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, 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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v.22
no.3
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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.
Uncoupling proteins (UCPs) are mitochondrial inner membrane proteins that function to dissipate proton motive force and mitochondrial membrane potential. One UCP has been identified in Caenorhabditis elegans (C. elegans), namely UCP-4. In this study, we examined its expression and localization using a GFP marker in C. elegans. ucp-4 was expressed throughout the body from early embryo to aged adult and UCP-4 was localized in the mitochondria. It is known that increased mitochondrial membrane protential leads to a reactive oxygen species (ROS) increase, which is associated with age-related diseases, including neurodegenerative diseases in humans. A ucp-4 mutant showed increased mitochondrial membrane protential in association with increased neuronal defects during aging, and the neurons of ucp-4 overexpressing animals showed decreased neuronal defects during aging. These results suggest that UCP-4 may be involved in neuroprotection during aging via relieving mitochondrial membrane protential. We also investigated the relationship between UCP-4 and innate immunity because increased ROS can affect innate immunity. ucp-4 mutant displayed increased resistance to the pathogen Staphylococcus aureus compared to wild type. The enhanced immunity in the ucp-4 mutant could be related to increased mitochondrial membrane protential, presumably followed by increased ROS. In summary, UCP-4 might have an important role in neuronal aging and innate immune responses through mediating mitochondrial membrane protential.
Journal of Physiology & Pathology in Korean Medicine
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v.23
no.4
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pp.888-894
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2009
It has been reported that silibinin, a natural polyphenolic flavonoid, induces cell death in various cancer cell types. However, the underlying mechanisms by which silibinin induces apoptosis in human glioma cells are poorly understood. The present study was therefore undertaken to examine the effect of silibinin on glioma cell apoptosis and to determine its underlying mechanism in human glioma cells. Apoptosis was estimated by FACS analysis. Reactive oxygen species (ROS) generation and mitochondrial membrane potential (${\Psi}m$) were measured using fluorescence dyes DCFH-DA and $DiOC_6$(3), respectively. Cytochrome c release from mitochondria and caspase-3 activation were estimated by Western blot analysis using specific antibodies. Exposure of cells to 30 mM silibinin induced apoptosis starting at 6 h, with increasing effects after 12-48h in a time-dependent manner. Silibinin caused ROS generation and disruption of ym, which were associated with the silibinin-induced apoptosis. The silibinin-induced ROS generation and disruption in ym were prevented by inhibitors of mitochondrial electron transport chain. The hydrogen peroxide scavenger catalase blocked ROS generation and apoptosis induced by silibinin. Silibinin induced cytochrome c release into cytosolic fraction and its effect was prevented by catalase and cyclosporine A. Silibinin treatment caused caspase-3 activation, which was inhibited by DVED-CHO and cyclosporine A. Pretreatment of caspase inhibitors also protected against the silibinin-induced apoptosis. These findings indicate that ROS generation plays a critical role in the initiation of the silibinin-induced apoptotic cascade by mediation of the mitochondrial apoptotic pathway including the disruption of ${\Psi}m$, cytochrome c release, and caspase-3 activation.
Preciously, we demonstrated that a novel NHE-1 inhibitor, KR-33028 attenuated cortical neuronal apoptosis induced by glutamate. In the present study, we investigated the signaling mechanism of neuroprotective effect of KR-33028 against glutamate-induced neuronal apoptosis, especially focusing on mitochondrial death pathway. Our data showed that glutamate induces a biphasic rise in mitochondrial $Ca^{2+}$ and that KR-33028 significantly prevents the second phase increase, but not the first phase increase in mitochondrial $Ca^{2+}$. Furthermore, KR-33028 restored the ${\Delta}{\Psi}_m$ dissipation and cytochrome c release into cytoplasm induced by glutamate in a concentration-dependent manner. The inhibition of mitochondrial $Ca^{2+}$ overload by ruthenium red also inhibited glutamate-induced apoptotic cell death, mitochondrial membrane potential, ${\Delta}{\Psi}_m$ dissipation and cytochrome c release. These data suggest that inhibition of mitochondrial $Ca^{2+}$ overload is likely to be attributable to anti-apoptotic effect of KR-33028. Taken together, our results suggest that anti-apoptotic effects of NHE-1 inhibitor, KR-33028 may be mediated through maintenance of mitochondrial function.
This study examined the metabolism of free radicals in hepatic mitochondria of goats induced by lipopolysaccharide (LPS), and investigated the effects of melatonin (MT). Forty-eight healthy goats ($10{\pm}1.2\;kg$) were randomly selected and divided into four groups: saline control, LPS, MT+LPS and MT. The goats within each group were3 sacrificed either 3 or 6 h after treatment and the livers removed to isolate mitochondria. The respiration control ratio (RCR), the ADP:O ratio, the oxidative phosphorylation ratio (OPR), the concentration of $H_2O_2$ and the activities of Complex I-IV were determined. The mitochondrial membrane potential ($\Delta\psi_m$) was analyzed by flow cytometry. The results showed that RCR, O/P and OPR of the LPS group decreased (p<0.05), as well as activities of respiratory complexes, whereas the generation of $H_2O_2$ in Complex III increased (p<0.05) after 3 h, while Complex II and III increased after 6 h. Also, it was found that the mitochondrial membrane potential of the LPS group declined (p<0.05). However, pre-treatment with MT attenuated the injury induced by LPS, which not only presented higher (p<0.05) RCR, O/P, OPR, and respiratory complex activities, but also maintained the $\Delta\psi_m$. Interestingly, it is revealed that, in the MT+LPS group, the generation of $H_2O_2$ increased firstly in 3 h, and then significantly (p<0.05).decreased after 6 h. In the MT group, the function of mitochondria, the transmenbrane potential and the generation of $H_2O_2$ were obviously improved compared to the control group. Conclusion: melatonin prevents damage caused by LPS on hepatic mitochondria of goats.
4-Methylsulfinyl-3-butenyl isothiocyanate (MTBITC) found in the radish (Raphanus sativus L.), is a wellknown anticancer agent. In this study, the mechanisms of the MTBITC induction of cell apoptosis in human A549 lung cancer cells were investigated. Our PI staining results showed that MTBITC treatment significantly increased the apoptotic sub-G1 fraction in a dose-dependent manner. The mechanism of apoptosis induced by MTBITC was investigated by testing the change of mitochondrial membrane potential (${\Delta}{\Psi}m$), the expression of mRNAs of apoptosis-related genes by RT-PCR, and the activities of caspase-3 and -9 by caspase colorimetric assay. MTBITC treatment decreased mitochondrial membrane potential by down-regulating the rate of Bcl-2/Bax and Bcl-xL/Bax, and activation of caspase-3 and -9. Therefore, mitochondrial pathway and Bcl-2 gene family could be involved in the mechanisms of A549 cell apoptosis induced by MTBITC.
Fura-2 analogs are ratiometric fluoroprobes that are widely used for the quantitative measurement of [$Ca^{2+}$]. However, the dye usage is intrinsically limited, as the dyes require ultraviolet (UV) excitation, which can also generate great interference, mainly from nicotinamide adenine dinucleotide (NADH) autofluorescence. Specifically, this limitation causes serious problems for the quantitative measurement of mitochondrial [$Ca^{2+}$], as no available ratiometric dyes are excited in the visible range. Thus, NADH interference cannot be avoided during quantitative measurement of [$Ca^{2+}$] because the majority of NADH is located in the mitochondria. The emission intensity ratio of two different excitation wavelengths must be constant when the fluorescent dye concentration is the same. In accordance with this principle, we developed a novel online method that corrected NADH and Fura-2-FF interference. We simultaneously measured multiple parameters, including NADH, [$Ca^{2+}$], and pH/mitochondrial membrane potential; Fura-2-FF for mitochondrial [$Ca^{2+}$] and TMRE for ${\Psi}_m$ or carboxy-SNARF-1 for pH were used. With this novel method, we found that the resting mitochondrial [$Ca^{2+}$] concentration was $1.03{\mu}M$. This $1{\mu}M$ cytosolic $Ca^{2+}$ could theoretically increase to more than 100 mM in mitochondria. However, the mitochondrial [$Ca^{2+}$] increase was limited to ${\sim}30{\mu}M$ in the presence of $1{\mu}M$ cytosolic $Ca^{2+}$. Our method solved the problem of NADH signal contamination during the use of Fura-2 analogs, and therefore the method may be useful when NADH interference is expected.
Lee, Gyu-Cheol;Lee, Jae Ho;Kim, Bo Yeon;Lee, Chan Hee
Journal of Microbiology and Biotechnology
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v.23
no.11
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pp.1627-1635
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2013
Mitochondria often play central roles in apoptotic pathways, and disruption of the mitochondrial transmembrane potential (${\Delta}{\psi}m$) has been observed in various cells undergoing apoptosis. Human cytomegalovirus (HCMV) infection induces apoptosis in permissive cells; however, investigations of mitochondria-targeted apoptosis in HCMV-infected human foreskin fibroblast (HFF) cells have been limited. Here, we investigated the mitochondrial apoptosis pathway in HCMV-infected HFF cells. Flow cytometry analysis using JC-1 revealed that HCMV infection induces disruption of ${\Delta}{\psi}m$ in HFF cells when administered 24 h post-infection (hpi), and this disruption was maximized at 48 hpi. Moreover, cytochrome c, normally a mitochondrial inner membrane protein, was detected in cytoplasmic extracts of HCMV-infected cells, but not mock-infected cells, by western blot analysis at 24 hpi. A caspase activity assay based on fluorescence spectrophotometry using a fluorogenic substrate revealed an increase in caspase-3 activity at 48 hpi in HCMV-infected cells. Caspase-8 activity was increased at 72 hpi in HCMV-infected cells. These results imply that HCMV infection induces mitochondria-mediated apoptosis in HFF cells.
Bak, Ye Sol;Ham, Sun Young;O, Baatartsogt;Jung, Seung Hyun;Choi, Kang Duk;Han, Tae Young;Han, Il Young;Yoon, Do-Young
Journal of Applied Biological Chemistry
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v.57
no.2
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pp.113-122
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2014
A5E is complex of several medicinal herb ethanol extracts. The aim of this study is investigating the anticancer effect for non-small cell lung cancer. The antitumor effects of A5E on NCI-H460 were examined by regulation of cell proliferation, apoptosis, cell cycle arrest, mitochondrial membrane potential (${\Delta}{\Psi}_m$), and apoptosis-related protein. Cell proliferation was measured by MTS assay. Apoptosis induced by A5E was confirmed by Annexin V-fluorescein isothiocyanate (FITC)/Propidium Iodide (PI) staining, and cell cycle arrest was measured by PI staining. NF-${\kappa}B$ translocation was detected by immunofluorescence and MMP (${\Delta}{\Psi}_m$) was measured by JC-1 staining. The expression of extrinsic pathway molecules such as FasL and FADD were elevated, and procaspase-8 was processed by A5E. In addition, intrinsic pathway related molecules were altered. The Bcl-2 and Bcl-xl levels decreased, Bax increased, and cytochrome C was released. In addition, the mitochondrial membrane potential collapsed, and caspase-3 and poly-(ADP-ribose) polymerase were processed by A5E. Moreover, A5E affected the cellular survival pathway involving phosphatidylinositol 3-kinase (PI3K)/Akt and NF-${\kappa}B$. PI3K and Akt were downregulated, also NF-${\kappa}B$ expression was decreased, and nuclear translocalization was inhibited by A5E. These results suggested that A5E delays proliferation, inhibit cell cycle progression and induce apoptosis in human lung cancer cell. We conclude that A5E is a potential anticancer agent for human lung carcinoma.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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