Peptidomic Analysis of HEK293T Cells: Effect of the Proteasome Inhibitor Epoxomicin on Intracellular Peptides

Peptides derived from cytosolic, mitochondrial, and nuclear proteins have been detected in extracts of animal tissues and cell lines. To test whether the proteasome is involved in their formation, HEK293T cells were treated with epoxomicin (0.2 or 2 mu M) for 1 h and quantitative peptidomics analysis was performed. Altogether, 147 unique peptides were identified by mass spectrometry sequence analysis. Epoxomicin treatment decreased the levels of the majority of intracellular peptides, consistent with inhibition of the proteasome beta-2 and beta-5 subunits. Treatment with the higher concentration of epoxomicin elevated the levels of some peptides. Most of the elevated peptides resulted from cleavages at acidic residues, suggesting that epoxomicin increased the processing of proteins through the beta-1 subunit. Interestingly, some of the peptides that were elevated by the epoxomicin treatment had hydrophobic residues in P1 cleavage sites. Taken together, these findings suggest that, while the proteasome is the major source of intracellular peptides, other peptide-generating mechanisms exist. Because intracellular peptides are likely to perform intracellular functions, studies using proteasome inhibitors need to be interpreted with caution, as it is possible that the effects of these inhibitors are due to a change in the peptide levels rather than inhibition of protein degradation.

Proteolytic cleavage of elafin by 20S proteasome may contribute to inflammation in acute lung injury

RATIONALE:
We hypothesise that elafin levels in acute lung injury (ALI) decrease over time due, in part, to proteolytic degradation as observed in other lung diseases.
OBJECTIVES:
The aim of this study was to characterise temporal changes in elafin concentration in patients with ALI and to evaluate whether a decrease in elafin levels is due to elevated protease activity.
METHODS:
Bronchoalveolar lavage fluid (BALF) was obtained from patients with ALI within 48 h of onset of ALI (day 0), at day 3 and at day 7. Elafin levels were quantified by ELISA. Elafin susceptibility to proteolytic cleavage by ALI BALF was assessed by Western blot and by high-performance liquid chromatography-mass spectrometry.
MEASUREMENTS AND MAIN RESULTS:
Elafin levels were found to be significantly increased at the onset of ALI compared with healthy volunteers and fell significantly by day 7 compared with day 0. In contrast, levels of secretory leukocyte protease inhibitor did not decrease over time. This decrease in elafin was due to cleavage by the 20S proteasome which was significantly increased in ALI BALF. Incubation of ALI BALF with the proteasome inhibitor epoxomicin confirmed that 20S proteasome protease activity was responsible for proteolytic cleavage of elafin, resulting in diminished anti-elastase activity. In addition, free neutrophil elastase activity significantly increased in ALI BALF from day 0 to day 7.
CONCLUSIONS:
Elafin concentrations fall within the pulmonary compartment over the course of ALI as a result of proteolytic degradation. This loss of elafin may predispose people, in part, to excessive inflammation in ALI.

Couplage du récepteur à sept domaines transmembranaires GABA-B1 aux voies intracellulaires de signalisation en absence de GABA-B2

Le GABA est le principal neurotransmetteur inhibiteur du SNC et est impliqué dans le développement du cerveau, la plasticité synaptique et la pathogénèse de maladies telles que l’épilepsie, les troubles de l’anxiété et la douleur chronique. Le modèle actuel de fonctionnement du récepteur GABA-B implique l’hétérodimérisation GABA-B1/B2, laquelle est requise au ciblage à la surface membranaire et au couplage des effecteurs. Il y est cependant des régions du cerveau, des types cellulaires et des périodes du développement cérébral où la sous-unité GABA-B1 est exprimée en plus grande quantité que GABA-B2, ce qui suggère qu’elle puisse être fonctionnelle seule ou en association avec des partenaires inconnus, à la surface cellulaire ou sur la membrane réticulaire. Dans le cadre de cette thèse, nous montrons la capacité des récepteurs GABA-B1 endogènes à activer la voie MAPK-ERK1/2 dans la lignée dérivée de la glie DI-TNC1, qui n’exprime pas GABA-B2. Les mécanismes qui sous-tendent ce couplage demeurent mal définis mais dépendent de Gi/o et PKC. L’immunohistochimie de récepteurs endogènes montre par ailleurs que des anticorps GABA-B1 dirigés contre la partie N-terminale reconnaissent des protéines localisées au RE tandis des anticorps C-terminaux (CT) marquent une protéine intranucléaire. Ces données suggèrent que le domaine CT de GABA-B1 pourrait être relâché par protéolyse. L’intensité des fragments potentiels est affectée par le traitement agoniste tant en immunohistochimie qu’en immunobuvardage de type western. Nous avons ensuite examiné la régulation du clivage par le protéasome en traitant les cellules avec l’inhibiteur epoxomicine pendant 12 h. Cela a résulté en l’augmentation du marquage intranucléaire de GABA-B1-CT et d’un interacteur connu, le facteur de transcription pro-survie ATF-4. Dans des cellules surexprimant GABA-B1-CT, l’induction et la translocation nucléaire d’ATF-4, qui suit le traitement epoxomicine, a complètement été abolie. Cette observation est associée à une forte diminution du décompte cellulaire. Étant donné que les trois derniers résidus de GABA-B1-CT (LYK) codent un ligand pseudo-PDZ et que les protéines à domaines PDZ sont impliquées dans la régulation du ciblage nucléaire et de la stabilité de protéines, en complément de leur rôle d’échaffaud à la surface cellulaire, nous avons muté les trois derniers résidus de GABA-B1-CT en alanines. Cette mutation a complètement annulé les effets de GABA-B1-CT sur l’induction d’ATF-4 et le décompte cellulaire. Cette deuxième série d’expériences suggère l’existence possible de fragments GABA-B1 intranucléaires régulés par le traitement agoniste et le protéasome dans les cellules DI-TNC1. Cette régulation d’ATF-4 dépend des résidus LYK de GABA-B1-CT, qui modulent la stabilité de GABA-B1-CT et favorisent peut-être la formation d’un complexe multiprotéique incluant GABA-B1-CT, ATF-4, de même qu’une protéine d’échaffaudage inconnue. En somme, nous démontrons que les sous-unités GABA-B1 localisées au RE, lorsque non-hétérodimérisées avec GABA-B2, demeurent capables de moduler les voies de signalisation de la prolifération, la différentiation et de la survie cellulaire, via le couplage de protéines G et possiblement la protéolyse régulée. Les mécanismes de signalisation proposés pourraient servir de nouvelle plate-forme dans la compréhension des actions retardées résultant de l’activation des récepteurs 7-TMs.

The Carmaphycins: New Proteasome Inhibitors Exhibiting an alpha,beta-Epoxyketone Warhead from a Marine Cyanobacterium

Two new peptidic proteasome inhibitors were isolated as trace components from a Curacao collection of the marine cyanobacterium Symploca sp. Carmaphycin A (1) and carmaphycin B (2) feature a leucine-derived a,beta-epoxyketone warhead directly connected to either methionine sulfoxide or methionine sulfone. Their structures were elucidated on the basis of extensive NMR and MS analyses and confirmed by total synthesis, which in turn provided more material for further biological evaluations. Pure carmaphycins A and B were found to inhibit the beta 5 subunit (chymotrypsin-like activity) of the S. cerevisiae 20S proteasome in the low nanomolar range. Additionally, they exhibited strong cytotoxicity to lung and colon cancer cell lines, as well as exquisite antiproliferative effects in the NCI60 cell-line panel. These assay results as well as initial structural biology studies suggest a distinctive binding mode for these new inhibitors.

Untersuchungen zur Rolle des BH3-only-Proteins Bid bei der Stress-induzierten Apoptose in Karzinomzelllinien

Als BH3-only Protein gehört Bid zu den proapoptotischen Mitgliedern der Bcl-2 Familie, die während der Apoptose die Freisetzung Caspase-aktivierender Proteine aus den Mitochondrien kontrollieren. Bid zählt zu den potentesten BH3-only Proteinen und wird von vielen transformierten und nichttransformierten Zellen konstitutiv exprimiert. Ziel dieser Arbeit war es, Bid durch RNA-Interferenz stabil zu depletieren, um Bid-abhängige Apoptosewege in HeLa Zervixkarzinomzellen zu identifizieren, die von intrinsischen Stressstimuli sowie von konventionellen und neuartigen Chemotherapeutika induziert werden. Da Bid im Todesrezeptor-vermittelten Signalweg der Apoptose durch Caspase-8 gespalten und aktiviert wird, waren die Bid-depletierten Zellen signifikant vor der Fas/CD95-, TRAIL- oder TNF-α-induzierten Apoptose geschützt und zeigten nach Exposition mit allen drei Todesrezeptorliganden eine drastisch reduzierte Effektorcaspase-Aktivität und eine höhere Proliferationsrate als die Kontrollzellen. Eine ektopische Bidexpression in Bid knock down (kd) Zellen hob die Protektion vor der Fas- und TRAIL-induzierten Apoptose auf. Der Proteasominhibitor Epoxomicin, der Proteinkinase-Inhibitor Staurosporin oder die ER Stress-induzierenden Agenzien Tunicamycin, Thapsigargin und Brefeldin A lösten hingegen einen Bid-unabhängigen Zelltod aus. Allerdings konnten subletale Tunicamycin- oder Thapsigarginkonzentrationen HeLa Zellen für die TRAIL-induzierte Apoptose sensitivieren. Da der Synergieeffekt auf einer ER Stress-vermittelten Amplifizierung des Todesrezeptorwegs beruhte, zu der eine Tunicamycin-induzierte Steigerung der Expression des Todesrezeptors DR5 signifikant beitrug, erfolgte diese Sensitivierung nur in Bid-profizienten Zellen. Bid war in HeLa Zellen außerdem an der apoptotischen Signalkaskade beteiligt, die von den DNA-schädigenden Agenzien Etoposid, Doxorubicin und Oxaliplatin (Oxa) ausgelöst wird. Nach Behandlung mit Oxa zeigten die Bid kd Zellen eine verzögerte Caspase-2, -3, -8 und -9 Aktivierung, einen geringeren Verlust des mitochondrialen Membranpotentials sowie eine reduzierte Apoptose- und eine höhere Proliferationsrate als Bid-profiziente Zellen. Neben Bid war ein weiteres BH3-only Protein, Puma, an der Oxa-induzierten Effektorcaspase-Aktivierung beteiligt, da eine Puma-spezifische siRNA unabhängig vom Bidstatus der Zellen antiapoptotisch wirkte. Im letzten Teil der Arbeit wurde untersucht, welche Proteasen für die durch gentoxische Agenzien induzierte Spaltung und Aktivierung von Bid verantwortlich sind. Obwohl Caspasen für die Exekutionphase der Oxa-induzierten Apoptose notwendig waren, trugen sie weder zur initialen Bidaktivierung noch zur mitochondrialen Depolarisierung bei, da sie erst postmitochondrial aktiviert wurden. Konventionelle Calpaine hingegen wurden nach DNA-Schädigung bereits stromaufwärts der Mitochondrien aktiviert und der Calpaininhibitor Calpeptin reduzierte nicht nur die Bid- und Caspasespaltung, sondern auch die mitochondriale Depolarisierung signifikant. Diese Protektion durch Calpeptin fiel in Bid-depletierten Zellen signifikant geringer als in Bid-profizienten Kontrollzellen aus. Auch war in Oxa-behandelten Bid kd Zellen, die eine durch Caspase-2, -3 und -8 nicht spaltbare Bidmutante exprimierten, trunkiertes Bid nachweisbar, dessen Generierung durch Calpain-, aber nicht durch Caspaseinhibierung verhindert werden konnte. Zusammenfassend deuten diese Ergebnisse auf eine Calpain-abhängige Bidaktivierung stromaufwärts der Mitochondrien hin und zeigen, dass die BH3-only Proteine Bid und Puma wichtige Vermittler der Oxa-induzierten Apoptose in HeLa Zellen darstellen.