changes in multiple cellular processes. In the context of cnidarian dinoflagellate symbioses, we discuss pivotal host gene expression changes involved in lipid metabolism, cell adhesion, cell proliferation, apoptosis, and oxidative stress. Conclusion: Our data do not support the existence of symbiosis- specific genes involved in controlling and regulating the symbiosis. Instead, it appears that the symbiosis is maintained by altering expression of existing genes involved in vital cellular processes. Specifically, the finding of key genes involved in cell cycle progression and apoptosis have led us to hypothesize that a suppression of apoptosis, together with a deregulation of the host cell cycle, create a platform that might be necessary for symbiont and/or symbiont-containing host cell survival. This first comprehensive molecular examination of the cnidarian - dinoflagellate associations provides critical insights into the maintenance and regulation of the symbiosis.

Disparate effects of non-steroidal anti-inflammatory drugs on apoptosis in guinea-pig gastric mucous cells: inhibition of basal apoptosis by diclofenac

Non-steroidal anti-inflammatory drugs (NSAIDs) induce apoptosis in gastrointestinal cancer cell lines. Similar actions on normal gastric epithelial cells could contribute to NSAID gastropathy. The present work therefore compared the actions of diclofenac, ibuprofen, indomethacin, and the cyclo-oxygenase-2 selective inhibitor, NS-398, on a primary culture of guinea-pig gastric mucous epithelial cells. Cell number was assessed by staining with crystal violet. Apoptotic activity was determined by condensation and fragmentation of nuclei and by assay of caspase-3-like activity. Necrosis was evaluated from release of cellular enzymes. Ibuprofen (250 μM for 24 h) promoted cell loss, and apoptosis, under both basal conditions and when apoptosis was increased by 25 μM N-Hexanoyl-D-sphingosine (C6-ceramide). Diclofenac (250 μM for 24 h) reduced the proportion of apoptotic nuclei from 5.2 to 2.1%, and caused inhibition of caspase-3-like activity, without causing necrosis under basal conditions. No such reduction in apoptotic activity was evident in the presence of 25 μM C6-ceramide. The inhibitory effect of diclofenac on basal caspase-3-like activity was also exhibited by the structurally similar mefenamic and flufenamic acids (1–250 μM), but not by niflumic acid. Inhibition of superoxide production by the cells increased caspase-3-like activity, but the inhibitory action of diclofenac on caspase activity remained. Diclofenac did not affect superoxide production. Diclofenac inhibited caspase-3-like activity in cell homogenates and also inhibited human recombinant caspase-3. In conclusion, NSAIDs vary in their effect on apoptotic activity in a primary culture of guinea-pig gastric mucous epithelial cells, and the inhibitory effect of diclofenac on basal apoptosis could involve an action on caspase activity.

Étude des mécanismes des voies mitochondriale et lysosomiale dans l'apoptose p53-indépendante induite par les agents chimiothérapeutiques

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Conception, synthèse et activité anticancéreuse d’analogues basés sur la molécule FTY720 (Gilenya)

FTY720 (aussi connu sous le nom de Fingolimod ou Gilenya) agit sur les récepteurs sphingosine-1-phosphate (S1P) et induit la suppression du système immunitaire (immunosuppression). Cette molécule est reconnue pour avoir une activité contre plusieurs cellules cancéreuses. Cette activité est indépendante de l’action sur les récepteurs S1P et on attribue plutôt la mort (apoptose) des cellules cancéreuse à la capacité que possède la molécule à réduire le transport des nutriments dans la cellule. Toutefois, malgré ses nombreux avantages, FTY720 ne peut pas être utilisé afin de traiter des humains puisque l’activation secondaire des récepteurs S1P1 et S1P3 mènent à une diminution du rythme cardiaque (bradycardie) chez les patients. Notre groupe s’est donc concentré sur la synthèse d’analogues qui potentiellement n’activeraient pas le récepteur S1P tout en gardant une activité biologique contre plusieurs cellules cancéreuses. Malgré le fait que nos analogues agissent également sur la diminution du transport des nutriments dans les cellules, nous ne connaissons pas le mécanisme d’action par lequel ceux-ci agissent. Au passage, le projet de recherche ci-présenté nous aura par ailleurs permis de développer une grande variété de sondes photo-actives dans l’espoir d’isoler une ou plusieurs protéines qui seraient impliquées dans le mécanisme d’action.

Étude des mécanismes des voies mitochondriale et lysosomiale dans l'apoptose p53-indépendante induite par les agents chimiothérapeutiques

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.