Étude de l'implication des navettes du pyruvate découlant du métabolisme mitochondrial du glucose dans la régulation de la sécrétion d'insuline par les cellules bêta pancréatiques

Le diabète est une maladie métabolique qui se caractérise par une résistance à l’insuline des tissus périphériques et par une incapacité des cellules β pancréatiques à sécréter les niveaux d’insuline appropriés afin de compenser pour cette résistance. Pour mieux comprendre les mécanismes déficients dans les cellules β des patients diabétiques, il est nécessaire de comprendre et de définir les mécanismes impliqués dans le contrôle de la sécrétion d’insuline en réponse au glucose. Dans les cellules β pancréatiques, le métabolisme du glucose conduit à la production de facteurs de couplage métabolique, comme l’ATP, nécessaires à la régulation de l’exocytose des vésicules d’insuline. Le mécanisme par lequel la production de l’ATP par le métabolisme oxydatif du glucose déclenche l’exocytose des vésicules d’insuline est bien décrit dans la littérature. Cependant, il ne peut à lui seul réguler adéquatement la sécrétion d’insuline. Le malonyl-CoA et le NADPH sont deux autres facteurs de couplage métaboliques qui ont été suggérés afin de relier le métabolisme du glucose à la régulation de la sécrétion d’insuline. Les mécanismes impliqués demeurent cependant à être caractérisés. Le but de la présente thèse était de déterminer l’implication des navettes du pyruvate, découlant du métabolisme mitochondrial du glucose, dans la régulation de la sécrétion d’insuline. Dans les cellules β, les navettes du pyruvate découlent de la combinaison des processus d’anaplérose et de cataplérose et permettent la transduction des signaux métaboliques provenant du métabolisme du glucose. Dans une première étude, nous nous sommes intéressés au rôle de la navette pyruvate/citrate dans la régulation de la sécrétion d’insuline en réponse au glucose, puisque cette navette conduit à la production dans le cytoplasme de deux facteurs de couplage métabolique, soit le malonyl-CoA et le NADPH. De plus, la navette pyruvate/citrate favorise le flux métabolique à travers la glycolyse en réoxydation le NADH. Une étude effectuée précédemment dans notre laboratoire avait suggéré la présence de cette navette dans les cellules β pancréatique. Afin de tester notre hypothèse, nous avons ciblé trois étapes de cette navette dans la lignée cellulaire β pancréatique INS 832/13, soit la sortie du citrate de la mitochondrie et l’activité de l’ATP-citrate lyase (ACL) et l’enzyme malique (MEc), deux enzymes clés de la navette pyruvate/citrate. L’inhibition de chacune de ces étapes par l’utilisation d’un inhibiteur pharmacologique ou de la technologie des ARN interférant a corrélé avec une réduction significative de la sécrétion d’insuline en réponse au glucose. Les résultats obtenus suggèrent que la navette pyruvate/citrate joue un rôle critique dans la régulation de la sécrétion d’insuline en réponse au glucose. Parallèlement à notre étude, deux autres groupes de recherche ont suggéré que les navettes pyruvate/malate et pyruvate/isocitrate/α-cétoglutarate étaient aussi importantes pour la sécrétion d’insuline en réponse au glucose. Ainsi, trois navettes découlant du métabolisme mitochondrial du glucose pourraient être impliquées dans le contrôle de la sécrétion d’insuline. Le point commun de ces trois navettes est la production dans le cytoplasme du NADPH, un facteur de couplage métabolique possiblement très important pour la sécrétion d’insuline. Dans les navettes pyruvate/malate et pyruvate/citrate, le NADPH est formé par MEc, alors que l’isocitrate déshydrogénase (IDHc) est responsable de la production du NADPH dans la navette pyruvate/isocitrate/α-cétoglutarate. Dans notre première étude, nous avions démontré l’importance de l’expression de ME pour la sécrétion adéquate d’insuline en réponse au glucose. Dans notre deuxième étude, nous avons testé l’implication de IDHc dans les mécanismes de régulation de la sécrétion d’insuline en réponse au glucose. La diminution de l’expression de IDHc dans les INS 832/13 a stimulé la sécrétion d’insuline en réponse au glucose par un mécanisme indépendant de la production de l’ATP par le métabolisme oxydatif du glucose. Ce résultat a ensuite été confirmé dans les cellules dispersées des îlots pancréatiques de rat. Nous avons aussi observé dans notre modèle que l’incorporation du glucose en acides gras était augmentée, suggérant que la diminution de l’activité de IDHc favorise la redirection du métabolisme de l’isocitrate à travers la navette pyruvate/citrate. Un mécanisme de compensation à travers la navette pyruvate/citrate pourrait ainsi expliquer la stimulation de la sécrétion d’insuline observée en réponse à la diminution de l’expression de IDHc. Les travaux effectués dans cette deuxième étude remettent en question l’implication de l’activité de IDHc, et de la navette pyruvate/isocitrate/α-cétoglutarate, dans la transduction des signaux métaboliques reliant le métabolisme du glucose à la sécrétion d’insuline. La navette pyruvate/citrate est la seule des navettes du pyruvate à conduire à la production du malonyl-CoA dans le cytoplasme des cellules β. Le malonyl-CoA régule le métabolisme des acides gras en inhibant la carnitine palmitoyl transférase 1, l’enzyme limitante dans l’oxydation des acides gras. Ainsi, l’élévation des niveaux de malonyl-CoA en réponse au glucose entraîne une redirection du métabolisme des acides gras vers les processus d’estérification puis de lipolyse. Plus précisément, les acides gras sont métabolisés à travers le cycle des triglycérides/acides gras libres (qui combinent les voies métaboliques d’estérification et de lipolyse), afin de produire des molécules lipidiques signalétiques nécessaires à la modulation de la sécrétion d’insuline. Des études effectuées précédemment dans notre laboratoire ont démontré que l’activité lipolytique de HSL (de l’anglais hormone-sensitive lipase) était importante, mais non suffisante, pour la régulation de la sécrétion d’insuline. Dans une étude complémentaire, nous nous sommes intéressés au rôle d’une autre lipase, soit ATGL (de l’anglais adipose triglyceride lipase), dans la régulation de la sécrétion d’insuline en réponse au glucose et aux acides gras. Nous avons démontré que ATGL est exprimé dans les cellules β pancréatiques et que son activité contribue significativement à la lipolyse. Une réduction de son expression dans les cellules INS 832/13 par RNA interférant ou son absence dans les îlots pancréatiques de souris déficientes en ATGL a conduit à une réduction de la sécrétion d’insuline en réponse au glucose en présence ou en absence d’acides gras. Ces résultats appuient l’hypothèse que la lipolyse est une composante importante de la régulation de la sécrétion d’insuline dans les cellules β pancréatiques. En conclusion, les résultats obtenus dans cette thèse suggèrent que la navette pyruvate/citrate est importante pour la régulation de la sécrétion d’insuline en réponse au glucose. Ce mécanisme impliquerait la production du NADPH et du malonyl-CoA dans le cytoplasme en fonction du métabolisme du glucose. Cependant, nos travaux remettent en question l’implication de la navette pyruvate/isocitrate/α-cétoglutarate dans la régulation de la sécrétion d’insuline. Le rôle exact de IDHc dans ce processus demeure cependant à être déterminé. Finalement, nos travaux ont aussi démontré un rôle pour ATGL et la lipolyse dans les mécanismes de couplage métabolique régulant la sécrétion d’insuline.

Role of receptor and non-receptor protein tyrosine kinases in vasoactive peptide-induced signaling

L'endothéline-1 (ET-1) et l'angiotensine II (Ang II) jouent un rôle important dans le maintien de la pression artérielle et l'homéostasie vasculaire. Une activité accrue de ces peptides vasoactifs est présumée contribuer au développement de pathologies vasculaires, telles que l'hypertension, l'athérosclérose, l'hypertrophie et la resténose. Ceci est causé par une activation excessive de plusieurs voies de signalisation hypertrophiques et prolifératives, qui incluent des membres de la famille des Mitogen Activated Protein Kinases (MAPK), ainsi que la famille phosphatidylinositol 3-kinase (PI3-K) / protéine kinase B (PKB). Bien que l'activation de ces voies de signalisation soit bien élucidée, les éléments en amont responsables de l'activation des MAPK et de la PKB, induite par l'ET-1 et Ang II, demeurent mal compris. Durant les dernières années, le concept de la transactivation de récepteurs et/ou non-récepteurs protéines tyrosine kinases (PTK) dans le déclenchement des événements de signalisation induits par les peptides vasoactifs a gagné beaucoup de reconnaissance. Nous avons récemment démontré que la PTK Insulin-like Growth Factor type-1 Receptor (IGF-1R) joue un rôle dans la transduction des signaux induits par l‟H2O2, menant à la phosphorylation de la PKB. Étant donné que les peptides vasoactifs génèrent des espèces réactives d'oxygène, telles que l‟H2O2 lors de leur signalisation, nous avons examiné le rôle de d‟IGF-1R dans la phosphorylation de la PKB et les réponses hypertrophiques dans les cellules muscle lisse vasculaires (CMLV) induites par l'ET-1 et Ang II. AG-1024, un inhibiteur spécifique de l'IGF-1R, a atténué la phosphorylation de la PKB induite à la fois par l'ET-1 et Ang II. Le traitement des CMLVs avec l‟ET-1 et Ang II a également induit une phosphorylation des résidus tyrosine dans les sites d'autophosphorylation d'IGF-1R, celle-ci a été bloquée par l‟AG-1024. En outre, l‟ET-1 et l‟Ang II on tous les deux provoqué la phosphorylation de c-Src, une PTK non-récepteur, bloqué par PP-2, inhibiteur spécifique de la famille Src. La PP-2 a également inhibé la phosphorylation de PKB et d‟IGF-1R induite par l‟ET-1 et l‟Ang II. De plus, la synthèse de protéines ainsi que d‟ADN, marqueurs de la prolifération cellulaire et de l'hypertrophie, ont également été atténuée par l‟AG-1024 et le PP-2. Bien que ce travail démontre le rôle de c-Src dans la phosphorylation PKB induite par l'ET-1 et Ang II, son rôle dans l'activation des MAPK induit par l'ET-1 dans les CMLVs reste controversé. Par conséquent, nous avons examiné l'implication de c-Src dans l'activation de ERK 1/2, JNK et p38MAPK, par l'ET-1 et Ang II, ainsi que leur capacité à régulariser l'expression du facteur de transcription Early growth transcription factor-1 « Egr-1 ». ET-1 et Ang II ont induit la phosphorylation de ERK 1/2, JNK et p38 MAPK, et ont amplifié l'expression d'Egr-1 dans les CMLVs. Cette augmentation de la phosphorylation des MAPK a été diminuée par la PP-2, qui a aussi atténué l'expression d'Egr-1 induite par l'ET-1 et l'Ang II. Une preuve supplémentaire du rôle de c-Src dans ce processus a été obtenue en utilisant des fibroblastes embryonnaires de souris déficientes en c-Src (Src -/- MEF). L'expression d'Egr-1, ainsi que l'activation des trois MAPKs par l'ET-1 ont été atténuées dans les cellules Src -/- par rapport au MEF exprimant des taux normaux Src. En résumé, ces données suggèrent que l'IGF-1R et c-Src PTK jouent un rôle essentiel dans la régulation de la phosphorylation de PKB et des MAPK dans l‟expression d'Egr-1, ainsi que dans les réponses hypertrophiques et prolifératives induites par l'ET-1 et Ang II dans les CMLVs.

Étude des déterminants moléculaires de la signalisation des récepteurs couplés aux protéines G et développement d'outils pour l'étude de l'effecteur bêta-arrestine.

Les récepteurs couplés aux protéines G (RCPG) constituent la plus grande famille de protéines membranaires du génome humain. Ils transmettent les signaux extracellulaires provenant de plusieurs stimuli comme les odeurs, les ions, les hormones et les neurotransmetteurs, à l'intérieur des cellules. En se liant aux RCPGs, ces molécules contribuent à la stabilisation des changements conformationnels activateurs qui se propagent jusqu'au domaine intracellulaire des récepteurs. Ces derniers engagent ensuite un ou plusieurs effecteurs, comme les protéines G hétérotrimériques et les β-arrestines (βarrs), qui activent une cascade d'événements moléculaires menant à la réponse cellulaire.Récemment, la publication de structures cristallines de RCPGs liant des ligands diffusibles a offert une opportunité de raffiner à une résolution atomique les modèles des mécanismes de transduction des signaux. Dans la première partie de cette thèse, nous avons donc exploré les déterminants de la signalisation du récepteur prototypique β2-adrénergique (β2AR), induite par les β-bloqueurs. En ne tenant compte que de leur efficacités sur le β2AR dans les voies de l'adénylate cyclase (AC) et des protéines kinases activées par les facteurs mitogéniques (MAPK), les β-bloqueurs peuvent être classés en 3 groupes distincts (agoniste inverse AC / agoniste MAPK, antagoniste neutre AC / agoniste MAPK et agoniste inverse AC / agoniste inverse MAPK). Afin de déterminer le lien entre leur efficacité et leur mode de liaison, nous avons réalisé des expériences d'arrimages moléculaires in silico entre des β-bloqueurs de chacun des groupes et la structure cristalline du β2AR liée au carazolol. De manière intéressante, les ligands à l'intérieur d'un groupe partagent un mode de liaison, alors que ceux des ligands entre les groupes divergent, suggérant que le mode de liaison des β-bloqueurs pourrait être utilisé pour prédire leur l'efficacité. En accord avec cette hypothèse, nous avons prédit et confirmé l'efficacité agoniste MAPK du carazolol, un inverse agoniste AC du β2AR se liant au récepteur de manière similaire au groupe inverse agoniste AC / agoniste MAPK. De manière intéressante, le groupement aryl des ligands agonistes inverses agonistes AC / agoniste MAPK, le seul groupement chimique variable de ce groupe, est prédite pour lier la région des 3e et 5e hélices transmembranaires (TM3 et TM5). Nous avons donc émis l'hypothèse que cette région pourrait être un déterminant de l'efficacité de ces ligands. En accord avec cette dernière, la mutation de 2 résidus (T118I, S203A) localisés proches du site de liaison des groupements aryls des β-bloqueurs, prévient l'efficacité agoniste inverse de l'ICI-118551 sur la voie de l'AC sans affecter l'efficacité d'un agoniste, indiquant que cette région est importante pour la transmission de l'effet agoniste inverse, du moins sur la voie de l'AC. Les βarrs sont des protéines d'échafaudage qui coordonnent la formation de complexes avec plusieurs dizaines d'effecteurs de signalisation. Originalement identifiées pour leur rôle dans la désensibilisation et l'internalisation des RCPGs, elles sont aussi d'importants effecteurs de la signalisation des RCPGs indépendante des protéines G hétérotrimériques. Cependant, contrairement aux protéines G hétérotrimériques, il n'existe que peu d'outils pour les étudier. Ainsi, la deuxième partie de la thèse est dédiée au développement d'outils pour l'étude des βarrs. À cette fin, nous avons d'abord tenté de transposer une méthode de mesure de l'interaction entre 2 protéines par la technologie de transfert d'énergie de bioluminescence par résonance (BRET) en microscopie et chez des souris transgéniques afin de mesurer de manière subcellulaire et dans un contexte natif l'engagement de la βarr à des RCPGs. Ainsi, nous avons établi les preuves de principe que le BRET peut être utilisé pour localiser l'interaction entre la βarr et le récepteur de la vasopressine de type 2 (V2R) sur une cellule au microscope et pour détecter l'interaction entre la βarr et le β2AR sur des tissus de souris transgéniques exprimant ces protéines fusionnées avec des partenaires BRET. Finalement, il n'existe aucun inhibiteur pharmacologique ciblant les βarrs. Ainsi, grâce à la combinaison d'approches de criblage virtuel sur un modèle de la structure des βarrs et d'essais de validation cellulaire, nous avons développé un inhibiteur pharmacologique des βarrs. À l'aide de cet outil, nous avons confirmé l'implication des βarrs dans l'activation des MAPK par le V2R, mais aussi montré un nouveau rôle des βarrs dans le recyclage du β2AR. Les connaissances et outils développés dans cette thèse permettront de mieux comprendre les déterminants moléculaires de la signalisation des RCPGs et entre autres, grâce à des nouvelles approches pour étudier le rôle cellulaire et physiologique des βarrs.

Caractérisation des transcrits antisens chez les rétrovirus HTLV et étude comparative des fonctions des protéines traduites à partir de ces transcrits antisens

Le premier membre de la famille des rétrovirus humains HTLV (Virus T-lymphotropique Humain), HTLV-1, a été découvert en 1980 et l’on estime aujourd’hui à plus de 10 millions le nombre d’individus infectés à travers le monde. Après une période de latence d’environ 40 ans, 5% des individus infectés développent des leucémies, des lymphomes adultes de lymphocytes T (ATLL) ou encore une myélopathie associée à HTLV-1/ paraparésie spastique tropicale (HAM/TSP). L’apparition de la maladie serait en grande partie orchestrée par deux protéines virales, soit Tax et HTLV-1 bZIP factor (HBZ). L’expression du génome viral se fait à partir d’un transcrit sens de pleine longueur suite à un épissage alternatif, à l’exception du gène HBZ. HBZ est produite à partir d’un transcrit antisens initié dans la séquence terminale longue répétée (LTR)’3. Elle a été décrite comme étant capable de réguler négativement la transcription virale dépendante de Tax en se dimérisant avec des facteurs de transcription cellulaires tels que CREB-2 et certains membres de la famille Jun. HBZ a aussi un pouvoir prolifératif et bien que nous ne sachions toujours pas le mécanisme moléculaire menant à l’oncogenèse par HBZ, nous savons qu’elle module une multitude de voies de transduction de signaux, dont AP-1. Nous avons récemment mis en évidence un transcrit antisens nommé Antisense Protein of HTLV-2 (APH-2) chez HTLV-2 qui n’est associé qu’à une myélopathie apparentée au HAM/TSP. Ce n’est qu’en 2005 que HTLV-3 et HTLV-4 se sont rajoutés au groupe HTLV. Cependant, aucune corrélation avec le développement d’une quelconque maladie n’a été montrée jusqu’à ce jour. Le premier volet de ce projet de doctorat avait pour objectif de détecter et caractériser les transcrits antisens produits par HTLV-3 et HTLV-4 et d’étudier les protéines traduites à partir de ces transcrits pour ainsi évaluer leurs similitudes et/ou différences avec HBZ et APH-2. Nos études de localisation cellulaire réalisées par microscopie confocale ont montré que APH-3 et APH-4 sont des protéines nucléaires, se retrouvant sous la forme de granules et, dans le cas d’APH-3, partiellement cytoplasmique. Ces granules co-localisent en partie avec HBZ. Les analyses à l’aide d’un gène rapporteur luciférase contenant le LTR 5’ de HTLV-1 ont montré que APH-3 et APH-4 peuvent aussi inhiber la transactivation du LTR 5’ par Tax. Aussi, des études faisant appel au gène rapporteur précédé d’un promoteur de collagénase (site AP-1), ont montré que ces deux protéines, contrairement à HBZ, activent la transcription dépendante de tous les membres des facteurs de transcription de la famille Jun. De plus, les mutants ont montré que le motif fermeture éclair (LZ) atypique de ces protéines est impliqué dans cette régulation. En effet, APH-3 et APH-4 modulent la voie Jun-dépendante en se dimérisant via leur LZ atypique avec la famille Jun et semblent activer la voie par un mécanisme ne faisant pas par d’un domaine activateur autonome. Dans un deuxième volet, nous avions comme objectif d’approfondir nos connaissances sur la localisation nucléolaire de HBZ. Lors de nos analyses, nous avons identifié deux nouveaux partenaires d’interaction, B23 et la nucléoline, qui semblent être associés à sa localisation nucléolaire. En effet, ces interactions sont plus fortes suivant une délétion des domaines AD et bZIP de HBZ qui dans ce cas est localisée strictement au nucléole. De plus, bien que APH-3 et APH-4 puissent se localiser aux nucléoles, HBZ est la seule protéine traduite à partir d’un transcrit antisens pouvant interagir avec B23. Finalement, ces travaux ont clairement mis en évidence que HTLV-3 et HTLV-4 permettent la production de transcrits antisens comme chez d’autres rétrovirus. Les protéines traduites à partir de ces transcrits antisens jouent d’importants rôles dans la réplication rétrovirale mais semblent avoir des fonctions différentes de celles de HBZ au niveau de la régulation de la transcription de la voie Jun. HBZ semble aussi jouer un rôle unique dans le nucléole en ciblant les protéines nucléolaires de la cellule. Ces études démontrent que les protéines produites à partir de transcrits antisens chez les rétrovirus HTLV partagent plusieurs ressemblances, mais démontrent aussi des différences. Ainsi, les APH pourraient, en tant qu’outil comparatif, aider à mieux cibler les mécanismes moléculaires importants utilisés par HBZ pour induire la pathogénèse associée à une infection par HTLV.

Événements de signalisation impliqués dans la production des gamètes, la pollinisation et l'embryogenèse chez Solanum chacoense Bitt

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

Characterization in Drosophila melanogaster of dPDZ-GEF, a Rap GTPase activator

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Événements de signalisation impliqués dans la production des gamètes, la pollinisation et l'embryogenèse chez Solanum chacoense Bitt

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

Characterization in Drosophila melanogaster of dPDZ-GEF, a Rap GTPase activator

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Signal transduction mechanisms underlying growth hormone receptor action

Our understanding of the mechanisms of action of GH and its receptor, the GHR, has advanced significantly in the last decade and has provided some important surprises. It is now clear that the GH-GHR axis activates a number of inter-related signalling pathways, not all of which are dependent on the intracellular tyrosine kinase, JAK2 as originally postulated. JAK2-independent pathways, mediated via the Src family kinases, together with a number of negative regulators of GH signalling and emerging cross-talk mechanisms with other growth factor receptors, provide a complex array of mechanisms that are capable of fine-tuning responses to GH in a cell context dependent manner. Additionally, it is also now clear that GH and the GHR can translocate to the nucleus of target cells and initiate, as yet not well defined, nuclear responses. Continued emphasis on elucidation of these complex mechanisms is critical to provide further insights into the diverse physiological and pathophysiological effects of GH.

Sphingosine-1-phosphate, a novel second messenger involved in cell growth regulation and signal transduction, affects growth and invasiveness of human breast cancer cells

This review will focus on the role of sphingosine and its phosphorylated derivative sphingosine-1-phosphate (SPP) in cell growth regulation and signal transduction. We will show that many of the effects attributed to sphingosine in quiescent Swiss 3T3 fibroblasts are mediated via its conversion to SPP. We propose that SPP has appropriate properties to function as an intracellular second messenger based on the following: it elicits diverse cellular responses; it is rapidly produced from sphingosine by a specific kinase and rapidly degraded by a specific lyase; its concentration is low in quiescent cells but increases rapidly and transiently in response to the growth factors, fetal calf serum (FCS) and platelet derived growth factor (PDGF); it releases Ca2+ from internal sources in an InsP3-independent manner; and finally, it may link sphingolipid signaling pathways to cellular ras-mediated signaling pathways by elevating phosphatidic acid levels. The effects of this novel second messenger on growth, differentiation and invasion of human breast cancer cells will be discussed. © 1994 Kluwer Academic Publishers.

Stress at the synapse : signal transduction mechanisms of adrenal steroids at neuronal membranes

As the key neuron-to-neuron interface, the synapse is involved in learning and memory, including traumatic memories during times of stress. However, the signal transduction mechanisms by which stress mediates its lasting effects on synapse transmission and on memory are not fully understood. A key component of the stress response is the increased secretion of adrenal steroids. Adrenal steroids (e.g., cortisol) bind to genomic mineralocorticoid and glucocorticoid receptors (gMRs and gGRs) in the cytosol. In addition, they may act through membrane receptors (mMRs and mGRs), and signal transduction through these receptors may allow for rapid modulation of synaptic transmission as well as modulation of membrane ion currents. mMRs increase synaptic and neuronal excitability; mechanisms include the facilitation of glutamate release through extracellular signal-regulated kinase signal transduction. In contrast, mGRs decrease synaptic and neuronal excitability by reducing calcium currents through N-methyl-D-aspartate receptors and voltage-gated calcium channels by way of protein kinase A- and G protein-dependent mechanisms. This body of functional data complements anatomical evidence localizing GRs to the postsynaptic membrane. Finally, accumulating data also suggest the possibility that mMRs and mGRs may show an inverted U-shaped dose response, whereby glutamatergic synaptic transmission is increased by low doses of corticosterone acting at mMRs and decreased by higher doses acting at mGRs. Thus, synaptic transmission is regulated by mMRs and mGRs, and part of the stress signaling response is a direct and bidirectional modulation of the synapse itself by adrenal steroids.

Prolonged hyperinsulinemia affects metabolic signal transduction markers in a tissue specific manner

Insulin dysregulation is common in horses although the mechanisms of metabolic dysfunction are poorly understood. We hypothesized that insulin signaling in striated (cardiac and skeletal) muscle and lamellae may be mediated through different receptors as a result of receptor content, and that transcriptional regulation of downstream signal transduction and glucose transport may also differ between tissues sites during hyperinsulinemia. Archived samples from horses treated with a prolonged insulin infusion or a balanced electrolyte solution were used. All treated horses developed marked hyperinsulinemia and clinical laminitis. Protein expression was compared across tissues for the insulin receptor and insulin-like growth factor 1 receptor (IGF-1R) by immunoblotting. Gene expression of metabolic insulin-signaling markers (insulin receptor substrate 1, Akt2, and glycogen synthase kinase 3 beta [GSK-3β]) and glucose transport (basal glucose transporter 1 and insulin-sensitive glucose transporter 4) was evaluated using real-time reverse transcription polymerase chain reaction. Lamellar tissue contained significantly more IGF-1R protein than skeletal muscle, indicating the potential significance of IGF-1R signaling for this tissue. Gene expression of the selected markers of insulin signaling and glucose transport in skeletal muscle and lamellar tissues was unaffected by prolonged hyperinsulinemia. In contrast, the significant upregulation of Akt2, GSK-3β, GLUT1, and GLUT4 gene expression in cardiac tissue suggested that the prolonged hyperinsulinemia induced an increase in insulin sensitivity and a transcriptional activation of glucose transport. Responses to insulin are tissue-specific, and extrapolation of data across tissue sites is inappropriate.

The Mechanisms of Hedgehog Signal Transduction

Studies in both vertebrates and invertebrates have identified proteins of the Hedgehog (Hh) family of secreted signaling molecules as key organizers of tissue patterning. Initially discovered in Drosophila in 1992, Hh family members have been discovered in animals with body plans as diverse as those of mammals, insects and echinoderms. In humans three related Hh genes have been identified: Sonic, Indian and Desert hedgehog (Shh, Ihh and Dhh). Transduction of the Hh signal to the cytoplasm utilizes an unusual mechanism involving consecutive repressive interactions between Hh and its receptor components, Patched (Ptc) and Smoothened (Smo). Several cytoplasmic proteins involved in Hh signal transduction are known in Drosophila, but mammalian homologs are known only for the Cubitus interruptus (Ci) transcription factor (GLI(1-3)) and for the Ci/GLI-associated protein, Suppressor of Fused (Su(fu)). In this study I analyzed the mechanisms of how the Hh receptor Ptc regulates the signal transducer Smo, and how Smo relays the Shh signal from the cell surface to the cytoplasm ultimately leading to the activation of GLI transcription factors. In Drosophila, the kinesin-like protein Costal2 (Cos2) is required for suppression of Hh target gene expression in the absence of ligand, and loss of Cos2 causes embryonic lethality. Cos2 acts by bridging Smo to the Ci. Another protein, Su(Fu) exerts a weak suppressive influence on Ci activity and loss of Su(Fu) causes subtle changes in Drosophila wing pattern. This study revealed that domains in Smo that are critical for Cos2 binding in Drosophila are dispensable for mammalian Smo function. Furthermore, by analyzing the function of Su(Fu) and the closest mouse homologs of Cos2 by protein overexpression and RNA interference I found that inhibition of the Hh response pathway in the absence of ligand does not require Cos2 activity, but instead critically depends on the activity of Su(Fu). These results indicate that a major change in the mechanism of action of a conserved signaling pathway occurred during evolution, probably through phenotypic drift made possible by the existence in some species of two parallel pathways acting between the Hh receptor and the Ci/GLI transcription factors. In a second approach to unravel Hh signaling we cloned > 90% of all human full-length protein kinase cDNAs and constructed the corresponding kinase-activity deficient mutants. Using this kinome resource as a screening tool, two kinases, MAP3K10 and DYRK2 were found to regulate Shh signaling. DYRK2 directly phosphorylated and induced the proteasome dependent degradation of the key Hh-pathway regulated transcription factor, GLI2. MAP3K10, in turn, affected GLI2 indirectly by modulating the activity of DYRK2.

Controlling transduction and replication of oncolytic adenoviruses

Despite progress in conventional cancer treatment regimes, metastatic disease essentially remains incurable and new treatment alternatives are needed. Virotherapy is a relatively novel approach in cancer treatment. It harnesses the natural ability of oncolytic viruses to kill the cells they proliferate in and to spread to neighboring cells, thereby amplifying the therapeutic effect of the initial input dose. The use of replicating, oncolytic viruses for cancer treatment necessitates introduction of various genetic modifications to the viral genome, thereby restraining replication exclusively to tumor cells and eventually obtaining selective eradication of the tumor without side effects to healthy tissue. Furthermore, various modifications can be applied to the viral capsid in hope of gaining effective transduction of target tissue. In other words, the entry of viruses into tumor tissue can be augmented by allowing the virus to utilize non-native receptors for entry. Genetic capsid modifications may also help to avoid some major hurdles in systemic delivery that ultimately lead to the rapid clearance of the virus from the blood and virus induced toxicity. In addition to genetic modifications that alter the phenotype of the virus, some pharmacologic agents may be utilized to enhance the virus entry to target site. Liver kupffer cells (KC) are responsible for the majority of viral clearance after systemic viral delivery and they play a major role in adenovirus induced acute toxicity. The therapeutic window could possibly be widened by transiently depleting KCs, allowing smaller viral input doses and diminishing KC related toxicity. The transductional efficacy of various capsid modified viruses was analyzed in vitro and in vivo in murine orthotopic breast cancer model. The effect of capsid modifications on the oncolytic efficacy, i.e. the ability of the viruses to kill cancer cells, was evaluated in vitro and in vivo in murine cancer models. We concluded that capsid modifications result in transductional enhancement, and that enhanced transduction translates into more potent oncolysis in vitro and in vivo. When KC depleting agents were used in vivo prior to viral injections, enhanced tumor transduction was seen, but this effect was not translated into enhanced antitumor activity. Transcriptional regulation of replicative oncolytic viruses is a prerequisite for virotherapy. Tumor or tissue specific promoters can be used to control the transcription of adenoviral early genes to gain cancer specific viral replication. Specific deletions in viral regions essential for virus replication in normal cells can further increase the safety by allowing viral genome replication in cancer cells featuring specific mutations. Genetically modified viruses were shown to be able to kill putative cancer stem cells that are thought to be responsible for post treatment relapses and metastasis. Further, pharmacologic intervention reduced viral replication and thereby might offer an additional safety switch in case viral replication related side effects are encountered.