In a variety of eukaryotic cells, autophagy sequesters a portion of the cytoplasm and targets it to a lytic compartment for degradation in bulk. Autophagy is a dynamic process for degrading cytoplasmic cargoes with various degrees of selectivity, and its activity is tightly regulated in a nutrient- and development-dependent manner. Autophagy research has drawn much attention since autophagy not only is an interesting cell biological phenomenon but also has great potential for medical and agricultural applications. For example, autophagy is associated with cancers and neurodegenerative diseases in human and mammalian cells and is also suggested in remobilization of nutrients during the senescence of plant leaves. In this general review, we describe genetic components of the core autophagic machinery conserved among yeast, animals, and plants and briefly explain how these components are responsible for major steps in plant autophagy. We discuss four common features of autophagic processes: (i) autophagy as a degradation pathway, (ii) the concept of flux in autophagy research, (iii) dependency on developmental and nutritional cues, and (iv) diversity of autophagy, focusing on selective types of autophagy. We also summarize cell biological and physiological functions of plant autophagy. Our intention is to provide a quick guide to autophagy for those who are new to autophagy research.
Autophagy targets cytoplasmic cargo to a lytic compartment for degradation. Autophagy-related (Atg) proteins, including the transmembrane protein Atg9, are involved in different steps of autophagy in yeast and mammalian cells. Functional classification of core Atg proteins in plants has not been clearly confirmed, partly because of the limited availability of reliable assays for monitoring autophagic flux. By using proUBQ10-GFP-ATG8a as an autophagic marker, we showed that autophagic flux is reduced but not completely compromised in Arabidopsis thaliana atg9 mutants. In contrast, we confirmed full inhibition of auto-phagic flux in atg7 and that the difference in autophagy was consistent with the differences in mutant phenotypes such as hypersensitivity to nutrient stress and selective autophagy. Autophagic flux is also reduced by an inhibitor of phosphatidylinositol kinase. Our data indicated that atg9 is phenotypically distinct from atg7 and atg2 in Arabidopsis, and we proposed that ATG9 and phosphatidylinositol kinase activity contribute to efficient autophagy in Arabidopsis.
Mitochondria are responsible for supplying of most of the cell's energy via oxidative phosphorylation. However, mitochondria also can be deleterious for a cell because they are the primary source of reactive oxygen species, which are generated as a byproduct of respiration. Accumulation of mitochondrial and cellular oxidative damage leads to diverse pathologies. Thus, it is important to maintain a population of healthy and functional mitochondria for normal cellular metabolism. Eukaryotes have developed defense mechanisms to cope with aberrant mitochondria. Mitochondria autophagy (known as mitophagy) is thought to be one such process that selectively sequesters dysfunctional or excess mitochondria within double-membrane autophagosomes and carries them into lysosomes/vacuoles for degradation. The power of genetics and conservation of fundamental cellular processes among eukaryotes make yeast an excellent model for understanding the general mechanisms, regulation, and function of mitophagy. In budding yeast, a mitochondrial surface protein, Atg32, serves as a mitochondrial receptor for selective autophagy that interacts with Atg11, an adaptor protein for selective types of autophagy, and Atg8, a ubiquitin-like protein localized to the isolation membrane. Atg32 is regulated transcriptionally and post-translationally to control mitophagy. Moreover, because Atg32 is a mitophagy-specific protein, analysis of its deficient mutant enables investigation of the physiological roles of mitophagy. Here, we review recent progress in the understanding of the molecular mechanisms and functional importance of mitophagy in yeast at multiple levels.
The mammalian target of rapamycin (mTOR) regulates cellular processes such as cell growth, metabolism, transcription, translation, and autophagy. Rapamycin is a selective inhibitor of mTOR, and induces autophagy in various systems. Autophagy contributes to clearance and recycling of macromolecules and organelles in response to stress. We previously reported that vitrified-warmed mouse oocytes show acute increases in autophagy during warming, and suggested that it is a natural response to cold stress. In this follow-up study, we examined whether the modulation of autophagy influences survival, fertilization, and developmental rates of vitrified-warmed mouse oocytes. We used rapamycin to enhance autophagy in metaphase II (MII) oocytes before and after vitrification. The oocytes were then subjected to in vitro fertilization (IVF). The fertilization and developmental rates of vitrified-warmed oocytes after rapamycin treatment were significantly lower than those for control groups. Modulation of autophagy with rapamycin treatment shows that rapamycin-induced autophagy exerts a negative influence on fertilization and development of vitrified-warmed oocytes.
Recently, we reported that defective autophagy may contribute to the inhibition of the growth in response to PP2 (4-amino-5-(4-chlorophenyl)-7-(t-butyl)pyrazolo[3,4-d]pyrimidine), a selective SFK inhibitor, in multidrug-resistant v-Ha-ras-transformed NIH 3T3 cells (Ras-NIH 3T3/Mdr). In this study, we demonstrated that PP2 induces LC3 conversion via a mechanism that is uncoupled from autophagy and increases apoptosis in Ras-NIH 3T3/Mdr cells. PP2 preferentially induced autophagy in Ras-NIH 3T3 cells rather than in Ras-NIH 3T3/Mdr cells as determined by LC3-I to LC3-II conversion and GFP-LC3 fluorescence microscopy. Beclin 1 knockdown experiments showed that, regardless of drug resistance, PP2 induces autophagy via a Beclin 1-dependent mechanism. PP2 induced a conformational change in Beclin 1, resulting in the enhancement of the pro-autophagic activity of Beclin 1, in Ras-NIH 3T3 cells. Further, PI3K inhibition induced by wortmannin caused a significant increase in apoptosis in Ras-NIH 3T3 cells, as demonstrated by flow cytometric analysis of Annexin V staining, implying that autophagy inhibition through PI3K increases apoptosis in response to PP2 in Ras-NIH 3T3 cells. However, despite the fact that wortmannin abrogates PP2-induced GFP-LC3 punctae formation, some LC3 conversion remains in Ras-NIH 3T3/Mdr cells, suggesting that LC3 conversion may occur in an autophagy-independent manner. Taken together, these results suggest that PP2 induces LC3 conversion independent of PI3K, concomitant with the uncoupling of LC3 conversion from autophagy, in multidrug-resistant cells.
Selective estrogen receptor modulators (SERMs) are synthetic molecules which bind to estrogen receptors (ER) and can modulate its transcriptional capabilities in different ways in diverse estrogen target tissues. Tamoxifen, the prototypical SERM, is extensively used for targeted therapy of ER positive breast cancers. Unfortunately, the use of tamoxifen is associated with acquired resistance and some undesirable side effects. This study investigated the availability of the conventional SERMs on the TAM-resistance breast cancer cells. SERMs showed more effectiveness in MCF-7 cells than tamoxifen resistant cells, except toremifene and ospemifene. Especially, toremifene was more efficacious in tamoxifen resistant cells than MCF-7. Ospemifene had similar cytotoxic activity on the two types of breast cancers. The other SERMs used in this experiment didn't inhibit efficiently the proliferation of tamoxifen resistant cells. These results support the possibility to usage of toremifene on tamoxifen resistant cancer. The effectiveness by toremifene on tamoxifen resistant cells might be different pathways from the apoptosis and the autophagy. Further study should be needed to elucidate the underlying mechanism of effect of toremifene on tamoxifen resistant cancer.
The NLRP3 inflammasome is activated by a variety of external or host-derived stimuli and its activation initiates an inflammatory response through caspase-1 activation, resulting in inflammatory cytokine IL-1β maturation and secretion. The NLRP3 inflammasome activation is a kind of innate immune response, most likely mediated by myeloid cells acting as a host defense mechanism. However, if this activation is not properly regulated, excessive inflammation induced by overactivated NLRP3 inflammasome can be detrimental to the host, causing tissue damage and organ dysfunction, eventually causing several diseases. Previous studies have suggested that mitochondrial damage may be a cause of NLRP3 inflammasome activation and autophagy, which is a conserved self-degradation process that negatively regulates NLRP3 inflammasome activation. Recently, mitochondria-selective autophagy, termed mitophagy, has emerged as a central player for maintaining mitochondrial homeostasis through the elimination of damaged mitochondria, leading to the prevention of hyperinflammation triggered by NLRP3 inflammasome activation. In this review, we will first focus on the molecular mechanisms of NLRP3 inflammasome activation and NLRP3 inflammasome-related diseases. We will then discuss autophagy, especially mitophagy, as a negative regulator of NLPP3 inflammasome activation by examining recent advances in research.
Raloxifene is a selective estrogen receptor modulator (SERM) that binds to the estrogen receptor (ER), and exhibits potent anti-tumor and autophagy-inducing effects in breast cancer cells. However, the mechanism of raloxifene-induced cell death and autophagy is not well-established. So, we analyzed mechanism underlying death and autophagy induced by raloxifene in MCF-7 breast cancer cells. Treatment with raloxifene significantly induced death in MCF-7 cells. Raloxifene accumulated GFP-LC3 puncta and increased the level of autophagic marker proteins, such as LC3-II, BECN1, and ATG12-ATG5 conjugates, indicating activated autophagy. Raloxifene also increased autophagic flux indicators, the cleavage of GFP from GFP-LC3 and only red fluorescence-positive puncta in mRFP-GFP-LC3-expressing cells. An autophagy inhibitor, 3-methyladenine (3-MA), suppressed the level of LC3-II and blocked the formation of GFP-LC3 puncta. Moreover, siRNA targeting BECN1 markedly reversed cell death and the level of LC3-II increased by raloxifene. Besides, raloxifene-induced cell death was not related to cleavage of caspases-7, -9, and PARP. These results indicate that raloxifene activates autophagy-dependent cell death but not apoptosis. Interestingly, raloxifene decreased the level of intracellular adenosine triphosphate (ATP) and activated the AMPK/ULK1 pathway. However it was not suppressed the AKT/mTOR pathway. Addition of ATP decreased the phosphorylation of AMPK as well as the accumulation of LC3-II, finally attenuating raloxifene-induced cell death. Our current study demonstrates that raloxifene induces autophagy via the activation of AMPK by sensing decreases in ATP, and that the overactivation of autophagy promotes cell death and thereby mediates the anti-cancer effects of raloxifene in breast cancer cells.
Toxoplasma gondii is an intracellular protozoan parasite that infects approximately one third of the human population worldwide. Considering the toxicity and side effects of anti-toxoplasma medications, it is important to develop effective drug alternatives with fewer and less severe off-target effects. In this study, we found that 4-hydroxybenzaldehyde (4-HBA) induced autophagy and the expression of NAD-dependent protein deacetylase sirtuin-1 (SIRT1) in primary murine bone marrow-derived macrophages (BMDMs). Interestingly, treatment of BMDMs with 4-HBA significantly reduced the number of macrophages infected with T. gondii and the proliferation of T. gondii in infected cells. This effect was impaired by pretreating the macrophages with 3-methyladenine or wortmannin (selective autophagy inhibitors) or with sirtinol or EX527 (SIRT1 inhibitors). Moreover, we found that pharmacological inhibition of SIRT1 prevented 4-HBA-mediated expression of LC3-phosphatidylethanolamine conjugate (LC3-II) and the colocalization of T. gondii parasitophorous vacuoles with autophagosomes in BMDMs. These data suggest that 4-HBA promotes antiparasitic host responses by activating SIRT1-mediated autophagy, and 4-HBA might be a promising therapeutic alternative for the treatment of toxoplasmosis.
Mitochondrial quality control systems are essential for the maintenance of functional mitochondria. At the organelle level, they include mitochondrial biogenesis, fusion and fission, to compensate for mitochondrial function, and mitophagy, for degrading damaged mitochondria. Specifically, in mitophagy, the target mitochondria are recognized by the autophagosomes and delivered to the lysosome for degradation. In this review, we describe the mechanisms of mitophagy and the factors that play an important role in this process. In particular, we focus on the roles of mitophagy adapters and receptors in the recognition of damaged mitochondria by autophagosomes. In addition, we also address a functional association of mitophagy with mitochondrial dynamics through the interaction of mitophagy adaptor and receptor proteins with mitochondrial fusion and fission proteins.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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