Autophagy refers to the bulk degradation of cellular proteins and organelles through an autophagosome and plays a pivotal role in the development, cellular differentiation, aging, and elimination of aberrant structures. A failure of autophagy has been implicated in a growing list of mammalian disease states, including cancer and cardiomyopathy. Two ubiquitin-like systems are highly involved in autophagy, especially in the formation of autophagosomes. Here, we purified and characterized Atg7 (an E1-like enzyme), and Atg3 and Atg10 (E2-like enzymes) in order to gain an insight into the role played by ubiquitin-like systems in the formation of autophagosomes. Interestingly, we observed that Atg7 forms a homodimer to construct an active conformation, unlike other E1-like enzymes. Although Atg3 was detected as a monomer under physiological conditions, Atg10 existed in an oligomeric form, indicating that the mechanism by which Atg10 functions may differ from that of Atg3.
Autophagy-related protein 8 (Atg8) is an essential component of autophagy formation and encystment of cystforming parasites, and some protozoa, such as, Acanthamoeba, Entamoeba, and Dictyostelium, have been reported to possess a type of Atg8. In this study, an isoform of Atg8 was identified and characterized in Acanthamoeba castellanii (AcAtg8b). AcAtg8b protein was found to encode 132 amino acids and to be longer than AcAtg8 protein, which encoded 117 amino acids. Real-time PCR analysis showed high expression levels of AcAtg8b and AcAtg8 during encystation. Fluorescence microscopy demonstrated that AcAtg8b is involved in the formation of the autophagosomal membrane. Chemically synthesized siRNA against AcAtg8b reduced the encystation efficiency of Acanthamoeba, confirming that AcAtg8b, like AcAtg8, is an essential component of cyst formation in Acanthamoeba. Our findings suggest that Acanthamoeba has doubled the number of Atg8 gene copies to ensure the successful encystation for survival when 1 copy is lost. These 2 types of Atg8 identified in Acanthamoeba provide important information regarding autophagy formation, encystation mechanism, and survival of primitive, cyst-forming protozoan parasites.
Atg5 and Atg7 have long been considered as essential molecules for autophagy. However, we found that cells lacking these molecules still form autophagic vacuoles and perform autophagic protein degradation when subjected to certain stressors. During this unconventional autophagy pathway, autophagosomes appeared to be generated in a Rab9-dependent manner by the fusion of vesicles derived from the trans-Golgi and late endosomes. Therefore, mammalian autophagy can occur via at least two different pathways; the Atg5/Atg7-dependent conventional pathway and an Atg5/Atg7-independent alternative pathway.
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.
Autophagy is a catabolic process involved in the degradation of a cell's own components for cell growth, development, homeostasis, and the recycling of cellular products. Autophagosome is an essential component in the protozoan parasite during differentiation and encystation. The present study identified and characterized autophagy-related protein (Atg) 3, a member of Atg8 conjugation system, in Acanthamoeba castellanii (AcAtg3). AcAtg3 encoding a 304 amino acid protein showed high similarity with the catalytic cysteine site of other E2 like enzymes of ubiquitin system. Predicted 3D structure of AcAtg3 revealed a hammer-like shape, which is the characteristic structure of E2-like enzymes. The expression level of AcAtg3 did not increase during encystation. However, the formation of mature cysts was significantly reduced in Atg3-siRNA transfected cells in which the production of Atg8-phosphatidylethanolamine conjugate was inhibited. Fluorescent microscopic analysis revealed that dispersed AcAtg3-EGFP fusion protein gathered around autophagosomal membranes during encystation. These results provide important information for understanding autophagic machinery through the lipidation reaction mediated by Atg3 in Acanthamoeba.
Autophagy is a tightly regulated lysosome-mediated catabolic process in eukaryotes that maintains cellular homeostasis. A distinguishable feature of autophagy is the formation of double- membrane structures, autophagosome, which envelopes the intracellular cargoes and finally degrades them by fusion with lysosomes. So far, many structures of Atg proteins working on the autophagosome formation have been reported, however those involved in autophagosome maturation, a fusion with lysosome, are relatively unknown. One of the molecules in autophagosome maturation, TECPR1, has been identified and recently, structural studies on both ATG5-TECPR1 and ATG5-ATG16L1 complexes revealed that TECPR1 and ATG16L1 share the same binding site on ATG5. These results, in combination with supporting biochemical and cellular biological data, provide an insight into a model for swapping ATG5 partners for autophagosome maturation.
Autophagy regulators are often effective as potential cancer therapeutic agents. Here, we investigated paclitaxel sensitivity in cells with knockout (KO) of ATG5 gene. The ATG5 KO in multidrug resistant v-Ha-ras-transformed NIH 3T3 cells (Ras-NIH 3T3/Mdr) was generated using the CRISPR/Cas9 technology. The qPCR and LC3 immunoblot confirmed knockout of the gene and protein of ATG5, respectively. The ATG5 KO restored the sensitivity of Ras-NIH 3T3/Mdr cells to paclitaxel. Interestingly, ATG5 overexpression restored autophagy function in ATG5 KO cells, but failed to rescue paclitaxel resistance. These results raise the possibility that low level of resistance to paclitaxel in ATG5 KO cells may be related to other roles of ATG5 independent of its function in autophagy. The ATG5 KO significantly induced a G2/M arrest in cell cycle progression. Additionally, ATG5 KO caused necrosis of a high proportion of cells after paclitaxel treatment. These data suggest that the difference in sensitivity to paclitaxel between ATG5 KO and their parental MDR cells may result from the disparity in the proportions of necrotic cells in both populations. Thus, our results demonstrate that the ATG5 KO in paclitaxel resistant cells leads to a marked G2/M arrest and sensitizes cells to paclitaxel-induced necrosis.
Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society
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v.12
no.8
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pp.3541-3546
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2011
Autophagy is an evolutionarily conserved lysosomal pathway for degrading cytoplasmic proteins, macromolecules, and organelles in addition to recycling protein and ATP synthesis. Although autophagy is very important during embryogenesis, the mechanism underlying the dynamic development during this process remains largely unknown. In order to obtain insights into autophagy in early embryo development, we analyzed gene expression levels of autophagy-related genes (ATGs) in mouse embryos developing in vitro. Using real time RT-PCR technique, ATGs including Atg2a, Atg3, Atg4b, Atg5, Atg6, Atg7, Atg9a, and Wipi3, as maternal transcripts, were only up-regulated in 1-cell embryo stage before zygotic genomic activation (ZGA), and then expression decreased from 2-cell to blastocyst embryo stage. ATGs including Dram and Atg9b were expressed abundantly in 1-cell embryo state and in blastocyst embryo stage, athough Atg8 and Ulk1 were constantly expressed during preimplantation stage. However, Atg4d were only up-expressed from 4-cell to blastocyst stage. These results suggest that autophagy is related in mouse embryo, which possibly gives an important role for early development.
Ethanol accumulation inhibited the growth of Saccharomyces cerevisiae during wine fermentation. Autophagy and the release of reactive oxygen species (ROS) were also induced under ethanol stress. However, the relation between autophagy and ethanol stress was still unclear. In this study, expression of the autophagy genes ATG1 and ATG8 and the production of ROS under ethanol treatment in yeast were measured. The results showed that ethanol stress very significantly induced expression of the ATG1 and ATG8 genes and the production of hydrogen peroxide ($H_2O_2$) and superoxide anion (${O_2}^{{\cdot}_-}$). Moreover, the atg1 and atg8 mutants aggregated more $H_2O_2$ and ${O_2}^{{\cdot}_-}$ than the wild-type yeast. In addition, inhibitors of the ROS scavenging enzyme induced expression of the ATG1 and ATG8 genes by increasing the levels of $H_2O_2$ and ${O_2}^{{\cdot}_-}$. In contrast, glutathione (GSH) and N-acetylcystine (NAC) decreased ATG1 and ATG8 expression by reducing $H_2O_2$ and ${O_2}^{{\cdot}_-}$ production. Rapamycin and 3-methyladenine also caused an obvious change in autophagy levels and simultaneously altered the release of $H_2O_2$ and ${O_2}^{{\cdot}_-}$. Finally, inhibitors of the mitochondrial electron transport chain (mtETC) increased the production of $H_2O_2$ and ${O_2}^{{\cdot}_-}$ and also promoted expression levels of the ATG1 and ATG8 genes. In conclusion, ethanol stress induced autophagy which was regulated by $H_2O_2$ and ${O_2}^{{\cdot}_-}$ derived from mtETC, and in turn, the autophagy contributed to the elimination $H_2O_2$ and ${O_2}^{{\cdot}_-}$.
Ethanol often accumulates during the process of wine fermentation, and mitophagy has critical role in ethanol output. However, the relationship between mitophagy and ethanol stress is still unclear. In this study, the expression of ATG11 and ATG32 genes exposed to ethanol stress was accessed by real-time quantitative reverse transcription polymerase chain reaction (qRT-PCR). The result indicated that ethanol stress induced expression of the ATG11 and ATG32 genes. The colony sizes and the alcohol yield of atg11 and atg32 were also smaller and lower than those of wild type strain under ethanol whereas the mortality of mutants is higher. Furthermore, compared with wild type, the membrane integrity and the mitochondrial membrane potential of atg11 and atg32 exhibited greater damage following ethanol stress. In addition, a greater proportion of mutant cells were arrested at the G1/G0 cell cycle. There was more aggregation of peroxide hydrogen (H2O2) and superoxide anion (O2•-) in mutants. These changes in H2O2 and O2•- in yeasts were altered by reductants or inhibitors of scavenging enzyme by means of regulating the expression of ATG11 and ATG32 genes. Inhibitors of the mitochondrial electron transport chain (mtETC) also increased production of H2O2 and O2•- by enhancing expression of the ATG11 and ATG32 genes. Further results showed that activator or inhibitor of autophagy also activated or inhibited mitophagy by altering production of H2O2 and O2•. Therefore, ethanol stress induces mitophagy which improves yeast the tolerance to ethanol and the level of mitophagy during ethanol stress is regulated by ROS derived from mtETC.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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