Mitochondrion is an intracellular organelle with its own genome. Its function in cellular metabolism is indispensable that mitochondrial dysfunction gives rise to multisystemic failure. The manifestation is most prominent with tissues of high energy demand such as muscle and nerve. Mitochondrial myopathies occur not only by mutations in mitochondrial genome, but also by defects in nuclear genes or secondarily by toxic insult on mitochondrial replication. Currently curative treatment modality does not exist and symptomatic treatment remains mainstay. Administration of L-arginine holds great promise according to the recent reports. Advances in mitochondrial RNA import might enable a new therapeutic strategy.
We synthesized eight G8 molecular transporters (MTs) based on 4 different monosaccharide scaffolds, and studied their biological properties with a special focus on possible mitochondrial targeting and tissue selectivity. The mitochondrial affinity of these MTs was found to be clearly related to the scaffold stereochemistry and also tenuously with the lipophilicity. It may be suggested that in the practical delivery strategy of drugs for the brain and mitochondrial diseases the BBB permeability and mitochondrial affinity should be considered as key parameters, and that an enhanced mitochondrial affinity appears possible by further research on the structure-property relationship of guanidine-rich molecular transporters.
Defects in mitochondrial DNA (mtDNA) cause many human diseases and are critical factors that contribute to aging. The mechanisms of maternally-inherited mtDNA mutations are well studied. However, the role of acquired mutations during the aging process is still poorly understood. The most plausible mechanism is that increased reactive oxygen species (ROS) may affect the opening of mitochondrial voltage dependent anion channel (VDAC) and thus results in damage to mtDNA. This review focuses on recent trends in mtDNA research and the mutations that appear to be associated with increased ROS.
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.
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.
Recently, it was reported that entire mammalian mtDNA genomes could be transplanted into the mitochondrial networks of yeast, where they were accurately and stably maintained without rearrangement as intact genomes. Here, it was found that engineered mtDNA genomes could be readily transferred to and steadily maintained in the mitochondria of genetically modified yeast expressing the mouse mitochondrial transcription factor A (Tfam), one of the mitochondrial nucleoid proteins. The transferred mtDNA genomes were stably retained in the Tfam-expressing yeast cells for many generations. These results indicated that the engineered mouse mtDNA genomes introduced in yeast mitochondria could be relocated into the mitochondria of other cells and that the transferred genomes could be maintained within a mitochondrial environment that is highly amenable to mimicry of the biological conditions in mammalian mitochondria.
Mitochondrial injury in renal tubule has been recognized as a major contributor in acute kidney injury (AKI) pathogenesis. Ischemic insult, nephrotoxin, endotoxin and contrast medium destroy mitochondrial structure and function as well as their biogenesis and dynamics, especially in renal proximal tubule, to elicit ATP depletion. Mitochondrial fatty acid ${\beta}$-oxidation (FAO) is the preferred source of ATP in the kidney, and its impairment is a critical factor in AKI pathogenesis. This review explores current knowledge of mitochondrial dysfunction and energy depletion in AKI and prospective views on developing therapeutic strategies targeting mitochondrial dysfunction in AKI.
To characterize cytosolic $Ca^{2+}$ fluctuations under metabolic inhibition, rat ventricular myocytes were exposed to $200{\mu}M$ 2,4-dinitrophenol (DNP), and mitochondrial $Ca^{2+}$, mitochondrial membrane potential (${\Delta}{\Psi}m$), and cytosolic $Ca^{2+}$ were measured, using Rhod-2 AM, TMRE, and Fluo-4 AM fluorescent dyes, respectively, by Laser Scanning Confocal Microscopy (LSCM). Furthermore, the role of sarcolemmal $Na^+$/$Ca^{2+}$ exchange (NCX) in cytosolic $Ca^{2+}$ efflux was studied in KB-R7943 and $Na^+$-free normal Tyrode's solution (143 mM LiCl ). When DNP was applied to cells loaded with Fluo-4 AM, Fluo-4 AM fluorescence intensity initially increased by $70{\pm}10$% within $70{\pm}10$ s, and later by $400{\pm}200$% at $850{\pm}45$ s. Fluorescence intensity of both Rhod-2 AM and TMRE were initially decreased by DNP, coincident with the initial increase of Fluo-4 AM fluorescence intensity. When sarcoplasmic reticulum (SR) $Ca^{2+}$ was depleted by $1{\mu}M thapsigargin plus $10{\mu}M ryanodine, the initial increase of Fluo-4 AM fluorescence intensity was unaffected, however, the subsequent progressive increase was abolished. KB-R7943 delayed both the first and the second phases of cytosolic $Ca^{2+}$ overload, while $Na^+$-free solution accelerated the second. The above results suggest that: 1) the initial rise in cytosolic $Ca^{2+}$ under DNP results from mitochondrial depolarization; 2) the secondary increase is caused by progressive $Ca^{2+}$ release from SR; 3) NCX plays an important role in transient cytosolic $Ca^{2+}$ shifts under metabolic inhibition with DNP.
With wide use of nano-materials, it is increasingly important to address their potential toxicity to mammalian cells. However, toxic effects of these materials have been mainly assessed by the cell survival assays. Considering that mitochondrial morphology and quality are highly sensitive to the condition of the cells, and the impairment of mitochondrial function greatly affect the survival of cells, here we tested the impact of multi-walled carbon nanotubes (MWNT) on the survival, mitochondrial morphology, and their membrane potential in HeLa cells. Interestingly, although MWNT did not induce cell death until 24 hours as assessed by pyknotic cell assay, mitochondrial length was elongated and the mitochondrial membrane potential was significantly reduced by exposure of HeLa cells to MWNT. These results suggest that MWNT exposure is potentially harmful to the cell, and the mechanism how MWNT alters mitochondrial quality should be further explored to assess the safety of MWNT use.
The incidence of type 2 diabetes mellitus and insulin resistance is growing rapidly. Multiple organs including the liver, skeletal muscle and adipose tissue control insulin sensitivity coordinately, but the mechanism of skeletal muscle insulin resistance has not yet been fully elucidated. However, there is a growing body of evidence that lipotoxicity induced by mitochondrial dysfunction in skeletal muscle is an important mediator of insulin resistance. However, some recent findings suggest that skeletal mitochondrial dysfunction generated by genetic manipulation is not always correlated with insulin resistance in animal models. A high fat diet can provoke insulin resistance despite a coordinate increase in skeletal muscle mitochondria, which implies that mitochondrial dysfunction is not mandatory in insulin resistance. Furthermore, incomplete fatty acid oxidation by excessive nutrition supply compared to mitochondrial demand can induce insulin resistance without preceding impairment of mitochondrial function. Taken together we suggested that skeletal muscle mitochondrial overloading, not mitochondrial dysfunction, plays a pivotal role in insulin resistance.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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