In eukaryotes, a primary protein quality control (PQC) process involves the destruction of conformationally misfolded proteins through the ubiquitin-proteasome system. Because approximately one-third of eukaryotic proteomes fold and assemble within the endoplasmic reticulum (ER) before being sent to their destinations, the ER plays a crucial role in PQC. The specific functions and biochemical roles of several E3 ubiquitin ligases involved in ER-associated degradation in mammals, on the other hand, are mainly unknown. We identified 2 E3 ligases, ubiquitin protein ligase E3 component N-recognin 1 (UBR1) and ubiquitin protein ligase E3 component N-recognin 2 (UBR2), which are the key N-recognins in the N-degron pathway and participate in the ER stress response in mammalian cells by modulating their stability. Cells lacking UBR1 and UBR2 are hypersensitive to ER stress-induced apoptosis. Under normal circumstances, these proteins are polyubiquitinated through Lys48-specific linkages and are then degraded by the 26S proteasome. In contrast, when cells are subjected to ER stress, UBR1 and UBR2 exhibit greater stability, potentially as a cellular adaptive response to stressful conditions. Although the precise mechanisms underlying these findings require further investigation, our findings show that cytoplasmic UBR1 and UBR2 have anti-ER stress activities and contribute to global PQC in mammals. These data also reveal an additional level of complexity within the mammalian ER-associated degradation system, implicating potential involvement of the N-degron pathway.
Park, Hye-Bin;Park, Yeo-Reum;Lee, Hwa-Yeon;Bae, Hyo-Kyung;Lee, Seunghyung;Park, Choon-Keun;Yang, Boo-Keun;Cheong, Hee-Tae
한국수정란이식학회지
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제32권1호
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pp.25-31
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2017
This study was conducted to investigate the effect of activation method on the endoplasmic reticulum (ER) stress induction, apoptosis and in vitro development of porcine parthenogenetic embryos. Porcine in vitro matured oocytes were activated by four activation methods; 1) electric stimulus (ES) (E), 2) $ES+10{\mu}M$ Ca-ionophore (A23187) treatment (EC), 3) ES+2 mM 6-dimethylaminopurine (6-DMAP) treatment (ED), or 4) ES+A23187 and 6-DMAP treatments (ECD). Parthenogenetic embryos were sampled to analyze x-box binding protein 1 (Xbp1) mRNA, ER stress-associated genes and apoptosis genes at 3 h after ES and the 1-cell and blastocyst stages. In the EC group, the band intensity of spliced Xbp1 (Xbp1s) mRNA was higher than those of the other groups at the 3 h and 1-cell stage, and higher than that of the E group at the blastocyst stage. Four ER stress-associated genes were expressed at the highest level in the EC group and weakly expressed in the ED group at 3 h after activation. However, most of the genes were highly expressed at the 1-cell and blastocyst stages with some variation in the EC and ECD groups. Expression of Bcl-2-associated X protein (Bax) and caspase-3 mRNA was significantly higher in the EC group than in the other groups at all development stages. The developmental rates to the blastocyst stage were higher in the ED and ECD groups than in the E and EC groups. These results suggest that the intracellular ER stress of parthenogenetic porcine embryos is affected by the activation method and subsequently lead to the apoptosis of embryos.
Apoptosis and necrosis are distinguished by modality primarily. Here we show an apoptosis occurred instantly, induced by $300\;{\mu}M$ W-7 ((N-(6-aminohexyl)-5-chloro-1-naphthalenesulfonamide hydrochloride), inhibitor of calmodulin), which demonstrated necrotic modality. As early as 30 min after W-7 addition, apoptotic (sub-diploid) peak could be detected by fluorescence-activated cell sorter (FACS), “DNA ladders” began to emerge also at this time point, activity of caspase-3 elevated obviously within this period. Absence of mitochondrial membrane potential (MMP) reduction and cytochrome c, AIF (apoptosis inducing factor) release, verified that this rapid apoptosis did not proceed through mitochondria pathway. Activation of caspase-12 and changes of other endoplasmic reticulum (ER) located proteins ascertained that ER pathway mediated this necrosis-like apoptosis. Our findings suggest that it is not credible to judge apoptosis by modality. Elucidation of ER pathway is helpful to comprehend the pathology of diseases associated with ER stress, and may offer a new approach to the therapy of cancer and neurodegenerative diseases.
Han, Xia;Kang, Kyoung Ah;Piao, Mei Jing;Zhen, Ao Xuan;Hyun, Yu Jae;Kim, Hyun Min;Ryu, Yea Seong;Hyun, Jin Won
Biomolecules & Therapeutics
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제27권1호
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pp.41-47
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2019
The apoptotic effects of shikonin (5,8-dihydroxy-2-[(1R)-1-hydroxy-4-methylpent-3-enyl]naphthalene-1,4-dione) on the human colon cancer cell line SNU-407 were investigated in this study. Shikonin showed dose-dependent cytotoxic activity against SNU-407 cells, with an estimated $IC_{50}$ value of $3{\mu}M$ after 48 h of treatment. Shikonin induced apoptosis, as evidenced by apoptotic body formation, sub-G_1$ phase cells, and DNA fragmentation. Shikonin induced apoptotic cell death by activating mitogen-activated protein kinase family members, and the apoptotic process was mediated by the activation of endoplasmic reticulum (ER) stress, leading to activation of the $PERK/elF2{\alpha}/CHOP$ apoptotic pathway, and mitochondrial $Ca^{2+}$ accumulation. Shikonin increased mitochondrial membrane depolarization and altered the levels of apoptosis-related proteins, with a decrease in B cell lymphoma (Bcl)-2 and an increase in Bcl-2-associated X protein, and subsequently, increased expression of cleaved forms of caspase-9 and -3. Taken together, we suggest that these mechanisms, including MAPK signaling and the ER- and mitochondria-mediated pathways, may underlie shikonin-induced apoptosis related to its anticancer effect.
ERp29는 endoplasmic reticulum (ER) lumen에 존재하는 단백질로 protein disulfide isomerase (PDI) family에 속한다. 비록 관련 연구 결과는 조금 있지만 정확한 생물학적인 기능은 아직 분명하지 않지만, 분비단백질과정과 단백질 folding에 관여하는 것으로 알려 지고 있다. ERp29의 기능 연구를 위하여 yeast two-hybrid screening/GST pull-down assay방법을 사용하여 ERp29-결합단백질인 ADP-ribosylation factor 5 (ARF5)를 동정하였다. 이들의 결합은 정상적인 세포생리상태에서는 결합하지만 ER stress 상태에서는 떨어졌다. 이 결과는 ERp29의 기능 연구를 위하여 하나의 실마리를 제공할 것이다.
Background: The treatment of trigeminal neuralgia remains a challenging issue. Stem cells from human exfoliated deciduous teeth (SHED) provide optimized therapy for chronic pain. This study aimed to investigate the mechanisms underlying the attenuation of trigeminal neuralgia by SHED. Methods: Trigeminal neuralgia was induced by chronic constriction injury of the infraorbital nerve. The mechanical threshold was assessed after model establishment and local SHED transplantation. Endoplasmic reticulum (ER) morphology and Caspase12 expression in trigeminal ganglion (TG) was evaluated as well. BiP expression was observed in PC12 cells induced by tunicamycin. Results: The local transplantation of SHED could relieve trigeminal neuralgia in rats. Further, transmission electron microscopy revealed swelling of the ER in rats with trigeminal neuralgia. Moreover, SHED inhibited the tunicamycin-induced up-regulated expression of BiP mRNA and protein in vitro. Additionally, SHED decreased the up-regulated expression of Caspase12 mRNA and protein in the TG of rats caused by trigeminal neuralgia after chronic constriction injury of the infraorbital nerve mode. Conclusions: This findings demonstrated that SHED could alleviate pain by relieving ER stress which provide potential basic evidence for clinical pain treatment.
Woo, Seon Rang;Park, Jeong-Eun;Kim, Yang Hyun;Ju, Yeun-Jin;Shin, Hyun-Jin;Joo, Hyun-Yoo;Park, Eun-Ran;Hong, Sung Hee;Park, Gil Hong;Lee, Kee-Ho
Journal of Microbiology and Biotechnology
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제23권12호
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pp.1785-1790
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2013
The synthetic machinery of ATF4 (activating transcription factor 4) is activated in response to various stress conditions involved in nutrient restriction, endoplasmic reticulum homeostasis, and oxidation. Stress-induced inhibition of proteasome activity triggers the unfolded protein response and endoplasmic reticulum stress, where ATF4 is crucial for consequent biological events. In the current study, we showed that the $NAD^+$-dependent deacetylase, SIRT1, suppresses ATF4 synthesis during proteasome inhibition. SIRT1 depletion via transfection of specific siRNA into HeLa cells resulted in a significant increase in ATF4 protein, which was observed specifically in the presence of the proteasome inhibitor MG132. Consistent with SIRT1 depletion data, transient transfection of cells with SIRT1-overexpressing plasmid induced a decrease in the ATF4 protein level in the presence of MG132. Interestingly, however, ATF4 mRNA was not affected by SIRT1, even in the presence of MG132, indicating that SIRT1-induced suppression of ATF4 synthesis occurs under post-transcriptional control. Accordingly, we propose that SIRT1 serves as a negative regulator of ATF4 protein synthesis at the post-transcriptional level, which is observed during stress conditions, such as proteasome inhibition.
Several factors, including genetic and environmental insults, impede protein folding and secretion in the endoplasmic reticulum (ER). Accumulation of unfolded or mis-folded protein in the ER manifests as ER stress. To cope with this morbid condition of the ER, recent data has suggested that the intracellular event of an unfolded protein response plays a critical role in managing the secretory load and maintaining proteostasis in the ER. Tauroursodeoxycholic acid (TUDCA) is a chemical chaperone and hydrophilic bile acid that is known to inhibit apoptosis by attenuating ER stress. Numerous studies have revealed that TUDCA affects hepatic diseases, obesity, and inflammatory illnesses. Recently, molecular regulation of ER stress in tooth development, especially during the secretory stage, has been studied. Therefore, in this study, we examined the developmental role of ER stress regulation in tooth morphogenesis using in vitro organ cultivation methods with a chemical chaperone treatment, TUDCA. Altered cellular events including proliferation, apoptosis, and dentinogenesis were examined using immunostaining and terminal deoxynucleotidyl transferase dUTP nick end labeling assay. In addition, altered localization patterns of the formation of hard tissue matrices related to molecules, including amelogenin and nestin, were examined to assess their morphological changes. Based on our findings, modulating the role of the chemical chaperone TUDCA in tooth morphogenesis, especially through the modulation of cellular proliferation and apoptosis, could be applied as a supporting data for tooth regeneration for future studies.
Ajuba is a number of proteins containing cytosolic LIM domain. Its function may provide a new pathway whereby cell-cell adhesive events are transmitted to the nucleus to regulate cell proliferation and differentiation decisions. Here, Ajuba gene expression was investigated its molecular properties associated with endoplasmic reticulum (ER) stresses (tunicamycin, DTT, A23187 and BFA) which induced remarkable ex-pression of Ajuba mRNA. The mRNA half life of Ajuba was also determined, its half life of Ajuba mRNA in FRTL-5 cells was approximately 2 hr after the initial translation. Although the obvious bioligical function of Ajuba is not clear, on the base of the results, Ajuba gene expression is deeply associated with ER stresses.
PKR-like endoplasmic reticulum (ER) kinase (PERK) is a type I transmembrane ER-resident protein containing a cytoplasmic catalytic domain with a Ser/Thr kinase activity, which is most closely related to the eukaryotic translation initiation factor-$2{\alpha}$ ($eIF2{\alpha}$) kinase PKR involved in the antiviral defense pathway by interferon. We cloned and expressed the PERK C-terminal kinase domain (cPERK) in Escherichia coli. Like PERK activation in cells under ER stress, wild-type cPERK underwent autophosphorylation when overexpressed in E. coli, whereas the cPERK(K621M) with a methionine substitution for the lysine at amino acid 621 lost the autophosphorylation activity. The activated form cPERK which was purified to near homogeneity, formed an oligomer and was able to trans-phosphorylate specifically its cellular substrate $eIF2{\alpha}$. Two-dimensional phosphoamino acids analysis revealed that phosphorylation of cPERK occurs at the Ser and Thr residues. The functionally active recombinant cPERK, and its inactive mutant should be useful for the analysis of biochemical functions of PERK and for the determination of their three-dimensional structures.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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