Mitochondria play a key role in maintaining life by producing ATP and heat. Recent researches have demonstrated that degenerative diseases such as heart failure, obesity/diabetes, cardiovascular disease, and psychiatric diseases are accompanied by mitochondria dysfunction. In this sense, mitochondria medicine considers the significance of mitochondria in human pathology and tries to explain degenerative diseases as a fatal consequence of mitochondria dysfunction. Here, I introduce the fundamentals of mitochondria physiology and present examples showing the relationship between mitochondria dysfunction and chronic complex diseases. Although mitochondria medicine uses a molecular biological approach predominantly, a biomedical engineering approach might play a critical role in unveiling the complexity of mitochondria medicine and in its application to the diagnosis and treatment of chronic diseases. Thus, I also briefly review the prospects of research using biomedical engineering methods.
Despite enduring diverse insults, mitochondria maintain normal functions through mitochondrial quality control. However, the failure of mitochondrial quality control resulting from excess damage and mechanical defects causes mitochondrial dysfunction, leading to various human diseases. Recent studies have reported that mitochondrial defects are found in Alzheimer's disease (AD) and worsen AD symptoms. In AD pathogenesis, mitochondrial dysfunction-driven generation of reactive oxygen species (ROS) and their contribution to neuronal damage has been widely studied. In contrast, studies on mitochondrial dysfunction-associated inflammatory responses have been relatively scarce. Moreover, ROS produced upon failure of mitochondrial quality control may be linked to the inflammatory response and influence the progression of AD. Thus, this review will focus on inflammatory pathways that are associated with and initiated through defective mitochondria and will summarize recent progress on the role of mitochondria-mediated inflammation in AD. We will also discuss how reducing mitochondrial dysfunction-mediated inflammation could affect AD.
In reproduction, mitochondria produce bioenergy, help to synthesize biomolecules, and support the ovaries, oogenesis, and preimplantation embryos, thereby facilitating healthy live births. However, the regulatory mechanism of mitochondria in oocytes and embryos during oogenesis and embryo development has not been clearly elucidated. The functional activity of mitochondria is crucial for determining the quality of oocytes and embryos; therefore, the underlying mechanism must be better understood. In this review, we summarize the specific role of mitochondria in reproduction in oocytes and embryos. We also briefly discuss the recovery of mitochondrial function in gametes and zygotes. First, we introduce the general characteristics of mitochondria in cells, including their roles in adenosine triphosphate and reactive oxygen species production, calcium homeostasis, and programmed cell death. Second, we present the unique characteristics of mitochondria in female reproduction, covering the bottleneck theory, mitochondrial shape, and mitochondrial metabolic pathways during oogenesis and preimplantation embryo development. Mitochondrial dysfunction is associated with ovarian aging, a diminished ovarian reserve, a poor ovarian response, and several reproduction problems in gametes and zygotes, such as aneuploidy and genetic disorders. Finally, we briefly describe which factors are involved in mitochondrial dysfunction and how mitochondrial function can be recovered in reproduction. We hope to provide a new viewpoint regarding factors that can overcome mitochondrial dysfunction in the field of reproductive medicine.
The decrease of metabolism in the brain has been observed as the important lesions of Alzheimer's disease (AD) from the early stages of diagnosis. The cumulative evidence has reported that the failure of mitochondria, an organelle involved in diverse biological processes as well as energy production, maybe the cause or effect of the pathogenesis of AD. Both amyloid and tau pathologies have an impact upon mitochondria through physical interaction or indirect signaling pathways, resulting in the disruption of mitochondrial function and dynamics which can trigger AD. In addition, mitochondria are involved in different biological processes depending on the specific functions of each cell type in the brain. Thus, it is necessary to understand mitochondrial dysfunction as part of the pathological phenotypes of AD according to each cell type. In this review, we summarize that 1) the effects of AD pathology inducing mitochondrial dysfunction and 2) the contribution of mitochondrial dysfunction in each cell type to AD pathogenesis.
The present study elucidated the effect of $\beta$-carbolines (harmaline and harmalol) on brain mitochondlial dysfunction caused by the tyrosinase-induced oxidation of dopamine. Harmaline, harmalol and antioxidant enzymes (SOD and catalase) attenuated the dopamine-induced alteration of membrane potential, cytochrome c release and thiol oxidation in mitochondria. In contrast, antioxidant enzymes failed to reverse mitochondrial dysfunction induced by dopmnine plus tyrosinase. $\beta$-Carbolines decreased the damaging effect of dopamine plus tyrosinase against mitochondria, except no effect of harmalol on thiol oxidation. Antioxidant enzymes decreased the melanin formation from dopamine in the reaction mixture containing mitochondria but did not reduce the formation of dopamine quinone caused by tyrosinase. Both harmalol and harmaline inhibited the formation of reactive quinone and melanin. Harmalol being more effective for quinone formation and vise versa. The results indicate that compared to MAO-induced dopamine oxidation, the toxic effect of dopamine in the presence of tyrosinase against mitochondria may be accomplished by the dopamine quinone and toxic substances other than reactive oxygen species. $\beta$-Carbolines may decrease the dopamine plus tyrosinase-induced brain mitochondrial dysfunction by inhibition of the formation of reactive quinone and the change in membrane permeability.
Mitochondria dysfunction was first described in the 1960s. However, the extent and mechanisms of mitochondria dysfunction's role in cellular physiology and pathology has only recently begun to be appreciated. To adequately evaluate mitochondria-mediated toxicity, it is not only necessary to understand mitochondria biology, but discerning mitochondrial redox biology is also essential. The latter is intricately tied to mitochondrial bioenergetics. Mitochondrial free radicals, antioxidants, and antioxidant enzymes are players in mitochondrial redox biology. This review will provide an across-the-board, albeit not in-depth, overview of mitochondria biology and mitochondrial redox biology. With accumulating knowledge on mitochondria biology and mitochondrial redox biology, we may devise experimental methods with adequate sensitivity and specificity to evaluate mitochondrial toxicity, especially in vivo in living organisms, in the near future.
Obesity is known to induce inhibition of glucose uptake, reduction of lipid metabolism, and progressive loss of skeletal muscle function, which are all associated with mitochondrial dysfunction in skeletal muscle. Mitochondria are dynamic organelles that regulate cellular metabolism and bioenergetics, including ATP production via oxidative phosphorylation. Due to these critical roles of mitochondria, mitochondrial dysfunction results in various diseases such as obesity and type 2 diabetes. Obesity is associated with impairment of mitochondrial function (e.g., decrease in $O_2$ respiration and increase in oxidative stress) in skeletal muscle. The balance between mitochondrial fusion and fission is critical to maintain mitochondrial homeostasis in skeletal muscle. Obesity impairs mitochondrial dynamics, leading to an unbalance between fusion and fission by favorably shifting fission or reducing fusion proteins. Mitophagy is the catabolic process of damaged or unnecessary mitochondria. Obesity reduces mitochondrial biogenesis in skeletal muscle and increases accumulation of dysfunctional cellular organelles, suggesting that mitophagy does not work properly in obesity. Mitochondrial dysfunction and oxidative stress are reported to trigger apoptosis, and mitochondrial apoptosis is induced by obesity in skeletal muscle. It is well known that exercise is the most effective intervention to protect against obesity. Although the cellular and molecular mechanisms by which exercise protects against obesity-induced mitochondrial dysfunction in skeletal muscle are not clearly elucidated, exercise training attenuates mitochondrial dysfunction, allows mitochondria to maintain the balance between mitochondrial dynamics and mitophagy, and reduces apoptotic signaling in obese skeletal muscle.
Cardiomyopathy is an inherited or acquired disease of the myocardium, which can result in severe ventricular dysfunction. Mitochondrial dysfunction is involved in the pathological process of cardiomyopathy. Many dysfunctions in cardiac mitochondria are consequences of mutations in nuclear or mitochondrial DNA followed by alterations in transcriptional regulation, mitochondrial protein function, and mitochondrial dynamics and energetics, presenting with associated multisystem mitochondrial disorders. To ensure correct diagnosis and optimal management of mitochondrial dysfunction in cardiomyopathy caused by multiple pathogenesis, multidisciplinary approaches are required, and to integrate between clinical and basic sciences, ideal translational models are needed. In this review, we will focus on experimental models to provide insights into basic mitochondrial physiology and detailed underlying mechanisms of cardiomyopathy and current mitochondria-targeted therapies for cardiomyopathy.
미토콘드리아는 세포 에너지 공급을 위한 에너지 대사의 주요 세포 소기관으로 칼슘 조절, 활성 산소(ROS) 생성, 세포 사멸(apoptosis)을 조절하는데도 중요한 역할을 한다. 이러한 미토콘드리아에 발생한 기능 이상은 신경퇴행질환, 루게릭병, 심혈관계 질환, 정신 질환, 당뇨, 암과 같은 다양한 질병과 연관이 있다. 미토콘드리아 기능 이상 관련 질병들은 노화와 관련된 질병이 주를 차지하며, 이 논문에서는 그 중에서도 암에 초점을 맞춰 서술하고자 한다. 미토콘드리아 기능 이상은 발암을 유도하며, 많은 암 종에서 발견된다. 암종에 따라 미토콘드리아 기능 이상을 일으키는 요인들이 다르며, 이러한 변화는 치료 내성, 전이와 같은 암 악성화도 유발한다. 미토콘드리아 기능 이상의 요인으로는 미토콘드리아 수 부족, 주요 물질 제공 불능, ATP 합성 기능 이상 등이 존재하나, 암 발병과 악성화에 영향을 미치는 주요 원인으로 미토콘드리아 DNA (mtDNA)의 감소(depletion)를 들 수 있다. 미토콘드리아 기능 이상은 분자 활성 변화 혹은 발현 변화를 통해 암 악성화를 일으키나, 어떠한 변화가 암 악성화를 야기하는지 구체적으로 알려진 바가 없다. 미토콘드리아 기능 이상과 암의 상관관계는 대부분 미토콘드리아 기능 이상 세포를 이용하여 연구하는데, 그 제작 방법으로는 EtBr에 의한 화학적 방법과 shRNA, Crispr/Cas9과 같은 유전자 수선 (gene editing) 방법 등이 있다. 이러한 기법으로 제작된 미토콘드리아 기능 이상 세포주는 암을 비롯한 미토콘드리아 기능 이상에 의한 다양한 질병 연구에 이용되고 있다.
Acute kidney ischemia-reperfusion (IR) injury is a life-threatening condition that predisposes individuals to chronic kidney disease. Since the kidney is one of the most energy-demanding organs in the human body and mitochondria are the powerhouse of cells, mitochondrial dysfunction plays a central role in the pathogenesis of IR-induced acute kidney injury. Mitochondrial dysfunction causes a reduction in adenosine triphosphate production, loss of mitochondrial dynamics (represented by persistent fragmentation), and impaired mitophagy. Furthermore, the pathological accumulation of succinate resulting from fumarate reduction under oxygen deprivation (ischemia) in the reverse flux of the Krebs cycle can eventually lead to a burst of reactive oxygen species driven by reverse electron transfer during the reperfusion phase. Accumulating evidence indicates that improving mitochondrial function, biogenesis, and dynamics, and normalizing metabolic reprogramming within the mitochondria have the potential to preserve kidney function during IR injury and prevent progression to chronic kidney disease. In this review, we summarize recent advances in understanding the detrimental role of metabolic reprogramming and mitochondrial dysfunction in IR injury and explore potential therapeutic strategies for treating kidney IR injury.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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