Abstract Hypoxia results in adaptive changes in the transcription of a range of genes including erythropoietin. An important mediator is hypoxia-inducible factor-1 (HIF-1), a DNA binding complex shown to contain at least two basic helix-loop-helix PAS-domain (bHLH-PAS) proteins, HIF-1α and aryl hydrocarbon nuclear receptor translocator (ARNT). In response to hypoxia, HIF-1α is activated and accumulates rapidly in the cell. Endothelial PAS domain protein 1 (EPAS-1) is a recently identified bHLH-PAS protein with 48% identity to HIF-1α, raising the question of its role in responses to hypoxia. We developed specific antibodies and studied expression and regulation of EPAS-1 mRNA and protein across a range of human cell lines. EPAS-1 was widely expressed, and strongly induced by hypoxia at the level of protein but not mRNA. Comparison of the effect of a range of activating and inhibitory stimuli showed striking similarities in the EPAS-1 and HIF-1α responses. Although major differences were observed in the abundance of EPAS-1 and HIF-1α in different cell types, differences in the inducible response were subtle with EPAS-1 protein being slightly more evident in normoxic and mildly hypoxic cells. Functional studies in a mutant cell line (Ka13) expressing neither HIF-1α nor EPAS-1 confirmed that both proteins interact with hypoxically responsive targets, but suggest target specificity with greater EPAS-1 transactivation (relative to HIF-1α transactivation) of the VEGF promoter than the LDH-A promoter.

Three members of the Rho family, Cdc42, Rac, and Rho are known to regulate the organization of actin-based cytoskeletal structures. In Bac1.2F5 macrophages, we have shown that Rho regulates cell contraction, whereas Rac and Cdc42 regulate the formation of lamellipodia and filopodia, respectively. We have now tested the roles of Cdc42, Rac, and Rho in colony stimulating factor-1 (CSF-1)–induced macrophage migration and chemotaxis using the Dunn chemotaxis chamber. Microinjection of constitutively activated RhoA, Rac1, or Cdc42 inhibited cell migration, presumably because the cells were unable to polarize significantly in response to CSF-1. Both Rho and Rac were required for CSF-1–induced migration, since migration speed was reduced to background levels in cells injected with C3 transferase, an inhibitor of Rho, or with the dominant-negative Rac mutant, N17Rac1. In contrast, cells injected with the dominant-negative Cdc42 mutant, N17Cdc42, were able to migrate but did not polarize in the direction of the gradient, and chemotaxis towards CSF-1 was abolished. We conclude that Rho and Rac are required for the process of cell migration, whereas Cdc42 is required for cells to respond to a gradient of CSF-1 but is not essential for cell locomotion.

Rho family proteins are known to regulate actin organization in fibroblasts, but their functions in cells of haematopoietic origin have not been studied in detail. Bac1.2F5 cells are a colony-stimulating factor-1 (CSF-1)-dependent murine macrophage cell line; CSF-1 stimulates their proliferation and motility, and acts as a chemoattractant. CSF-1 rapidly induced actin reorganization in Bac1 cells: it stimulated the formation of filopodia, lamellipodia and membrane ruffles at the plasma membrane, as well as the appearance of fine actin cables within the cell interior. Microinjection of constitutively activated (V12)Rac1 stimulated lamellipodium formation and membrane ruffling. The dominant inhibitory Rac mutant, N17Rac1, inhibited CSF-1-induced lamellipodium formation, and also induced cell rounding. V12Cdc42 induced the formation of long filopodia, while the dominant inhibitory mutant N17Cdc42 prevented CSF-1-induced formation of filopodia but not lamellipodia. V14RhoA stimulated actin cable assembly and cell contraction, while the Rho inhibitor, C3 transferase, induced the loss of actin cables. Bac1 cells had cell-to-substratum adhesion sites containing beta1 integrin, pp125FAK, paxillin, vinculin, and tyrosine phosphorylated proteins. These 'focal complexes' were present in growing and CSF-1-starved cells, but were disassembled in cells injected with N17Cdc42 or N17Rac1. Interestingly, beta1 integrin did not disperse until long after focal phosphotyrosine and vinculin staining had disappeared. We conclude that in Bac1 macrophages Cdc42, Rac and Rho regulate the formation of distinct actin filament-based structures, and that Cdc42 and Rac are also required for the assembly of adhesion sites to the extracellular matrix.