The maintenance of skeletal muscle mass is very important for the prevention of life style-related diseases and the improvement of quality of life. It is well-known that resistance exercise and nutrition (especially amino acids) are the most effective interventions for maintaining skeletal muscle mass. It has been reported that many molecules are involved in the regulation of protein synthesis in response to resistance exercise and nutrition. Understanding the molecular mechanisms regulating muscle protein synthesis is crucial for the development of appropriate interventions. The role of intracellular signaling pathways through the mammalian target of rapamycin (mTOR), a serine/threonine protein kinase in the regulation of muscle protein synthesis, has been extensively investigated for these years. Control of protein synthesis by mTOR is mediated through phosphorylation of downstream targets that modulate translation initiation and elongation step. In contrast, upstream mediators regulating mTOR and protein synthesis in response to resistance exercise and amino acid still needed to be determined. In this brief review, we discuss the current progress of intracellular mechanisms for exercise- and amino acid-induced activation of mTOR pathways and protein synthesis in skeletal muscle.
Lincomycin, an inhibitor of plastid protein synthesis, was found to block the synthesis of apoprotein P700 with a molecular mass of 72 kDa and the assembly of the Chl a-protein of PS I. Synthesis of the polypeptides of 48, 43.5, and 32 kDa of the PS II complex is also suppressed. This process is accompanied by the disappearance of the PS Two reaction center Chl a at 683 nm, and of the PS One reaction center Chl a at 690, 696, and 705 nm on the fourth derivative of the absorption spectra at 77K. Lincomycin does not affect the synthesis of LHC subunits. It increases the content of the two main Chl forms of LHC at 648 nm (Chl b) and 676 nm (Chl a). The low-temperature fluorescence ratio F736/F685 is also increased. However, the effect of cycloheximide (an inhibitor of cytoplasmic protein synthesis) leads to the reduction of polypeptides of the light-harvesting Chl a/b-protein complex in the range of 29.5-22 kDa. Under these conditions, the relative amount of Chl b and the F736/ F685 fluorescence ratio decrease significantly. This is obviously the result of blocking the LHC I and LHC II synthesis. At the same time rifampicin and actinomycin D (inhibitors which block transcription in chloroplast and nuclear genome, respectively) inessentially affect the characteristics of these complexes.
Although amino acids are substrates for the synthesis of proteins and nitrogen-containing compounds, it has become more and more clear over the years that these nutrients are also extremely important as regulators of body protein turnover. The branched-chain amino acids (BCAAs) together or simply leucine alone stimulate protein synthesis and inhibit protein breakdown in skeletal muscle. However, it was only recently that the mechanism(s) involved in the regulation of protein turnover by BCAAs has begun to be defined. The acceleration of protein synthesis by these amino acids seems to occur at the level of peptide chain initiation. Oral administration of leucine to food-deprived rats enhances muscle protein synthesis, in part, through activation of the mRNA binding step of translation initiation. Despite our knowledge of the induction of protein synthesis by BCAAs, there are few studies on the suppression of protein degradation. The recent findings that oral administration of leucine rapidly reduced $N^{\tau}$-methylhistidine (3-methylhistidine; MeHis) release from isolated muscle, an index of myofibrillar protein degradation, indicate that leucine suppresses myofiblilar protein degradation. The details of the molecular mechanism by which leucine inhibits proteolysis is just beginning to be elucidated. The purpose of this report was to review the current understanding of how BCAAs act as regulators of protein turnover.
Lee, Sun Kyung;Lee, Ji Sun;Shin, Ki Soon;Yoo, Soon Ji
Molecules and Cells
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v.24
no.3
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pp.445-451
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2007
Translation initiation factor 4E (eIF4E) is a key regulator of protein synthesis. Abnormal regulation of eIF4E is closely linked to oncogenic transformation. Several regulatory mechanisms affecting eIF4E are discussed, including transcriptional regulation, phosphorylation and binding of an inhibitor protein. However it is not clear how the level of eIF4E protein is regulated under basal conditions. Here we demonstrate that Diap1 (Drosophila Inhibitor of Apoptosis Protein), a cell death inhibitor, binds directly to eIF4E and poly-ubiquitinates it via its E3 ligase activity, promoting its proteasome-dependent degradation. Expression of Diap1 caused a reduction of Cyclin D1 protein level and inhibited the growth stimulation induced by overexpression of eIF4E. Taken together, our results suggest that the level of eIF4E protein is regulated by Diap1, and that IAPs may play a role in cap-dependent translation by regulating the level of eIF4E protein.
Transfer RNA-derived small RNAs (tsRNAs) play a role in various cellular processes. Accumulating evidence has revealed that tsRNAs are deeply implicated in human diseases, such as various cancers and neurological disorders, suggesting that tsRNAs should be investigated to develop novel therapeutic intervention. tsRNAs provide more complexity to the physiological role of transfer RNAs by repressing or activating protein synthesis with distinct mechanisms. Here, we highlight the detailed mechanism of tsRNA-mediated dual regulation in protein synthesis and discuss the necessity of novel sequencing technology to learn more about tsRNAs.
Formation of inclusion bodies is usually observed when foreign proteins are overexpressed in E. coli. The formation of inclusion bodies might be prevented by lowering the rate of protein synthesis, and appropriate regulation of the protein expression rate may lead to the soluble expression. In this study, human growth hormone (rhGH) was expressed in a soluble form by slowing down the protein synthesis rate, which was controlled in the transcriptional and translational levels. The transcriptional level was controlled by the regulation of the amount of RNA polymerase specific to the promoter in front of the rhGH gene. For lowering the rate of translation, the T7 transcription terminator-deleted vector was used to synthesize the longer mRNA of the target gene because the longer mRNA is expected to reduce the availability of tree ribosomes. In both methods, the percentage of soluble expression increased when the expression rate slowed down, and more than 93% of rhGH expressed was a soluble form in the T7 transcription terminator-deleted expression system.
Kim, Won-Il;Jung, Goo-Bok;Kim, Min-Kyeong;Park, Kwang-Lai;Yun, Sun-Gang
Korean Journal of Environmental Agriculture
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v.20
no.5
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pp.310-316
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2001
To find out the effect of low temperature on the regulation of tomato chloroplast genes, the optimization of the system in chloroplast protein synthesis and the identification of the changes in chloroplast protein synthesis induced by chilling were studied. Incorporation reaction occurred rapidly at the first 30 minutes and was constantly maintained after 60 minutes. A broad optimal temperature on protein synthesis was found around 20 to $30^{\circ}C$. No difference was shown in the chloroplast protein synthesis under high light intensity (1600 ${\mu}E/m^2/s$) as well as under low light intensity (400 ${\mu}E/m^2/s$) even darkness. $K^+$, $Mg^{++}$ and ATP at an optimal concentration act as an activator, while DTT, chloramphenicol, cycloheximide, $Ca^{++}$ and inorganic phosphate act as an inhibitor in the chloroplast protein synthesis. Synthesis of 15, 55 and 60 kd chloroplast encoded stromal proteins and 18, 24, 33 and 55 kd chloroplast encoded thylakoid membrane proteins were reduced by chilling, while 17 kd chloroplast encoded stromal protein and 16 kd chloroplast encoded thylakoid membrane protein was induced by chilling. It was expected that the 55 kd stromal protein would be the large subunit of rubisco and the 33 kd thylakoid membrane protein would be the D1 protein which was drastically reduced by chilling.
Imbalance of protein homeostasis (proteostasis) is known to cause cellular malfunction, cell death, and diseases. Elaborate regulation of protein synthesis and degradation is one of the important processes in maintaining normal cellular functions. Protein degradation pathways in eukaryotes are largely divided into proteasome-mediated degradation and lysosome-mediated degradation. Proteasome is a multisubunit complex that selectively degrades 80% to 90% of cellular proteins. Proteasome-mediated degradation can be divided into 26S proteasome (20S proteasome + 19S regulatory particle) and free 20S proteasome degradation. In 1980, it was discovered that during ubiquitination process, wherein ubiquitin binds to a substrate protein in an ATP-dependent manner, ubiquitin acts as a degrading signal to degrade the substrate protein via proteasome. Conversely, 20S proteasome degrades the substrate protein without using ATP or ubiquitin because it recognizes the oxidized and structurally modified hydrophobic patch of the substrate protein. To date, most studies have focused on protein degradation via 26S proteasome. This review describes the 26S/20S proteasomal pathway of protein degradation and discusses the potential of proteasome as therapeutic targets for cancer treatment as well as against diseases caused by abnormalities in the proteolytic system.
Acetohydroxyacid synthase (EC 4.1.3.18) catalyses the first reaction in the pathway for synthesis of the branched-chain amino acids. The enzyme is inhibited by several commercial herbicides and has been subjected to detailed study over the last 20 to 30 years. Here we review the progress that has been made in understanding its structure, regulation, mechanism, and inhibition.
The present study was undertaken to determine the effect of tensile force on DNA and protein biosynthesis in bone cells, and to identify the cell type(s) which primarily respond to external physical force among the heterogenous bone cell populations. As a prerequisite for this study, two bone cell populations which retain fibroblastic and osteoblastic feature were isolated from fetal rat calvaria with sequential enzyme digestion scheme. Tensile force was delivered to each bone cell population by two acrylic resin plates connected with a orthodontic expansion screw during culture period. Rate of DNA and protein synthesis in each bone cell population were assessed by the incorporated radioactivity of $[^3H]-thymidine$ into DNA and $[^3H]-proline$ into fraction of collagenase-digestible protein and noncollagenous protein, respectively. DNA synthesis of osteoblast-like calvarial cell populations was increased significantly by the application of tensile force for 24 hours. In contrast, no alteration in DNA synthesis of fibroblast-like populations could be observed in response to applied force. Tensile force induced the change in protein synthesis of bone cell populations with the same pattern. Total protein and collagen synthesis were increased whithin 24 hours in osteoblast-like populations, but not in fibroblast-like populations by tensile force application. These findings indicate that physical force can affect cellullar activity of the particular cell population, not all cell Populations residing in bone and osteoblasts respond more sensitively than fibroblasts. So osteoblasts can modulate the behavior of other bone cells including osteoclasts by producing several local regulating factors of bone metabolism. In this context, preferential responsiveness of osteoblasts to applied tensile force observed in this study suggests that osteoblasts may play an important role in regulation of physical force-induced remodelling process.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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