A recently identified chemokine, fractalkine, is a member of the chemokine gene family, which consists principally of secreted, proinflammatory molecules. Fractalkine is distinguished structurally by the presence of a CX3C motif as well as transmembrane spanning and mucin-like domains and shows atypical constitutive expression in a number of nonhematopoietic tissues, including brain. We undertook an extensive characterization of this chemokine and its receptor CX3CR1 in the brain to gain insights into use of chemokine-dependent systems in the central nervous system. Expression of fractalkine in rat brain was found to be widespread and localized principally to neurons. Recombinant rat CX3CR1, as expressed in Chinese hamster ovary cells, specifically bound fractalkine and signaled in the presence of either membrane-anchored or soluble forms of fractalkine protein. Fractalkine stimulated chemotaxis and elevated intracellular calcium levels of microglia; these responses were blocked by anti-CX3CR1 antibodies. After facial motor nerve axotomy, dramatic changes in the levels of CX3CR1 and fractalkine in the facial nucleus were evident. These included increases in the number and perineuronal location of CX3CR1-expressing microglia, decreased levels of motor neuron-expressed fractalkine mRNA, and an alteration in the forms of fractalkine protein expressed. These data describe mechanisms of cellular communication between neurons and microglia, involving fractalkine and CX3CR1, which occur in both normal and pathological states of the central nervous system.

Reactive oxygen intermediates (ROIs) play an important role in inflammatory processes as mediators of injury and potentially in signal transduction leading to gene expression. Cyclooxygenase (COX) is a rate-limiting enzyme in prostanoid biosynthesis, and its recently cloned inducible form, COX-2, is induced by proinflammatory cytokines. This study linked ROIs to the signaling pathways that induce COX-2 expression. The hydroxyl radical scavengers DMSO (1%), as well as di- and tetramethylthiourea, inhibited IL-1-, TNF alpha-, and LPS-induced COX-2 expression in rat mesangial cells. The suppression of COX-2 mRNA expression correlated with the COX-2 protein level. In comparison with the prolonged induction of the inducible gene encoding protein-tyrosine phosphatase by hydrogen peroxide, the COX-2 gene was only transiently induced. Protein-tyrosine phosphatase is also induced by heat shock and chemical stress, whereas COX-2 is not. Superoxide was a more potent inducer for COX-2 than hydrogen peroxide. In addition, NADPH stimulated COX-2 expression, and an inhibitor of NADPH oxidase blocked COX-2 expression induced by TNF alpha. COX-2 and KC gene expression costimulated by IL-1 were inhibited differentially by the scavengers. These studies demonstrate that oxidant stress is a specific and important inducer of COX-2 gene expression. This induction may contribute to the deleterious amplification of prostanoids in inflammation and compound the direct effects of ROI production.

Véronique Baud, Zheng-Gang Liu, Brydon Bennett, Nobutaka Suzuki, Ying Xia, and Michael Karin Laboratory of Gene Regulation and Signal Transduction, Department of Pharmacology, University of California, San Diego, School of Medicine, La Jolla, California 92093-0636 USA; Signal Pharmaceuticals, San Diego, California 92121 USA

The turnover of Jun proteins, like that of other transcription factors, is regulated through ubiquitin-dependent proteolysis. Usually, such processes are regulated by extracellular stimuli through phosphorylation of the target protein, which allows recognition by F box–containing E3 ubiquitin ligases. In the case of c-Jun and JunB, we found that extracellular stimuli also modulate protein turnover by regulating the activity of an E3 ligase by means of its phosphorylation. Activation of the Jun amino-terminal kinase (JNK) mitogen-activated protein kinase cascade after T cell stimulation accelerated degradation of c-Jun and JunB through phosphorylation-dependent activation of the E3 ligase Itch. This pathway modulates cytokine production by effector T cells.

Mitogen-Activated Protein 3 Kinase 1 (MAP3K1) is a dynamic signaling molecule with a plethora of cell-type specific functions, most of which are yet to be understood. Here we describe a role for MAP3K1 in the development of female reproductive tract (FRT). MAP3K1 kinase domain-deficient ( Map3k1 ΔKD ) females exhibit imperforate vagina, labor failure, and infertility. These defects correspond to a shunted Müllerian duct (MD), the principle precursor of the FRT, in embryos, while they manifest as a contorted caudal vagina with abrogated vaginal-urogenital sinus fusion in neonates. In epithelial cells, MAP3K1 acts through JNK and ERK to activate WNT, yet in vivo MAP3K1 is crucial for WNT activity in mesenchyme associated with the caudal MD. Expression of Wnt7b is high in wild type, but low in Map3k1 knockout MD epithelium and MAP3K1-deficient keratinocytes. Correspondingly, conditioned media derived from MAP3K1-competent epithelial cells activate TCF/Lef-luciferase reporter in fibroblasts, suggesting that MAP3K1-induced factors released from epithelial cells trans-activate WNT signaling in fibroblasts. Our results reveal a temporal-spatial and paracrine MAP3K1-WNT crosstalk contributing to MD caudal elongation and FRT development.MAP3K1 deficient female mice exhibit imperforate vagina and infertilityLoss of MAP3K1 kinase activity impedes Müllerian duct (MD) caudal elongation and fusion with urogenital sinus (UGS) in embryogenesisThe MAP3K1-MAPK pathway up-regulates WNT signaling in epithelial cellsMAP3K1 deficiency down-regulates Wnt7b expression in the MD epithelium and prevents WNT activity in mesenchyme of the caudal MD.

Abstract Aberrant signal transduction pathways can adversely derail developmental processes. One such process is embryonic eyelid closure that requires MAP3K1. Map3k1 knockout mice have defective eyelid closure and an autosomal recessive eye-open at birth phenotype. In utero exposure to dioxin, a persistent environmental toxicant, causes the same eye defect in Map3k1 +/- hemizygous but not wild type pups. Here we explore the mechanisms of Map3k1 (gene) and dioxin (environment) interactions (GxE) in the tissue closure defect. We show that, acting through the AHR, dioxin activates EGFR signaling, which in turn depresses MAP3K1-dependent JNK activity. This effect of dioxin is exacerbated by Map3k1 heterozygosity. Therefore, dioxin exposed Map3k1 +/- embryonic eyelids have a marked reduction of JNK activity, accelerated differentiation and impeded polarization in the epithelial cells. Knocking out Ahr or Egfr in eyelid epithelium attenuates the open-eye defects in dioxin-treated Map3k1 +/- pups, whereas knockout of Jnk1 and S1pr , encoding the S1P receptors upstream of the MAP3K1-JNK pathway, potentiates dioxin toxicity. Our novel findings suggest that dioxin and genes of the AHR, EGFR and S1P-MAP3K1-JNK pathways constitute a multifactorial mechanism underlying tissue closure abnormalities. Summary statement The crosstalk between a global environmental pollutant and the pre-existing genetic conditions is mediated through interactive signaling pathways, resulting in anatomical tissue closure abnormalities in development.

Abstract MAP 3 kinase 1 (MAP3K1) plays an essential role in embryonic eyelid development. It regulates epithelial morphogenesis through the spatial-temporal activation of Jun N-terminal kinases (JNKs), resulting in forward progression of the embryonic eyelid epithelial cells to enable eyelid closure. The developmental signals that activate the MAP3K1-JNK pathway are still unknown, mainly due to the lack of suitable keratinocyte lines to elucidate the mechanisms of pathway regulation. To address this deficiency, we developed a straightforward method for long-term culture of mouse keratinocytes in feeder-free conditions using Ca 2+ -free media. Cells grown under these conditions displayed characteristic basal epithelial morphology and keratin 14 expression, but did not form tight- or adherens-junctions. Increased extracellular Ca 2+ levels restored the formation of cell-cell junctions. Using keratinocyte lines derived from wild type and Map3k1 -deficient mice, we found that sphingosine 1-phosphate (S1P) activated the JNK-c-JUN pathways in a manner dependent on MAP3K1 kinase activity and that this MAP3K1-mediated signaling led to epithelial cell migration. The in vivo roles of this pathway were examined through crossing of genetic mutant mice. Loss-of-function of the S1P receptor (S1pr) 2/ 3 became haploinsufficient only when combined with Map3k1 and Jnk1 mutations such that the compound mutants displayed eyelid closure defects, suggesting these gene products cooperated in eye morphogenesis. Results of this work establish the S1PR-MAP3K1-JNK pathway as a crucial signaling mechanism for epithelial cell movement and morphogenesis.

Drug transmission through the blood-brain barrier (BBB) is considered an arduous challenge for brain injury treatment following the return of spontaneous circulation after cardiac arrest (CA-ROSC). Inspired by the propensity of melanoma metastasis to the brain, B16F10 cell membranes are camouflaged on 2-methoxyestradiol (2ME2)-loaded reactive oxygen species (ROS)-triggered "Padlock" nanoparticles that are constructed by phenylboronic acid pinacol esters conjugated D-a-tocopheryl polyethylene glycol succinate (TPGS-PBAP). The biomimetic nanoparticles (BM@TP/2ME2) can be internalized, mainly mediated by the mutual recognition and interaction between CD44v6 expressed on B16F10 cell membranes and hyaluronic acid on cerebral vascular endothelial cells, and they responsively release 2ME2 by the oxidative stress microenvironment. Notably, BM@TP/2ME2 can scavenge excessive ROS to reestablish redox balance, reverse neuroinflammation, and restore autophagic flux in damaged neurons, eventually exerting a remarkable neuroprotective effect after CA-ROSC in vitro and in vivo. This biomimetic drug delivery system is a novel and promising strategy for the treatment of cerebral ischemia-reperfusion injury after CA-ROSC.

Aberrant regulation of signal transduction pathways can adversely derail biological processes for tissue development. One such process is the embryonic eyelid closure that is dependent on the mitogen-activated protein kinase kinase kinase 1 (MAP3K1). Map3k1 KO in mice results in defective eyelid closure and an autosomal recessive eye-open at birth phenotype. We have shown that in utero exposure to dioxin, a persistent environmental toxicant, induces the same eye defect in Map3k1