Opening of the mitochondrial permeability transition pore has been recognized to be involved in cell death. The present study investigated the effect of ${\beta}$-carbolines (harmaline and harmalol) and deprenyl on the dopamine-induced change in the mitochondrial membrane permeability and cell death in differentiated PC12 cells. Cell death due to 250 4{\mu}$M dopamine was inhibited by caspase inhibitors (z-IETD.fmk, z-LEHD.fmk and z-DQMD.fmk) and antioxidants (N-acetylcysteine, ascorbate, superoxide dismutase, catalase and carboxy-PTIO). ${\beta}$-Carbolines prevented the dopamine-induced cell death in PCl2 cells, while deprenyl did not inhibit cell death. ${\beta}$-Carbolines decreased the condensation and fragmentation of nuclei caused by dopamine in PC12 cells. ${\beta}$-Carbolines inhibited the decrease in mitochondrial transmembrane potential, cytochrome c release, formation of reactive oxygen species and depletion of GSH caused by dopamine in PC12 cells, whereas deprenyl did not decrease dopamine-induced mitochondrial damage. ${\beta}$-Carbolines, deprenyl and antioxidants depressed the formation of nitric oxide and melanin in dopamine-treated PC12 cells. The results suggest that cell death due to dopamine PC12 cells is mediated by caspase-8, -9 and -3. Unlike deprenyl, ${\beta}$-carbolines may attenuate the dopamineinduced cell death in PC12 cells by suppressing change in the mitochondrial membrane permeability through inhibition of the toxic action of reactive oxygen and nitrogen species.
Degradation of glucose is aberrantly increased in hyperglycemia, which causes various harmful effects on the liver. Methylglyoxal is produced during glucose degradation and the levels of methylglyoxal are increased in diabetes patients. In this study we investigated whether methylglyoxal induces mitochondrial impairment and apoptosis in HepG2 cells and induces liver toxicity in vivo. Methylglyoxal caused apoptotic cell death in HepG2 cells. Moreover, methylglyoxal significantly promoted the production of reactive oxygen species (ROS) and depleted glutathione (GSH) content. Pretreatment with antioxidants caused a marked decrease in methylglyoxal-induced apoptosis, indicating that oxidant species are involved in the apoptotic process. Methylglyoxal treatment induced mitochondrial permeability transition, which represents mitochondrial impairment. However, pretreatment with cyclosporin A, an inhibitor of the formation of the permeability transition pore, partially inhibited methylglyoxal-induced cell death. Furthermore, acute treatment of mice with methylglyoxal increased the plasma levels of alanine aminotransferase (ALT) and aspartate aminotransferase (AST), indicating liver toxicity. Collectively, our results showed that methylglyoxal increases cell death and induces liver toxicity, which results from ROS-mediated mitochondrial dysfunction and oxidative stress.
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.
Background and Objectives: Mitochondria play a key role in the pathophysiology of heart failure and mitochondrial permeability transition pore (MPTP) play a critical role in cell death and a critical target for cardioprotection. The aim of this study was to evaluate the protective effects of cyclosporine A (CsA), one of MPTP blockers, and morphological changes of mitochondria and MPTP related proteins in monocrotaline (MCT) induced pulmonary arterial hypertension (PAH). Methods: Eight weeks old Sprague-Dawley rats were randomized to control, MCT (60 mg/kg) and MCT plus CsA (10 mg/kg/day) treatment groups. Four weeks later, right ventricular hypertrophy (RVH) and morphological changes of right ventricle (RV) were done. Western blot and reverse transcription polymerase chain reaction (RT-PCR) for MPTP related protein were performed. Results: In electron microscopy, CsA treatment prevented MCT-induced mitochondrial disruption of RV. RVH was significantly increased in MCT group compared to that of the controls but RVH was more increased with CsA treatment. Thickened medial wall thickness of pulmonary arteriole in PAH was not changed after CsA treatment. In western blot, caspase-3 was significantly increased in MCT group, and was attenuated in CsA treatment. There were no significant differences in voltage-dependent anion channel, adenine nucleotide translocator 1 and cyclophilin D expression in western blot and RT-PCR between the 3 groups. Conclusions: CsA reduces MCT induced RV mitochondrial damage. Although, MPTP blocking does not reverse pulmonary pathology, it may reduce RV dysfunction in PAH. The results suggest that it could serve as an adjunctive therapy to PAH treatment.
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.
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.
Arun Kumar Tiwari;Pushpraj S Gupta;Mahesh Prasad;Paraman Malairajan
Journal of Pharmacopuncture
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v.25
no.4
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pp.369-381
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2022
Objectives: Hyperlipidemia (HL) is a major cause of ischemic heart diseases. The size-limiting effect of ischemic preconditioning (IPC), a cardioprotective phenomenon, is reduced in HL, possibly because of the opening of the mitochondrial permeability transition pore (MPTP). The objective of this study is to see what effect pretreatment with Inula racemose Hook root extract (IrA) had on IPC-mediated cardioprotection on HL Wistar rat hearts. An isolated rat heart was mounted on the Langendorff heart array, and then ischemia reperfusion (I/R) and IPC cycles were performed. Atractyloside (Atr) is an MPTP opener. Methods: The animals were divided into ten groups, each consisting of six rats (n = 6), to investigate the modulation of I. racemosa Hook extract on cardioprotection by IPC in HL hearts: Sham control, I/R Control, IPC control, I/R + HL, I/R + IrA + HL, IPC + HL, IPC + NS + HL, IPC + IrA+ HL, IPC + Atr + oxidative stress, mitochondrial function, integrity, and hemodynamic parameters are evaluated for each group. Results: The present experimental data show that pretreatment with IrA reduced the LDH, CK-MB, size of myocardial infarction, content of cardiac collagen, and ventricular fibrillation in all groups of HL rat hearts. This pretreatment also reduced the oxidative stress and mitochondrial dysfunction. Inhibition of MPTP opening by Atr diminished the effect of IrA on IPC-mediated cardioprotection in HL rats. Conclusion: The study findings indicate that pretreatment with IrA e restores IPC-mediated cardioprotection in HL rats by inhibiting the MPTP opening.
Translocator protein 18 kDa (TSPO) is a mitochondrial outer membrane protein and is abundantly expressed in a variety of organ and tissues. To date, the functional role of TSPO on vascular endothelial cell activation has yet to be fully elucidated. In the present study, the phorbol 12-myristate 13-acetate (PMA, 250 nM), an activator of protein kinase C (PKC), was used to induce vascular endothelial activation. Adenoviral TSPO overexpression (10-100 MOI) inhibited PMA-induced vascular cell adhesion molecule-1 (VCAM-1) and intracellular cell adhesion molecule-1 (ICAM-1) expression in a dose dependent manner. PMA-induced VCAM-1 expressions were inhibited by Mito-TEMPO ($0.1-0.5{\mu}m$), a specific mitochondrial antioxidants, and cyclosporin A ($1-5{\mu}m$), a mitochondrial permeability transition pore inhibitor, implying on an important role of mitochondrial reactive oxygen species (ROS) on the endothelial activation. Moreover, adenoviral TSPO overexpression inhibited mitochondrial ROS production and manganese superoxide dismutase expression. On contrasts, gene silencing of TSPO with siRNA increased PMA-induced VCAM-1 expression and mitochondrial ROS production. Midazolam ($1-50{\mu}m$), TSPO ligands, inhibited PMA-induced VCAM-1 and mitochondrial ROS production in endothelial cells. These results suggest that mitochondrial TSPO can inhibit PMA-induced endothelial inflammation via suppression of VCAM-1 and mitochondrial ROS production in endothelial cells.
Background: Effective strategies are dramatically needed to prevent and improve the recovery from myocardial ischemia and reperfusion (I/R) injury. Direct interactions between the mitochondria and endoplasmic reticulum (ER) during heart diseases have been recently investigated. This study was designed to explore the cardioprotective effects of gypenoside XVII (GP-17) against I/R injury. The roles of ER stress, mitochondrial injury, and their crosstalk within I/R injury and in GP-17einduced cardioprotection are also explored. Methods: Cardiac contractility function was recorded in Langendorff-perfused rat hearts. The effects of GP-17 on mitochondrial function including mitochondrial permeability transition pore opening, reactive oxygen species production, and respiratory function were determined using fluorescence detection kits on mitochondria isolated from the rat hearts. H9c2 cardiomyocytes were used to explore the effects of GP-17 on hypoxia/reoxygenation. Results: We found that GP-17 inhibits myocardial apoptosis, reduces cardiac dysfunction, and improves contractile recovery in rat hearts. Our results also demonstrate that apoptosis induced by I/R is predominantly mediated by ER stress and associated with mitochondrial injury. Moreover, the cardioprotective effects of GP-17 are controlled by the PI3K/AKT and P38 signaling pathways. Conclusion: GP-17 inhibits I/R-induced mitochondrial injury by delaying the onset of ER stress through the PI3K/AKT and P38 signaling pathways.
N-methyl-D-aspartate (NMDA) receptors have received considerable attention regarding their involvement in glutamate-induced neuronal excitotoxicity. Resveratrol has been shown to exhibit neuroprotective effects against this kind of overactivation, but the underlying cellular mechanisms are not yet clearly understood. In this study, HT-22 neuronal cells were treated with NMDA in Mg2+-free buffer and subsequently used as an experimental model of glutamate excitotoxicity to elucidate the mechanisms of resveratrol-induced neuroprotection. We found that NMDA treatment causes a drop in MTT reduction ability, disrupts inside-negative transmembrane potential of mitochondria, depletes cellular ATP levels, and stimulates intracellular ROS production. Double fluorescence imaging studies demonstrated an increased formation of mitochondrial permeability transition (MPT) pores accompanied by apoptotic cell death, while cobalt protoporphyrin and bilirubin showed protective effects against NMDA-induced mitochondrial injury. On the other hand, zinc protoporphyrin IX significantly attenuated the protective effects of resveratrol which was itself shown to enhance heme oxygenase-1 (HO-1) mRNA and protein expression levels. In cells transfected with HO-1 small interfering RNA, resveratrol failed to suppress the NMDA-induced effects on MTT reduction ability and MPT pore formation. The present study suggests that resveratrol may prevent mitochondrial injury in NMDA- treated HT-22 cells and that enhanced expression of HO-1 is involved in the underlying cellular mechanism.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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