Depletion of Acyl-Coenzyme A-Binding Protein Affects Sphingolipid Synthesis and Causes Vesicle Accumulation and Membrane Defects in Saccharomyces cerevisiae

Deletion of the yeast gene ACB1 encoding Acb1p, the yeast homologue of the acyl-CoA-binding protein (ACBP), resulted in a slower growing phenotype that adapted into a faster growing phenotype with a frequency >1:105. A conditional knockout strain (Y700pGAL1-ACB1) with the ACB1 gene under control of the GAL1 promoter exhibited an altered acyl-CoA profile with a threefold increase in the relative content of C18:0-CoA, without affecting total acyl-CoA level as previously reported for an adapted acb1Δ strain. Depletion of Acb1p did not affect the general phospholipid pattern, the rate of phospholipid synthesis, or the turnover of individual phospholipid classes, indicating that Acb1p is not required for general glycerolipid synthesis. In contrast, cells depleted for Acb1p showed a dramatically reduced content of C26:0 in total fatty acids and the sphingolipid synthesis was reduced by 50–70%. The reduced incorporation of [3H]myo-inositol into sphingolipids was due to a reduced incorporation into inositol-phosphoceramide and mannose-inositol-phosphoceramide only, a pattern that is characteristic for cells with aberrant endoplasmic reticulum to Golgi transport. The plasma membrane of the Acb1p-depleted strain contained increased levels of inositol-phosphoceramide and mannose-inositol-phosphoceramide and lysophospholipids. Acb1p-depleted cells accumulated 50- to 60-nm vesicles and autophagocytotic like bodies and showed strongly perturbed plasma membrane structures. The present results strongly suggest that Acb1p plays an important role in fatty acid elongation and membrane assembly and organization.

Synaptic regulation of protein synthesis and the fragile X protein

Protein synthesis occurs in neuronal dendrites, often near synapses. Polyribosomal aggregates often appear in dendritic spines, particularly during development. Polyribosomal aggregates in spines increase during experience-dependent synaptogenesis, e.g., in rats in a complex environment. Some protein synthesis appears to be regulated directly by synaptic activity. We use “synaptoneurosomes,” a preparation highly enriched in pinched-off, resealed presynaptic processes attached to resealed postsynaptic processes that retain normal functions of neurotransmitter release, receptor activation, and various postsynaptic responses including signaling pathways and protein synthesis. We have found that, when synaptoneurosomes are stimulated with glutamate or group I metabotropic glutamate receptor agonists such as dihydroxyphenylglycine, mRNA is rapidly taken up into polyribosomal aggregates, and labeled methionine is incorporated into protein. One of the proteins synthesized is FMRP, the protein that is reduced or absent in fragile X mental retardation syndrome. FMRP has three RNA-binding domains and reportedly binds to a significant number of mRNAs. We have found that dihydroxyphenylglycine-activated protein synthesis in synaptoneurosomes is dramatically reduced in a knockout mouse model of fragile X syndrome, which cannot produce full-length FMRP, suggesting that FMRP is involved in or required for this process. Studies of autopsy samples from patients with fragile X syndrome have indicated that dendritic spines may fail to assume a normal mature size and shape and that there are more spines per unit dendrite length in the patient samples. Similar findings on spine size and shape have come from studies of the knockout mouse. Study of the development of the somatosensory cortical region containing the barrel-like cell arrangements that process whisker information suggests that normal dendritic regression is impaired in the knockout mouse. This finding suggests that FMRP may be required for the normal processes of maturation and elimination to occur in cerebral cortical development.

A germ-line Tsc1 mutation causes tumor development and embryonic lethality that are similar, but not identical to, those caused by Tsc2 mutation in mice

Tuberous sclerosis (TS) is characterized by the development of hamartomas in various organs and is caused by a germ-line mutation in either TSC1 or TSC2 tumor suppressor genes. From the symptomatic resemblance among TS patients, involvement of TSC1 and TSC2 products in a common pathway has been suggested. Here, to analyze the function of the Tsc1 product, we established a line of Tsc1 (TSC1 homologue) knockout mouse by gene targeting. Heterozygous Tsc1 mutant (Tsc1+/−) mice developed renal and extra-renal tumors such as hepatic hemangiomas. In these tumors, loss of wild-type Tsc1 allele was observed. Homozygous Tsc1 mutants died around embryonic days 10.5–11.5, frequently associated with neural tube unclosure. As a whole, phenotypes of Tsc1 knockout mice resembled those of Tsc2 knockout mice previously reported, suggesting that the presumptive common pathway for Tsc1 and Tsc2 products may also exist in mice. Notably, however, development of renal tumors in Tsc1+/− mice was apparently slower than that in Tsc2+/− mice. The Tsc1 knockout mouse described here will be a useful model to elucidate the function of Tsc1 and Tsc2 products as well as pathogenesis of TS.

The role of mechanistic target of rapamycin (mTOR) pathway and synaptic protein GABAA-R in cortical GABAergic cell connectivity

Quelque 30 % de la population neuronale du cortex mammalien est composée d’une population très hétérogène d’interneurones GABAergiques. Ces interneurones diffèrent quant à leur morphologie, leur expression génique, leurs propriétés électrophysiologiques et leurs cibles subcellulaires, formant une riche diversité. Après leur naissance dans les éminences ganglioniques, ces cellules migrent vers les différentes couches corticales. Les interneurones GABAergiques corticaux exprimant la parvalbumin (PV), lesquels constituent le sous-type majeur des interneurones GABAergiques, ciblent spécifiquement le soma et les dendrites proximales des neurones principaux et des neurones PV+. Ces interneurones sont nommés cellules à panier (Basket Cells –BCs) en raison de la complexité morphologique de leur axone. La maturation de la connectivité distincte des BCs PV+, caractérisée par une augmentation de la complexité de l’axone et de la densité synaptique, se déroule graduellement chez la souris juvénile. Des travaux précédents ont commencé à élucider les mécanismes contrôlant ce processus de maturation, identifiant des facteurs génétiques, l’activité neuronale ainsi que l’expérience sensorielle. Cette augmentation marquante de la complexité axonale et de la synaptogénèse durant cette phase de maturation suggère la nécessité d’une synthèse de protéines élevée. La voie de signalisation de la cible mécanistique de la rapamycine (Mechanistic Target Of Rapamycin -mTOR) a été impliquée dans le contrôle de plusieurs aspects neurodéveloppementaux en régulant la synthèse de protéines. Des mutations des régulateurs Tsc1 et Tsc2 du complexe mTOR1 causent la sclérose tubéreuse (TSC) chez l’humain. La majorité des patients TSC développent des problèmes neurologiques incluant des crises épileptiques, des retards mentaux et l’autisme. D’études récentes ont investigué le rôle de la dérégulation de la voie de signalisation de mTOR dans les neurones corticaux excitateurs. Toutefois, son rôle dans le développement des interneurones GABAergiques corticaux et la contribution spécifique de ces interneurones GABAergiques altérés dans les manifestations de la maladie demeurent largement inconnus. Ici, nous avons investigué si et comment l’ablation du gène Tsc1 perturbe le développement de la connectivité GABAergique, autant in vitro que in vivo. Pour investiguer le rôle de l’activation de mTORC1 dans le développement d’une BC unique, nous avons délété le gène Tsc1 en transfectant CRE-GFP dirigé par un promoteur spécifique aux BCs dans des cultures organotypiques provenant de souris Tsc1lox. Le knockdown in vitro de Tsc1 a causé une augmentation précoce de la densité des boutons et des embranchements terminaux formés par les BCs mutantes, augmentation renversée par le traitement à la rapamycine. Ces données suggèrent que l’hyperactivation de la voie de signalisation de mTOR affecte le rythme de la maturation des synapses des BCs. Pour investiguer le rôle de mTORC1 dans les interneurones GABAergiques in vivo, nous avons croisé les souris Tsc1lox avec les souris Nkx2.1-Cre et PV-Cre. À P18, les souris Tg(Nkx2.1-Cre);Tsc1flox/flox ont montré une hyperactivation de mTORC1 et une hypertrophie somatique des BCs de même qu’une augmentation de l’expression de PV dans la région périsomatique des neurones pyramidaux. Au contraire, à P45 nous avons découvert une réduction de la densité des punctas périsomatiques PV-gephyrin (un marqueur post-synaptique GABAergique). L’étude de la morphologie des BCs en cultures organotypiques provenant du knock-out conditionnel Nkx2.1-Cre a confirmé l’augmentation initiale du rythme de maturation, lequel s’effondre ensuite aux étapes développementales tardives. De plus, les souris Tg(Nkx2.1Cre);Tsc1flox/flox montrent des déficits dans la mémoire de travail et le comportement social et ce d’une façon dose-dépendante. En somme, ces résultats suggèrent que l’activation contrôlée de mTOR régule le déroulement de la maturation et la maintenance des synapses des BCs. Des dysfonctions de la neurotransmission GABAergique ont été impliquées dans des maladies telles que l’épilepsie et chez certains patients, elles sont associées avec des mutations du récepteur GABAA. De quelle façon ces mutations affectent le processus de maturation des BCs demeuret toutefois inconnu. Pour adresser cette question, nous avons utilisé la stratégie Cre-lox pour déléter le gène GABRA1, codant pour la sous-unité alpha-1 du récepteur GABAA dans une unique BC en culture organotypique. La perte de GABRA1 réduit l’étendue du champ d’innervation des BCs, suggérant que des variations dans les entrées inhibitrices en raison de l’absence de la sous-unité GABAAR α1 peuvent affecter le développement des BCs. La surexpression des sous-unités GABAAR α1 contenant des mutations identifiées chez des patients épileptiques ont montré des effets similaires en termes d’étendue du champ d’innervation des BCs. Pour approfondir, nous avons investigué les effets de ces mutations identifiées chez l’humain dans le développement des épines des neurones pyramidaux, lesquelles sont l’endroit privilégié pour la formation des synapses excitatrices. Somme toute, ces données montrent pour la première fois que différentes mutations de GABRA1 associées à des syndromes épileptiques peuvent affecter les épines dendritiques et la formation des boutons GABAergiques d’une façon mutation-spécifique.

The role of mechanistic target of rapamycin (mTOR) pathway and synaptic protein GABAA-R in cortical GABAergic cell connectivity

Quelque 30 % de la population neuronale du cortex mammalien est composée d’une population très hétérogène d’interneurones GABAergiques. Ces interneurones diffèrent quant à leur morphologie, leur expression génique, leurs propriétés électrophysiologiques et leurs cibles subcellulaires, formant une riche diversité. Après leur naissance dans les éminences ganglioniques, ces cellules migrent vers les différentes couches corticales. Les interneurones GABAergiques corticaux exprimant la parvalbumin (PV), lesquels constituent le sous-type majeur des interneurones GABAergiques, ciblent spécifiquement le soma et les dendrites proximales des neurones principaux et des neurones PV+. Ces interneurones sont nommés cellules à panier (Basket Cells –BCs) en raison de la complexité morphologique de leur axone. La maturation de la connectivité distincte des BCs PV+, caractérisée par une augmentation de la complexité de l’axone et de la densité synaptique, se déroule graduellement chez la souris juvénile. Des travaux précédents ont commencé à élucider les mécanismes contrôlant ce processus de maturation, identifiant des facteurs génétiques, l’activité neuronale ainsi que l’expérience sensorielle. Cette augmentation marquante de la complexité axonale et de la synaptogénèse durant cette phase de maturation suggère la nécessité d’une synthèse de protéines élevée. La voie de signalisation de la cible mécanistique de la rapamycine (Mechanistic Target Of Rapamycin -mTOR) a été impliquée dans le contrôle de plusieurs aspects neurodéveloppementaux en régulant la synthèse de protéines. Des mutations des régulateurs Tsc1 et Tsc2 du complexe mTOR1 causent la sclérose tubéreuse (TSC) chez l’humain. La majorité des patients TSC développent des problèmes neurologiques incluant des crises épileptiques, des retards mentaux et l’autisme. D’études récentes ont investigué le rôle de la dérégulation de la voie de signalisation de mTOR dans les neurones corticaux excitateurs. Toutefois, son rôle dans le développement des interneurones GABAergiques corticaux et la contribution spécifique de ces interneurones GABAergiques altérés dans les manifestations de la maladie demeurent largement inconnus. Ici, nous avons investigué si et comment l’ablation du gène Tsc1 perturbe le développement de la connectivité GABAergique, autant in vitro que in vivo. Pour investiguer le rôle de l’activation de mTORC1 dans le développement d’une BC unique, nous avons délété le gène Tsc1 en transfectant CRE-GFP dirigé par un promoteur spécifique aux BCs dans des cultures organotypiques provenant de souris Tsc1lox. Le knockdown in vitro de Tsc1 a causé une augmentation précoce de la densité des boutons et des embranchements terminaux formés par les BCs mutantes, augmentation renversée par le traitement à la rapamycine. Ces données suggèrent que l’hyperactivation de la voie de signalisation de mTOR affecte le rythme de la maturation des synapses des BCs. Pour investiguer le rôle de mTORC1 dans les interneurones GABAergiques in vivo, nous avons croisé les souris Tsc1lox avec les souris Nkx2.1-Cre et PV-Cre. À P18, les souris Tg(Nkx2.1-Cre);Tsc1flox/flox ont montré une hyperactivation de mTORC1 et une hypertrophie somatique des BCs de même qu’une augmentation de l’expression de PV dans la région périsomatique des neurones pyramidaux. Au contraire, à P45 nous avons découvert une réduction de la densité des punctas périsomatiques PV-gephyrin (un marqueur post-synaptique GABAergique). L’étude de la morphologie des BCs en cultures organotypiques provenant du knock-out conditionnel Nkx2.1-Cre a confirmé l’augmentation initiale du rythme de maturation, lequel s’effondre ensuite aux étapes développementales tardives. De plus, les souris Tg(Nkx2.1Cre);Tsc1flox/flox montrent des déficits dans la mémoire de travail et le comportement social et ce d’une façon dose-dépendante. En somme, ces résultats suggèrent que l’activation contrôlée de mTOR régule le déroulement de la maturation et la maintenance des synapses des BCs. Des dysfonctions de la neurotransmission GABAergique ont été impliquées dans des maladies telles que l’épilepsie et chez certains patients, elles sont associées avec des mutations du récepteur GABAA. De quelle façon ces mutations affectent le processus de maturation des BCs demeuret toutefois inconnu. Pour adresser cette question, nous avons utilisé la stratégie Cre-lox pour déléter le gène GABRA1, codant pour la sous-unité alpha-1 du récepteur GABAA dans une unique BC en culture organotypique. La perte de GABRA1 réduit l’étendue du champ d’innervation des BCs, suggérant que des variations dans les entrées inhibitrices en raison de l’absence de la sous-unité GABAAR α1 peuvent affecter le développement des BCs. La surexpression des sous-unités GABAAR α1 contenant des mutations identifiées chez des patients épileptiques ont montré des effets similaires en termes d’étendue du champ d’innervation des BCs. Pour approfondir, nous avons investigué les effets de ces mutations identifiées chez l’humain dans le développement des épines des neurones pyramidaux, lesquelles sont l’endroit privilégié pour la formation des synapses excitatrices. Somme toute, ces données montrent pour la première fois que différentes mutations de GABRA1 associées à des syndromes épileptiques peuvent affecter les épines dendritiques et la formation des boutons GABAergiques d’une façon mutation-spécifique.

Function and Regulation of Cytochrome P450 4V2 and the Implications in Bietti’s Crystalline Dystrophy

Thesis (Ph.D.)--University of Washington, 2016-06

Regulation of the murine TRACP gene promoter

The activity of the TRACP promoter has been investigated as a model of gene regulation in osteoclasts. The murine TRACP gene promoter contains potential binding sites for a number of transcription factors in particular, candidate sites for the Ets factor PU.1 and for the microphthalmia transcription factor (MiTF). These are of relevance to osteoclast biology because the PU.1 knockout mouse has an osteopetrotic phenotype, and MiTF, when mutated in the mi/mi mouse, also results in osteopetrosis. The binding sites for both of these factors have been identified, and they have been determined to be functional in regulating TRACP expression. A novel assay system using the highly osteoclastogenic RAW/C4 subclone of the murine macrophage cell line RAW264.7 was used to perform gene expression experiments on macrophage and osteoclast cell backgrounds. We have shown that TRACP expression is a target for regulation by the macrophage/osteoclast transcription factor PU.1 and the osteoclast commitment factor MiTF and that these factors act synergistically in regulating this promoter. This directly links two controlling factors of osteoclast differentiation to the expression of an effector of cell function.

Deletion of guanine nucleotide binding protein az subunit in mice induces a gene dose dependent tolerance to morphine

The Mechanism Underlying the development of tolerance to morphine, is still incompletely understood. Morphine binds to opioid receptors, Which in turn activates downstream second messenger cascades through heterotrimeric guanine nucleotide binding proteins (G proteins). In this paper, we show that G(z), a member of the inhibitory G protein family, plays an important role in mediating the analgesic and lethality effects of morphine after tolerance development. We blocked signaling through the G(z) second messenger cascade by genetic ablation of the alpha subunit of the G protein in mice. The Galpha(z) knockout Mouse develops significantly increased tolerance to morphine. which depends oil Galpha(z), gene dosage. Further experiments demonstrate that the enhanced morphine tolerance is not caused by pharmacokinetic and behavioural learning mechanisms. The results suggest that G(z) signaling pathways are involved ill transducing the analgesic and lethality effects of morphine following chronic morphine treatment. (C) 2004 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Purification and partial characterisation of recombinant human hepcidin

Hepcidin is a liver-expressed antimicrobial and iron regulatory peptide. A number of studies have indicated that hepcidin is important for the correct regulation of body iron homeostasis. The aims of this study were to analyse the expression, trafficking and regulation of human hepcidin in an in vitro cell culture system. Human hepcidin was transfected into human embryonic kidney cells. Immunofluorescence and confocal microscopy analysis revealed that recombinant hepcidin localised to the Golgi complex. Recombinant hepcidin is secreted from the cell within 1 h of its synthesis. Recombinant hepcidin was purified from the cell culture medium using ion-exchange and metal-affinity chromatography and was active in antimicrobial assays. Amino-terminal sequence analysis of the secreted peptide revealed that it was the mature 25 amino acid form of hepcidin. Our results show that recombinant myc-His tagged human hepcidin was expressed, processed and secreted correctly and biologically active in antimicrobial assays. (C) 2005 Elsevier SAS. All rights reserved.

Retinoid signaling determines germ cell fate in mice

Germ cells in the mouse embryo can develop as oocytes or spermatogonia, depending on molecular cues that have not been identified. We found that retinoic acid, produced by mesonephroi of both sexes, causes germ cells in the ovary to enter meiosis and inititate oogenesis. Meiosis is retarded in the fetal testis by the action of the retinoid-degrading enzyme CYP26B1, ultimately leading to spermatogenesis. In testes of Cyp26b1-knockout mouse embryos, germ cells enter meiosis precociously, as if in a normal ovary. Thus, precise regulation of retinoid levels during fetal gonad development provides the molecular control mechanism that specifies germ cell fate.

Suppressor of cytokine signaling 3 limits protection of leukemia inhibitory factor receptor signaling against central demyelination

Enhancement of oligodendrocyte survival through activation of leukemia inhibitory factor receptor (LIFR) signaling is a candidate therapeutic strategy for demyelinating disease. However, in other cell types, LIFR signaling is under tight negative regulation by the intracellular protein suppressor of cytokine signaling 3 (SOCS3). We, therefore, postulated that deletion of the SOCS3 gene in oligodendrocytes would promote the beneficial effects of LIFR signaling in limiting demyelination. By studying wild-type and LIF-knockout mice, we established that SOCS3 expression by oligodendrocytes was induced by the demyelinative insult, that this induction depended on LIF, and that enclogenously produced LIF was likely to be a key determinant of the CNS response to oligodendrocyte loss. Compared with wild-type controls, oligo-dendrocyte-specific SOCS3 conditional-knockout mice displayed enhanced c-fos activation and exogenous LIF-induced phosphorylation of signal transducer and activator of transcription 3. Moreover, these SOCS3-deficient mice were protected against cupri-zone-induced oligodendrocyte loss relative to wild-type animals. These results indicate that modulation of SOCS3 expression could facilitate the endogenous response to CNS injury.

Desensitisation of adrenomedullin and CGRP receptors

Adrenomedullin (AM), a potent vasoactive peptide, is elevated in certain disease states such as sepsis. Its role as a physiologically relevant peptide has been confirmed with the advent of the homozygous lethal AM peptide knockout mouse. So far, there have been few and conflicting studies which examine the regulatory role of AM at the receptor level. In this article, we discuss the few studies that have been presented on the desensitisation of AM receptors and also present novel data on the desensitisation of endogenous AM receptors in Rat-2 fibroblasts. © 2003 Elsevier Science B.V. All rights reserved.

The importance of the tissue transglutaminase-fibronectin heterocomplex in the RGD-independent cell adhesion and fibronectin matrix deposition

Tissue transglutaminase (TG2) has been reported as a wound response protein. Once over-expressed by cells under stress such as during wound healing or following tissue damage, TG2 can be secreted and deposited into extracellular matrix, where it forms a heterocomplex (TG-FN) with the abundant matrix protein fibronectin (FN). A further cellular response elicited after tissue damage is that of matrix remodelling leading to the release of the Arg-Gly-Asp (RGD) containing matrix fragments by matrix matelloproteinases (MMPs). These peptides are able to block the interaction between integrin cell surface receptors and ECM proteins, leading to the loss of cell adhesion and ultimately Anoikis. This study provides a mechanism for TG2, as a stress-induced matrix protein, in protecting the cells from the RGD-dependent loss of cell adhesion and rescuing the cells from Anoikis. Mouse fibroblasts were used as a major model for this study, including different types of cell surface receptor knockout mouse embryonic fibroblasts (MEFs) (such as syndecan-4, a5, ß1 or ß3 integrins). In addition specific syndecan-2 targetting siRNAs, ß1 integrin and a4ß1 integrin functional blocking antibodies, and a specific targeting peptide against a5ß1 integrin A5-1 were used to investigate the involvement of these receptors in the RGD-independent cell adhesion on TG-FN. Crucial for TG-FN to compensate the RGD-independent cell adhesion and actin cytoskeleton formation is the direct interaction between the heparan sulfate chains of syndecan-4 and TG2, which elicits the inside-out signalling of a5ß1 integrin and the intracellular activation of syndecan-2 by protein kinase C a (PKCa). By using specific inhibitors, a cell-permeable inhibiting peptide and the detection of the phosphorylation sites for protein kinases and/or the translocation of PKCa via Western blotting, the activation of PKCa, focal adhesion kinase (FAK), ERK1/2 and Rho kinase (ROCK) were confirmed as downstream signalling molecules. Importantly, this study also investigated the influence of TG-FN on matrix turnover and demonstrated that TG-FN can restore the RGD-independent FN deposition process via an a5ß1 integrin and syndecan-4/2 co-signalling pathway linked by PKCa in a transamidating-independent manner. These data provide a novel function for TG2 in wound healing and matrix turnover which is a key event in a number of both physiological and pathological processes.

Epidermal Growth Factor Impairs Palatal Shelf Adhesion and Fusion in the T gf-β3 Null Mutant

The cleft palate presented by transforming growth factor-β3 (Tgf-β3 ) null mutant mice is caused by altered palatal shelf adhesion, cell proliferation, epithelial-to-mesenchymal transformation and cell death. The expression of epidermal growth factor (EGF), transforming growth factor-β1 ( Tgf-β1 ) and muscle segment homeobox-1 (Msx-1) is modified in the palates of these knockout mice, and the cell proliferation defect is caused by the change in EGF expression. In this study, we aimed to determine whether this change in EGF expression has any effect on the other mechanisms altered in Tgf-β 3 knockout mouse palates. We tested the effect of inhibiting EGF activity in vitro in the knockout palates via the addition of Tyrphostin AG 1478. We also investigated possible interactions between EGF, Tgf-β 1 and Msx-1 in Tgf-β 3 null mouse palate cultures. The results show that the inhibition of EGF activity in Tgf-β 3 null mouse palate cultures improves palatal shelf adhesion and fusion, with a particular effect on cell death, and restores the normal distribution pattern of Msx-1 in the palatal esenchyme. Inhibition of TGF-β 1 does not affect either EGF or Msx-1 expression.

Role of Vascular Smooth Muscle Cell PiT-2 in Basal Ganglia Calcification

Thesis (Master's)--University of Washington, 2016-08