The stress-activated p38 mitogen-activated protein (MAP) kinase defines a subgroup of the mammalian MAP kinases that appear to play a key role in regulating inflammatory responses. Co-expression of constitutively active forms of Rac and Cdc42 leads to activation of p38 while dominant negative Rac and Cdc42 inhibit the ability of interleukin-1 to increase p38 activity. p21-activated kinase 1 (Pak1) is a potential mediator of Rac/Cdc42 signaling, and we observe that Pak1 stimulates p38 activity. A dominant negative Pak1 suppresses both interleukin-1- and Rac/Cdc42-induced p38 activity. Rac and Cdc42 appear to regulate a protein kinase cascade initiated at the level of Pak and leading to activation of p38 and JNK. The stress-activated p38 mitogen-activated protein (MAP) kinase defines a subgroup of the mammalian MAP kinases that appear to play a key role in regulating inflammatory responses. Co-expression of constitutively active forms of Rac and Cdc42 leads to activation of p38 while dominant negative Rac and Cdc42 inhibit the ability of interleukin-1 to increase p38 activity. p21-activated kinase 1 (Pak1) is a potential mediator of Rac/Cdc42 signaling, and we observe that Pak1 stimulates p38 activity. A dominant negative Pak1 suppresses both interleukin-1- and Rac/Cdc42-induced p38 activity. Rac and Cdc42 appear to regulate a protein kinase cascade initiated at the level of Pak and leading to activation of p38 and JNK.

Background: The Rho family GTPases Cdc42, Rac1 and RhoA regulate the reorganization of the actin cytoskeleton induced by extracellular signals such as growth factors. In mammalian cells, Cdc42 regulates the formation of filopodia, whereas Rac regulates lamellipodia formation and membrane ruffling, and RhoA regulates the formation of stress fibers. Recently, the serine/threonine protein kinase p65pak autophosphorylates, thereby increasing its catalytic activity towards exogenous substrates. This kinase is therefore a candidate effector for the changes in cell shape induced by growth factors.Results: Here, we report that the microinjection of activated Pak1 protein into quiescent Swiss 3T3 cells induces the rapid formation of polarized filopodia and membrane ruffles. The prolonged overexpression of Pak1 amino-terminal mutants that are unable to bind Cdc42 or Rac1 results in the accumulation of filamentous actin in large, polarized membrane ruffles and the formation of vinculin-containing focal complexes within these structures. This phenotype resembles that seen in motile fibroblasts. The amino-terminal Pak1 mutant displays enhanced binding to the adaptor protein Nck, which contains three Src-homology 3 (SH3) domains. Mutation of a proline residue within a conserved SH3-binding region at the amino terminus of Pak1 interferes with SH3-protein binding and alters the effects of Pak1 on the cytoskeleton.Conclusions: These results indicate that Pak1, acting through a protein that contains an SH3 domain, regulates the structure of the actin cytoskeleton in mammalian cells, and may serve as an effector for Cdc42 and/or Rac1 in promoting cell motility.

The morphogenesis of dendritic spines, the major sites of excitatory synaptic transmission in the brain, is important in synaptic development and plasticity. We have identified an ephrinB-EphB receptor trans-synaptic signaling pathway which regulates the morphogenesis and maturation of dendritic spines in hippocampal neurons. Activation of the EphB receptor induces translocation of the Rho-GEF kalirin to synapses and activation of Rac1 and its effector PAK. Overexpression of dominant-negative EphB receptor, catalytically inactive kalirin, or dominant-negative Rac1, or inhibition of PAK eliminates ephrin-induced spine development. This novel signal transduction pathway may be critical for the regulation of the actin cytoskeleton controlling spine morphogenesis during development and plasticity.

DNA in eukaryotic cells is associated with histone proteins; hence, hallmark properties of apoptosis, such as chromatin condensation, may be regulated by posttranslational histone modifications. Here we report that phosphorylation of histone H2B at serine 14 (S14) correlates with cells undergoing programmed cell death in vertebrates. We identify a 34 kDa apoptosis-induced H2B kinase as caspase-cleaved Mst1 (mammalian sterile twenty) kinase. Mst1 can phosphorylate H2B at S14 in vitro and in vivo, and the onset of H2B S14 phosphorylation is dependent upon cleavage of Mst1 by caspase-3. These data reveal a histone modification that is uniquely associated with apoptotic chromatin in species ranging from frogs to humans and provide insights into a previously unrecognized physiological substrate for Mst1 kinase. Our data provide evidence for a potential apoptotic “histone code.”

The Rac guanosine 5′-triphosphate (GTP)-binding proteins regulate oxidant production by phagocytic leukocytes. Two Ste20-related p21-activated kinases (PAKs) were identified as targets of Rac in human neutrophils. Activity of the ∼65- and ∼68-kilodalton PAKs was rapidly stimulated by chemoattractants acting through pertussis toxin-sensitive heterotrimeric GTP-binding proteins (G proteins). Native and recombinant PAKs phosphorylated the p47 phox reduced nicotinamide adenine dinucleotide phosphate (NADPH) oxidase component in a Rac-GTP-dependent manner. The action of PAKs during phagocyte activation by G protein-coupled pathways may contribute to regulation of NADPH oxidase activity.

We have isolated a novel member of the mammalian PAK (p21 activated kinase) and yeast Ste20 serine/threonine kinase family from a mouse fibroblast cDNA library, designated mPAK-3. Expression of mPAK-3 in Saccharomyces cerevisiae partially restores mating function in ste20 null cells. Like other PAKs, mPAK-3 contains a putative Cdc42Hs/Rac binding sequence and when transiently expressed in COS cells, full-length mPAK-3 binds activated (GTPγS (guanosine 5′-3-O-(thiotriphosphate)-bound) glutathione S-transferase (GST)-Cdc42Hs and GST-Rac1 but not GST-RhoA. As expected for a putative target molecule, mPAK-3 does not bind to an effector domain mutant of Cdc42Hs. Furthermore, activated His-tagged Cdc42Hs and His-tagged Rac stimulate mPAK-3 autophosphorylation and phosphorylation of myelin basic protein by mPAK-3 in vitro. Interestingly, the amino-terminal region of mPAK-3 contains potential SH3-binding sites and we find that mPAK-3, expressed in vitro and in vivo, shows highly specific binding to the SH3 domain of phospholipase C-γ and at least one SH3 domain in the adapter protein Nck. These results raise the possibility of an additional level of regulation of the PAK family in vivo. We have isolated a novel member of the mammalian PAK (p21 activated kinase) and yeast Ste20 serine/threonine kinase family from a mouse fibroblast cDNA library, designated mPAK-3. Expression of mPAK-3 in Saccharomyces cerevisiae partially restores mating function in ste20 null cells. Like other PAKs, mPAK-3 contains a putative Cdc42Hs/Rac binding sequence and when transiently expressed in COS cells, full-length mPAK-3 binds activated (GTPγS (guanosine 5′-3-O-(thiotriphosphate)-bound) glutathione S-transferase (GST)-Cdc42Hs and GST-Rac1 but not GST-RhoA. As expected for a putative target molecule, mPAK-3 does not bind to an effector domain mutant of Cdc42Hs. Furthermore, activated His-tagged Cdc42Hs and His-tagged Rac stimulate mPAK-3 autophosphorylation and phosphorylation of myelin basic protein by mPAK-3 in vitro. Interestingly, the amino-terminal region of mPAK-3 contains potential SH3-binding sites and we find that mPAK-3, expressed in vitro and in vivo, shows highly specific binding to the SH3 domain of phospholipase C-γ and at least one SH3 domain in the adapter protein Nck. These results raise the possibility of an additional level of regulation of the PAK family in vivo. Identification of a mouse p21cdc42/Rac activated kinase.Journal of Biological ChemistryVol. 271Issue 2PreviewPage 22731: The GenBank accession number for mPAK-3 is U39738. Full-Text PDF Open Access

Autoregulatory domains found within kinases may provide more unique targets for chemical inhibitors than the conserved ATP-binding pocket targeted by most inhibitors. The kinase Pak1 contains an autoinhibitory domain that suppresses the catalytic activity of its kinase domain. Pak1 activators relieve this autoinhibition and initiate conformational rearrangements and autophosphorylation events leading to kinase activation. We developed a screen for allosteric inhibitors targeting Pak1 activation and identified the inhibitor IPA-3. Remarkably, preactivated Pak1 is resistant to IPA-3. IPA-3 also inhibits activation of related Pak isoforms regulated by autoinhibition, but not more distantly related Paks, nor >200 other kinases tested. Pak1 inhibition by IPA-3 in live cells supports a critical role for Pak in PDGF-stimulated Erk activation. These studies illustrate an alternative strategy for kinase inhibition and introduce a highly selective, cell-permeable chemical inhibitor of Pak.

This method is based on the intravenous injection of Evans Blue in mice as the test animal model. Evans blue is a dye that binds albumin. Under physiologic conditions the endothelium is impermeable to albumin, so Evans blue bound albumin remains restricted within blood vessels. In pathologic conditions that promote increased vascular permeability endothelial cells partially lose their close contacts and the endothelium becomes permeable to small proteins such as albumin. This condition allows for extravasation of Evans Blue in tissues. A healthy endothelium prevents extravasation of the dye in the neighboring vascularized tissues. Organs with increased permeability will show significantly increased blue coloration compared to organs with intact endothelium. The level of vascular permeability can be assessed by simple visualization or by quantitative measurement of the dye incorporated per milligram of tissue of control versus experimental animal/tissue. Two powerful aspects of this assay are its simplicity and quantitative characteristics. Evans Blue dye can be extracted from tissues by incubating a specific amount of tissue in formamide. Evans Blue absorbance maximum is at 620 nm and absorbance minimum is at 740 nm. By using a standard curve for Evans Blue, optical density measurements can be converted into milligram dye captured per milligram of tissue. Statistical analysis should be used to assess significant differences in vascular permeability.

p21-activated kinases are a family of highly conserved protein serine/threonine kinases that are increasingly recognized as playing essential roles in a variety of key signaling processes. Genetic analyses in mice, using constitutive or regulated gene disruption, have provided important new insights into PAK function. In this paper, we review the genetic analysis of all six PAK genes in mice. These data address the singular and redundant functions of the various PAK genes and suggest therapeutic possibilities for small molecule PAK inhibitors or activators.

p21-activated kinases (Paks) are a group of six serine/threonine kinases (Pak1-6) that are involved in a variety of biological processes. Recently, Paks, more specifically Pak1, -2, and -4, have been shown to play important roles in cardiovascular development and function in a range of model organisms including zebrafish and mice. These functions include proper morphogenesis and conductance of the heart, cardiac contractility, and development and integrity of the vasculature. The mechanisms underlying these effects are not fully known, but they likely differ among the various Pak isoforms and include both kinase-dependent and -independent functions. In this review, we discuss aspects of Pak function relevant to cardiovascular biology as well as potential therapeutic implications of small-molecule Pak inhibitors in cardiovascular disease.