Nitric oxide (NO) is a ubiquitous intercellular messenger molecule synthesized from the amino acid L-arginine by NO synthases in diverse cells and tissues. NO is synthesized in vascular endothelial cells and appears to play an important role in the control of blood pressure and platelet aggregation. A detailed understanding of the regulation of NO synthesis by endothelial cells has been hampered by the lack of molecular clones for endothelial NO synthase; the isolation and characterization of such clones is reported herein. The constitutive NO synthases present in endothelial cells and in brain share common biochemical and pharmacologic features. We purified NO synthase from bovine brain and determined the amino acid sequence of several tryptic peptides. The sequence of the bovine brain peptides is nearly identical to the deduced amino acid sequence previously determined for the rat brain NO synthase. These sequence data were utilized to design PCR-generated NO synthase cDNA probes, which were used to isolate clones encoding NO synthase from a bovine aortic endothelial cell (BAEC) cDNA library. A full-length NO synthase cDNA clone was isolated, representing a protein of 1205 amino acids with a molecular mass of 133 kDa; transfection of this clone in a heterologous expression system demonstrated the expected enzymatic activity. The deduced amino acid sequence of the BAEC NO synthase cDNA differs at numerous residues from the sequence determined for the purified bovine brain protein and shows 50-60% sequence identity with recently isolated molecular clones for murine macrophage and rat brain NO synthase isoforms. Bovine genomic Southern blots probed with bovine brain and BAEC NO synthase cDNA probes identify distinct bands, indicating that these cDNAs are the products of different genes. Prolonged treatment of BAECs with the cytokine tumor necrosis factor alpha, which we have previously shown to result in a marked increase in NO synthase activity, is associated with a decrease in the abundance of the 4.8-kilobase BAEC NO synthase transcript. The increase in BAEC NO synthase activity induced by tumor necrosis factor alpha is thus likely to involve posttranscriptional mechanisms or the induction of a distinct endothelial NO synthase isoform.

Endothelial dysfunction associated with atherosclerosis has been attributed to alterations in the L-arginine-nitric oxide (NO)-cGMP pathway or to an excess of endothelin-1 (ET-1). The 3-hydroxy-3-methylglutaryl coenzyme A reductase inhibitors (statins) have been shown to ameliorate endothelial function. However, the physiological basis of this observation is largely unknown. We investigated the effects of Atorvastatin and Simvastatin on the pre-proET-1 mRNA expression and ET-1 synthesis and on the endothelial NO synthase (eNOS) transcript and protein levels in bovine aortic endothelial cells. These agents inhibited pre-proET-1 mRNA expression in a concentration- and time-dependent fashion (60-70% maximum inhibition) and reduced immunoreactive ET-1 levels (25-50%). This inhibitory effect was maintained in the presence of oxidized LDL (1-50 microg/ml). No significant modification of pre-proET-1 mRNA half-life was observed. In addition, mevalonate, but not cholesterol, reversed the statin-mediated decrease of pre-proET-1 mRNA levels. eNOS mRNA expression was reduced by oxidized LDL in a dose-dependent fashion (up to 57% inhibition), whereas native LDL had no effect. Statins were able to prevent the inhibitory action exerted by oxidized LDL on eNOS mRNA and protein levels. Hence, these drugs might influence vascular tone by modulating the expression of endothelial vasoactive factors.

Mitochondrial production of oxidants contributes to a variety of pathological conditions including the vascular complications of diabetes, neurodegenerative diseases, and cellular senescence. We postulated that a transcriptional coactivator, peroxisome proliferator activated receptor-gamma coactivator 1alpha (PGC-1alpha), a major regulator of oxidative metabolism and mitochondrial biogenesis, could be involved in the transcriptional regulation of the mitochondrial antioxidant defense system in vascular endothelial cells.We show that PGC-1alpha is present in human, bovine, and mouse endothelial cells and positively modulates the expression of the mitochondrial detoxification system. Endothelial cells that overexpress PGC-1alpha show reduced accumulation of reactive oxygen species (ROS), increased mitochondrial membrane potential, and reduced apoptotic cell death both in basal and oxidative stress conditions. Downregulation of PGC-1alpha levels by siRNA reduces the expression of mitochondrial detoxification proteins.These results unveil a novel regulatory pathway that links mitochondrial activity and mitochondrial oxidative stress protective systems. In addition, they suggest that PGC-1alpha could play a crucial protective role in vascular complications of diabetes, where the mitochondrial metabolism of glucose has been shown to result in oxidative stress and vascular endothelial cell dysfunction.

Oxidative cell damage can be monitored by detection of ( a ) photoemission of singlet molecular oxygen formed from radical interactions (so-called low-chemical chemiluminescence), ( b ) end products of lipid peroxidation, such as ethane, and ( c ) glutathione disulphide release. These methods, preferably used in a complementary fashion, provide insight into the pro-oxidant-antioxidant balance in the intact cell or organ. Recent work from this laboratory on the metabolism of hydroperoxides and aldehydes as well as on redox cycling of the quinone menadione is presented. The comparison of GSSG transport systems in liver and heart reveals a limitation of capacity in the latter, thus making GSSG export potentially critical in the heart. As part of an inter-organ feedback system between extrahepatic tissues and liver, the newly described hormone stimulation of GSH release from liver is also presented.

The constitutive calcium/calmodulin-dependent nitric oxide (NO) synthase expressed in vascular endothelium shares common biochemical and pharmacologic properties with neuronal NO synthase. However, recent cloning and molecular characterization of NO synthase from bovine endothelial cells indicated the existence of a family of constitutive NO synthases. Accordingly, we undertook molecular cloning and sequence analysis of human endothelial NO synthase. Complementary DNA clones predict a protein of 1,203 amino acids sharing 94% identity with the bovine endothelial protein, but only 60% identity with the rat brain NO synthase isoform. Northern blot analysis with an endothelial-derived cDNA identified a 4.6-4.8 kb mRNA transcript in HUVEC and in situ hybridization localized transcripts to vascular endothelium but not neuronal tissue.

The cellular redox status can modify the function of NF-κB, whose DNA-binding activity can be inhibited by oxidative, nitrosative, and nonphysiological agents such as diamide, iodoacetamide, or N-ethylmaleimide. This inhibitory effect has been proposed to be mediated by the oxidation of a conserved cysteine in its DNA-binding domain (Cys62) through unknown biochemical mechanisms. The aim of this work was to identify new oxidative modifications in Cys62 involved in the redox regulation of the NF-κB subunit p50. To address this problem, we exposed p50, both the native form (p50WT) and its corresponding mutant in Cys62 (C62S), to changes in the redox pair glutathione/glutathione disulfide (GSH/GSSG) ratio ranging from 100 to 0.1, which may correspond to intracellular (patho)physiological states. A ratio between 1 and 0.1 resulted in a 40−70% inhibition of the DNA binding of p50WT, having no effect on the C62S mutant. Mass spectrometry studies, molecular modeling, and incorporation of 3H-glutathione assays were consistent with an S-glutathionylation of p50WT in Cys62. Maximal incorporation of 3H-glutathione to the p50WT and C62S was of 0.4 and 0.1 mol of 3H-GSH/mol of protein, respectively. Because this covalent glutathione incorporation did not show a perfect correlation with the observed inhibition in the DNA-binding activity of p50WT, we searched for other modifications contributing to the maximal inhibition. MALDI-TOF and nanospray-QIT studies revealed the formation of sulfenic acid as an alternative or concomitant oxidative modification of p50. In summary, these data are consistent with new oxidative modifications in p50 that could be involved in redox regulatory mechanisms for NF-κB. These postranslational modifications could represent a molecular basis for the coupling of pro-oxidative stimuli to gene expression.

SirT1 is a class III histone deacetylase that has been implicated in metabolic and reactive oxygen species control. In the vasculature it has been shown to decrease endothelial superoxide production, prevent endothelial dysfunction and atherosclerosis. However, the mechanisms that mediate SirT1 antioxidant functions remain to be characterized. The transcription factor FoxO3a and the transcriptional coactivator peroxisome proliferator activated receptor γ-coactivator 1α (PGC-1α) have been shown to induce the expression of antioxidant genes and to be deacetylated by SirT1.Here we investigated SirT1 regulation of antioxidant genes and the roles played by FoxO3a and PGC-1α in this regulation.We found that SirT1 regulates the expression of several antioxidant genes in bovine aortic endothelial cells, including Mn superoxide dismutase (MnSOD), catalase, peroxiredoxins 3 and 5 (Prx3, Prx5), thioredoxin 2 (Trx2), thioredoxin reductase 2 (TR2), and uncoupling protein 2 (UCP-2) and can be localized in the regulatory regions of these genes. We also found that knockdown of either FoxO3a or PGC-1α prevented the induction of antioxidant genes by SirT1 over-expression. Furthermore, SirT1 increased the formation of a FoxO3a/PGC-1α complex as determined by co-immunoprecipitation (IP) assays, concomitantly reducing H2O2-dependent FoxO3a and PGC-1α acetylation. Data showing that FoxO3a knockdown increases PGC-1α acetylation levels and vice versa, suggest that SirT1 activity on FoxO3a and PGC-1α may be dependent of the formation of a FoxO3a/PGC-1α complex.A unifying mechanism for SirT1 activities is suggested.We show that SirT1 regulation of antioxidant genes in vascular endothelial cells depends on the formation of a FoxO3a/PGC-1α complex.

Chronic kidney disease (CKD) remains a major epidemiological, clinical, and biomedical challenge. During CKD, renal tubular epithelial cells (TECs) present a persistent inflammatory and profibrotic response. Fatty acid oxidation (FAO), the main source of energy for TECs, is reduced in kidney fibrosis and contributes to its pathogenesis. To determine whether gain of function in FAO (FAO-GOF) could protect from fibrosis, we generated a conditional transgenic mouse model with overexpression of the fatty acid shuttling enzyme carnitine palmitoyl-transferase 1A (CPT1A) in TECs. Cpt1a-knockin (CPT1A-KI) mice subjected to 3 models of renal fibrosis (unilateral ureteral obstruction, folic acid nephropathy [FAN], and adenine-induced nephrotoxicity) exhibited decreased expression of fibrotic markers, a blunted proinflammatory response, and reduced epithelial cell damage and macrophage influx. Protection from fibrosis was also observed when Cpt1a overexpression was induced after FAN. FAO-GOF restored oxidative metabolism and mitochondrial number and enhanced bioenergetics, increasing palmitate oxidation and ATP levels, changes that were also recapitulated in TECs exposed to profibrotic stimuli. Studies in patients showed decreased CPT1 levels and increased accumulation of short- and middle-chain acylcarnitines, reflecting impaired FAO in human CKD. We propose that strategies based on FAO-GOF may constitute powerful alternatives to combat fibrosis inherent to CKD.

Abstract Chronic kidney disease (CKD) remains a major epidemiological, clinical and biomedical challenge. During CKD, renal tubular epithelial cells (TECs) suffer a persistent inflammatory and profibrotic response. Fatty acid oxidation (FAO), the main source of energy for TECs, is reduced in kidney fibrosis and contributes to its pathogenesis. To determine if FAO gain-of-function (FAO-GOF) could protect from fibrosis, we generated a conditional transgenic mouse model with overexpression of the fatty acid shuttling enzyme carnitine palmitoyl-transferase 1 A (CPT1A) in TECs. Cpt1a knock-in (CPT1A KI) mice subjected to three different models of renal fibrosis (unilateral ureteral obstruction, folic acid nephropathy-FAN and adenine induced nephrotoxicity) exhibited decreased expression of fibrotic markers, a blunted pro-inflammatory response and reduced epithelial cell damage and macrophage influx. Protection from fibrosis was also observed when Cpt1a overexpression was induced after FAN. FAO-GOF restituted oxidative metabolism and mitochondrial number and enhanced bioenergetics increasing palmitate oxidation and ATP levels, changes also recapitulated in TECs exposed to profibrotic stimuli. Studies in patients evidenced decreased CPT1 levels and increased accumulation of short and middle chain acyl-carnitines, reflecting impaired FAO in human CKD. We propose that strategies based on FAO-GOF may constitute powerful alternatives to combat fibrosis inherent to CKD. Graphical abstract Overexpression of CPT1A impedes tubular epithelial renal cell dedifferentiation and a pro-fibrotic phenotype by restoring mitochondrial metabolic bioenergetics.

Chronic kidney disease is a highly prevalent condition that remains a major clinical and biomedical challenge. Tubulo-interstitial fibrosis is the common pathological substrate for many causes that lead to chronic kidney disease. It is characterized by profound derangements in metabolic and inflammatory responses, whereby functional tissue is replaced with extracellular matrix, leading to the suppression of renal function. Perturbations in the circadian rhythm have been associated with many human pathologies, including renal disease. However, the role of the molecular clock in the instauration of fibrosis remains incompletely understood. We investigated the relationship between the molecular clock and renal damage in experimental models of injury and fibrosis (UUO, FAN and adenine toxicity), employing genetically-modified mice with selective deficiencies of the clock components Bmal1, Clock and Cry. We found that UUO induced a marked increase in the expression of Bmal1. In human tubular epithelial cells, the pro-fibrotic mediator, TGF-beta, significantly altered the expression of core clock components. We further observed that the absence of Cry drastically aggravated kidney fibrosis, while both Cry and Clock played a role in the neutrophil and macrophage mediated inflammatory response, respectively. Suppression of Cry1/2 was associated with a major shift in the expression of metabolism-related genes, underscoring the importance of metabolic dysfunction in fibrosis. These results support a reciprocal interaction between the circadian clock and the response to kidney injury.