To investigate the role of an activated K-Ras gene in the initiation and maintenance of lung adenocarcinomas, we developed transgenic mice that express murine K-Ras4b G12D under the control of doxycycline in type II pneumocytes. Focal proliferative lesions of alveolar type II pneumocytes were observed as early as seven days after induction with doxycycline; after two months of induction, the lungs contained adenomas and adenocarcinomas, with focal invasion of the pleura at later stages. Removal of doxycycline caused a rapid fall in levels of mutant K-Ras RNA and concomitant apoptotic regression of both the early proliferative lesions and the tumors. Tumor burden was dramatically decreased by three days after withdrawal, and tumors were undetectable after one month. When similar experiments were performed with animals deficient in either the p53 gene or the Ink4A/Arf locus, tumors arose more quickly (within one month of exposure to doxycycline) and displayed more obvious histological features of malignancy; nevertheless, these tumors also regressed rapidly when the inducer was removed, implying that continued production of mutant K-Ras is necessary to maintain the viability of tumor cells in the absence as well as the presence of tumor suppressor genes. We also show that the appearance and regression of these pulmonary tumors can be readily monitored in anesthetized transgenic animals by magnetic resonance imaging.

Arginine-specific mono-ADP-ribosylation is a reversible post-translational modification; arginine-specific, cholera toxin-like mono-ADP-ribosyltransferases (ARTCs) transfer ADP-ribose from NAD + to arginine, followed by cleavage of ADP-ribose-(arginine)protein bond by ADP-ribosylarginine hydrolase 1 (ARH1), generating unmodified (arginine)protein. ARTC1 has been shown to enhance tumorigenicity as does Arh1 deficiency. In this study, Artc1 -KO and Artc1/Arh1 -double-KO mice showed decreased spontaneous tumorigenesis and increased age-dependent, multi-organ inflammation with upregulation of pro-inflammatory cytokine TNF- α . In a xenograft model using tumorigenic Arh1 -KO mouse embryonic fibroblasts (MEFs), tumorigenicity was decreased in Artc1 -KO and heterozygous recipient mice, with tumor infiltration by CD8 + T cells and macrophages, leading to necroptosis, suggesting that ARTC1 promotes the tumor microenvironment. Furthermore, Artc1/Arh1 -double-KO MEFs showed decreased tumorigenesis in nude mice, showing that tumor cells as well as tumor microenvironment require ARTC1. By echocardiography and MRI, Artc1 -KO and heterozygous mice showed male-specific, reduced myocardial contractility. Furthermore, Artc1 -KO male hearts exhibited enhanced susceptibility to myocardial ischemia-reperfusion-induced injury with increased receptor-interacting protein kinase 3 (RIP3) protein levels compared to WT mice, suggesting that ARTC1 suppresses necroptosis. Overall survival rate of Artc1 -KO was less than their Artc1 -WT counterparts, primarily due to enhanced immune response and inflammation. Thus, anti-ARTC1 agents may reduce tumorigenesis but may increase multi-organ inflammation and decrease cardiac contractility.

ADP-ribosylation is a reversible reaction with ADP-ribosyltransferases catalyzing the forward reaction and ADP-ribose-acceptor hydrolases (ARHs) hydrolyzing the ADP-ribose acceptor bond. ARH2 is a member of the 39-kDa ARH family (ARH1-3), which is expressed in heart and skeletal muscle. ARH2 failed to exhibit any in vitro enzymatic activity. To determine its possible in vivo activities, Arh2 -knockout (KO) and - heterozygous (Het) mice were generated using CRISPR-Cas9. Arh2 -KO mice exhibited decreased cardiac contractility by MRI, echocardiography and dobutamine stress with cardiomegaly and abnormal motor function. Arh2 -Het mice showed results similar to those seen in Arh2 -KO mice except for cardiomegaly. Arh2 -KO and -Het mice and mouse embryonic fibroblasts (MEFs) developed spontaneous tumors and subcutaneous tumors in nude mice. We identified 13 mutations in Arh2 -Het MEFs and heterozygous tumors, corresponding to human ARH2 mutations in cancers obtained from COSMIC. Of interest, the L116R mutation in Arh2 gene plays a critical role in aggressive tumorigenesis in nude mice, corresponding to human ARH2 mutations in stomach adenocarcinoma. Both genders of Arh2 -KO and -Het mice showed increased unexpectedly deaths and decreased survival rate during a 24-month observation, caused by tumor, inflammation, non-inflammation (e.g., cardiomegaly, dental dysplasia), and congenital diseases. Thus, Arh2 plays a pivotal role in cardiac function, tumorigenesis, inflammation, and overall survival.

Patients with ADP-ribose-acceptor hydrolase 3 ( ARH3 ) deficiency exhibit stress-induced childhood-onset neurodegeneration with ataxia and seizures (CONDSIAS). ARH3 degrades protein-linked poly(ADP- ribose) (PAR) synthesized by poly(ADP-ribose)polymerase (PARP)-1 during oxidative stress, leading to cleavage of the ADP-ribose linked to protein. ARH3 deficiency leads to excess accumulation of PAR, resulting in PAR-dependent cell death or parthanatos. Approximately one-third of patients with homozygous mutant ARH3 die from cardiac arrest, which has been described as neurogenic, suggesting that ARH3 may play an important role in maintaining myocardial function. To address this question, cardiac function was monitored in Arh3 -knockout (KO) and - heterozygous (HT) mice.Arh3 -KO male mice displayed cardiac hypertrophy by histopathology and decreased cardiac contractility assessed by MRI. In addition, both genders of Arh3 -KO and -HT mice showed decreased cardiac contractility by dobutamine stress test assessed by echocardiography. A direct role of ARH3 on myocardial function was seen with a Langendorff-perfused isolated heart model . Arh3 -KO male mouse hearts showed decreased post-ischemic rate pressure products, increased size of ischemia-reperfusion (IR) infarcts, and elevated PAR levels. Consistently, in vivo IR injury showed enhanced infarct size in Arh3 -KO mice in both genders. In addition, Arh3 -HT male mice showed increased size of in vivo IR infarcts. Treatment with an FDA-approved PARP inhibitor, rucaparib, improved cardiac contractility during dobutamine-induced stress and exhibited reduced size of in vivo IR infarcts. To understand better the role of ARH3, CRISPR-Cas9 was used to generate different Arh3 genotypes of myoblasts and myotubes. Incubation with H2O2 decreased viability of Arh3 -KO and -HT myoblasts and myotubes, resulting in PAR-dependent cell death that was reduced by PARP inhibitors or by transfection with the Arh3 gene.ARH3 regulates PAR homeostasis in myocardium to preserve function and protect against oxidative stress; PARP inhibitors reduce the myocardial dysfunction seen with Arh3 mutations.