Dang, Van Cuong;Kim, Hyoung Kyu;Marquez, Jubert;Kim, Nari;Ko, Kyung Soo;Rhee, Byoung Doo;Han, Jin
The Korean Journal of Physiology and Pharmacology
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제20권2호
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pp.213-220
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2016
Mast cells are primary mediators of allergic inflammation. Beta-1,3-glucan (BG) protects against infection and shock by activating immune cells. Activation of the BG receptor induces an increase in intracellular $Ca^{2+}$, which may induce exocytosis. However, little is known about the precise mechanisms underlying BG activation of immune cells and the possible role of mitochondria in this process. The present study examined whether BG induced mast cell degranulation, and evaluated the role of calcium transients during mast cell activation. Our investigation focused on the role of the mitochondrial calcium uniporter (MCU) in BG-induced degranulation. Black mouse (C57) bone marrow-derived mast cells were stimulated with $0.5{\mu}g/ml$ BG, $100{\mu}g/ml$ peptidoglycan (PGN), or $10{\mu}M$ A23187 (calcium ionophore), and dynamic changes in cytosolic and mitochondrial calcium and membrane potential were monitored. BG-induced mast cell degranulation occurred in a time-dependent manner, and was significantly reduced under calcium-free conditions. Ruthenium red, a mitochondrial $Ca^{2+}$ uniporter blocker, significantly reduced mast cell degranulation induced by BG, PGN, and A23187. These results suggest that the mitochondrial $Ca^{2+}$ uniporter has an important regulatory role in BG-induced mast cell degranulation.
Lee, Ji Hyung;Amarsanaa, Khulan;Wu, Jinji;Jeon, Sang-Chan;Cui, Yanji;Jung, Sung-Cherl;Park, Deok-Bae;Kim, Se-Jae;Han, Sang-Heon;Kim, Hyun-Wook;Rhyu, Im Joo;Eun, Su-Yong
The Korean Journal of Physiology and Pharmacology
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제22권3호
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pp.311-319
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2018
Mitochondrial calcium overload is a crucial event in determining the fate of neuronal cell survival and death, implicated in pathogenesis of neurodegenerative diseases. One of the driving forces of calcium influx into mitochondria is mitochondria membrane potential (${\Delta}{\psi}_m$). Therefore, pharmacological manipulation of ${\Delta}{\psi}_m$ can be a promising strategy to prevent neuronal cell death against brain insults. Based on these issues, we investigated here whether nobiletin, a Citrus polymethoxylated flavone, prevents neurotoxic neuronal calcium overload and cell death via regulating basal ${\Delta}{\psi}_m$ against neuronal insult in primary cortical neurons and pure brain mitochondria isolated from rat cortices. Results demonstrated that nobiletin treatment significantly increased cell viability against glutamate toxicity ($100{\mu}M$, 20 min) in primary cortical neurons. Real-time imaging-based fluorometry data reveal that nobiletin evokes partial mitochondrial depolarization in these neurons. Nobiletin markedly attenuated mitochondrial calcium overload and reactive oxygen species (ROS) generation in glutamate ($100{\mu}M$)-stimulated cortical neurons and isolated pure mitochondria exposed to high concentration of $Ca^{2+}$ ($5{\mu}M$). Nobiletin-induced partial mitochondrial depolarization in intact neurons was confirmed in isolated brain mitochondria using a fluorescence microplate reader. Nobiletin effects on basal ${\Delta}{\psi}_m$ were completely abolished in $K^+-free$ medium on pure isolated mitochondria. Taken together, results demonstrate that $K^+$ influx into mitochondria is critically involved in partial mitochondrial depolarization-related neuroprotective effect of nobiletin. Nobiletin-induced mitochondrial $K^+$ influx is probably mediated, at least in part, by activation of mitochondrial $K^+$ channels. However, further detailed studies should be conducted to determine exact molecular targets of nobiletin in mitochondria.
Mitochondria are cellular organelles that perform various functions within cells. They are responsible for ATP production, cell-signal regulation, autophagy, and cell apoptosis. Because the mitochondrial proteins that perform these functions need Ca2+ ions for their activity, mitochondria have ion channels to selectively uptake Ca2+ ions from the cytoplasm. The ion channel known to play the most important role in the Ca2+ uptake in mitochondria is the mitochondrial calcium uniporter (MCU) holo-complex located in the inner mitochondrial membrane (IMM). This ion channel complex exists in the form of a complex consisting of the pore-forming protein through which the Ca2+ ions are transported into the mitochondrial matrix, and the auxiliary protein involved in regulating the activity of the Ca2+ uptake by the MCU holo-complex. Studies of this MCU holo-complex have long been conducted, but we didn't know in detail how mitochondria uptake Ca2+ ions through this ion channel complex or how the activity of this ion channel complex is regulated. Recently, the protein structure of the MCU holo-complex was identified, enabling the mechanism of Ca2+ uptake and its regulation by the MCU holo-complex to be confirmed. In this review, I will introduce the mechanism of action of the MCU holo-complex at the molecular level based on the Cryo-EM structure of the MCU holo-complex to help understand how mitochondria uptake the necessary Ca2+ ions through the MCU holo-complex and how these Ca2+ uptake mechanisms are regulated.
Apoptosis (programmed cell death) is a cellular self-destruction mechanism that is essential for a variety of biological events, such as developmental sculpturing, tissue homeostasis, and the removal of unwanted cells. Mitochondria play a crucial role in regulating cell death. $Ca^{2+}$ has long been recognized as a participant in apoptotic pathways. Mitochondria are known to modulate and synchronize $Ca^{2+}$ signaling. Massive accumulation of $Ca^{2+}$ in the mitochondria leads to apoptosis. The $Ca^{2+}$ dynamics of ER and mitochondria appear to be modulated by the Bcl-2 family proteins, key factors involved in apoptosis. The number and morphology of mitochondria are precisely controlled through mitochondrial fusion and fission process by numerous mitochondria-shaping proteins. Mitochondrial fission accompanies apoptotic cell death and appears to be important for progression of the apoptotic pathway. Here, we highlight and discuss the role of mitochondrial calcium handling and mitochondrial fusion and fission machinery in apoptosis.
Mitochondrial DNA (mtDNA) mutations are often observed in various cancer types. Although the correlation between mitochondrial dysfunction and cancer malignancy has been demonstrated by several studies, further research is required to elucidate the molecular mechanisms underlying accelerated tumor development and progression due to mitochondrial mutations. We generated an mtDNA-depleted cell line, ${\rho}^0$, via long-term ethidium bromide treatment to define the molecular mechanisms of tumor malignancy induced by mitochondrial dysfunction. Mitochondrial dysfunction in ${\rho}^0$ cells reduced drug-induced cell death and decreased the expression of pro-apoptotic proteins including p53. The p53 expression was reduced by activation of nuclear $factor-{\kappa}B$ that depended on elevated levels of free calcium in $HCT116/{\rho}^0$ cells. Overall, these data provide a novel mechanism for tumor development and drug resistance due to mitochondrial dysfunction.
Arduino, Daniela M.;Esteves, A. Raquel;Domingues, A. Filipa;Pereira, Claudia M.F.;Cardoso, Sandra M.;Oliveira, Catarina R.
BMB Reports
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제42권11호
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pp.719-724
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2009
Recent studies have revealed that endoplasmic reticulum (ER) disturbance is involved in the pathophysiology of neurodegenerative disorders, contributing to the activation of the ER stress-mediated apoptotic pathway. Therefore, we investigated here the molecular mechanisms underlying the ER-mitochondria axis, focusing on calcium as a potential mediator of cell death signals. Using NT2 cells treated with brefeldin A or tunicamycin, we observed that ER stress induces changes in the mitochondrial function, impairing mitochondrial membrane potential and distressing mitochondrial respiratory chain complex Moreover, stress stimuli at ER level evoked calcium fluxes between ER and mitochondria. Under these conditions, ER stress activated the unfolded protein response by an overexpression of GRP78, and also caspase-4 and-2, both involved upstream of caspase-9. Our findings show that ER and mitochondria interconnection plays a prominent role in the induction of neuronal cell death under particular stress circumstances.
Mitochondria participate in various intracellular metabolic pathways such as generating intracellular ATP, synthesizing several essential molecules, regulating calcium homeostasis, and producing the cell's reactive oxygen species (ROS). Emerging studies have demonstrated newly discovered roles of mitochondria, which participate in the regulation of innate immune responses by modulating NLRP3 inflammasomes. Here, we review the recently proposed pathways to be involved in mitochondria-mediated regulation of inflammasome activation and inflammation: 1) mitochondrial ROS, 2) calcium mobilization, 3) nicotinamide adenine dinucleotide ($NAD^+$) reduction, 4) cardiolipin, 5) mitofusin, 6) mitochondrial DNA, 7) mitochondrial antiviral signaling protein. Furthermore, we highlight the significance of mitophagy as a negative regulator of mitochondrial damage and NLRP3 inflammasome activation, as potentially helpful therapeutic approaches which could potentially address uncontrolled inflammation.
The mitochondrial genome encodes 13 proteins that are components of the oxidative phosphorylation system (OXPHOS), suggesting that precise regulation of these genes is crucial for maintaining OXPHOS functions, including ATP production, calcium buffering, cell signaling, ROS production, and apoptosis. Furthermore, heteroplasmy or mis-regulation of gene expression in mitochondria frequently is associated with human mitochondrial diseases. Thus, various approaches have been developed to investigate the roles of genes encoded by the mitochondrial genome. In this review, we will discuss a wide range of techniques available for investigating the mitochondrial genome, mitochondrial transcription, and mitochondrial translation, which provide a useful guide to understanding mitochondrial gene expression.
Evidence shows that nerve injury triggers mitochondrial dysfunction during axonal degeneration. Mitochondria play a pivotal role in axonal regeneration. Therefore, normalizing mitochondrial energy metabolism may represent an elective therapeutic strategy contributing to nerve recovery after damage. Photobiomodulation (PBM) induces a photobiological effect by stimulating mitochondrial activity. An increasing body of evidence demonstrates that PBM improves ATP generation and modulates many of the secondary mediators [reactive oxygen species (ROS), nitric oxide (NO), cyclic adenosine monophosphate (cAMP), and calcium ions (Ca2+)], which in turn activate multiple pathways involved in axonal regeneration.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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