The Ras/Raf/MEK/ERK and PI3K/PTEN/AKT signaling cascades play critical roles in the transmission of signals from growth factor receptors to regulate gene expression and prevent apoptosis. Components of these pathways are mutated or aberrantly expressed in human cancer (e.g., Ras, B-Raf, PI3K, PTEN, Akt). Also, mutations occur at genes encoding upstream receptors (e.g., EGFR and Flt-3) and chimeric chromosomal translocations (e.g., BCR-ABL) which transmit their signals through these cascades. These pathways interact with each other to regulate growth and in some cases tumorigenesis. For example, in some cells, PTEN mutation may contribute to suppression of the Raf/MEK/ERK cascade due to the ability of elevated activated Akt levels to phosphorylate and inactivate Raf-1. We have investigated the genetic structures and functional roles of these two signaling pathways in the malignant transformation and drug resistance of hematopoietic, breast and prostate cancer cells. Although both of these pathways are commonly thought to have anti-apoptotic and drug resistance effects on cells, they display different cell-lineage-specific effects. Induced Raf expression can abrogate the cytokine dependence of certain hematopoietic cell lines (FDC-P1 and TF-1), a trait associated with tumorigenesis. In contrast, expression of activated PI3K or Akt does not abrogate the cytokine dependence of these hematopoietic cell lines, but does have positive effects on cell survival. However, activated PI3K and Akt can synergize with activated Raf to abrogate the cytokine dependence of another hematopoietic cell line (FL5.12) which is not transformed by activated Raf expression by itself. Activated Raf and Akt also confer a drug-resistant phenotype to these cells. Raf is more associated with proliferation and the prevention of apoptosis while Akt is more associated with the long-term clonogenicity. In breast cancer cells, activated Raf conferred resistance to the chemotherapeutic drugs doxorubicin and paclitaxel. Raf induced the expression of the drug pump Mdr-1 (a.k.a., Pgp) and the Bcl-2 anti-apoptotic protein. Raf did not appear to induce drug resistance by altering p53/p21Cip-1 expression, whose expression is often linked to regulation of cell cycle progression and drug resistance. Deregulation of the PI3K/PTEN/Akt pathway was associated with resistance to doxorubicin and 4-hydroxyl tamoxifen, a chemotherapeutic drug and estrogen receptor antagonist used in breast cancer therapy. In contrast to the drug-resistant breast cancer cells obtained after overexpression of activated Raf, cells expressing activated Akt displayed altered (decreased) levels of p53/p21Cip-1. Deregulated expression of the central phosphatase in the PI3K/PTEN/Akt pathway led to breast cancer drug resistance. Introduction of mutated forms of PTEN, which lacked lipid phosphatase activity, increased the resistance of the MCF-7 cells to doxorubicin, suggesting that these lipid phosphatase deficient PTEN mutants acted as dominant negative mutants to suppress wild-type PTEN activity. Finally, the PI3K/PTEN/Akt pathway appears to be more prominently involved in prostate cancer drug resistance than the Raf/MEK/ERK pathway. Some advanced prostate cancer cells express elevated levels of activated Akt which may suppress Raf activation. Introduction of activated forms of Akt increased the drug resistance of advanced prostate cancer cells. In contrast, introduction of activated forms of Raf did not increase the drug resistance of the prostate cancer cells. In contrast to the results observed in hematopoietic cells, Raf may normally promote differentiation in prostate cells which is suppressed in advanced prostate cancer due to increased expression of activated Akt arising from PTEN mutation. Thus in advanced prostate cancer it may be advantageous to induce Raf expression to promote differentiation, while in hematopoietic cancers it may be beneficial to inhibit Raf/MEK/ERK-induced proliferation. These signaling and anti-apoptotic pathways can have different effects on growth, prevention of apoptosis and induction of drug resistance in cells of various lineages which may be due to the expression of lineage-specific factors.

Earlier studies of invasive breast tumors have shown that 60–80% are aneuploid and ≈80% exhibit amplified centrosomes. In this study, we investigated the relationship of centrosome amplification with aneuploidy, chromosomal instability, p53 mutation, and loss of differentiation in human breast tumors. Twenty invasive breast tumors and seven normal breast tissues were analyzed by fluorescence in situ hybridization with centromeric probes to chromosomes 3, 7, and 17. We analyzed these tumors for both aneuploidy and unstable karyotypes as determined by chromosomal instability. The results were then tested for correlation with three measures of centrosome amplification: centrosome size, centrosome number, and centrosome microtubule nucleation capacity. Centrosome size and centrosome number both showed a positive, significant, linear correlation with aneuploidy and chromosomal instability. Microtubule nucleation capacity showed no such correlation, but did correlate significantly with loss of tissue differentiation. Centrosome amplification was detected in in situ ductal carcinomas, suggesting that centrosome amplification is an early event in these lesions. Centrosome amplification and chromosomal instability occurred independently of p53 mutation, whereas p53 mutation was associated with a significant increase in centrosome microtubule nucleation capacity. Together, these results demonstrate that independent aspects of centrosome amplification correlate with chromosomal instability and loss of tissue differentiation and may be involved in tumor development and progression. These results further suggest that aspects of centrosome amplification may have clinical diagnostic and/or prognostic value and that the centrosome may be a potential target for cancer therapy.

The centrosome plays an important role in maintenance of cell polarity and in progression through the cell cycle by determining the number, polarity, and organization of interphase and mitotic microtubules. By examining a set of 35 high grade human breast tumors, we show that centrosomes of adenocarcinoma cells generally display abnormal structure, aberrant protein phosphorylation, and increased microtubule nucleating capacity in comparison to centrosomes of normal breast epithelial and stromal tissues. These structural and functional centrosome defects have important implications for understanding the mechanisms by which genomic instability and loss of cell polarity develop in solid tumors.

2 ABSTRACT Transmission electron microscopy (TEM) is a scientific research standard for producing nanometer-resolution ultrastructural images of subcellular components within cells and tissues. Mitochondria, endoplasmic reticulum (ER), lysosomes, and autophagosomes are organelles of particular interest to those investigating metabolic disorders. However, there is no clear consensus amongst regarding the best methods for quantifying the features of organelles in TEM images. In this protocol, we propose a standardized approach to accurately measure the morphology of these important subcellular structures using the free program ImageJ, developed by the National Institutes of Health (NIH). Specifically, we detail procedures for obtaining mitochondrial length, width, area, and circularity, in addition to assessing cristae morphology. We further provide methods for measuring interactions between the mitochondria and ER and measuring the length and width of lysosomes and autophagosomes. This standardized method can be used to quantify key features of organelle morphology, allowing investigators to produce accurate and reproducible measurements of organelle structures in their experimental samples. 1 SUMMARY We discuss a standardized method for measuring and quantifying organelle features using transmission electron microscopy and accessing for interactions between subcellular structures; organelles of focus include mitochondria, endoplasmic reticulum, lysosomes, and autophagosomes.

Summary Mitochondrial dynamics (fission, fusion, and the formation of nanotunnels) and morphology are very sensitive to the cellular environment. Mitochondria may be adversely affected by oxidative stress, changes in calcium levels, and hypoxia. Investigating the precise relationship between organelle structure and function requires methods that can adequately preserve mitochondria while providing accurate, quantitative measurements of morphological attributes. Here, we demonstrate a practical approach for preserving and measuring fine structural changes using two-dimensional, high-resolution electron micrographs. This approach is further applicable for three-dimensional volume renderings, obtained using serial block-face and focused ion beam-scanning electron microscopy, highlighting the specific advantages of these techniques. Additionally, this study defines a set of quantifiable metrics that can be applied to measure mitochondrial architecture and other organellar structures. Finally, we validated specimen preparation methods that avoid the introduction of morphological artifacts that may interfere with mitochondrial appearance and do not require whole-animal perfusion.

Abstract Many interconnected degradation machineries including autophagosomes, lysosomes, and endosomes work in tandem to conduct autophagy, an intracellular degradation system that is crucial for cellular homeostasis. Altered autophagy contributes to the pathophysiology of various diseases, including cancers and metabolic diseases. Although many studies have investigated autophagy to elucidate disease pathogenesis, identification of specific components of the autophagy machinery has been challenging. The goal of this paper is to describe an approach to reproducibly identify and distinguish subcellular structures involved in macro autophagy. We provide methods that help avoid common pitfalls, including a detailed explanation for distinguishing lysosomes and lipid droplets and discuss differences between autophagosomes and inclusion bodies. These methods are based on using transmission electron microscopy (TEM), capable of generating nanometer-scale micrographs of cellular degradation components in a fixed sample. We also utilize serial block face-scanning electron microscopy (SBF-SEM) to offer a protocol for visualizing 3D morphology of degradation machinery. In addition to TEM and 3D reconstruction, we discuss other imaging techniques, such as immunofluorescence and immunogold labeling that can be utilized to reliably and accurately classify cellular organelles. Our results show how these methods may be used to accurately quantify the cellular degradation machinery under various conditions, such as treatment with the endoplasmic reticulum stressor thapsigargin or ablation of the dynamin-related protein 1.

Abstract We demonstrate that mitochondrial respiratory chain complex I is an important small molecule druggable target in Alzheimer’s Disease (AD). Partial inhibition of complex I triggers the AMP-activated protein kinase-dependent signaling network leading to neuroprotection in symptomatic APP/PS1 mice, a translational model of AD. Treatment of APP/PS1 mice with complex I inhibitor after the onset of AD-like neuropathology improved energy homeostasis, synaptic activity, long-term potentiation, dendritic spine maturation, cognitive function and proteostasis, and reduced oxidative stress and inflammation in brain and periphery, ultimately blocking the ongoing neurodegeneration. Therapeutic efficacy in vivo was monitored using translational biomarkers FDG-PET, 31 P NMR, and metabolomics. Cross-validation of the mouse and the human AMP-AD transcriptomic data demonstrated that pathways improved by the treatment in APP/PS1 mice, including the immune system response and neurotransmission, represent mechanisms essential for therapeutic efficacy in AD patients.

ABSTRACT Analysis of 3D structures is of paramount importance in cellular biology. Although light microscopy and transmission electron microscopy (TEM) have remained staples for imaging cellular structures, they lack the ability to image in 3D. However, recent technological advances, such as serial block-face scanning electron microscopy (SBF-SEM) and focused ion beam scanning electron microscopy (FIB-SEM), have allowed researchers to observe cellular ultrastructure in 3D. Here, we propose a standardized protocol using the visualization software Amira to quantify organelle morphologies in 3D; this method allows researchers to produce accurate and reproducible measurements of cellular structure characteristics. We demonstrate this applicability by utilizing SBF-SEM and Amira to quantify mitochondria and endoplasmic reticulum (ER) structures. GRAPHICAL ABSTRACT