Stochastic models and dynamic measures for the characterization of bistable circuits

During the last few years, a great deal of interest has risen concerning the applications of stochastic methods to several biochemical and biological phenomena. Phenomena like gene expression, cellular memory, bet-hedging strategy in bacterial growth and many others, cannot be described by continuous stochastic models due to their intrinsic discreteness and randomness. In this thesis I have used the Chemical Master Equation (CME) technique to modelize some feedback cycles and analyzing their properties, including experimental data. In the first part of this work, the effect of stochastic stability is discussed on a toy model of the genetic switch that triggers the cellular division, which malfunctioning is known to be one of the hallmarks of cancer. The second system I have worked on is the so-called futile cycle, a closed cycle of two enzymatic reactions that adds and removes a chemical compound, called phosphate group, to a specific substrate. I have thus investigated how adding noise to the enzyme (that is usually in the order of few hundred molecules) modifies the probability of observing a specific number of phosphorylated substrate molecules, and confirmed theoretical predictions with numerical simulations. In the third part the results of the study of a chain of multiple phosphorylation-dephosphorylation cycles will be presented. We will discuss an approximation method for the exact solution in the bidimensional case and the relationship that this method has with the thermodynamic properties of the system, which is an open system far from equilibrium.In the last section the agreement between the theoretical prediction of the total protein quantity in a mouse cells population and the observed quantity will be shown, measured via fluorescence microscopy.

On the cellular stress response to Staphylococcus aureus alpha-toxin

Staphylococcus aureus alpha-hemolysin was the first bacterial toxin recognized to form pores in the plasma membrane of eukaryotic cells. It is secreted as a water-soluble monomer that upon contact with target membranes forms an amphiphatic heptameric beta-barrel which perforates the bilayer. As a consequence, red cells undergo colloidosmotic lyses, while some nucleated cells may succumb to necrosis or programmed cell death. However, most cells are capable of repairing a limited number of membrane lesions, and then respond with productive transcriptional activation of NF-kB. In the present study, by using microarray and semiquantitative reverse transcriptase polymerase chain reaction (RT-PCR), data from a previously performed serial analysis of gene expression (SAGE) were extended and verified, revealing that immediate early genes (IEGs) such as c-fos, c-jun and egr-1 are strongly induced at 2-8 h after transient toxin treatment. Activating protein 1 (AP-1: c-Fos, c-Jun) binding activity was increased accordingly. As IEGs are activated by growth factors, these findings led to the discovery that -toxin promotes cell cycle progression of perforated cells in an EGFR-dependent fashion. Although the amount of c-fos mRNA rose rapidly after toxin treatment, c-Fos protein expression was observed only after a lag of about 3 h. Since translation consumes much ATP, which transiently drops after transient membrane perforation, the suspicion arised that membrane-perforation caused global, but temporary downregulation of translation. In fact, eIF2α became heavily phosphorylated minutes after cells had been confronted with the toxin, resulting in shutdown of protein synthesis before cellular ATP levels reached the nadir. GCN2 emerged as a candidate eIF2α kinase, since its expression rapidly increased in toxin-treated cells. Two hours after toxin treatment, GADD34 transcripts, encoding a protein that targets the catalytic subunit of protein phosphatase 1 (PP1) to the endoplasmic reticulum, were overexpressed. This was followed by dephosphorylation of eIF2α and resumption of protein synthesis. Addition of tautomycetin, a specific inhibitor of PP1, led to marked hyperphosphorylation of eIF2α and significantly reduced the drop of ATP-levels in toxin-treated cells. A novel link between two major stress-induced signalling pathways emerged when it was found that both translational arrest and restart were under the control of stress-activated protein kinase (SAPK) p38. The data provide an explanation for the indispensible role of p38 for defence against the archetypal threat of membrane perforation by agents that produce small transmembrane-pores.

Charakterisierung funktioneller Domänen von Centrin-Isoformen

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

Biochemical analysis of the phosphatase domain of the human soluble epoxide hydrolase (sEH)

Die lösliche Epoxidhydrolase (sEH) gehört zur Familie der Epoxidhydrolase-Enzyme. Die Rolle der sEH besteht klassischerweise in der Detoxifikation, durch Umwandlung potenziell schädlicher Epoxide in deren unschädliche Diol-Form. Hauptsächlich setzt die sEH endogene, der Arachidonsäure verwandte Signalmoleküle, wie beispielsweise die Epoxyeicosatrienoic acid, zu den entsprechenden Diolen um. Daher könnte die sEH als ein Zielenzym in der Therapie von Bluthochdruck und Entzündungen sowie diverser anderer Erkrankungen eingesetzt werden. rnDie sEH ist ein Homodimer, in dem jede Untereinheit aus zwei Domänen aufgebaut ist. Das katalytische Zentrum der Epoxidhydrolaseaktivität befindet sich in der 35 kD großen C-terminalen Domäne. Dieser Bereich der sEH s wurde bereits im Detail untersucht und nahezu alle katalytischen Eigenschaften des Enzyms sowie deren dazugehörige Funktionen sind in Zusammenhang mit dieser Domäne bekannt. Im Gegensatz dazu ist über die 25 kD große N-terminale Domäne wenig bekannt. Die N-terminale Domäne der sEH wird zur Haloacid Dehalogenase (HAD) Superfamilie von Hydrolasen gezählt, jedoch war die Funktion dieses N-terminal Domäne lange ungeklärt. Wir haben in unserer Arbeitsgruppe zum ersten Mal zeigen können, dass die sEH in Säugern ein bifunktionelles Enzym ist, welches zusätzlich zur allgemein bekannten Enzymaktivität im C-terminalen Bereich eine weitere enzymatische Funktion mit Mg2+-abhängiger Phosphataseaktivität in der N-terminalen Domäne aufweist. Aufgrund der Homologie der N-terminalen Domäne mit anderen Enzymen der HAD Familie wird für die Ausübung der Phosphatasefunktion (Dephosphorylierung) eine Reaktion in zwei Schritten angenommen.rnUm den katalytischen Mechanismus der Dephosphorylierung weiter aufzuklären, wurden biochemische Analysen der humanen sEH Phosphatase durch Generierung von Mutationen im aktiven Zentrum mittels ortsspezifischer Mutagenese durchgeführt. Hiermit sollten die an der katalytischen Aktivität beteiligten Aminosäurereste im aktiven Zentrum identifiziert und deren Rolle bei der Dephosphorylierung spezifiziert werden. rnrnAuf Basis der strukturellen und möglichen funktionellen Ähnlichkeiten der sEH und anderen Mitgliedern der HAD Superfamilie wurden Aminosäuren (konservierte und teilweise konservierte Aminosäuren) im aktiven Zentrum der sEH Phosphatase-Domäne als Kandidaten ausgewählt.rnVon den Phosphatase-Domäne bildenden Aminosäuren wurden acht ausgewählt (Asp9 (D9), Asp11 (D11), Thr123 (T123), Asn124 (N124), Lys160 (K160), Asp184 (D184), Asp185 (D185), Asn189 (N189)), die mittels ortsspezifischer Mutagenese durch nicht funktionelle Aminosäuren ausgetauscht werden sollten. Dazu wurde jede der ausgewählten Aminosäuren durch mindestens zwei alternative Aminosäuren ersetzt: entweder durch Alanin oder durch eine Aminosäure ähnlich der im Wildtyp-Enzym. Insgesamt wurden 18 verschiedene rekombinante Klone generiert, die für eine mutante sEH Phosphatase Domäne kodieren, in dem lediglich eine Aminosäure gegenüber dem Wildtyp-Enzym ersetzt wurde. Die 18 Mutanten sowie das Wildtyp (Sequenz der N-terminalen Domäne ohne Mutation) wurden in einem Expressionsvektor in E.coli kloniert und die Nukleotidsequenz durch Restriktionsverdau sowie Sequenzierung bestätigt. Die so generierte N-terminale Domäne der sEH (25kD Untereinheit) wurde dann mittels Metallaffinitätschromatographie erfolgreich aufgereinigt und auf Phosphataseaktivität gegenüber des allgemeinen Substrats 4-Nitophenylphosphat getestet. Diejenigen Mutanten, die Phosphataseaktivität zeigten, wurden anschließend kinetischen Tests unterzogen. Basiered auf den Ergebnissen dieser Untersuchungen wurden kinetische Parameter mittels vier gut etablierter Methoden berechnet und die Ergebnisse mit der „direct linear blot“ Methode interpretiert. rnDie Ergebnisse zeigten, dass die meisten der 18 generierten Mutanten inaktiv waren oder einen Großteil der Enzymaktivität (Vmax) gegenüber dem Wildtyp verloren (WT: Vmax=77.34 nmol-1 mg-1 min). Dieser Verlust an Enzymaktivität ließ sich nicht durch einen Verlust an struktureller Integrität erklären, da der Wildtyp und die mutanten Proteine in der Chromatographie das gleiche Verhalten zeigten. Alle Aminosäureaustausche Asp9 (D9), Lys160 (K160), Asp184 (D184) und Asn189 (N189) führten zum kompletten Verlust der Phosphataseaktivität, was auf deren katalytische Funktion im N-terminalen Bereich der sEH hindeutet. Bei einem Teil der Aminosäureaustausche die für Asp11 (D11), Thr123 (T123), Asn124 (N124) und Asn185 (D185) durchgeführt wurden, kam es, verglichen mit dem Wildtyp, zu einer starken Reduktion der Phosphataseaktivität, die aber dennoch für die einzelnen Proteinmutanten in unterschiedlichem Ausmaß zu messen war (2 -10% and 40% of the WT enzyme activity). Zudem zeigten die Mutanten dieser Gruppe veränderte kinetische Eigenschaften (Vmax allein oder Vmax und Km). Dabei war die kinetische Analyse des Mutanten Asp11  Asn aufgrund der nur bei dieser Mutanten detektierbaren starken Vmax Reduktion (8.1 nmol-1 mg-1 min) und einer signifikanten Reduktion der Km (Asp11: Km=0.54 mM, WT: Km=1.3 mM), von besonderem Interesse und impliziert eine Rolle von Asp11 (D11) im zweiten Schritt der Hydrolyse des katalytischen Zyklus.rnZusammenfassend zeigen die Ergebnisse, dass alle in dieser Arbeit untersuchten Aminosäuren für die Phosphataseaktivität der sEH nötig sind und das aktive Zentrum der sEH Phosphatase im N-terminalen Bereich des Enzyms bilden. Weiterhin tragen diese Ergebnisse zur Aufklärung der potenziellen Rolle der untersuchten Aminosäuren bei und unterstützen die Hypothese, dass die Dephosphorylierungsreaktion in zwei Schritten abläuft. Somit ist ein kombinierter Reaktionsmechanismus, ähnlich denen anderer Enzyme der HAD Familie, für die Ausübung der Dephosphorylierungsfunktion denkbar. Diese Annahme wird gestützt durch die 3D-Struktur der N-terminalen Domäne, den Ergebnissen dieser Arbeit sowie Resultaten weiterer biochemischer Analysen. Der zweistufige Mechanismus der Dephosphorylierung beinhaltet einen nukleophilen Angriff des Substratphosphors durch das Nukleophil Asp9 (D9) des aktiven Zentrums unter Bildung eines Acylphosphat-Enzym-Zwischenprodukts, gefolgt von der anschließenden Freisetzung des dephosphorylierten Substrats. Im zweiten Schritt erfolgt die Hydrolyse des Enzym-Phosphat-Zwischenprodukts unterstützt durch Asp11 (D11), und die Freisetzung der Phosphatgruppe findet statt. Die anderen untersuchten Aminosäuren sind an der Bindung von Mg 2+ und/oder Substrat beteiligt. rnMit Hilfe dieser Arbeit konnte der katalytischen Mechanismus der sEH Phosphatase weiter aufgeklärt werden und wichtige noch zu untersuchende Fragestellungen, wie die physiologische Rolle der sEH Phosphatase, deren endogene physiologische Substrate und der genaue Funktionsmechanismus als bifunktionelles Enzym (die Kommunikation der zwei katalytischen Einheiten des Enzyms) wurden aufgezeigt und diskutiert.rn

Die Rolle der humanen Enzyme Paraoxonase-2 und -3 bei Krebserkrankungen und Pseudomonas-Infektionen

Die vorliegende Arbeit befasste sich mit der Charakterisierung molekularer Funktionen humaner Paraoxonase (PON) Enzyme, insbesondere die der Proteine PON2 und PON3 im Hinblick auf medizinisch-relevante Fragestellungen. Zum einen wurde die Rolle von PON3 in der Tumorgenese und zum anderen eine mögliche Schutzfunktion von PON2 und PON3 gegenüber P. aeruginosa Infektionen untersucht. Bereits seit dem Jahr 2000 ist die anti-oxidative Eigenschaft von PON3 bekannt, jedoch war der zugrundeliegende Mechanismus bisher ungeklärt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde gezeigt, dass PON3 die Superoxid-Entstehung in den Mitochondrien abschwächt, wobei sie ihre anti-oxidative Eigenschaft vermutlich durch eine direkte Coenzym Q10-Interaktion in der inneren mitochondrialen Membran vermittelt. Dies führt zu weniger oxidativen Stress, zur Abschwächung mitochondrial-induzierter apoptotischer Signalwege und zur erhöhten Resistenz gegenüber Chemotherapeutika. Gleichzeitig wurde demonstriert, dass sich Tumorzellen diese anti-oxidative Eigenschaft zu Nutze machen. PON3 war in zahlreichen Tumorgeweben überexprimiert. Es konnte eine mögliche Funktion von PON3 als Tumormarker und Angriffspunkt in der Krebstherapie aufgezeigt werden. Die hier erlangten Daten liefern wertvolle Hinweise auf die Rolle von PON3 in Krebserkrankungen, welche eine Basis für zukünftige Analysen darstellen, die der Entwicklung neuer Krebstherapien dienen könnten. Ein weiterer Teil der Arbeit befasste sich mit der gegenseitigen Beeinflussung der Enzyme PON2 / PON3 und der für P.aeruginosa essentiellen Virulenzfaktoren Pyocyanin (PCN) und dem Lacton 3OC12. Erstmalig wurde gezeigt, dass PON3 zellschädigende PCN-Effekte abschwächen kann, nämlich die PCN-induzierte Superoxid-Produktion, NF-kB-Aktivierung und IL-8-Sekretion. PON2 schützt in gleicher Weise gegen PCN und hydrolysiert zugleich noch das Lacton 3OC12. Folglich sind PON2 und PON3 wichtige Bestandteile der angeborenen Immunität, werden jedoch durch eine 3OC12-induzierte Ca2+-Mobilisation inaktiviert. Weitere Analysen ergaben, dass die PON2-Inaktivierung wahrscheinlich über einen Ca2+ / Calcineurin / Calmodulin-abhängigen Signalweg erfolgt, welcher eine offenbar regulative Serin311-Dephosphorylierung in PON2 vermittelt. Ähnliches könnte für PON3 gelten und wird derzeit erforscht, da eine Stabilisierung der enzymatischen Aktivitäten von PON2 und PON3 der bakteriellen Virulenz entscheidend entgegen wirken könnte.

The NreABC system of Staphylococcus carnosus combines nitrate and oxygen sensing by an NreA,NreB sensor complex

Staphylococcus carnosus is a facultative anaerobic bacterium which features the cytoplasmic NreABC system. It is necessary for regulation of nitrate respiration and the nitrate reductase gene narG in response to oxygen and nitrate availability. NreB is a sensor kinase of a two-component system and represents the oxygen sensor of the system. It binds an oxygen labile [4Fe-4S]2+ cluster under anaerobic conditions. NreB autophosphorylates and phosphoryl transfer activates the response regulator NreC which induces narG expression. The third component of the Nre system is the nitrate receptor NreA. In this study the role of the nitrate receptor protein NreA in nitrate regulation and its functional and physiological effect on oxygen regulation and interaction with the NreBC two-component system were detected. In vivo, a reporter gene assay for measuring expression of the NreABC regulated nitrate reductase gene narG was used for quantitative evaluation of NreA function. Maximal narG expression in wild type S. carnosus required anaerobic conditions and the presence of nitrate. Deletion of nreA allowed expression of narG under aerobic conditions, and under anaerobic conditions nitrate was no longer required for maximal induction. This indicates that NreA is a nitrate regulated inhibitor of narG expression. Purified NreA and variant NreA(Y95A) inhibited the autophosphorylation of anaerobic NreB in part and completely, respectively. Neither NreA nor NreA(Y95A) stimulated dephosphorylation of NreB-phosphate, however. Inhibition of phosphorylation was relieved completely when NreA with bound nitrate (NreA•[NO3-]) was used. The same effects of NreA were monitored with aerobically isolated Fe-S-less NreB, which indicates that NreA does not have an influence on the iron-sulfur cluster of NreB. In summary, the data of this study show that NreA interacts with the oxygen sensor NreB and controls its phosphorylation level in a nitrate dependent manner. This modulation of NreB-function by NreA and nitrate results in nitrate/oxygen co-sensing by an NreA/NreB sensory unit. It transmits the regulatory signal from oxygen and nitrate in a joint signal to target promoters. Therefore, nitrate and oxygen regulation of nitrate dissimilation follows a new mode of regulation not present in other facultative anaerobic bacteria.

Acute Regulation of Renal Na+/H+ Exchanger NHE3 by Dopamine: Role of Protein Phosphatase 2A

Nephrogenic dopamine is a potent natriuretic paracrine/autocrine hormone that is central for mammalian sodium homeostasis. In the renal proximal tubule, dopamine induces natriuresis partly via inhibition of the sodium/proton exchanger NHE3. The signal transduction pathways and mechanisms by which dopamine inhibits NHE3 are complex and incompletely understood. This manuscript describes the role of the serine/threonine protein phosphatase 2A (PP2A) in the regulation of NHE3 by dopamine. The PP2A regulatory subunit B56 delta (coded by the Ppp2r5d gene) directly associates with more than one region of the carboxy-terminal hydrophilic putative cytoplasmic domain of NHE3 (NHE3-cyto), as demonstrated by yeast-two-hybrid, co-immunoprecipitation, blot overlay and in vitro pull-down assays. Phosphorylated NHE3-cyto is a substrate for purified PP2A in an in vitro dephosphorylation reaction. In cultured renal cells, inhibition of PP2A by either okadaic acid or by overexpression of the simian virus 40 (SV40) small t antigen blocks the ability of dopamine to inhibit NHE3 activity and to reduce surface NHE3 protein. Dopamine-induced NHE3 redistribution is also blocked by okadaic acid ex vivo in rat kidney cortical slices. These studies demonstrate that PP2A is an integral and critical participant in the signal transduction pathway between dopamine receptor activation and NHE3 inhibition. Key words: Natriuresis, Sodium transport, Signal transduction.

Phosphatase and tensin homolog regulates stability and activity of EphB1 receptor

Deregulation of receptor tyrosine kinases (RTKs) is linked to a broad range of cancers, stressing the necessity of studying their regulatory pathways. We and others demonstrated previously that c-Cbl is necessary for the lysosomal degradation of erythropoietin-producing hepatocellular B1 (EphB1) carcinoma and epidermal growth factor receptor (EGFR) RTKs. Moreover, the tumor suppressor phosphatase and tensin homolog (PTEN) was shown to modulate c-Cbl-dependent EGFR degradation. We therefore investigated the involvement of PTEN in EphB1 signaling and degradation. We used PTEN mutants, PTEN, and NHERF1 small interfering RNA in CHO-EphB1 and SW480 cells endogenously expressing EphB1 to delineate EphB1-PTEN interactions. PTEN was constitutively associated with c-Cbl, protecting it from degradation. EphB1 stimulation triggered ∼50% serine-threonine PTEN dephosphorylation and PTEN-Cbl complex disruption, a process requiring PTEN protein phosphatase activity. Both proteins independently translocated to EphB1, with PTEN in association with the scaffold protein NHERF1. Biologically, PTEN lipid phosphatase activity impairs EphB1-dependent cell adhesion and chemotaxis. This study demonstrates for the first time in mammalian cells that the Eph receptor and PTEN associate and influence their signaling. Moreover, it contributes to the emerging concept that PTEN regulates expression of RTKs through modulation of their degradation. Finally, it reveals a new role for PTEN protein phosphatase activity involved in this process.

GPIb is involved in platelet aggregation induced by mucetin, a snake C-type lectin protein from Chinese habu (Trimeresurus mucrosquamatus) venom

Mucetin (Trimeresurus mucrosquamatus venom activator, TMVA) is a potent platelet activator purified from Chinese habu (Trimeresurus mucrosquamatus) venom. It belongs to the snake venom heterodimeric C-type lectin family and exists in several multimeric forms. We now show that binding to platelet glycoprotein (GP) Ib is involved in mucetin-induced platelet aggregation. Antibodies against GPIb as well as the GPIb-blocking C-type lectin echicetin inhibited mucetin-induced platelet aggregation. Binding of GPIb was confirmed by affinity chromatography and Western blotting. Antibodies against GPVI inhibited convulxin- but not mucetin-induced aggregation. Signalling by mucetin involved rapid tyrosine phosphorylation of a number of proteins including Syk, Src, LAT and PLC gamma 2. Mucetin-induced phosphorylation of the Fc gamma chain of platelet was greatly promoted by inhibition of alpha(IIb)beta(3) by the peptidomimetic EMD 132338, suggesting that phosphatases downstream of alpha(IIb)beta(3) activation are involved in dephosphorylation of Fc gamma. Unlike other multimeric snake C-type lectins that act via GPIb and only agglutinate platelets, mucetin activates alpha(IIb)beta(3). Inhibition of alpha(IIb)beta(3) strongly reduced the aggregation response to mucetin, indicating that activation of alpha(IIb)beta(3) and binding of fibrinogen are involved in mucetin-induced platelet aggregation. Apyrase and aspirin also inhibit platelet aggregation induced by mucetin, suggesting that ADP and thromboxane A2 are involved in autocrine feedback. Sequence and structural comparison with closely related members of this protein family point to features that may be responsible for the functional differences.

Proteomic alterations in heat shock protein 27 and identification of phosphoproteins in ascending aortic aneurysm associated with bicuspid and tricuspid aortic valve

Whether or not there are molecular differences, at the intra- and extracellular level, between aortic dilatation in patients with bicuspid (BAV) and those with a tricuspid aortic valve (TAV) has remained controversial for years. We have performed 2-dimensional gel electrophoresis and mass spectrometry coupled with dephosphorylation and phosphostaining experiments to reveal and define protein alterations and the high abundant structural phosphoproteins in BAV compared to TAV aortic aneurysm samples. 2-D gel patterns showed a high correlation in protein expression between BAV and TAV specimens (n=10). Few proteins showed significant differences, among those a phosphorylated form of heat shock protein (HSP) 27 with significantly lower expression in BAV compared to TAV aortic samples (p=0.02). The phosphoprotein tracing revealed four different phosphoproteins including Rho GDP dissociation inhibitor 1, calponin 3, myosin regulatory light chain 2 and four differentially phosphorylated forms of HSP27. Levels of total HSP27 and dually phosphorylated HSP27 (S78/S82) were investigated in an extended patient cohort (n=15) using ELISA. Total HSP27 was significantly lower in BAV compared to TAV patients (p=0.03), with no correlation in levels of phospho-HSP27 (S78/S82) (p=0.4). Western blots analysis showed a trend towards lower levels of phospho-HSP27 (S78) in BAV patients (p=0.07). Immunohistochemical analysis revealed that differences in HSP27 occur in the cytoplasma of VSMC's and not extracellularly. Alterations in HSP27 may give early evidence for intracellular differences in aortic aneurysm of patients with BAV and TAV. Whether HSP27 and the defined phosphoproteins have a specific role in BAV associated aortic dilatation remains to be elucidated.

Neutrophil apoptosis mediated by nicotinic acid receptors (GPR109A)

G protein-coupled receptor (GPR)109A (HM74A) is a G(i) protein-coupled receptor, which is activated by nicotinic acid (NA), a lipid-lowering drug. Here, we demonstrate that mature human neutrophils, but not eosinophils, express functional GPR109A receptors. The induction of the GPR109A gene appears to occur late in the terminal differentiation process of neutrophils, since a mixed population of immature bone marrow neutrophils did not demonstrate evidence for its expression. NA accelerated apoptosis in cultured neutrophils in a concentration-dependent manner, as assessed by phosphatidylserine redistribution, caspase-3 activation, and DNA fragmentation assays. The pro-apoptotic effect of NA was abolished by pertussis toxin, which was used to block G(i) proteins, suggesting a receptor-mediated mechanism. Activation of GPR109A by NA resulted in decreased levels of cyclic adenosine monophosphate (cAMP), most likely due to G(i)-mediated inhibition of adenylyl cyclase activity. NA-induced apoptosis was reversed by the addition of cell-permeable cAMP, pointing to the possibility that reduced cAMP levels promote apoptosis in neutrophils. Distal mechanism involved in this process may include the post-translational modification of members of the Bcl-2 family, such as dephosphorylation of pro-apoptotic Bad and antiapoptotic Mcl-1 proteins. Taken together, following maturation in the bone marrow, neutrophils express functional GPR109A receptors, which might be involved in the regulation of neutrophil numbers. Moreover, this study identified a new cellular target of NA and future drugs activating GPR109A receptors, the mature neutrophil.

Ramipril increases the protein level of skeletal muscle IRS-1 and alters protein tyrosine phosphatase activity in spontaneously hypertensive rats

To investigate mechanisms by which angiotensin converting enzyme (ACE)-inhibition increases insulin sensitivity, spontaneously hypertensive (SH) rats were treated with or without ramipril (1 mg/kg per day) for 12 weeks. Insulin binding and protein levels of insulin receptor substrate-1 (IRS-1), p85-subunit of phosphatidylinositol 3'-kinase (p85) and Src homology 2 domain-containing phosphatase-2 (SHP2) were then determined in hindlimb muscle and liver. Additionally, protein tyrosine phosphatase (PTPase) activities towards immobilized phosphorylated insulin receptor or phosphorylated IRS-1 of membrane (MF) and cytosolic fractions (CF) of these tissues were measured. Ramipril treatment increased IRS-1-protein content in muscle by 31+/-9% (P<0.05). No effects were observed on IRS-1 content in liver or on insulin binding or protein expression of p85 or SHP2 in both tissues. Ramipril treatment also increased dephosphorylation of insulin receptor by muscle CF (22.0+/-1.0%/60 min compared to 16.8+/-1.5%/60 min; P<0.05), and of IRS-1 by liver MF (37.2+/-1.7%/7.5 min compared to 33.8+/-1.7%/7.5 min; P<0.05) and CF (36.8+/-1.0%/7.5 min compared to 33.2+/-1.0%/7.5 min; P<0.05). We conclude that the observed effects of ACE-inhibition by ramipril on the protein expression of IRS-1 and on PTPase activity might contribute to its effect on insulin sensitivity.

Phosphoregulation of K(+)-Cl(-) cotransporter 4 during changes in intracellular Cl(-) and cell volume

It has long been stated that the K(+)-Cl(-) cotransporters (KCCs) are activated during cell swelling through dephosphorylation of their cytoplasmic domains by a protein phosphatase (PP) but that other enzymes are involved by targeting this PP or the KCCs directly. To date, however, the role of signaling intermediates in KCC regulation has been deduced from indirect evidence rather than in vitro phosphorylation studies, and examined after simulation of ion transport through cell swelling or N-ethylmaleimide treatment. In this study, the oocyte expression system was used to examine the effects of changes in cell volume (C(VOL)) and intracellular [Cl(-)] ([Cl(-)](i)) on the activity and phosphorylation levels (P(LEV)) of KCC4, and determine whether these effects are mediated by PP1 or phorbol myristate acetate (PMA)-sensitive effectors. We found that (1) low [Cl(-)](i) or low C(VOL) leads to decreased activity but increased P(LEV), (2) high C(VOL) leads to increased activity but no decrease in P(LEV) and (3) calyculin A (Cal A) or PMA treatment leads to decreased activity but no increase in P(LEV). Thus, we have shown for the first time that one of the KCCs can be regulated through direct phosphorylation, that changes in [Cl(-)](i) or C(VOL) modify the activity of signaling enzymes at carrier sites, and that the effectors directly involved do not include a Cal A-sensitive PP in contrast to the widely held view. J. Cell. Physiol. 219: 787-796, 2009. (c) 2009 Wiley-Liss, Inc.

SIGNALING MECHANISMS THAT CONTROL GAP JUNCTIONAL COUPLING BETWEEN RETINAL NEURONS

Gap junctions between neurons form the structural substrate for electrical synapses. Connexin 36 (Cx36, and its non-mammalian ortholog connexin 35) is the major neuronal gap junction protein in the central nervous system (CNS), and contributes to several important neuronal functions including neuronal synchronization, signal averaging, network oscillations, and motor learning. Connexin 36 is strongly expressed in the retina, where it is an obligatory component of the high-sensitivity rod photoreceptor pathway. A fundamental requirement of the retina is to adapt to broadly varying inputs in order to maintain a dynamic range of signaling output. Modulation of the strength of electrical coupling between networks of retinal neurons, including the Cx36-coupled AII amacrine cell in the primary rod circuit, is a hallmark of retinal luminance adaptation. However, very little is known about the mechanisms regulating dynamic modulation of Cx36-mediated coupling. The primary goal of this work was to understand how cellular signaling mechanisms regulate coupling through Cx36 gap junctions. We began by developing and characterizing phospho-specific antibodies against key regulatory phosphorylation sites on Cx36. Using these tools we showed that phosphorylation of Cx35 in fish models varies with light adaptation state, and is modulated by acute changes in background illumination. We next turned our focus to the well-studied and readily identifiable AII amacrine cell in mammalian retina. Using this model we showed that increased phosphorylation of Cx36 is directly related to increased coupling through these gap junctions, and that the dopamine-stimulated uncoupling of the AII network is mediated by dephosphorylation of Cx36 via protein kinase A-stimulated protein phosphatase 2A activity. We then showed that increased phosphorylation of Cx36 on the AII amacrine network is driven by depolarization of presynaptic ON-type bipolar cells as well as background light increments. This increase in phosphorylation is mediated by activation of extrasynaptic NMDA receptors associated with Cx36 gap junctions on AII amacrine cells and by Ca2+-calmodulin-dependent protein kinase II activation. Finally, these studies indicated that coupling is regulated locally at individual gap junction plaques. This work provides a framework for future study of regulation of Cx36-mediated coupling, in which increased phosphorylation of Cx36 indicates increased neuronal coupling.

Janus kinases 1 and 2 regulate chemokine-mediated integrin activation and naïve T-cell homing.

Janus kinases (JAKs) are central signaling molecules in cytokine receptor cascades. Although they have also been implicated in chemokine receptor signaling, this function continues to be debated. To address this issue, we established a nucleofection model in primary, nonactivated mouse T lymphocytes to silence JAK expression and to evaluate the ability of these cells to home to lymph nodes. Reduced JAK1 and JAK2 expression impaired naïve T-cell migration in response to gradients of the chemokines CXCL12 and CCL21. In vivo homing of JAK1/JAK2-deficient cells to lymph nodes decreased, whereas intranodal localization and motility were unaffected. JAK1 and JAK2 defects altered CXCL12- and CCL21-triggered ezrin/radixin/moesin (ERM) dephosphorylation and F-actin polymerization, as well as activation of lymphocyte function-associated Ag-1 and very late Ag-4 integrins. As a result, the cells did not adhere firmly to integrin substrates in response to these chemokines. The results demonstrate that JAK1/JAK2 participate in chemokine-induced integrin activation and might be considered a target for modulation of immune cell extravasation and therefore, control of inflammatory reactions.