JM
Junya Masumoto
Author with expertise in Molecular Mechanisms of Inflammasome Activation and Regulation
Achievements
Cited Author
Open Access Advocate
Key Stats
Upvotes received:
0
Publications:
7
(57% Open Access)
Cited by:
2,895
h-index:
35
/
i10-index:
71
Reputation
Biology
< 1%
Chemistry
< 1%
Economics
< 1%
Show more
How is this calculated?
Publications
0

Inflammasome Activation of Cardiac Fibroblasts Is Essential for Myocardial Ischemia/Reperfusion Injury

Masanori Kawaguchi et al.Feb 1, 2011
Background— Inflammation plays a key role in the pathophysiology of myocardial ischemia/reperfusion (I/R) injury; however, the mechanism by which myocardial I/R induces inflammation remains unclear. Recent evidence indicates that a sterile inflammatory response triggered by tissue damage is mediated through a multiple-protein complex called the inflammasome. Therefore, we hypothesized that the inflammasome is an initial sensor for danger signal(s) in myocardial I/R injury. Methods and Results— We demonstrate that inflammasome activation in cardiac fibroblasts, but not in cardiomyocytes, is crucially involved in the initial inflammatory response after myocardial I/R injury. We found that inflammasomes are formed by I/R and that its subsequent activation of inflammasomes leads to interleukin-1β production, resulting in inflammatory responses such as inflammatory cell infiltration and cytokine expression in the heart. In mice deficient for apoptosis-associated speck-like adaptor protein and caspase-1, these inflammatory responses and subsequent injuries, including infarct development and myocardial fibrosis and dysfunction, were markedly diminished. Bone marrow transplantation experiments with apoptosis-associated speck-like adaptor protein–deficient mice revealed that inflammasome activation in bone marrow cells and myocardial resident cells such as cardiomyocytes or cardiac fibroblasts plays an important role in myocardial I/R injury. In vitro experiments revealed that hypoxia/reoxygenation stimulated inflammasome activation in cardiac fibroblasts, but not in cardiomyocytes, and that hypoxia/reoxygenation–induced activation was mediated through reactive oxygen species production and potassium efflux. Conclusions— Our results demonstrate the molecular basis for the initial inflammatory response after I/R and suggest that the inflammasome is a potential novel therapeutic target for preventing myocardial I/R injury.
0

ASC, a Novel 22-kDa Protein, Aggregates during Apoptosis of Human Promyelocytic Leukemia HL-60 Cells

Junya Masumoto et al.Nov 1, 1999
The cytoskeletal and/or nuclear matrix molecules responsible for morphological changes associated with apoptosis were identified using monoclonal antibodies (mAbs). We developed mAbs against Triton X-100-insoluble components of HL-60 cells pretreated with all-trans retinoic acid. In particular, one mAb recognized a 22-kDa protein that exhibited intriguing behavior by forming an aggregate and appearing as a speck during apoptosis induced by retinoic acid and other anti-tumor drugs. Cloning and sequencing of its cDNA revealed that this protein comprises 195 amino acids and that its C-terminal half has a caspaserecruitment domain (CARD) motif, characteristic of numerous proteins involved in apoptotic signaling. We referred to this protein as ASC (apoptosis-associatedspeck-like protein containing a CARD). TheASC gene was mapped on chromosome 16p11.2–12. The antisense oligonucleotides of ASC were found to reduce the expression of ASC, and consequently, etoposide-mediated apoptosis of HL-60 cells was suppressed. Our results indicate that ASC is a novel member of the CARD-containing adaptor protein family. The cytoskeletal and/or nuclear matrix molecules responsible for morphological changes associated with apoptosis were identified using monoclonal antibodies (mAbs). We developed mAbs against Triton X-100-insoluble components of HL-60 cells pretreated with all-trans retinoic acid. In particular, one mAb recognized a 22-kDa protein that exhibited intriguing behavior by forming an aggregate and appearing as a speck during apoptosis induced by retinoic acid and other anti-tumor drugs. Cloning and sequencing of its cDNA revealed that this protein comprises 195 amino acids and that its C-terminal half has a caspaserecruitment domain (CARD) motif, characteristic of numerous proteins involved in apoptotic signaling. We referred to this protein as ASC (apoptosis-associatedspeck-like protein containing a CARD). TheASC gene was mapped on chromosome 16p11.2–12. The antisense oligonucleotides of ASC were found to reduce the expression of ASC, and consequently, etoposide-mediated apoptosis of HL-60 cells was suppressed. Our results indicate that ASC is a novel member of the CARD-containing adaptor protein family. retinoic acid caspase recruitment domain apoptosis-associatedspeck-like protein containing a CARD interleukin-1β converting enzyme cell death abnormal ICE and Ced-3 homolog caspase-like apoptosis-regulatory protein receptor interacting protein RIP-like interacting CLARP kinase RIP-associated ICH-1/Ced-3-homologous protein with a death domain mammalian Ced-3 homolog monoclonal antibody fluorescein isothiocyanate base pair(s) apoptotic protease activating factor tumor necrosis factor receptor TNFR1-associated death domain protein inhibitor of apoptosis protein rapid amplification of cDNA ends fluorescence in situ hybridization terminal deoxynucleotidyl transferase-mediated dUTP nick end labeling apoptosis repressor with CARD TNFR-associated factor First described by Kerr (1Kerr J.F.R. Wyllie A.H. Currie A.R. Br. J. Cancer. 1972; 26: 239-257Crossref PubMed Scopus (13237) Google Scholar), apoptosis is an important genetically programmed process regulating the growth and development of organisms. This phenomenon also mediates normal and neoplastic tissue growth by the removal of excess cells (2Arends M.J. Wyllie A.H. Int. Rev. Exp. Pathol. 1991; 32: 223-254Crossref PubMed Scopus (1435) Google Scholar). Induction of apoptosis in the promyeloleukemic cell line, HL-60, may be achieved with a variety of biological and chemical agents including retinoic acid (RA)1 (3Collins S.J. Blood. 1987; 70: 1233-1244Crossref PubMed Google Scholar, 4Breitman T.R. Selonick S.E. Collins S.J. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 1980; 77: 2936-2940Crossref PubMed Scopus (1960) Google Scholar, 5Collins S.J. Robertson K.A. Mueller L. Mol. Cell. Biol. 1990; 10: 2154-2163Crossref PubMed Scopus (300) Google Scholar, 6Martin S.J. Bradley J.G. Cotter T.G. Clin. Exp. Immunol. 1990; 79: 448-453Crossref PubMed Scopus (403) Google Scholar, 7Park J.R. Robertson K. Hickstein D.D. Tsai S. Hockenbery D.M. Collins S.J. Blood. 1994; 84: 440-445Crossref PubMed Google Scholar, 8Nagy L. Thomázy V.A. Shipley G.L. Fésüs L. Lamph W. Heyman R.A. Chandraratna R.A.S. Dvies P.J.A. Mol. Cell. Biol. 1995; 15: 3540-3551Crossref PubMed Scopus (240) Google Scholar). Recently, the CARD was identified as the region with significant similarity to the RAIDD and ICH-1 N-terminal domains. ICH-1, Ced-3, ICE, and Mch6, all proteins containing the CARD, have been reported to act in apoptotic signaling (9Hofmann K. Bucher P. Tschopp J. Trends Biochem. Sci. 1997; 22: 155-156Abstract Full Text PDF PubMed Scopus (452) Google Scholar). The CARD has been proposed to play a regulatory role in apoptosis by allowing proteins such as Apaf-1 to associate with caspase-9 (10Li P. Nijhawan D. Budihardjo I. Srinivasula S.M. Ahmad M. Alnemri E.S. Wang X. Cell. 1997; 91: 479-489Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (6323) Google Scholar, 11Qin H. Srinivasula S.M. Wu G. Fernandes-Alnemri T. Alnemri E.S. Shi Y. Nature. 1999; 399: 549-557Crossref PubMed Scopus (366) Google Scholar). RAIDD is a part of the TNFR1-TRADD-RIP complex and recruits ICH-1 through the CARD (12Duan H. Dixit V.M. Nature. 1997; 385: 86-89Crossref PubMed Scopus (471) Google Scholar). The viral apoptosis inhibitor IAP of the two cellular homologs c-IAP1 and c-IAP2 is part of the TNFR2-TRAF complex through the CARD (13Rothe M. Pan M.G. Henzel W.J. Ayres T.M. Goeddel D.V. Cell. 1995; 83: 1243-1252Abstract Full Text PDF PubMed Scopus (1062) Google Scholar, 14Uren A.G. Pakusch M. Hawkins C.J. Puls K.L. Vaux D.L. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 1996; 93: 4974-4978Crossref PubMed Scopus (449) Google Scholar). Ced-4 recruits Ced-3 via the CARD (15Hengartner M.O. Curr. Opin. Genet. Dev. 1996; 6: 34-38Crossref PubMed Scopus (91) Google Scholar). The CARDs of these proteins associate with electrostatic forces, and this binding specificity between CARDs is determined by the charge distribution on the domain surfaces (16Chou J.J. Matsuo H. Duan H. Wagner G. Cell. 1998; 94: 171-180Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (283) Google Scholar). In this study, we identified a novel protein, ASC. This soluble protein was located in the cytosol of healthy HL-60 cells; however, in apoptotic cells, it was visualized as a speck. Closer examination of this speck revealed that the protein formed an aggregate with a hollow center. Although the C-terminal of ASC was found to contain a CARD, the N-terminal was found to be homologous to that of pyrin, the causative gene product for familial Mediterranean fever (17The International FMF ConsortiumCell. 1997; 90: 797-807Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (1379) Google Scholar). The CARD domain of ASC may be involved in apoptotic signaling, thereby initiating pro-apoptotic effects. The methods described previously for preparation of the cytoskeleton and nuclear matrix (18He D.C. Nickerson J.A. Penman S. J. Cell Biol. 1990; 110: 569-580Crossref PubMed Scopus (369) Google Scholar) were used with slight modifications. Triton X-100-insoluble materials of HL-60 were used for immunization of mice and an enzyme-linked immunosorbent assay. HL-60 cells were treated with etoposide (10 μg/ml) for 12 h and collected. Cells were fixed with 3% hydrogen peroxide in 70% ethanol and refixed with 4% paraformaldehyde. The cells were immunostained and refixed with 1% glutaraldehyde. All subsequent steps were performed as described previously (19Masumoto J. Sagara J. Hayama M. Hidaka E. Katsuyama T. Taniguchi S. Histochem. Cell Biol. 1998; 110: 33-41Crossref PubMed Scopus (16) Google Scholar). HL-60 cells were harvested and lysed in hypotonic solution. 60% sucrose solution was added to the cell lysate to result in a final concentration of 10%. The whole cell lysate was successively fractionated by centrifuging. Twelve h after medium exchange, HL-60 cells in exponential growing phase were suspended with fresh control medium or media-containing anti-tumor agents: agents that interact with topoisomerase, i.e. 10 μg/ml etoposide (VP-16) (LastetTM, Nippon-Kayaku) or 1 μg/ml camptothecin (CPT; TopoGEN); an antimetabolite; 10 μg/ml cytarabine (ara-C) (1-β-d-arabinofuranosylcytosine; CylocideTM, Nippon-Shinyaku); a metallic agent; 1 μg/ml cisplatin (CDDP) (RandaTM, Nippon-Kayaku); an antimicrotubule agent; 1 μg/ml vincristine (VCR) (OncovinTM, Shionogi); a differentiation agent; 10 μm all-transretinoic acid (ATRA) (Sigma) or a miscellaneous chemotherapeutic agent; 2 milliunits/ml bleomycin (BLM) (BleoTM, Nippon-Kayaku). After treatment with these agents, cells were fixed and analyzed as described above. Total RNA from HL-60 cells was isolated by acid guanidinium isothiocyanate-phenol-chloroform extraction using Isogen (Wako). To purify mRNA, pre-packed spin oligo-dT-cellulose columns (Amersham Pharmacia Biotech) were used. A λgt11 cDNA library was constructed using a TimeSaverTM cDNA synthesis kit with poly(A) primers and random primers, a cDNA rapid cloning module, and λ-DNA in vitro packaging module (all from Amersham Pharmacia Biotech). The cDNA library described above was screened with the anti-ASC mAb, and positive clones were amplified by polymerase chain reaction. The 5′ noncoding region was cloned by 5′-RACE (Life Technologies, Inc.). Sequence homology searches were carried out using the BLAST computer program at the National Center for Biotechnology Information. The entire open reading frame of ASC was inserted into pcDNA3 (Invitrogen). The DNA construct was transfected into COS-7 cells by lipofection using TransomeTM (Wako) according to the manufacturer's instructions. A human PAC DNA pool (20Ioannou P.A. Amemiya C.T. Garnes J. Kroisel P.M. Shizuya H. Chen C. Batzer M.A. de Jong P.J. Nat. Genet. 1994; 6: 84-89Crossref PubMed Scopus (771) Google Scholar) was screened using primers for the 3′-untranslated region of ASC under the following polymerase chain reaction conditions: initial denaturation at 94 °C for 3 min followed by 30 cycles of 94 °C 30 s, 55 °C 30 s, 72 °C 30 s, and a final elongation step at 72 °C for 7 min (GeneAmp 9600 system, Perkin-Elmer Corp.). Primers were 5′-TGGAGGACCTGGAGCGGAGC-3′ and 5′-CAAGCTGGCTTTTCGTATATTGT-3′. DNA of positive clones was prepared using a Plasmid Midi kit (Qiagen) according to the manufacturer's recommendations. Aliquots of 1 μg of PAC DNA labeled with biotin-16-dUTP (Roche Molecular Biochemicals) by nick end translation were hybridized to normal metaphase chromosomes together with 10 μg of human Cot 1 DNA (Life Technologies, Inc.) to suppress repetitive sequences, as described previously (21Kishino T. Ariga T. Soejima H. Tamura T. Ohta T. Jinno Y. Yonemura S. Sato N. Tsukita Sa Tsukita Sh Sakiyama Y. Niikawa N. Cytogenet. Cell Genet. 1994; 66: 167-169Crossref PubMed Google Scholar). FISH signals were detected with FITC-conjugated avidin (Vector Laboratories), and chromosomes were counterstained with propidium iodide. Signals were viewed under a Zeiss Axioskop fluorescence microscope equipped with a Zeiss 100× Apochromat objective, and images were acquired with a PXL cooled CCD camera (Photometrics). The HL-60 cells were transfected by antisense oligonucleotides-(76–95) 5′-GCGCCCCATGGCTCCAGGAT-3′ or, as the control, sense oligonucleotides-(76–95), 5′-ATCCTGGAGCCATGGGGCGC-3′, or sense oligonucleotides-(71–90), 5′-CGGGGATCCTGGAGCCATGG-3′. HL-60 cells (2 ×106) were transfected with each of the oligonucleotides (5 μm)using the LipofectAMINE-PLUS reagent (Life Technologies, Inc.). Apoptotic cells were assessed by the TUNEL method. Fragmented DNA strands were labeled with FITC-conjugated deoxyuridine using an in situ apoptosis detection kit (Takara). Changes in cellular architecture during apoptosis and/or differentiation of leukemic cells were determined by developing mAbs against the Triton X-100-insoluble fraction of RA-treated or -untreated HL-60 cells. One mAb recognized an antigen with a molecular mass of 22-kDa. Western blotting analysis revealed that, unlike control cells, a portion of this protein in RA-treated cells was resistant to extraction with Triton X-100/cytoskeleton buffer (Fig.1 A). DNA condensation in apoptotic cells was detected by immunofluorescence after extracting DNA fragments with 70% ethanol at −20 °C for 30 min (22Telford W.G. King L.E. Fraker P.J. J. Immunol. Methods. 1994; 172: 1-16Crossref PubMed Scopus (268) Google Scholar). A bright speck-like signal was observed in RA-treated (4 days) HL-60 cells undergoing apoptosis (Fig. 1, Ba and Bb, arrowheads) and this protein was thus termed ASC. Over 50% of the RA-treated HL-60 cells were found to be apoptotic. In most HL-60 cells bearing an ASC speck, chromatin condensation was visualized by Hoechst 33258, thus implying that in HL-60 cells, ASC is concentrated into a speck and is associated with the apoptotic process. By using pre-embedding electron microscopy, it was possible to obtain a more precise location for the ASC speck in apoptotic HL-60 cells. The cells were pretreated with etoposide (10 μg/ml) for 12 h, and the histochemical staining of apoptotic HL- 60 with the ASC mAb was examined. Our findings revealed that the speck was detected in the periphery of the apoptotic HL-60 cells and appeared to be an aggregate with a hollow center (Fig. 1 C). The location of ASC in HL-60 cells was also determined by cell fractionation. ASC was found predominantly in the supernatant after centrifugation at 100,000 × g for 60 min, but a small portion was also found in the pellet after centrifugation at 10,000 × g for 20 min (Fig. 1 D). It was deduced, therefore, that ASC is essentially a soluble protein in the cytosol. This phenomenon was also seen in HL-60 cells pretreated with various anti-tumor agents for the induction of apoptosis (TableI). A significant correlation was observed between the number of apoptotic cells and the number of cells with a speck-like fluorescence signals of ASC (Fig.2, A and B).Table IThe speck-like aggregate of ASC in HL-60 cells during apoptosis induced by anti-tumor agentsControlDrugEtoposideCamptothecinCytarabineCisplatinVincristineBleomycinAll-transretinoic acidConcentrationNone10 μg/ml1 μg/ml10 μg/ml1 μg/ml1 μg/ml2 mU/ml1 μmIncubation time (h)2424242424242472Apoptotic cells (%)10.3 ± 3.154.3 ± 7.11-aSignificantly different from control values using Student's t test (p < 0.05).44.7 ± 10.31-aSignificantly different from control values using Student's t test (p < 0.05).50.6 ± 6.01-aSignificantly different from control values using Student's t test (p < 0.05).40.0 ± 8.51-aSignificantly different from control values using Student's t test (p < 0.05).42.7 ± 6.31-aSignificantly different from control values using Student's t test (p < 0.05).37.4 ± 4.91-aSignificantly different from control values using Student's t test (p < 0.05).33.7 ± 4.81-aSignificantly different from control values using Student's t test (p < 0.05).Cells with speck-like signal (%)6.4 ± 2.237.9 ± 6.51-aSignificantly different from control values using Student's t test (p < 0.05).31.9 ± 7.01-aSignificantly different from control values using Student's t test (p < 0.05).38.4 ± 6.91-aSignificantly different from control values using Student's t test (p < 0.05).26.9 ± 3.41-aSignificantly different from control values using Student's t test (p < 0.05).33.4 ± 6.81-aSignificantly different from control values using Student's t test (p < 0.05).29.1 ± 3.31-aSignificantly different from control values using Student's t test (p < 0.05).24.5 ± 4.31-aSignificantly different from control values using Student's t test (p < 0.05).Cells with speck-like signal (%)/ apoptotic cells (%)0.62 ± 0.090.70 ± 0.110.72 ± 0.070.76 ± 0.070.69 ± 0.130.78 ± 0.080.79 ± 0.100.73 ± 0.06HL-60 cells were treated with anti-tumor drugs at concentrations and times indicated. Values are means (n = 5) ± S.D. mU, milliunits.1-a Significantly different from control values using Student's t test (p < 0.05). Open table in a new tab HL-60 cells were treated with anti-tumor drugs at concentrations and times indicated. Values are means (n = 5) ± S.D. mU, milliunits. The entire cDNA of ASC was cloned by immunoscreening and RACE. Immunoscreening the λgt11 cDNA expression library of HL-60 cells with the mAb for ASC resulted in two clones with 425- and 725-bp inserts found in the 3′-end of ASC. The remaining sequence consisting of 59-bp at the 5′-noncoding end was obtained by 5′-RACE. The 785-bp cDNA of ASC was obtained and sequenced (Fig.3). A good Kozak consensus (23Kozak M. Mamm. Genome. 1996; 7: 563-574Crossref PubMed Scopus (759) Google Scholar) at the initial methionine (GCCATGG) was found, and the sequence contained an open reading frame of 585 bp; the putative initiation codon was preceded by an in-frame stop codon (−33 bp). Northern blotting showed the mRNA to be about 0.8 kilobase in length (see below), whereas Western blotting using extracts from COS-7 cells transiently expressing cDNA detected the immunoreactive 22-kDa protein (data not shown). Hence the sequence contained the complete coding region of ASC. The cDNA of ASC encodes a predicted peptide of 195 amino acids with a predicted isoelectric point of 6.4 and a mass of 21.7-kDa. The schematic structure of human ASC (Fig. 3 A), nucleotide, and deduced protein sequences are shown (Fig. 3 B). A PSI-BLAST search of the NIH data base revealed that the 87 amino acid residues in the C terminus of ASC had significant homology (expect-value < 0.001) to the CARD of both mammalian cIAP1 and cIAP2 and, to a lesser extent, to the CARD of the human death protease caspase-2 (Fig. 3 C). During apoptosis, caspases are recruited by receptor-associated adaptors through CARD-CARD binding (11Qin H. Srinivasula S.M. Wu G. Fernandes-Alnemri T. Alnemri E.S. Shi Y. Nature. 1999; 399: 549-557Crossref PubMed Scopus (366) Google Scholar, 12Duan H. Dixit V.M. Nature. 1997; 385: 86-89Crossref PubMed Scopus (471) Google Scholar, 16Chou J.J. Matsuo H. Duan H. Wagner G. Cell. 1998; 94: 171-180Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (283) Google Scholar). Recently, several proteins containing the CARD motif have been cloned; ARC inhibits apoptosis induced by caspase-8 and Ced-3 interacting with caspase-2, -8, and Ced-3 (24Koseki T. Inohara N. Chen S. Núñez G. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 1998; 95: 5156-5160Crossref PubMed Scopus (312) Google Scholar). RICK/RIP2 interacts with CLARP and regulates apoptosis induced by the CD95/Fas receptor pathway (25Inohara N. del Peso L. Koseki T. Chen S. Nunez G. J. Biol. Chem. 1998; 273: 12296-12300Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (220) Google Scholar). RICK/RIP2 is also a component of the TNFR1, cIAP1, and TRAF family signaling complexes (26McCarthy J.V. Ni J. Dixit V.M. J. Biol. Chem. 1998; 273: 16968-16975Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (379) Google Scholar). Similarly, ASC may be involved in apoptotic signaling through the CARD. The N terminus of ASC displayed a high degree of homology to N-terminal pyrin (Fig. 3 D), the causative gene product of familial Mediterranean fever (17The International FMF ConsortiumCell. 1997; 90: 797-807Abstract Full Text Full Text PDF PubMed Scopus (1379) Google Scholar). The characteristics of ASC were ascertained by a transient expression experiment. Immunofluorescence and Western blotting enabled the detection of ASC after transient expression in COS-7 cells. The mAb against ASC was used to detect the subcellular localization of ASC in COS-7 cells. Additionally, this mAb probed whole cell lysate from COS-7 cells transfected with pcDNA3 (empty vector) and pcDNA3-ASC. A ring-like fluorescent signal was detected in some COS-7 cells transfected with pcDNA3-ASC, but not in those transfected with pcDNA3 (data not shown). Western blots revealed a 22-kDa band in COS-7 cells transfected with pcDNA3-ASC. This was the same size as that of ASC in HL-60 cells (data not shown). The chromosomal location of the ASC gene was determined by FISH, wherein we screened the human PAC library to isolate two independent PAC clones containing the ASC gene. The clones were shown to overlap with each other by restriction analysis and were mapped to 16p11.2-p12 by FISH (data not shown). For further refined mapping, we used the Stanford G3 radiation hybrid mapping panel (Research Genetics). Two-point maximum likelihood analysis indicated a linkage to markers SHGC-64124 and SHGC-35326 with log of odds (lod) scores of 9.54 and 8.93, respectively, as calculated by the Stanford Human Genome Center radiation hybrid web server. The marker SHGC-35326 was located between D16S3093 and D16S409 at 16p11.2. Based on these findings, theASC gene was located at 16p11.2–12. We examined the expression of ASC in several tumor cell lines using Northern and Western blotting (Fig. 4, Aand C). It was found to be restricted to two leukemia cell lines, HL-60 and U937, and a melanoma cell line, WM35. In addition, traces of ASC mRNA expression were detected in the chronic myelogeneous leukemic cell line, K562. Interestingly, ASC expression was not detected in other leukemic cell lines such as, Jurkat T-cell lymphoma and Daudi Burkitt's lymphoma. Furthermore, although ASC was expressed in the early stage melanoma cell line, WM35, its presence was not detected in another melanoma cell line, WM793. Multiple-tissue Northern blot showed an 0.8-kilobase transcript in various human normal tissues (Fig. 4 B). With the exception of K562, the expression of ASC in various tumor cell lines was confirmed by Western blotting using our anti-ASC mAb. Our data showed that ASC expression occurred in HL-60, U937, and WM35 (Fig. 4 C). These observations suggested that the level of ASC expression may vary according to the cell lineage, maturation stage, or cell transformation. Fig.5 A shows that in etoposide-induced apoptosis of HL-60 transfectant by antisense oligonucleotides, a significant decrease in the percentage of apoptosis was observed in comparison with control cells. Western blotting and NIH Image software showed that the HL-60 transfectant by antisense oligonucleotides-(76–95) expressed 57% less ASC than the controls by sense oligonucleotides-(76–95) or sense oligonucleotides-(71–90) (Fig. 5 B). Similar findings were also observed in vincristine-induced apoptosis (data not shown). These results showed that ASC may have pro-apoptotic activity by increasing the susceptibility of HL-60 cells to apoptotic stimuli by anti-cancer drugs such as etoposide or vincristine. It is possible that just as Apaf-1 has sensitizing effects for etoposide-induced apoptosis (27Perkins C. Kim C.N. Fang G. Bhalla K.N. Cancer Res. 1998; 58: 4561-4566PubMed Google Scholar) so ASC has pro-apoptotic effects on some apoptotic pathways. Although at present it is not clear in which apoptotic pathway the CARD of ASC is involved, this study showed that low expression levels of a new CARD-containing molecule, ASC, decreases etoposide-induced apoptosis in HL-60 cells. The soluble nature of ASC appeared to change to an insoluble one, and ASC appeared as a speck in apoptotic HL-60 cells. We thank Drs. Hiroshi Zenda and Shin Ohta (Dept. of Pharmacy, Shinshu University Hospital) for encouragement during this work. We are grateful to Dr. Eiichi Soeda (RIKEN Gene Bank, Institute of Physical and Chemical Research) for providing the PAC library and Dr. Kenichi Koike (Shinshu University School of Medicine) for supporting this work.
0

Regulatory regions and critical residues of NOD2 involved in muramyl dipeptide recognition

Tsuyoshi Tanabe et al.Mar 25, 2004
Article25 March 2004free access Regulatory regions and critical residues of NOD2 involved in muramyl dipeptide recognition Tsuyoshi Tanabe Tsuyoshi Tanabe Department of Pathology and Comprehensive Cancer Center, University of Michigan Medical School, Ann Arbor, MI, USA The Gene Discovery Research Center, The National Institute of Advanced Industrial Science and Technology, Tsukuba, Ibaraki, 305-8562 Japan Search for more papers by this author Mathias Chamaillard Mathias Chamaillard Department of Pathology and Comprehensive Cancer Center, University of Michigan Medical School, Ann Arbor, MI, USA Search for more papers by this author Yasunori Ogura Yasunori Ogura Department of Pathology and Comprehensive Cancer Center, University of Michigan Medical School, Ann Arbor, MI, USA Search for more papers by this author Li Zhu Li Zhu Department of Pathology and Comprehensive Cancer Center, University of Michigan Medical School, Ann Arbor, MI, USA Search for more papers by this author Su Qiu Su Qiu Department of Pathology and Comprehensive Cancer Center, University of Michigan Medical School, Ann Arbor, MI, USA Search for more papers by this author Junya Masumoto Junya Masumoto Department of Pathology and Comprehensive Cancer Center, University of Michigan Medical School, Ann Arbor, MI, USA Search for more papers by this author Partho Ghosh Partho Ghosh Department of Chemistry and Biochemistry, University of California, San Diego, La Jolla, CA, USA Search for more papers by this author Anthony Moran Anthony Moran Department of Microbiology, National University of Ireland, Galway, Ireland Search for more papers by this author Martina M Predergast Martina M Predergast Department of Microbiology, National University of Ireland, Galway, Ireland Search for more papers by this author Gerard Tromp Gerard Tromp Wayne State University School of Medicine, Detroit, MI, USA Search for more papers by this author Charlene J Williams Charlene J Williams Department of Medicine, Division of Rheumatology, Thomas Jefferson University, Philadelphia, PA, USA Search for more papers by this author Naohiro Inohara Naohiro Inohara Department of Pathology and Comprehensive Cancer Center, University of Michigan Medical School, Ann Arbor, MI, USA Search for more papers by this author Gabriel Núñez Corresponding Author Gabriel Núñez Department of Pathology and Comprehensive Cancer Center, University of Michigan Medical School, Ann Arbor, MI, USA Search for more papers by this author Tsuyoshi Tanabe Tsuyoshi Tanabe Department of Pathology and Comprehensive Cancer Center, University of Michigan Medical School, Ann Arbor, MI, USA The Gene Discovery Research Center, The National Institute of Advanced Industrial Science and Technology, Tsukuba, Ibaraki, 305-8562 Japan Search for more papers by this author Mathias Chamaillard Mathias Chamaillard Department of Pathology and Comprehensive Cancer Center, University of Michigan Medical School, Ann Arbor, MI, USA Search for more papers by this author Yasunori Ogura Yasunori Ogura Department of Pathology and Comprehensive Cancer Center, University of Michigan Medical School, Ann Arbor, MI, USA Search for more papers by this author Li Zhu Li Zhu Department of Pathology and Comprehensive Cancer Center, University of Michigan Medical School, Ann Arbor, MI, USA Search for more papers by this author Su Qiu Su Qiu Department of Pathology and Comprehensive Cancer Center, University of Michigan Medical School, Ann Arbor, MI, USA Search for more papers by this author Junya Masumoto Junya Masumoto Department of Pathology and Comprehensive Cancer Center, University of Michigan Medical School, Ann Arbor, MI, USA Search for more papers by this author Partho Ghosh Partho Ghosh Department of Chemistry and Biochemistry, University of California, San Diego, La Jolla, CA, USA Search for more papers by this author Anthony Moran Anthony Moran Department of Microbiology, National University of Ireland, Galway, Ireland Search for more papers by this author Martina M Predergast Martina M Predergast Department of Microbiology, National University of Ireland, Galway, Ireland Search for more papers by this author Gerard Tromp Gerard Tromp Wayne State University School of Medicine, Detroit, MI, USA Search for more papers by this author Charlene J Williams Charlene J Williams Department of Medicine, Division of Rheumatology, Thomas Jefferson University, Philadelphia, PA, USA Search for more papers by this author Naohiro Inohara Naohiro Inohara Department of Pathology and Comprehensive Cancer Center, University of Michigan Medical School, Ann Arbor, MI, USA Search for more papers by this author Gabriel Núñez Corresponding Author Gabriel Núñez Department of Pathology and Comprehensive Cancer Center, University of Michigan Medical School, Ann Arbor, MI, USA Search for more papers by this author Author Information Tsuyoshi Tanabe1,6, Mathias Chamaillard1, Yasunori Ogura1, Li Zhu1, Su Qiu1, Junya Masumoto1, Partho Ghosh2, Anthony Moran3, Martina M Predergast3, Gerard Tromp4, Charlene J Williams5, Naohiro Inohara1 and Gabriel Núñez 1 1Department of Pathology and Comprehensive Cancer Center, University of Michigan Medical School, Ann Arbor, MI, USA 2Department of Chemistry and Biochemistry, University of California, San Diego, La Jolla, CA, USA 3Department of Microbiology, National University of Ireland, Galway, Ireland 4Wayne State University School of Medicine, Detroit, MI, USA 5Department of Medicine, Division of Rheumatology, Thomas Jefferson University, Philadelphia, PA, USA 6The Gene Discovery Research Center, The National Institute of Advanced Industrial Science and Technology, Tsukuba, Ibaraki, 305-8562 Japan *Corresponding author. Department of Pathology, University of Michigan Medical School, 4219 CCGC 0938, 1500 East Medical Center Drive, Ann Arbor, MI 48109-0938, USA. Tel.: +1 734 764 8514; Fax: +1 734 647 9654; E-mail: [email protected] The EMBO Journal (2004)23:1587-1597https://doi.org/10.1038/sj.emboj.7600175 These authors share first authorship These authors share senior authorship PDFDownload PDF of article text and main figures. ToolsAdd to favoritesDownload CitationsTrack CitationsPermissions ShareFacebookTwitterLinked InMendeleyWechatReddit Figures & Info Multiple genetic variants of CARD15/NOD2 have been associated with susceptibility to Crohn's disease and Blau syndrome. NOD2 recognizes muramyl dipeptide (MDP) derived from bacterial peptidoglycan (PGN), but the molecular basis of recognition remains elusive. We performed systematic mutational analysis to gain insights into the function of NOD2 and molecular mechanisms of disease susceptibility. Using an archive of 519 mutations covering ∼50% of the amino-acid residues of NOD2, the essential regulatory domains and specific residues of NOD2 involved in recognition of MDP were identified. The analysis revealed distinct roles for N-terminal and C-terminal leucine-rich repeats (LRRs) in the modulation of NOD2 activation and bacterial recognition. Within the C-terminal LRRs, variable residues predicted to form the β-strand/βturn structure were found to be essential for the response to MDP. In addition, we analyzed NOD1, a NOD2-related protein, revealing conserved and nonconserved amino-acid residues involved in PGN recognition. These results provide new insights into the molecular function and regulation of NOD2 and related NOD family proteins. Introduction The susceptibility to genetic diseases is largely dependent on the physiological consequence of genetic alterations. In certain disorders including neurofibromatosis and Crohn's disease (CD), the genetic alteration involves highly mutated disease-associated proteins (Rasmussen and Friedman, 2000; Hugot et al, 2001). In CD, a common chronic inflammatory disorder of the intestinal tract, nearly 40 variants of the CARD15 gene have been detected (Hugot et al, 2001). NOD2, the product of CARD15, is a member of a growing family of proteins, called NODs (for nucleotide-binding oligomerization domains), that have been implicated in the regulation of immune responses and cell death in animals and plants (Girardin et al, 2002; Inohara and Nunez, 2003). NOD2 acts as a bacterial peptidoglycan (PGN) recognition molecule through specific detection of the conserved muramyl dipeptide (MDP) structure (Bonen et al, 2003; Chamaillard et al, 2003c; Girardin et al, 2003a; Inohara et al, 2003). Three major CD-associated NOD2 mutations, R702W, G908R and L1007fsinsC (Hugot et al, 2001; Ogura et al, 2001a), and multiple rare variants (Chamaillard et al, 2003c) have been found to be deficient in their ability to sense PGN and/or synthetic MDP (Girardin et al, 2003a; Inohara et al, 2003). Homozygosity and compound heterozygosity increase up to ∼40-fold the genotype relative risk for CD compared to simple heterozygosity (∼2–4-fold) (Hampe et al, 2001; Hugot et al, 2001; Ogura et al, 2001a). The human NOD protein family contains approximately 20 members including NOD1, NOD2, Cryopyrin, Apaf-1 and CIITA (Inohara and Nunez, 2003). The great majority of NODs contain an N-terminal effector domain, a centrally located NOD and C-terminal leucine-rich repeats (LRRs) (Inohara and Nunez, 2003). NOD1 and NOD2 have one and two caspase-recruitment domains (CARDs), respectively, as N-terminal effector domains and activate NF-κB through interaction with the downstream factor RICK (also called RIP2 and CARDIAK) (Bertin et al, 1999; Inohara et al, 1999; Ogura et al, 2001b). Oligomerization of NOD1, and presumably of NOD2, promotes the proximity of RICK molecules and of the I-κB kinase (IKK) subunits, leading to IKK and NF-κB activation (Chamaillard et al, 2003a; Inohara and Nunez, 2003). In addition to CD, recurrent missense mutations (i.e. R334Q-W and L469F) in the NOD domain of NOD2 have been associated with Blau syndrome (BS), a monogenic, dominantly inherited disease characterized by early-onset granulomatous arthritis (Miceli-Richard et al, 2001). The BS-causing mutations exhibit enhanced basal NF-κB activity compared to wild-type NOD2 (Chamaillard et al, 2003c). Three other closely related autosomal-dominant diseases, familial cold autoinflammatory syndrome (FCAS), Muckle–Wells syndrome (MWS), and chronic infantile neurological cutaneous and articular syndrome (CINCA), are associated with missense mutations that localize to the NOD region of Cryopyrin (Chamaillard et al, 2003a; Inohara and Nunez, 2003). Moreover, mutations in the LRRs of CIITA are associated with type II bare lymphocyte syndrome, indicating an essential role for the LRRs in CIITA function (Chamaillard et al, 2003a; Inohara and Nunez, 2003). Similarly, plant NOD proteins are a class of disease-resistance (R) proteins that recognize pathogens through their LRRs and induce a signalling response against pathogens (Dangl and Jones, 2001; Meyers et al, 2003). In the present study, we generated a comprehensive library of NOD2 and NOD1 variants to study the molecular basis of bacteria-induced NF-κB stimulation. In this study, 519 amino-acid residues of NOD2 were mutated. Functional analyses revealed mechanisms of NOD2 regulation as well as conserved and nonconserved mechanisms whereby NOD1 and NOD2 mediate the recognition of PGN. Results Construction of a library of NOD2 mutants To define amino-acid residues that are important for NOD2 function and disease susceptibility, we designed an approach to introduce systematically point mutations in the entire coding region of CARD15/NOD2 at a controlled rate by polymerase chain reactions (Shafikhani et al, 1997). The approach combines random mutagenesis and systematic functional analysis of each generated mutant clones. Because NOD2 is composed of 1040 amino acids, the mutants were constructed with four different cassettes separated by unique restriction sites (Figure 1A). Under our experimental conditions, the mutant library for each cassette contained an average of three nucleotide substitutions per 1000 base pairs (range 1–7) resulting in ∼2 amino-acid substitutions per cassette (data not shown). In total, 806 nucleotide substitutions in the coding region were analyzed resulting in 519 amino-acid changes (∼50% of the NOD2 residues; Figure 1B). Our present study involved 338 independent clones of which 148 contained single amino-acid substitutions and 190 contained multiple (range 2–5) amino-acid replacements in NOD2. A summary of all NOD2 mutant clones including the type of mutation, location of the mutation and in vitro functional activity is shown in Figure 1B. The ability of each mutant to induce MDP-dependent and -independent activation of NF-κB was determined using a luciferase reporter NF-κB assay (Inohara et al, 2001; Ogura et al, 2001b). Briefly, mutant and wild-type NOD2 clones were transiently expressed in HEK293T cells in the presence or absence of MDP. The analysis was primarily based on the 127 clones with single missense mutations and the 59 clones with nonsense and frameshift mutations. However, the results of all generated clones are provided in Supplementary Tables 1, 2 and 3. Figure 1.Strategy for NOD2 mutagenesis and summary of studied NOD2 mutations. (A) Schematic representation of NOD2 including mutagenized cassettes (I–IV). The location of CARDs, NOD domain and leucine-rich repeat domain (LRD) are shown. Numbers represent the position of amino-acid residues. Restriction enzyme sites flanking each cassette are shown. (B) Summary of NOD2 mutations generated and analyzed. WT, wild-type; ND, not determined. Download figure Download PowerPoint CARDs of NOD2 in RICK-dependent NF-κB activation We mutated ∼57% (127/220) of the amino acids in the CARDs of NOD2 (Figure 1B and Supplementary Table 1). The analysis included 14 mutants with only one amino-acid substitution in the CARDs of NOD2, of which seven (Q31H, E69K, T91I, A106V, L145P, P177S and R180K) exhibited complete loss and/or greatly reduced activity in response to MDP (Supplementary Table 1 and Figure 2B), indicating that these CARD residues are essential for NF-κB activation. Representative results from a mutant clone with wild-type phenotype (M152L) and loss-of-function mutants with single amino-acid replacements in CARD1 (Q31H, E69K and A106V) or CARD2 (L145P and R180K) are shown in Figure 2B and/or in Supplementary Table 1. Immunoblotting analysis revealed that most of the loss-of-function mutants were expressed at levels similar to those of the wild-type protein (Figure 2C and Supplementary Table 1). However, some of the CARD point mutants including F161I, P177S and R180K were not expressed, suggesting that these mutations are associated with reduced protein stability (Figure 2C and Supplementary Table 1). Figure 2.Mutational analyses of the CARD of NOD2. (A) Schematic representation of the N-terminus region of NOD2. Numbers indicate the position of amino-acid residues. Loss-of-function mutations are shown in black. Clones with wild-type activity are depicted in gray and mutations found in complex mutant clones (i.e. more than one amino-acid substitution) with wild-type activity are shown in gray italic. Mutations associated with reduced expression are labelled with the symbol a. Mutations found in Crohn's patients are labelled with the symbol b. (B) NF-κB activity of representative CARD mutants. E778K and ΔLRR are shown as controls. Values represent the mean of normalized data±s.d. of triplicate cultures. (C) Interaction of NOD2 mutants with RICK. Extracts from HEK293T cells expressing indicated mutants were immunoprecipitated with anti-Myc antibody and immunoblotted with anti-NOD2 antibody. IP, immunoprecipitation; total, immunoblotting of total lysates. A black dot denotes the mobility shift of the phosphorylated form of RICK. (D) Inhibition of RICK-induced NF-κB activation by CARD mutants and PEA15 control plasmid. Values represent the mean of normalized data±s.d. of triplicate cultures. (E) Specific inhibition of MDP-induced NOD2-mediated NF-κB by the L145P mutant. An LPS preparation containing MDP-like activity (closed bars) was used in this assay. (F) Inhibition of MDP-induced NF-κB activation by the L145P mutant and dominant-negative form of IKKγ in HEK293T cells. DN denotes dominant-negative form. Download figure Download PowerPoint NOD2 associates with its downstream effector RICK through a homophilic CARD–CARD interaction to activate NF-κB (Ogura et al, 2001b). To determine whether the CARD mutants interact with RICK, we carried out immunoprecipitation experiments in which NOD2 and RICK proteins were transiently coexpressed in HEK293T cells. Immunoprecipitation analyses revealed that RICK interacted with T91I and Q204R, a control mutant with wild-type phenotype, as effectively as with wild-type NOD2 molecule (Figure 2E). In contrast, the loss-of-function NOD2 mutants, Q31H, A106V and L145P, exhibited reduced association with RICK (Figure 2C). As expected, the F161I mutant, which displayed greatly reduced expression, did not immunoprecipitate with RICK (Figure 2C). RICK has been found to be phosphorylated when overexpressed in mammalian cells (Ogura et al, 2001b), although the physiological role of phosphorylated RICK remains unclear. Notably, the NOD2 mutants with impaired ability to interact with RICK did not induce the mobility shift associated with RICK phosphorylation (Figure 2C), indicating that RICK phosphorylation correlates with the ability of NOD2 to interact with RICK and with the activation of NF-κB. A dominant-negative mutant of NOD2 signalling The interaction between NOD2 and RICK appears essential for NF-κB activation (Ogura et al, 2001b). Therefore, we tested if the loss-of-function CARD mutants could inhibit the activity induced through the NOD2 signalling pathway. The analysis revealed that L145P, a CARD2 mutant, but not A106V, Q31H nor F161I, inhibited the ability of RICK to activate NF-κB (Figure 2D). Moreover, L145P, but not mutants lacking one or two CARDs, inhibited the ability of wild-type NOD2 to activate NF-κB in the absence or presence of bacterial components (Figure 2E). HEK293T cells express a low level of endogenous NOD2 and activate NF-κB in response to a high concentration of MDP (5 μg/ml) (Supplementary Table 2). To determine whether the L145P mutant could inhibit the activity of endogenous NOD2, we transfected HEK293T cells with constructs expressing the L145P mutant or dominant-negative forms of TBK1 and MyD88 (as negative controls) or IKKγ as a positive control and stimulated the cells with MDP. We found that the L145P mutant, like a dominant-negative form of IKKγ, exhibited a dominant-negative effect on NOD2-mediated signalling, whereas interfering mutants of TBK or MyD88 did not (Figure 2F). These results indicate that the dominant-negative effect of the mutation L145P is specific. Critical residues in the NOD domain required for bacterial recognition This work included missense mutants with substitutions in 249 amino-acid residues of the NOD domain (Figures 1B and 3A). The analysis of the generated mutant clones was primarily restricted to the 59 mutants with a single amino-acid substitution. Initial functional screening of these mutants using synthetic MDP revealed 21 residues in the NOD domain that are critical for NOD2 function (Figure 3A). These included mutation of the conserved Asp residue at position 379, D379A, in the Walker's B box (Figure 3B), which is essential for binding to the Mg2+-substrate and nucleotide hydrolysis (Walker et al, 1982). The D379A NOD2 mutant did not respond to MDP (Supplementary Table 1), suggesting that nucleotide hydrolysis is essential for MDP-dependent NF-κB activation. The equivalent mutation of D284A in NOD1 as well as the K208R mutation in the A box of NOD1 resulted in loss of ligand-dependent NF-κB activation (Supplementary Table 2). Thus, the requirement of the B box for the response to bacterial components is conserved between NOD1 and NOD2. In addition, mutation of amino-acid residues A232, V295, F327, C333, S344, S396, T401, F408, A429, V492, L626, P639, K655, G680, L690, A691, S714 and H734, located within the NOD domain, resulted in loss of MDP-dependent NF-κB activation (Figure 3B). Similarly to D284A, most of these NOD mutants retained their ability to activate NF-κB when overexpressed in HEK293T cells (Figure 3B and Supplementary Table 1). Immunoblotting analysis showed appropriate expression of the mutants except for C333Y and A232P whose expression was undetectable (Figure 3B), suggesting that the latter residues are important for protein stability. Figure 3.Mutational analyses of the NOD domain of NOD2. (A) Schematic representation of the NOD domain. The Walker's A and B boxes are depicted by solid dots. Numbers indicate the position of amino-acid residues. Symbols and color code are described in Figure 2. The gain-of-function mutations are labelled with the symbol c. (B) NF-κB activity of representative NOD domain mutants in the presence or absence of MDP. E778K and ΔLRR are shown as controls. Expression of NOD2 proteins is shown on top. (C) Interaction of NOD2 mutants with RICK. Extracts from HEK293T cells expressing indicated mutants were co-immunoprecipitated with anti-Myc antibody and immunoblotted with anti-NOD2 antibody. IP, immunoprecipitation; total, immunoblotting of total lysates. A black dot denotes phosphorylated form of RICK. (D) Evidence of intramolecular interaction between the C-terminal region of the NOD domain and proximal LRRs by functional complementation. NF-κB activity in the presence or absence of MDP is shown for NOD2 mutant and wild-type clones. Values represent the mean of normalized data±s.d. of triplicate cultures. Download figure Download PowerPoint Distinct functional alteration of NOD2 variants associated with BS and CD Several missense NOD2 mutants in NOD were identified that are found at a low frequency (i.e. less than 1%) in Western European populations (Hugot et al, 2001; Lesage et al, 2002). Seven of these natural mutations, A140T, R373C, S431L, V793M, N853S, V955I and G978E, were generated through random mutagenesis of NOD2. In addition, we engineered R334W and R334Q, two recurrent BS-causing mutations. Consistent with a recent report (Chamaillard et al, 2003c), both R334W and R334Q exhibited increased basal NF-κB activity, which was comparable to that observed with NOD2 lacking the LRRs (Figure 3B). Unlike the ΔLRR NOD2 mutant, the NF-κB activity of R334W and R334Q was further enhanced by addition of MDP (Figure 3B). Thus, the BS-associated R334W and R334Q variants function as hyper-responsive mutations. To determine whether the two BS-causing mutations (R334W and R334Q) and loss-of function mutants (D379A and E778K) could exhibit abnormal interaction with RICK, we coexpressed the NOD2 mutants or V295M (a mutant with wild-type phenotype) and Myc-tagged RICK and immunoprecipitated the cell lysates with anti-Myc antibody. Immunoprecipitation analyses showed that the activity of the mutants cannot be explained by an altered interaction with RICK (Figure 3C). A novel regulatory region of NOD2 Multiple mutations (i.e. frameshift and nonsense mutations) resulted in premature C-terminal truncation of NOD2 (Figure 4). Truncation at the first or second CARD of NOD2 resulted in mutations that were unable to activate NF-κB (Figure 4). This is consistent with the observation that both CARDs of NOD2 are required for association with RICK, an essential downstream factor for NOD2 activity (Ogura et al, 2001b; Kobayashi et al, 2002). Truncation at the most C-terminal LRRs (residues 855-1040) of NOD2 resulted in mutants that were able to activate NF-κB at a level comparable to that of the wild-type protein, but were unresponsive to bacterial components (Figure 4 and Supplementary Table 1). Notably, sequential truncation from residue 664 to 854 resulted in NOD2 mutants with elevated basal NF-κB activity (Figures 4 and 5A and Supplementary Table 1). Additional truncation N-terminal to residue 664 or C-terminal to residue 855 (located in the fifth LRR) resulted in loss of the constitutive ability of NOD2 to activate NF-κB (Figures 4 and 5A). Immunoblotting analysis revealed that the expression levels of the truncated NOD2 mutants could not explain the observed differences in NF-κB activity (Figure 5B). These results indicate that the borders of the regulatory region are located between residues 664 and 854. Furthermore, the region from residue 855 to the C-terminus, which expands from the distal part of the fifth LRR to the 11th LRR, is sufficient to suppress the constitutive activation of NOD2. To test whether the mechanism of activation is conserved between NOD1 and NOD2, we generated a panel of NOD1 mutants and tested their ability to induce NF-κB in the presence or absence of a commercial lipopolysaccharide (LPS) preparation from Escherichia coli O55:B5, with traces of PGN-derived γ-D-glutamyl-meso-diaminopimelic acid (iE-DAP), the moiety recognized by NOD1 (Chamaillard et al, 2003b; Girardin et al, 2003b). These experiments revealed that truncation of NOD1 from residues at positions 648 and 668 yielded mutants with enhanced basal NF-κB activity but unresponsive to the LPS preparation (Figure 5C and Supplementary Table 2). These results indicate that the distal LRRs of both NOD1 and NOD2 are essential for suppression of the constitutive activation of these proteins as well as for recognition of bacterial components (Figure 4 and below). Figure 4.Analysis of truncated NOD2 mutants. The location of CARDs, NOD domain and LRD are shown. The Walker's A and B boxes in the NOD domain are depicted by solid dots. The basal NF-κB activity (BNA) and NF-κB response to bacterial components (BR) are shown. +, response similar to that obtained with the wild-type protein; −, no response above control plasmid; +++, response at least three-fold greater than that obtained with wild-type NOD2. Representative results are shown in Figure 3. Numbers represent the position of amino-acid residues. The names of individual mutations are shown on the left. WT, wild-type clone. Download figure Download PowerPoint Figure 5.Analyses of truncated mutants reveal an inhibitory domain in NOD1 and NOD2. (A) NOD2 activity in the absence (open bars) and presence of LPS preparation (closed bars). A schematic diagram of part of NOD and LRD of NOD2 is shown. Numbers indicate the position (amino-acid residue) of C-terminal truncations. WT, wild-type. E778K represents a control loss-of-function mutant. (−) represents results obtained with control plasmid. (B) Immunoblotting analysis of NOD2 mutants. Analysis was performed with cell extracts from HEK293T cells transfected with indicated mutant or wild-type NOD2 plasmid or control plasmid (−) and immunoblotted with anti-FLAG antibody. (C) NF-κB activity of NOD domain gain-of-function mutants in the presence or absence of MDP. Wild-type (WT) and mock cells (−) are shown as controls. Values represent the mean of normalized data±s.d. of triplicate cultures. (D) NOD1 activity in the absence (open bars) and presence of LPS preparation (closed bars). A schematic diagram of part of NOD and LRD of NOD1 is shown. Numbers indicate the position (amino-acid residue) of C-terminal truncation. WT, wild-type. (E) Immunoblotting analysis of NOD1 proteins. The analysis was performed with cell extracts from HEK293T cells transfected with indicated mutant and wild-type NOD1 plasmids or control plasmid (−) and immunoblotted with anti-NOD1 antibody. Download figure Download PowerPoint The analysis uncovered three loss-of-function mutants within the regulatory region that could be rescued in cis by mutations within the proximal LRRs. For example, G680W was a loss-of function mutant in that it failed to respond to MDP (Figure 3D). Yet, the double G680W/G761S, as the single G761S, was fully competent to be activated by MDP (Figure 3D). Similarly, the point mutant G775D functioned as a loss-of-function mutant, whereas the A725T/A726T and G775D/A725T/A726T mutants responded normally to MDP (Supplementary Table 2). Similar complementation was observed with two additional loss-of-function mutants G680R and C779Y in that the triple G680R/C779Y/N872K exhibited a normal response to MDP (Supplementary Table 1). These results reveal functional interactions between residues located in the C-terminal region of the NOD domain and the proximal LRRs. Missense mutations in the C-terminal region of the NOD domain can exhibit constitutive NF-κB activity We identified several missense mutations within the inhibitory domain described above (P668H, I673F, G680R/C710Y, F719I/K731R and N637I/A725V) that exhibited constitutive NF-κB activity (Figure 5E and Supplementary Table 1). Unlike the BS-associated mutations, the increased basal activity of these mutants was not further enhanced by MDP (Figure 5C). The G680R mutation by itself is a loss-of-function mutation, but the G680R/C710Y mutant clone is a gain-of-function mutant, suggesting intramolecular interactions within the regulatory region (Supplementary Table 1). P668H and I673F represent mutants with single amino-acid substitutions. Significantly, we identified a point mutant, L620Q, in the corresponding region of NOD1 that also exhibited constitutive NF-κB activity (Supplementary Table 2), suggesting a conserved mechanism of NF-κB activation regulation. Amino-acid alignment of NOD2, Cryopyrin and related NOD family members revealed that I673 in NOD2 corresponds to amino-acid residue F573 in Cryopyrin (Supplementary Figure 1). Notably, an F573S mutation in Cryopyrin causes the autoinflammatory disorder CINCA (Hull et al, 2003). Thus, F573S may represent a constitutively active mutation of Cry
0
Citation357
0
Save
0

A novel mechanism of ″metal gel-shift″ by histidine-rich Ni2+-binding Hpn protein from Helicobacter pylori strain SS1

Rahul Shelake et al.Oct 20, 2016
Sodium dodecyl sulphate-polyacrylamide gel electrophoresis (SDS-PAGE) is a universally used method for determining approximate molecular weight (MW) in protein research. Migration of protein that does not correlate with formula MW, termed ″gel shifting″ appears to be common for histidine-rich proteins but not yet studied in detail. We investigated ″gel shifting″ in Ni2+-binding histidine-rich Hpn protein cloned from Helicobacter pylori strain SS1. Our data demonstrate two important factors determining ″gel shifting″ of Hpn, polyacrylamide-gel concentration and metal binding. Higher polyacrylamide-gel concentrations resulted in faster Hpn migration. Irrespective of polyacrylamide-gel concentration, preserved Hpn-Ni2+ complex migrated faster (3-4 kDa) than apo-Hpn, phenomenon termed ″metal-gel shift″ demonstrating an intimate link between Ni2+ binding and ″gel shifting″. To examine this discrepancy, eluted samples from corresponding spots on SDS-gel were analyzed by matrix-assisted laser desorption/ionization-time-of-flight mass spectrometry (MALDI-TOF-MS). The MW of all samples was the same (6945.66±0.34 Da) and identical to formula MW with or without added mass of Ni2+. MALDI-TOF-MS of Ni2+-treated Hpn revealed that monomer bound up to six Ni2+ ions non-cooperatively, and equilibrium between protein-metal species was reliant on Ni2+ availability. This corroborates with gradually increased heterogeneity of apo-Hpn band followed by compact ″metal-gel shift″ band on SDS-PAGE. In view of presented data metal-binding and ″metal-gel shift″ models are discussed.
0

CANE, a Component of the NLRP3 Inflammasome, Promotes Inflammasome Activation

Naoe Kaneko et al.May 24, 2024
Abstract The nucleotide-binding oligomerization domain-like receptor family pyrin domain-containing 3 (NLRP3, also called cryopyrin) inflammasome is an intracellular innate immune complex, which consists of the pattern-recognition receptor NLRP3, the adaptor apoptosis-assciated speck-like protein containing a caspase recruitment domain, and procaspase-1. Aberrant activation of the NLRP3 inflammasome causes an autoinflammatory disease called cryopyrin-associated periodic syndrome (CAPS). CAPS is caused by gain-of-function mutations in the NLRP3-encoding gene CIAS1; however, the mechanism of CAPS pathogenesis has not been fully understood. Thus, unknown regulators of the NLRP3 inflammasome, which are associated with CAPS development, are being investigated. To identify novel components of the NLRP3 inflammasome, we performed a high-throughput screen using a human protein array, with NLRP3 as the bait. We identified a NLRP3-binding protein, which we called the cryopyrin-associated nano enhancer (CANE). We demonstrated that CANE increased IL-1β secretion after NLRP3 inflammasome reconstitution in human embryonic kidney 293T cells and formed a “speck” in the cytosol, a hallmark of NLRP3 inflammasome activity. Reduced expression of endogenous CANE decreased IL-1β secretion upon stimulation with the NLRP3 agonist nigericin. To investigate the role of CANE in vivo, we developed CANE-transgenic mice. The PBMCs and bone marrow–derived macrophages of CANE-transgenic mice exhibited increased IL-1β secretion. Moreover, increased autoinflammatory neutrophil infiltration was observed in the s.c. tissue of CANE-transgenic versus wild-type mice; these phenotypes were consistent with those of CAPS model mice. These findings suggest that CANE, a component of the NLRP3 inflammasome, is a potential modulator of the inflammasome and a contributor to CAPS pathogenesis.