KS
Kei Sakamoto
Author with expertise in Role of AMP-Activated Protein Kinase in Cellular Metabolism
Achievements
Cited Author
Open Access Advocate
Key Stats
Upvotes received:
0
Publications:
20
(90% Open Access)
Cited by:
5,039
h-index:
76
/
i10-index:
195
Reputation
Biology
< 1%
Chemistry
< 1%
Economics
< 1%
Show more
How is this calculated?
Publications
0

Metformin inhibits hepatic gluconeogenesis in mice independently of the LKB1/AMPK pathway via a decrease in hepatic energy state

Marc Foretz et al.Jun 24, 2010
+6
J
S
M
Metformin is widely used to treat hyperglycemia in individuals with type 2 diabetes. Recently the LKB1/AMP-activated protein kinase (LKB1/AMPK) pathway was proposed to mediate the action of metformin on hepatic gluconeogenesis. However, the molecular mechanism by which this pathway operates had remained elusive. Surprisingly, here we have found that in mice lacking AMPK in the liver, blood glucose levels were comparable to those in wild-type mice, and the hypoglycemic effect of metformin was maintained. Hepatocytes lacking AMPK displayed normal glucose production and gluconeogenic gene expression compared with wild-type hepatocytes. In contrast, gluconeogenesis was upregulated in LKB1-deficient hepatocytes. Metformin decreased expression of the gene encoding the catalytic subunit of glucose-6-phosphatase (G6Pase), while cytosolic phosphoenolpyruvate carboxykinase (Pepck) gene expression was unaffected in wild-type, AMPK-deficient, and LKB1-deficient hepatocytes. Surprisingly, metformin-induced inhibition of glucose production was amplified in both AMPK- and LKB1-deficient compared with wild-type hepatocytes. This inhibition correlated in a dose-dependent manner with a reduction in intracellular ATP content, which is crucial for glucose production. Moreover, metformin-induced inhibition of glucose production was preserved under forced expression of gluconeogenic genes through PPARγ coactivator 1α (PGC-1α) overexpression, indicating that metformin suppresses gluconeogenesis via a transcription-independent process. In conclusion, we demonstrate that metformin inhibits hepatic gluconeogenesis in an LKB1- and AMPK-independent manner via a decrease in hepatic energy state.
0

The Ancient Drug Salicylate Directly Activates AMP-Activated Protein Kinase

Simon Hawley et al.Apr 21, 2012
+11
F
M
S
An Aspirin a Day? The protein kinase AMPK (adenosine monophosphate–activated protein kinase) directly monitors cellular energy stores as reflected by changes in cellular concentrations of AMP, adenosine diphosphate (ADP), and adenosine triphosphate (ATP). Through phosphorylation of its targets, it helps to control metabolism, polarity, autophagy, and the restraint of cell proliferation. Activation of AMPK is also proposed to be beneficial for the treatment of diseases, including cancer and diabetes. Hawley et al. (p. 918 , published online 19 April; see the Perspective by Shaw and Cantley ) report that AMPK can be activated by high concentrations of salicylate, a compound derived from the very commonly used drug aspirin. In mice, salicylate promoted fatty acid and carbohydrate metabolism in an AMPK-dependent fashion.
0

Role that phosphorylation of GSK3 plays in insulin and Wnt signalling defined by knockin analysis

Edward McManus et al.Mar 24, 2005
+4
L
K
E
Article24 March 2005free access Role that phosphorylation of GSK3 plays in insulin and Wnt signalling defined by knockin analysis Edward J McManus Edward J McManus MRC Protein Phosphorylation Unit, MSI/WTB Complex, University of Dundee, Dundee, Scotland Search for more papers by this author Kei Sakamoto Kei Sakamoto MRC Protein Phosphorylation Unit, MSI/WTB Complex, University of Dundee, Dundee, Scotland Search for more papers by this author Laura J Armit Laura J Armit School of Life Sciences, MSI/WTB Complex, University of Dundee, Dundee, Scotland Search for more papers by this author Leah Ronaldson Leah Ronaldson MRC Protein Phosphorylation Unit, MSI/WTB Complex, University of Dundee, Dundee, Scotland Search for more papers by this author Natalia Shpiro Natalia Shpiro Division of Biological Chemistry and Molecular Mircrobiology, MSI/WTB Complex, University of Dundee, Dundee, Scotland Search for more papers by this author Rodolfo Marquez Rodolfo Marquez Division of Biological Chemistry and Molecular Mircrobiology, MSI/WTB Complex, University of Dundee, Dundee, Scotland Search for more papers by this author Dario R Alessi Corresponding Author Dario R Alessi MRC Protein Phosphorylation Unit, MSI/WTB Complex, University of Dundee, Dundee, Scotland Search for more papers by this author Edward J McManus Edward J McManus MRC Protein Phosphorylation Unit, MSI/WTB Complex, University of Dundee, Dundee, Scotland Search for more papers by this author Kei Sakamoto Kei Sakamoto MRC Protein Phosphorylation Unit, MSI/WTB Complex, University of Dundee, Dundee, Scotland Search for more papers by this author Laura J Armit Laura J Armit School of Life Sciences, MSI/WTB Complex, University of Dundee, Dundee, Scotland Search for more papers by this author Leah Ronaldson Leah Ronaldson MRC Protein Phosphorylation Unit, MSI/WTB Complex, University of Dundee, Dundee, Scotland Search for more papers by this author Natalia Shpiro Natalia Shpiro Division of Biological Chemistry and Molecular Mircrobiology, MSI/WTB Complex, University of Dundee, Dundee, Scotland Search for more papers by this author Rodolfo Marquez Rodolfo Marquez Division of Biological Chemistry and Molecular Mircrobiology, MSI/WTB Complex, University of Dundee, Dundee, Scotland Search for more papers by this author Dario R Alessi Corresponding Author Dario R Alessi MRC Protein Phosphorylation Unit, MSI/WTB Complex, University of Dundee, Dundee, Scotland Search for more papers by this author Author Information Edward J McManus1, Kei Sakamoto1, Laura J Armit2, Leah Ronaldson1, Natalia Shpiro3, Rodolfo Marquez3 and Dario R Alessi 1 1MRC Protein Phosphorylation Unit, MSI/WTB Complex, University of Dundee, Dundee, Scotland 2School of Life Sciences, MSI/WTB Complex, University of Dundee, Dundee, Scotland 3Division of Biological Chemistry and Molecular Mircrobiology, MSI/WTB Complex, University of Dundee, Dundee, Scotland *Corresponding author. MRC Protein Phosphorylation Unit, School of Life Sciences, University of Dundee, Dow Street, Dundee DD1 5EH, UK. Tel.: +44 1382 344 241; Fax: +44 1382 223 778; E-mail: [email protected] The EMBO Journal (2005)24:1571-1583https://doi.org/10.1038/sj.emboj.7600633 PDFDownload PDF of article text and main figures. ToolsAdd to favoritesDownload CitationsTrack CitationsPermissions ShareFacebookTwitterLinked InMendeleyWechatReddit Figures & Info The inactivation of glycogen synthase kinase (GSK)3 has been proposed to play important roles in insulin and Wnt signalling. To define the role that inactivation of GSK3 plays, we generated homozygous knockin mice in which the protein kinase B phosphorylation sites on GSK3α (Ser21) and GSK3β (Ser9) were changed to Ala. The knockin mice were viable and were not diabetic. Using these mice we show that inactivation of GSK3β rather than GSK3α is the major route by which insulin activates muscle glycogen synthase. In contrast, we demonstrate that the activation of muscle glycogen synthase by contraction, the stimulation of muscle glucose uptake by insulin, or the activation of hepatic glycogen synthase by glucose do not require GSK3 phosphorylation on Ser21/Ser9. GSK3 also becomes inhibited in the Wnt-signalling pathway, by a poorly defined mechanism. In GSK3α/GSK3β homozygous knockin cells, Wnt3a induces normal inactivation of GSK3, as judged by the stabilisation of β-catenin and stimulation of Wnt-dependent transcription. These results establish the function of Ser21/Ser9 phosphorylation in several processes in which GSK3 inactivation has previously been implicated. Introduction Insulin promotes the conversion of glucose to glycogen in skeletal muscle by stimulating glucose uptake and activating glycogen synthase (Roach, 2002; Ferrer et al, 2003). Insulin activates glycogen synthase by inducing its dephosphorylation at a cluster of C-terminal residues (Ser641, Ser645, Ser649 and Ser653), which are phosphorylated by glycogen synthase kinase-3α (GSK3α) and GSK3β (Cohen, 1999). In muscle, insulin is thought to stimulate the dephosphorylation of glycogen synthase at these residues by inducing the inactivation of GSK3α and GSK3β via phosphorylation of an N-terminal Ser residue (Ser21 in GSK3α and Ser9 in GSK3β), which is catalysed by protein kinase B (PKB, also known as Akt) (Cross et al, 1995; Shaw et al, 1997) and reversed by the muscle glycogen-associated protein phosphatase-1. Consistent with this model of regulation, small cell-permeable inhibitors of GSK3 with diverse structures stimulate glycogen synthase activity in cell lines or skeletal muscle (reviewed in Cohen and Goedert, 2004). However, it has also been reported that insulin stimulates the dephosphorylation of glycogen synthase at Ser7, which is not regulated by GSK3, and, furthermore, it has been suggested that GSK3 is not the only kinase which phosphorylates the residues between Ser641 and Ser653 (reviewed in Roach, 2002; Ferrer et al, 2003). Thus, the possibility that insulin may regulate glycogen synthase by a mechanism that is independent of GSK3 has not been excluded. It has also been proposed that insulin increases the activity of a glycogen-associated form of protein phosphatase-1 that dephosphorylates the residues in glycogen synthase that are phosphorylated by GSK3 (Suzuki et al, 2001; Delibegovic et al, 2003), but the mechanism or importance of this observation is unclear. The relative contributions made by the inactivation of GSK3 versus potential activation of protein phosphatase or regulation via other pathways to the activation of glycogen synthase is unknown. In the liver, hepatic glycogen synthase is also regulated by phosphorylation of the sites targeted by GSK3. In support of this, GSK3 inhibitors stimulate hepatic glycogen synthase (Coghlan et al, 2000; Cline et al, 2002). However, an important difference between muscle and liver glycogen synthase is that the latter is regulated by the level of blood glucose (Bollen et al, 1998). Glucose has been proposed to stimulate glycogen synthase by binding to phosphorylase-a, thereby promoting its conversion to phosphorylase-b, and so relieve the inhibition that phosphorylase-a exerts on the hepatic glycogen-associated form of protein phosphatase-1, termed PP1GL (Alemany and Cohen, 1986; Bollen et al, 1998). This allows protein phosphatase-1 to dephosphorylate and hence activate hepatic glycogen synthase, thereby stimulating glycogen synthesis. The relative importance of the insulin-induced inactivation of GSK3 versus the glucose-stimulated phosphatase activity in the regulation of hepatic glycogen synthase is unknown. In order for GSK3 to phosphorylate many of its substrates, including glycogen synthase, the substrate is required to be phosphorylated at a priming site, lying four residues C-terminal to the Ser/Thr residue phosphorylated by GSK3 (Frame and Cohen, 2001; Roach, 2002). In the case of glycogen synthase, CK2 is believed to act as a priming kinase by phosphorylating Ser657 (Roach, 2002; Ferrer et al, 2003). Recent studies have revealed that GSK3 possesses a specific phosphate recognition motif located within its kinase domain, which interacts specifically with the primed phosphorylated residue on the GSK3 substrate (Frame and Cohen, 2001). Following phosphorylation by PKB, the N-terminal phosphorylated sequence of GSK3 interacts with the phosphate recognition motif on the GSK3 kinase domain, thereby inhibiting GSK3 by competing for substrate binding. Mutation to Ala of the sites on GSK3α and GSK3β phosphorylated by PKB prevents the inhibition of GSK3 by insulin. The inactivation of GSK3 also plays an important role in the Wnt signalling pathway which is critical for embryonic development (Logan and Nusse, 2004). Wnt inhibits GSK3 by a poorly defined mechanism which is thought to involve disruption of a complex containing GSK3, axin, the adenomatous polyposis coli (APC) protein, and β-catenin. This leads to dephosphorylation and stabilisation of β-catenin, stimulating transcriptional processes controlled by β-catenin. In many forms of human colorectal cancer, mutations arise, mainly in APC and β-catenin, that induce the stabilisation of β-catenin, causing uncontrolled activation of the pathway, which leads to loss of cell polarity and increased proliferation (Sancho et al, 2004). Several groups have proposed that Wnt induces phosphorylation of GSK3 isoforms at the same sites phosphorylated by PKB (Yuan et al, 1999; Fukumoto et al, 2001); however, it has also been suggested that Wnt inactivates GSK3 by a distinct mechanism (Ding et al, 2000). Results Generation of GSK3 knockin mice We generated knockin mice in which the codon encoding Ser21 of GSK3α, and Ser9 of GSK3β, was changed to encode a nonphosphorylatable Ala residue, using the methodology described under Materials and methods and in Supplementary Figure 1. Single homozygous GSK3α21A/21A and GSK3β9A/9A, as well as double GSK3α/β21A/21A/9A/9A knockin mice, were bred using the strategy depicted in Table I. Throughout this study, wild-type (WT) littermate animals were employed in control experiments performed with the single GSK3α21A/21A and GSK3β9A/9A knockin mice. In the case of the double GSK3α/β21A/21A/9A/9A knockin mice, this was impractical, as WT littermate and double knockin mice can only be obtained at a ratio of 1 in 16 in the same cross (Table I). In order to breed GSK3α/β21A/21A/9A/9A and appropriate control mice, we interbred GSK3α/β21A/21A/9A/9A and GSK3α/β21A/21A/9A/9A as well as GSK3α/β+/+/+/+ and GSK3α/β+/+/+/+ littermates derived from a 1 in 16 ratio cross. Table 1. Mice matings reported in this study Cross Genotype Number (%) GSK3α(+/S21A)GSK3β(+/+) GSK3α(+/+) GSK3β(+/+) 50 (25.5%) GSK3α(+/S21A)GSK3β(+/+) GSK3α(+/S21A) GSK3β(+/+) 96 (49%) GSK3α(S21A/S21A) GSK3β(+/+) 50 (25.5%) GSK3α(S21A/S21A)GSK3β(+/+) GSK3α(S21A/S21A) GSK3β(+/+) 11 (100%) GSK3α(S21A/S21A)GSK3β(+/+) GSK3α(+/+)GSK3β(+/S9A) GSK3α(+/+) GSK3β(+/+) 48 (23%) GSK3α(+/+)GSK3β(+/S9A) GSK3α(+/+) GSK3β(+/S9A) 104 (50%) GSK3α(+/+) GSK3β(S9A/S9A) 56 (27%) GSK3α(+/+)GSK3β(S9A/S9A) GSK3α(+/+) GSK3β(S9A/S9A) 12 (100%) GSK3α(+/+)GSK3β(S9A/S9A) GSK3α(+/S21A)GSK3β(+/S9A) GSK3α(+/+) GSK3β(+/+) 3 (7.5%) GSK3α(+/S21A)GSK3β(+/S9A) GSK3α(+/+) GSK3β(+/S9A) 3 (7.5%) GSK3α(+/+) GSK3β(S9A/S9A) 2 (5%) GSK3α(+/S21A) GSK3β(+/+) 5 (12.5%) GSK3α(+/S21A) GSK3β(+/S9A) 19 (47.5%) GSK3α(+/S21A) GSK3β(S9A/S9A) 2 (5%) GSK3α(S21A/S21A) GSK3β(+/+) 1 (2.5%) GSK3α(S21A/S21A) GSK3β(+/ S9A) 3 (7.5%) GSK3α(S21A/S21A) GSK3β(S9A/S9A) 2 (5%) GSK3α(S21A/S21A)GSK3β(S9A/S9A) GSK3α(S21A/S21A) GSK3β(S9A/S9A) 150 (100%) GSK3α(S21A/S21A)GSK3β(S9A/S9A) The indicated matings were set up and the progeny genotyped as described in Materials and methods. The percentage of each genotype observed is indicated in parenthesis. GSK3 knockin mice develop and grow normally and are not diabetic The single GSK3α21A/21A, GSK3β9A/9A and double GSK3α/β21A/21A/9A/9A knockin mice were born at the expected Mendelian frequency (Table I) and displayed no overt phenotype. Growth curves from 4 to 16 weeks of age indicated that these animals were of normal size and weight (Figure 1A and Supplementary Figure 2). Glucose tolerance tests indicated that the single (Supplementary Figure 2) as well as double knockin mice (Figure 1B) were able to dispose of injected glucose at the same rate as WT controls, at 20 weeks of age. Double GSK3α/β21A/21A/9A/9A knockin mice also possessed normal fasted and fed glucose and insulin levels (Figure 1C). Figure 1.Growth and glucose metabolism in the double knockin mice. (A) The indicated male and female mice were weighed once a week between the ages of 4 and 16 weeks. Each point represents the mean±s.e.m., in which n is the number of mice analysed in each group. No statistical difference in the mean weights was observed for any group using the Student's t-test. (B) Glucose tolerance test of the indicated 20-week-old mice. Mice were injected intraperitoneally with 2 mg/g glucose solution and the blood glucose concentration was determined at the indicated times. n indicates the number of mice in each group. The data are presented as the mean±s.e.m. (C) The indicated mice were fasted overnight for 16 h (Fast) or fed ab libitum (Fed). The blood glucose and plasma insulin levels were measured. The data are presented as the mean±s.e.m., with the number, n, of animals in each group indicated. Approximate equal numbers of male and female mice were used in (B) and (C). Download figure Download PowerPoint Analysis of PKB and GSK3 in the muscle of knockin mice Mice were fasted overnight and injected with insulin. In order to verify whether the PI 3-kinase signalling pathway was normally active in the knockin mice, PKBα activity was measured. In the skeletal muscle of GSK3α21A/21A, GSK3β9A/9A and double GSK3α/β21A/21A/9A/9A knockin mice, insulin induced a robust activation of PKB, as well as phosphorylation at one of its activating residues (Ser473), similar to that seen in WT control mice (Figure 2A). The levels of GSK3α and GSK3β protein in the skeletal muscle of GSK3α21A/21A, GSK3β9A/9A and double GSK3α/β21A/21A/9A/9A knockin mice were normal (Figure 2B). We also found that the level of tyrosine phosphorylation in the ‘T-loop’ of GSK3 isoforms was similar in WT and knockin mice and not affected by insulin treatment (Figure 2B). Consistent with this, the specific activities of GSK3α derived from muscle extracts of WT and GSK3α21A/21A knockin mice not injected with insulin were similar (Figure 2B). The GSK3β activity in muscle extracts from GSK3β9A/9A knockin mice that had not been injected with insulin was slightly higher than that of WT mice (Figure 2B). A low level of phosphorylation of GSK3β at Ser9, in WT non-insulin-stimulated muscle, could explain this. Insulin was found to induce a marked phosphorylation of both GSK3 isoforms in WT control mice (Figure 2B). In the GSK3α21A/21A knockin mice, no phosphorylation of GSK3α at Ser21 was observed, while phosphorylation of GSK3β at Ser9 was normal. Similarly, in the GSK3β9A/9A knockin mice, no phosphorylation of GSK3β at Ser9 was detected, while phosphorylation of GSK3α at Ser21 occurred normally. In the double knockin GSK3α/β21A/21A/9A/9A mice, phosphorylation of neither isoform of GSK3 was observed. In muscles isolated from WT mice, insulin induced ∼40% inhibition of GSK3α and GSK3β activity, which was maintained for 40 min (Figure 2B). Dephosphorylation of immunoprecipitated GSK3 with protein phosphatase-1γ (PP1γ) largely restored the specific activities of GSK3α and GSK3β to those observed in unstimulated muscle after phosphatase treatment, indicating that inhibition of GSK3 results from Ser/Thr phosphorylation (data not shown). GSK3β in the GSK3α21A/21A muscle and GSK3α in the GSK3β9A/9A muscle were normally inactivated by insulin (Figure 2B). In contrast, insulin did not induce any inactivation of the S21A or S9A mutants of GSK3 in the knockin mice (Figure 2B), nor was the activity of the immunoprecipitated GSK3 increased by treatment with PP1γ (data not shown). Figure 2.PKB and GSK3 activity in GSK3 knockin mice. (A) The indicated mice were fasted overnight and injected intraperitoneally with insulin (150 mU/g) or saline solution (for the 0 min time point), to anaesthetised mice. At the indicated time (10 min for saline control), skeletal muscle was rapidly extracted and snap frozen in liquid nitrogen. PKBα activity was measured following its immunoprecipitation as described in Materials and methods. The results shown at each time point represent the mean±s.e.m. for three mice each assayed in duplicate for PKBα. The total levels and phosphorylation of PKBα at Ser473 were monitored by immunoblot analysis of tissue extracts. For each time point muscle samples from three separate mice are shown. (B) As above, except that GSK3α and GSK3β were immunoprecipitated from the indicated insulin-stimulated tissues and their activity was measured. The data are presented as the mean±s.e.m. for muscle isolated from three mice each assayed in triplicate. Muscle extracts from the indicated mice were immunoblotted with the indicated antibodies and samples from three separate mice are shown for each time point. The analysis with the three sets of knockin mice was each compared to WT littermate control mice in (A) and (B). Since these data from the sets of WT controls did not differ significantly from each other, only the results obtained for the WT GSK3α21A/21A littermate controls are shown. Download figure Download PowerPoint Effect of insulin on glycogen synthase in GSK3 knockin muscle We next assessed the level and activity of glycogen synthase in skeletal muscle extracts. Glycogen synthase protein levels were normal in the muscles of knockin mice (Figure 3A). We measured glycogen synthase activity in muscle extracts by assaying the incorporation of radioactive UDP-glucose into glycogen in the presence or absence of the allosteric activator glucose 6-phosphate (G6P) (Thomas et al, 1968). In WT mice, insulin activated glycogen synthase ∼2-fold, which was sustained for up to 40 min (Figure 3A). This is the normal degree of activation of muscle glycogen synthase that is induced by insulin. Activation was accompanied by dephosphorylation of Ser641 and Ser645, two of the residues phosphorylated by GSK3 that play critical roles in regulating its activity (Roach, 2002; Ferrer et al, 2003). In the single GSK3α21A/21A knockin mice, the basal level of glycogen synthase activity was normal, and insulin still induced an ∼2-fold activation after 10 min that was also accompanied by the dephosphorylation at the sites phosphorylated by GSK3. The activation of glycogen synthase in the GSK3α21A/21A knockin mice was less sustained than in control WT animals (Figure 3A). Although this effect was moderate, it was observed in two independent experiments with three mice being analysed for each time point. In the single GSK3β9A/9A, as well as the double GSK3α/β21A/21A/9A/9A knockin mice, the basal activity and phosphorylation of glycogen synthase at Ser641/Ser645 was comparable to control mice, but, strikingly, insulin failed to induce a significant activation or dephosphorylation of Ser641/Ser645 (Figure 3A). Figure 3.Effect of insulin on glycogen synthase in knockin mice. (A) The indicated mice were fasted overnight and injected intraperitoneally with insulin (150 mU/g) or saline solution (for the 0 min time point), to anaesthetised mice. At the indicated time (10 min for saline control), skeletal muscle was rapidly extracted and snap frozen in liquid nitrogen. Glycogen synthase activity was measured in the absence and presence of G6P. The data are presented as the mean±s.e.m. for muscle isolated from three mice each assayed ±G6P in duplicate. Muscle extracts from the indicated mice were immunoblotted with the indicated antibodies recognising phosphorylated and total glycogen synthase. As for Figure 2, only the WT controls for the GSK3α21A/21A are shown. (B) Soleus muscle was isolated and incubated in the presence or absence of insulin or AR-A014418. After 1 h of incubation, the muscle was rapidly frozen in liquid nitrogen. Glycogen synthase activity was assessed as in (A) above. The results are presented as the mean±s.e.m. for four muscles for each condition. Download figure Download PowerPoint We next investigated whether activation of glycogen synthase in the knockin mice could be induced by treatment of muscle with AR-A014418, a specific ATP competitive inhibitor of GSK3α and GSK3β (Bhat et al, 2003; Murray et al, 2004). We treated isolated soleus muscle from WT or the double GSK3α/β21A/21A/9A/9A knockin mice with either insulin or AR-A014418. Insulin failed to induce a significant activation of glycogen synthase in the GSK3α/β21A/21A/9A/9A knockin muscle under conditions that resulted in two-fold activation in WT muscle (Figure 3B). In contrast, AR-A014418 induced nearly five-fold activation of glycogen synthase in both the WT and double GSK3α/β21A/21A/9A/9A knockin muscle (Figure 3B). Relative expression of GSK3α and GSK3β in murine and human muscle The finding that insulin was unable to stimulate glycogen synthase in the single GSK3β9A/9A knockin mice suggested that GSK3β is the principal isoform phosphorylating glycogen synthase in murine muscle. This observation could be explained if GSK3β was expressed at a higher level than GSK3α in skeletal muscle. To investigate whether this was so, we expressed mouse GSK3α and GSK3β with N-terminal glutathione S-transferase (GST) tags as expression standards for immunoblotting. We carried out a quantitative immunoblot analysis using LI-COR technology, in which equal amounts of recombinant GSK3α and GSK3β were analysed by immunoblotting with an anti-GST antibody and an anti-GSK3 antibody that recognises both GSK3 isoforms. This analysis permitted quantification of the relative abundance of GSK3α and GSK3β isoforms in murine skeletal muscle, and revealed ∼4-fold higher amounts of GSK3β than GSK3α (Figure 4A). Consistent with this, the specific activity of GSK3β is ∼5-fold higher than that of GSK3α in skeletal muscle (Figure 2B). As GSK3 inhibitors are being developed for the treatment of diabetes in humans, we performed a similar analysis employing human skeletal muscle derived from three lean and healthy donors. This revealed that, in human muscle of all three subjects, there was ∼3-fold excess of GSK3β over GSK3α (Figure 4B). Figure 4.Quantification of the relative levels of GSK3α and GSK3β in muscle. (A) The indicated amounts of the recombinant mouse GST-GSK3α and GST-GSK3β were subjected to immunoblot analysis with anti-GST antibody to verify equal loading of the isoforms or a Pan-GSK3 isoform antibody to determine the relative affinity of this antibody for GSK3α and GSK3β. Quantitation of the immunoblots was performed using LI-COR Odyssey infrared imaging system. Mouse skeletal muscle derived from three WT mice (40 μg total protein) was subjected to quantitative immunoblot analysis with the Pan-GSK3 isoform antibody and from the quantitation data the abundance of GSK3α relative to GSK3β is indicated. (B) As in (A), except that human GST-GSK3α and GST-GSK3β were employed as expression standards and skeletal muscle (30 μg total protein) from three healthy lean human subjects was analysed by immunoblot analysis. Download figure Download PowerPoint Analysis of glucose uptake and glycogen levels in GSK3 knockin muscle A major effect of insulin in muscle is to stimulate glucose uptake probably through the activation of PKB. Although the mechanism by which PKB stimulates glucose uptake is unknown, some studies have implicated the PKB-mediated inhibition of GSK3 in this process (Orena et al, 2000; Morfini et al, 2002). We therefore measured glucose uptake in isolated soleus muscle. These studies revealed that, in both the single as well as the double GSK3 knockin mice, insulin stimulated the uptake of glucose four-fold, similar to the effect observed in WT mice (Figure 5A). We next measured the total glycogen levels in the muscle of WT as well as the single and double GSK3 knockin mice. We observed that, in both mice fed ab libitum and fasted for 16 h, that there was no significant reduction in muscle glycogen levels in any of the GSK3 knockin mice compared to WT controls (Figure 5B). Figure 5.Analysis of glycogen levels and glucose uptake in muscle of the knockin mice. (A) Soleus muscle strips were isolated from the indicated mice and glucose transport activities were measured in the presence or absence of 100 nM insulin. The data are presented as the mean±s.e.m. for muscle isolated from five mice for each genotype. As for Figure 2, only the data for WT control for the GSK3α21A/21A are shown. (B) The indicated mice were fasted overnight for 16 h (Fast) or fed ab libitum (Fed). The mice were killed and the quadricep muscle was rapidly extracted and frozen in liquid nitrogen. The glycogen content in skeletal muscle is expressed as μmol of glycosyl units per gram of muscle. The data are presented as the mean±s.e.m. for muscle isolated from three mice in each group each assayed in triplicate. Download figure Download PowerPoint Effect of muscle contraction on glycogen synthase and glucose tolerance in GSK3 knockin muscle Muscle contraction potently activates glycogen synthase by a poorly defined mechanism (reviewed in Nielsen and Richter, 2003). To define whether phosphorylation of GSK3α at Ser21 and GSK3β at Ser9 plays a role in this process, contraction of hind limb muscle was induced in anaesthetised mice in situ by electrical stimulation of the sciatic nerve in one leg, the other leg serving as the noncontracted control. In both the single as well as double GSK3 knockin mice, muscle contraction markedly stimulated the activity of glycogen synthase to the same extent found in the WT control mice (Figure 6A). Consistent with previous findings (Sakamoto et al, 2002, 2003), muscle contraction in WT mice induced a slight phosphorylation of GSK3α at Ser21 and GSK3β at Ser9 and also resulted in a marked dephosphorylation of glycogen synthase, especially at Ser641 and to a lesser extent at Ser645 (Figure 6B). Strikingly however, in both the single and double GSK3 knockin mice, although phosphorylation of the GSK3 knockin isoforms was abolished, exercise still led to dephosphorylation of glycogen synthase at Ser641 and Ser645 (Figure 6B). This does not result from inactivation of GSK3 isoforms by a mechanism distinct from the phosphorylation of Ser21 and Ser9, as the activity of GSK3α or GSK3β isoforms in the double GSK3α/β21A/21A/9A/9A knockin mice was not changed by muscle contraction (Figure 6C). In WT mice, contraction induced a modest inhibition of GSK3α activity consistent with its phosphorylation at Ser21. Contraction induced weak phosphorylation of PKB at Ser473 in WT and knockin mice, that was much weaker than that observed with insulin (Figure 6D). Muscle contraction also induced normal phosphorylation of the ERK1/ERK2 MAP kinases in the single and double GSK3 knockin mice. This could also contribute to the modest phosphorylation of GSK3 through the ERK-stimulated RSK. Figure 6.Effect of muscle contraction on glycogen synthase and glucose tolerance in the knockin mice. (A) One leg from anaesthetised WT and knockin mouse was subjected to in situ hindlimb muscle contraction (C, contraction) via sciatic nerve stimulation for 10 min, and the other leg served as noncontracted control (B, basal). Red and white gastrocnemius and extensor digitorum longus (EDL) muscles from both legs were rapidly extracted and snap frozen in liquid nitrogen. Glycogen synthase activity was measured in the absence and presence of G6P. The data are presented as the mean±s.e.m. for muscle isolated from four mice each assayed ±G6P in duplicate. (B) Muscle extracts from the indicated mice were immunoblotted with the indicated antibodies. As for Figure 2, only the WT controls for the GSK3α21A/21A are shown. (C) GSK3α and GSK3β were immunoprecipitated from WT and double knockin GSK3 muscle derived from (A), and activity was measured as a ratio of ±treatment with PP1γ phosphatase as described in Materials and methods. The data are presented as the mean±s.e.m. for muscle isolated from two mice, each assayed in triplicate. (D) Muscle extracts from the WT and knockin mice were immunoblotted with the indicated antibodies. The insulin-treated samples were derived from the muscle of mice that had been injected with insulin as described in Figure 2. In order to compare the levels of phosphorylation of PKB seen in response to insulin and muscle contraction, a short and long exposure of the immunoblot is shown. (E) The indicated mice were fasted overnight and blood glucose levels measured. The mice were then anaesthetised and after 30 min a glucose tolerance test was carried out after mice were injected intraperitoneally with 2 mg/g glucose solution and the blood glucose concentration was determined at the indicated times. n indicates the number of mice in each group. The data are presented as the mean±s.e.m. and similar numbers of female and male mice were present in each group. Download figure Download PowerPoint To investigate whether physical activity contributed the nondiabetic phenotype observed in the GSK3 knockin mice, as previously observed for mice lacking the muscle insulin receptor (Wojtaszewski et al, 1999), we performed a glucose tolerance test on anaesthetised control and GSK3α/β21A/21A/9A/9A animals. This revealed no significant differences between the WT and
0

Anti-Inflammatory Effects of Metformin Irrespective of Diabetes Status

Amy Cameron et al.Jul 15, 2016
+13
D
V
A
Rationale: The diabetes mellitus drug metformin is under investigation in cardiovascular disease, but the molecular mechanisms underlying possible benefits are poorly understood. Objective: Here, we have studied anti-inflammatory effects of the drug and their relationship to antihyperglycemic properties. Methods and Results: In primary hepatocytes from healthy animals, metformin and the IKKβ (inhibitor of kappa B kinase) inhibitor BI605906 both inhibited tumor necrosis factor-α–dependent IκB degradation and expression of proinflammatory mediators interleukin-6, interleukin-1β, and CXCL1/2 (C-X-C motif ligand 1/2). Metformin suppressed IKKα/β activation, an effect that could be separated from some metabolic actions, in that BI605906 did not mimic effects of metformin on lipogenic gene expression, glucose production, and AMP-activated protein kinase activation. Equally AMP-activated protein kinase was not required either for mitochondrial suppression of IκB degradation. Consistent with discrete anti-inflammatory actions, in macrophages, metformin specifically blunted secretion of proinflammatory cytokines, without inhibiting M1/M2 differentiation or activation. In a large treatment naive diabetes mellitus population cohort, we observed differences in the systemic inflammation marker, neutrophil to lymphocyte ratio, after incident treatment with either metformin or sulfonylurea monotherapy. Compared with sulfonylurea exposure, metformin reduced the mean log-transformed neutrophil to lymphocyte ratio after 8 to 16 months by 0.09 U (95% confidence interval, 0.02–0.17; P =0.013) and increased the likelihood that neutrophil to lymphocyte ratio would be lower than baseline after 8 to 16 months (odds ratio, 1.83; 95% confidence interval, 1.22–2.75; P =0.00364). Following up these findings in a double-blind placebo controlled trial in nondiabetic heart failure (trial registration: NCT00473876), metformin suppressed plasma cytokines including the aging-associated cytokine CCL11 (C-C motif chemokine ligand 11). Conclusion: We conclude that anti-inflammatory properties of metformin are exerted irrespective of diabetes mellitus status. This may accelerate investigation of drug utility in nondiabetic cardiovascular disease groups. Clinical Trial Registration: Name of the trial registry: TAYSIDE trial (Metformin in Insulin Resistant Left Ventricular [LV] Dysfunction). URL: https://www.clinicaltrials.gov . Unique identifier: NCT00473876.
0

Deficiency of LKB1 in skeletal muscle prevents AMPK activation and glucose uptake during contraction

Kei Sakamoto et al.May 5, 2005
+4
D
A
K
Article5 May 2005free access Deficiency of LKB1 in skeletal muscle prevents AMPK activation and glucose uptake during contraction Kei Sakamoto Corresponding Author Kei Sakamoto MRC Protein Phosphorylation Unit, University of Dundee, Dundee, GB Search for more papers by this author Afshan McCarthy Afshan McCarthy The Breakthrough Breast Cancer Research Centre, The Institute of Cancer Research, London, GB Search for more papers by this author Darrin Smith Darrin Smith The Breakthrough Breast Cancer Research Centre, The Institute of Cancer Research, London, GB Search for more papers by this author Kevin A Green Kevin A Green Division of Molecular Physiology, School of Life Sciences, University of Dundee, Dundee, GB Search for more papers by this author D Grahame Hardie D Grahame Hardie Division of Molecular Physiology, School of Life Sciences, University of Dundee, Dundee, GB Search for more papers by this author Alan Ashworth Alan Ashworth The Breakthrough Breast Cancer Research Centre, The Institute of Cancer Research, London, GB Search for more papers by this author Dario R Alessi Dario R Alessi MRC Protein Phosphorylation Unit, University of Dundee, Dundee, GB Search for more papers by this author Kei Sakamoto Corresponding Author Kei Sakamoto MRC Protein Phosphorylation Unit, University of Dundee, Dundee, GB Search for more papers by this author Afshan McCarthy Afshan McCarthy The Breakthrough Breast Cancer Research Centre, The Institute of Cancer Research, London, GB Search for more papers by this author Darrin Smith Darrin Smith The Breakthrough Breast Cancer Research Centre, The Institute of Cancer Research, London, GB Search for more papers by this author Kevin A Green Kevin A Green Division of Molecular Physiology, School of Life Sciences, University of Dundee, Dundee, GB Search for more papers by this author D Grahame Hardie D Grahame Hardie Division of Molecular Physiology, School of Life Sciences, University of Dundee, Dundee, GB Search for more papers by this author Alan Ashworth Alan Ashworth The Breakthrough Breast Cancer Research Centre, The Institute of Cancer Research, London, GB Search for more papers by this author Dario R Alessi Dario R Alessi MRC Protein Phosphorylation Unit, University of Dundee, Dundee, GB Search for more papers by this author Author Information Kei Sakamoto 1, Afshan McCarthy2, Darrin Smith2, Kevin A Green3, D Grahame Hardie3, Alan Ashworth2 and Dario R Alessi1 1MRC Protein Phosphorylation Unit, University of Dundee, Dundee, GB 2The Breakthrough Breast Cancer Research Centre, The Institute of Cancer Research, London, GB 3Division of Molecular Physiology, School of Life Sciences, University of Dundee, Dundee, GB *Corresponding author. MRC Protein Phosphorylation Unit, School of Life Sciences, University of Dundee, Dow Street, Dundee DD1 5EH, UK. Tel.: +44 1382 34 4241; Fax: +44 1382 223 778; E-mail: [email protected] The EMBO Journal (2005)24:1810-1820https://doi.org/10.1038/sj.emboj.7600667 PDFDownload PDF of article text and main figures. ToolsAdd to favoritesDownload CitationsTrack CitationsPermissions ShareFacebookTwitterLinked InMendeleyWechatReddit Figures & Info Recent studies indicate that the LKB1 tumour suppressor protein kinase is the major 'upstream' activator of the energy sensor AMP-activated protein kinase (AMPK). We have used mice in which LKB1 is expressed at only ∼10% of the normal levels in muscle and most other tissues, or that lack LKB1 entirely in skeletal muscle. Muscle expressing only 10% of the normal level of LKB1 had significantly reduced phosphorylation and activation of AMPKα2. In LKB1-lacking muscle, the basal activity of the AMPKα2 isoform was greatly reduced and was not increased by the AMP-mimetic agent, 5-aminoimidazole-4-carboxamide riboside (AICAR), by the antidiabetic drug phenformin, or by muscle contraction. Moreover, phosphorylation of acetyl CoA carboxylase-2, a downstream target of AMPK, was profoundly reduced. Glucose uptake stimulated by AICAR or muscle contraction, but not by insulin, was inhibited in the absence of LKB1. Contraction increased the AMP:ATP ratio to a greater extent in LKB1-deficient muscles than in LKB1-expressing muscles. These studies establish the importance of LKB1 in regulating AMPK activity and cellular energy levels in response to contraction and phenformin. Introduction The AMP-activated protein kinase (AMPK) is a major sensor of cellular energy levels and is activated by increased levels of 5′-AMP resulting from reduced energy availability (reviewed in Carling, 2004; Hardie, 2004). AMPK is a heterotrimeric complex formed from a catalytic α subunit and two regulatory subunits termed AMPKβ and AMPKγ. AMP activates the AMPK complex by binding to two sites formed by the CBS motifs located on the γ subunit (Scott et al, 2004). Once activated, AMPK phosphorylates substrates that inhibit anabolic processes and promote catabolic processes to restore cellular energy levels. One of the most studied physiological events that activates AMPK is exercise/contraction in skeletal muscle, where AMPK has been proposed to play a key role in stimulation of glucose uptake. Thus, treatment of muscle with an AMPK activator, 5-aminoimidazole-4-carboxamide riboside (AICAR), which is converted to an AMP mimetic within the cell, stimulated glucose uptake (Merrill et al, 1997; Hayashi et al, 1998). Moreover, overexpression of a constitutively active AMPK mutant in muscle cell lines increased glucose uptake (Fryer et al, 2002), while overexpression of a dominant-negative mutant of AMPK in mouse skeletal muscle blocked AICAR-induced glucose uptake (Mu et al, 2001). However, glucose uptake induced by contraction was only inhibited partially in mouse muscle expressing dominant-negative AMPK (Mu et al, 2001), suggesting that AMPK-independent pathway(s) may regulate glucose transport in contracting muscle. AMPK is also activated by metformin, the most widely utilised drug for reducing blood glucose levels in Type II diabetics (Zhou et al, 2001). The mechanism by which metformin, or its closely related analogue phenformin, activates AMPK has not yet been fully established, but may involve inhibition of ATP production via effects on complex I of the mitochondrial respiratory chain. Activation of AMPK by AICAR, metformin and contraction requires phosphorylation of a threonine residue in the T-loop of the AMPKα subunit kinase domain (corresponding to Thr172 in both the AMPKα1 and AMPKα2 isoforms), by upstream kinase(s) (Carling, 2004; Hardie, 2004). Work performed initially in Saccharomyces cerevisiae (Hong et al, 2003; Nath et al, 2003; Sutherland et al, 2003), and subsequently in mammalian cells (Hawley et al, 2003; Woods et al, 2003a; Shaw et al, 2004), demonstrated that the LKB1 protein kinase can mediate Thr172 phosphorylation of AMPK both in vitro and in intact cells. LKB1 is a 50 kDa serine/threonine kinase that was originally identified as the product of the gene mutated in the autosomal dominantly-inherited Peutz–Jeghers cancer syndrome (Hemminki et al, 1998; Jenne et al, 1998). Like AMPK, LKB1 forms a heterotrimeric complex, in this case with regulatory proteins termed STRAD and MO25, which are required for its activation and cytosolic localisation (Baas et al, 2003; Boudeau et al, 2003, 2004). The LKB1 complex is not itself stimulated by AMP, and is constitutively active in cell lines (Woods et al, 2003a; Lizcano et al, 2004), as well as in skeletal muscle (Sakamoto et al, 2004). In vitro studies have suggested that binding of AMP to AMPK is likely to be the principle regulatory mechanism stimulating phosphorylation of AMPK by LKB1 (Hawley et al, 2003). The LKB1 complex also phosphorylates and activates a number of other protein kinases related to AMPK, whose functions are poorly understood (Lizcano et al, 2004; Jaleel et al, 2005). However, unlike AMPK, the other AMPK-related kinases phosphorylated by LKB1 are not activated by AICAR, phenformin or muscle contraction (Lizcano et al, 2004; Sakamoto et al, 2004). Recent studies have suggested that activation of AMPK might be mediated independently of LKB1 in IGF1-stimulated fibroblasts and HeLa cells (Suzuki et al, 2004) or in cardiac muscle in response to ischaemia (Altarejos et al, 2005; Baron et al, 2005). Furthermore, in LKB1-deficient HeLa cells or mouse embryo fibroblasts, although AMPK is not activated by AICAR or other stimuli tested, it did possess significant basal activity and phosphorylation at Thr172 (Hawley et al, 2003; Shaw et al, 2004). This suggested that AMPK could be phosphorylated at Thr172 in vivo independently of LKB1. In this study, we wished to address the role that LKB1 plays in activating AMPK in a mammalian tissue in vivo, rather than in cultured cells in vitro. We have generated mice either lacking LKB1 in muscle, or in which the expression of LKB1 is reduced 10-fold, to define the role that LKB1 plays in regulating AMPK activity and glucose uptake in contracting skeletal muscle. Results Strategy employed to generate muscle-specific LKB1 knockout mice We have generated mice conditional for expression of LKB1 and the structure of the floxed (fl) allele is shown in Figure 1A. Exons 5–7 of the LKB1 gene were replaced by a cDNA cassette encoding the remainder of the LKB1 sequence, and exons 4 of the LKB1 gene encoding residues 156–203 and the cDNA cassette are flanked by the loxP Cre excision sequence. This strategy was employed to ensure that in the LKB1fl/fl mice, full-length wild-type LKB1 would be expressed after exon 4 from the LKB1 cDNA cassette. The LKB1fl/fl mice were crossed with transgenic mice expressing the Cre recombinase under the muscle creatine kinase promoter, which induces expression of the Cre recombinase specifically in skeletal muscle and heart, just prior to birth (Bruning et al, 1998). In the resulting LKB1fl/flCre+/− mice, exon 4 as well as the LKB1 cDNA cassette would be specifically excised in skeletal and cardiac muscle, ablating functional LKB1 expression, but potentially resulting in expression of an N-terminal fragment of LKB1 encompassing exons 1–3 (encoding residues 1–155). Figure 1.Generation of LKB1-deficient mice. (A) Diagram illustrating the positions of exons 3–8 (▪) in the wild-type LKB1+Cre− allele. In the LKB1flCre− allele, exon 4 of the LKB1 gene is flanked with loxP Cre recombinase excision sites (▴), and exons 5–7 encoding the catalytic domain of LKB1 are replaced with a cDNA construct encoding the remainder of the LKB1 sequence, as well as a neomycin (Neo) selection gene. The expression of the neomycin gene is driven by the LKB1 promoter and it is made as fusion mRNA with LKB1. Its translation is directed by an internal ribosome entry site. In the LKB1flCre+ allele, exons 4–7 of the LKB1 gene are deleted through action of the Cre recombinase, thereby ablating functional expression of LKB1. The positions of the PCR primers used to genotype the mice are indicated with arrows. (B) Breeding strategy employed to generate LKB1fl/fl and LKB1-muscle-deficient (LKB1fl/flCre+/−) mice, where MCKCre denotes transgenic mice expressing the Cre recombinase under the muscle creatine kinase promoter. The number and percentage of each genotype obtained are indicated. Download figure Download PowerPoint Hypomorphic phenotype of LKB1fl/fl mice LKB1fl/fl mice were bred as described in Cross 1 in Figure 1B and we observed that these were born at ∼30% lower than expected Mendelian frequency. Female LKB1fl/fl mice were fertile (Cross 2, Figure 1B) but, unexpectedly, male LKB1fl/fl mice were infertile (Cross 3, Figure 1B). To investigate whether this might result from reduced expression of LKB1, we quantified the level of LKB1 protein and activity in various tissues including testis, from 7–10-week-old LKB1fl/fl animals (Figure 2). This revealed that in testis, as well as skeletal muscle, heart, liver and kidney, LKB1 protein and activity was five- to 10-fold lower in LKB1fl/fl mice compared to littermate LKB1+/+ mice. The heterozygous LKB1+/fl mice expressed two-fold lower levels of LKB1 compared to LKB1+/+ mice. In testis, in addition to the 50 kDa protein corresponding to full-length LKB1, a major faster migrating ∼48 kDa species was also recognised by the LKB1 antibody in an immunoblot analysis (Figure 2F). Interestingly, the faster migrating species was not detected in the LKB1fl/fl mice, while the 50 kDa species was reduced ∼10-fold. In contrast to other tissues, the levels of LKB1 in the brain of LKB1fl/fl mice were only reduced slightly (Figure 2G). Figure 2.Expression and activity of LKB1 in mouse tissues. (A–G) Extracts of the indicated muscles and other tissues derived from wild-type and mutant mice (7–10 weeks of age) were generated. LKB1 activity was assessed following its immunoprecipitation and assay with the LKBtide peptide. Assays were performed in duplicate from tissues derived from three mice and results presented as the average±s.e.m. The level of LKB1 protein was assessed by immunoblot analysis of 30 μg of protein from tissue extracts using either anti-LKB1 antibody raised against the whole mouse LKB1 protein (WP antibody) or an anti-LKB1 N-terminal antibody raised against the peptide encompassing residues 24–39 of human LKB1 (NT antibody). The ERK1 and ERK2 kinases were immunoblotted as a loading control. The immunoblotting results are representative of independent experiments performed with tissues from two mice. (a) P<0.05 versus LKB1+/+; (b) P<0.05 versus LKB1+/flCre−/−; (c) P<0.05 versus LKB1fl/flCre−/−. Statistical analysis performed using unpaired Student's t test. Download figure Download PowerPoint LKB1 expression is abolished in the muscle of LKB1fl/flCre+/− mice We next analysed LKB1 in tissues of the LKB1fl/fl mice expressing the Cre recombinase, generated as described in Cross 2 in Figure 1B. We employed antibodies raised against the full-length LKB1 protein as well as an antibody raised against an N-terminal peptide to enable us to detect any expression of the N-terminal exon 1–3 fragment of LKB1, which would be expected to have a molecular mass of ∼17 kDa. We found that, in the LKB1fl/flCre+/− mice, no LKB1 expression or activity was detected using either antibody in quadriceps muscle (Figure 2A), indicating that Cre ablated expression of full-length LKB1 and that the exon 1–3 fragment of LKB1 is unstable. In three other skeletal muscle types or in cardiac muscle, expression of LKB1 was abolished in LKB1fl/flCre+/− animals (Figure 2B and C). As expected, in nonmuscle tissues of LKB1fl/flCre+/− mice, LKB1 was expressed at levels similar to those found in LKB1fl/flCre−/− littermate mice (Figure 2D–G). The LKB1fl/flCre+/− mice, as well as their hypomorphic littermate LKB1fl/flCre−/− mice, displayed no overt phenotype up to the age of 10 weeks. They possessed normal fasted and fed blood glucose levels, and growth curves from 4 to 10 weeks of age indicated that these animals were of normal size and weight compared to control littermates (data not shown). LKB1 is required for AICAR-induced AMPKα2 activation To determine whether lack of LKB1 in skeletal muscle affected AMPK activation, we treated isolated extensor digitorum longus (EDL) muscle isolated from 7–10-week-old mice, in the presence or absence of 2 mM AICAR, which is converted by adenosine kinase into AICAR monophosphate (ZMP), a cellular mimetic of AMP which activates AMPK (Corton et al, 1995). We first measured the activity of the AMPKα2 isoform as well as its phosphorylation at Thr172, the site of LKB1 phosphorylation. In LKB1+/+ and LKB1+/fl EDL muscles, AICAR stimulated AMPKα2 activity ∼2-fold (Figure 3A) and robustly increased phosphorylation at Thr172 (Figure 3B). In contrast, in the EDL muscle of LKB1fl/flCre+/− lacking LKB1 activity, the basal AMPKα2 activity (1.8 mU/mg) was much lower than that observed (∼40 mU/mg) in LKB1-expressing LKB1+/+ or LKB1+/fl muscle, although AMPKα2 was expressed normally. Moreover, in LKB1-deficient muscle, AICAR barely increased AMPKα2 activity (to 2.3 mU/mg) compared to ∼80 mU/mg in LKB1-expressing LKB1+/+ or LKB1+/fl muscle. Consistent with the lack of AMPKα2 activation in LKB1fl/flCre+/− muscle, AICAR also failed to induce detectable phosphorylation of Thr172 (Figure 3B). AMPK activity in vivo was also assessed by analysing the phosphorylation of a downstream target of AMPK, namely the muscle isoform of acetyl-CoA carboxylase-2/β (ACC-2/β) isoform, at the primary site phosphorylated by AMPK (Ser212, equivalent to Ser79 phosphorylated on ACC-1/α; Davies et al, 1990). In LKB1+/+ or LKB1+/fl muscle, significant basal levels of ACC phosphorylation were observed, which were profoundly increased by AICAR (Figure 3B). In contrast, in both unstimulated and AICAR-treated LKB1fl/flCre+/− muscle, phosphorylation of ACC was undetectable. Figure 3.Role of LKB1 in regulating AICAR-induced AMPK activation and glucose transport. (A) Isolated mouse EDL muscles derived from wild-type and mutant mice (7–10 weeks of age) were incubated in the presence (+) or absence (−) of 2 mM AICAR for 60 min. AMPKα2 was immunoprecipitated and assayed with the AMARA peptide. Assays were performed in duplicate from tissues derived from 4–5 mice and results are presented as the average±s.e.m. (B) Equal amounts of protein (20–30 μg) from muscle extracts were immunoblotted with the indicated antibodies. The immunoblotting results are representative of independent experiments performed with tissues from at least three mice. Immunoblot analysis of AMPKα1 and AMPKα2 levels as well as ACC phosphorylation was also assessed by quantitative Li-Cor analysis. The data presented are the mean±s.e.m. Expression relative to expression in LKB1+/+ muscle derived from 3–4 mice. (C) As in (A), except that AMPKα1 was immunoprecipitated and assayed. (D) Glucose transport in isolated EDL muscle derived from the indicated mice was determined without (−) or with (+) 2 mM AICAR, as described in Materials and methods. The data are presented as the mean±s.e.m. for muscle isolated from 4–5 mice for each genotype. *P<0.05 basal versus AICAR within each genotype; (a), P<0.05 versus LKB1+/+ (basal); (b) P<0.05 versus LKB1fl/flCre−/− (basal); (c) P<0.05 versus LKB1+/+ (AICAR); (d) P<0.05 versus LKB1fl/flCre−/− (AICAR). Statistical analysis performed using one-way ANOVA and Tukey's post hoc test. Download figure Download PowerPoint Further evidence that LKB1 regulated AMPKα2 activity came from the finding that, in the LKB1fl/fl hypomorphic mice, which express 10-fold lower levels of LKB1 in muscle (Figure 2A), the basal and AICAR-stimulated levels of AMPKα2 activity and Thr172 phosphorylation were reduced from four- to two-fold, compared to LKB1+/+ and LKB1+/fl muscle (Figure 3A and B). The phosphorylation of ACC in response to AICAR was reduced by 60% in the hypomorphic mice, as judged by quantitative immunoblot analysis using the Li-Cor Odyssey system (Figure 3B). We next examined AMPKα1 activity in the EDL muscle of wild-type LKB1+/+ mice and found that its activity was markedly lower than that of AMPKα2 (compare Figure 3A and C), although AICAR still stimulated AMPKα1 activity two-fold. In the hypomorphic LKB1fl/flCre−/− mice, AMPKα1 was expressed normally, but its basal and AICAR-stimulated activities were reduced ∼4-fold compared to LKB1+/+ and LKB1+/fl muscle, suggesting that LKB1 does regulate AMPKα1 activity. In LKB1-deficient LKB1fl/flCre+/− muscle, we noticed that AMPKα1 protein levels were increased ∼2-fold, as judged by quantitative immunoblot analysis using the Li-Cor Odyssey system (Figure 3B). Interestingly however, the basal and stimulated AMPKα1 activities were not further reduced in LKB1-deficient LKB1fl/flCre+/− compared with LKB1fl/flCre−/− muscle, and AMPKα1 was still modestly activated by AICAR. This result might be explained if the AMPKα1 activity was derived from a minor amount of nonmuscle cells in the preparation, which would not express the Cre recombinase. LKB1 is required for AICAR-induced glucose transport in skeletal muscle A major physiological role of AMPK in muscle is to stimulate glucose transport (Winder and Hardie, 1999). We therefore measured 2-deoxyglucose uptake in isolated EDL muscle incubated for 60 min in the presence or absence of 2 mM AICAR, followed by 10 min in 3H-2-deoxyglucose. These studies revealed that the basal levels of glucose uptake were similar in LKB1+/+ or hypomorphic LKB1fl/flCre−/− muscle, and that glucose uptake was stimulated two- to three-fold by AICAR (Figure 3D). In contrast, in the LKB1-deficient LKB1fl/flCre+/− muscle, the basal uptake of 3H-2-deoxyglucose was similar to that observed in LKB1-expressing muscle, but AICAR-stimulated glucose uptake was blocked completely (Figure 3D). LKB1 is required for contraction-induced AMPKα2 activation One of the major physiological activators of AMPK in skeletal muscle is contraction or exercise (Winder and Hardie, 1999). In order to investigate the role of LKB1 in enabling AMPK to be activated by muscle contraction, in situ contractions of hind limb muscle were induced in one leg via electrical stimulation of the sciatic nerve in anaesthetised mice, while the other leg served as the noncontracted control. Contraction was performed for 5 min, a time point that maximally activates AMPKα2 using the protocol employed (Sakamoto et al, 2004). We measured AMPKα2 activity (Figure 4A), and phosphorylation of AMPK at Thr172 and ACC at Ser212, in mixed tibialis anterior and EDL muscles (Figure 4B). In LKB1+/+ and LKB1+/fl muscle, contraction increased AMPKα2 activity six-fold and also induced marked phosphorylation of AMPK at Thr172 and ACC at Ser212. In contrast, in the LKB1-deficient LKB1fl/flCre+/− muscle, the basal and contraction-induced AMPKα2 activities were reduced ∼50-fold, compared to LKB1+/+ and LKB1+/fl muscles (Figure 4A). Furthermore, in LKB1-deficient muscle, contraction failed to stimulate phosphorylation of AMPK at Thr172, while phosphorylation of ACC was reduced by nearly 90% (Figure 4B). Figure 4.Role of LKB1 in regulating contraction-induced AMPK activation. (A) One leg from anaesthetised mice of the indicated genotype (7–10 weeks of age) was subjected to in situ hindlimb muscle contraction (Ctr, contraction) via sciatic nerve stimulation for 5 min, and the other leg served as noncontracted control (B, basal). Tibialis anterior and EDL muscles from both legs were rapidly extracted and snap frozen in liquid nitrogen. AMPKα2 was immunoprecipitated and assayed with the AMARA peptide. Assays were performed in duplicate from muscles derived from four to five mice and results are presented as the average±s.e.m. (B) Equal amounts of protein (20–30 μg) from the muscle extracts were immunoblotted with the indicated antibodies. Immunoblot analysis of ACC phosphorylation was also assessed by quantitative Li-Cor analysis. The immunoblotting results are representative of independent experiments performed with tissues from at least three mice. (C, D) As in (A), except that AMPKα1 (C) or LKB1 (D) was immunoprecipitated and assayed with AMARA or LKBtide. *P<0.05 basal versus contraction within each genotype; (a) P<0.05 versus LKB1+/+ (basal); (b) P<0.05 versus LKB1fl/flCre−/− (basal) (c) P<0.05 versus LKB1+/+ (ctr); (d) P<0.05 versus LKB1fl/flCre−/− (ctr). Statistical analysis performed using one-way ANOVA and Tukey's post hoc test. Download figure Download PowerPoint In the hypomorphic LKB1fl/flCre−/− muscle, the basal AMPKα2 activity was 6 mU/mg (compared to 25 mU/mg in LKB1+/+ muscle) and was stimulated during contraction to 55 mU/mg (compared to 115 mU/mg in LKB1+/+ muscle). In the LKB1 hypomorphic mice, contraction-induced phosphorylation of AMPK at Thr172 was reduced significantly, but, in contrast to AICAR treatment (Figure 3B), the phosphorylation of ACC at Ser212 was similar to that observed in LKB1+/+ muscle (Figure 4B). In contrast to AMPKα2, AMPKα1 activity was not increased significantly by muscle contraction (Figure 4C), consistent with the notion outlined above that AMPKα1 detected in mixed tibialis anterior and EDL muscle may largely be derived from nonmuscle cells. Previous studies have also found that the AMPKα1 is not activated in contracting rat or human muscle under conditions where AMPKα2 is stimulated (Fujii et al, 2000). AMPKα1 activity was ∼3-fold lower in hypomorphic LKB1fl/flCre−/− muscle compared to LKB1+/+ muscle, and its activity was not reduced further in the Cre-expressing muscles (Figure 4C; see also Figure 3C). In the hypomorphic and LKB1 knockout muscles, contraction induced normal T-loop phosphorylation of the ERK1/ERK2 kinases (Figure 4B), which are potently activated by contraction or exercise (Sakamoto and Goodyear, 2002). Consistent with previous reports in rat muscle (Sakamoto et al, 2004), LKB1 activity in mouse muscle was not affected by contraction (Figure 4D). LKB1 is required for contraction-induced glucose transport in skeletal muscle Muscle contraction stimulates glucose uptake, but the contribution that AMPK makes to this process relative to other signalling pathways has been controversial (Aschenbach et al, 2004). We therefore measured glucose uptake in EDL muscle using in situ (Figure 5A) as well in vitro (Figure 5B) methodologies to induce muscle contraction. For the in situ approach, contraction was induced through sciatic nerve stimulation for 5 min and then EDL muscles were isolated and glucose transport measured following immersion for 10 min in 3H-2-deoxyglucose. This revealed that, in LKB1+/+ or hypomorphic LKB1fl/flCre−/− muscle, basal levels of glucose transport were similar and contraction stimulated the uptake of 3H-2-deoxyglucose two-fold (Figure 5A). In contrast, in the LKB1-deficient LKB1fl/flCre+/− muscle, the basal uptake of 3H-2-deoxyglucose, although similar to that observed in LKB1-expressing muscle, was marginally stimulated, even though this was not statistically significant (Figure 5A). In the in vitro approach, isolated EDL muscles were induced to contract for 10 min by electrical stimulation and then glucose transport quantified following immersion of the muscle for 10 min in 3H-2-deoxyglucose. This revealed that the 1.7-fold stimulation of glucose uptake induced by contraction in wild-type and hypomorphic muscles was largely blocked in the LKB1-deficient LKB1fl/flCre+/− muscle (Figure 5B). We also monitored muscle force production during in vitro contraction and observed that, in the LKB1-lacking or LKB1-hypomorphic muscles, the force profiles were identical to those of wild-type muscle, indicating that the ability of LKB1-deficient muscles to contract is not impaired (Figure 5C). As a further control to ensure that the glucose transport apparatus was functional in the LKB1-deficient muscle, we also measured glucose transport in the presence or absence of insulin, which stimulates the process through an AMPK-independent pathway. This revealed that insulin stimulated 2-deoxyglucose uptake two-fold in the LKB1-lacking LKB1fl/flCre+/− muscle, similar to that observed in LKB1-expressing muscle (Figure 5D). Figure 5.Role of LKB1 in regulating contraction-induced glucose transport. (A) One leg from anaesthetised mice of the indicated genotype (7–10 weeks of age) was subjected to in situ hindlimb muscle contraction (Ctr, contraction) via sciatic nerve stimulation for 5 min, and the other leg served as noncontracted control (B, basal). Following contraction, EDL muscle was isolated and glucose transport measured as described in Materials and methods. (B) Isolated EDL muscles were either subjected to in vitro contraction (Ctr, contraction) via electrical stimulation for 10 min or left unstimulated (B, basal). Glucose transport was then measured as described in Materials and methods. The data in (A) and (B) are presented as the mean±s.e.m. for muscle isolated from the indicated number (n) of mice of each genotype. (C) Force production during contraction protocol. Isolated EDL muscles were subjected to 10 sets of 10-s in vitro contraction and total force generated for each contraction was calculated as described in Supplementary data. The data are presented as the mean±s.e.m. for muscle isolated from three mice for each genotype. (D) Glucose transport activity in isolated EDL muscle from the indicated mice, determined without (−) or with 100 nM insulin (INS) as described in Materials and methods. The data are presented as the mean±s.e.m. for muscle isolated from three mice for each genotype. *P<0.05 basal versus contraction within each genotype; #P<0.05 versus LKB1+/+ (contraction). Statistical analysis performed using one-way ANOVA and Tukey's post hoc test. Download figure Download PowerPoint LKB1 is required for phenformin-induced AMPKα2 activation To study whether LKB1 was required for the activation of AMPKα2 by the antidiabetic drug phenformin, we treated isolated EDL muscle in the presence or absence of 2 mM phenformin for 60 min. Phenformin was employed rather than metformin, as this close relative of metformin activates AMPK much more potently in muscle than metformin (KS, unpublished results). Phenformin induced a three-fold stimulation of AMPKα2 in LKB1-expressing muscle (Figure 6A), which was accompanied by a marked increase in phosphorylation of AMPK at Thr172 and ACC at Ser212 (Figure 6B). In the LKB1 hypomorphic muscle, the basal activity of AMPKα2 was reduced, but phenformin still stimulated AMPKα2, albeit to a level lower than observed in wild-type muscle (Figure 6A). By contrast, in LKB1-deficient muscle, phenformin failed to significantly increase the low AMPKα2 activity or the phosphorylation of AMPK at Thr172 and ACC at Ser212. We attempted to measure phe
0

Mechanism of Action of A-769662, a Valuable Tool for Activation of AMP-activated Protein Kinase

Olga Göransson et al.Sep 14, 2007
+6
S
A
O
We have studied the mechanism of A-769662, a new activator of AMP-activated protein kinase (AMPK). Unlike other pharmacological activators, it directly activates native rat AMPK by mimicking both effects of AMP, i.e. allosteric activation and inhibition of dephosphorylation. We found that it has no effect on the isolated α subunit kinase domain, with or without the associated autoinhibitory domain, or on interaction of glycogen with the β subunit glycogen-binding domain. Although it mimics actions of AMP, it has no effect on binding of AMP to the isolated Bateman domains of the γ subunit. The addition of A-769662 to mouse embryonic fibroblasts or primary mouse hepatocytes stimulates phosphorylation of acetyl-CoA carboxylase (ACC), effects that are completely abolished in AMPK-α1–/–α2–/– cells but not in TAK1–/– mouse embryonic fibroblasts. Phosphorylation of AMPK and ACC in response to A-769662 is also abolished in isolated mouse skeletal muscle lacking LKB1, a major upstream kinase for AMPK in this tissue. However, in HeLa cells, which lack LKB1 but express the alternate upstream kinase calmodulin-dependent protein kinase kinase-β, phosphorylation of AMPK and ACC in response to A-769662 still occurs. These results show that in intact cells, the effects of A-769662 are independent of the upstream kinase utilized. We propose that this direct and specific AMPK activator will be a valuable experimental tool to understand the physiological roles of AMPK. We have studied the mechanism of A-769662, a new activator of AMP-activated protein kinase (AMPK). Unlike other pharmacological activators, it directly activates native rat AMPK by mimicking both effects of AMP, i.e. allosteric activation and inhibition of dephosphorylation. We found that it has no effect on the isolated α subunit kinase domain, with or without the associated autoinhibitory domain, or on interaction of glycogen with the β subunit glycogen-binding domain. Although it mimics actions of AMP, it has no effect on binding of AMP to the isolated Bateman domains of the γ subunit. The addition of A-769662 to mouse embryonic fibroblasts or primary mouse hepatocytes stimulates phosphorylation of acetyl-CoA carboxylase (ACC), effects that are completely abolished in AMPK-α1–/–α2–/– cells but not in TAK1–/– mouse embryonic fibroblasts. Phosphorylation of AMPK and ACC in response to A-769662 is also abolished in isolated mouse skeletal muscle lacking LKB1, a major upstream kinase for AMPK in this tissue. However, in HeLa cells, which lack LKB1 but express the alternate upstream kinase calmodulin-dependent protein kinase kinase-β, phosphorylation of AMPK and ACC in response to A-769662 still occurs. These results show that in intact cells, the effects of A-769662 are independent of the upstream kinase utilized. We propose that this direct and specific AMPK activator will be a valuable experimental tool to understand the physiological roles of AMPK. The AMP-activated protein kinase (AMPK) 3The abbreviations used are: AMPK, AMP-activated protein kinase; ACC, acetyl-CoA carboxylase; AICAR, 5-aminoimidazole-4-carboxamide riboside; AID, autoinhibitory domain; CaMKK, calmodulin-dependent protein kinase kinase; CBS, cystathionineβ-synthase; GBD, glycogen-binding domain; GST, glutathione S-transferase; MEF, mouse embryo fibroblast; OCT1, organic cation transporter-1; TAK1, TGFβ-activated kinase-1; TGFβ, transforming growth factor-β; TBS, Tris-buffered saline; MOPS, 4-morpholinepropanesulfonic acid; Bis-Tris, 2-(bis(2-hydroxyethyl)amino)-2-(hydroxymethyl)propane-1,3-diol. 3The abbreviations used are: AMPK, AMP-activated protein kinase; ACC, acetyl-CoA carboxylase; AICAR, 5-aminoimidazole-4-carboxamide riboside; AID, autoinhibitory domain; CaMKK, calmodulin-dependent protein kinase kinase; CBS, cystathionineβ-synthase; GBD, glycogen-binding domain; GST, glutathione S-transferase; MEF, mouse embryo fibroblast; OCT1, organic cation transporter-1; TAK1, TGFβ-activated kinase-1; TGFβ, transforming growth factor-β; TBS, Tris-buffered saline; MOPS, 4-morpholinepropanesulfonic acid; Bis-Tris, 2-(bis(2-hydroxyethyl)amino)-2-(hydroxymethyl)propane-1,3-diol. is a regulator of energy balance at both the cellular and the whole body levels (1Carling D. Trends Biochem. Sci. 2004; 29: 18-24Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (948) Google Scholar, 2Kahn B.B. Alquier T. Carling D. Hardie D.G. Cell Metab. 2005; 1: 15-25Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (2295) Google Scholar, 3Hardie D.G. Annu. Rev. Pharmacol. Toxicol. 2007; 47: 185-210Crossref PubMed Scopus (352) Google Scholar). Once activated, it effects a metabolic switch from an anabolic to a catabolic state, both by acutely phosphorylating metabolic enzymes and, in the longer term, by regulating gene expression. AMPK is a heterotrimer composed of a catalytic α subunit and regulatory β and γ subunits. Binding of AMP to the two “Bateman domains” formed by four tandem CBS motifs on the γ subunit (4Scott J.W. Hawley S.A. Green K.A. Anis M. Stewart G. Scullion G.A. Norman D.G. Hardie D.G. J. Clin. Investig. 2004; 113: 274-284Crossref PubMed Scopus (599) Google Scholar) triggers increased phosphorylation at Thr-172 on the activation loop of the α subunit, causing >100-fold activation (5Suter M. Riek U. Tuerk R. Schlattner U. Wallimann T. Neumann D. J. Biol. Chem. 2006; 281: 32207-32216Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (369) Google Scholar). AMP binding was previously thought both to promote phosphorylation (6Hawley S.A. Boudeau J. Reid J.L. Mustard K.J. Udd L. Makela T.P. Alessi D.R. Hardie D.G. J. Biol. 2003; 2: 28Crossref PubMed Google Scholar) and to inhibit dephosphorylation (7Davies S.P. Helps N.R. Cohen P.T.W. Hardie D.G. FEBS Lett. 1995; 377: 421-425Crossref PubMed Scopus (492) Google Scholar), although recent results suggest that the effect is exclusively on dephosphorylation (8Sanders M.J. Grondin P.O. Hegarty B.D. Snowden M.A. Carling D. Biochem. J. 2007; 403: 139-148Crossref PubMed Scopus (517) Google Scholar). AMP binding also causes a further allosteric activation of the phosphorylated kinase by up to 10-fold (5Suter M. Riek U. Tuerk R. Schlattner U. Wallimann T. Neumann D. J. Biol. Chem. 2006; 281: 32207-32216Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (369) Google Scholar). Phosphorylation of Thr-172 is in most cells catalyzed by the tumor suppressor kinase LKB1 (6Hawley S.A. Boudeau J. Reid J.L. Mustard K.J. Udd L. Makela T.P. Alessi D.R. Hardie D.G. J. Biol. 2003; 2: 28Crossref PubMed Google Scholar, 9Woods A. Johnstone S.R. Dickerson K. Leiper F.C. Fryer L.G. Neumann D. Schlattner U. Wallimann T. Carlson M. Carling D. Curr. Biol. 2003; 13: 2004-2008Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (1315) Google Scholar), which appears to be constitutively active (10Lizcano J.M. Göransson O. Toth R. Deak M. Morrice N.A. Boudeau J. Hawley S.A. Udd L. Mäkelä T.P. Hardie D.G. Alessi D.R. EMBO J. 2004; 23: 833-843Crossref PubMed Scopus (1042) Google Scholar, 11Sakamoto K. Goransson O. Hardie D.G. Alessi D.R. Am. J. Physiol. 2004; 287: E310-E317Crossref PubMed Scopus (27) Google Scholar). In some cells, Thr-172 can also be phosphorylated in a Ca2+-mediated process catalyzed by calmodulin-dependent protein kinase kinases such as CaMKKβ (12Hawley S.A. Pan D.A. Mustard K.J. Ross L. Bain J. Edelman A.M. Frenguelli B.G. Hardie D.G. Cell Metab. 2005; 2: 9-19Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (1259) Google Scholar, 13Woods A. Dickerson K. Heath R. Hong S.P. Momcilovic M. Johnstone S.R. Carlson M. Carling D. Cell Metab. 2005; 2: 21-33Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (1053) Google Scholar, 14Hurley R.L. Anderson K.A. Franzone J.M. Kemp B.E. Means A.R. Witters L.A. J. Biol. Chem. 2005; 280: 29060-29066Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (802) Google Scholar). The protein kinase TGFβ-activated kinase-1 (TAK1) can also activate the Saccharomyces cerevisiae homologue of AMPK (the SNF1 complex) when overexpressed in yeast, as well as phosphorylating Thr-172 on mammalian AMPK in cell-free assays (15Momcilovic M. Hong S.P. Carlson M. J. Biol. Chem. 2006; 281: 25336-25343Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (375) Google Scholar). It remains unclear whether this has any physiological relevance in vivo.Most of the metabolic changes induced by AMPK activation, such as increased glucose uptake into muscle (16Merrill G.M. Kurth E. Hardie D.G. Winder W.W. Am. J. Physiol. 1997; 273: E1107-E1112Crossref PubMed Google Scholar), decreased gluconeogenesis in liver (17Lochhead P.A. Salt I.P. Walker K.S. Hardie D.G. Sutherland C. Diabetes. 2000; 49: 896-903Crossref PubMed Scopus (338) Google Scholar, 18Koo S.H. Flechner L. Qi L. Zhang X. Screaton R.A. Jeffries S. Hedrick S. Xu W. Boussouar F. Brindle P. Takemori H. Montminy M. Nature. 2005; 437: 1109-1111Crossref PubMed Scopus (783) Google Scholar), increased fatty acid oxidation in muscle and liver (16Merrill G.M. Kurth E. Hardie D.G. Winder W.W. Am. J. Physiol. 1997; 273: E1107-E1112Crossref PubMed Google Scholar, 19Velasco G. Geelen M.J.H. Guzman M. Arch. Biochem. Biophys. 1997; 337: 169-175Crossref PubMed Scopus (100) Google Scholar), deceased fatty acid synthesis in liver and adipose tissue (20Sullivan J.E. Brocklehurst K.J. Marley A.E. Carey F. Carling D. Beri R.K. FEBS Lett. 1994; 353: 33-36Crossref PubMed Scopus (410) Google Scholar, 21Corton J.M. Gillespie J.G. Hawley S.A. Hardie D.G. Eur. J. Biochem. 1995; 229: 558-565Crossref PubMed Scopus (1018) Google Scholar), and increased mitochondrial biogenesis (22Zong H. Ren J.M. Young L.H. Pypaert M. Mu J. Birnbaum M.J. Shulman G.I. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2002; 99: 15983-15987Crossref PubMed Scopus (816) Google Scholar), would be desirable outcomes for the treatment of type 2 diabetes and the metabolic syndrome. AMPK was therefore proposed (23Winder W.W. Hardie D.G. Am. J. Physiol. 1999; 277: E1-E10PubMed Google Scholar) to be a promising target for drugs aimed at treatment of these common conditions, which are essentially disorders of energy balance. The first drug shown to activate AMPK in intact cells was 5-aminoimidazole-4-carboxamide riboside (AICAR) (20Sullivan J.E. Brocklehurst K.J. Marley A.E. Carey F. Carling D. Beri R.K. FEBS Lett. 1994; 353: 33-36Crossref PubMed Scopus (410) Google Scholar, 21Corton J.M. Gillespie J.G. Hawley S.A. Hardie D.G. Eur. J. Biochem. 1995; 229: 558-565Crossref PubMed Scopus (1018) Google Scholar, 24Henin N. Vincent M.F. Gruber H.E. Van den Berghe G. FASEB J. 1995; 9: 541-546Crossref PubMed Scopus (220) Google Scholar). When administered to rodent models of obesity and insulin resistance such as the ob/ob mouse, the fa/fa rat, and the high fat-fed rat, AICAR was shown to reverse many of their metabolic abnormalities (25Song X.M. Fiedler M. Galuska D. Ryder J.W. Fernström M. Chibalin A.V. Wallberg-Henriksson H. Zierath J.R. Diabetologia. 2002; 45: 56-65Crossref PubMed Scopus (171) Google Scholar, 26Bergeron R. Previs S.F. Cline G.W. Perret P. Russell R.R. II I Young L.H. Shulman G.I. Diabetes. 2001; 50: 1076-1082Crossref PubMed Scopus (252) Google Scholar, 27Iglesias M.A. Ye J.M. Frangioudakis G. Saha A.K. Tomas E. Ruderman N.B. Cooney G.J. Kraegen E.W. Diabetes. 2002; 51: 2886-2894Crossref PubMed Scopus (251) Google Scholar, 28Buhl E.S. Jessen N. Pold R. Ledet T. Flyvbjerg A. Pedersen S.B. Pedersen O. Schmitz O. Lund S. Diabetes. 2002; 51: 2199-2206Crossref PubMed Scopus (206) Google Scholar). At around the same time, the biguanide metformin was shown to activate AMPK in intact cells and in vivo (29Zhou G. Myers R. Li Y. Chen Y. Shen X. Fenyk-Melody J. Wu M. Ventre J. Doebber T. Fujii N. Musi N. Hirshman M.F. Goodyear L.J. Moller D.E. J. Clin. Investig. 2001; 108: 1167-1174Crossref PubMed Scopus (4335) Google Scholar). Metformin is currently the drug of first choice for the treatment of type 2 diabetes, being prescribed to at least 120 million people worldwide. The therapeutic effects of the drug are primarily on the liver, probably because hepatocytes express the organic cation transporter OCT1, resulting in more rapid uptake of the drug into hepatocytes than other cells (30Wang D.S. Jonker J.W. Kato Y. Kusuhara H. Schinkel A.H. Sugiyama Y. J. Pharmacol. Exp. Ther. 2002; 302: 510-515Crossref PubMed Scopus (374) Google Scholar, 31Shu Y. Sheardown S.A. Brown C. Owen R.P. Zhang S. Castro R.A. Ianculescu A.G. Yue L. Lo J.C. Burchard E.G. Brett C.M. Giacomini K.M. J. Clin. Investig. 2007; 117: 1422-1431Crossref PubMed Scopus (738) Google Scholar). Recent studies involving mice in which AMPK could not be activated in liver due to a tissue-specific knock-out of the upstream kinase, LKB1, revealed that the anti-hyperglycemic effects of metformin were abolished, suggesting that the major effect of the drug is to repress gluconeogenesis via activation of liver AMPK (32Shaw R.J. Lamia K.A. Vasquez D. Koo S.H. Bardeesy N. Depinho R.A. Montminy M. Cantley L.C. Science. 2005; 310: 1642-1646Crossref PubMed Scopus (1538) Google Scholar). It is possible that an AMPK activator that was also effective in organs other than the liver would have additional efficacy.Although metformin is relatively safe, it is not effective in all patients, perhaps due to variability in the efficiency of hepatic uptake by the OCT1 transporter (31Shu Y. Sheardown S.A. Brown C. Owen R.P. Zhang S. Castro R.A. Ianculescu A.G. Yue L. Lo J.C. Burchard E.G. Brett C.M. Giacomini K.M. J. Clin. Investig. 2007; 117: 1422-1431Crossref PubMed Scopus (738) Google Scholar). It does not activate AMPK or affect the phosphorylation or dephosphorylation of the kinase by upstream kinases and phosphatases in cell-free assays (33Hawley S.A. Gadalla A.E. Olsen G.S. Hardie D.G. Diabetes. 2002; 51: 2420-2425Crossref PubMed Scopus (570) Google Scholar). However, metformin and the more potent biguanide, phenformin, have both been reported to be inhibitors of complex I of the respiratory chain (34Owen M.R. Doran E. Halestrap A.P. Biochem. J. 2000; 348: 607-614Crossref PubMed Scopus (1590) Google Scholar, 35El-Mir M.Y. Nogueira V. Fontaine E. Averet N. Rigoulet M. Leverve X. J. Biol. Chem. 2000; 275: 223-228Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (1041) Google Scholar), which suggests that they may activate AMPK indirectly by decreasing cellular ATP and increasing AMP. Significant changes in the cellular AMP: ATP ratio are indeed readily detected after treatment of cultured cells with phenformin (12Hawley S.A. Pan D.A. Mustard K.J. Ross L. Bain J. Edelman A.M. Frenguelli B.G. Hardie D.G. Cell Metab. 2005; 2: 9-19Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (1259) Google Scholar), and decreases in ATP have recently been reported in primary rodent hepatocytes treated with metformin (36Guigas B. Bertrand L. Taleux N. Foretz M. Wiernsperger N. Vertommen D. Andreelli F. Viollet B. Hue L. Diabetes. 2006; 55: 865-874Crossref PubMed Scopus (158) Google Scholar). Intestinal epithelial cells also express transporters of the OCT1 family (Oct1–3 (37Koepsell H. Lips K. Volk C. Pharm. Res. 2007; PubMed Google Scholar)), and inhibition of the respiratory chain in the gut may be responsible for the unpleasant gastrointestinal side effects of biguanides, as well as the more dangerous side effect of lactic acidosis that led to the withdrawal of phenformin. There is evidence that much of the lactic acid produced in animals treated with biguanides is derived from the gut (38Bailey C.J. Wilcock C. Day C. Br. J. Pharmacol. 1992; 105: 1009-1013Crossref PubMed Scopus (103) Google Scholar).It therefore seems quite likely that a drug that activated the AMPK system more directly would be more efficacious in the treatment of type 2 diabetes and the metabolic syndrome than the biguanides, while avoiding some of their side effects, which may be related to inhibition of the respiratory chain rather than to activation of AMPK per se. The results of a screen of >700,000 compounds designed to detect AMPK activators were reported recently (39Cool B. Zinker B. Chiou W. Kifle L. Cao N. Perham M. Dickinson R. Adler A. Gagne G. Iyengar R. Zhao G. Marsh K. Kym P. Jung P. Camp H.S. Frevert E. Cell Metab. 2006; 3: 403-416Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (703) Google Scholar). The thienopyridone A-592017 emerged from the initial screen, and after optimization, the more potent activator, A-769662, was developed. When administered to ob/ob mice, A-769662 had many of the effects expected for an AMPK activator, including decreases in plasma glucose and triglyceride, decreases in hepatic triglyceride, decreases in expression of the gluconeogenic enzymes phosphoenolpyruvate carboxykinase and glucose-6-phosphatase and the lipogenic enzyme fatty acid synthase, and even decreases in weight gain (39Cool B. Zinker B. Chiou W. Kifle L. Cao N. Perham M. Dickinson R. Adler A. Gagne G. Iyengar R. Zhao G. Marsh K. Kym P. Jung P. Camp H.S. Frevert E. Cell Metab. 2006; 3: 403-416Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (703) Google Scholar). Although the utility of the compound as a drug may be limited by its poor oral availability, it does hold considerable promise as an experimental tool for the study of the downstream consequences of AMPK activation. However, the original study provided little information as to the exact mechanism of activation of AMPK by A-769662. We have therefore synthesized A-769662 and have now addressed its mechanism of action in cell-free assays and in intact cells.EXPERIMENTAL PROCEDURESMaterials and Antibodies—A-769662 was synthesized as described previously (40Iyengar, R. R., Judd, A. S., Zhao, G., Kym, P. R., Sham, H. L., Gu, Y., Liu, G., Zhao, H., Clark, R. E., Frevert, E. U., Cool, B. L., Zhang, T., Keyes, R. F., Hansen, T. M., and Xin, Z. (February 17, 2005) U. S. Patent 0038068 A1Google Scholar). STO-609 was from Tocris (Ellisville, Missouri). Protein G-Sepharose and [γ-32P]ATP were from Amersham Biosciences (Little Chalfont, UK), Protease inhibitor mixture tablets from Roche Applied Science (Lewes, UK), precast SDS-polyacrylamide gels from Invitrogen (Paisley, UK), phosphocellulose P81 paper from Whatman, and ionomycin and phenformin were from Sigma (Poole, Dorset, UK). Anti pan-AMPKα (anti-AMPK, catalog number 2532), phospho-AMPK (anti-pT172, catalog number 2535), pan-ACC (anti-ACC, catalog number 3661), and phospho-ACC (anti-pACC, catalog number 3662) antibodies were from Cell Signaling Technology (New England Biolabs, UK). Anti-TAK1 was from Santa Cruz Biotechnology (catalog number sc-7162). Anti-GST antibodies were purified as a by-product of production of antibodies against GST·LKB1 (41Sapkota G.P. Boudeau J. Deak M. Kieloch A. Morrice N. Alessi D.R. Biochem. J. 2002; 362: 481-490Crossref PubMed Scopus (79) Google Scholar). Antibodies recognizing glutathione S-transferase (GST) were removed from the anti-GST·LKB1 antiserum using an immobilized GST column. GST fusions of the rat α1 kinase domain (1–312, wild type, and T172D mutant) (42Scott J.W. Norman D.G. Hawley S.A. Kontogiannis L. Hardie D.G. J. Mol. Biol. 2002; 317: 309-323Crossref PubMed Scopus (138) Google Scholar) and human CaMKKβ in bacteria (12Hawley S.A. Pan D.A. Mustard K.J. Ross L. Bain J. Edelman A.M. Frenguelli B.G. Hardie D.G. Cell Metab. 2005; 2: 9-19Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (1259) Google Scholar) were expressed and purified as described. Rat α1 kinase domain (residues 1–310) and rat α1 kinase domain plus the autoinhibitory domain (residues 1–333) were amplified by PCR from a plasmid expressing the full-length α1 subunit (sense oligonucleotide, 5′-acctcggaattcgcgagaagcagaagc-3′; 312 antisense oligonucleotide, 5′-tggtttctgctcgagaggcagctgagg-3′; 332 antisense oligonucleotide, 5′-ggctctcgagattattctcctgttgtc-3′) and inserted into the EcoRI/XhoI sites of the pGEX6P2 vector (GE Healthcare). Positive clones were confirmed by DNA sequencing. Both GST recombinant proteins were expressed and purified as described (4Scott J.W. Hawley S.A. Green K.A. Anis M. Stewart G. Scullion G.A. Norman D.G. Hardie D.G. J. Clin. Investig. 2004; 113: 274-284Crossref PubMed Scopus (599) Google Scholar). Recombinant protein phosphatase-2Cα was obtained as described (7Davies S.P. Helps N.R. Cohen P.T.W. Hardie D.G. FEBS Lett. 1995; 377: 421-425Crossref PubMed Scopus (492) Google Scholar).Animals—All animal studies were approved by the University of Dundee Ethics Committee and performed according to the UK Animals (Scientific Procedures) Act 1986. Muscle-specific LKB1-deficient mice were generated, bred, and genotyped as described previously (43Sakamoto K. McCarthy A. Smith D. Green K.A. Hardie D.G. Ashworth A. Alessi D.R. EMBO J. 2005; 24: 1810-1820Crossref PubMed Scopus (438) Google Scholar).Preparations of AMPK and Upstream Kinases and AMPK Assays—Rat liver AMPK (a mixture of the α1 and α2 isoforms with β1 and γ1 (44Woods A. Salt I. Scott J. Hardie D.G. Carling D. FEBS Lett. 1996; 397: 347-351Crossref PubMed Scopus (230) Google Scholar)) was purified as far as the gel filtration step (45Hawley S.A. Davison M. Woods A. Davies S.P. Beri R.K. Carling D. Hardie D.G. J. Biol. Chem. 1996; 271: 27879-27887Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (995) Google Scholar), and rat testis LKB1 complex was purified as described for the rat liver complex (6Hawley S.A. Boudeau J. Reid J.L. Mustard K.J. Udd L. Makela T.P. Alessi D.R. Hardie D.G. J. Biol. 2003; 2: 28Crossref PubMed Google Scholar). AMPK activity was assayed as described previously (46Hardie D.G. Salt I.P. Davies S.P. Methods Mol. Biol. 2000; 99: 63-75PubMed Google Scholar). Immunoprecipitate assays of AMPK in cell lysates were performed as described previously (11Sakamoto K. Goransson O. Hardie D.G. Alessi D.R. Am. J. Physiol. 2004; 287: E310-E317Crossref PubMed Scopus (27) Google Scholar).Preparations and Assays of Other Kinases—The panel of 76 protein kinases was prepared and assayed in the presence and absence of A-769662 as described previously (47Bain J. Cummings L. Elliot M. Shpiro N. Hastie J. McLaughlan H. Klevernic I. Arthur S. Alessi D. Cohen P. Biochem. J. 2007; (in press)Google Scholar).Creation of a GST·GBD Fusion and Assays of Glycogen Binding—The glycogen-binding domain (GBD) of the rat β1 subunit (residues 65–182) was amplified from a pcDNA3-rat β1 plasmid using primers incorporating SalI and EcoRI restriction sites (sense 5′-ctagaattcacgacctcgaggtgaatgag-3′, antisense 5′-ccaagactggacagctcagatacatcgg-3′). The SalI/EcoRI digested product was cloned into the pGEX6P2 vector (GE Healthcare), and positive clones were confirmed by DNA sequencing. The GST·GBD fusion was expressed in Escherichia coli (BL21, Invitrogen). Cells were cultured in LB ampicillin at 37 °C prior to induction of protein expression, at an A600 of 0.6, using 1 mm isopropyl-1-thio-β-d-galactopyranoside (Melford Laboratories). Cells were cultured for a further 4 h at 37°C prior to harvesting by centrifugation. The cell pellet was lysed by rapid freezing and subsequent grinding to a fine powder in liquid N2. The cell lysate was then resuspended in a minimal volume of sucrose buffer (0.27 mm sucrose, 50 mm Tris, pH 7.5, 1 mm sodium vanadate, 1 mm EDTA, 1 mm EGTA, 10 mm sodium-β-glycerophosphate, 50 mm NaF, 1 mm dithiothreitol, with one EDTA-free protease inhibitor mixture tablet (Roche Applied Science) per 50 ml). The lysate was clarified by centrifugation and applied to a 5-ml GSTrap FF column (GE Healthcare) pre-equilibrated with sucrose buffer. Nonspecifically bound proteins were removed by extensive washing in wash buffer (50 mm Tris, pH 7.5, 200 mm NaCl, 1 mm dithiothreitol) and protein eluted in 20 mm reduced glutathione. Fractions containing GST·GBD were identified by protein assay and SDS-PAGE analysis. GST·GBD was dialyzed overnight into wash buffer with two buffer changes. To make the glycogen-Sepharose column, CNBr-activated Sepharose 4 Fast Flow (GE Healthcare) was washed with 10 volumes of cold 1 mm HCl. Glycogen was then directly coupled by incubation with 1 volume of 50 mg/ml bovine liver (Type IX) glycogen (Sigma-Aldrich) in 10 mm KH2PO4, pH 8.0, overnight at 4 °C. Excess glycogen was removed by washing the beads with 5 volumes of 10 mm KH2PO4, pH 8.0. Unreacted sites on the Sepharose were blocked by incubation with 1 volume of 0.1 m Tris-HCl, pH 8.0, at room temperature for 2 h. The beads were then washed with 6 × 3 volumes of 0.1 m Tris-HCl, pH 9.0, 0.5 m NaCl, and 6 × 3 volumes of 0.1 m sodium acetate, pH 4.0, 0.5 m NaCl. The beads were finally resuspended and stored in 50 mm Tris-HCl, pH 7.5, 150 mm NaCl. For the binding assay, 50 μl of beads were incubated with 2 μg of protein in a final volume of 150 μl of 50 mm Tris-HCl, pH 7.5, 150 mm NaCl at 4 °C for 1 h. The glycogen-Sepharose beads were then pelleted at 13,000 rpm for 30 s, and 10 μl of supernatant were retained for analysis. The glycogen-Sepharose beads were then washed with 500 μl of 50 mm Tris-HCl, pH 7.5, 150 mm NaCl prior to resuspension in the original volume of the same buffer. The bead suspension prior to incubation (10 μl), the supernatant after incubation, and the resuspended pellet were analyzed on 4–12% Bis-Tris gels in a MOPS buffer system (Invitrogen). Proteins were transferred to a nitrocellulose membrane, which was blocked for 1 h at room temperature in TBS (50 mm Tris-HCl, pH 7.5, 150 mm NaCl) + 5% nonfat milk powder. The membrane was washed in 4 × 10 ml of TBS. Anti-GST antibody (in 10 ml of TBS + 1% milk powder and 0.2% (v/v) Tween 20) was added and incubated for a further 1 h at room temperature. The membrane was washed 3 × 5 min with TBS + 0.2% v/v Tween 20. The membrane was then incubated for a further 1 h with sheep IgG conjugated to IR dye 680 (Molecular Probes). The membrane was finally washed 3 × 5 min with TBS + 0.2% v/v Tween 20 and 1 × 5 min in TBS. The membrane was scanned in the 680 channel of the Odyssey IR imager.Scintillation Proximity Assay for AMP Binding—Human γ2 (CBS motifs 1–4) was expressed as a GST fusion as described previously (4Scott J.W. Hawley S.A. Green K.A. Anis M. Stewart G. Scullion G.A. Norman D.G. Hardie D.G. J. Clin. Investig. 2004; 113: 274-284Crossref PubMed Scopus (599) Google Scholar). GST·γ2 was purified using a 5-ml GST FF column (GE Healthcare) followed by size exclusion chromatography as described previously (48Scott J.W. Ross F.A. Liu J.K. Hardie D.G. EMBO J. 2007; 26: 806-815Crossref PubMed Scopus (42) Google Scholar). The protein was incubated with glutathione-coupled scintillation proximity assay yttrium silicate beads (GE Healthcare), preblocked with 5% gelatin from cold water fish skin (Sigma). The beads were washed with 50 mm sodium Hepes, pH 7.4, 200 mm NaCl and resuspended to 10 mg/ml. A 96-well plate was set up with 0.1 mg of scintillation proximity assay beads and 120 μm [3H]AMP (GE Healthcare) and made up to 90 μl with buffer. The plate was shaken for 15 min at room temperature, and varying concentrations of A-7969662 or AMP were added, to a final volume of 100 μl. The plate was shaken for 15 min, beads were allowed to settle, and the plate was read using a 1450 MicroBeta counter (PerkinElmer Life Sciences).Cell Culture—Mouse embryonic fibroblasts (MEFs) from AMPK-α1+/+α2+/+ and AMPK-α1–/–α2–/– mice were generated as described previously (49Laderoute K.R. Amin K. Calaoagan J.M. Knapp M. Le T. Orduna J. Foretz M. Viollet B. Mol. Cell Biol. 2006; 26: 5336-5347Crossref PubMed Scopus (362) Google Scholar). MEFs were cultured in standard Dulbecco's modified Eagle's medium supplemented with 10% (v/v) fetal bovine serum, 100 units/ml penicillin, and 100 mg/ml streptomycin, non-essential amino acids, and 1 mm sodium pyruvate. HeLa cells were cultured in minimum essential Eagle's medium supplemented with 10% fetal bovine serum, non-essential amino acids, and 100 units/ml penicillin and 100 mg/ml streptomycin. MEFs from TAK1+/+ and TAK1–/– mice were generated (50Sato S. Sanjo H. Takeda K. Ninomiya-Tsuji J. Yamamoto M. Kawai T. Matsumoto K. Takeuchi O. Akira S. Nat. Immunol. 2005; 6: 1087-1095Crossref PubMed Scopus (740) Google Scholar) and cultured as for AMPK-α1–/–α2–/– MEFs. Cells cultured in 10-cm dishes in Dulbecco's modified Eagle's medium containing 10% fetal bovine serum were treated as described in the figure legends, rinsed with phosphate-buffered saline, and lysed in 500 μl of ice-cold lysis buffer (50 mm Tris-HCl, pH 7.5, 1 mm EGTA, 1 mm EDTA, 1% (w/v) Nonidet P-40, 1 mm sodium orthovanadate, 10 mm sodium β-glycerophosphate, 50 mm NaF, 5 mm sodium pyrophosphate, 0.27 m sucrose, 1 mm dithiothreitol, and complete proteinase inhibitor mixture (Roche Applied Science, one tablet per 50 ml)). Lysates were centrifuged at 4 °C for 15 min at 13,000 rpm, and the supernatant was collected. Total protein concentration was determined by the Bradford method using bovine serum albumin as standard.Primary Mouse Hepatocytes—Primary hepatocytes were prepared from wild-type (AMPK-α1+/+α2+/+) or conditional double knock-out (AMPK-α1–/–α2–/–) mice and incubated as described previously (36Guigas B. Bertrand L. Taleux N. Foretz M. Wiernsperger N. Vertommen D. Andreelli F. Viollet B. Hue L. Diabetes. 2006; 55: 865-874Crossref PubMed Scopus (158) Google Scholar).Incubation of Isolated Mouse Skeletal Muscle—Mice were fasted overnight and sacrificed by cervical dislocation. Muscles (extensor digitorum longus) were rapidly removed, and tendons from both ends were tied with suture and mounted on an incubation apparatus. The muscles were incubated as described previously (11Sakamoto K. Goransson O. Hardie D.G. Alessi D.R. Am. J. Physiol. 2004; 287: E310-E317Crossref PubMed Scopus (27) Google Scholar) in Krebs-Ringer bicarbonate buffer (117 mm NaCl, 2.5 mm CaCl2, 1.2 mm KH2PO4, 1.2 mm MgSO4, 24.6 mm NaHCO3, pH 7.4) containing 2 mm sodium pyruvate for 1 h at 37°C in the presence or absence of 100 μm A-769662 (100 mm stock prepared in Me2SO) or 2 mm AICAR. Me2SO (0.1% final concen
0

Important role of the LKB1–AMPK pathway in suppressing tumorigenesis in PTEN-deficient mice

Xu Huang et al.May 9, 2008
+6
N
S
X
The LKB1 tumour suppressor phosphorylates and activates AMPK (AMP-activated protein kinase) when cellular energy levels are low, thereby suppressing growth through multiple pathways, including inhibiting the mTORC1 (mammalian target of rapamycin complex 1) kinase that is activated in the majority of human cancers. Blood glucose-lowering Type 2 diabetes drugs also induce LKB1 to activate AMPK, indicating that these compounds could be used to suppress growth of tumour cells. In the present study, we investigated the importance of the LKB1–AMPK pathway in regulating tumorigenesis in mice resulting from deficiency of the PTEN (phosphatase and tensin homologue deleted on chromosome 10) tumour suppressor, which drives cell growth through overactivation of the Akt and mTOR (mammalian target of rapamycin) kinases. We demonstrate that inhibition of AMPK resulting from a hypomorphic mutation that decreases LKB1 expression does not lead to tumorigenesis on its own, but markedly accelerates tumour development in PTEN+/− mice. In contrast, activating the AMPK pathway by administration of metformin, phenformin or A-769662 to PTEN+/− mice significantly delayed tumour onset. We demonstrate that LKB1 is required for activators of AMPK to inhibit mTORC1 signalling as well as cell growth in PTEN-deficient cells. Our findings highlight, using an animal model relevant to understanding human cancer, the vital role that the LKB1–AMPK pathway plays in suppressing tumorigenesis resulting from loss of the PTEN tumour suppressor. They also suggest that pharmacological inhibition of LKB1 and/or AMPK would be undesirable, at least for the treatment of cancers in which the mTORC1 pathway is activated. Most importantly, our results demonstrate the potential of AMPK activators, such as clinically approved metformin, as anticancer agents, which will suppress tumour development by triggering a physiological signalling pathway that potently inhibits cell growth.
0
Citation389
0
Save
0

AMPKα1 Regulates Macrophage Skewing at the Time of Resolution of Inflammation during Skeletal Muscle Regeneration

Rémi Mounier et al.Aug 1, 2013
+9
L
M
R
Macrophages control the resolution of inflammation through the transition from a proinflammatory (M1) to an anti-inflammatory (M2) phenotype. Here, we present evidence for a role of AMPKα1, a master regulator of energy homeostasis, in macrophage skewing that occurs during skeletal muscle regeneration. Muscle regeneration was impaired in AMPKα1−/− mice. In vivo loss-of-function (LysM-Cre;AMPKα1fl/fl mouse) and rescue (bone marrow transplantation) experiments showed that macrophagic AMPKα1 was required for muscle regeneration. Cell-based experiments revealed that AMPKα1−/− macrophages did not fully acquire the phenotype or the functions of M2 cells. In vivo, AMPKα1−/− leukocytes did not acquire the expression of M2 markers during muscle regeneration. Skewing from M1 toward M2 phenotype upon phagocytosis of necrotic and apoptotic cells was impaired in AMPKα1−/− macrophages and when AMPK activation was prevented by the inhibition of its upstream activator, CaMKKβ. In conclusion, AMPKα1 is crucial for phagocytosis-induced macrophage skewing from a pro- to anti-inflammatory phenotype at the time of resolution of inflammation.
0

Aspirin Inhibits mTOR Signaling, Activates AMP-Activated Protein Kinase, and Induces Autophagy in Colorectal Cancer Cells

Farhat Din et al.Mar 6, 2012
+5
V
A
F
Aspirin reduces the incidence of and mortality from colorectal cancer (CRC) by unknown mechanisms. Cancer cells have defects in signaling via the mechanistic target of rapamycin (mTOR), which regulates proliferation. We investigated whether aspirin affects adenosine monophosphate-activated protein kinase (AMPK) and mTOR signaling in CRC cells.The effects of aspirin on mTOR signaling, the ribosomal protein S6, S6 kinase 1 (S6K1), and eukaryotic translation initiation factor 4E binding protein 1 (4E-BP1) were examined in CRC cells by immunoblotting. Phosphorylation of AMPK was measured; the effects of loss of AMPKα on the aspirin-induced effects of mTOR were determined using small interfering RNA (siRNA) in CRC cells and in AMPK(α1/α2-/-) mouse embryonic fibroblasts. LC3 and ULK1 were used as markers of autophagy. We analyzed rectal mucosa samples from patients given 600 mg aspirin, once daily for 1 week.Aspirin reduced mTOR signaling in CRC cells by inhibiting the mTOR effectors S6K1 and 4E-BP1. Aspirin changed nucleotide ratios and activated AMPK in CRC cells. mTOR was still inhibited by aspirin in CRC cells after siRNA knockdown of AMPKα, indicating AMPK-dependent and AMPK-independent mechanisms of aspirin-induced inhibition of mTOR. Aspirin induced autophagy, a feature of mTOR inhibition. Aspirin and metformin (an activator of AMPK) increased inhibition of mTOR and Akt, as well as autophagy in CRC cells. Rectal mucosal samples from patients given aspirin had reduced phosphorylation of S6K1 and S6.Aspirin is an inhibitor of mTOR and an activator of AMPK, targeting regulators of intracellular energy homeostasis and metabolism. These could contribute to its protective effects against development of CRC.
1

Glucose-dependent miR-125b is a negative regulator of β-cell function

Rebecca Cheung et al.May 17, 2021
+22
D
E
R
ABSTRACT Impaired pancreatic β-cell function and insulin secretion are hallmarks of type 2 diabetes. MicroRNAs are short non-coding RNAs that silence gene expression, vital for the development and function of β-cells. We have previously shown that β-cell specific deletion of the important energy sensor AMP-activated protein kinase (AMPK) results in increased miR-125b-5p levels. Nevertheless, the function of this miRNA in β-cells is unclear. We hypothesized that miR-125b-5p expression is regulated by glucose and that this miRNA mediates some of the deleterious effects of hyperglycaemia in β-cells. Here we show that islet miR-125b-5p expression is up-regulated by glucose in an AMPK-dependent manner and that short-term miR-125b-5p overexpression impairs glucose stimulated insulin secretion (GSIS) in the mouse insulinoma MIN6 cells and in human islets. An unbiased high-throughput screen in MIN6 cells identified multiple miR-125b-5p targets, including the transporter of lysosomal hydrolases M6pr and the mitochondrial fission regulator Mtfp1 . Inactivation of miR-125b-5p in the human β-cell line EndoCβ-H1 shortened mitochondria and enhanced GSIS, whilst mice overexpressing miR-125b-5p selectively in β-cells (MIR125B-Tg) were hyperglycaemic and glucose intolerant. MIR125B-Tg β-cells contained enlarged lysosomal structures and showed reduced insulin content and secretion. Collectively, we identify miR-125b as a glucose-controlled regulator of organelle dynamics that modulates insulin secretion. Graphical abstract
1
Citation2
0
Save
Load More