The regulator of calcineurin (RCAN) was first reported as a novel gene called DSCR1, encoded in a region termed the Down syndrome critical region (DSCR) of human chromosome 21. Genome sequence comparisons across species using bioinformatics revealed three members of the RCAN gene family, RCAN1, RCAN2, and RCAN3, present in most jawed vertebrates, with one member observed in most invertebrates and fungi. RCAN is most highly expressed in brain and striated muscles, but expression has been reported in many other tissues, as well, including the heart and kidneys. Expression levels of RCAN homologs are responsive to external stressors such as reactive oxygen species, Ca2+, amyloid β, and hormonal changes and upregulated in pathological conditions, including Alzheimer's disease, cardiac hypertrophy, diabetes, and degenerative neuropathy. RCAN binding to calcineurin, a Ca2+/calmodulin-dependent phosphatase, inhibits calcineurin activity, thereby regulating different physiological events via dephosphorylation of important substrates. Novel functions of RCANs have recently emerged, indicating involvement in mitochondria homeostasis, RNA binding, circadian rhythms, obesity, and thermogenesis, some of which are calcineurin-independent. These developments suggest that besides significant contributions to DS pathologies and calcineurin regulation, RCAN is an important participant across physiological systems, suggesting it as a favorable therapeutic target.
The treatment of radish cotyledons with a nitric oxide (NO)-releasing substance, sodium nitroprusside (SNP) resulted in an increased adventitious root development in a dose-dependent manner. However, this NO-mediated enhancement effect was reversed when either 0.5 mM EGTA (an extracellular $Ca^{2+}$ chelator) or 0.1 mM $LaCl_3$ (a calcium channel blocker) was applied with $50\;{\mu}M$ SNP. Our results also showed that guaiacol peroxidase (GPX) and syringaldazine peroxidase (SPX) activities, which are known to play a key role in rooting, were more largely increased during adventitious root induction in the cotyledons treated with SNP. However, the treatment of cotyledons with SNP plus $LaCl_3$ inhibited the SNP-induced increases in the activities of both GPX and SPX. Trifluoperazine (TFP), an antagonist of calmodulin (a specific calcium-binding protein), also delayed adventitious root formation and significantly reduced the root length and number of the SNP-treated cotyledons as well as the deactivation of GPX and SPX enzymes. In conclusion, our results suggest that calcium is involved in the NO response leading to induction of adventitious root through a regulation of GPX and SPX.
Transient receptor potential ankyrin 1 from rattlesnakes (rsTRPA1) and boas (bTRPA1) was previously proposed to underlie thermo-sensitive infrared sensing based on transcript enrichment in infrared-sensing neurons and hyper-thermosensitivity expressed in Xenopus oocytes. It is unknown how these TRPA1s show thermosensitivities that overwhelm other thermoreceptors, and why rsTRPA1 is more thermosensitive than bTRPA1. Here, we show that snake TRPA1s differentially require Ca2+ for hyper-thermosensitivity and that predisposition to cytosolic Ca2+ potentiation correlates with superior thermosensitivity. Extracellularly applied Ca2+ upshifted the temperature coefficients (Q10s) of both TRPA1s, for which rsTRPA1, but not bTRPA1, requires cytosolic Ca2+. Intracellular Ca2+ chelation and substitutive mutations of the conserved cytosolic Ca2+-binding domain lowered rsTRPA1 thermosensitivity comparable to that of bTRPA1. Thapsigargin-evoked Ca2+ or calmodulin little affected rsTRPA1 activity or thermosensitivity, implying the importance of precise spatiotemporal action of Ca2+. Remarkably, a single rattlesnake-mimicking substitution in the conserved but presumably dormant cytosolic Ca2+-binding domain of bTRPA1 substantially enhanced thermosensitivity through cytosolic Ca2+ like rsTRPA1, indicating the capability of this single site in the determination of both cytosolic Ca2+ dependence and thermosensitivity. Collectively, these data suggest that Ca2+ is essential for the hyper-thermosensitivity of these TRPA1s, and cytosolic potentiation by permeating Ca2+ may contribute to the natural variation of infrared senses between rattlesnakes and boas.
Cytosolic Ca2+ levels ([Ca2+]c) change dynamically in response to inducers, repressors, and physiological conditions, and aberrant [Ca2+]c concentration regulation is associated with cancer, heart failure, and diabetes. Therefore, [Ca2+]c is considered as a good indicator of physiological and pathological cellular responses, and is a crucial biomarker for drug discovery. A genetically encoded calcium indicator (GECI) was recently developed to measure [Ca2+]c in single cells and animal models. GECI have some advantages over chemically synthesized indicators, although they also have some drawbacks such as poor signal-to-noise ratio (SNR), low positive signal, delayed response, artifactual responses due to protein overexpression, and expensive detection equipment. Here, we developed an indicator based on interactions between Ca2+-loaded calmodulin and target proteins, and generated an innovative GECI sensor using split nano-luciferase (Nluc) fragments to detect changes in [Ca2+]c. Stimulation-dependent luciferase activities were optimized by combining large and small subunits of Nluc binary technology (NanoBiT, LgBiT:SmBiT) fusion proteins and regulating the receptor expression levels. We constructed the binary [Ca2+]c sensors using a multicistronic expression system in a single vector linked via the internal ribosome entry site (IRES), and examined the detection efficiencies. Promoter optimization studies indicated that promoter-dependent protein expression levels were crucial to optimize SNR and sensitivity. This novel [Ca2+]c assay has high SNR and sensitivity, is easy to use, suitable for high-throughput assays, and may be useful to detect [Ca2+]c in single cells and animal models.
Contraction of smooth muscle is initiated by an increase in cytosolic $Ca^{2+}$ leading to activation of $Ca^{2+}$/ calmodulin-dependnet myosin light chain (MLC) kinase and phosphorylation of MLC. The types of contraction and signaling mechanisms mediating contraction differ depending on the region. The involvement of these different mechanisms varies depending on the source of $Ca^{2+}$ and the kinetic of $Ca^{2+}$ mobilization. $Ca^{2+}$ mobilizing agonists stimulate different phospholipases $(PLC-{\beta},\;PLD\;and\;PLA_2)$ to generate one or more $Ca^{2+}$ mobilizing messengers $(IP_3\;and\;AA),$ and diacylglycerol (DAG), an activator of protein kinase C (PKC). The relative contributions of $PLC-{\beta},\;PLA_2$ and PLD to generate second messengers vary greatly between cells and types of contraction. In smooth muscle cell derived form the circular muscle layer of the intestine, preferential hydrolysis of $PIP_2$ and generation of $IP_3$ and $IP_3-dependent\;Ca^{2+}$ release initiate the contraction. In smooth muscle cells derived from longitudinal muscle layer of the intestine, preferential hydrolysis of PC by PLA2, generation of AA and AA-mediated $Ca^{2+}$ influx, cADP ribose formation and $Ca^{2+}-induced\;Ca^{2+}$ release initiate the contraction. Sustained contraction, however, in both cell types is mediated by $Ca^{2+}-independent$ mechanism involving activation of $PKC-{\varepsilon}$ by DAG derived form PLD. A functional linkage between $G_{13},$ RhoA, ROCK, $PKC-{\varepsilon},$ CPI-17 and MLC phosphorylation in sustained contraction has been implicated. Contraction of normal esophageal circular muscle (ESO) in response to acetylcholine (ACh) is linked to $M_2$ muscarinic receptors activating at least three intracellular phospholipases, i.e. phosphatidylcholine-specific phospholipase C (PC-PLC), phospholipase D (PLD) and the high molecular weight (85 kDa) cytosolic phospholipase $A_2\;(cPLA_2)$ to induce phosphatidylcholine (PC) metabolism, production of diacylglycerol (DAG) and arachidonic acid (AA), resulting in activation of a protein kinase C (PKC)-dependent pathway. In contrast, lower esophageal sphincter (LES) contraction induced by maximally effective doses of ACh is mediated by muscarinic $M_3$ receptors, linked to pertussis toxin-insensitive GTP-binding proteins of the $G_{q/11}$ type. They activate phospholipase C, which hydrolyzes phosphatidylinositol bisphosphate $(PIP_2),$ producing inositol 1, 4, 5-trisphosphate $(IP_3)$ and DAG. $IP_3$ causes release of intracellular $Ca^{2+}$ and formation of a $Ca^{2+}$-calmodulin complex, resulting in activation of myosin light chain kinase and contraction through a calmodulin-dependent pathway.
Park, Hyeong Cheol;Kim, Man Lyang;Kang, Yun Hwan;Jeong, Jae Cheol;Cheong, Mi Sun;Choi, Wonkyun;Lee, Sang Yeol;Cho, Moo Je;Kim, Min Chul;Chung, Woo Sik;Yun, Dae-Jin
Molecules and Cells
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v.27
no.4
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pp.475-480
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2009
The transcription of soybean (Glycine max) calmodulin isoform-4 (GmCaM-4) is dramatically induced within 0.5 h of exposure to pathogen or NaCl. Core cis-acting elements that regulate the expression of the GmCaM-4 gene in response to pathogen and salt stress were previously identified, between -1,207 and -1,128 bp, and between -858 and -728 bp, in the GmCaM-4 promoter. Here, we characterized the properties of the DNA-binding complexes that form at the two core cis-acting elements of the GmCaM-4 promoter in pathogen-treated nuclear extracts. We generated GUS reporter constructs harboring various deletions of approximately 1.3-kb GmCaM-4 promoter, and analyzed GUS expression in tobacco plants transformed with these constructs. The GUS expression analysis suggested that the two previously identified core regions are involved in inducing GmCaM-4 expression in the heterologous system. Finally, a transient expression assay of Arabidopsis protoplasts showed that the GmCaM-4 promoter produced greater levels of GUS activity than did the CaMV35S promoter after pathogen or NaCl treatments, suggesting that the GmCaM-4 promoter may be useful in the production of conditional gene expression systems.
Liquiritigenin (LQ) is a flavonoid that can be isolated from Glycyrrhiza radix. It is frequently used as a tranditional oriental medicine herbal treatment for swelling and injury and for detoxification. However, the effects of LQ on cognitive function have not been fully explored. In this study, we evaluated the memory-enhancing effects of LQ and the underlying mechanisms with a focus on the N-methyl-D-aspartic acid receptor (NMDAR) in mice. Learning and memory ability were evaluated with the Y-maze and passive avoidance tests following administration of LQ. In addition, the expression of NMDAR subunits 1, 2A, and 2B; postsynaptic density-95 (PSD-95); phosphorylation of $Ca^{2+}$/calmodulin-dependent protein kinase II (CaMKII); phosphorylation of extracellular signal-regulated kinase 1/2 (ERK 1/2); and phosphorylation of cAMP response element binding (CREB) proteins were examined by Western blot. In vivo, we found that treatment with LQ significantly improved memory performance in both behavioral tests. In vitro, LQ significantly increased NMDARs in the hippocampus. Furthermore, LQ significantly increased PSD-95 expression as well as CaMKII, ERK, and CREB phosphorylation in the hippocampus. Taken together, our results suggest that LQ has cognition enhancing activities and that these effects are mediated, in part, by activation of the NMDAR and CREB signaling pathways.
Calcineurin is a $Ca^{2+}$/Calmodulin activated Ser/Thr phosphatase that is well conserved from yeast to human. It is composed of catalytic subunit A (CnA) and regulatory subunit B (CnB). C. elegans homolog of CnA and CnB has been annotated to tax-6 and cnb-1, respectively and in vivo function of both genes has been intensively studied. In C. elegans, calcineurin play roles in various signaling pathways such as fertility, movement, body size regulation and serotonin-mediated egg laying. In order to understand additional signaling pathway(s) in which calcineurin functions, we screened for binding proteins of TAX-6 and found a novel binding protein, HLH-11. The HLH-11, a member of basic helix-loop-helix (bHLH) proteins, is a putative counterpart of human AP4 transcription factor. Previously bHLH transcription factors have been implicated to regulate many developmental processes such as cell proliferation and differentiation, sex determination and myogenesis. However, the in vivo function of hlh-11 is largely unknown. Here, we show that hlh-11 is expressed in pharynx, intestine, nerve cords, anal depressor and vuvla muscles where calcineurin is also expressed. Mutant analyses reveal that hlh-11 may have role(s) in regulating body size and reproduction. More interestingly, genetic epistasis suggests that hlh-11 may function to regulate serotoninmediated egg laying at the downstream of tax-6.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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