The adipocyte-derived cytokine leptin is thought to play a key role in the control of satiety and energy expenditure. Because adipogenesis and angiogenesis are tightly correlated during the fat mass development, we tested the hypothesis that leptin is able to modulate the growth of the vasculature. Experiments were performed using cultured human umbilical venous endothelial cells (HUVECs) and porcine aortic endothelial cells. The presence of 170-kDa endothelial leptin receptor (Ob-R) was assessed in HUVECs by Western blot analysis. Reverse transcriptase-polymerase chain reaction analysis using specific oligonucleotides for the short and long Ob-R forms further revealed the expression of both Ob-R transcripts in endothelial cells. Moreover, leptin evoked a time-dependent tyrosine phosphorylation of a number of endothelial proteins, the most prominent of which were the mitogen-activated protein kinases Erk1/2. Treatment of HUVECs with leptin led to a concentration-dependent increase in cell number that was maximal at 10 ng/mL leptin and equivalent to that elicited by vascular endothelial growth factor. This effect was associated with an enhanced formation of capillary-like tubes in an in vitro angiogenesis assay and neovascularization in an in vivo model of angiogenesis. These results indicate that leptin, via activation of the endothelial Ob-R, generates a growth signal involving a tyrosine kinase-dependent intracellular pathway and promotes angiogenic processes. We speculate that this leptin-mediated stimulation of angiogenesis might represent not only a key event in the settlement of obesity but also may contribute to the modulation of growth under physiological and pathophysiological conditions in other tissues.

Interleukin-1β converting enzyme (ICE) is a mammalian homolog of CED-3, a protein required for programmed cell death in the nematode Caenorhabditis elegans . The activity of ICE can be specifically inhibited by the product of crmA , a cytokine response modifier gene encoded by cowpox virus. Microinjection of the crmA gene into chicken dorsal root ganglion neurons was found to prevent cell death induced by deprivation of nerve growth factor. Thus, ICE is likely to participate in neuronal death in vertebrates.

We tested the hypothesis that myocyte loss in failing human hearts occurs by different mechanisms: apoptosis, oncosis, and autophagic cell death. Explanted hearts from 19 patients with idiopathic dilated cardiomyopathy (EF≤20%) and 7 control hearts were analyzed. Myocyte apoptosis revealed by caspase-3 activation and TUNEL staining occurred at a rate of 0.002±0.0005% ( P <0.05 versus control) and oncosis assessed by complement 9 labeling at 0.06±0.001% ( P <0.05). Cellular degeneration including appearance of ubiquitin containing autophagic vacuoles and nuclear disintegration was present at the ultrastructural level. Nuclear and cytosolic ubiquitin/protein accumulations occurred at 0.08±0.004% ( P <0.05). The ubiquitin-activating enzyme E1 and the ligase E3 were not different from control. In contrast, ubiquitin mRNA levels were 1.8-fold ( P <0.02) elevated, and the conjugating enzyme E2 was 2.3-fold upregulated ( P <0.005). The most important finding, however, is the 2.3-fold downregulation of the deubiquitination enzyme isopeptidase-T and the 1.5-fold reduction of the ubiquitin-fusion degradation system-1, which in conjunction with unchanged proteasomal subunit levels and proteasomal activity results in massive storage of ubiquitin/protein complexes and in autophagic cell death. A 2-fold decrease of cathepsin D might be an additional factor responsible for the accumulation of ubiquitin/protein conjugates. It is concluded that in human failing hearts apoptosis, oncosis, and autophagy act in parallel to varying degrees. A disturbed balance between a high rate of ubiquitination and inadequate degradation of ubiquitin/protein conjugates may contribute to autophagic cell death. Together, these different types of cell death play a significant role for myocyte disappearance and the development of contractile dysfunction in failing hearts.

Activation of proteolytic enzymes, including cysteine proteases of the ced-3/ICE family, is a characteristic feature of the apoptotic program. In contrast, the role of the proteasome as the major nonlysosomal machinery to degrade or process proteins by ATP/ubiquitin-dependent proteolysis in this process is less clear. In human leukemic HL60 cells, inhibition of proteasome-mediated proteolysis by specific proteasomal inhibitors leads to the rapid induction of apoptosis as judged by morphological changes as well as by nuclear condensation and DNA fragmentation. HL60 apoptosis is due to activation of CPP32, a member of the ced-3/ICE family of cysteine proteases, and appears to occur independently from ICE activity. HL60 apoptosis is accompanied by an increase in the concentration of the cyclin-dependent kinase inhibitor p27Kip1. Labeling of the cells by the TUNEL technique demonstrates that HL60 cells undergoing apoptosis are primarily in the G1 phase of the cell cycle. Proteasomal activity therefore appears to be required in proliferating, but not in quiescent, HL60 cells for cell survival as well as normal progression through the cell cycle.

Abstract Despite the high incidence of male infertility, about 70% of infertile men do not receive a causative diagnosis. To gain insights into the regulatory mechanisms governing human germ cell function in normal and impaired spermatogenesis (cryptozoospermic patients, crypto), we combined single cell RNA sequencing (>30.000 cells), proteome, and histomorphometric analyses of testicular tissues. We found major alterations in the crypto spermatogonial compartment with increased numbers of the most undifferentiated spermatogonia (PIWIL4 + State 0 cells). We also observed a transcriptional switch within the spermatogonial compartment driven by the increased and prolonged expression of the transcription factor EGR4. Intriguingly, EGR4-regulated genes included the chromatin-associated transcriptional repressor UTF1 , which was downregulated. Histomorphometrical analyses showed that these transcriptional changes were mirrored at the protein level and accompanied by a change in the chromatin structure of spermatogonia. This resulted in a reduction of A dark spermatogonia - characterized by tightly compacted chromatin and serving as reserve stem cells. These findings suggest that crypto patients are at a disadvantage especially in cases of gonadotoxic damage as they have less cells safeguarding the genetic integrity of the germline. We hypothesize that the more relaxed chromatin status of spermatogonia is dependent on decreased UTF1 expression caused by EGR4 activation. These identified regulators of the spermatogonial compartment will be highly interesting targets to uncover genetic causes of male infertility. One Sentence Summary Reserve spermatogonial stem cell depletion in infertile men is regulated by an EGR4-dependent UTF1 decrease, which changes chromatin morphology.

Abstract tRNA modifications tune translation rates and codon optimality, thereby optimizing co-translational protein folding, but how codon optimality defects trigger cellular phenotypes remains unclear. Here, we show that ribosomes stall at specific modification-dependent codon pairs, triggering ribosome collisions and inducing a coordinated and hierarchical response of cellular quality control pathways. Ribosome profiling reveals an unexpected functional diversity for wobble-uridine (U 34 ) modifications during decoding. The same modification can have different effects at the A and P sites. Furthermore, modification-dependent stalling codon pairs induce ribosome collisions, triggering ribosome-associated quality control (RQC) to prevent protein aggregation by degrading aberrant nascent peptides and mRNAs. RQC inactivation stimulates the expression of molecular chaperones to remove protein aggregates. Our results show that loss of tRNA modifications primarily disrupts translation rates of suboptimal codon pairs and reveal the coordinated regulation and adaptability of cellular surveillance systems to ensure efficient and accurate protein synthesis and maintain protein homeostasis.

Abstract Bioactive sphingolipids serve as an essential building block of membranes, forming a selective barrier that ensures subcellular compartmentalization and facilitates cell type-specific intercellular communication through regulation of the plasma membrane receptor repertoire. How cell type-specific lipid compositions are achieved and what is their functional significance in tissue morphogenesis and maintenance has remained unclear. Here, we identify a stem-cell specific role for ceramide synthase 4 (CerS4) in orchestrating fate decisions in skin epidermis. Deletion of CerS4 in the epidermis prevents the effective development of the adult hair follicle bulge stem cell (HFSCs) niche due to altered differentiation trajectories of HFSC precursors towards upper hair follicle and inner bulge fates. Mechanistically, HFSC differentiation defects arise from an imbalance of key ceramides and their derivate sphingolipids in HFSCs associated with hyperactivity of canonical Wnt signaling. Impaired HFSC niche establishment leads to disruption of hair follicle architecture and hair follicle barrier function, ultimately triggering a T helper cell 2 - dominated immune infiltration closely resembling human atopic dermatitis. This work uncovers a fundamental role for a cell state-specific sphingolipid profile in epidermal stem cell homeostasis and the role of an intact stem cell niche in maintaining an intact skin barrier.

Early mouse embryos have an atypical translational machinery comprised of cytoplasmic lattices, poorly competent for translation. Thus, the impact of transcriptomic changes on the operational levels of proteins has likely been overestimated in the past. To find out, we used liquid chromatography-tandem mass spectrometry to detect and quantify 6,550 proteins in the oocyte and in six developmental stages (from zygote to blastocyst) collected in triplicates, and we also performed mRNA sequencing. In contrast to the known split between the 2-cell and 4-cell stages at the transcript level, on the protein level the oocyte-to-embryo transition appeared to last until the morula stage. In general, protein abundance profiles were weakly correlated with those of their cognate mRNAs and we found little or no concordance between changes in protein and transcript expression relative to the oocyte at early stages. However, concordance increased towards morula and blastocyst, hinting at a more direct coupling of proteins with transcripts at these stages, in agreement with the increase in free ribosome abundance. Independent validation by immunofluorescence and qPCR confirmed the existence of genes featuring strongly positively and negatively correlated protein and transcript. Moreover, consistent coverage of most known protein complexes indicates that our dataset represents a large fraction of the expressed proteome. Finally, we identified 20 markers, including members of the endoplasmic reticulum pathway, for discriminating between early and late stages. This resource contributes towards closing the gap between the 'predicted' phenotype, based on mRNA, and the 'actual' phenotype, based on protein, of the mouse embryo.

Abstract In oocyte biology the zona pellucida has long been known to operate three extracellular functions, namely, encasing the oocytes in ovarian follicles, mediating sperm-oocyte interaction and preventing premature embryo contact with maternal epithelia. The present study uncovers a fourth function that is fundamentally distinct from the other three, being critical for embryonic cell survival. Intriguingly, the three proteins of the mouse zona pellucida (ZP1, ZP2, ZP3) were found abundantly present also inside the embryo four days after fertilization, as shown by mass spectrometry, immunoblotting and immunofluorescence. Trim-away -mediated knockdown of ZPs in fertilized oocytes resulted in various grades of embryopathy: knockdown of ZP1 impeded blastocyst expansion, knockdown of ZP2 hampered the 2 nd zygotic cleavage, while knockdown of ZP3 hampered the 1 st zygotic cleavage - unlike the overexpression. Transcriptome analysis of ZP3-knockdown embryos pointed at defects of cytoplasmic translation in the context of embryonic genome activation. This conclusion was supported by reduced protein synthesis in the ZP3-knockdown and by the lack of cleavage arrest when knockdown was postponed from the 1-cell to the late 2-cell stage. These data place constraints on the long-standing notion that the zona pellucida proteins only operate in the extracellular space. We postulate that such noncanonical localization of ZP3 reflect novel roles in the embryo’s interior during the oocyte-to-embryo transition in mice. Graphical abstract