ERK1/2 (extracellular signal-regulated protein kinases) are the nodal proteins that regulate diverse cellular functions primarily in response to activation from receptor tyrosine kinases (RTKs). Not only is ERK activated through a variety of RTKs, but noncanonical signaling through GPCRs also activates them. Such multimodal activation allows appropriate integration of many inputs to critical cell fate decisions such as proliferation and differentiation that MAP kinases typically regulate. MAP kinases also regulate many polar responses such as apoptosis and proliferation, dedifferentiation–differentiation, and the diversity in the outcomes though the same terminal molecule can be explained based on differences in the activation dynamics and rates. However, two processes have now been established as drivers for most of the diversity recorded in the outcomes of MAP kinase signaling. These parameters are cellular compartmentalization, i.e., spatial confinement of the molecules participating in a pathway and changes in the kinetics of the activation–deactivation, i.e., temporal regulation. While phosphorylation is the key to activating responses, specifically for ERK, the terminal MAP kinase, it is the spatiotemporal dynamics that governs the outcome generated by it. This chapter reviews our present understanding of the spatial and temporal regulation of MAP kinase cascade and the ERK activity, specifically through GPCRs.

SUMMARY While our battle with the COVID-19 pandemic continues, a multitude of Omics data has been generated from patient samples in various studies, which remains to be translated. We conducted a meta-analysis of published transcriptome and proteome profiles of nasal swab and bronchioalveolar lavage fluid (BALF) samples of COVID-19 patients, to shortlist high confidence upregulated host factors. Subsequently, mRNA overexpression of selected genes was validated in nasal swab/BALF samples from a cohort of COVID-19 positive/negative, symptomatic/asymptomatic individuals. Analysis of these data revealed S100 family genes (S100A6, S100A8, S100A9, and S100P) as prognostic markers of COVID-19 disease. Furthermore, Thioredoxin gene (TXN) was identified as a significant upregulated host factor in our overlap analysis. An FDA-approved drug Auranofin, which inhibits Thioredoxin reduction, was found to mitigate SARS-CoV-2 replication in vitro and in vivo in the hamster challenge model. Overall, this study translates COVID-19 host response Big Data into potential clinical interventions.

ABSTRACT ZMYM2 is a transcriptional repressor whose role in development is largely unexplored. We found that Zmym2 -/- mice show embryonic lethality by E10.5. Molecular characterization of Zmym2 -/- embryos revealed two distinct defects. First, they fail to undergo DNA methylation and silencing of germline gene promoters, resulting in widespread upregulation of germline genes. Second, they fail to methylate and silence the evolutionarily youngest and most active LINE element subclasses in mice. Zmym2 -/- embryos show ubiquitous overexpression of LINE-1 protein as well as aberrant expression of transposon-gene fusion transcripts. Interaction and colocalization data indicate that ZMYM2 homes to germline genes via binding to the non-canonical polycomb complex PRC1.6 and to transposons via the TRIM28 complex. In the absence of ZMYM2, hypermethylation of histone 3 lysine 4 occurs at target sites, creating a chromatin landscape unfavourable for establishment of DNA methylation. ZMYM2 -/- human embryonic stem cells also show aberrant upregulation and demethylation of young LINE elements, indicating a conserved role in repression of active transposons. ZMYM2 is thus an important new factor in DNA methylation patterning in early embryonic development.

The presence of oxidative stress in bone defects leads to delayed regeneration, especially in the aged population and patients receiving cancer treatment. This delay is attributed to the increased levels of reactive oxygen species (ROS) in these populations due to the accumulation of senescent cells. Tissue-engineered scaffolds are emerging as an alternative method to treat bone defects. In this study, we engineered tissue scaffolds tailored to modulate the adverse effects of oxidative stress and promote bone regeneration. We used polycaprolactone to fabricate nanofibrous mats by using electrospinning. We exploited the ROS-scavenging properties of cerium oxide nanoparticles to alleviate the high oxidative stress microenvironment caused by the presence of senescent cells. We characterized the nanofibers for their physical and mechanical properties and utilized an ionization-radiation-based model to induce senescence in bone cells. We demonstrate that the presence of ceria can modulate ROS levels, thereby reducing the level of senescence and promoting osteogenesis. Overall, this study demonstrates that ceria-infused nanofibrous scaffolds can be used for augmenting the osteogenic activity of senescent progenitor cells, which has important implications for engineering bone tissue scaffolds for patients with low regeneration capabilities.

ABSTRACT Two-component signaling systems (TCSs) in bacteria are often positively auto-regulated, where the histidine kinase (HK) and response regulator (RR) proteins comprising a TCS are expressed downstream of the signal they transduce. This auto-regulation improves the sensitivity of the TCS to stimuli and amplifies adaptive responses. The downside, however, is that the TCS may mount disproportionately large responses to weak or fleeting signals. How bacteria prevent such disproportionate responses is not known. Here, we show that sequestration of phosphorylated HKs by non-cognate RRs serves as a design to prevent such disproportionate responses. Using TCSs of M. tuberculosis as model systems, we found that with every one of the five HKs we studied, there was at least one non-cognate RR with higher affinity than that of the cognate RR for the HK. Phosphorylated HKs would thus preferentially bind the non-cognate RRs, suppressing signal transduction through the cognate pathways, which we demonstrated in vitro . Using mathematical modeling of TCS signaling in vivo , we predicted that this sequestration would introduce a threshold level of stimulation for a significant response, preventing responses to signals below this threshold. Finally, we showed in vivo using tunable expression systems in M. bovis that upregulation of a higher affinity non-cognate RR substantially suppressed the output from the cognate TCS pathway, presenting strong evidence of sequestration by non-cognate RRs as a design to regulate TCS signaling. Blocking this sequestration may be a novel intervention strategy, as it would compromise bacterial fitness by letting it respond unnecessarily to signals.

Abstract Hypospadias (HS) is a congenital defect that occurs due to defective androgenization. It is characterized by the aberrant location of the urinary meatus on the ventral aspect of the penis with various degrees of severity. The molecular mechanisms and genetic associations underlying the condition remain largely unknown. Existing literature revolves around surgical and medical management of the condition. Human chorionic gonadotropin pretreatment in HS is proposed to decrease the severity of the anomaly and improve the clinical outcome of surgery. The underlying mechanisms that drive these outcomes have not been explored. Few studies have explored the endocrine signaling and pathways which lead to the development of the condition. Hence, a prospective study was conducted to understand the same. Eighteen children with mid or proximal penile HS were included as cases, and nine children undergoing circumcision for phimosis (nonpathological) were included as controls. Serum samples from all these children and preputial skin samples taken during surgery were used in the analysis. The hormonal milieu was normal in all children in our cohort. A comparison of previously reported genes with our cohort sequencing revealed changes in several major pathways involved in cell proliferation and differentiation, cell signaling, angiogenesis, and immune response pathways. Compared with healthy controls, HS subjects had 152 differentially expressed genes. Of these, 93 genes were up-regulated, and 59 genes were found to be significantly down-regulated. The gene expression evaluation also showed changes in expression patterns in inflammatory genes and link RNAs, unlike previously reported genes.

Using the principle of "Magic Bullet", a cisplatin-derived platinum(IV) prodrug heterobimetallic

Abstract Organismal aging is accompanied by the accumulation of senescent cells in the body, which drives tissue dysfunction. Senescent cells have a distinctive profile, including proliferation arrest, resistance to apoptosis, altered gene expression, and high inflammation. Despite global signalling and metabolic dysregulation during senescence, the underlying reasons for changes in signalling remain unclear. GPCRs are pivotal in cellular signalling, dynamically mediating the complex interplay between cells and their surrounding environment to maintain cellular homeostasis. The chemokine receptor CXCR4 plays a crucial role in modulating immune responses and inflammation. It has been shown that expression of CXCR4 increases in cells undergoing senescence, which enhances inflammation post-activation. Here we examine CXCR4 signalling in deeply senescent cells, where cholesterol and its oxidized derivatives, oxysterols, affect receptor function. We report elevated oxysterol levels in senescent cells, which altered classical CXCL12-mediated CXCR4 signalling. Tail-oxidized sterols disrupted signalling more than ring-oxidized counterparts. Molecular dynamics simulations revealed that 27-hydroxycholesterol displaces cholesterol and binds strongly to alter the conformation of critical signalling residues to modify the sterol-CXCR4 interaction landscape. Our study provides a molecular view of the observed mitigated GPCR signalling in the presence of oxysterols, which switched G-protein signalling from Gα i/o to Gα s class. Overall, we present an altered paradigm of GPCR signalling where cholesterol oxidation alters the signalling outcome in aged cells. Significance Statement Our study brings to light a novel and significant discovery in aged cells: the accumulation of oxysterols, oxidized forms of cholesterol, critically impairs CXCR4-dependent signalling and alters G-protein coupling specificity. This effect of oxysterols is demonstrated for the first time in aged cellular models, providing a molecular basis for a multitude of observed alterations in senescence, such as compromised immune functions and a decline in cellular responsiveness with age. Our research not only fills a crucial gap in understanding the aging process at the molecular level but also identifies potential targets for therapeutic interventions aimed at mitigating age-related cellular dysfunctions and diseases.

The adhesion of cells to substrates occurs via integrin clustering and binding to the actin cytoskeleton. Oncogenes modify anchorage-dependent mechanisms in cells during cancer progression. Fluid shear devices provide a label-free, non-invasive way to characterize cell-substrate interactions and heterogeneities in the cell populations. We quantified the critical adhesion strengths of MCF7, MDAMB-231, A549, HPL1D, HeLa, and NIH3T3 cells using a custom fluid shear device. The detachment response was sigmoidal for each cell type. A549 and MDAMB-231 cells had significantly lower adhesion strengths at τ 50 than their non-invasive counterparts, HPL1D and MCF7. Detachment dynamics was inversely correlated with cell invasion potentials. A theoretical model, based on τ 50 values and the distribution of cell areas on substrates, provided good fits to data from de-adhesion experiments. Quantification of cell tractions, using the Reg-FTTC method on 10 kPa polyacrylamide gels, showed highest values for invasive, MDAMB-231 and A549, cells compared to non-invasive cells. Immunofluorescence studies show differences in vinculin distributions: non-invasive cells have distinct vinculin puncta, whereas invasive cells have more dispersed distributions. The cytoskeleton in non-invasive cells was devoid of well-developed stress fibers, and had thicker cortical actin bundles in the boundary. These correlations in adhesion strengths with cell invasiveness, demonstrated here, may be useful in cancer diagnostics and other pathologies featuring misregulation in adhesion.

ABSTRACT The prevalent paradigm governing bacterial two-component signaling systems (TCSs) is specificity, wherein the histidine kinase (HK) of a TCS exclusively activates its cognate response regulator (RR). Crosstalk, where HKs activate noncognate RRs, is considered evolutionarily disadvantageous because it can compromise adaptive responses by leaking signals. Yet, crosstalk is observed in several bacteria. Here, to resolve this paradox, we propose an alternative paradigm where crosstalk can be advantageous. We envisioned ‘programmed’ environments, wherein signals appear in predefined sequences. In such environments, crosstalk that primes bacteria to upcoming signals may improve adaptive responses and confer evolutionary benefits. To test this hypothesis, we employed mathematical modeling of TCS signaling networks and stochastic evolutionary dynamics simulations. We considered the comprehensive set of bacterial phenotypes, comprising thousands of distinct crosstalk patterns, competing in varied signaling environments. Our simulations predicted that in programmed environments phenotypes with crosstalk facilitating priming would outcompete phenotypes without crosstalk. In environments where signals appear randomly, bacteria without crosstalk would dominate, explaining the specificity widely seen. Additionally, a testable prediction was that the phenotypes selected in programmed environments would display ‘one-way’ crosstalk, ensuring priming to ‘future’ signals. Interestingly, the crosstalk networks we deduced from available data on TCSs of Mycobacterium tuberculosis all displayed one-way crosstalk, offering strong support to our predictions. Our study thus identifies potential evolutionary underpinnings of crosstalk in bacterial TCSs, suggests a reconciliation of specificity and crosstalk, makes testable predictions of the nature of crosstalk patterns selected, and has implications for understanding bacterial adaptation and the response to interventions. IMPORTANCE Bacteria use two-component signaling systems (TCSs) to sense and respond to environmental changes. The prevalent paradigm governing TCSs is specificity, where signal flow through TCSs is insulated; leakage to other TCSs is considered evolutionarily disadvantageous. Yet, crosstalk between TCSs is observed in many bacteria. Here, we present a potential resolution of this paradox. We envision programmed environments, wherein stimuli appear in predefined sequences. Crosstalk that primes bacteria to upcoming stimuli could then confer evolutionary benefits. We demonstrate this benefit using mathematical modeling and evolutionary simulations. Interestingly, we found signatures of predicted crosstalk patterns in Mycobacterium tuberculosis . Furthermore, specificity was selected in environments where stimuli occurred randomly, thus reconciling specificity and crosstalk. Implications follow for understanding bacterial evolution and for interventions.