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Cyclic nucleotides are important second messengers involved in cellular events, and analogues of this type of molecules are promising drug candidates. Some cyclic nucleotide analogues have become standard tools for the investigation of biochemical and physiological signal transduction pathways, such as the Rp-diastereomers of adenosine and guanosine 3′,5′-cyclic monophosphorothioate, which are competitive inhibitors of cAMP- and cGMP-dependent protein kinases. Next generation analogues exhibit a higher membrane permeability, increased resistance against degradation, and improved target specificity, or are caged or photoactivatable for fast and/or targeted cellular imaging. Novel specific nucleotide analogues activating or inhibiting cyclic nucleotide-dependent ion channels, EPAC/GEF proteins, and bacterial target molecules have been developed, opening new avenues for basic and applied research. This review provides an overview of the current state of the field, what can be expected in the future and some practical considerations for the use of cyclic nucleotide analogues in biological systems.
Background/Aims: Signaling of Gs protein-coupled receptors (GsPCRs) is accomplished by stimulation of adenylyl cyclase, causing an increase of the intracellular cAMP concentration, activation of the intracellular cAMP effectors protein kinase A (PKA) and Epac, and an efflux of cAMP, the function of which is still unclear.
Methods: Activation of adenylyl cyclase by GsPCR agonists or cholera toxin was monitored by measurement of the intracellular cAMP concentration by ELISA, anti-phospho-PKA substrate motif phosphorylation by immunoblotting, and an Epac-FRET assay in the presence and absence of adenosine receptor antagonists or ecto-nucleotide phosphodiesterase/pyrophosphatase2 (eNPP2) inhibitors. The production of AMP from cAMP by recombinant eNPP2 was measured by HPLC. Extracellular adenosine was determined by LC-MS/MS, extracellular ATP by luciferase and LC-MS/MS. The expression of eNPP isoenzymes 1-3 was examined by RT-PCR. The expression of multidrug resistance protein 4 was suppressed by siRNA.
Results: Here we show that the activation of GsPCRs and the GsPCRs-independent activation of Gs proteins and adenylyl cyclase by cholera toxin induce stimulation of cell surface adenosine receptors (A2A or A2B adenosine receptors). In PC12 cells stimulation of adenylyl cyclase by GsPCR or cholera toxin caused activation of A2A adenosine receptors by an autocrine signaling pathway involving cAMP efflux through multidrug resistance protein 4 and hydrolysis of released cAMP to AMP by eNPP2. In contrast, in PC3 cells cholera toxin- and GsPCR-induced stimulation of adenylyl cyclase resulted in the activation of A2B adenosine receptors.
Conclusion: Our findings show that stimulation of adenylyl cyclase causes a remarkable activation of cell surface adenosine receptors.
H. salinarum ist einer von zwei archaealen Organismen, die synchronisiert werden können. Die Synchronisations-Methode konnte in dieser Arbeit optimiert werden. Nahezu 100 % aller Zellen teilen sich in einer Zeitspanne von einem Viertel der Generationszeit. Die Analyse zweier aufeinanderfolgender Zellzyklen zeigte, dass die Zellen sich auch im zweiten Zyklus synchron teilen. Die Zellsynchronisation wurde angewendet, um zellzyklusabhängige Vorgänge in H. salinarum auf unterschiedlichen Ebenen zu charakterisieren. Mittels DNA-Mikroarrays wurden Transkriptomänderungen untersucht. Nur 87 Gene zeigten zellzyklusspezifische Regulationen. Dies entspricht 3 % aller vorhergesagten offenen Leserahmen und ist somit im Vergleich zu allen anderen Organismen, deren Transkriptome untersucht wurden, deutlich geringer. Die Transkriptmengen von 15 ausgewählten Genen wurden mit Northern Blot Analysen verifiziert. Die regulierten Gene konnten in sieben Gruppen mit unterschiedlichen Transkriptprofilen eingeordnet werden. Gruppenspezifische DNA-Sequenzmotive wurden gefunden, von denen angenommen wird, dass sie in die zellzyklusspezifische Transkriptionsregulation involviert sind. Überraschenderweise wurden die meisten als Zellzyklusgene annotierten Gene konstitutiv transkribiert. Die Analyse zellzyklusabhängiger Proteomänderungen erfolgte mittels 2D-Gelelektrophorese. 1200 Proteine konnten reproduzierbar detektiert werden. Die meisten Proteine wurden konstitutiv exprimiert. Nur 30 Proteine zeigten eine zellzyklusabhängige Regulation. Dies entspricht 2,5 % der reproduzierbar detektierten Proteine. Es konnten unterschiedliche Expressionsprofile gefunden werden. Aus den Transkriptom- und Proteomanalysen folgt, dass auf Ebene der Genexpression nur wenige zellzyklusabhängige Regulationen existieren. Sekundäre Botenstoffe spielen eine wesentliche Rolle bei Signaltransduktionen und sind an Regulationen von Zellzyklen beteiligt. Eine Methode zur Messung intrazellulärer cAMP-Konzentration in H. salinarum konnte etabliert werden. Die basale cAMP-Konzentration von 200 µM in haloarchaealen Zellen ist bedeutend höher als die von Hefe. Synchrone Kulturen wurden auf die Oszillation des sekundären Botenstoffes hin untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass die Konzentration zellzyklusabhängig zweimal kurzfristig signifikant erhöht wird. Die cAMP-Konzentration steigt einmal vor und einmal direkt nach der Zellteilung an. cAMP könnte daher ein wichtiges Signal für das Fortschreiten des Zellzyklusses sein. Es konnte eine Methode zur Analyse der Replikation in H. salinarum entwickelt werden. Hierfür wurde das Basenanalogon BrdU und ein spezifischer Antikörper gegen dieses verwendet. Die Analyse synchroner Kulturen zeigte das überraschende Ergebnis, dass die Zellen ihre DNA während des gesamten Zellzyklusses zu replizieren scheinen. Vor allem die DNA-Synthese in synchronen Kulturen während der Teilungsphase der Zellen stellt einen völlig neuartigen Zellzyklusablauf dar. Für in vivo Analyse von Zellzyklusproteinen können diese mit GFP markiert und fluoreszenzmikroskopisch analysiert werden. Mit dieser Methode konnten wichtige zellzyklusabhängige Aspekte in anderen Arten aufgeklärt werden. Für einen GFP-Modellversuch wurde in dieser Arbeit ein Fusionsgen bestehend aus den offenen Leserahmen von bop (bacterio-opsin) und gfp (green fluorescent protein) erstellt. Die Expression des chromosomalen bop Gens und des plasmidkodierten bop-gfp Fusionsgens wurde mit Northern Blot Analysen nachgewiesen. Die Purpurmembranbiogenese wurde fluoreszenzmikroskopisch in lebenden H. salinarum Zellen untersucht. Es stellte sich heraus, dass die Bildung der Purpurmembran ca. 15 Stunden nach Eintritt der Zellen in die stationäre Wachstumsphase beginnt. Innerhalb der folgenden sieben Stunden stieg sowohl die Anzahl an Zellen mit fluoreszierenden Signalen als auch die durchschnittliche Anzahl an Signalen pro Zelle gleichmäßig an. Die Ergebnisse zeigen, dass GFP-Fusionsproteine in H. salinarum z. B. zur Charakterisierung von differentieller Genexpression verwendet werden können. Des Weiteren könnten sie für die Untersuchung zellzyklusabhängiger Proteinlokalisation und für die Analyse der intrazellulären Verteilung putativer Cytoskelettproteine eingesetzt werden.
Endothelium-dependent vasodilation is thought to be mediated primarily by the NO/cGMP signaling pathway whereas cAMP-elevating vasodilators are considered to act independent of the endothelial cell layer. However, recent functional data suggest that cAMP-elevating vasodilators such as β-receptor agonists, adenosine or forskolin may also be endothelium-dependent. Here we used functional and biochemical assays to analyze endothelium-dependent, cGMP- and cAMP-mediated signaling in rat aorta. Acetylcholine and sodium nitroprusside (SNP) induced a concentration-dependent relaxation of phenylephrine-precontracted aorta. This response was reflected by the phosphorylation of the vasodilator-stimulated phosphoprotein (VASP), a validated substrate of cGMP- and cAMP-dependent protein kinases (cGK, cAK), on Ser157 and Ser239. As expected, the effects of acetylcholine were endothelium-dependent. However, relaxation induced by the β-receptor agonist isoproterenol was also almost completely impaired after endothelial denudation. At the biochemical level, acetylcholine- and isoproterenol-evoked cGK and cAK activation, respectively, as measured by VASP Ser239 and Ser157 phosphorylation, was strongly diminished. Furthermore, the effects of isoproterenol were repressed by eNOS inhibition when endothelium was present. We also observed that the relaxing and biochemical effects of forskolin were at least partially endothelium-dependent. We conclude that cAMP-elevating vasodilators, i.e. isoproterenol and to a lesser extent also forskolin, induce vasodilation and concomitant cyclic nucleotide protein kinase activation in the vessel wall in an endothelium-dependent way.