The endogenous caspase-8 inhibitor c-FLIPL regulates ER morphology and crosstalk with mitochondria

Components of the death receptors-mediated pathways like caspase-8 have been identified in complexes at intracellular membranes to spatially restrict the processing of local targets. In this study, we report that the long isoform of the cellular FLICE-inhibitory protein (c-FLIPL), a well- known inhibitor of the extrinsic cell death initiator caspase-8, localizes at the endoplasmic reticulum (ER) and mitochondria-associated membranes (MAMs). ER morphology was disrupted and ER Ca2+-release as well as ER-mitochondria tethering were decreased in c-FLIP-/- mouse embryonic fibroblasts (MEFs). Mechanistically, c-FLIP ablation resulted in enhanced basal caspase-8 activation and in caspase-mediated processing of the ER-shaping protein reticulon-4 (RTN4) that was corrected by re-introduction of c-FLIPL and caspase inhibition, resulting in the recovery of a normal ER morphology and ER-mitochondria juxtaposition. Thus, the caspase-8 inhibitor c-FLIPL emerges as a component of the MAMs signaling platforms, where caspases appear to regulate ER morphology and ER-mitochondria crosstalk by impinging on ER-shaping proteins like the RTN4

Single particle trajectories reveal active endoplasmic reticulum luminal flow

The endoplasmic reticulum (ER), a network of membranous sheets and pipes, supports functions encompassing biogenesis of secretory proteins and delivery of functional solutes throughout the cell[1, 2]. Molecular mobility through the ER network enables these functionalities, but diffusion alone is not sufficient to explain luminal transport across supramicrometre distances. Understanding the ER structure–function relationship is critical in light of mutations in ER morphology-regulating proteins that give rise to neurodegenerative disorders[3, 4]. Here, super-resolution microscopy and analysis of single particle trajectories of ER luminal proteins revealed that the topological organization of the ER correlates with distinct trafficking modes of its luminal content: with a dominant diffusive component in tubular junctions and a fast flow component in tubules. Particle trajectory orientations resolved over time revealed an alternating current of the ER contents, while fast ER super-resolution identified energy-dependent tubule contraction events at specific points as a plausible mechanism for generating active ER luminal flow. The discovery of active flow in the ER has implications for timely ER content distribution throughout the cell, particularly important for cells with extensive ER-containing projections such as neurons.Wellcome Trust - 3-3249/Z/16/Z and 089703/Z/09/Z [Kaminski] UK Demential Research Institute [Avezov] Wellcome Trust - 200848/Z/16/Z, WT: UNS18966 [Ron] FRM Team Research Grant [Holcman] Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC) - EP/L015889/1 and EP/H018301/1 [Kaminski] Medical Research Council (MRC) - MR/K015850/1 and MR/K02292X/1 [Kaminski

NMDA Receptor Stimulation Induces Reversible Fission of the Neuronal Endoplasmic Reticulum

With few exceptions the endoplasmic reticulum (ER) is considered a continuous system of endomembranes within which proteins and ions can move. We have studied dynamic structural changes of the ER in hippocampal neurons in primary culture and organotypic slices. Fluorescence recovery after photobleaching (FRAP) was used to quantify and model ER structural dynamics. Ultrastructure was assessed by electron microscopy. In live cell imaging experiments we found that, under basal conditions, the ER of neuronal soma and dendrites was continuous. The smooth and uninterrupted appearance of the ER changed dramatically after glutamate stimulation. The ER fragmented into isolated vesicles in a rapid fission reaction that occurred prior to overt signs of neuronal damage. ER fission was found to be independent of ER calcium levels. Apart from glutamate, the calcium ionophore ionomycin was able to induce ER fission. The N-methyl, D-aspartate (NMDA) receptor antagonist MK-801 inhibited ER fission induced by glutamate as well as by ionomycin. Fission was not blocked by either ifenprodil or kinase inhibitors. Interestingly, sub-lethal NMDA receptor stimulation caused rapid ER fission followed by fusion. Hence, ER fission is not strictly associated with cellular damage or death. Our results thus demonstrate that neuronal ER structure is dynamically regulated with important consequences for protein mobility and ER luminal calcium tunneling

LV-pIN-KDEL: a novel lentiviral vector demonstrates the morphology, dynamics and continuity of the endoplasmic reticulum in live neurones

BACKGROUND The neuronal endoplasmic reticulum (ER) is an extensive, complex endomembrane system, containing Ca2+ pumps, and Ca2+ channels that permit it to act as a dynamic calcium store. Currently, there is controversy over the continuity of the ER in neurones, how this intersects with calcium signalling and the possibility of physical compartmentalisation. Unfortunately, available probes of ER structure such as vital dyes are limited by their membrane specificity. The introduction of ER-targeted GFP plasmids has been a considerable step forward, but these are difficult to express in neurones through conventional transfection approaches. To circumvent such problems we have engineered a novel ER-targeted GFP construct, termed pIN-KDEL, into a 3rd generation replication-defective, self-inactivating lentiviral vector system capable of mediating gene transduction in diverse dividing and post-mitotic mammalian cells, including neurones. RESULTS Following its expression in HEK293 (or COS-7) cells, LV-pIN-KDEL yielded a pattern of fluorescence that co-localised exclusively with the ER marker sec61beta but with no other major organelle. We found no evidence for cytotoxicity and only rarely inclusion body formation. To explore the utility of the probe in resolving the ER in live cells, HEK293 or COS-7 cells were transduced with LV-pIN-KDEL and, after 48 h, imaged directly at intervals from 1 min to several hours. LV-pIN-KDEL fluorescence revealed the endoplasmic reticulum as a tubular lattice structure whose morphology can change markedly within seconds. Although GFP can be phototoxic, the integrity of the cells and ER was retained for several weeks and even after light exposure for periods up to 24 h. Using LV-pIN-KDEL we have imaged the ER in diverse fixed neuronal cultures and, using real-time imaging, found evidence for extensive, dynamic remodelling of the neuronal ER in live hippocampal cultures, brain slices, explants and glia. Finally, through a Fluorescence Loss in Photobleaching (FLIP) approach, continuous irradiation at a single region of interest removed all the fluorescence of LV-pIN-KDEL-transduced nerve cells in explant cultures, thus, providing compelling evidence that in neurons the endoplasmic reticulum is not only dynamic but also continuous. CONCLUSION The lentiviral-based ER-targeted reporter, LV-pIN-KDEL, offers considerable advantages over present systems for defining the architecture of the ER, especially in primary cells such as neurones that are notoriously difficult to transfect. Images and continuous photobleaching experiments of LV-pIN-KDEL-transduced neurones demonstrate that the endoplasmic reticulum is a dynamic structure with a single continuous lumen. The introduction of LV-pIN-KDEL is anticipated to greatly facilitate a real-time visualisation of the structural plasticity and continuous nature of the neuronal ER in healthy and diseased brain tissue

Actin binding to WH2 domains regulates nuclear import of the multifunctional actin regulator JMY

© The Author(s), 2012. This article is distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License. The definitive version was published in Molecular Biology of the Cell 23 (2012): 853-863, doi:10.1091/mbc.E11-12-0992.Junction-mediating and regulatory protein (JMY) is a regulator of both transcription and actin filament assembly. In response to DNA damage, JMY accumulates in the nucleus and promotes p53-dependent apoptosis. JMY's actin-regulatory activity relies on a cluster of three actin-binding Wiskott–Aldrich syndrome protein homology 2 (WH2) domains that nucleate filaments directly and also promote nucleation activity of the Arp2/3 complex. In addition to these activities, we find that the WH2 cluster overlaps an atypical, bipartite nuclear localization sequence (NLS) and controls JMY's subcellular localization. Actin monomers bound to the WH2 domains block binding of importins to the NLS and prevent nuclear import of JMY. Mutations that impair actin binding, or cellular perturbations that induce actin filament assembly and decrease the concentration of monomeric actin in the cytoplasm, cause JMY to accumulate in the nucleus. DNA damage induces both cytoplasmic actin polymerization and nuclear import of JMY, and we find that damage-induced nuclear localization of JMY requires both the WH2/NLS region and importin β. On the basis of our results, we propose that actin assembly regulates nuclear import of JMY in response to DNA damage.This work was supported by grants from the National Institutes of Health, an American Heart Association Predoctoral Fellowship (J.B.Z.), the Robert Day Allen Fellowship Fund (J.B.Z.), and a National Science Foundation Predoctoral Fellowship (B.B.)

Calcium mobilization via intracellular ion channels, store organization and mitochondria in smooth muscle

In smooth muscle, Ca2+ release from the internal store into the cytoplasm occurs via inositol trisphosphate (IP3R) and ryanodine receptors (RyR). The internal Ca2+ stores containing IP3R and RyR may be arranged as multiple separate compartments with various IP3R and RyR arrangements, or there may be a single structure containing both receptors. The existence of multiple stores is proposed to explain several physiological responses which include the progression of Ca2+ waves, graded Ca2+ release from the store and various local responses and sensitivities. We suggest that, rather than multiple stores, a single luminally-continuous store exists in which Ca2+ is in free diffusional equilibrium throughout. Regulation of Ca2+ release via IP3R and RyR by the local Ca2+ concentration within the stores explains the apparent existence of multiple stores and physiological processes such as graded Ca2+ release and Ca2+ waves. Close positioning of IP3R on the store with mitochondria or with receptors on the plasma membrane creates ‘IP3 junctions’ to generate local responses on the luminally-continuous store

Caratterizzazione di alcuni siti della rete accelerometrica nazionale al fine di individuare la risposta sismica locale

Le indagini geotecniche finalizzate alla stima della risposta sismica locale si limitano molto spesso ai primi 30 m di profondità, valore che è diventato uno standard per la classificazione delle caratteristiche di un sito. Negli anni ’90 Borcherdt (1994) e Martin e Dobry (1994) suggerirono 30 m come la profondità standard di indagine per la verifica delle strutture. Boore et al. (1993, 1994, 1997) e Boore e Joyner (1997) basarono le regressioni per il calcolo delle leggi predittive del moto del suolo sullo stesso parametro. Nel 1997 negli Stati Uniti il National Earthquake Hazards Reduction Program (NEHRP) nella stesura delle norme tecniche per le costruzioni in zona sismica (FEMA, 1997) utilizza per la prima volta il parametro Vs30 come indice per la classificazione dei suoli, con lo scopo di definirne l’amplificazione. Le norme tecniche per le costruzioni in zona sismica della comunità Europea, EC8 (ENV, 1998) ente da dati provenienti dagli Stati Uniti occidentali e, utilizzando dati provenienti dalla stessa regione, Wald & Mori (2000) segnalano che le VS,30 non sono molto ben correlate con l’entità dell’amplificazione, in quanto esiste una forte dispersione dei dati. La figura 1.1 mostra il rapporto tra le amplificazioni, mediate sull’intervallo di frequenza compreso tra 3-5 Hz. raccomandano lo stesso parametro per suddividere i terreni, anche se le classi differiscono in parte dalla classificazione NEHRP. Infine, anche in Italia, le Norme Tecniche per le Costruzioni (Normative Tecniche per le Costruzioni, Gazzetta Ufficiale del 14/01/2008) adottano la stessa suddivisione dei terreni adottata dall’EC8.L’attendibilità della velocità delle onde di taglio nei primi 30 m (VS,30) come estimatore della risposta sismica di un sito, in termini di frequenza e amplificazione, è tuttavia molto discussa.Innanzitutto il parametro è stato ricavato unicamente da dati provenienti dagli Stati Uniti occidentali e, utilizzando dati provenienti dalla stessa regione, Wald & Mori (2000) segnalano che le Vs30 non sono molto ben correlate con l’entità dell’amplificazione, in quanto esiste una forte dispersione dei dati. La figura 1.1 mostra il rapporto tra le amplificazioni, mediate sull’intervallo di frequenza compreso tra 3-5 Hz. I valori risultano effettivamente molto dispersi, ma questo risultato può essere spiegato col fatto che non tutte le classi di sito hanno frequenza di risonanza compreso in questo intervallo di frequenza. Perciò per alcuni siti la media è stata calcolata nell’intorno della frequenza di risonanza (sulle amplificazioni massime), mentre per altri è stata calcolata sulle armoniche superiori, che hanno ampiezze minori. Lavori eseguiti con dati provenienti da altre regioni sottolineano come le Vs30 non siano buoni estimatori per la predizione di amplificazioni in bacini profondi (Park & Hashash, 2004), per la stima delle amplificazioni in altre regioni (Stewart et al., 2003) o in presenza di inversioni di velocità (Di Giacomo et al., 2005). Uno studio recente, eseguito su dati giapponesi (Zhao et al., 2006) si è evitato l’uso della Vs30 perché strati spessi di terreno rigido posti sopra il substrato roccioso amplificano il moto di lungo periodo, mentre gli strati sottili e soffici tendono ad amplificare il moto di corto periodo: ciò significa che la VS,30 non può rappresentare il periodo predominante del sito, dato che si basa solo sugli strati superficiali. Secondo Mucciarelli e Gallipoli (2006) il confronto tra l’amplificazione sismica al sito e la Vs30 mostra che quest’ultimo parametro non è adeguato per spiegare gli effetti di sito osservati in Italia a causa delle situazioni geologiche particolari che sono diffuse nel nostro paese. La figura 1.2 mostra la distribuzione dell’ampiezza rispetto alla classe di sito, in cui si vede che le classi sono mal discriminate e le mediane delle classi A e B (indicate dalla linea nera) sono uguali. È però necessario notare che questo grafico è stato costruito utilizzando le ampiezze ricavate col metodo dei rapporti spettrali H/V, ma in letteratura (Bard, 1999) è dimostrato che tali rapporti spettrali permettono di stimare la frequenza di risonanza, ma falliscono nella stima del valore di amplificazione. In particolare la Vs30 sottostima gli effetti locali ai siti con inversione di velocità e li sovrastima in siti con bacini profondi. La Vs30 sembra fornire dei buoni risultati solo in siti che abbiano un profilo di velocità monotono, crescente con la profondità e un forte contrasto di impedenza nella prima decina di metri. Questo studio si propone di verificare l’attendibilità della velocità delle onde di taglio valutate nei primi 30 m come estimatore della risposta sismica di un sito. Per questo scopo sono state selezionate 45 stazioni della Rete Accelerometrica Nazionale, di cui si conoscono i profili stratigrafici e i profili di velocità delle onde di taglio e di compressione. Inoltre sono state raccolte le registrazioni strong motion relative ai terremoti registrati da queste stazioni. Gli effetti di sito sono stati valutati in due modi: · Le registrazioni sono state utilizzate per calcolare i rapporti spettrali H/V per ricavare la frequenza fondamentale propria di ciascun sito (f0) e il relativo valore di amplificazione; · I profili di velocità delle onde di taglio sono serviti per ricavare il modello teorico monodimensionale per il calcolo della funzione di trasferimento del sito, eseguito per mezzo del modello proposto da Haskell e Thomson (Haskell, 1953, Thomson 1950), da cui ricavare la f0 e l’amplificazione. I valori ottenuti con i due metodi sono stati poi confrontati per verificare la congruenza dei risultati. I profili di velocità hanno permesso di classificare le stazioni utilizzando la velocità media delle onde di taglio nei primi 30 m (Vs30), secondo la normativa italiana. I risultati ottenuti dalla valutazione della risposta di ciascun sito, espressi in termini di frequenza fondamentale e amplificazione, sono stati correlati con la rispettiva classe di sito per verificare l’attendibilità del parametro delle Vs30 come estimatore degli effetti di sito