JP2004537251A - Anchor for safety rope - Google Patents

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Abstract

本発明は、酵素一酸化窒素シンターゼの活性の調節に、特に内皮一酸化窒素シンターゼ(eNOS)およびニューロン一酸化窒素シンターゼ(nNOSおよびnNOSμ)の活性の調節に関する。第一の局面によれば、本発明は、eNOSのAMPKが仲介する活性化のモジュレーターの同定方法であって、カルモジュリンおよびカルシウムイオン濃度によってeNOSのリン酸化を増大または低減させる能力について推定上のモジュレーターを試験する工程を含む方法を提供する。それに代わる局面では、本発明は、eNOSのAMPKが仲介する抑制のモジュレーターの同定方法であって、制限カルシウムイオン存在下でeNOSのAMPKが仲介するリン酸化を低減または増大させる能力に対する推定上のモジュレーターを試験する工程からなる方法を提供する。好ましくは、トレオニン495の特異的リン酸化が査定される。第二の局面によれば、本発明は、Ser−1417でのnNOSおよびnNOSμのリン酸化を促進または抑制するモジュレーターの同定方法を提供する。AMPを活性化する化合物である活性化プロテインキナーゼは、グルコースおよび脂肪酸代謝を促すことにより、ならびにNOS活性を増大して筋細胞への栄養素および酸素供給を改善し、機械的活動を低減することにより、虚血性心疾患の治療に有用であると予期される。これらの化合物は、肺高血圧症、および閉塞性気道疾患の治療にも効用を有する。The present invention relates to the regulation of the activity of the enzyme nitric oxide synthase, and in particular to the regulation of the activity of endothelial nitric oxide synthase (eNOS) and neuronal nitric oxide synthase (nNOS and nNOSμ). According to a first aspect, the present invention provides a method for identifying a modulator of AMPK-mediated activation of eNOS, comprising a putative modulator of the ability to increase or decrease eNOS phosphorylation by calmodulin and calcium ion concentrations. A method comprising testing In an alternative aspect, the invention provides a method of identifying a modulator of AMPK-mediated suppression of eNOS, comprising a putative modulator of the ability to reduce or increase AMPK-mediated phosphorylation of eNOS in the presence of limiting calcium ions. A method comprising the steps of: Preferably, specific phosphorylation of threonine 495 is assessed. According to a second aspect, the present invention provides a method for identifying a modulator that promotes or suppresses phosphorylation of nNOS and nNOSμ at Ser-1417. Activated protein kinase, a compound that activates AMP, is known to stimulate glucose and fatty acid metabolism and to increase NOS activity to improve nutrient and oxygen supply to muscle cells and reduce mechanical activity. It is expected to be useful for treating ischemic heart disease. These compounds also have utility in treating pulmonary hypertension and obstructive airway disease.

Description

【0001】
本発明は、一酸化窒素シンターゼ酵素の活性の調節に、特に内皮およびニューロン一酸化窒素シンターゼの活性の調節に関する。プロテインキナーゼCおよびAMP活性化プロテインキナーゼを含めたいくつかのプロテインキナーゼによる内皮およびニューロン一酸化窒素シンターゼのリン酸化は、それらの活性を調節する、ということを我々は見出した。
【0002】
(発明の背景)
一酸化窒素(NO)は、近年、非常に広範な種々の細胞機能の重要な仲介物質として認識されており、すべてではないにしても、ほとんどの哺乳類細胞中に存在する(Moncada, S. and Higgs, A., 1993)。それは、一連の疾患、高血圧、低コレステロール血症、糖尿病、心疾患、老化、炎症および喫煙作用に関連し、そして脈管生物学において特に重要である。それは、全身の血圧、ならびに血管再造形(Rudic et al., 1998)および組織虚血に応答した新脈管形成(Murohara et al., 1998)を調節する。NOは、一酸化窒素シンターゼ酵素(NOS)によりアミノ酸のL−アルギニンから合成される。
【0003】
NOSの3つのアイソフォーム(isoform)が同定されている:すなわち、ニューロン組織中に見出されるニューロンNOS(neuronal NOS)(nNOS)、および骨格筋中に見出されるもの(nNOSμアイソフォーム);非常に広範な種々の哺乳類組織、例えば活性化マクロファージ、心筋細胞、膠細胞および血管平滑筋細胞に見出される誘導可能なNOS(inducible NOS)(iNOS);ならびに血管内皮、心筋細胞および血小板に見出される内皮NOS(endothelial NOS)(eNOS)である。内皮細胞は、内皮層上の血流により発生する剪断応力に応答してNOを生成する。
【0004】
NOシンターゼの3つのアイソフォームは約55%のアミノ酸配列相同性を有し、触媒作用に関与する領域における強い配列保存を伴う。3つのアイソフォームすべてに関して、NO合成のメカニズムは、遍在するカルシウム調節タンパク質カルモジュリン(CaM)の酵素との結合を含む。しかしながら、CaMが結合される条件は、少なくともカルシウム濃度に関する限りにおいて、iNOSに関しては異なると思われる。これら3つのNOS酵素は集中的に研究されており、その分野は近年、再検討されている(例えば、Michel and Feron(1997); Harrison(1997);およびMayer and Hellens(1997)参照)。eNOSは多様にリン酸化され得ることが初期の研究から分かったが、しかし、リン酸化に関与する酵素を含めたこれらのリン酸化事象のメカニズム、ならびにeNOS機能の変調におけるリン酸化の役割は分からなかった。
【0005】
AMP−活性化プロテインキナーゼ(AMPK)は、アセチル−CoAカルボキシラーゼの調節において重要な役割を有し、激しい運動中または虚血中の脂肪酸酸化の加速をもたらすことが知られている代謝ストレス感応プロテインキナーゼである。AMPKは脂質代謝の調節物質として周知であり、特に、Hardie and Carling(1997)で再検討されているように、コレステロール合成においてある役割を有することが知られている。AMPKは、運動増強グルコース輸送において重要な役割を有するとも考えられる(Hayashi et al.,(1998))が、これはインスリン仲介性グルコース取込みメカニズムとは別物である。AMPKは、肝臓、心臓および骨格筋で主に研究されてきた。AMPKは精製されており、その酵素サブユニットをコードする遺伝子はクローン化された(国際特許出願PCT/GB94/01093およびPCT/US97/00270および公開WO97/25341参照)。
【0006】
哺乳類AMPK(Mitchelhill et al. 1994)は、サッカロミセス・セレビシエSNF1プロテインキナーゼに相関がある。それは、代替的炭素源上での増殖が必要とする栄養ストレスに対する応答におけるグルコース抑制遺伝子の発現に必要であり(Celenza and Carlson, 1986)、哺乳類および酵母キナーゼの両方が上流キナーゼにより活性化される(Hardie and Carling, 1997)。AMPKは、Ser−79でのリン酸化による代謝ストレス応答、ならびにアセチル−CoAカルボキシラーゼおよびHMG−CoAレダクターゼの共在抑制に関与する(Hardie and Carling, 1997)。多様なAMPKアイソフォームが生じる。それらは、非触媒性サブユニットβおよびγ(Mitchelhill et al, 1994; Carling et al, 1994; Stapleton et al, 1994)とともに、α1またはα2触媒サブユニット(Stapleton et al, 1996; Stapleton et al, 1997a)から成るαβγヘテロ三量体を包含し、これらはそれぞれ酵母sip1pおよびsnf4pに関する。
【0007】
AMPKα2サブユニット遺伝子は第1染色体上にあり(Beri et al., 1994)、α1サブユニット遺伝子は第5染色体上にあり、βおよびγサブユニット遺伝子は第12染色体上にあり、βサブユニット遺伝子は第1染色体上にあり、そしてγサブユニット遺伝子は第7染色体上にある(Stapleton et al, 1997 )。γ遺伝子は、ゲノムシーケンシングにより生成された発現配列タグ(EST)を用いて検出された(アクセッションナンバー AA178898号)。
【0008】
eNOSをコードする遺伝子のうちの1つは、第7染色体上にあり、AMPKのγサブユニットに対応する遺伝子のすぐ近くである。nNOSをコードする別の遺伝子は、第12染色体上に見出される(ヒト遺伝子マップ;http://www.ncbi.nlm.nih.gov/cgi−bin/SCIENCE96/tsrch?QTEXT=nitric+oxide+synthase参照)。
【0009】
近年の研究は、心筋および骨格筋中のAMPKが激しい運動により、または虚血性ストレスにより活性化される、ということを明示した(Winder and Hardie, 1996; Vavvas et al, 1997; Kudo et al, 1995)。これにより、これらの組織中のAMPKアイソフォームの局在化を我々は研究することになった。AMPK−α2アイソフォームは、心筋および骨格筋中の毛管内皮細胞中に存在し、そしてAMPK−α1アイソフォームは心筋細胞および脈管中に生じる。内皮細胞中のAMPKの存在により、基質としての細菌性発現eNOSを我々は試験することになり、そして、それがAMPK−α1またはAMPK−α2により容易にリン酸化されることを見出した。
【0010】
AMP活性化プロテインキナーゼは内皮NOシンターゼをリン酸化し、調節する、ということを我々は意外にもここに見出した。AMPKは2つの部位でeNOSをリン酸化することが判明した。カルシウムおよびカルモジュリンの存在下では、ヒト配列中のSer−1177およびウシ配列におけるSer−1179は、酵素のCOOH末端でリン酸化されて、カルモジュリン用量依存性をシフトさせることによりeNOSの活性化を引き起こす。付加的なカルシウムおよびカルモジュリンの非存在下では、リン酸化はeNOSカルモジュリン結合配列中のThr−495でも起こり、その酵素を抑制する。心臓の虚血は、AMPKの、およびeNOSの活性化を引き起こして、Ser−1177でのリン酸化の作用に似ている。リン酸化Ser−1177に対するホスホペプチド特異的抗体を用いて、この部位が虚血中にリン酸化されることを確証した。我々の結果は、ATPを低減しAMPを増大し、そしてeNOSによりシグナルを送って栄養獲得可能性を制御し(動脈血管拡張による)、ならびに心筋収縮を抑制する代謝ストレス間の連関を、それらが同定できるため、特に興味深いものである。これは、内皮細胞および筋細胞の代謝状態を血管供給および機械的要求と結びつける。我々の結果はeNOSの翻訳後調節に新規の見識を提供し、これは心臓血管および骨格筋分野に関する特別の意義を有する。さらに、eNOSとnNOSとの間の構造および機能の類似性が同定され、それによりこれらの両酵素の活性のモジュレーターを我々は同定できた。
【0011】
(発明の要約)
第一の局面によれば、本発明は、eNOS、nNOSおよびnNOSμから成る群から選択される一酸化窒素シンターゼ酵素のAMPKが仲介する活性化のモジュレーターの同定方法であって、前記酵素のリン酸化を増大または低減させる推定上のモジュレーターの能力を試験する工程を含み、前記増大または低減がカルモジュリンおよびカルシウムイオン濃度に依存する方法を提供する。
【0012】
好ましくは、Ser−1177の特異的リン酸化は、カルシウムおよびカルモジュリンの存在下で査定される。
【0013】
それに代わる局面において、本発明は、eNOSのAMPKが仲介する抑制のモジュレーターの同定方法であって、制限カルシウムイオン存在下でeNOSのAMPKの仲介するリン酸化を低減または増大させるその能力に対する推定上のモジュレーターを試験する工程を含む方法を提供する。好ましくは、Thr−495の特異的リン酸化が査定される。
【0014】
Ser−1177のリン酸化を増大し、Thr−495のリン酸化を低減し得る化合物は、本明細書中では活性化物質と呼ばれ、Ser−1177のリン酸化を低減し、Thr−495のリン酸化を増大し得る化合物は阻害物質と呼ばれる。
【0015】
本発明の両局面において、1つ、またはそれ以上の下記の活性は、任意に、本発明の方法により同定される推定上の活性化物質または阻害物質の各々に関して、付加的に査定され得る:
(a)平滑筋収縮に及ぼす効果、
(b)心臓の変力活性に及ぼす効果、
(c)心臓の周期変更活性に及ぼす効果、または
(d)血小板機能に及ぼす効果。
【0016】
eNOSカルモジュリン結合部位におけるThr−495に相当するリン酸化部位がニューロン形態のNOSから欠けており、本発明の方法により同定される阻害物質および活性化物質は少なくともある程度の組織特異性を有することが予測される。
【0017】
AMP活性化プロテインキナーゼを活性化する化合物は、グルコースおよび脂肪酸代謝を促すことにより、ならびにNOS活性を増大して筋細胞への栄養および酸素供給を改善し、機械的活動を低減することにより、虚血性心疾患に有用であると予期される。これらの化合物は、肺高血圧症に、そして閉塞性気道疾患にも効用を有する。
【0018】
本明細書に用いられる、「含んでいる」という用語は、「含んでいる」ことを意味するがこれに限定されないという意味であって、「含む」という用語は対応する意味を有する、と理解されることは明らかである。
【0019】
(発明の詳細な説明)
以下の、これらに限定されない実施例および図面を参照としてのみ引用して、ここで本発明を詳細に説明する。
【0020】
Ca2+−カルモジュリン(CaM)の存在下で、eNOSはSer−1177でAMPKによりリン酸化されて、活性化を生じるが、一方、Ca2+の非存在下でのeNOSのリン酸化は、CaM結合配列中の部位であるThr−495で優先的に起きて、抑制を生じる、ということが意外にも判明した。リン酸化は単に抑制的である、と従来は考えられていた。心臓の虚血が代謝ストレス感応酵素AMPKおよびeNOSの両アイソフォームの迅速な活性化をもたらす、ということも我々は見出した。これらのデータは、AMPKが、動脈血管拡張および心筋収縮低減をもたらす「裏返し」シグナリング経路を操作し、それゆえ、内皮細胞および筋細胞の代謝状態を血管供給および機械的活動に結びつけ得る、ということを示唆する。
【0021】
実施例1:心筋および骨格筋中のAMPK−α2の蛍光免疫局在
共焦点蛍光免疫顕微鏡法が、アフィニティー精製ウサギポリクローナル抗体(抗体491−414)を用いて、AMPK−α2に対して行われた。蛍光標識抗ウサギ抗体での染色は、α2アイソフォームが心筋および骨格筋の両方の毛管内皮細胞中に優先的に見出されることを示したが、一方心筋細胞および血管では、α1AMPKアイソフォームに対して強いが拡散性の染色を示した。骨格筋では、α2アイソフォームが毛管の内皮細胞および速単収縮筋繊維中に見出されたが、一方α1アイソフォームはI型好気繊維中に見出された。心筋および骨格筋の両方における毛管内皮細胞中のAMPK−α2の局在化を、図1に説明する。
【0022】
実施例2:AMPKは組換えeNOSをリン酸化する
Rodriguez−Crespo等(1996)の方法によりCaMで同時発現させた細菌性発現eNOSを、図2の上部パネルに示すようにAMPK−α1により、またはAMPK−α2によりリン酸化した。免疫沈降AMPK−α2による組換えeNOSリン酸化を検出した。AMPK−α2の高度に特異的な活性を精製できなかったため、eNOS調節またはα2アイソフォームによるリン酸化の部位のさらなる特性化は、試みなかった。トリプシン消化後のeNOS中のリン酸化部位の分析は、3つの別個の部位から生じた4つのホスホペプチドを明示した(図2下部パネルのA、A’、B、C)。Mitchelhill and Kemp, 1999により記載された方法の変法を用いた質量分析法およびエドマンシーケンシングによるリン酸化部位の同定は、図2の下部パネルA、A’に示されているようにSer−1177が最も目立ったリン酸化部位であること、そしてそのリン酸化はCa2+−CaMの存在に依存していることを明示した。
【0023】
ゲル内トリプシン消化物からのホスホペプチドの単離を、Mitchelhill等(1997a)により記載されたように実行した。98%以上の放射能をゲルから回収した。質量分析およびエドマンシーケンシングにより単離され、特性化されたペプチドを、表1に記載する。
【0024】
【表1】

Figure 2004537251
【0025】
32P−リン酸放出シーケンシング(Mitchelhill et al, 1997a)により、ペプチドA、TQXFSLQER中のリン酸化部位の位置を同定した。AMPK−α1によりリン酸化されたeNOSは、eNOS COOH−末端に対する抗体によってもはや認識されなかった、あるいは100mMのNADPHによりADP−セファロースアフィニティーカラムから溶離されなかった。これらの特性は、in situにおけるSer−1177のリン酸化の直接的確証を妨げた。これは、Venema等(1996)に説明されている。
【0026】
Ca2+−CaMの非存在下で、またはEGTAが存在する場合に、第二の部位であるThr−495をリン酸化した。これを、図2の下部パネルBで説明する。この残基は、eNOSのオキシダーゼおよびレダクターゼドメイン間のCaM結合配列:
TRKKT495FKEVANAVKISASLM
中にある(Venema et al, 1996)。eNOSのN末端領域中のSer−101を、リン酸化の副次的部位として同定した(図2の下部パネルのC)。
【0027】
AMPKにより、Thr−495またはSer−1177を含有する合成ペプチドを、容易にリン酸化した。カイネティック値はSAMSペプチド基質と同様であった。Thr−495を含有するペプチドGTGITRKKTFKEVANAVKは、39±10μMのKmおよび6.7±0.6μmol/分/mgのVmaxでリン酸化され、一方、Ser−1177を含有するペプチドRIRTQSFSLQERQLRGは、54±6μMのKmおよび5.8±0.3μmol/分/mgのVmaxでリン酸化された。これらは、33±3μMのKmおよび8.1±1.5μmol/分/mgのVmaxを有する十分特性化されたSAMSペプチド基質を用いて得られた結果(Michell et al, 1996)に匹敵する。ペプチドのin vitroリン酸化は、リン酸化の同定部位を確証する。
【0028】
実施例3:AMPKによるeNOSのリン酸化に及ぼすCa2+−CaMの効果
Balligand等,1995の方法を用いてL−[H]−シトルリン産生を測定することにより、eNOS活性を確定した。Rodriguez−Crespo and Oritiz de Montellano, 1996に記載されたように、組換え体eNOSをCaMと同時に発現させた。部分精製ラット心臓eNOSは、多少のCa2+−CaMを含有した。付加的EGTAの非存在下で、CaM依存性を0〜100nMの付加的CaM存在下で観察した。Ca2+−CaMの非存在下および存在下でのリン酸化に伴うNOS活性の変化を調べるために、EGTA緩衝を用いて、0〜1μMの範囲でCaM用量反応曲線を作製した。ルーチンに、7〜15μMのEGTAを付加して、付加的CaMに依存させてeNOS活性を生じさせた。eNOS検定前にリン酸化反応にCa2+−CaMを用いる場合、余分のCa2+−CaMがごくわずかであるように、または指示濃度が付加的Ca2+−CaMの総最終濃度を表すように、試料を稀釈する。
【0029】
心臓eNOSを、以下のように部分精製した。20匹のラットの心臓を、80mlの氷冷緩衝液A[50mM トリス塩酸、pH7.5、1mM EDTA、1mM EGTA、1mM DTT、50mM NaF、5mM ピロリン酸ナトリウム、10μg/ml トリプシン阻害剤、2μg/ml アプロチニン、1mM ベンズアミジン、1mM PMSF、10% グリセロール、1% トリトン−X−100]中でホモジネートした。ホモジネートを30分間氷上に載せて、16,000×gで30分間遠心分離した。上清を2mlの2’,5’−ADP−セファロース(Bredt and Snyder, 1990)とともにインキュベートした。懸濁液を20mlの緩衝液Aおよび0.5M NaClを含有する20mlの緩衝液Aを用いて、次に20mlの緩衝液B[50mM トリス塩酸、pH7.5、1mM DTT、10% グリセロール、0.1% トリトン−X−100]を用いて、フリットカラム中で洗浄する前に、1時間インキュベートした。2mM NADPHを含有する緩衝液BでeNOSを溶離し、次に遠心分離濾過(ULTRAFREE−MC MILLIPORE)を施して、NADPHを除去した。nNOSよりeNOSの選択的検出のために、免疫ブロッティングを行った。
【0030】
図3の上部パネルに示したように、Ca2+−CaMの存在下でのAMPKによるeNOSのリン酸化は、活性化を起こすが、しかしCaM依存性は保持された。活性化により、用量反応曲線がCaMに関して左にシフトした。ホスホペプチドマッピングは、図3の下部パネルに示したように、eNOSの活性化がSer−1177のリン酸化と相関するが、Thr−495のリン酸化とは相関しない、ということを明示した。付加的なCa2+−CaMを伴わないリン酸化はThr−495リン酸化を増強し、Ser−1177リン酸化を抑制し、eNOS活性を阻害した(図3上部パネル)。Thr−495リン酸化によるeNOS活性の阻害は、プロテインキナーゼCによるこの領域に対応する合成ペプチドのリン酸化がCaM結合を阻害するという初期報告と一致する(Matsubara et al, 1996)。同様の結果は、nNOSに関して報告されている(Loche et al, 1997)。
【0031】
実施例4:AMPK−α1、AMPK−α2およびeNOSの活性に及ぼす虚血の効果
単離された還流ラット心臓のLangendorf調製物を、Kudo等(1995)の方法により虚血させた。AMPK−α1およびAMPK−α2アイソフォームを、α2(490−516)またはα1(231−251)抗体を用いて免疫沈降させ、SAMSペプチド基質を用いて検定した(Michell et al, 1996; Hardie and Carling, 1997)。eNOS活性を、実施例3に記載されているように測定した。結果を図4に示す。α1およびα2アイソフォームはともに、図4Aに示したように活性化されるが、これは、AMPKが、主にα2アイソフォームを有する毛管内皮細胞、および主にα1アイソフォームを有する心筋細胞の両方で活性化されることを示す。虚血中のAMPK活性化はeNOS活性化も伴い、図4Bおよび4Cに示したようにCaM依存性を変化させ、図3に示したようなin vitroでのAMPKによるeNOSリン酸化の作用に似ている。
【0032】
eNOS配列:RIRTQSpFSLQERおよびGITRKKTpFKEVANCVを基礎にした合成ホスホペプチドに対して、ポリクローナル抗体を生じさせた。慣用的方法を用いて、鍵穴吸着ヘモシアニンと結合したホスホペプチドを用いてウサギを免疫感作し、次にフロイントの完全アジュバント中で乳化させた。デホスホペプチドアフィニティーカラムを用いて予備精製後に、対応するホスホペプチドアフィニティーカラムを用いて、抗体を精製した。EIAおよび免疫ブロッティングの両方を用いて精製抗体の特異性を確証し、それらが組換え脱リン酸−eNOSを認識しなかったことを確証した。
【0033】
Ser−1177およびThr−495リン酸化部位に対する抗ホスホペプチド抗体を用いて、Ser−1177のリン酸化が虚血により約3倍増大されたが、これらの条件下ではThr−495リン酸化の検出可能な変化は認められなかったことが観察された。心筋は、毛管内皮細胞と心筋細胞の両方にeNOSを含有し(Balligand et al, 1995)、低レベルのnNOSμアイソフォームを有する(Silvagno et al, 1996)。
【0034】
3つの型のNOSの配列を図5で比較しているが、これは、CaM結合領域およびC末端を示す。nNOSでは、Ser−1417はeNOSのSer−1177に対応し、一方iNOSは切断され、この領域にGluを有する。iNOSおよびnNOSはともに、CaM結合領域においてThr−495に相当するリン酸化可能残基を欠く。
【0035】
実施例5:eNOSリン酸化に及ぼすプロテインキナーゼCの刺激の効果
0.1%ウシ胎仔血清中(血清飢餓)で20時間培養したウシ大動脈内皮細胞に、プロテインキナーゼC活性化物質である0.1μM フォルボール−12−ミリスチン酸−13−酢酸(PMA)による処置を5分間施した。PMA処置は、抗ホスホペプチド特異的抗体を用いて測定した場合、Thr−495でのeNOSのリン酸化を増大し、Ser−1177でのリン酸化を低減した。使用した抗体は、実施例4に記載したものと同一であった。結果を図6に示す。カルシウムを含有しない培地中で培養した細胞において、Ser−1177リン酸化が4分の1に低減したことが観察された。さらに、カルシウムを含有する標準培地中で細胞をインキュベートした場合、カルシウムイオノフォアA23187の付加(90秒間10μM)は、Ser−1177リン酸化をさらに7倍増大させた。0.5μMのオカダ酸を用いた細胞の予備インキュベーションは、PMA処理によるSer−1177の脱リン酸化を妨げ、Thr−495のリン酸化を大いに増大させた(結果は平均±SEM、n=6)。オカダ酸はプロテインホスファターゼPP2Aを抑制するため、結果は、PP2AがSer−1177の脱リン酸化に関与することを示す。PMAおよびオカダ酸による処理に応答してThr−495およびSer−1177リン酸化で観察された変化は、eNOSの活性に反映された。PMAまたはPMA+オカダ酸によるThr−495のリン酸化増大は、eNOS活性の低減に関連した。オカダ酸単独では、Ser−1177リン酸化を増大し、Thr−495リン酸化への変化を伴わず、eNOS活性増大に関連した(図6の上部パネル)。
【0036】
実施例6:eNOSのリン酸化に及ぼすホスホジエステラーゼおよびホスファターゼの抑制の効果
実験の詳細は、実施例5と同様であった。ウシ大動脈内皮細胞を、10nM ホスファターゼ阻害物質カリキュリンAを用いてまたは用いずに10分間、予備インキュベートし、次に0.5mM ホスホジエステラーゼ阻害物質3−イソブチル−1−メチルキサンチン(IBMX)を用いてまたは用いずに5分間、インキュベートした。図7に示したように、IBMX処理はSer−1177のリン酸化およびThr−495の脱リン酸化の増強を引き起こした。カリキュリンAを用いた予備インキュベーションは、Thr−495の脱リン酸化を妨げた(結果は平均±SEM、n=6)。カリキュリンAはプロテインホスファターゼPP1を抑制するため、結果は、PP1がThr−495の脱リン酸化に関与することを示す。
【0037】
考察
本発明人によるSer−1177リン酸化部位の同定以来、他のプロテインキナーゼがこの部位でリン酸化をすることが認識されてきた。特に、プロテインキナーゼAkt(PKBとも呼ばれる)は、血管内皮細胞増殖因子(VEGF)による内皮細胞の刺激(Fulton et al, 1999; Michell et al., 1999)に、あるいは流体剪断応力(Dimmeler et al., 1999; Gallis et al., 1999)に応答してSer−1177をリン酸化する。Gallis等(1999)による研究では、流体剪断応力は、配列KLQTRPSPGPPPA中のSer−116のリン酸化を刺激する、ということが報告された。eNOS上のこの部位に関与するキナーゼも、リン酸化の機能的効果も未だ同定されていない。このリン酸化部位は、オキシダーゼドメイン中に存在する。
【0038】
プロテインキナーゼCによるThr−495でのeNOSのリン酸化は、血清飢餓で、フォルボールエステルPMAの存在下で無カルシウム培地中でインキュベートさせた内皮細胞中で起こる、ということを我々は見出した。内皮細胞中のSer−1177とThr−495でのリン酸化の間には、相互補足的な関係が存在する。プロテインキナーゼCは、in vitroで両部位をリン酸化するが、しかしフォルボールエステルによる内皮細胞中のプロテインキナーゼCの刺激は、Thr−495リン酸化の増強、しかしSer−1177の顕著なリン酸化を引き起こす。Ser−1177の脱リン酸化は、オカダ酸により妨げられるが、しかしカリキュリンAによっては妨げられず、これはホスファターゼPP2Aが関与することを示す。オカダ酸は、フォルボールエステルに応答してThr−495のリン酸化も大いに増強する。プロテインキナーゼCを介して作用するトロンビンも、Thr−495のリン酸化およびSer−1177の脱リン酸化を刺激する。
【0039】
これに対比して、ホスホジエステラーゼ阻害物質である3−イソブチル−1−メチルキサンチン(IBMX)による内皮細胞の処理は、Thr−495でのeNOSの顕著な脱リン酸化およびSer−1177リン酸化増強を引き起こす。IBMXに応答するThr−495の脱リン酸化はカリキュリンAを用いた処理により遮断されるが、これは、ホスファターゼPP1がThr−495の脱リン酸化に関与することを示唆する。
【0040】
これらの関係を図8に要約する。骨格筋の運動は、eNOSのSer−1177に対応する部位であるnNOSμのSer−1417のリン酸化を生じることを我々は確認した(図5参照)。ラット長指伸筋(EDL)の電気的刺激は、AMPKを活性化し、アセチルCoAカルボキシラーゼをSer−79(阻害部位)でリン酸化し、およびnNOSμをSer1417でリン酸化することが判明した。同様に、30秒間自転車スプリントのような激しい運動後のヒト骨格筋の生検では、アセチルCoAカルボキシラーゼ中のSer−79でのリン酸化の10倍増大、ならびにnNOSμのSer−1417でのリン酸化の7.5倍増大が認められる(図9参照)。
【0041】
内皮由来NOは、血栓形成をもたらす未熟血小板の付着および凝集防止に重要な役割を有する(Radomski and Moncada, 1993)。心臓血管系に及ぼす高密度リポタンパク質(HDL)増大の防御作用は、血小板NO産生増大により仲介され得る、という証拠がある。HDLの一構成成分であるアポリポタンパク質Eは、血小板中に存在する受容体(アポER2)に作用して、NOシグナル伝達経路を刺激する(Riddell et al., 1997; Riddell and Owen, 1999)。
【0042】
そのCOOH末端のリン酸化によるeNOSの活性化は、eNOS自己阻害に新規の見解を与える。Ser−1177でのリン酸化に伴う活性化増大およびCaM用量依存性のシフトは、eNOSにおいて、そしておそらくはnNOSにおいても、COOH末端が、CaM依存性プロテインキナーゼにおけるのと同様に部分自己調節配列として作用することを示唆する(Kemp and Pearson, 1991; Kobe et al, 1996)。
【0043】
eNOSのCOOH末端は、Ca2+−CaMが結合した場合にのみ完全にAMPKが接触可能であり、これはこの領域がCaMの非存在下で埋没していることと一致する。図5から分かるように、それらのCOOH末端においてeNOSとnNOSとの間の高レベルの類似性が存在するが、一方でiNOSは異なっている。低Ca2+依存性による特性化されるiNOS CaM結合は標準的CaM結合配列、ならびにnNOSキメラでは満たされ得ないCOOH末端中の遠位残基の両方を必要とする(Ruan et al, 1996)。いかなる提案されたメカニズムとも結びつけずに考えると、eNOSおよびnNOSはそれらのCOOH末端により自己阻害され、末端部におけるCaM結合およびリン酸化の両方による完全活性のための2段階活性化工程を要するが、一方、iNOSはCaM結合のみを必要とする。近年、Salerno等(1997)は、FMN結合ドメインにおける挿入配列も自己調節に重要であり得ることを提唱した。
【0044】
従来の研究は、eNOSがin vitroおよびin vivoの両方でリン酸化され得ることを示しているが、しかし、リン酸化の正確な部位およびリン酸化事象の機能は、これまで完全には特性化されていない(Michel and Feron, 1997で検討されている)。eNOSは、AMPKにより活性化される酵素として同定される最初の例であり、そしてリン酸化が、Ca2+−CaMの獲得可能性によって、活性化または抑制をもたらすため、一般的ではない。その他の酵素、特にサイクリン依存性プロテインキナーゼは、リン酸化により活性化または抑制されるが、しかしこれは、異なるプロテインキナーゼにより触媒される。プロテインキナーゼCはeNOS中のThr−495をリン酸化するが、このことは、Thr−495またはSer−1177のリン酸化によるeNOSへの作用の調節経路が交差していることを実証する。例えば糖尿病により誘導される高血糖症に応答するプロテインキナーゼCの持続的活性化がSer−1177でのeNOSのリン酸化を長期的に抑制し、それによりその活性を低減し得るということも考えられる。
【0045】
AMPKによるeNOSの調節は、酵母snflpキナーゼとAMPKとの間の概念上の関係を拡張する。snflpキナーゼは、インベルターゼを分泌することにより環境からのグルコースの供給を調節し、一方哺乳類AMPKは循環系の制御に伴って代謝ストレスシグナリングを統括する。したがって、内皮細胞および筋細胞内の細胞内代謝ストレスシグナルは、栄養供給改善を引き起こし、筋肉の機械的活動を抑制し得る。
【0046】
本発明を分かり易くし、理解するために多少詳細に本発明を説明してきたが、本明細書中に開示された本発明の概念の範囲を逸脱しない限り、本明細書中に記載した実施態様および方法に対する種々の修正および変更が成され得る、ということは当業者には明らかである。
【0047】
本明細書中に引用した参考文献を以下のページに列挙するが、これらの記載内容は、参照により本明細書中に含まれる。
【表2】
Figure 2004537251
【表3】
Figure 2004537251
【表4】
Figure 2004537251
【表5】
Figure 2004537251

【図面の簡単な説明】
【図1】
心臓および前脛骨筋におけるAMPK−α2の蛍光免疫局在を示す。
パネルAは、対照ウサギIgGおよび対照マウスIgGで染色し、抗ウサギFITCおよび抗マウステキサスレッドで染色したラット心臓の陰性対照切片を示す。
パネルBは、AMPK−α2(491−514)に対するアフィニティー精製ウサギポリクローナル抗体および抗ウサギFITCで染色したラット心臓の切片を示す。
パネルCは、ラット内皮recA−1に対するモノクローナル抗体および抗マウステキサスレッドで染色した、パネルBと同一の切片を示す。
パネルDは、パネルBおよびCの上層を示す。同時染色により、共局在化が観察され得る。矢印は、両抗体により染色される特異的内皮細胞を示している。
パネルEは、対照ウサギIgGおよび対照マウスIgGで染色し、抗ウサギFITCおよび抗マウステキサスレッドで染色したラット前脛骨筋の陰性対照切片を示す。
パネルFは、AMPK−α2(491−514)に対するアフィニティー精製ウサギポリクローナル抗体および抗ウサギFITCで染色した切片を示す。
パネルGは、ラット内皮recA−1に対するモノクローナル抗体および抗マウステキサスレッドで染色した、パネルBと同一切片を示す。
パネルHは、パネルEおよびFの上層を示す。同時染色により、共局在化が観察され得る。
【図2】
AMPKによる組換えeNOSのリン酸化を示す。
上部パネル:eNOSをラット肝臓AMPK−α1および[γ−32P]ATPとともにインキュベートした。
レーン1:クーマシー染色SDS−PAGE、
レーン2:オートラジオグラフ。
下部パネル:eNOSの32P−トリプシンホスホペプチドマップ。
【図3】
Ca2+−CaMを付加した場合と付加しない場合の、AMPKによるeNOSのリン酸化の効果を示す。2’,5’−ADP−セファロースアフィニティークロマトグラフィーにより精製されたラット心臓eNOSを、0.8μMのCaM/3.2μMのCa2+の存在下(中黒丸)で、Ca2+−CaMの非存在下(中黒三角)でAMPKを用いて、そしてAMPKを用いず(中白四角)に、リン酸化した。リン酸化後、試料を稀釈し、eNOS活性を測定した。下部パネルは、Ca2+−CaMの存在下および非存在下でリン酸化されたラット心臓eNOSに関するホスホペプチドマップを示す。
【図4】
AMPK−α1、AMPK−α2およびeNOSの活性に及ぼす虚血の作用を示す。
パネルAは、SAMSペプチド基質を用いて検定される、AMPK−α1およびAMPK−α2に特異的な抗体を用いた免疫沈降の結果を示す。示された結果は、平均±SEM(n=5)である。
パネルBは、500nMのCaMで測定されたeNOS活性を示す。
パネルCは、代表的実験に関する全CaM−用量応答を有するeNOS活性を示す。虚血時:0分(中白丸)、1分(中黒菱形)、10分(中黒丸)および20分(中白三角)。4回の反復実験の結果は、20分虚血eNOS CaM−依存性が10分と同様の値を残存した1回の場合以外は、同一であった。
【図5】
NOS配列の比較を示す。eNOSおよびnNOSに関するリン酸化部位配列が、NOSの模式図モデルで示されている。CaM結合領域(eNOSのThr−495リン酸化部位周辺)から、COOH末端(eNOSのSer−1177リン酸化部位周辺)に関する配列が示されている。
【図6】
eNOS活性(上部パネル)ならびにSer−1177およびThr−495でのリン酸化(下部パネル)に及ぼすフォルボールエステル(PMA)およびオカダ酸によるウシ大動脈内皮細胞の処理の効果を示す。
【図7】
Ser−1177およびThr−495でのリン酸化に及ぼす3−イソブチル−1−メチルキサンチン(IBMX)およびカリキュリンAによるウシ大動脈内皮細胞の処理の効果を示す。
【図8】
プロテインキナーゼPKC、AMPKおよびAktにより仲介されるThr−495およびSer−1177でのリン酸化によるeNOSの調節の要約を示す。これらの部位でのリン酸化の逆転は、それぞれIBMXおよびPMAによる細胞の処理に応答してタンパク質ホスファターゼPP1およびPP2Aにより仲介される。
【図9】
ヒト筋肉中でのnNOSリン酸化に及ぼす30秒自転車スプリント運動の効果を示す。nNOSは生検物質から抽出され、抗ホスホペプチド抗体を用いてSer−1417でのリン酸化に関してプローブされた。左パネルは免疫ブロットを示し、右パネルは5個体の定量分析を示す。[0001]
The present invention relates to the regulation of the activity of the enzyme nitric oxide synthase, and in particular to the regulation of the activity of endothelial and neuronal nitric oxide synthase. We have found that phosphorylation of endothelial and neuronal nitric oxide synthase by several protein kinases, including protein kinase C and AMP-activated protein kinase, regulates their activity.
[0002]
(Background of the Invention)
Nitric oxide (NO) has recently been recognized as an important mediator of a very wide variety of cellular functions and is present in most, if not all, mammalian cells (Moncada, S. and Higgs, A., 1993). It is associated with a range of diseases, hypertension, hypocholesterolemia, diabetes, heart disease, aging, inflammation and smoking effects, and is of particular importance in vascular biology. It regulates systemic blood pressure, as well as angiogenesis in response to vascular remodeling (Rudic et al., 1998) and tissue ischemia (Murohara et al., 1998). NO is synthesized from the amino acid L-arginine by the enzyme nitric oxide synthase (NOS).
[0003]
Three isoforms of NOS have been identified: neuronal NOS (nNOS) found in neuronal tissue, and those found in skeletal muscle (nNOSμ isoform); very broad Inducible NOS (iNOS) found in a variety of mammalian tissues, such as activated macrophages, cardiomyocytes, glial cells and vascular smooth muscle cells; and endothelial NOS found in vascular endothelium, cardiomyocytes and platelets ( endothial NOS (eNOS). Endothelial cells produce NO in response to shear stress generated by blood flow over the endothelial layer.
[0004]
The three isoforms of NO synthase have about 55% amino acid sequence homology, with strong sequence conservation in the regions involved in catalysis. For all three isoforms, the mechanism of NO synthesis involves binding of the ubiquitous calcium regulatory protein calmodulin (CaM) to enzymes. However, the conditions under which CaM is bound appear to be different for iNOS, at least as far as calcium concentration is concerned. These three NOS enzymes have been intensively studied and the field has been recently reviewed (see, for example, Michel and Feron (1997); Harrison (1997); and Mayer and Hellens (1997)). Initial studies have shown that eNOS can be variably phosphorylated, but the mechanisms of these phosphorylation events, including the enzymes involved in phosphorylation, and the role of phosphorylation in modulating eNOS function are unknown. Was.
[0005]
AMP-activated protein kinase (AMPK) has a key role in the regulation of acetyl-CoA carboxylase and is a metabolic stress sensitive protein kinase known to result in accelerated fatty acid oxidation during intense exercise or ischemia It is. AMPK is well known as a regulator of lipid metabolism, and in particular is known to have a role in cholesterol synthesis, as reviewed in Hardie and Carling (1997). AMPK is also thought to have an important role in exercise-enhanced glucose transport (Hayashi et al., (1998)), which is distinct from the insulin-mediated glucose uptake mechanism. AMPK has been primarily studied in liver, heart and skeletal muscle. AMPK has been purified and the gene encoding the enzyme subunit has been cloned (see International Patent Applications PCT / GB94 / 01093 and PCT / US97 / 00270 and published WO 97/25341).
[0006]
Mammalian AMPK (Mitchellhill et al. 1994) is correlated with Saccharomyces cerevisiae SNF1 protein kinase. It is required for the expression of the glucose repressor gene in response to the nutrient stress required for growth on alternative carbon sources (Celenza and Carlson, 1986), and both mammalian and yeast kinases are activated by upstream kinases (Hardie and Carling, 1997). AMPK is involved in the metabolic stress response by phosphorylation at Ser-79, and in suppressing the co-localization of acetyl-CoA carboxylase and HMG-CoA reductase (Hardie and Carling, 1997). A variety of AMPK isoforms result. They comprise the α1 or α2 catalytic subunits (Stapleton et al, 1996; Stapleton et al, 1996) along with the non-catalytic subunits β and γ (Mitchellhill et al, 1994; Carling et al, 1994; Stapleton et al, 1994). ) Comprising the αβγ heterotrimers consisting of yeast sip1p and snf4p, respectively.
[0007]
The AMPKα2 subunit gene is on chromosome 1 (Beri et al., 1994), the α1 subunit gene is on chromosome 5, 1 And γ 1 The subunit gene is on chromosome 12 2 The subunit gene is on chromosome 1 and 2 The subunit gene is on chromosome 7 (Stapleton et al, 1997). γ 3 The gene was detected using an expressed sequence tag (EST) generated by genomic sequencing (accession number AA178898).
[0008]
One of the genes encoding eNOS is on chromosome 7 and AMPK γ 2 In the immediate vicinity of the gene corresponding to the subunit. Another gene encoding nNOS is found on chromosome 12 (human gene map; see http://www.ncbi.nlm.nih.gov/cgi-bin/SCIENCE96/tsrch?QTEXT=nitric+oxide+synthase).
[0009]
Recent studies have demonstrated that AMPK in cardiac and skeletal muscle is activated by intense exercise or by ischemic stress (Winder and Hardie, 1996; Vavvas et al, 1997; Kudo et al, 1995). ). This led us to study the localization of AMPK isoforms in these tissues. The AMPK-α2 isoform is present in capillary endothelial cells in cardiac and skeletal muscle, and the AMPK-α1 isoform occurs in cardiomyocytes and vessels. The presence of AMPK in endothelial cells led us to test bacterially expressed eNOS as a substrate and found that it was readily phosphorylated by AMPK-α1 or AMPK-α2.
[0010]
We have now surprisingly found that AMP-activated protein kinase phosphorylates and regulates endothelial NO synthase. AMPK was found to phosphorylate eNOS at two sites. In the presence of calcium and calmodulin, Ser-1177 in the human sequence and Ser-1179 in the bovine sequence are phosphorylated at the COOH terminus of the enzyme, causing eNOS activation by shifting calmodulin dose dependence. In the absence of additional calcium and calmodulin, phosphorylation also occurs at Thr-495 in the eNOS calmodulin binding sequence, repressing the enzyme. Cardiac ischemia mimics the effect of phosphorylation at Ser-1177, causing activation of AMPK and eNOS. A phosphopeptide-specific antibody against phosphorylated Ser-1177 was used to confirm that this site was phosphorylated during ischemia. Our results show that the linkage between metabolic stress that reduces ATP and increases AMP and signals eNOS to control nutrient availability (by arterial vasodilation) as well as to suppress myocardial contraction, It is particularly interesting because it can be identified. This links the metabolic state of endothelial and muscle cells to vascular supply and mechanical demands. Our results provide new insights into the post-translational regulation of eNOS, which has particular significance in the cardiovascular and skeletal muscle fields. In addition, structural and functional similarities between eNOS and nNOS were identified, allowing us to identify modulators of the activity of both these enzymes.
[0011]
(Summary of the Invention)
According to a first aspect, the present invention relates to a method for identifying a modulator of AMPK-mediated activation of a nitric oxide synthase enzyme selected from the group consisting of eNOS, nNOS and nNOSμ, comprising phosphorylation of said enzyme. Testing the ability of the putative modulator to increase or decrease the concentration of the protein, wherein the increase or decrease is dependent on calmodulin and calcium ion concentration.
[0012]
Preferably, the specific phosphorylation of Ser-1177 is assessed in the presence of calcium and calmodulin.
[0013]
In an alternative aspect, the present invention is a method of identifying a modulator of AMPK-mediated suppression of eNOS, wherein the putative method is for its ability to reduce or increase AMPK-mediated phosphorylation of eNOS in the presence of limiting calcium ions. A method comprising testing a modulator is provided. Preferably, the specific phosphorylation of Thr-495 is assessed.
[0014]
Compounds that can increase the phosphorylation of Ser-1177 and decrease the phosphorylation of Thr-495 are referred to herein as activators and reduce the phosphorylation of Ser-1177 and reduce the phosphorylation of Thr-495. Compounds that can increase oxidation are called inhibitors.
[0015]
In both aspects of the invention, one or more of the following activities may optionally be additionally assessed for each putative activator or inhibitor identified by the method of the invention:
(A) effects on smooth muscle contraction,
(B) effects on the inotropic activity of the heart,
(C) an effect on the cycle altering activity of the heart, or
(D) Effect on platelet function.
[0016]
The phosphorylation site corresponding to Thr-495 in the eNOS calmodulin binding site is missing from the neuronal form of NOS, and it is predicted that the inhibitors and activators identified by the method of the invention will have at least some tissue specificity Is done.
[0017]
Compounds that activate AMP-activated protein kinases may increase glucose and fatty acid metabolism and increase NOS activity to improve nutrient and oxygen supply to muscle cells and reduce mechanical activity. Expected to be useful for bloody heart disease. These compounds have utility in pulmonary hypertension and also in obstructive airway disease.
[0018]
As used herein, the term "comprising" is intended to mean "including" but not limited to, and the term "comprising" is understood to have the corresponding meaning. Obviously.
[0019]
(Detailed description of the invention)
The present invention will now be described in detail with reference only to the following non-limiting examples and drawings.
[0020]
Ca 2+ -In the presence of calmodulin (CaM), eNOS is phosphorylated by AMPK at Ser-1177 resulting in activation, while CaNO 2+ It has been surprisingly found that phosphorylation of eNOS in the absence of is preferentially caused at Thr-495, a site in the CaM binding sequence, resulting in suppression. It was previously thought that phosphorylation was simply inhibitory. We have also found that cardiac ischemia results in rapid activation of both isoforms of the metabolic stress sensitive enzymes AMPK and eNOS. These data indicate that AMPK manipulates a “flip-over” signaling pathway that leads to reduced arterial vasodilation and myocardial contraction, and therefore can link the metabolic state of endothelial and muscle cells to vascular supply and mechanical activity. Suggests.
[0021]
Example 1: Fluorescent immunolocalization of AMPK-α2 in cardiac and skeletal muscle
Confocal fluorescence immunomicroscopy was performed on AMPK-α2 using affinity purified rabbit polyclonal antibody (antibodies 491-414). Staining with a fluorescently labeled anti-rabbit antibody showed that the α2 isoform was found preferentially in capillary endothelial cells in both myocardial and skeletal muscle, while in cardiomyocytes and blood vessels, It showed a strong but diffuse staining. In skeletal muscle, the α2 isoform was found in capillary endothelial cells and fast twitch muscle fibers, while the α1 isoform was found in type I aerobic fibers. The localization of AMPK-α2 in capillary endothelial cells in both cardiac and skeletal muscle is illustrated in FIG.
[0022]
Example 2: AMPK phosphorylates recombinant eNOS
Bacterial eNOS co-expressed with CaM by the method of Rodriguez-Crespo et al. (1996) was phosphorylated by AMPK-α1 or AMPK-α2 as shown in the upper panel of FIG. Recombinant eNOS phosphorylation by immunoprecipitated AMPK-α2 was detected. Since the highly specific activity of AMPK-α2 could not be purified, no further characterization of sites of eNOS regulation or phosphorylation by α2 isoforms was attempted. Analysis of the phosphorylation sites in eNOS after trypsin digestion revealed four phosphopeptides arising from three distinct sites (A, A ', B, C in the lower panel of FIG. 2). Identification of phosphorylation sites by mass spectrometry and Edman sequencing using a modification of the method described by Mitchellhill and Kemp, 1999, was performed using Ser-1177 as shown in the lower panel A, A 'of FIG. Is the most prominent phosphorylation site, and its phosphorylation is Ca 2+ -Demonstrated that it depends on the presence of CaM.
[0023]
Isolation of phosphopeptides from in-gel tryptic digests was performed as described by Mitchellhill et al. (1997a). More than 98% of the radioactivity was recovered from the gel. The peptides isolated and characterized by mass spectrometry and Edman sequencing are described in Table 1.
[0024]
[Table 1]
Figure 2004537251
[0025]
32 The position of the phosphorylation site in peptide A, TQXFSLQER, was identified by P-phosphate release sequencing (Mitchellhill et al, 1997a). ENOS phosphorylated by AMPK-α1 was no longer recognized by antibodies to the eNOS COOH-terminus or was eluted from the ADP-Sepharose affinity column by 100 mM NADPH. These properties prevented direct confirmation of phosphorylation of Ser-1177 in situ. This is described in Venema et al. (1996).
[0026]
Ca 2+ -The second site, Thr-495, was phosphorylated in the absence of CaM or in the presence of EGTA. This will be described with reference to the lower panel B of FIG. This residue is a CaM binding sequence between the oxidase and reductase domains of eNOS:
TRKKT 495 FKEVANAVKISASLM
(Venema et al, 1996). Ser-101 in the N-terminal region of eNOS was identified as a secondary site of phosphorylation (C in the lower panel of FIG. 2).
[0027]
Synthetic peptides containing Thr-495 or Ser-1177 were readily phosphorylated by AMPK. Kinetic values were similar to the SAMS peptide substrate. The peptide GTGITRKKTFKEVANAVK containing Thr-495 is phosphorylated with a Km of 39 ± 10 μM and a Vmax of 6.7 ± 0.6 μmol / min / mg, while the peptide RIRTQSSFSLQERQLRG containing Ser-1177 has 54 ± 6 μM. It was phosphorylated at Km and Vmax of 5.8 ± 0.3 μmol / min / mg. These are comparable to the results obtained with a well-characterized SAMS peptide substrate with a Km of 33 ± 3 μM and a Vmax of 8.1 ± 1.5 μmol / min / mg (Michell et al, 1996). In vitro phosphorylation of the peptide confirms the site of phosphorylation identification.
[0028]
Example 3: Effect of Ca on phosphorylation of eNOS by AMPK 2+ -Effect of CaM
Using the method of Balligand et al., 1995, L- [ 3 ENOS activity was determined by measuring [H] -citrulline production. Recombinant eNOS was co-expressed with CaM as described in Rodriguez-Crespo and Oriziz de Montellano, 1996. The partially purified rat heart eNOS contains some Ca 2+ -Contains CaM. In the absence of additional EGTA, CaM dependence was observed in the presence of 0-100 nM additional CaM. Ca 2+ -To investigate the change in NOS activity with phosphorylation in the absence and presence of CaM, CaM dose response curves were generated using EGTA buffer in the range of 0-1 μM. The routine was supplemented with 7-15 μM EGTA to generate eNOS activity dependent on additional CaM. Ca before phosphorylation reaction before eNOS assay 2+ -When using CaM, extra Ca 2+ -CaM is negligible or the indicated concentration is 2+ -Dilute sample to represent total final concentration of CaM.
[0029]
Heart eNOS was partially purified as follows. The hearts of 20 rats were treated with 80 ml of ice-cold buffer A [50 mM Tris-HCl, pH 7.5, 1 mM EDTA, 1 mM EGTA, 1 mM DTT, 50 mM NaF, 5 mM sodium pyrophosphate, 10 μg / ml trypsin inhibitor, 2 μg / ml ml aprotinin, 1 mM benzamidine, 1 mM PMSF, 10% glycerol, 1% Triton-X-100]. The homogenate was placed on ice for 30 minutes and centrifuged at 16,000 xg for 30 minutes. The supernatant was incubated with 2 ml of 2 ', 5'-ADP-Sepharose (Bredt and Snyder, 1990). The suspension was prepared using 20 ml of buffer A and 20 ml of buffer A containing 0.5 M NaCl, followed by 20 ml of buffer B [50 mM Tris-HCl, pH 7.5, 1 mM DTT, 10% glycerol, 0% .1% Triton-X-100] for 1 hour before washing in a frit column. The eNOS was eluted with buffer B containing 2 mM NADPH, followed by centrifugal filtration (ULTRAFREE-MC MILLIPORE) to remove NADPH. Immunoblotting was performed for selective detection of eNOS over nNOS.
[0030]
As shown in the upper panel of FIG. 2+ Phosphorylation of eNOS by AMPK in the presence of -CaM resulted in activation, but CaM dependence was retained. Activation shifted the dose response curve to the left with respect to CaM. Phosphopeptide mapping revealed that eNOS activation correlated with Ser-1177 phosphorylation but not Thr-495 phosphorylation, as shown in the lower panel of FIG. Additional Ca 2+ -Phosphorylation without CaM enhanced Thr-495 phosphorylation, suppressed Ser-1177 phosphorylation and inhibited eNOS activity (Fig. 3, upper panel). Inhibition of eNOS activity by Thr-495 phosphorylation is consistent with earlier reports that phosphorylation of a synthetic peptide corresponding to this region by protein kinase C inhibits CaM binding (Matsubara et al, 1996). Similar results have been reported for nNOS (Loche et al, 1997).
[0031]
Example 4: Effect of ischemia on the activity of AMPK-α1, AMPK-α2 and eNOS
The isolated Langendorff preparation of perfused rat heart was ischemic by the method of Kudo et al. (1995). AMPK-α1 and AMPK-α2 isoforms were immunoprecipitated using α2 (490-516) or α1 (231-251) antibodies and assayed using a SAMS peptide substrate (Michell et al, 1996; Hardie and Carling). , 1997). eNOS activity was measured as described in Example 3. FIG. 4 shows the results. Both the α1 and α2 isoforms are activated as shown in FIG. 4A, which indicates that AMPK is active in both capillary endothelial cells with predominantly α2 isoforms and cardiomyocytes with predominantly α1 isoforms. Indicates that it is activated. AMPK activation during ischemia also accompanies eNOS activation and alters CaM dependence as shown in FIGS. 4B and 4C, mimicking the effects of eNOS phosphorylation by AMPK in vitro as shown in FIG. ing.
[0032]
Polyclonal antibodies were raised against synthetic phosphopeptides based on eNOS sequences: RIRTQSpFSLQER and GITRKKTpFKEVANCV. Rabbits were immunized using a phosphopeptide coupled to keyhole-adsorbed hemocyanin using conventional methods, and then emulsified in Freund's complete adjuvant. After preliminary purification using a dephosphopeptide affinity column, the antibody was purified using the corresponding phosphopeptide affinity column. The specificity of the purified antibodies was confirmed using both EIA and immunoblotting, confirming that they did not recognize the recombinant dephosphorylated-eNOS.
[0033]
Using anti-phosphopeptide antibodies against the Ser-1177 and Thr-495 phosphorylation sites, Ser-1177 phosphorylation was increased about 3-fold by ischemia, but under these conditions Thr-495 phosphorylation was detectable. No significant change was observed. Myocardium contains eNOS in both capillary endothelial cells and cardiomyocytes (Balligand et al, 1995) and has low levels of the nNOSμ isoform (Silvagno et al, 1996).
[0034]
The sequences of the three types of NOS are compared in FIG. 5, which shows the CaM binding region and the C-terminus. In nNOS, Ser-1417 corresponds to Ser-1177 of eNOS, while iNOS is truncated and has Glu in this region. Both iNOS and nNOS lack phosphorylatable residues corresponding to Thr-495 in the CaM binding region.
[0035]
Example 5: Effect of stimulation of protein kinase C on eNOS phosphorylation
Treatment of bovine aortic endothelial cells cultured in 0.1% fetal calf serum (serum starved) for 20 hours with 0.1 μM phorbol-12-myristate-13-acetic acid (PMA), a protein kinase C activator For 5 minutes. PMA treatment increased phosphorylation of eNOS at Thr-495 and reduced phosphorylation at Ser-1177 as measured using an anti-phosphopeptide specific antibody. The antibodies used were the same as those described in Example 4. FIG. 6 shows the results. It was observed that Ser-1177 phosphorylation was reduced by a factor of 4 in cells cultured in medium without calcium. In addition, addition of the calcium ionophore A23187 (10 μM for 90 seconds) further increased Ser-1177 phosphorylation by 7-fold when cells were incubated in standard medium containing calcium. Preincubation of cells with 0.5 μM okadaic acid prevented the dephosphorylation of Ser-1177 by PMA treatment and greatly increased the phosphorylation of Thr-495 (results mean ± SEM, n = 6) . Since okadaic acid suppresses the protein phosphatase PP2A, the results indicate that PP2A is involved in Ser-1177 dephosphorylation. The changes observed in Thr-495 and Ser-1177 phosphorylation in response to treatment with PMA and okadaic acid were reflected in eNOS activity. Increased phosphorylation of Thr-495 by PMA or PMA + okadaic acid was associated with reduced eNOS activity. Okadaic acid alone increased Ser-1177 phosphorylation and was associated with increased eNOS activity without change to Thr-495 phosphorylation (FIG. 6, upper panel).
[0036]
Example 6: Effect of inhibition of phosphodiesterase and phosphatase on eNOS phosphorylation
The details of the experiment were the same as in Example 5. Bovine aortic endothelial cells are preincubated for 10 minutes with or without 10 nM phosphatase inhibitor calyculin A, and then with or with 0.5 mM phosphodiesterase inhibitor 3-isobutyl-1-methylxanthine (IBMX). For 5 minutes. As shown in FIG. 7, IBMX treatment caused an increase in Ser-1177 phosphorylation and Thr-495 dephosphorylation. Preincubation with calyculin A prevented Thr-495 dephosphorylation (results mean ± SEM, n = 6). Since caliculin A suppresses protein phosphatase PP1, the results indicate that PP1 is involved in the dephosphorylation of Thr-495.
[0037]
Consideration
Since the identification of the Ser-1177 phosphorylation site by the present inventors, it has been recognized that other protein kinases phosphorylate at this site. In particular, the protein kinase Akt (also referred to as PKB) may stimulate endothelial cells by vascular endothelial growth factor (VEGF) (Fulton et al, 1999; Michell et al., 1999) or fluid shear stress (Dimmerler et al.). , 1999; phosphorylates Ser-1177 in response to Gallis et al., 1999). A study by Gallis et al. (1999) reported that fluid shear stress stimulated phosphorylation of Ser-116 in the sequence KLQTRPSPGPPPA. Neither the kinase involved in this site on eNOS nor the functional effect of phosphorylation has yet been identified. This phosphorylation site is in the oxidase domain.
[0038]
We have found that phosphorylation of eNOS at Thr-495 by protein kinase C occurs in serum-starved endothelial cells incubated in calcium-free medium in the presence of phorbol ester PMA. There is a complementary relationship between phosphorylation at Ser-1177 and Thr-495 in endothelial cells. Protein kinase C phosphorylates both sites in vitro, but stimulation of protein kinase C in endothelial cells by phorbol ester enhances Thr-495 phosphorylation, but marked Ser-1177 phosphorylation. cause. Dephosphorylation of Ser-1177 was prevented by okadaic acid, but not by caliculin A, indicating that phosphatase PP2A is involved. Okadaic acid also greatly enhances phosphorylation of Thr-495 in response to phorbol esters. Thrombin, which acts via protein kinase C, also stimulates phosphorylation of Thr-495 and dephosphorylation of Ser-1177.
[0039]
In contrast, treatment of endothelial cells with the phosphodiesterase inhibitor 3-isobutyl-1-methylxanthine (IBMX) causes significant dephosphorylation of eNOS and enhanced Ser-1177 phosphorylation with Thr-495. . Dephosphorylation of Thr-495 in response to IBMX is blocked by treatment with calyculin A, suggesting that phosphatase PP1 is involved in dephosphorylation of Thr-495.
[0040]
These relationships are summarized in FIG. We confirmed that skeletal muscle movement resulted in phosphorylation of Ser-1417 in nNOSμ, a site corresponding to Ser-1177 in eNOS (see FIG. 5). Electrical stimulation of rat extensor digitorum longisus (EDL) was found to activate AMPK, phosphorylate acetyl-CoA carboxylase at Ser-79 (inhibition site), and phosphorylate nNOSμ at Ser1417. Similarly, biopsies of human skeletal muscle after strenuous exercise such as a 30 second bicycle splint show a 10-fold increase in phosphorylation at Ser-79 in acetyl-CoA carboxylase, as well as phosphorylation of nNOSμ at Ser-1417. A 7.5-fold increase is observed (see FIG. 9).
[0041]
Endothelial-derived NO has an important role in preventing the adhesion and aggregation of immature platelets that lead to thrombus formation (Radomski and Moncada, 1993). There is evidence that the protective effects of increased high density lipoprotein (HDL) on the cardiovascular system can be mediated by increased platelet NO production. Apolipoprotein E, a component of HDL, acts on a receptor (apoER2) present in platelets to stimulate the NO signaling pathway (Riddell et al., 1997; Riddell and Owen, 1999).
[0042]
Activation of eNOS by phosphorylation of its COOH terminus gives a new perspective on eNOS autoinhibition. The increased activation and CaM dose-dependent shift associated with phosphorylation at Ser-1177 indicates that the COOH terminus acts as a partial autoregulatory sequence in eNOS, and probably also in nNOS, as in CaM-dependent protein kinase. (Kemp and Pearson, 1991; Kobe et al, 1996).
[0043]
The COOH end of eNOS is Ca 2+ Only AMPK is accessible when CaM is bound, which is consistent with this region being buried in the absence of CaM. As can be seen from FIG. 5, there is a high level of similarity between eNOS and nNOS at their COOH termini, while iNOS is different. Low Ca 2+ INOS CaM binding, characterized by dependence, requires both a standard CaM binding sequence, as well as distal residues in the COOH terminus that cannot be satisfied by nNOS chimeras (Ruan et al, 1996). Without considering any proposed mechanism, eNOS and nNOS are autoinhibited by their COOH termini, requiring a two-step activation step for full activity by both CaM binding and phosphorylation at the termini, On the other hand, iNOS requires only CaM binding. Recently, Salerno et al. (1997) proposed that the insertion sequence in the FMN binding domain may also be important for autoregulation.
[0044]
Previous studies have shown that eNOS can be phosphorylated both in vitro and in vivo, but the exact site of phosphorylation and the function of phosphorylation events have, to date, been completely characterized. (Discussed in Michel and Feron, 1997). eNOS is the first example identified as an enzyme activated by AMPK, and phosphorylation is 2+ -Is not common as it leads to activation or suppression depending on the availability of CaM. Other enzymes, especially cyclin-dependent protein kinases, are activated or repressed by phosphorylation, but they are catalyzed by different protein kinases. Protein kinase C phosphorylates Thr-495 in eNOS, demonstrating that the regulatory pathways of action on eNOS by phosphorylation of Thr-495 or Ser-1177 are crossed. For example, it is also possible that sustained activation of protein kinase C in response to diabetes-induced hyperglycemia may long-term suppress eNOS phosphorylation at Ser-1177, thereby reducing its activity. .
[0045]
Regulation of eNOS by AMPK extends the conceptual relationship between yeast snflp kinase and AMPK. Snflp kinase regulates the supply of glucose from the environment by secreting invertase, whereas mammalian AMPK regulates metabolic stress signaling with control of the circulatory system. Thus, intracellular metabolic stress signals in endothelial cells and muscle cells can cause improved nutritional supply and suppress muscle mechanical activity.
[0046]
Although the present invention has been described in some detail for purposes of clarity and understanding, the embodiments described herein have been described without departing from the scope of the inventive concepts disclosed herein. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made to the methods and methods.
[0047]
References cited in the present specification are listed on the following pages, and the contents of these descriptions are incorporated herein by reference.
[Table 2]
Figure 2004537251
[Table 3]
Figure 2004537251
[Table 4]
Figure 2004537251
[Table 5]
Figure 2004537251

[Brief description of the drawings]
FIG.
FIG. 4 shows the fluorescent immunolocalization of AMPK-α2 in heart and tibialis anterior muscle.
Panel A shows a negative control section of a rat heart stained with control rabbit IgG and control mouse IgG and stained with anti-rabbit FITC and anti-mouse Texas Red.
Panel B shows a section of a rat heart stained with affinity purified rabbit polyclonal antibody to AMPK-α2 (491-514) and anti-rabbit FITC.
Panel C shows the same section as panel B, stained with a monoclonal antibody against rat endothelial recA-1 and anti-mouse Texas Red.
Panel D shows the upper layers of panels B and C. By co-staining, co-localization can be observed. Arrows indicate specific endothelial cells stained by both antibodies.
Panel E shows a negative control section of rat tibialis anterior muscle stained with control rabbit IgG and control mouse IgG and stained with anti-rabbit FITC and anti-mouse Texas Red.
Panel F shows sections stained with affinity purified rabbit polyclonal antibody to AMPK-α2 (491-514) and anti-rabbit FITC.
Panel G shows the same section as panel B, stained with a monoclonal antibody against rat endothelial recA-1 and anti-mouse Texas Red.
Panel H shows the upper layer of panels E and F. By co-staining, co-localization can be observed.
FIG. 2
FIG. 4 shows phosphorylation of recombinant eNOS by AMPK.
Upper panel: eNOS was administered to rat liver AMPK-α1 and [γ- 32 [P] ATP.
Lane 1: Coomassie stained SDS-PAGE,
Lane 2: autoradiograph.
Lower panel: eNOS 32 P-trypsin phosphopeptide map.
FIG. 3
Ca 2+ The effect of AMPK phosphorylation of eNOS with and without CaM is shown. Rat heart eNOS purified by 2 ', 5'-ADP-Sepharose affinity chromatography was converted to 0.8 μM CaM / 3.2 μM Ca 2+ In the presence of 2+ -Phosphorylated with AMPK in the absence of CaM (filled triangles) and without AMPK (filled squares); After phosphorylation, samples were diluted and eNOS activity was measured. The lower panel is Ca 2+ -Shows phosphopeptide maps for rat heart eNOS phosphorylated in the presence and absence of CaM.
FIG. 4
Figure 3 shows the effect of ischemia on the activity of AMPK-α1, AMPK-α2 and eNOS.
Panel A shows the results of immunoprecipitation using antibodies specific for AMPK-α1 and AMPK-α2, assayed using a SAMS peptide substrate. The results shown are means ± SEM (n = 5).
Panel B shows eNOS activity measured at 500 nM CaM.
Panel C shows eNOS activity with total CaM-dose response for a representative experiment. At ischemia: 0 minutes (solid white circle), 1 minute (solid black diamond), 10 minutes (solid black circle) and 20 minutes (filled white triangle). The results of the four replicates were identical except for one case where the 20 minute ischemic eNOS CaM-dependence remained similar to 10 minutes.
FIG. 5
3 shows a comparison of NOS sequences. Phosphorylation site sequences for eNOS and nNOS are shown in a schematic model of NOS. The sequence from the CaM binding region (around the phosphorylation site of Thr-495 of eNOS) to the COOH terminal (around the phosphorylation site of Ser-1177 of eNOS) is shown.
FIG. 6
Figure 4 shows the effect of treatment of bovine aortic endothelial cells with phorbol ester (PMA) and okadaic acid on eNOS activity (top panel) and phosphorylation at Ser-1177 and Thr-495 (bottom panel).
FIG. 7
FIG. 4 shows the effect of treatment of bovine aortic endothelial cells with 3-isobutyl-1-methylxanthine (IBMX) and calyculin A on phosphorylation at Ser-1177 and Thr-495.
FIG. 8
1 shows a summary of the regulation of eNOS by phosphorylation at Thr-495 and Ser-1177 mediated by protein kinases PKC, AMPK and Akt. Reversal of phosphorylation at these sites is mediated by protein phosphatases PP1 and PP2A in response to treatment of cells with IBMX and PMA, respectively.
FIG. 9
Figure 3 shows the effect of a 30 second bicycle splint exercise on nNOS phosphorylation in human muscle. nNOS was extracted from biopsies and probed for phosphorylation at Ser-1417 using anti-phosphopeptide antibodies. The left panel shows the immunoblot and the right panel shows the quantitative analysis of 5 individuals.

Claims (13)

eNOS、nNOSおよびnNOSμから成る群から選択される一酸化窒素シンターゼ酵素のAMPKが仲介する活性化のモジュレーターの同定方法であって、前記酵素のリン酸化を増大または低減させる能力について推定上のモジュレーターを試験する工程を含み、前記増大または低減がカルモジュリンおよびカルシウムイオン濃度に依存する方法。A method for identifying a modulator of AMPK-mediated activation of a nitric oxide synthase enzyme selected from the group consisting of eNOS, nNOS and nNOSμ, wherein the putative modulator has the ability to increase or decrease phosphorylation of the enzyme. Testing, wherein said increase or decrease is dependent on calmodulin and calcium ion concentration. Ser−1177の特異的リン酸化はカルシウムおよびカルモジュリンの存在下で査定される請求項1記載の方法。2. The method of claim 1, wherein the specific phosphorylation of Ser-1177 is assessed in the presence of calcium and calmodulin. eNOSのAMPKが仲介する抑制のモジュレーターの同定方法であって、制限カルシウムイオン存在下でeNOSのAMPKが仲介するリン酸化を低減または増大させる能力について推定上のモジュレーターを試験する工程を含む方法。A method of identifying a modulator of AMPK-mediated suppression of eNOS, comprising testing a putative modulator for the ability to reduce or increase AMPK-mediated phosphorylation of eNOS in the presence of limiting calcium ions. Thr−495の特異的リン酸化が査定される請求項3記載の方法。4. The method of claim 3, wherein specific phosphorylation of Thr-495 is assessed. 1つ、またはそれ以上の下記の活性:
(a)平滑筋収縮に及ぼす効果、
(b)心臓の変力活性に及ぼす効果、
(c)心臓の周期変更活性に及ぼす効果、または
(d)血小板機能に及ぼす効果
がさらに査定される請求項1〜4のいずれか1項に記載の方法。
One or more of the following activities:
(A) effects on smooth muscle contraction,
(B) effects on the inotropic activity of the heart,
5. The method according to any one of claims 1 to 4, wherein (c) the effect on the cycle altering activity of the heart or (d) the effect on platelet function is further assessed.
前記モジュレーターは本明細書中に記載されている活性化物質である請求項1〜5のいずれか1項に記載の方法。The method according to any one of claims 1 to 5, wherein the modulator is an activator described herein. 前記活性化物質はグルコース代謝および脂肪酸代謝の両方を促進する請求項6記載の方法。7. The method of claim 6, wherein said activator promotes both glucose and fatty acid metabolism. 前記モジュレーターは本明細書中に記載されている阻害物質である請求項1〜5のいずれか1項に記載の方法。The method of any one of claims 1 to 5, wherein the modulator is an inhibitor described herein. 前記モジュレーターは非ニューロン細胞に優先的に作用する請求項3〜8記載のいずれか1項に記載の方法。9. The method according to any one of claims 3 to 8, wherein the modulator acts preferentially on non-neuronal cells. 前記モジュレーターはSer−1177の脱リン酸化を促進し、eNOS活性を抑制する請求項1または請求項2記載の方法。The method according to claim 1 or 2, wherein the modulator promotes dephosphorylation of Ser-1177 and suppresses eNOS activity. 前記モジュレーターはThr−495の脱リン酸化を促進し、eNOS活性を刺激する請求項3記載の方法。4. The method of claim 3, wherein said modulator promotes Thr-495 dephosphorylation and stimulates eNOS activity. 前記モジュレーターはnNOSまたはnNOSμのSer−1417でのリン酸化を促進する請求項1または請求項2記載の方法。The method according to claim 1 or 2, wherein the modulator promotes phosphorylation of nNOS or nNOSμ at Ser-1417. 前記モジュレーターはnNOSまたはnNOSμのSer−1417での脱リン酸化を促進する請求項1または請求項2記載の方法。3. The method of claim 1 or claim 2, wherein the modulator promotes dephosphorylation of nNOS or nNOS [mu] at Ser-1417.
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