Correlation between in vitro cytotoxicity and in vivo lethal activity in mice of epsilon toxin mutants from Clostridium perfringens

Epsilon toxin (Etx) from Clostridium perfringens is a pore-forming protein with a lethal effect on livestock, producing severe enterotoxemia characterized by general edema and neurological alterations. Site-specific mutations of the toxin are valuable tools to study the cellular and molecular mechanism of the toxin activity. In particular, mutants with paired cysteine substitutions that affect the membrane insertion domain behaved as dominant-negative inhibitors of toxin activity in MDCK cells. We produced similar mutants, together with a well-known non-toxic mutant (Etx-H106P), as green fluorescent protein (GFP) fusion proteins to perform in vivo studies in an acutely intoxicated mouse model. The mutant (GFP-Etx-I51C/A114C) had a lethal effect with generalized edema, and accumulated in the brain parenchyma due to its ability to cross the blood-brain barrier (BBB). In the renal system, this mutant had a cytotoxic effect on distal tubule epithelial cells. The other mutants studied (GFP-Etx-V56C/F118C and GFP-Etx-H106P) did not have a lethal effect or cross the BBB, and failed to induce a cytotoxic effect on renal epithelial cells. These data suggest a direct correlation between the lethal effect of the toxin, with its cytotoxic effect on the kidney distal tubule cells, and the ability to cross the BBB.

TIMP-1 mediates the inhibitory effect of interleukin-6 on the proliferation of a hepatocarcinoma cell line in a STAT3-dependent manner

The tissue inhibitor of metalloproteinases (TIMP)-1 is a multifunctional protein which is not only an inhibitor of matrix metalloproteinases (MMPs) but also to have a possible "cytokine-like" action. Here, we first compared mRNA expression of TIMP-1 and MMP-9 in BEL-7402 (a hepatocellular carcinoma cell line), L-02 (a normal liver cell line) and QSG-7701 (a cell line derived from peripheral tissue of liver carcinoma) using real-time quantitative RT-PCR. By evaluating the variation of the MMP-9/TIMP-1 ratio as an index of reciprocal changes of the expression of the two genes, we observed that the MMP-9/TIMP-1 ratio was about 13- and 5-fold higher in BEL-7402 than in L-02 and QSG-7701, respectively. Significantly, overexpression of TIMP-1 decreased the MMP-9/TIMP-1 ratio in BEL-7402 and then inhibited the cell growth to 60% and reduced the migration to about 30%. Meanwhile, our data showed that interleukin-6 (IL-6) (100 ng/mL) could also inhibited the cell growth of BEL-7402. Further studies indicated that TIMP-1 mediated the inhibitory effect of IL-6 on BEL-7402 cell proliferation in a STAT3-dependent manner, which could further accelerate the expression of the cyclin-dependent kinase inhibitor p21. A dominant negative STAT3 mutant totally abolished IL-6-induced TIMP-1 expression and its biological functions. The present results demonstrate that TIMP-1 may be one of the mediators that regulate the inhibitory effect of IL-6 on BEL-7402 proliferation in which STAT3 signal transduction and p21 up-regulation also play important roles.

Comparaison des mécanismes de régulation des isoformes a et b des récepteurs 5-HT4

Les actions thérapeutiques des antidépresseurs, disponibles actuellement, requièrent plusieurs semaines de traitement. Ce délai est dû aux adaptations des sites pré et post-synaptiques qui, respectivement, augmentent la disponibilité synaptique des monoamines sérotonine et noradrénaline (5-HT et NA), et entraînent les changements neuroplastiques modifiant la fonction neuronales dans les régions limbiques. Il a été récemment observé, chez un modèle animal de dépression, que l’agoniste RS67333 des récepteurs sérotoninergiques de type 5-HT4 produisait des changements comportementaux, électrophysiologiques, cellulaires et biochimiques, tel qu’observé chez les antidépresseurs. Ces changements apparaissent seulement après 3 jours de traitement tandis que les antidépresseurs nécessitent souvent plusieurs semaines. De plus, l’activation des récepteurs 5-HT4 ne générait pas de tolérance, et cela pendant 21 jours de traitement. Seulement, les propriétés de signalisation et de régulation de ces récepteurs sont très loin d’êtres établies. Nous avons alors voulu mieux caractériser ces deux aspects de leur fonction, en se concentrant d’avantage sur les isoformes a et b, fortement exprimés dans le système limbique. Pour cela, nous avons voulu évaluer d’abord leur capacité de production d’AMPc dans un système hétérologue. Les essais d’accumulation d’AMPc démontrent que les deux isoformes sont capables de moduler positivement et négativement des niveaux d’AMPc en présence de 5-HT. Par contre, la stimulation au RS67333 induit seulement une augmentation du niveau d’AMPc dans les deux cas. Ensemble, ces observations indiquent que les deux isoformes sont capables de coupler à l’adénylate cyclase à travers les protéines Gαs et Gαi. La quantification des récepteurs internalisés a montré que l’isoforme b internalisait plus efficacement que l’isoforme a suite à l’incubation à la 5-HT (61 ± 3 % pour le b vs 40 ± 2 % pour le a). Les protéines kinases PKA et PKC n’étaient pas impliquées dans cette différence, toutefois, la PKC a été trouvée essentielle à l’internalisation des deux isoformes. L’internalisation de l’isoforme b par 5-HT n’a pas été affecté par la surexpression de forme inactive de GRK2 (GRK2- K220R) et a été partiellement inhibé par un mutant négative de la β-arrestine (βarr(319-418)), tandis que l’internalisation de l’isoforme a a été bloquée par les deux. Ces observations indiquent que les mécanismes d’internalisation des deux isoformes du récepteur 5-HT4 les plus abondants dans le système nerveux central sont distincts. Des comportements spécifiques à chaque isoforme ont aussi été constatés au niveau de la régulation fonctionnelle suite à l’exposition au RS67333, qui désensibilise seulement l’isoforme b. D’après nos observations, nous avons conclu que les isoformes a et b diffèrent dans leur propriétés de signalisation et de régulation. L’incapacité du RS67333 à désensibiliser l’isoforme a fournit un substrat moléculaire pour les effets antidépressifs prolongés de cet agoniste dans les études pré-cliniques.

Implication de l'endosome de recyclage dans la migration cellulaire in vivo

Au cours de l’ovogenèse chez la mouche du vinaigre: Drosophila melanogaster, un groupe de cellules folliculaires appelées cellules de bord, migrent à travers les cellules nourricières pour atteindre l’ovocyte. Cet événement, nécessitant la transition épithélio- mésenchymateuse (TEM), la réorientation, puis l’arrêt, ressemble à la formation de métastases. L’endocytose est un régulateur clé de plusieurs événements polarisés, y compris la migration cellulaire. En effet, différentes protéines impliquées dans la migration, comme les intégrines et les E-cadhérines (cadhérines épithéliales), sont régulées par transport à travers les endosomes. De même, l’endocytose restreint au front de migration l’activité des récepteurs tyrosine kinases (RTKs) qui guident les cellules de bord dans leur mouvement. Cependant les mécanismes moléculaires de cette restriction spatiale de l’activité des RTKs demeurent largement inconnus. Nous avons testé l’implication du trafic vésiculaire à travers la machinerie d’endocytose, dans la migration dirigée des cellules de bord, car ce système est facilement accessible pour l’expression de protéines et l’analyse de mutants. Nous avons commencé par confirmer une observation précédente du rôle de l’endosome précoce dans la migration des cellules de bord. Ensuite, nous avons identifié l’endosome de recyclage (ER) comme un régulateur clé de cette migration. En effet, nous avons démontré que l’expression dans les cellules de bord d’une forme dominante négative de Rab11, la petite GTPase régulant le transport vésiculaire à travers l’ER, bloque la migration ou entraîne de sévères défauts de migration dans environ 80% des chambres d’œufs examinées. De plus, nous observons par immunofluorescence une relocalisation de l’activité des RTKs alors que d’autres protéines de migration ne sont pas affectées par Rab11 dominant négatif. Ce résultat a été par la suite confirmé par une interaction génétique entre Rab11 et les RTKs. D’autre part, nous avons montré que le complexe exocyste, un effecteur de Rab11, est impliqué dans la migration des cellules de bord. Nous avons trouvé par microscopie confocale en tissu fixé et par microscopie en temps réel que Sec15, un composant de ce complexe, est polarisé, de façon Rab11- dépendante, dans des vésicules qui s’accumulent au front de migration tout au long du mouvement des cellules de bord. De plus, la perte de l’activité de Sec15 perturbe à son tour la migration. Ainsi, toutes ces données démontrent le rôle fondamental d’un cycle d’endo- exocytose dans le maintien des RTKs actifs au niveau du front de migration des cellules de bord le long de leur mouvement.

Caractérisation d'une famille de récepteurs kinases impliqués dans le développement gamétophytique chez Arabidopsis thaliana

Au cours du développement des végétaux, de l’établissement de l’identité cellulaire des premiers organes au guidage du tube pollinique, la communication cellule à cellule est d’une importance capitale. En réponse, les voies de signalisation moléculaires sont élaborées pour la perception d’un signal extérieur et la transduction en une réponse génique via une cascade intracellulaire. Les récepteurs kinases font partie des protéines perceptrices des stimuli et constituent chez les plantes une catégorie de protéines avec une occurrence considérable, mais dont très peu d’informations détaillées sont disponibles à ce jour. Une famille de récepteurs kinases chez Arabidopsis thaliana, AtORK11 (Arabidopsis thaliana Ovule Receptor Kinase 11), a été identifiée par orthologie à un récepteur spécifique aux ovaires chez une solanacéee sauvage, Solanum chacoense. La fonction présumée de cette famille de récepteurs kinases de type leucine-rich repeat, suggérée par son patron d’expression, implique les événements relatifs au développement des gamétophytes et à la reproduction. Afin de caractériser la fonction des quatre gènes de la famille (AtORK11a, AtORK11b, AtORK11c et AtORK11d) une stratégie d’analyse de mutants d’insertion de l’ADN-T et d’évaluation du mode d’action par complémentation bimoléculaire par fluorescence (BiFC) a été entreprise. Aucune fonction précise n’a pu être attribuée aux doubles mutants d’insertion, par contre la surexpression d’une construction dominante négative indique un rôle dans le développement gamétophytique. Il a aussi été démontré que les quatre récepteurs peuvent interagir par homodimérisation aussi bien que par hétérodimérisation. Une hypothèse de redondance fonctionnelle est ainsi mise à jour parmi la famille des gènes AtORK11.

Identification de nouveaux partenaires protéiques des récepteurs couplés aux protéines G contrôlant leur transport du reticulum endoplasmique à la membrane plasmique

Les récepteurs couplés aux protéines G (RCPGs) forment la plus grande et la plus diversifiée des familles de protéines localisées à la surface cellulaire et responsables de la transmission de signaux à l’intérieur des cellules. D’intenses recherches effectuées au cours des trente dernières années ont mené à l’identification de dizaines de protéines interagissant avec les RCPGs et contrôlant la signalisation, la désensibilisation, l’internalisation et la dégradation de ces importantes cibles pharmacologiques. Contrairement aux processus régulant l’activité des récepteurs à partir de la membrane plasmique, les mécanismes moléculaires contrôlant la biosynthèse des RCPGs dans le reticulum endoplasmique (RE) et leur transport jusqu’à la surface cellulaire sont très peu caractérisés. Une meilleure compréhension de ces processus nécessite l’identification de la machinerie protéique responsable de la maturation des RCPGs. Un crible protéomique basé sur le transfert d’énergie de résonance de bioluminescence (BRET), qui permet la mesure d’interactions protéiques dans les cellules vivantes, a mené à l’identification de plusieurs nouvelles protéines localisées dans la voie de sécrétion et interagissant potentiellement avec les RCPGs. Ces protéines étant localisées dans les compartiments cellulaires (reticulum endoplasmique et appareil de Golgi) responsables de la synthèse, du repliement adéquat et du transport à la membrane plasmique des récepteurs, il est très probable qu’elles soient impliquées dans le contrôle de l’expression des RCPGs à la surface cellulaire. La caractérisation de l’homologue humain de cornichon 4 (CNIH4), un nouvel intéracteur des RCPGs identifié dans le crible, a démontré que cette protéine localisée dans les compartiments précoces de la voie de sécrétion (RE et ERGIC) interagit de façon sélective avec les RCPGs. De plus, la suppression de l’expression endogène de cette protéine préalablement non-caractérisée, diminue le transport à la membrane plasmique d’un récepteur, indiquant que CNIH4 influence positivement l’export des RCPGs du RE. Ceci est supporté par l’observation que la surexpression de CNIH4 à de faibles niveaux favorise la maturation d’un récepteur mutant normalement retenu dans le RE. Nous avons également pu démontrer que CNIH4 est associée à la protéine Sec23, une des composantes de l’enveloppe des vésicules COPII qui sont responsables du transport des protéines du RE vers le Golgi, suggérant que CNIH4 pourrait favoriser le recrutement des récepteurs dans ces vésicules. La surexpression de CNIH4 à de très hauts niveaux provoque également la rétention intracellulaire des récepteurs. Cet effet dominant négatif pourrait être causé par la titration d’un autre facteur d’export des RCPGs. Une deuxième étude a permis de révéler que la protéine transmembranaire 9 (TMEM9), un nouvel intéracteur des RCPGs également identifié dans le crible, interagit sélectivement avec les récepteurs et avec CNIH4. La surexpression de cette protéine aux fonctions précédemment inconnues, rétablit le transport normal d’un récepteur en présence de CNIH4 surexprimée. De plus, la co-expression de TMEM9 potentialise la capacité de CNIH4 à augmenter la maturation d’un récepteur mutant normalement retenu dans le RE, suggérant que ces deux protéines forment un complexe régulant la maturation des RCPGs. Au cours de cette thèse, de nouvelles protéines interagissant avec les RCPGs et contrôlant leur expression à la membrane plasmique ont donc été identifiées, permettant une meilleure compréhension des mécanismes régulant le transport des récepteurs du RE à la surface cellulaire.

Characterization of the role of Drosophila JAK/STAT signalling in cellular proliferation

Der Janus Kinase / signal transducer and activator of transcription (JAK/STAT) Signal- transduktionsweg wird für viele Entwicklungsvorgänge benötigt und spielt eine zentrale Rolle bei der Hämatopoese und bei der Immunantwort. Obwohl der JAK/STAT-Signalweg in den vergangenen Jahren Gegenstand intensiver Forschung war, erschwert die Redundanz des Signalwegs bei Wirbeltieren genetische Untersuchungen zur Identifizierung derjenigen Mechanismen, die den JAK/STAT-Signalweg regulieren. Der JAK/STAT-Signaltransduktionsweg ist evolutionär konserviert und ebenfalls bei der Taufliege Drosophila melanogaster vorhanden. Im Gegensatz zu Wirbeltieren ist der Signaltransduktionsweg von Drosophila weniger redundant und beinhaltet folgende Hauptkomponenten: den Liganden Unpaired (Upd), den Transmembranrezeptor Domeless (Dome), die einzige JAK-Tyrosinkinase Hopscotch (hop), sowie den Transkriptionsfaktor STAT92E. In der vorliegenden Arbeit wird die Rolle des JAK/STAT-Signalwegs bei der zellulären Proliferation mithilfe der Modellsysteme der Flügel- und der Augen-Imaginalscheiben von Drosophila charakterisiert. "Loss-of-function"- und "Gain-of-function"-Experimente zur Verminderung beziehungs-weise Erhöhung der Signalaktivität zeigten, dass der JAK/STAT-Signalweg eine Rolle bei der zellulären Proliferation der Flügel-Imaginalscheiben spielte, ohne die Zellgröße oder Apoptose zu verändern. Bei der Flügelentwicklung während des zweiten und des frühen dritten Larvalstadiums war die Aktivität des JAK/STAT-Signalwegs sowohl notwendig für die zelluläre Proliferation als auch hinreichend, um Überproliferation anzutreiben. Allerdings änderte sich während der späten dritten Larvalstadien die JAK/STAT-Signalaktivität, sodass endogene STAT92E-Mengen einen anti-proliferativen Effekt im gleichen Gewebe aufwiesen. Weiterhin reichte die ektopische Aktivierung des JAK/STAT-Signalwegs zu diesem späten Entwicklungszeitpunkt aus, um die Mitose zu inhibieren und die Zellen in der Phase G2 des Zellzyklus zu arretieren. Diese Ergebnisse legen den Schluss nahe, dass der JAK/STAT-Signalweg sowohl pro-proliferativ in frühen Flügelscheiben als auch anti-proliferativ zu späten Stadien der Flügelscheiben-Entwicklung wirken kann. Dieser späte anti-proliferative Effekt wurde durch einen nicht-kanonischen Mechanismus der STAT92E-Aktivierung vermittelt, da späte hop defiziente Zellverbände im Vergleich zu Wildtyp-Zellen keine Veränderungen im Ausmaß der zellulären Proliferation aufwiesen. Ferner konnte gezeigt werden, dass eine während der Larvalstadien exprimierte dominant-negative und im N-Terminus deletierte Form von STAT92E (?NSTAT92E) nicht für den anti-proliferativen Effekt verantwortlich ist. Diese Tatsache ist ein weiteres Indiz dafür, dass das vollständige STAT92E den späten anti-proliferativen Effekt verursacht. Um Modulatoren für die von JAK/STAT vermittelte zelluläre Proliferation zu identifieren, wurde ein P-Element-basierter genetischer Interaktions-Screen in einem sensibilisierten genetischen Hintergrund durchgeführt. Insgesamt wurden dazu 2267 unabhängige P-Element-Insertionen auf ihre Wechselwirkung mit der JAK/STAT-Signalaktivität untersucht und 24 interagierende Loci identifiziert. Diese Kandidaten können in folgende Gruppen eingeordnet werden: Zellzyklusproteine, Transkriptionsfaktoren, DNA und RNA bindende Proteine, ein Mikro-RNA-Gen, Komponenten anderer Signaltransduktionswege und Zelladhäsionsproteine. In den meisten Fällen wurden mehrere Allele der interagierenden Kandidatengene getestet. 18 Kandidatengene mit übereinstimmend interagierenden Allelen wurden dann zur weiteren Analyse ausgewählt. Von diesen 18 Kandidaten-Loci wurden 7 mögliche JAK/STAT-Signalwegskomponenten und 6 neue Zielgene des Signalwegs gefunden. Zusammenfassend wurde das Verständnis um STAT92E verbessert. Dieses Protein hat die gleiche Funktion wie das STAT3-Protein der Wirbeltiere und treibt die zelluläre Proliferation voran. Analog zu STAT1 hat STAT92E aber auch einen anti-proliferativen Effekt. Ferner wurden 24 mögliche Modulatoren der JAK/STAT-Signalaktivität identifiziert. Die Charakterisierung dieser Wechselwirkungen eröffnet vielversprechende Wege zu dem Verständnis, wie JAK/STAT die zelluläre Proliferation reguliert und könnte bei der Entwicklung von neuartigen therapeutischen Targets zur Behandlung von Krebskrankheiten und Entwicklungsstörungen beitragen.

Heterochromatin und epigenetische Kontrolle der Centromere in Dictyostelium discoideum

Heterochromatin Protein 1 (HP1) is an evolutionarily conserved protein required for formation of a higher-order chromatin structures and epigenetic gene silencing. The objective of the present work was to functionally characterise HP1-like proteins in Dictyostelium discoideum, and to investigate their function in heterochromatin formation and transcriptional gene silencing. The Dictyostelium genome encodes three HP1-like proteins (hcpA, hcpB, hcpC), from which only two, hcpA and hcpB, but not hcpC were found to be expressed during vegetative growth and under developmental conditions. Therefore, hcpC, albeit no obvious pseudogene, was excluded from this study. Both HcpA and HcpB show the characteristic conserved domain structure of HP1 proteins, consisting of an N-terminal chromo domain and a C-terminal chromo shadow domain, which are separated by a hinge. Both proteins show all biochemical activities characteristic for HP1 proteins, such as homo- and heterodimerisation in vitro and in vivo, and DNA binding activtity. HcpA furthermore seems to bind to K9-methylated histone H3 in vitro. The proteins thus appear to be structurally and functionally conserved in Dictyostelium. The proteins display largely identical subnuclear distribution in several minor foci and concentration in one major cluster at the nuclear periphery. The localisation of this cluster adjacent to the nucleus-associated centrosome and its mitotic behaviour strongly suggest that it represents centromeric heterochromatin. Furthermore, it is characterised by histone H3 lysine-9 dimethylation (H3K9me2), which is another hallmark of Dictyostelium heterochromatin. Therefore, one important aspect of the work was to characterise the so-far largely unknown structural organisation of centromeric heterochromatin. The Dictyostelium homologue of inner centromere protein INCENP (DdINCENP), co-localized with both HcpA and H3K9me2 during metaphase, providing further evidence that H3K9me2 and HcpA/B localisation represent centromeric heterochromatin. Chromatin immunoprecipitation (ChIP) showed that two types of high-copy number retrotransposons (DIRS-1 and skipper), which form large irregular arrays at the chromosome ends, which are thought to contain the Dictyostelium centromeres, are characterised by H3K9me2. Neither overexpression of full-length HcpA or HcpB, nor deletion of single Hcp isoforms resulted in changes in retrotransposon transcript levels. However, overexpression of a C-terminally truncated HcpA protein, assumed to display a dominant negative effect, lead to an increase in skipper retrotransposon transcript levels. Furthermore, overexpression of this protein lead to severe growth defects in axenic suspension culture and reduced cell viability. In order to elucidate the proteins functions in centromeric heterochromatin formation, gene knock-outs for both hcpA and hcpB were generated. Both genes could be successfully targeted and disrupted by homologous recombination. Surprisingly, the degree of functional redundancy of the two isoforms was, although not unexpected, very high. Both single knock-out mutants did not show any obvious phenotypes under standard laboratory conditions and only deletion of hcpA resulted in subtle growth phenotypes when grown at low temperature. All attempts to generate a double null mutant failed. However, both endogenous genes could be disrupted in cells in which a rescue construct that ectopically expressed one of the isoforms either with N-terminal 6xHis- or GFP-tag had been introduced. The data imply that the presence of at least one Hcp isoform is essential in Dictyostelium. The lethality of the hcpA/hcpB double mutant thus greatly hampered functional analysis of the two genes. However, the experiment provided genetic evidence that the GFP-HcpA fusion protein, because of its ability to compensate the loss of the endogenous HcpA protein, was a functional protein. The proteins displayed quantitative differences in dimerisation behaviour, which are conferred by the slightly different hinge and chromo shadow domains at the C-termini. Dimerisation preferences in increasing order were HcpA-HcpA << HcpA-HcpB << HcpB-HcpB. Overexpression of GFP-HcpA or a chimeric protein containing the HcpA C-terminus (GFP-HcpBNAC), but not overexpression of GFP-HcpB or GFP-HcpANBC, lead to increased frequencies of anaphase bridges in late mitotic cells, which are thought to be caused by telomere-telomere fusions. Chromatin targeting of the two proteins is achieved by at least two distinct mechanisms. The N-terminal chromo domain and hinge of the proteins are required for targeting to centromeric heterochromatin, while the C-terminal portion encoding the CSD is required for targeting to several other chromatin regions at the nuclear periphery that are characterised by H3K9me2. Targeting to centromeric heterochromatin likely involves direct binding to DNA. The Dictyostelium genome encodes for all subunits of the origin recognition complex (ORC), which is a possible upstream component of HP1 targeting to chromatin. Overexpression of GFP-tagged OrcB, the Dictyostelium Orc2 homologue, showed a distinct nuclear localisation that partially overlapped with the HcpA distribution. Furthermore, GFP-OrcB localized to the centrosome during the entire cell cycle, indicating an involvement in centrosome function. DnmA is the sole DNA methyltransferase in Dictyostelium required for all DNA(cytosine-)methylation. To test for its in vivo activity, two different cell lines were established that ectopically expressed DnmA-myc or DnmA-GFP. It was assumed that overexpression of these proteins might cause an increase in the 5-methyl-cytosine(5-mC)-levels in the genomic DNA due to genomic hypermethylation. Although DnmA-GFP showed preferential localisation in the nucleus, no changes in the 5-mC-levels in the genomic DNA could be detected by capillary electrophoresis.

Heat shock protein 27 is the major differentially phosphorylated protein involved in renal epithelial cellular stress response and controls focal adhesion organization and apoptosis

We used two-dimensional difference gel electrophoresis to determine early changes in the stress-response pathways that precede focal adhesion disorganization linked to the onset of apoptosis of renal epithelial cells. Treatment of LLC-PK1 cells with the model nephrotoxicant 1,2-(dichlorovinyl)-L-cysteine (DCVC) resulted in a >1.5-fold up- and down-regulation of 14 and 9 proteins, respectively, preceding the onset of apoptosis. Proteins included those involved in metabolism, i.e. aconitase and pyruvate dehydrogenase, and those related to stress responses and cytoskeletal reorganization, i.e. cofilin, Hsp27, and alpha-b-crystallin. The most prominent changes were found for Hsp27, which was related to a pI shift in association with an altered phosphorylation status of serine residue 82. Although both p38 and JNK were activated by DCVC, only inhibition of p38 with SB203580 reduced Hsp27 phosphorylation, which was associated with accelerated reorganization of focal adhesions, cell detachment, and apoptosis. In contrast, inhibition of JNK with SP600125 maintained cell adhesion as well as protection against apoptosis. Active JNK co-localized at focal adhesions after DCVC treatment in a FAK-dependent manner. Inhibition of active JNK localization at focal adhesions did not prevent DCVC-induced phosphorylation of Hsp27. Overexpression of a phosphorylation-defective mutant Hsp27 acted as a dominant negative and accelerated the DCVC-induced changes in the focal adhesions as well as the onset of apoptosis. Our data fit a model whereby early p38 activation results in a rapid phosphorylation of Hsp27, a requirement for proper maintenance of cell adhesion, thus suppressing renal epithelial cell apoptosis.

Heat shock protein 27 is the major differentially phosphorylated protein involved in renal epithelial cellular stress response and controls focal adhesion organization and apoptosis

We used two-dimensional difference gel electrophoresis to determine early changes in the stress-response pathways that precede focal adhesion disorganization linked to the onset of apoptosis of renal epithelial cells. Treatment of LLC-PK1 cells with the model nephrotoxicant 1,2-(dichlorovinyl)-L-cysteine ( DCVC) resulted in a > 1.5-fold up- and down-regulation of 14 and 9 proteins, respectively, preceding the onset of apoptosis. Proteins included those involved in metabolism, i.e. aconitase and pyruvate dehydrogenase, and those related to stress responses and cytoskeletal reorganization, i.e. cofilin, Hsp27, and alpha-b-crystallin. The most prominent changes were found for Hsp27, which was related to a pI shift in association with an altered phosphorylation status of serine residue 82. Although both p38 and JNK were activated by DCVC, only inhibition of p38 with SB203580 reduced Hsp27 phosphorylation, which was associated with accelerated reorganization of focal adhesions, cell detachment, and apoptosis. In contrast, inhibition of JNK with SP600125 maintained cell adhesion as well as protection against apoptosis. Active JNK co-localized at focal adhesions after DCVC treatment in a FAK-dependent manner. Inhibition of active JNK localization at focal adhesions did not prevent DCVC-induced phosphorylation of Hsp27. Overexpression of a phosphorylation-defective mutant Hsp27 acted as a dominant negative and accelerated the DCVC-induced changes in the focal adhesions as well as the onset of apoptosis. Our data fit a model whereby early p38 activation results in a rapid phosphorylation of Hsp27, a requirement for proper maintenance of cell adhesion, thus suppressing renal epithelial cell apoptosis.

c-Cbl mediates ubiquitination, degradation, and down-regulation of human protease-activated receptor 2

Mechanisms that arrest G-protein-coupled receptor (GPCR) signaling prevent uncontrolled stimulation that could cause disease. Although uncoupling from heterotrimeric G-proteins, which transiently arrests signaling, is well described, little is known about the mechanisms that permanently arrest signaling. Here we reported on the mechanisms that terminate signaling by protease-activated receptor 2 (PAR(2)), which mediated the proinflammatory and nociceptive actions of proteases. Given its irreversible mechanism of proteolytic activation, PAR(2) is a model to study the permanent arrest of GPCR signaling. By immunoprecipitation and immunoblotting, we observed that activated PAR(2) was mono-ubiquitinated. Immunofluorescence indicated that activated PAR(2) translocated from the plasma membrane to early endosomes and lysosomes where it was degraded, as determined by immunoblotting. Mutant PAR(2) lacking intracellular lysine residues (PAR(2)Delta14K/R) was expressed at the plasma membrane and signaled normally but was not ubiquitinated. Activated PAR(2) Delta14K/R internalized but was retained in early endosomes and avoided lysosomal degradation. Activation of wild type PAR(2) stimulated tyrosine phosphorylation of the ubiquitin-protein isopeptide ligase c-Cbl and promoted its interaction with PAR(2) at the plasma membrane and in endosomes in an Src-dependent manner. Dominant negative c-Cbl lacking the ring finger domain inhibited PAR(2) ubiquitination and induced retention in early endosomes, thereby impeding lysosomal degradation. Although wild type PAR(2) was degraded, and recovery of agonist responses required synthesis of new receptors, lysine mutation and dominant negative c-Cbl impeded receptor ubiquitination and degradation and allowed PAR(2) to recycle and continue to signal. Thus, c-Cbl mediated ubiquitination and lysosomal degradation of PAR(2) to irrevocably terminate signaling by this and perhaps other GPCRs.

Fibroblast growth factor 2 restrains ras-driven proliferation of malignant cells by triggering RhoA-mediated senescence

Fibroblast growth factor 2 (FGF2) is considered to be a bona fide oncogenic factor, although results from our group and others call this into question. Here, we report that exogenous recombinant FGF2 irreversibly inhibits proliferation by inducing senescence in Ras-dependent malignant mouse cells, but not in immortalized nontumorigenic cell lines. We report the following findings in K-Ras-dependent malignant YI adrenocortical cells and H-Ras V12-transformed BALB-3T3 fibroblasts: (a) FGF2 inhibits clonal growth and tumor onset in nude and immunocompetent BALB/c mice, (b) FGF2 irreversibly blocks the cell cycle, and (c) FGF2 induces the senescence-associated -galactosidase with no accompanying signs of apoptosis or necrosis. The tyrosine kinase inhibitor PD173074 completely protected malignant cells from FGF2. In Yl adrenal cells, reducing the constitutively high levels of K-Ras-GTP using the dominant-negative RasN17 mutant made cells resistant to FGF2 cytotoxicity. In addition, transfection of the dominant-negative RhoA-N19 into either YI or 3T3-B61 malignant cell lines yielded stable clonal transfectants that were unable to activate RhoA and were resistant to the FGF2 stress response. We conclude that in Rasdependent malignant cells, FGF2 interacts with its cognate receptors to trigger a senescence-like process involving RboAGTP. Surprisingly, attempts to select FGF2-resistant cells from the Yl and 3T3-B61 cell lines yielded only rare clones that (a) had lost the overexpressed ras oncogene, (b) were dependent on FGF2 for proliferation, and (c) were poorly tumorigenic. Thus, FGF2 exerted a strong negative selection that Rasdependent malignant cells could rarely overcome.

A dominant function of p38 mitogen-activated protein kinase signaling in receptor activator of nuclear factor-kappa B ligand expression and osteoclastogenesis induction by Aggregatibacter actinomycetemcomitans and Escherichia coli lipopolysaccharide

Background and Objective: Lipopolysaccharide from gram-negative bacteria is one of the microbial-associated molecular patterns that initiate the immune/inflammatory response, leading to the tissue destruction observed in periodontitis. The aim of this study was to evaluate the role of the p38 mitogen-activated protein kinase (MAPK) signaling pathway in lipopolysaccharide-induced receptor activator of nuclear factor-kappa B ligand (RANKL) expression by murine periodontal ligament cells.Material and Methods: Expression of RANKL and osteoprotegerin mRNA was studied by reverse transcription-polymerase chain reaction upon stimulation with lipopolysaccharide from Escherichia coli and Aggregatibacter actinomycetemcomitans. The biochemical inhibitor SB203580 was used to evaluate the contribution of the p38 MAPK signaling pathway to lipopolysaccharide-induced RANKL and osteoprotegerin expression. Stable cell lines expressing dominant-negative forms of MAPK kinase (MKK)-3 and MKK6 were generated to confirm the role of the p38 MAPK pathway. An osteoclastogenesis assay using a coculture model of the murine monocytic cell line RAW 264.7 was used to determine if osteoclast differentiation induced by lipopolysaccharide-stimulated periodontal ligament was correlated with RANKL expression.Results: Inhibiting p38 MAPK prior to lipopolysaccharide stimulation resulted in a significant decrease of RANKL mRNA expression. Osteoprotegerin mRNA expression was not affected by lipopolysaccharide or p38 MAPK. Lipopolysaccharide-stimulated periodontal ligament cells increased osteoclast differentiation, an effect that was completely blocked by osteoprotegerin and significantly decreased by inhibition of MKK3 and MKK6, upstream activators of p38 MAPK. Conditioned medium from murine periodontal ligament cultures did not increase osteoclast differentiation, indicating that periodontal ligament cells produced membrane-bound RANKL.Conclusion: Lipopolysaccharide resulted in a significant increase of RANKL in periodontal ligament cells. The p38 MAPK pathway is required for lipopolysaccharide-induced membrane-bound RANKL expression in these cells.

Evidence of the Importance of the First Intracellular Loop of Prokineticin Receptor 2 in Receptor Function

Prokineticin receptors (PROKR) are G protein-coupled receptors (GPCR) that regulate diverse biological processes, including olfactory bulb neurogenesis and GnRH neuronal migration. Mutations in PROKR2 have been described in patients with varying degrees of GnRH deficiency and are located in diverse functional domains of the receptor. Our goal was to determine whether variants in the first intracellular loop (ICL1) of PROKR2 (R80C, R85C, and R85H) identified in patients with hypogonadotropic hypogonadism interfere with receptor function and to elucidate the mechanisms of these effects. Because of structural homology among GPCR, clarification of the role of ICL1 in PROKR2 activity may contribute to a better understanding of this domain across other GPCR. The effects of the ICL1 PROKR2 mutations on activation of signal transduction pathways, ligand binding, and receptor expression were evaluated. Our results indicated that the R85C and R85H PROKR2 mutations interfere only modestly with receptor function, whereas the R80C PROKR2 mutation leads to a marked reduction in receptor activity. Cotransfection of wild-type (WT) and R80C PROKR2 showed that the R80C mutant could exert a dominant negative effect on WT PROKR2 in vitro by interfering with WT receptor expression. In summary, we have shown the importance of Arg80 in ICL1 for PROKR2 expression and demonstrate that R80C PROKR2 exerts a dominant negative effect on WT PROKR2. (Molecular Endocrinology 26: 1417-1427, 2012)

Untersuchungen zur Beteiligung der Preseniline an den molekularen Mechanismen der Amyloid-ß Entstehung

ZusammenfassungMorbus Alzheimer ist eine progressive, neurodegenerative Erkrankung, die weltweit die häufigste Form der Demenz darstellt und im mittleren bis späten Lebensabschnitt auftritt. Die neuropathologischen Merkmale beinhalten das Auftreten von extrazellulären Ablagerungen aus fibrillogenem Aß42 Peptiden in senilen Plaques und intraneuronalen Akkumulationen von hyperphosphoryliertem Tau in sogenannten neurofibrillären Bündeln. Obwohl die meisten Alzheimer Fälle sporadisch und Alters-assoziiert auftreten, gibt es eine autosomal dominant vererbte Form (FAD; Familial Alzheimer Disease), die schon in einem frühen Lebensabschnitt (ab 28 Jahren) ausbrechen kann. Diese aggressive Alzheimer Form wird durch Mutationen im Amyloid-Precursor-Protein-Gen (APP) oder den Presenilin-Genen (PS-1 und PS-2) ausgelöst. Die Presenilin (PS) Proteine sind entscheidend an der Entstehung von Aß beteiligt. So erhöhen FAD-assoziierte Mutationen in PS-1 und PS-2 die Bildung von Aß42. Außerdem verhindern sowohl homozygote PS-1 Null-Mutationen (PS-1-/-) in transgenen Mäusen, als auch dominant negative PS-1 Mutationen in Kulturzellen die Ab Bildung. Diese Belege sprechen für die zur Zeit favorisierte Amyloid Hypothese, in der die toxische Wirkung des Aß-Peptides in der Entstehung der Alzheimer Erkrankung eine zentrale Rolle einnimmt. Die y-Sekretase ist eine Protease, deren Aktivität für die Entstehung von Ab aus dem Vorläuferprotein APP essentiell ist. Damit bildet sie einen möglichen Ansatzpunkt, um grundlegend in den Prozeß der Ab Bildung einzugreifen. Die y-Sekretase ist allerdings noch nicht identifiziert oder kloniert. Es gibt Hinweise, daß die Preseniline y-Sekretase Aktivität besitzen könnten. Diese Theorie ist bis heute jedoch nicht eindeutig belegt. In dieser Arbeit sollten die molekularen Mechanismen der Ab Entstehung und insbesondere die Beteiligung der Preseniline an diesem Prozeß untersucht werden. Dazu wurde zunächst die subzelluläre Verteilung der endogenen Preseniline analysiert. Es konnte erstmalig ein Unterschied in der subzellulären Verteilung zwischen PS-1 und PS-2 festgestellt werden. PS-1 war vorwiegend im ER lokalisiert, wogegen PS-2 stark im Golgi-Apparat angereichert war. Im zweiten Teil der Arbeit wurde nach möglichen Interaktionen der Preseniline mit C-terminalen APP Fragmenten gesucht, die die Substrate der y-Sekretase darstellen. Es konnte gezeigt werden, daß die Preseniline mit einem 21 kDa großen C-terminalen APP Fragment interagieren. Dabei band die Mutante-Form der Preseniline mehr C-terminales APP Fragment als die Wildtyp-Form. Weiterhin wurde ein zellfreies System zur indirekten Bestimmung der y-Sekretase Aktivität etabliert. Mit Hilfe dieses Systems wird es möglich, Inhibitoren der y-Sekretase zu identifizieren. Die Spezifität des zellfreien Testsystems konnte dadurch deutlich gemacht werden, daß das PS-1, das schon in Zellkultur als essentielle Proteinkomponente zur Entstehung von Aß beschrieben wurde, auch in diesem zellfreien y-Sekretase System notwendig war. Allgemeine Proteaseinhibitoren, die alle bekannten Proteasemechanismen abdeckten, zeigten keinen Einfluß auf die de novo Bildung von Aß. Es konnte festgestellt werden, daß neben der y-Sekretase als Aß produzierende Protease auch Aß abbauende Proteasen vorlagen. Das pH-Optimum der y-Sekretase wurde im neutralen Bereich festgestellt. Weiterhin konnte gezeigt werden, daß die y-Sekretase eine transmembrane oder zumindest membranassoziierte Protease ist, die keine cytosolischen Komponenten benötigt.