Inactivating mutations in the protein kinase LKB1 lead to a dominantly inherited cancer in humans termed Peutz-Jeghers syndrome [1Jenne D.E. Reimann H. Nezu J.I. Friedel W. Loff S. Jeschke R. Müller O. Back W. Zimmer M. Peutz-Jeghers syndrome is caused by mutations in a novel serine threonine kinase.Nat. Genet. 1998; 18: 38-43Crossref PubMed Scopus (926) Google Scholar, 2Hemminki A. Markie D. Tomlinson I. Avizienyte E. Roth S. Loukola A. Bignell G. Warren W. Aminoff M. Hoglund P. et al.A serine/threonine kinase gene defective in Peutz–Jeghers syndrome.Nature. 1998; 391: 184-187Crossref PubMed Scopus (1263) Google Scholar]. The role of LKB1 is unclear, and only one target for LKB1 has been identified in vivo [3Baas A.F. Boudeau J. Sapkota G.P. Smit L. Medema R. Morrice N.A. Alessi D.R. Clevers H.C. Activation of the tumour suppressor kinase LKB1 by the STE20-like pseudokinase STRAD.EMBO J. 2003; 22: 3062-3072Crossref PubMed Scopus (281) Google Scholar]. AMP-activated protein kinase (AMPK) is the downstream component of a protein kinase cascade that plays a pivotal role in energy homeostasis [4Hardie D.G. Carling D. Carlson M. The AMP-activated/SNF1 protein kinase subfamily metabolic sensors of the eukaryotic cell?.Annu. Rev. Biochem. 1998; 67: 821-855Crossref PubMed Scopus (1235) Google Scholar]. AMPK may have a role in protecting the body from metabolic diseases including type 2 diabetes [5Winder W.W. Hardie D.G. AMP-activated protein kinase, a metabolic master switch possible roles in type 2 diabetes.Am. J. Physiol. 1999; 277: 1-10PubMed Google Scholar, 6Zhou G. Myers R. Li Y. Chen Y. Shen X. Fenyk-Melody J. Wu M. Ventre J. Doebber T. Fujii N. et al.Role of AMP-activated protein kinase in mechanism of metformin action.J. Clin. Invest. 2001; 108: 1167-1174Crossref PubMed Scopus (4050) Google Scholar], obesity [7Minokoshi Y. Kim Y.B. Peroni O.D. Fryer L.G. Muller C. Carling D. Kahn B.B. Leptin stimulates fatty acid oxidation by activating AMP-activated protein kinase.Nature. 2002; 415: 339-343Crossref PubMed Scopus (1600) Google Scholar], and cardiac hypertrophy [8Blair E. Redwood C. Ashrafian H. Ostman-Smith I. Watkins H. Mutations in the γ2 subunit of AMP-activated protein kinase cause familial hypertrophic cardiomyopathy evidence for the central role of energy compromise in disease pathogenesis.Hum. Mol. Genet. 2001; 10: 1215-1220Crossref PubMed Google Scholar]. We previously reported the identification of three protein kinases (Elm1, Pak1, and Tos3 [9Hong S.P. Leiper F.C. Woods A. Carling D. Carlson M. Activation of yeast Snf1 and mammalian AMP-activated protein kinase by upstream kinases.Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2003; 100: 8839-8843Crossref PubMed Scopus (451) Google Scholar]) that lie upstream of Snf1, the yeast homologue of AMPK. LKB1 shares sequence similarity with Elm1, Pak1, and Tos3, and we demonstrated that LKB1 phosphorylates AMPK on the activation loop threonine (Thr172) within the catalytic subunit and activates AMPK in vitro [9Hong S.P. Leiper F.C. Woods A. Carling D. Carlson M. Activation of yeast Snf1 and mammalian AMP-activated protein kinase by upstream kinases.Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2003; 100: 8839-8843Crossref PubMed Scopus (451) Google Scholar]. Here, we have investigated whether LKB1 corresponds to the major AMPKK activity present in cell extracts. AMPKK purified from rat liver corresponds to LKB1, and blocking LKB1 activity in cells abolishes AMPK activation in response to different stimuli. These results identify a link between two protein kinases, previously thought to lie in unrelated, distinct pathways, that are associated with human diseases.

A vaccine for severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) is needed to control the coronavirus disease 2019 (COVID-19) global pandemic. Structural studies have led to the development of mutations that stabilize Betacoronavirus spike proteins in the prefusion state, improving their expression and increasing immunogenicity1. This principle has been applied to design mRNA-1273, an mRNA vaccine that encodes a SARS-CoV-2 spike protein that is stabilized in the prefusion conformation. Here we show that mRNA-1273 induces potent neutralizing antibody responses to both wild-type (D614) and D614G mutant2 SARS-CoV-2 as well as CD8+ T cell responses, and protects against SARS-CoV-2 infection in the lungs and noses of mice without evidence of immunopathology. mRNA-1273 is currently in a phase III trial to evaluate its efficacy. mRNA-1273, an mRNA vaccine that encodes a stabilized prefusion-state severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) spike protein, elicits robust immune responses and protects mice against replication of SARS-CoV-2 in the upper and lower airways.

Summary

 AMP-activated protein kinase (AMPK) is the downstream component of a kinase cascade that plays a pivotal role in energy homeostasis. Activation of AMPK requires phosphorylation of threonine 172 (T172) within the T loop region of the catalytic α subunit. Recently, LKB1 was shown to activate AMPK. Here we show that AMPK is also activated by Ca²⁺/calmodulin-dependent protein kinase kinase (CaMKK). Overexpression of CaMKKβ in mammalian cells increases AMPK activity, whereas pharmacological inhibition of CaMKK, or downregulation of CaMKKβ using RNA interference, almost completely abolishes AMPK activation. CaMKKβ isolated from rat brain or expressed in E. coli phosphorylates and activates AMPK in vitro. In yeast, CaMKKβ expression rescues a mutant strain lacking the three kinases upstream of Snf1, the yeast homolog of AMPK. These results demonstrate that AMPK is regulated by at least two upstream kinases and suggest that AMPK may play a role in Ca²⁺-mediated signal transduction pathways.

We have developed a sensitive assay for the AMP-activated protein kinase kinase, the upstream component in the AMP-activated protein kinase cascade. Phosphorylation and activation of the downstream kinase by the upstream kinase absolutely requires AMP and is antagonized by high (millimolar) concentrations of ATP. We have purified the upstream kinase >1000-fold from rat liver; a variety of evidence indicates that the catalytic subunit may be a polypeptide of 58 kDa. The physical properties of the downstream and upstream kinases, e.g. catalytic subunit masses (63 versus 58 kDa) and native molecular masses (190 versus 195 kDa), are very similar. However, unlike the downstream kinase, the upstream kinase is not inactivated by protein phosphatases. The upstream kinase phosphorylates the downstream kinase at a single major site on the α subunit, i.e. threonine 172, which lies in the “activation segment” between the DFG and APE motifs. This site aligns with activating phosphorylation sites on many other protein kinases, including Thr177 on calmodulin-dependent protein kinase I. As well as suggesting a mechanism of activation of AMP-activated protein kinase, this finding is consistent with our recent report that the AMP-activated protein kinase kinase can slowly phosphorylate and activate calmodulin-dependent protein kinase I, at least in vitro (Hawley, S. A., Selbert, M. A., Goldstein, E. G., Edelman, A. M., Carling, D., and Hardie, D. G. (1995) J. Biol. Chem. 270, 27186-27191). We have developed a sensitive assay for the AMP-activated protein kinase kinase, the upstream component in the AMP-activated protein kinase cascade. Phosphorylation and activation of the downstream kinase by the upstream kinase absolutely requires AMP and is antagonized by high (millimolar) concentrations of ATP. We have purified the upstream kinase >1000-fold from rat liver; a variety of evidence indicates that the catalytic subunit may be a polypeptide of 58 kDa. The physical properties of the downstream and upstream kinases, e.g. catalytic subunit masses (63 versus 58 kDa) and native molecular masses (190 versus 195 kDa), are very similar. However, unlike the downstream kinase, the upstream kinase is not inactivated by protein phosphatases. The upstream kinase phosphorylates the downstream kinase at a single major site on the α subunit, i.e. threonine 172, which lies in the “activation segment” between the DFG and APE motifs. This site aligns with activating phosphorylation sites on many other protein kinases, including Thr177 on calmodulin-dependent protein kinase I. As well as suggesting a mechanism of activation of AMP-activated protein kinase, this finding is consistent with our recent report that the AMP-activated protein kinase kinase can slowly phosphorylate and activate calmodulin-dependent protein kinase I, at least in vitro (Hawley, S. A., Selbert, M. A., Goldstein, E. G., Edelman, A. M., Carling, D., and Hardie, D. G. (1995) J. Biol. Chem. 270, 27186-27191).

Mimicking Caloric Restriction The extended life span and resistance to age-related diseases in animals exposed to caloric restriction has focused attention on the biochemical mechanisms that produce these effects. Selman et al. (p. 140 ; see the Perspective by Kaeberlein and Kapahi ) explored the role of the mammalian ribosomal protein S6 kinase 1 (S6K1), which regulates protein translation and cellular energy metabolism. Female knockout mice lacking expression of S6K1 showed characteristics of animals exposed to caloric restriction, including improved health and increased longevity. The beneficial effects included reduced fat mass in spite of increased food intake. Thus, inhibition of signaling pathways activated by S6K1 might prove beneficial in protecting against age-related disease.

AMP-activated protein kinase (AMPK) is the downstream component of a protein kinase cascade that acts as an intracellular energy sensor maintaining the energy balance within the cell. The finding that leptin and adiponectin activate AMPK to alter metabolic pathways in muscle and liver provides direct evidence for this role in peripheral tissues. The hypothalamus is a key regulator of food intake and energy balance, coordinating body adiposity and nutritional state in response to peripheral hormones, such as leptin, peptide YY-(3–36), and ghrelin. To date the hormonal regulation of AMPK in the hypothalamus, or its potential role in the control of food intake, have not been reported. Here we demonstrate that counter-regulatory hormones involved in appetite control regulate AMPK activity and that pharmacological activation of AMPK in the hypothalamus increases food intake. In vivo administration of leptin, which leads to a reduction in food intake, decreases hypothalamic AMPK activity. By contrast, injection of ghrelin in vivo, which increases food intake, stimulates AMPK activity in the hypothalamus. Consistent with the effect of ghrelin, injection of 5-amino-4-imidazole carboxamide riboside, a pharmacological activator of AMPK, into either the third cerebral ventricle or directly into the paraventricular nucleus of the hypothalamus significantly increased food intake. These results suggest that AMPK is regulated in the hypothalamus by hormones which regulate food intake. Furthermore, direct pharmacological activation of AMPK in the hypothalamus is sufficient to increase food intake. These findings demonstrate that AMPK plays a role in the regulation of feeding and identify AMPK as a novel target for anti-obesity drugs.

ABSTRACT The detergent-insoluble T. brucei cytoskeleton consists of several morphologically distinct regions and organelles, many of which are detectable only by electron microscopy. We have produced a set of monoclonal antibodies that define each structural component of this highly ordered cytoskeleton. The monoclonal antibodies were selected by cloning of hybridomas produced from mice injected with complex mixtures of proteins of either the cytoskeleton itself or salt extracts thereof. Four antibodies define particular tubulin isotypes and locate the microtubules of the axoneme and sub-pellicular array; two antibodies recognize the flagellum attachment zone; one recognizes the paraflagellar rod and another the basal bodies. Finally, one antibody defines a detergent-insoluble component of the nucleus. The antigens detected by each monoclonal antibody have been analysed by immunofluorescence microscopy, immunogold electron microscopy and Western blotting.

The AMP-activated protein kinase (AMPK) cascade is activated by an increase in the AMP/ATP ratio within the cell. AMPK is regulated allosterically by AMP and by reversible phosphorylation. Threonine-172 within the catalytic subunit (alpha) of AMPK (Thr(172)) was identified as the major site phosphorylated by the AMP-activated protein kinase kinase (AMPKK) in vitro. We have used site-directed mutagenesis to study the role of phosphorylation of Thr(172) on AMPK activity. Mutation of Thr(172) to an aspartic acid residue (T172D) in either alpha1 or alpha2 resulted in a kinase complex with approx. 50% the activity of the corresponding wild-type complex. The activity of wild-type AMPK decreased by greater than 90% following treatment with protein phosphatases, whereas the activity of the T172D mutant complex fell by only 10-15%. Mutation of Thr(172) to an alanine residue (T172A) almost completely abolished kinase activity. These results indicate that phosphorylation of Thr(172) accounts for most of the activation by AMPKK, but that other sites are involved. In support of this we have shown that AMPKK phosphorylates at least two other sites on the alpha subunit and one site on the beta subunit. Furthermore, we provide evidence that phosphorylation of Thr(172) may be involved in the sensitivity of the AMPK complex to AMP.

The Snf1/AMP-activated protein kinase (AMPK) family plays fundamental roles in cellular responses to metabolic stress in eukaryotes. In humans, AMPK regulates lipid and glucose metabolism and has been implicated in such metabolic disorders as diabetes and obesity and in cardiac abnormalities. Snf1 and AMPK are the downstream components of kinase cascades, but the upstream kinase(s) have remained elusive. We have here identified three yeast kinases, Pak1p, Tos3p, and Elm1p, that activate Snf1 kinase in vivo . Triple deletion of the cognate genes causes a Snf – mutant phenotype and abolishes Snf1 catalytic activity. All three kinases phosphorylate recombinant Snf1p on the activation-loop threonine. Moreover, Tos3p phosphorylates mammalian AMPK on the equivalent residue and activates the enzyme, suggesting functional conservation of the upstream kinases between yeast and mammals. We further show that the closely related mammalian LKB1 kinase, which is associated with Peutz–Jeghers cancer-susceptibility syndrome, phosphorylates and activates AMPK in vitro . Thus, the identification of the yeast upstream kinases should facilitate identification of the corresponding, physiologically important mammalian upstream kinases.

mRNA vaccines have the potential to tackle many unmet medical needs that are unable to be addressed with conventional vaccine technologies. A potent and well-tolerated delivery technology is integral to fully realizing the potential of mRNA vaccines. Pre-clinical and clinical studies have demonstrated that mRNA delivered intramuscularly (IM) with first-generation lipid nanoparticles (LNPs) generates robust immune responses. Despite progress made over the past several years, there remains significant opportunity for improvement, as the most advanced LNPs were designed for intravenous (IV) delivery of siRNA to the liver. Here, we screened a panel of proprietary biodegradable ionizable lipids for both expression and immunogenicity in a rodent model when administered IM. A subset of compounds was selected and further evaluated for tolerability, immunogenicity, and expression in rodents and non-human primates (NHPs). A lead formulation was identified that yielded a robust immune response with improved tolerability. More importantly for vaccines, increased innate immune stimulation driven by LNPs does not equate to increased immunogenicity, illustrating that mRNA vaccine tolerability can be improved without affecting potency.