There exist four fundamentally different classes of membrane-bound transport proteins: ion channels; transporters; aquaporins; and ATP-powered pumps. ATP-binding cassette (ABC) transporters are an example of ATP-dependent pumps. ABC transporters are ubiquitous membrane-bound proteins, present in all prokaryotes, as well as plants, fungi, yeast and animals. These pumps can move substrates in (influx) or out (efflux) of cells. In mammals, ABC transporters are expressed predominantly in the liver, intestine, blood-brain barrier, blood-testis barrier, placenta and kidney. ABC proteins transport a number of endogenous substrates, including inorganic anions, metal ions, peptides, amino acids, sugars and a large number of hydrophobic compounds and metabolites across the plasma membrane, and also across intracellular membranes. The human genome contains 49 ABC genes, arranged in eight subfamilies and named via divergent evolution. That ABC genes are important is underscored by the fact that mutations in at least I I of these genes are already known to cause severe inherited diseases (eg cystic fibrosis and X-linked adrenoleukodystrophy [X-ALD]). ABC transporters also participate in the movement of most drugs and their metabolites across cell surface and cellular organelle membranes; thus, defects in these genes can be important in terms of cancer therapy, pharmacokinetics and innumerable pharmacogenetic disorders.

Activated T cells produce reactive oxygen species (ROS), which trigger the antioxidative glutathione (GSH) response necessary to buffer rising ROS and prevent cellular damage. We report that GSH is essential for T cell effector functions through its regulation of metabolic activity. Conditional gene targeting of the catalytic subunit of glutamate cysteine ligase (Gclc) blocked GSH production specifically in murine T cells. Gclc-deficient T cells initially underwent normal activation but could not meet their increased energy and biosynthetic requirements. GSH deficiency compromised the activation of mammalian target of rapamycin-1 (mTOR) and expression of NFAT and Myc transcription factors, abrogating the energy utilization and Myc-dependent metabolic reprogramming that allows activated T cells to switch to glycolysis and glutaminolysis. In vivo, T-cell-specific ablation of murine Gclc prevented autoimmune disease but blocked antiviral defense. The antioxidative GSH pathway thus plays an unexpected role in metabolic integration and reprogramming during inflammatory T cell responses.

The glutathione S-transferase (GST) gene family encodes genes that are critical for certain life processes, as well as for detoxication and toxification mechanisms, via conjugation of reduced glutathione (GSH) with numerous substrates such as pharmaceuticals and environmental pollutants. The GST genes are upregulated in response to oxidative stress and are inexplicably overexpressed in many tumours, leading to problems during cancer chemotherapy. An analysis of the GST gene family in the Human Genome Organization-sponsored Human Gene Nomenclature Committee database showed 21 putatively functional genes. Upon closer examination, however, GST-kappa 1 (GSTK1), prostaglandin E synthase (PTGES) and three microsomal GSTs (MGST1, MGST2, MGST3) were determined as encoding membrane-bound enzymes having GST-like activity, but these genes are not evolutionarily related to the GST gene family. It is concluded that the complete GST gene family comprises 16 genes in six subfamilies--alpha (GSTA), mu (GSTM), omega (GSTO), pi (GSTP), theta (GSTT) and zeta (GSTZ).

The aldehyde dehydrogenase (ALDH) gene superfamily encodes enzymes that are critical for certain life processes and detoxification via the NAD(P)+-dependent oxidation of numerous endogenous and exogenous aldehyde substrates, including pharmaceuticals and environmental pollutants. Analysis of the ALDH gene superfamily in the latest databases showed that the human genome contains 19 putatively functional genes and three pseudogenes. A number of ALDH genes are upregulated as a part of the oxidative stress response and inexplicably overexpressed in various tumours, leading to problems during cancer chemotherapy. Mutations in ALDH genes cause inborn errors of metabolism -- such as the Sjögren - Larsson syndrome, type II hyperprolinaemia and γ-hydroxybutyric aciduria -- and are likely to contribute to several complex diseases, including cancer and Alzheimer's disease. The ALDH gene products appear to be multifunctional proteins, possessing both catalytic and non-catalytic properties.

Members of the aldehyde dehydrogenase gene (ALDH) superfamily play an important role in the enzymic detoxification of endogenous and exogenous aldehydes and in the formation of molecules that are important in cellular processes, like retinoic acid, betaine and gamma-aminobutyric acid. ALDHs exhibit additional, non-enzymic functions, including the capacity to bind to some hormones and other small molecules and to diminish the effects of ultraviolet irradiation in the cornea. Mutations in ALDH genes leading to defective aldehyde metabolism are the molecular basis of several diseases, including gamma-hydroxybutyric aciduria, pyridoxine-dependent seizures, Sjögren-Larsson syndrome and type II hyperprolinaemia. Interestingly, several ALDH enzymes appear to be markers for normal and cancer stem cells. The superfamily is evolutionarily ancient and is represented within Archaea, Eubacteria and Eukarya taxa. Recent improvements in DNA and protein sequencing have led to the identification of many new ALDH family members. To date, the human genome contains 19 known ALDH genes, as well as many pseudogenes. Whole-genome sequencing allows for comparison of the entire complement of ALDH family members among organisms. This paper provides an update of ALDH genes in several recently sequenced vertebrates and aims to clarify the associated records found in the National Center for Biotechnology Information (NCBI) gene database. It also highlights where and when likely gene-duplication and gene-loss events have occurred. This information should be useful to future studies that might wish to compare the role of ALDH members among species and how the gene superfamily as a whole has changed throughout evolution.

Cytokines play a very important role in nearly all aspects of inflammation and immunity. The term 'interleukin' (IL) has been used to describe a group of cytokines with complex immunomodulatory functions -- including cell proliferation, maturation, migration and adhesion. These cytokines also play an important role in immune cell differentiation and activation. Determining the exact function of a particular cytokine is complicated by the influence of the producing cell type, the responding cell type and the phase of the immune response. ILs can also have pro- and anti-inflammatory effects, further complicating their characterisation. These molecules are under constant pressure to evolve due to continual competition between the host's immune system and infecting organisms; as such, ILs have undergone significant evolution. This has resulted in little amino acid conservation between orthologous proteins, which further complicates the gene family organisation. Within the literature there are a number of overlapping nomenclature and classification systems derived from biological function, receptor-binding properties and originating cell type. Determining evolutionary relationships between ILs therefore can be confusing. More recently, crystallographic data and the identification of common structural motifs have led to a more accurate classification system. To date, the known ILs can be divided into four major groups based on distinguishing structural features. These groups include the genes encoding the IL1-like cytokines, the class I helical cytokines (IL4-like, γ-chain and IL6/12-like), the class II helical cytokines (IL10-like and IL28-like) and the IL17-like cytokines. In addition, there are a number of ILs that do not fit into any of the above groups, due either to their unique structural features or lack of structural information. This suggests that the gene family organisation may be subject to further change in the near future.

Abstract Although the concept of cancer stem cells (CSCs) is well-accepted for many tumors, the existence of such cells in human melanoma has been the subject of debate. In this study, we demonstrate the existence of human melanoma cells that fulfill the criteria for CSCs (self-renewal and differentiation) by serially xenotransplanting cells into nonobese diabetic/severe combined immunodeficiency (NOD/SCID) mice. These cells possess high aldehyde dehydrogenase (ALDH) activity with ALDH1A1 and ALDH1A3 being the predominant ALDH isozymes. ALDH-positive melanoma cells are more tumorigenic than ALDH-negative cells in both NOD/SCID mice and NSG mice. Biological analyses of the ALDH-positive melanoma cells reveal the ALDH isozymes to be key molecules regulating the function of these cells. Silencing ALDH1A by siRNA or shRNA leads to cell cycle arrest, apoptosis, decreased cell viability in vitro, and reduced tumorigenesis in vivo. ALDH-positive melanoma cells are more resistant to chemotherapeutic agents and silencing ALDH1A by siRNA sensitizes melanoma cells to drug-induced cell death. Furthermore, we, for the first time, examined the molecular signatures of ALDH-positive CSCs from patient-derived tumor specimens. The signatures of melanoma CSCs include retinoic acid (RA)-driven target genes with RA response elements and genes associated with stem cell function. These findings implicate that ALDH isozymes are not only biomarkers of CSCs but also attractive therapeutic targets for human melanoma. Further investigation of these isozymes and genes will enhance our understanding of the molecular mechanisms governing CSCs and reveal new molecular targets for therapeutic intervention of cancer.

Abstract Hyperosmotic stress is an often overlooked process that potentially contributes to a number of human diseases. Whereas renal hyperosmolarity is a well-studied phenomenon, recent research provides evidence that many non-renal tissues routinely experience hyperosmotic stress that may contribute significantly to disease initiation and progression. Moreover, a growing body of evidence implicates hyperosmotic stress as a potent inflammatory stimulus by triggering pro-inflammatory cytokine release and inflammation. Under physiological conditions, the urine concentrating mechanism within the inner medullary region of the mammalian kidney exposes cells to high extracellular osmolarity. As such, renal cells have developed many adaptive strategies to compensate for increased osmolarity. Hyperosmotic stress is linked to many maladies, including acute and chronic, as well as local and systemic, inflammatory disorders. Hyperosmolarity triggers cell shrinkage, oxidative stress, protein carbonylation, mitochondrial depolarization, DNA damage, and cell cycle arrest, thus rendering cells susceptible to apoptosis. However, many adaptive mechanisms exist to counter the deleterious effects of hyperosmotic stress, including cytoskeletal rearrangement and up-regulation of antioxidant enzymes, transporters, and heat shock proteins. Osmolyte synthesis is also up-regulated and many of these compounds have been shown to reduce inflammation. The cytoprotective mechanisms and associated regulatory pathways that accompany the renal response to hyperosmolarity are found in many non-renal tissues, suggesting cells are commonly confronted with hyperosmotic conditions. Osmoadaptation allows cells to survive and function under potentially cytotoxic conditions. This review covers the pathological consequences of hyperosmotic stress in relation to disease and emphasizes the importance of considering hyperosmolarity in inflammation and disease progression.

Abstract Cells rely on antioxidants to survive. The most abundant antioxidant is glutathione (GSH). The synthesis of GSH is non-redundantly controlled by the glutamate-cysteine ligase catalytic subunit (GCLC). GSH imbalance is implicated in many diseases, but the requirement for GSH in adult tissues is unclear. To interrogate this, we have developed a series of in vivo models to induce Gclc deletion in adult animals. We find that GSH is essential to lipid abundance in vivo. GSH levels are highest in liver tissue, which is also a hub for lipid production. While the loss of GSH does not cause liver failure, it decreases lipogenic enzyme expression, circulating triglyceride levels, and fat stores. Mechanistically, we find that GSH promotes lipid abundance by repressing NRF2, a transcription factor induced by oxidative stress. These studies identify GSH as a fulcrum in the liver’s balance of redox buffering and triglyceride production.

Cells rely on antioxidants to survive. The most abundant antioxidant is glutathione (GSH). The synthesis of GSH is non-redundantly controlled by the glutamate-cysteine ligase catalytic subunit (GCLC). GSH imbalance is implicated in many diseases, but the requirement for GSH in adult tissues is unclear. To interrogate this, we developed a series of in vivo models to induce Gclc deletion in adult animals. We find that GSH is essential to lipid abundance in vivo. GSH levels are reported to be highest in liver tissue, which is also a hub for lipid production. While the loss of GSH did not cause liver failure, it decreased lipogenic enzyme expression, circulating triglyceride levels, and fat stores. Mechanistically, we found that GSH promotes lipid abundance by repressing NRF2, a transcription factor induced by oxidative stress. These studies identify GSH as a fulcrum in the liver's balance of redox buffering and triglyceride production.