Survival factors can suppress apoptosis in a transcription-independent manner by activating the serine/threonine kinase Akt, which then phosphorylates and inactivates components of the apoptotic machinery, including BAD and Caspase 9. In this study, we demonstrate that Akt also regulates the activity of FKHRL1, a member of the Forkhead family of transcription factors. In the presence of survival factors, Akt phosphorylates FKHRL1, leading to FKHRL1’s association with 14-3-3 proteins and FKHRL1’s retention in the cytoplasm. Survival factor withdrawal leads to FKHRL1 dephosphorylation, nuclear translocation, and target gene activation. Within the nucleus, FKHRL1 triggers apoptosis most likely by inducing the expression of genes that are critical for cell death, such as the Fas ligand gene.

A mechanism by which the Ras–mitogen-activated protein kinase (MAPK) signaling pathway mediates growth factor–dependent cell survival was characterized. The MAPK-activated kinases, the Rsks, catalyzed the phosphorylation of the pro-apoptotic protein BAD at serine 112 both in vitro and in vivo. The Rsk-induced phosphorylation of BAD at serine 112 suppressed BAD-mediated apoptosis in neurons. Rsks also are known to phosphorylate the transcription factor CREB (cAMP response element–binding protein) at serine 133. Activated CREB promoted cell survival, and inhibition of CREB phosphorylation at serine 133 triggered apoptosis. These findings suggest that the MAPK signaling pathway promotes cell survival by a dual mechanism comprising the posttranslational modification and inactivation of a component of the cell death machinery and the increased transcription of pro-survival genes.

A mechanism by which members of the ciliary neurotrophic factor (CNTF)–leukemia inhibitory factor cytokine family regulate gliogenesis in the developing mammalian central nervous system was characterized. Activation of the CNTF receptor promoted differentiation of cerebral cortical precursor cells into astrocytes and inhibited differentiation of cortical precursors along a neuronal lineage. Although CNTF stimulated both the Janus kinase–signal transducer and activator of transcription (JAK-STAT) and Ras–mitogen-activated protein kinase signaling pathways in cortical precursor cells, the JAK-STAT signaling pathway selectively enhanced differentiation of these precursors along a glial lineage. These findings suggest that cytokine activation of the JAK-STAT signaling pathway may be a mechanism by which cell fate is controlled during mammalian development.

Summary

 Oxidative stress influences cell survival and homeostasis, but the mechanisms underlying the biological effects of oxidative stress remain to be elucidated. Here, we demonstrate that the protein kinase MST1 mediates oxidative-stress-induced cell death in primary mammalian neurons by directly activating the FOXO transcription factors. MST1 phosphorylates FOXO proteins at a conserved site within the forkhead domain that disrupts their interaction with 14-3-3 proteins, promotes FOXO nuclear translocation, and thereby induces cell death in neurons. We also extend the MST-FOXO signaling link to nematodes. Knockdown of the C. elegans MST1 ortholog CST-1 shortens life span and accelerates tissue aging, while overexpression of cst-1 promotes life span and delays aging. The cst-1-induced life-span extension occurs in a daf-16-dependent manner. The identification of the FOXO transcription factors as major and evolutionarily conserved targets of MST1 suggests that MST kinases play important roles in diverse biological processes including cellular responses to oxidative stress and longevity.

Summary

 Genomic instability and alterations in gene expression are hallmarks of eukaryotic aging. The yeast histone deacetylase Sir2 silences transcription and stabilizes repetitive DNA, but during aging or in response to a DNA break, the Sir complex relocalizes to sites of genomic instability, resulting in the desilencing of genes that cause sterility, a characteristic of yeast aging. Using embryonic stem cells, we show that mammalian Sir2, SIRT1, represses repetitive DNA and a functionally diverse set of genes across the mouse genome. In response to DNA damage, SIRT1 dissociates from these loci and relocalizes to DNA breaks to promote repair, resulting in transcriptional changes that parallel those in the aging mouse brain. Increased SIRT1 expression promotes survival in a mouse model of genomic instability and suppresses age-dependent transcriptional changes. Thus, DNA damage-induced redistribution of SIRT1 and other chromatin-modifying proteins may be a conserved mechanism of aging in eukaryotes.

A mechanism by which the nerve growth factor (NGF) signal is transduced to the nucleus to induce gene expression has been characterized. An NGF-inducible, Ras-dependent protein kinase has been identified that catalyzes the phosphorylation of the cyclic AMP response element-binding protein (CREB) at Ser-133. Phosphorylation of Ser-133 stimulates the ability of CREB to activate transcription in NGF-treated cells. These findings suggest that CREB has a more widespread function than previously believed and functions in the nucleus as a general mediator of growth factor responses.

Histone methylation regulates chromatin structure and transcription. The recently identified histone demethylase lysine-specific demethylase 1 (LSD1) is chemically restricted to demethylation of only mono- and di- but not trimethylated histone H3 lysine 4 (H3K4me3). We show that the X-linked mental retardation (XLMR) gene SMCX (JARID1C), which encodes a JmjC-domain protein, reversed H3K4me3 to di- and mono- but not unmethylated products. Other SMCX family members, including SMCY, RBP2, and PLU-1, also demethylated H3K4me3. SMCX bound H3K9me3 via its N-terminal PHD (plant homeodomain) finger, which may help coordinate H3K4 demethylation and H3K9 methylation in transcriptional repression. Significantly, several XLMR-patient point mutations reduced SMCX demethylase activity and binding to H3K9me3 peptides, respectively. Importantly, studies in zebrafish and primary mammalian neurons demonstrated a role for SMCX in neuronal survival and dendritic development and a link to the demethylase activity. Our findings thus identify a family of H3K4me3 demethylases and uncover a critical link between histone modifications and XLMR.

During mammalian development, electrical activity promotes the calcium-dependent survival of neurons that have made appropriate synaptic connections. However, the mechanisms by which calcium mediates neuronal survival during development are not well characterized. A transcription-dependent mechanism was identified by which calcium influx into neurons promoted cell survival. The transcription factor MEF2 was selectively expressed in newly generated postmitotic neurons and was required for the survival of these neurons. Calcium influx into cerebellar granule neurons led to activation of p38 mitogen-activated protein kinase-dependent phosphorylation and activation of MEF2. Once activated, MEF2 regulated neuronal survival by stimulating MEF2-dependent gene transcription. These findings demonstrate that MEF2 is a calcium-regulated transcription factor and define a function for MEF2 during nervous system development that is distinct from previously well-characterized functions of MEF2 during muscle differentiation.

Postsynaptic differentiation of dendrites is an essential step in synapse formation. We report here a requirement for the transcription factor myocyte enhancer factor 2A (MEF2A) in the morphogenesis of postsynaptic granule neuron dendritic claws in the cerebellar cortex. A transcriptional repressor form of MEF2A that is sumoylated at lysine-403 promoted dendritic claw differentiation. Activity-dependent calcium signaling induced a calcineurin-mediated dephosphorylation of MEF2A at serine-408 and, thereby, promoted a switch from sumoylation to acetylation at lysine-403, which led to inhibition of dendritic claw differentiation. Our findings define a mechanism underlying postsynaptic differentiation that may modulate activity-dependent synapse development and plasticity in the brain.

The anaphase-promoting complex (APC) is highly expressed in postmitotic neurons, but its function in the nervous system was previously unknown. We report that the inhibition of Cdh1-APC in primary neurons specifically enhanced axonal growth. Cdh1 knockdown in cerebellar slice overlay assays and in the developing rat cerebellum in vivo revealed cell-autonomous abnormalities in layer-specific growth of granule neuron axons and parallel fiber patterning. Cdh1 RNA interference in neurons was also found to override the inhibitory influence of myelin on axonal growth. Thus, Cdh1-APC appears to play a role in regulating axonal growth and patterning in the developing brain that may also limit the growth of injured axons in the adult brain.