Prostaglandin J 2 (PGJ 2 ) and its metabolites Δ 12 -PGJ 2 and 15-deoxy-Δ 12,14 -PGJ 2 (15d-PGJ 2 ) are naturally occurring derivatives of prostaglandin D 2 that have been suggested to exert antiinflammatory effects in vivo . 15d-PGJ 2 is a high-affinity ligand for the peroxisome proliferator-activated receptor γ (PPARγ) and has been demonstrated to inhibit the induction of inflammatory response genes, including inducible NO synthase and tumor necrosis factor α, in a PPARγ-dependent manner. We report here that 15d-PGJ 2 potently inhibits NF-κB-dependent transcription by two additional PPARγ-independent mechanisms. Several lines of evidence suggest that 15d-PGJ 2 directly inhibits NF-κB-dependent gene expression through covalent modifications of critical cysteine residues in IκB kinase and the DNA-binding domains of NF-κB subunits. These mechanisms act in combination to inhibit transactivation of the NF-κB target gene cyclooxygenase 2. Direct inhibition of NF-κB signaling by 15d-PGJ 2 may contribute to negative regulation of prostaglandin biosynthesis and inflammation, suggesting additional approaches to the development of antiinflammatory drugs.

IκBα regulates the transcription factor NF-κB through the formation of stable IκBα/NF-κB complexes. Prior to induction, IκBα retains NF-κB in the cytoplasm until the NF-κB activation signal is received. After activation, NF-κB is removed from gene promoters through association with nuclear IκBα, restoring the preinduction state. The 2.3 Å crystal structure of IκBα in complex with the NF-κB p50/p65 heterodimer reveals mechanisms of these inhibitory activities. The presence of IκBα allows large en bloc movement of the NF-κB p65 subunit amino-terminal domain. This conformational change induces allosteric inhibition of NF-κB DNA binding. Amino acid residues immediately preceding the nuclear localization signals of both NF-κB p50 and p65 subunits are tethered to the IκBα amino-terminal ankyrin repeats, impeding NF-κB from nuclear import machinery recognition.

Inflammatory NF-kappaB/RelA activation is mediated by the three canonical inhibitors, IkappaBalpha, -beta, and -epsilon. We report here the characterization of a fourth inhibitor, nfkappab2/p100, that forms two distinct inhibitory complexes with RelA, one of which mediates developmental NF-kappaB activation. Our genetic evidence confirms that p100 is required and sufficient as a fourth IkappaB protein for noncanonical NF-kappaB signaling downstream of NIK and IKK1. We develop a mathematical model of the four-IkappaB-containing NF-kappaB signaling module to account for NF-kappaB/RelA:p50 activation in response to inflammatory and developmental stimuli and find signaling crosstalk between them that determines gene-expression programs. Further combined computational and experimental studies reveal that mutant cells with altered balances between canonical and noncanonical IkappaB proteins may exhibit inappropriate inflammatory gene expression in response to developmental signals. Our results have important implications for physiological and pathological scenarios in which inflammatory and developmental signals converge.

ABSTRACT Hypertension (HTN) is associated with inflammation and excessive production of catecholamines. Hypertensive patients have reduced plasma levels of Catestatin (CST), a bioactive cleavage product of the prohormone Chromogranin A (CgA). In mouse models, HTN symptoms can be reduced by administration of CST, but the role of CST in the regulation of cardiovascular function is unknown. In this study, we generated mice with knockout (KO) of the region of the CgA gene coding for CST (CST-KO) and found that CST-KO mice are not only hypertensive as predicted, but also display left ventricular hypertrophy, have marked macrophage infiltration of the heart and adrenal gland, and have elevated levels of pro-inflammatory cytokines and catecholamines. Intraperitoneal injection with CST reversed these phenotypes, and ischemic pre-conditioning-induced cardioprotection was also abolished in CST-KO mice. Experiments with chlodronate depletion of macrophages and bone-marrow transfer showed that macrophages produce CST and that the anti-hypertensive effects of CST are mediated in part via CST’s immunosuppression of macrophages as a form of feedback inhibition. The data thus implicate CST as a key autocrine attenuator of the cardiac inflammation in HTN by reducing macrophage inflammation.

ABSTRACT IκB kinase 2/β (IKK2) is a critical regulator of inflammation which is inducibly activated by a host of stimuli. Aberrant activation of IKK2 is the leading cause of most inflammatory diseases and many associated cancers. Efforts to prevent these diseases by small-molecule inhibitors of IKK2 activity have not been successful. Most inhibitors developed for IKK2 are ATP-competitive, and they are toxic in vivo due to their off-target effects. Here we focused on identifying inhibitors to block IKK2 activity from an allosteric site, not the ATP-binding pocket. Using virtual screening, we first identified several candidate allosteric sites and screened for potential small-molecule binders, and then selected candidates inhibitory to IKK2 activity using cell-based functional assays. Hydrogen deuterium exchange coupled to mass-spectrometry (HDX-MS) and MS-MS assays revealed that a class of benzoyl conjugates of pyrrolidinedione covalently bound to a site located at the interface of the kinase domain (KD) and the helical domain (SDD), and inhibited IKK2 activation allosterically by preventing phosphorylation of its activation loop serines. Additionally, this class of inhibitor partially blocks IKK2’s catalytic activity by enhancing dynamics within the ATP binding pocket and likely the general active site. Hydrogen deuterium exchange (HDX) experiments further revealed that while binding of substrate ATP perturbs only the local structure surrounding its binding site, binding to ATP-competitive or allosteric inhibitors induces structural perturbations in an expansive area including the helical domain. We propose that these allosteric sites can act as specific targets for the development of novel potent IKK inhibitors. SIGNIFICANCE Aberrant activation of IKK2 is the leading cause of most inflammatory diseases and many associated cancers. Most inhibitors developed for IKK2 are ATP-competitive, and they are toxic in vivo due to their off-target effects. By combination of virtual screening and cell-based functional assays, we identified small-molecule binders of the class of benzoyl conjugates of pyrrolidinedione that block IKK2 activity from an allosteric site through covalent attachment and could be specific only for IKK2. HDX-MS and MS-MS assays identified a binding pocket with a ‘Cys-Cys motif’ for these inhibitors, and revealed specific differences in IKK2 dynamics upon binding to substrate ATP vs ATP-competitive and allosteric inhibitors. Present work provides a framework for the development of allosteric inhibitors to combat IKK2-induced diseases inhibitors.

ABSTRACT IκBs exert a principal function as cytoplasmic inhibitors of the NF-kB transcription factors. Additional functions for IκB homologues have been described including association to chromatin and transcriptional regulatioin. Phosphorylated and SUMOylated IκBα (pS-IκBα) binds histones H2A and H4 in the stem and progenitor compartment of skin and intestine, but the mechanisms controlling its recruitment to chromatin are largely unstudied. We here show that serine 32-36 phosphorylation of IκBα favors its binding with nucleosomes and demonstrated that p-IκBα association to H4 is favored by acetylation at specific H4 lysine residues. N-terminal tail of H4 is lost during intestinal cell differentiation by proteolytic cleavage at residues 17-19 imposed ny trypsin or chymotrypsin, which interferes p-IκBα binding. Paradoxically, inhibition of trypsin and chymotrypsin activity in HT29 cells increased p-IκBα chromatin binding and impaired goblet cell differentiation, comparable to IκBα deletion. Together our results indicate that dynamic binding of IκBα to chromatin is a requirement for intestinal cell differentiation and provide a molecular base for the restricted nuclear distribution of p-IκBα at specific stem cell compartments.

ABSTRACT We recently reported that serine-arginine-rich (SR) protein-mediated pre-mRNA structural remodeling generates a pre-mRNA 3D structural scaffold that is stably recognized by the early spliceosomal components. However, the intermediate steps between the free pre-mRNA and the assembled early spliceosome are not yet characterized. By probing the early spliceosomal complexes in vitro and RNA-protein interactions in vivo , we show that the SR proteins bind the pre-mRNAs cooperatively generating a substrate that recruits U1 snRNP and U2AF65 in a splice signal-independent manner. Excess U1 snRNP selectively displaces some of the SR protein molecules from the pre-mRNA generating the substrate for splice signal-specific, sequential recognition by U1 snRNP, U2AF65, and U2AF35. Our work thus identifies a novel function of U1 snRNP in mammalian splicing substrate definition, explains the need for excess U1 snRNP compared to other U snRNPs in vivo , demonstrates how excess SR proteins could inhibit splicing, and provides a conceptual basis to examine if this mechanism of splicing substrate definition is employed by other splicing regulatory proteins.

The dimeric nuclear factor kappa B (NF-κB) transcription factors (TFs) regulate gene expression by binding to a variety of κB DNA elements with conserved G:C-rich flanking sequences enclosing a degenerate central region. Toward defining mechanistic principles of affinity regulated by degeneracy, we observed an unusual dependence of the affinity of RelA on the identity of the central base pair, which appears to be noncontacted in the complex crystal structures. The affinity of κB sites with A or T at the central position is ~10-fold higher than with G or C. The crystal structures of neither the complexes nor the free κB DNAs could explain the differences in affinity. Interestingly, differential dynamics of several residues were revealed in molecular dynamics simulation studies, where simulation replicates totaling 148 μs were performed on NF-κB:DNA complexes and free κB DNAs. Notably, Arg187 and Arg124 exhibited selectivity in transient interactions that orchestrated a complex interplay among several DNA-interacting residues in the central region. Binding and simulation studies with mutants supported these observations of transient interactions dictating specificity. In combination with published reports, this work provides insights into the nuanced mechanisms governing the discriminatory binding of NF-κB family TFs to κB DNA elements and sheds light on cancer pathogenesis of cRel, a close homolog of RelA.