Physiological levels of shear stress alter the genetic program of cultured endothelial cells and are associated with reduced cellular turnover rates and formation of atherosclerotic lesions in vivo. To test the hypothesis that shear stress (15 dynes/cm2) interferes with programmed cell death, apoptosis was induced in human umbilical venous cells (HUVEC) by tumor necrosis factor-alpha (TNF-alpha). Apoptosis was quantified by ELISA specific for histone-associated DNA-fragments and confirmed by demonstrating the specific pattern of internucleosomal DNA-fragmentation. TNF-alpha (300 U/ml) mediated increase of DNA-fragmentation was completely abrogated by shear stress (446 +/- 121% versus 57 +/- 11%, P <0.05). This anti-apoptotic activity of shear stress decreased after pharmacological inhibition of endogenous nitric oxide (NO)-synthase by NG-monomethyl-L-arginine and was completely reproduced by exogenous NO-donors. The activation of interleukin-1beta-converting enzyme (ICE)-like and cysteine protease protein (CPP)-32-like cysteine proteases was required to mediate TNF-alpha-induced apoptosis of HUVEC. Endothelial-derived nitric oxide (NO) as well as exogenous NO donors inhibited TNF-alpha-induced cysteine protease activation. Inhibition of CPP-32 enzyme activity was due to specific S-nitrosylation of Cys 163, a functionally essential amino acid conserved among ICE/CPP-32-like proteases. Thus, we propose that shear stress-mediated NO formation interferes with cell death signal transduction and may contribute to endothelial cell integrity by inhibition of apoptosis.

The nicotinamide adenine dinucleotide (NAD + )-dependent histone deacetylase Sir2 regulates life-span in various species. Mammalian homologs of Sir2 are called sirtuins (SIRT1–SIRT7). In an effort to define the role of sirtuins in vascular homeostasis, we found that among the SIRT family, SIRT1 uniquely regulates angiogenesis signaling. We show that SIRT1 is highly expressed in the vasculature during blood vessel growth, where it controls the angiogenic activity of endothelial cells. Loss of SIRT1 function blocks sprouting angiogenesis and branching morphogenesis of endothelial cells with consequent down-regulation of genes involved in blood vessel development and vascular remodeling. Disruption of SIRT1 gene expression in zebrafish and mice results in defective blood vessel formation and blunts ischemia-induced neovascularization. Through gain- and loss-of-function approaches, we show that SIRT1 associates with and deacetylates the forkhead transcription factor Foxo1, an essential negative regulator of blood vessel development to restrain its anti-angiogenic activity. These findings uncover a novel and unexpected role for SIRT1 as a critical modulator of endothelial gene expression governing postnatal vascular growth.

In cultured human endothelial cells, physiological levels of NO prevent apoptosis and interfere with the activation of the caspase cascade. In vitro data have demonstrated that NO inhibits the activity of caspase-3 by S-nitrosation of the enzyme. Here we present evidence for the in vivo occurrence and functional relevance of this novel antiapoptotic mechanism. To demonstrate that the cysteine residue Cys-163 of caspase-3 is S-nitrosated, cells were transfected with the Myc-tagged p17 subunit of caspase-3. After incubation of the transfected cells with different NO donors, Myc-tagged p17 was immunoprecipitated with anti-Myc antibody. S-Nitrosothiol was detected in the immunoprecipitate by electron spin resonance spectroscopy after liberation and spin trapping of NO by N-methyl-D-glucamine-dithiocarbamate-iron complex. Transfection of cells with a p17 mutant, where the essential Cys-163 was mutated into alanine, completely prevented S-nitrosation of the enzyme. As a functional correlate, in human umbilical vein endothelial cells the NO donors sodium nitroprusside or PAPA NONOate (50 microM) significantly reduced the increase in caspase-3-like activity induced by overexpressing caspase-3 by 75 and 70%, respectively. When human umbilical vein endothelial cells were cotransfected with beta-galactosidase, morphological analysis of stained cells revealed that cell death induction by overexpression of caspase-3 was completely suppressed in the presence of sodium nitroprusside, PAPA NONOate, or S-nitroso-L-cysteine (50 microM). Thus, NO supplied by exogenous NO donors serves in vivo as an antiapoptotic regulator of caspase activity via S-nitrosation of the Cys-163 residue of caspase-3.

Abstract —Fluid shear stress alters the morphology and function of the endothelium by activating several kinases. Furthermore, shear stress potently inhibits apoptosis of endothelial cells. Since activation of Akt kinase has been shown to prevent cell death, we investigated the effects of shear stress on Akt phosphorylation. To test the hypothesis that shear stress interacts with the Akt kinase pathway, human umbilical venous endothelial cells were exposed to laminar shear stress (15 dyne/cm 2 ). Western blotting with specific antibodies against the phosphorylated Akt demonstrated a time-dependent stimulation of Akt phosphorylation by shear stress with a maximal increase up to 6-fold after 1 hour of shear stress exposure. The stimulation of Akt phosphorylation by shear stress thereby seemed to be mediated by the phosphoinositide 3-OH kinase (PI3K), as evidenced by the significant inhibition of shear stress–induced Akt phosphorylation by the PI3K inhibitors wortmannin (20 nmol/L) and Ly294002 (10 μmol/L). In addition, pharmacological inhibition of PI3K reduced the antiapoptotic effect of shear stress against growth factor depletion–induced apoptosis. Most important, overexpression of a dominant-negative Akt mutant significantly inhibited the apoptosis-suppressive effect of shear stress against serum depletion–induced apoptosis, thus indicating the direct involvement of shear stress–induced Akt phosphorylation for inhibition of endothelial cell apoptosis. These results define a novel shear stress–stimulated signal transduction pathway, namely, activation of the serine/threonine kinase Akt, which may contribute to the profound changes in endothelial morphology and function by shear stress.

Endothelial progenitor cells (EPCs) play an important role in postnatal neovascularization of ischemic tissue. Ex vivo expansion of EPCs might be useful for potential clinical cell therapy of myocardial ischemia. However, cultivation of primary cells leads to cellular aging (senescence), thereby severely limiting the proliferative capacity. Therefore, we investigated whether statins might be able to prevent senescence of EPCs. EPCs were isolated from peripheral blood and characterized. After ex vivo cultivation, EPCs became senescent as determined by acidic β-galactosidase staining. Atorvastatin or mevastatin dose-dependently inhibited the onset of EPC senescence in culture. Moreover, atorvastatin increased proliferation of EPCs as assessed by BrdU incorporation and colony-forming capacity. Whereas geranylgeranylpyrophosphate or farnesylpyrophosphate reduced the senescence inhibitory effect of atorvastatin, NO synthase inhibition, antioxidants, or Rho kinase inhibitors had no effect. To get further insights into the underlying downstream effects of statins, we measured telomerase activity and determined the expression of various cell cycle regulatory genes by using a microarray assay. Whereas telomerase activity did not change, atorvastatin modulated expression of cell cycle genes including upregulation of cyclins and downregulation of the cell cycle inhibitor p27 Kip1 . Taken together, statins inhibited senescence of EPCs independent of NO, reactive oxygen species, and Rho kinase, but dependent on geranylgeranylpyrophosphate. Atorvastatin-mediated prevention of EPC senescence appears to be mediated by the regulation of various cell cycle proteins. The inhibition of EPC senescence and induction of EPC proliferation by statins in vitro may importantly improve the functional activity of EPCs for potential cell therapy.

Background Oxidized LDL (oxLDL) is believed to play a key role as a triggering molecule that causes injury to the endothelium as an early event in atherogenesis. However, the mechanisms by which oxLDL injures endothelial cells are entirely unknown. We speculate that oxLDL may activate a cellular suicide pathway that leads to apoptosis. Methods and Results Human umbilical venous endothelial cells (HUVEC) were incubated with increasing doses of native or oxLDL for 18 hours. Apoptosis of HUVEC was measured with an ELISA specific for histone-associated DNA fragments and confirmed with DNA laddering. Native LDL had no effect, but incubation with oxLDL dose-dependently induced apoptosis of HUVEC. Induction of apoptosis by oxLDL was associated with increased CPP32-like protease activity, which is the major enzyme that initiates the proteolytical cascade leading to cell death. Specific inhibition of CPP32 activity completely abrogated oxLDL-induced apoptosis. The antioxidants N -acetylcysteine and the combination of vitamins C and E prevented oxLDL-induced apoptosis, abrogated the enhancement of CPP32-like protease activity, and inhibited the proteolytic cleavage of CPP32 into its active subunit p17. Conclusions oxLDL activates the suicide pathway leading to apoptosis of endothelial cells by enhancing CPP32-like protease activity. The oxLDL-mediated activation of CPP32 appears to involve the elaboration of reactive oxygen species. Activation of the cell death effector CPP32 by oxLDL may provide a mechanistic clue to the “response-to-injury” hypothesis of atherogenesis.

Aging is associated with a rise in intracellular reactive oxygen species (ROS) and a loss of telomerase reverse transcriptase activity. Incubation with H 2 O 2 induced the nuclear export of telomerase reverse transcriptase (TERT) into the cytosol in a Src-family kinase–dependent manner. Therefore, we investigated the hypothesis that age-related increase in reactive oxygen species (ROS) may induce the nuclear export of TERT and contribute to endothelial cell senescence. Continuous cultivation of endothelial cells resulted in an increased endogenous formation of ROS starting after 29 population doublings (PDL). This increase was accompanied by mitochondrial DNA damage and preceded the onset of replicative senescence at PDL 37. Along with the enhanced formation of ROS, we detected an export of nuclear TERT protein from the nucleus into the cytoplasm and an activation of the Src-kinase. Moreover, the induction of premature senescence by low concentrations of H 2 O 2 was completely blocked with the Src-family kinase inhibitor PP2, suggesting a crucial role for Src-family kinases in the induction of endothelial cell aging. Incubation with the antioxidant N -acetylcysteine, from PDL 26, reduced the intracellular ROS formation and prevented mitochondrial DNA damage. Likewise, nuclear export of TERT protein, loss in the overall TERT activity, and the onset of replicative senescence were delayed by incubation with N -acetylcysteine. Low doses of the statin, atorvastatin (0.1 μmol/L), had also effects similar to those of N -acetylcysteine. We conclude that both antioxidants and statins can delay the onset of replicative senescence by counteracting the increased ROS production linked to aging of endothelial cells.

Abstract The aryl hydrocarbon receptor (AhR) is a ligand-activated transcription factor whose activity can be modulated by polyphenols such as curcumin. AhR and curcumin have evolutionarily conserved effects on aging. Here, we investigated whether and how the AhR mediates the anti-aging effects of curcumin across species. Using a combination of in vivo, in vitro , and in silico analyses, we demonstrated that curcumin has AhR-dependent or -independent effects in a context-specific manner. We found that in Caenorhabditis elegans , AhR mediates curcumin-induced lifespan extension, most likely through a ligand-independent inhibitory mechanism related to its antioxidant activity. Curcumin also showed AhR-independent anti-aging activities such as protection against aggregation-prone proteins and oxidative stress in C. elegans and promotion of the migratory capacity of human primary endothelial cells. These AhR-independent effects are largely mediated by the Nrf2/SKN-1 pathway. Graphical Abstract