Mitochondrial biogenesis is a complex process requiring coordinated expression of nuclear and mitochondrial genomes. The peroxisome proliferator-activated receptor gamma co-activator 1-alpha (PGC-$1{\alpha}$) is a key regulator of mitochondrial biogenesis, and it controls mitochondrial DNA (mtDNA) replication within diverse tissues, including muscle tissue. The aim of this study was to investigate the effects of eicosapentaenoic acid (EPA) and docosahexaenoic acid (DHA) on mtDNA copy number and PGC-$1{\alpha}$ promoter activity in $C_2C_{12}$ muscle cells. mtDNA copy number and mRNA levels of genes related to mitochondrial biogenesis such as PGC-$1{\alpha}$, nuclear respiratory factor 1 (NRF1) and mitochondrial transcription factor A (Tfam) were assayed by quantitative real-time PCR. The PGC-$1{\alpha}$ promoter from -970 to +412 bp was subcloned into the pGL3-basic vector, which includes a luciferase reporter gene. Both EPA and DHA significantly increased mtDNA copy number, dose and time dependently, and up-regulated mRNA levels of PGC-$1{\alpha}$, NRF1, and Tfam. Furthermore, EPA and DHA stimulated PGC-$1{\alpha}$ promoter activity in a dose-dependent manner. These results suggest that EPA and DHA may modulate mitochondrial biogenesis, which was partially associated with increased mtDNA replication and PGC-$1{\alpha}$ gene expression in $C_2C_{12}$ muscle cells.
Ritika Singh;Ayushi Jain;Jayanth Kumar Palanichamy;T. C. Nag;Sameer Bakhshi;Archna Singh
Applied Microscopy
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v.51
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pp.20.1-20.12
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2021
We explored the link between mitochondrial biogenesis and mitochondrial morphology using transmission electron microscopy (TEM) in lymphoblasts of pediatric acute lymphoblastic leukemia (ALL) patients and compared these characteristics between tumors and control samples. Gene expression of mitochondrial biogenesis markers was analysed in 23 ALL patients and 18 controls and TEM for morphology analysis was done in 15 ALL patients and 9 healthy controls. The area occupied by mitochondria per cell and the cristae cross-sectional area was observed to be significantly higher in patients than in controls (p-value=0.0468 and p-value<0.0001, respectively). The mtDNA copy numbers, TFAM, POLG, and c-myc gene expression were significantly higher in ALL patients than controls (all p-values<0.01). Gene Expression of PGC-1α was higher in tumor samples. The analysis of the correlation between PGC-1α expression and morphology parameters i.e., both M/C ratio and cristae cross-sectional area revealed a positive trend (r=0.3, p=0.1). The increased area occupied by mitochondria and increased cristae area support the occurrence of cristae remodelling in ALL. These changes might reflect alterations in cristae dynamics to support the metabolic state of the cells by forming a more condensed network. Ultrastructural imaging can be useful for affirming changes occurring at a subcellular organellar level.
Far-infrared rays (FIR) are known to have various effects on atoms and molecular structures within cells owing to their radiation and vibration frequencies. The present study examined the effects of FIR on gene expression related to glucose transport through microarray analysis in rat skeletal muscle cells, as well as on mitochondrial biogenesis, at high and low glucose conditions. FIR were emitted from a bio-active material coated fabric (BMCF). L6 cells were treated with 30% BMCF for 24 h in medium containing 25 or 5.5 mM glucose, and changes in the expression of glucose transporter genes were determined. The expression of GLUT3 (Slc2a3) increased 2.0-fold (p < 0.05) under 5.5 mM glucose and 30% BMCF. In addition, mitochondrial oxygen consumption and membrane potential (ΔΨm) increased 1.5- and 3.4-fold (p < 0.05 and p < 0.001), respectively, but no significant change in expression of Pgc-1a, a regulator of mitochondrial biogenesis, was observed in 24 h. To analyze the relationship between GLUT3 expression and mitochondrial biogenesis under FIR, GLUT3 was down-modulated by siRNA for 72 h. As a result, the ΔΨm of the GLUT3 siRNA-treated cells increased 3.0-fold (p < 0.001), whereas that of the control group increased 4.6-fold (p < 0.001). Moreover, Pgc-1a expression increased upon 30% BMCF treatment for 72 h; an effect that was more pronounced in the presence of GLUT3. These results suggest that FIR may hold therapeutic potential for improving glucose metabolism and mitochondrial function in metabolic diseases associated with insufficient glucose supply, such as type 2 diabetes.
Proceedings of the Korean Society of Applied Pharmacology
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2008.04a
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pp.23-30
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2008
Mitochondria biogenesis requires a coordination of two genomes, nuclear DNA (nDNA) and mitochondrial DNA (mtDNA). Disruption of mitochondria function leads to a loss of mitochondrial membrane potential and ATP generating capacity and consequently results in chronic degenerative diseases including insulin resistance, metabolic syndrome and neurodegenerative diseases. Although PPAR-${\gamma}$ coactivator-$1{\alpha}$ (PGC-$1{\alpha}$) was discovered as a central regulator of mitochondria biogenesis and a transcriptional co-activator of nuclear respiratory factor (NRF) and mitochondrial transcription factor A (Tfam), the expressions of PGC-$1{\alpha}$, NRF and Tfam were not significantly altered in tissues showing abnormal mitochondria functions. This observation suggests that there should be another regulator(s) for mitochondria function. Here, we demonstrate microRNAs (miRNAs) can modulate mitochondria function. Overexpression of microRNA dissipated mitochondrial membrane potential and increased ROS production in vitro and in vivo. It will be discussed the target of microRNA and its role in metabolic syndrome.
The aim of this study is to investigate the effects of intermittent ladder-climbing exercise training on mitochondrial biogenesis and ER stress of the cardiac muscle in high fat diet-induced obese middle-aged rats. We induced obesity over 6 weeks of period in 40 male Sprague-Dawley rats around 50 weeks old, and were randomly divided into four experimental groups: chow, HFD, exercise+HFD, and exercise+chow. The exercising groups underwent high-intensity intermittent training using a ladder-climbing and weight exercise 3 days/week for a total of 8 weeks. High-fat diet and concurrent exercise resulted in no significant reduction in body weight but caused a significant reduction in visceral fat weight (p<0.05). Expression of $PPAR{\delta}$ increased in the exercise groups and was significantly increased in the high-fat diet+exercise group (p<0.05). Among the ER stress-related proteins, the expression levels of p-PERK and CHOP, related to cardiac muscle damage, were significantly higher in the cardiac muscle of the high-fat diet group (p<0.05), and were significantly reduced by intermittent ladder-climbing exercise training (p<0.05). Specifically, this reduction was greater when the rats underwent exercise after switching back to the chow diet with a reduced caloric intake. Collectively, these results suggest that the combination of intermittent ladder-climbing exercise training and a reduced caloric intake can decrease the levels of ER stress-related proteins that contribute to cardiac muscle damage in obesity and aging. However, additional validation is required to understand the effects of these changes on mitochondrial biogenesis during exercise.
Ji-Sun Kim;Hyunjung Lee;Ahyoung Yoo;Hang Yeon Jeong;Chang Hwa Jung;Jiyun Ahn;Tae-Youl Ha
Journal of Microbiology and Biotechnology
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v.34
no.3
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pp.495-505
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2024
Gromwell (Lithospermum erythrorhizon, LE) can mitigate obesity-induced skeletal muscle atrophy in C2C12 myotubes and high-fat diet (HFD)-induced obese mice. The purpose of this study was to investigate the anti-skeletal muscle atrophy effects of LE and the underlying molecular mechanism. C2C12 myotubes were pretreated with LE or shikonin, and active component of LE, for 24 h and then treated with 500 μM palmitic acid (PA) for an additional 24 h. Additionally, mice were fed a HFD for 8 weeks to induced obesity, and then fed either the same diet or a version containing 0.25% LE for 10 weeks. LE attenuated PA-induced myotubes atrophy in differentiated C2C12 myotubes. The supplementation of LE to obese mice significantly increased skeletal muscle weight, lean body mass, muscle strength, and exercise performance compared with those in the HFD group. LE supplementation not only suppressed obesity-induced skeletal muscle lipid accumulation, but also downregulated TNF-α and atrophic genes. LE increased protein synthesis in the skeletal muscle via the mTOR pathway. We observed LE induced increase of mitochondrial biogenesis and upregulation of oxidative phosphorylation related genes in the skeletal muscles. Furthermore, LE increased the expression of peroxisome proliferator-activated receptor-gamma coactivator-1 alpha and the phosphorylation of adenosine monophosphate-activated protein kinase. Collectively, LE may be useful in ameliorating the detrimental effects of obesity-induced skeletal muscle atrophy through the increase of protein synthesis and mitochondrial biogenesis of skeletal muscle.
Su, Weipeng;Xu, Wen;Zhang, Hao;Ying, Zhixiong;Zhou, Le;Zhang, Lili;Wang, Tian
Nutrition Research and Practice
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v.11
no.2
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pp.121-129
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2017
BACKGROUND/OBJECTIVES: The study was conducted to evaluate the effects of dietary leucine supplementation on mitochondrial biogenesis and energy metabolism in the liver of normal birth weight (NBW) and intrauterine growth-retarded (IUGR) weanling piglets. MATERIALS/METHODS: A total of sixteen pairs of NBW and IUGR piglets from sixteen sows were selected according to their birth weight. At postnatal day 14, all piglets were weaned and fed either a control diet or a leucine-supplemented diet for 21 d. Thereafter, a $2{\times}2$ factorial experimental design was used. Each treatment consisted of eight replications with one piglet per replication. RESULTS: Compared with NBW piglets, IUGR piglets had a decreased (P < 0.05) hepatic adenosine triphosphate (ATP) content. Also, IUGR piglets exhibited reductions (P < 0.05) in the activities of hepatic mitochondrial pyruvate dehydrogenase (PDH), citrate synthase (CS), ${\alpha}$-ketoglutarate dehydrogenase (${\alpha}$-KGDH), malate dehydrogenase (MDH), and complexes I and V, along with decreases (P < 0.05) in the concentration of mitochondrial DNA (mtDNA) and the protein expression of hepatic peroxisome proliferator-activated receptor-${\gamma}$ coactivator $1{\alpha}$ (PGC-$1{\alpha}$). Dietary leucine supplementation increased (P < 0.05) the content of ATP, and the activities of CS, ${\alpha}$-KGDH, MDH, and complex V in the liver of piglets. Furthermore, compared to those fed a control diet, piglets given a leucine-supplemented diet exhibited increases (P < 0.05) in the mtDNA content and in the mRNA expressions of sirtuin 1, PGC-$1{\alpha}$, nuclear respiratory factor 1, mitochondrial transcription factor A, and ATP synthase, $H^+$ transporting, mitochondrial F1 complex, ${\beta}$ polypeptide in liver. CONCLUSIONS: Dietary leucine supplementation may exert beneficial effects on mitochondrial biogenesis and energy metabolism in NBW and IUGR weanling piglets.
Kim, Kyung-Il;An, Sang-Min;Park, Hee-Geun;Lee, Wang-Lok
Journal of Life Science
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v.29
no.8
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pp.837-845
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2019
The purpose of this study was to analyze the effects of aerobic exercise and resveratrol supplementation on mitochondrial biogenesis in skeletal muscle of high-fat diet-induced obese mice. In this study, 4-wk-old C57BL/6 male mice were divided into four groups, with 10 animals in each group: a normal diet group (NC), high-fat diet group (HC), high-fat diet group with resveratrol supplementation (HRe), and high-fat diet GROUP with exercise (HE). Aerobic exercise was performed on a treadmill for 40~60 min/d at 10~14 m/min, 0% grade, 4 d/wk for 16 wk. Resveratrol (25 mg/kg bodyweight) was administrated once a day, 4 d/wk for 16 wk. There was a significance difference in COX-IV mRNA expression in the NC group versus that in the HC group (p<0.05). The expression of the SIRT-3, PGC-1a, and COX-IV mRNA genes in the HE group increased significantly as compared with the expression of these genes in the HC and HRe groups (p<0.05). These results indicated that high- fat diet-induced obesity did not affect mitochondria biogenesis gene expression in skeletal muscle. In contrast, aerobic exercise training increased the expression of mitochondria biogenesis gene expression in skeletal muscle in high-fat diet-induced obese mice. These findings suggested that aerobic exercise but not resveratrol supplementation had a positive effect on mitochondrial biogenesis in skeletal muscle in high-fat diet-induced obese mice.
The objective of this study is to identify the effects of endurance exercise and selenium on mitochondrial transcription factor in old Goto-Kakizaki (GK) rats. In this experiments, endurance exercise were treadmill-run at 24 m/min, 30 min/day, 5 days/week, 6 weeks and 5 umol/kg of sodium selenite was injected intraperitoneally. In exercise group, selenium group, and combination group, the mitohondrial biogenesis-related genes, including PGC-$1{\alpha}$, NRF-1, and Tfam expression level were significantly increased compared to control group. Consistent with the increased biogenesis-related genes, the cytochrome C in the treated groups, which was the indicator of mitochondrial content, was significantly increased compared to control group. Especially, combination of exercise and selenium may be effective in the increase of mitochondrial biogenesis, activity and insulin sensitivity. Therefore, exercise and selenium treatment is likely to promote diabeticmitochondrial malfunction and then improve diabetes.
Kim, Bo Gyu;Lee, A ram;Lee, Bo Young;Shim, Sungbo;Moon, Dong kyu;Hwang, Sun-Chul;Byun, June-Ho;Woo, Dong Kyun
Journal of Life Science
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v.28
no.12
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pp.1455-1460
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2018
Due to a rapidly expanding aging population, the incidence of degenerative bone disease has increased, and efforts to handle the issue using regenerative medicine have become more important. In order to control various bone diseases such as osteoarthritis and osteoporosis, regenerative medicine utilizing adult stem cells has been extensively studied. And it is now clear that the mitochondrial energy metabolism, oxidative phosphorylation, is important for the process of stem cell differentiation. Interestingly, a recent study reported that salicylate promotes mitochondrial biogenesis by regulating the expression of $PGC-1{\alpha}$ in murine cells. However, the possible effects of salicylate on osteogenic differentiation through increased mitochondrial biogenesis in stem cells remain unknown. Thus, here we investigated whether salicylate could influence osteogenic differentiation and mitochondrial biogenesis of periosteum-derived mesenchymal stem cells (POMSCs). We found that salicylate treatments of POMSCs undergoing osteogenic differentiation increased the activity of alkaline phosphatase, a well-known early marker of bone cell differentiation. In addition, we observed that mitochondrial mass was increased by salicylate treatments in POMSCs. Together, these results indicate that salicylate can enhance osteogenic differentiation and mitochondrial biogenesis in POMSCs. Therefore, the findings in this study suggest that small molecules augmenting mitochondrial function such as salicylate can be a novel modulator for osteogenic differentiation and regenerative medicine.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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