Kobet, Robert A.;Pan, Xiaoping;Zhang, Baohong;Pak, Stephen C.;Asch, Adam S.;Lee, Myon-Hee
Biomolecules & Therapeutics
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v.22
no.5
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pp.371-383
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2014
The nematode Caenorhabditis elegans (C. elegans) offers a unique opportunity for biological and basic medical researches due to its genetic tractability and well-defined developmental lineage. It also provides an exceptional model for genetic, molecular, and cellular analysis of human disease-related genes. Recently, C. elegans has been used as an ideal model for the identification and functional analysis of drugs (or small-molecules) in vivo. In this review, we describe conserved oncogenic signaling pathways (Wnt, Notch, and Ras) and their potential roles in the development of cancer stem cells. During C. elegans germline development, these signaling pathways regulate multiple cellular processes such as germline stem cell niche specification, germline stem cell maintenance, and germ cell fate specification. Therefore, the aberrant regulations of these signaling pathways can cause either loss of germline stem cells or overproliferation of a specific cell type, resulting in sterility. This sterility phenotype allows us to identify drugs that can modulate the oncogenic signaling pathways directly or indirectly through a high-throughput screening. Current in vivo or in vitro screening methods are largely focused on the specific core signaling components. However, this phenotype-based screening will identify drugs that possibly target upstream or downstream of core signaling pathways as well as exclude toxic effects. Although phenotype-based drug screening is ideal, the identification of drug targets is a major challenge. We here introduce a new technique, called Drug Affinity Responsive Target Stability (DARTS). This innovative method is able to identify the target of the identified drug. Importantly, signaling pathways and their regulators in C. elegans are highly conserved in most vertebrates, including humans. Therefore, C. elegans will provide a great opportunity to identify therapeutic drugs and their targets, as well as to understand mechanisms underlying the formation of cancer.
Park, Su-Hyun;Jung, Eun-Ho;Kim, Geun-Young;Kim, Byung-Chul;Lim, Jae Hyang;Woo, Chang-Hoon
Molecules and Cells
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v.38
no.1
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pp.20-25
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2015
TGF-${\beta}$ regulates pleiotropic cellular responses including cell growth, differentiation, migration, apoptosis, extracellular matrix production, and many other biological processes. Although non-Smad signaling pathways are being increasingly reported to play many roles in TGF-${\beta}$-mediated biological processes, Smads, especially receptor-regulated Smads (R-Smads), still play a central mediatory role in TGF-${\beta}$ signaling for epithelial-mesenchymal transition. Thus, the biological activities of R-Smads are tightly regulated at multiple points. Inhibitory Smad (I-Smad also called Smad7) acts as a critical endogenous negative feedback regulator of Smad-signaling pathways by inhibiting R-Smad phosphorylation and by inducing activated type I TGF-${\beta}$ receptor degradation. Roles played by Smad7 in health and disease are being increasingly reported, but the molecular mechanisms that regulate Smad7 are not well understood. In this study, we show that E3 ubiquitin ligase Itch acts as a positive regulator of TGF-${\beta}$ signaling and of subsequent EMT-related gene expression. Interestingly, the Itch-mediated positive regulation of TGF-${\beta}$ signaling was found to be dependent on Smad7 ubiquitination and its subsequent degradation. Further study revealed Itch acts as an E3 ubiquitin ligase for Smad7 polyubiquitination, and thus, that Itch is an important regulator of Smad7 activity and a positive regulator of TGF-${\beta}$ signaling and of TGF-${\beta}$-mediated biological processes. Accordingly, the study uncovers a novel regulatory mechanism whereby Smad7 is controlled by Itch.
A challenge in the redox field is the elucidation of the molecular mechanisms, by which $H_2O_2$ mediates signal transduction in cells. This is relevant since redox pathways are disturbed in some pathologies. The transcription factor OxyR is the $H_2O_2$ sensor in bacteria, whereas Cys-based peroxidases are involved in the perception of this oxidant in eukaryotic cells. Three possible mechanisms may be involved in $H_2O_2$ signaling that are not mutually exclusive. In the simplest pathway, $H_2O_2$ signals through direct oxidation of the signaling protein, such as a phosphatase or a transcription factor. Although signaling proteins are frequently observed in the oxidized state in biological systems, in most cases their direct oxidation by $H_2O_2$ is too slow ($10^1M^{-1}s^{-1}$ range) to outcompete Cys-based peroxidases and glutathione. In some particular cellular compartments (such as vicinity of NADPH oxidases), it is possible that a signaling protein faces extremely high $H_2O_2$ concentrations, making the direct oxidation feasible. Alternatively, high $H_2O_2$ levels can hyperoxidize peroxiredoxins leading to local building up of $H_2O_2$ that then could oxidize a signaling protein (floodgate hypothesis). In a second model, $H_2O_2$ oxidizes Cys-based peroxidases that then through thiol-disulfide reshuffling would transmit the oxidized equivalents to the signaling protein. The third model of signaling is centered on the reducing substrate of Cys-based peroxidases that in most cases is thioredoxin. Is this model, peroxiredoxins would signal by modulating the thioredoxin redox status. More kinetic data is required to allow the identification of the complex network of thiol switches.
Syndecans, cell surface heparansulfate proteoglycans, have been proposed to act as cell surface receptors and/or coreceptors to play critical roles in multiple cellular functions. However, recent reports suggest that the function of syndecans can be further extended through shedding, a cleavage of extracellular domain. Shedding constitutes an additional level for controlling the function of syndecans, providing a means to attenuate and/or regulate amplitude and duration of syndecan signals by modulating the activity of syndecans as cell surface receptors. Whether these remaining cleavage products are still capable of functioning as cell surface receptors to efficiently transduce signals inside of cells is not clear. However, shedding transforms cell surface receptor syndecans into soluble forms, which, like growth factors, may act as novel ligands to induce cellular responses by association with other cell surface receptors. It is becoming interestingly evident that shed syndecans also contribute significantly to syndecan functions in cancer biology. This review presents current knowledge about syndecan shedding and its functional significance, particularly in the context of cancer.
Programmed cell death is a basic cellular process that is critical to maintaining tissue homeostasis. In contrast to apoptosis, necrosis was previously regarded as an unregulated and uncontrollable process. However, as research has progressed, necrosis, also known as necroptosis or programmed necrosis, is drawing increasing attention, not least becasu of its possible impications for cancer research. Necroptosis exhibits a unique signaling pathway that requires the involvement of receptor interaction protein kinases 1 and 3 (RIP1 and RIP3), mixed lineage kinase domain-like (MLKL), and phosphoglycerate mutase 5 (PGAM5) and can be specifically inhibited by necrostatins. Not only does necroptosis serve as a backup cell death program when apoptosis is inhibited, but it is now recognized to play a pivotal role in regulating various physiological processes and the pathogenesis of a variety of human diseases such as ischemic brain injury, immune system disorders and cancer. The control of necroptosis by various defined trigger factors and signaling pathways now offers the opportunity to target this cellular process for therapeutic purposes. The purpose of this paper is to review current findings concerning the connections between various trigger factors and the RIP1/RIP3 signaling pathway as it relates to necroptosis.
Eph receptors and their ephrin ligands have been implicated in a variety of cellular processes such as cellular morphogenesis and motility. Our previous studies demonstrated that Odin, one of the Anks family proteins, functions as a scaffolding protein of the EphA8 signaling pathway leading to modulation of cell migration or axonal outgrowth. Here we show that WDR7 is associated with Odin and that it is possibly implicated in the EphA8 signaling pathway. WD40 repeats present in the COOH-terminal region of WDR7 appear to be crucial for its association with Odin, whereas the binding motif of Odin is located in between ankyrin repeats and PTB domain. Co-immunoprecipitation experiments revealed that association of WDR7 with Odin is enhanced by ephrin ligand treatment, possibly through forming large protein complexes including both EphA8 and ephrin-A5. Consistently, immunofluorescence staining experiments suggested that WDR7 constitute a component of the large protein complexes containing Odin, EphA8 and ephrin-A5. Taken together, our results suggest the WDR7-Odin complexes might be involved in the signaling pathway downstream of the EphA8 receptor.
Eph receptors and their ligands, ephrins, represent the largest group of the receptor tyrosine kinase (RTK) family, and they mediate numerous developmental processes in a variety of organisms. Ephrins are membrane-bound proteins that are mainly divided into two classes: A class ephrins, which are linked to the membrane by a glycosylphosphatidylinositol (GPI) linkage, and B class ephrins, which are transmembrane ligands. Based on their domain structures and affinities for ligand binding, the Eph receptors are also divided into two groups. Trans-dimerization of Eph receptors with their membrane-tethered ligands regulates cell-cell interactions and initiates bidirectional signaling pathways. These pathways are intimately involved in regulating cytoskeleton dynamics, cell migration, and alterations in cellular dynamics and shapes. The EphBs and ephrinBs are specifically localized and modified to promote higher-order clustering and initiate of bidirectional signaling. In this review, we present an in-depth overview of the structure, mechanisms, cell signaling, and functions of EphB/ephrinB in cell adhesion and migration.
In response to environmental changes, signaling pathways rewire gene expression programs through transcription factors. Epigenetic modification of the transcribed RNA can be another layer of gene expression regulation. N6-adenosine methylation (m6A) is one of the most common modifications on mRNA. It is a reversible chemical mark catalyzed by the enzymes that deposit and remove methyl groups. m6A recruits effector proteins that determine the fate of mRNAs through changes in splicing, cellular localization, stability, and translation efficiency. Emerging evidence shows that key signal transduction pathways including TGFβ (transforming growth factor-β), ERK (extracellular signal-regulated kinase), and mTORC1 (mechanistic target of rapamycin complex 1) regulate downstream gene expression through m6A processing. Conversely, m6A can modulate the activity of signal transduction networks via m6A modification of signaling pathway genes or by acting as a ligand for receptors. In this review, we discuss the current understanding of the crosstalk between m6A and signaling pathways and its implication for biological systems.
The mitogen-activated protein kinase (MAPK) signaling cascade is essential for a wide range of cellular responses in plants, including defense responses, responses to abiotic stress, hormone signaling, and developmental processes. Recent investigations have shown that the stress, ethylene, and MAPK signaling pathways negatively affect the formation of nitrogen-fixing nodules by directly modulating the symbiotic signaling components. However, the molecular mechanisms underlying the defense responses mediated by MAPK signaling in the organogenesis of nitrogen-fixing nodules remain unclear. In the present study, I demonstrate that the Medicago truncatula mitogen-activated protein kinase kinase 5 (MtMKK5)-Medicago truncatula mitogen-activated protein kinase 3/6 (MtMPK3/6) signaling module, expressed specifically in the symbiotic nodules, promotes defense signaling, but not ethylene signaling pathways, thereby inhibiting nodule development in M. truncatula. U0126 treatment resulted in increased cell division in the nodule meristem zone due to the inhibition of MAPK signaling. The phosphorylated TEY motif in the activation domain of MtMPK3/6 was the target domain associated with specific interactions with MtMKK5. I have confirmed the physical interactions between M. truncatula nodule inception (MtNIN) and MtMPK3/6. In the presence of high expression levels of the defense-related genes FRK1 and WRKY29, MtMKK5a overexpression significantly enhanced the defense responses of Arabidopsis against Pseudomonas syringae pv. tomato DC3000 (Pst DC3000). Overall, my data show that the negative regulation of symbiotic nitrogen-fixing nodule organogenesis by defense signaling pathways is mediated by the MtMKK5-MtMPK3/6 module.
Vertebrate organ development is accompanied by demarcation of tissue compartments, which grow coordinately with their neighbors. Hence, perturbing the coordinative growth of neighboring tissue compartments frequently results in organ malformation. The growth of tissue compartments is regulated by multiple intercellular and intracellular signaling pathways, including the Hippo signaling pathway that limits the growth of various organs. In the optic neuroepithelial continuum, which is partitioned into the retina, retinal pigment epithelium (RPE) and ciliary margin (CM) during eye development, the Hippo signaling activity operates differentially, as it does in many tissues. In this review, we summarize recent studies that have explored the relationship between the Hippo signaling pathway and growth of optic neuroepithelial compartments. We will focus particularly on the roles of a tumor suppressor, neurofibromin 2 (NF2), whose expression is not only dependent on compartment-specific transcription factors, but is also subject to regulation by a Hippo-Yap feedback signaling circuit.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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