Mitophagy is a process of selective removal of damaged or unnecessary mitochondria using autophagic machinery. Mitophagy plays an essential role in maintaining mitochondrial quality control and homeostasis. Mitochondrial dysfunctions and defective mitophagy in neurodegenerative diseases, cancer, and metabolic diseases indicate a close link between human disease and mitophagy. Furthermore, recent studies showing the involvement of mitophagy in differentiation and development, suggest that mitophagy may play a more active role in controlling cellular functions. A better understanding of mitophagy will provide insights about human disease and offer novel chance for treatment. This review mainly focuses on the recent implications for mitophagy in human diseases and normal physiology.
Mitochondrial integrity is critical for maintaining proper cellular functions. A key aspect of regulating mitochondrial homeostasis is removing damaged mitochondria through autophagy, a process called mitophagy. Autophagy dysfunction in various disease states can inactivate mitophagy and cause cell death, and defects in mitophagy are becoming increasingly recognized in a wide range of diseases from liver injuries to neurodegenerative diseases. Here we highlight our current knowledge on the mechanisms of mitophagy, and discuss how alterations in mitophagy contribute to disease pathogenesis. We also discuss mitochondrial dynamics and potential interactions between mitochondrial fusion, fission and mitophagy.
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.
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.
Lee, Seunghee;Lee, Sangguk;Lee, Seon-Jin;Chung, Su Wol
BMB Reports
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v.55
no.7
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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.
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.
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.
Kyung, Sun Young;Kim, Yu Jin;Son, Eun Suk;Jeong, Sung Hwan;Park, Jeong-Woong
Tuberculosis and Respiratory Diseases
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v.81
no.2
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pp.138-147
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2018
Background: Recent studies show that mitophagy, the autophagy-dependent turnover of mitochondria, mediates pulmonary epithelial cell death in response to cigarette smoke extract (CSE) exposure and contributes to the development of emphysema in vivo during chronic cigarette smoke (CS) exposure, although the underlying mechanisms remain unclear. Methods: In this study, we investigated the role of mitophagy in the regulation of CSE-exposed lung bronchial epithelial cell (Beas-2B) death. We also investigated the role of a phosphodiesterase 4 inhibitor, roflumilast, in CSE-induced mitophagy-dependent cell death. Results: Our results demonstrated that CSE induces mitophagy in Beas-2B cells through mitochondrial dysfunction and increased the expression levels of the mitophagy regulator protein, PTEN-induced putative kinase-1 (PINK1), and the mitochondrial fission protein, dynamin-1-like protein (DRP1). CSE-induced epithelial cell death was significantly increased in Beas-2B cells exposed to CSE but was decreased by small interfering RNA-dependent knockdown of DRP1. Treatment with roflumilast in Beas-2B cells inhibited CSE-induced mitochondrial dysfunction and mitophagy by inhibiting the expression of phospho-DRP1 and -PINK1. Roflumilast protected against cell death and increased cell viability, as determined by the lactate dehydrogenase release test and the MTT assay, respectively, in Beas-2B cells exposed to CSE. Conclusion: These findings suggest that roflumilast plays a protective role in CS-induced mitophagy-dependent cell death.
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.
Sesamin, a lipid-soluble lignin originally isolated from sesame seeds, which induces cancer cell apoptosis and autophagy. In the present study, has been reported that sesamin induces apoptosis via several pathways in human lung cancer cells. However, whether mitophagy is involved in sesamin induced lung cancer cell apotosis remains unclear. This study, the anticancer activity of sesamin in lung cancer was studied by reactive oxygen species (ROS) and mitophagy. A549 cells were treated with sesamin, and cell viability, migration ability, and cell cycle were assessed using the CCK8 assay, scratch-wound test, and flow cytometry, respectively. ROS levels, mitochondrial membrane potential, and apoptosis were examined by flow cytometric detection of DCFH-DA fluorescence and by using JC-1 and TUNEL assays. The results indicated that sesamin treatment inhibited the cell viability and migration ability of A549 cells and induced G0/G1 phase arrest. Furthermore, sesamin induced an increase in ROS levels, a reduction in mitochondrial membrane potential, and apoptosis accompanied by an increase in cleaved caspase-3 and cleaved caspase-9. Additionally, sesamin triggered mitophagy and increased the expression of PINK1 and translocation of Parkin from the cytoplasm to the mitochondria. However, the antioxidant N-acetyl-L-cysteine clearly reduced the oxidative stress and mitophagy induced by sesamin. Furthermore, we found that cyclosporine A (an inhibitor of mitophagy) decreased the inhibitory effect of sesamin on A549 cell viability. Collectively, our data indicate that sesamin exerts lethal effects on lung cancer cells through the induction of ROS-mediated mitophagy and mitochondrial apoptosis.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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