Nicotinamide (NAM) plays essential roles in physiology through facilitating $NAD^+$ redox homeostasis. Importantly, at high doses, it protects cells under oxidative stresses, and has shown therapeutic effectiveness in a variety of disease conditions. In our previous studies, NAM lowered reactive oxygen species (ROS) levels and extended cellular life span in primary human cells. In the treated cells, levels of $NAD^+/NADH$ and SIRT1 activity increased, while mitochondrial content decreased through autophagy activation. The remaining mitochondria were marked with low superoxide levels and high membrane potentials (${\Delta}_{{\Psi}m}$); we posited that the treatment of NAM induced an activation of mitophagy that is selective for depolarized mitochondria, which produce high levels of ROS. However, evidence for the selective mitophagy that is mediated by SIRT1 has never been provided. This study sought to explain the mechanisms by which NAM lowers ROS levels and increases ${\Delta}_{{\Psi}m}$. Our results showed that NAM and SIRT1 activation exert quite different effects on mitochondrial physiology. Furthermore, the changes in ROS and ${\Delta}_{{\Psi}m}$ were not found to be mediated through autophagy or SIRT activation. Rather, NAM suppressed superoxide generation via a direct reduction of electron transport, and increased ${\Delta}_{{\Psi}m}$ via suppression of mitochondrial permeability transition pore formation. Our results dissected the effects of cellular $NAD^+$ redox modulation, and emphasized the importance of the $NAD^+/NADH$ ratio in the mitochondria as well as the cytosol in maintaining mitochondrial quality.
Lee, Seunghee;Lee, Sangguk;Lee, Seon-Jin;Chung, Su Wol
BMB Reports
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제55권7호
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pp.354-359
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2022
MitoNEET, a mitochondrial outer membrane protein containing the Asn-Glu-Glu-Thr (NEET) sequence, controls the formation of intermitochondrial junctions and confers autophagy resistance. Moreover, mitoNEET as a mitochondrial substrate undergoes ubiquitination by activated Parkin during the initiation of mitophagy. Therefore, mitoNEET is linked to the regulation of autophagy and mitophagy. Mitophagy is the selective removal of the damaged or unnecessary mitochondria, which is crucial to sustaining mitochondrial quality control. In numerous human diseases, the accumulation of damaged mitochondria by impaired mitophagy has been observed. However, the therapeutic strategy targeting of mitoNEET as a mitophagy-enhancing mediator requires further research. Herein, we confirmed that mitophagy is indeed activated by mitoNEET inhibition. CCCP (carbonyl cyanide m-chlorophenyl hydrazone), which leads to mitochondrial depolarization, induces mitochondrial dysfunction and superoxide production. This, in turn, contributes to the induction of mitophagy; mitoNEET protein levels were initially increased before an increase in LC3-II protein following CCCP treatment. Pharmacological inhibition of mitoNEET using mitoNEET Ligand-1 (NL-1) promoted accumulation of Pink1 and Parkin, which are mitophagy-associated proteins, and activation of mitochondria-lysosome crosstalk, in comparison to CCCP alone. Inhibition of mitoNEET using NL-1, or mitoNEET shRNA transfected into RAW264.7 cells, abrogated CCCP-induced ROS and mitochondrial cell death; additionally, it activated the expression of PGC-1α and SOD2, regulators of oxidative metabolism. In particular, the increase in PGC-1α, which is a major regulator of mitochondrial biogenesis, promotes mitochondrial quality control. These results indicated that mitoNEET is a potential therapeutic target in numerous human diseases to enhance mitophagy and protect cells by maintaining a network of healthy mitochondria.
Background: Herbal medicines are popular approaches to capably prevent and treat obesity and its related diseases. Excessive exposure to dietary lipids causes oxidative stress and inflammation, which possibly induces cellular senescence and contribute the damaging effects in brain. The potential roles of selective enhanced ginsenoside in regulating high fat diet (HFD)-induced brain damage remain unknown. Methods: The protection function of Ginsenoside F1-enhanced mixture (SGB121) was evaluated by in vivo and in vitro experiments. Human primary astrocytes and SH-SY5Y cells were treated with palmitic acid conjugated Bovine Serum Albumin, and the effects of SGB121 were determined by MTT and lipid uptake assays. For in vivo tests, C57BL/6J mice were fed with high fat diet for 3 months with or without SGB121 administration. Thereafter, immunohistochemistry, western blot, PCR and ELISA assays were conducted with brain tissues. Results and conclusion: SGB121 selectively suppressed HFD-induced oxidative stress and cellular senescence in brain, and reduced subsequent inflammation responses manifested by abrogated secretion of IL-6, IL-1β and TNFα via NF-κB signaling pathway. Interestingly, SGB121 protects against HFD-induced damage by improving mitophagy and endoplasmic reticulum-stress associated autophagy flux and inhibiting apoptosis. In addition, SGB121 regulates lipid uptake and accumulation by FATP4 and PPARα. SGB121 significantly abates excessively phosphorylated tau protein in the cortex and GFAP activation in corpus callosum. Together, our results suggest that SGB121 is able to favor the resistance of brain to HFD-induced damage, therefore provide explicit evidence of the potential to be a functional food.
Mitochondria have several quality control mechanisms by which they maintain cellular homeostasis and ensure that the molecular machinery is protected from stress. Mitophagy, selective autophagy of mitochondria, promotes mitochondrial quality control by inducing clearance of damaged mitochondria via the autophagic machinery. Accumulating evidence suggests that mitophagy is modulated by various microbial components in an attempt to affect the innate immune response to infection. In addition, mitophagy plays a key role in the regulation of inflammatory signaling, and mitochondrial danger signals such as mitochondrial DNA translocated into the cytosol can lead to exaggerated inflammatory responses. In this review, we present current knowledge on the functional aspects of mitophagy and its crosstalk with innate immune signaling during infection. A deeper understanding of the role of mitophagy could facilitate the development of more effective therapeutic strategies against various infections.
Mitophagy, the selective degradation of damaged or surplus mitochondria using core autophagy machinery, plays an essential role in maintaining cellular mitochondrial function. Impaired mitophagy is closely linked to various human diseases, including neurodegenerative diseases, cardiovascular diseases, cancers and kidney disease. Defective mitophagy induces the accumulation of damaged mitochondria and thereby results in a decline in cellular survival and tissue function. Accordingly, enhancement of mitophagy has been proposed as a novel strategy for the treatment of human diseases closely linked to mitochondrial dysfunction. Recent studies showing that the stimulation of mitophagy has a therapeutic effect on several disease models highlight the possibility of disease treatment using mitophagy. The development of mitophagy inducers with toxicity and the identification of molecular mechanisms will enable the clinical application of mitophagy-based treatments.
Parkinson's disease (PD) is one of the most common neurodegenerative diseases in the elderly population and is caused by the loss of dopaminergic neurons. PD has been predominantly attributed to mitochondrial dysfunction. The structural alteration of α-synuclein triggers toxic oligomer formation in the neurons, which greatly contributes to PD. In this article, we discuss the role of several familial PD-related proteins, such as α-synuclein, DJ-1, LRRK2, PINK1, and parkin in mitophagy, which entails a selective degradation of mitochondria via autophagy. Defective changes in mitochondrial dynamics and their biochemical and functional interaction induce the formation of toxic α-synuclein-containing protein aggregates in PD. In addition, these gene products play an essential role in ubiquitin proteasome system (UPS)-mediated proteolysis as well as mitophagy. Interestingly, a few deubiquitinating enzymes (DUBs) additionally modulate these two pathways negatively or positively. Based on these findings, we summarize the close relationship between several DUBs and the precise modulation of mitophagy. For example, the USP8, USP10, and USP15, among many DUBs are reported to specifically regulate the K48- or K63-linked de-ubiquitination reactions of several target proteins associated with the mitophagic process, in turn upregulating the mitophagy and protecting neuronal cells from α-synuclein-derived toxicity. In contrast, USP30 inhibits mitophagy by opposing parkin-mediated ubiquitination of target proteins. Furthermore, the association between these changes and PD pathogenesis will be discussed. Taken together, although the functional roles of several PD-related genes have yet to be fully understood, they are substantially associated with mitochondrial quality control as well as UPS. Therefore, a better understanding of their relationship provides valuable therapeutic clues for appropriate management strategies.
Mitophagy, a cellular process that selectively targets dysfunctional mitochondria for degradation, is currently a hot topic in research into the pathogenesis and treatment of many human diseases. Considering that hypoxia causes mitochondrial dysfunction, which results in cell death, we speculated that selective activation of mitophagy might promote cell survival under hypoxic conditions. In the present study, we introduced the Regulator of calcineurin 1-1L (Rcan1-1L) to initiate the mitophagy pathway and aimed to evaluate the effect of Rcan1-1L-induced mitophagy on cell survival under hypoxic conditions. Recombinant adenovirus vectors carrying Rcan1-1L were transfected into human umbilical vein endothelial cells and human adult cardiac myocytes. Using the 3-(4,5-Dimethylthiazol-2-yl)-2,5-diphenyltetrazolium bromide MTT assay and Trypan blue exclusion assay, Rcan1-1L overexpression was found to markedly reverse cell growth inhibition induced by hypoxia. Additionally, Rcan1-1L overexpression inhibited cell apoptosis under hypoxic conditions, as detected by annexin V-fluorescein isothiocyanate (FITC)/propidium iodide (PI) apoptosis assay. Meanwhile, the mitochondria-mediated cell apoptotic pathway was inhibited by Rcan1-1L. In contrast, knockdown of Rcan1-1L accelerated hypoxia-induced cell apoptosis. Moreover, Rcan1-1L overexpression significantly reduced mitochondrial mass, decreased depolarized mitochondria, and downregulated ATP and reactive oxygen species production. We further delineated that the loss of mitochondrial mass was due to the activation of mitophagy induced by Rcan1-1L. Rcan1-1L overexpression activated autophagy flux and promoted translocation of the specific mitophagy receptor Parkin into mitochondria from the cytosol, whereas inhibition of autophagy flux resulted in the accumulation of Parkin-loaded mitochondria. Finally, we demonstrated that mitochondrial 1permeability transition pore opening was significantly increased by Rcan1-1L overexpression, which suggested that Rcan1-1L might evoke mitophagy through regulating mitochondrial permeability transition pores. Taken together, we provide evidence that Rcan1-1L overexpression induces mitophagy, which in turn contributes to cell survival under hypoxic conditions, revealing for the first time that Rcan1-1L-induced mitophagy may be used for cardioprotection.
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