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.
The skeletal muscle in our body is a major site for bioenergetics and metabolism during exercise. Carbohydrates and fats are the primary nutrients that provide the necessary energy required to maintain cellular activities during exercise. The metabolic responses to exercise in glucose and lipid regulation depend on the intensity and duration of exercise. Because of the increasing prevalence of obesity, recent studies have focused on the cellular and molecular mechanisms of obesity-induced insulin resistance in skeletal muscle. Accumulation of intramyocellular lipid may lead to insulin resistance in skeletal muscle. In addition, lipid intermediates (e.g., fatty acyl-coenzyme A, diacylglycerol, and ceramide) impair insulin signaling in skeletal muscle. Recently, emerging evidence linking obesity-induced insulin resistance to excessive lipid oxidation, mitochondrial overload, and mitochondrial oxidative stress have been provided with mitochondrial function. This review will provide a brief comprehensive summary on exercise and skeletal muscle metabolism, and discuss the potential mechanisms of obesity-induced insulin resistance in skeletal muscle.
Kim, Kihoon;Kim, Yun-Hye;Lee, Sung-Hye;Jeon, Man-Joong;Park, So-Young;Doh, Kyung-Oh
The Korean Journal of Physiology and Pharmacology
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v.18
no.3
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pp.211-216
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2014
Endoplasmic reticulum (ER) stress, unfolded protein response (UPR), and mitochondrial biogenesis were assessed following varying intensities of exercise training. The animals were randomly assigned to receive either low- (LIT, n=7) or high intensity training (HIT, n=7), or were assigned to a control group (n=7). Over 5 weeks, the animals in the LIT were exercised on a treadmill with a $10^{\circ}$ incline for 60 min at a speed of 20 m/min group, and in the HIT group at a speed of 34 m/min for 5 days a week. No statistically significant differences were found in the body weight, plasma triglyceride, and total cholesterol levels across the three groups, but fasting glucose and insulin levels were significantly lower in the exercise-trained groups. Additionally, no statistically significant differences were observed in the levels of PERK phosphorylation in skeletal muscles between the three groups. However, compared to the control and LIT groups, the level of BiP was lower in the HIT group. Compared to the control group, the levels of ATF4 in skeletal muscles and CHOP were significantly lower in the HIT group. The HIT group also showed increased PGC-$1{\alpha}$ mRNA expression in comparison with the control group. Furthermore, both of the trained groups showed higher levels of mitochondrial UCP3 than the control group. In summary, we found that a 5-week high-intensity exercise training routine resulted in increased mitochondrial biogenesis and decreased ER stress and apoptotic signaling in the skeletal muscle tissue of rats.
Although prion diseases, a group of fatal neurodegenerative diseases of human and animals, are presumed to be caused by several mechanisms including abnormal change of prion protein, oxidative stress is still believed to play a central role in development of the diseases. Cigarette smoking has a few beneficial effects on neuronal diseases such as Alzheimer's disease and Parkinson's disease despite of many detrimental effects. In this study, we investigated how chronic cigarette smoking could exert such beneficial effect against oxidative damage. For this study, homogenates of 87V scrapie-infected brain was inoculated on intracerebral system of IM mice through stereotaxic microinjection and biochemical properties concerning with oxidative stress were examined. The scrapie infection decreased the activity of mitochondrial Mn-containing superoxide dismutase by 50% of the control, meanwhile the effects on other antioxidant enzymes including Cu or Zn-containing superoxide dismutase were not significant. Additionally, the infection elevated superoxide level as well as monoamine oxide-B (MAO-B) in the infected brain. Interestingly, many of the detrimental effects were improved in partial or significantly by long-term cigarette smoke exposure (CSE). CSE not only completely prevented the generation of mitochondrial superoxide but also significantly (p<0.05) decreased the elevated mitochondrial MAO-B activity in the infected brain. Concomitantly, CSE prevented subsequent protein oxidation and lipid peroxidation caused by scrapie infection; however, it did not affect the activities of antioxidant enzymes. These results suggest that chronic exposure of cigarette smoke contribute to in part preventing the progress of neurodegeneration caused by scrapie infection.
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.
Recent studies provide some evidence that the HtrA2 protein is intimately associated with the pathogenesis of neurodegenerative disorders and that endoplasmic reticulum (ER) quality control and ER stress-associated cell death play critical roles in neuronal cell death. However, little is known about the intimate relationship between HtrA2 and ER stress-associated cellular responses. In the present study, we have demonstrated that the HtrA2 protein level was gradually and significantly increased by up to to-fold in the mitochondria under tunicamycin (Tm)-induced ER stress, which eventually promoted cell death through the release of HtrA2 into the cytoplasm. Using an ecdysone-inducible mammalian expression system, we demonstrate that the extent of cell death in 293-HtrA2 cells was approximately 20 times higher under Tm-induced ER stress, indicating that the increase in the HtrA2 protein level in the mitochondria itself is necessary but not sufficient for the promotion of cell death. Taken together, these results suggest that HtrA2 may serve as a mediator of ER stress-induced apoptosis and ER-mitochondrial cross-talk in some cellular processes.
Kim, Sun-Young;Park, Sung-Goo;Jung, Hye-Yun;Chi, Seung-Wook;Yu, Dae-Yeul;Lee, Sang-Chul;Bae, Kwang-Hee
Journal of Microbiology and Biotechnology
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v.21
no.5
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pp.525-528
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2011
The Raf-1 kinase inhibitory protein (RKIP) can regulate multiple key signaling pathways. Specifically, RKIP binds to Raf-1 kinase and inhibits the Ras-Raf-1-MEK1/2- ERK1/2 pathway. Additionally, Raf-1 has been shown to translocate to mitochondria and thereby protect cells from stress-mediated apoptosis. Recently, HBx was found to stimulate the mitochondrial translocation of Raf-1, contributing to the anti-apoptotic effect. We found that RKIP was downregulated during HBx-mediated hepatocarcinogenesis. In this study, we show that RKIP bound to Raf-1 and consequently inhibited the translocation of Raf-1 into mitochondria. This promoted the apoptosis of cells treated with apoptotic stimulus. Thus, the downregulation of RKIP increased the level of free Raf-1 and thereby elevated the mitochondrial translocation of Raf-1 during HBx-mediated hepatocarcinogenesis. The elevated Raf-1 mitochondrial translocation induced the increased anti-apoptotic effect and subsequently promoted HBx-mediated hepatocarcinogenesis.
Mitochondria, fundamental cellular organelles that govern energy metabolism, hold a pivotal role in cellular vitality. While consuming dioxygen to produce adenosine triphosphate (ATP), the electron transfer process within mitochondria can engender the formation of reactive oxygen species that exert dual roles in endothelial homeostatic signaling and oxidative stress. In the context of the intricate electron transfer process, several metal ions that include copper, iron, zinc, and manganese serve as crucial cofactors in mitochondrial metalloenzymes to mediate the synthesis of ATP and antioxidant defense. In this mini review, we provide a comprehensive understanding of the coordination chemistry of mitochondrial cuproenzymes. In detail, cytochrome c oxidase (CcO) reduces dioxygen to water coupled with proton pumping to generate an electrochemical gradient, while superoxide dismutase 1 (SOD1) functions in detoxifying superoxide into hydrogen peroxide. With an emphasis on the catalytic reactions of the copper metalloenzymes and insights into their ligand environment, we also outline the metalation process of these enzymes throughout the copper trafficking system. The impairment of copper homeostasis can trigger mitochondrial dysfunction, and potentially lead to the development of copper-related disorders. We describe the current knowledge regarding copper-mediated toxicity mechanisms, thereby shedding light on prospective therapeutic strategies for pathologies intertwined with copper dyshomeostasis.
Chang-Hee Kim;Hahn Young Kim;Seung-Yeol Nah;Yoon Kyung Choi
Journal of Ginseng Research
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v.47
no.5
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pp.615-621
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2023
Korean Red Ginseng (KRG) plays a key role in heme oxygenase (HO)-1 induction under physical and moderate oxidative stress conditions. The transient and mild induction of HO-1 is beneficial for cell protection, mitochondrial function, regeneration, and intercellular communication. However, chronic HO-1 overexpression is detrimental in severely injured regions. Thus, in a chronic pathological state, diminishing HO-1-mediated ferroptosis is beneficial for a therapeutic approach. The molecular mechanisms by which KRG protects various cell types in the central nervous system have not yet been established, especially in terms of HO-1-mediated mitochondrial functions. Therefore, in this review, we discuss the multiple roles of KRG in the regulation of astrocytic HO-1 under pathophysiological conditions. More specifically, we discuss the role of the KRG-mediated astrocytic HO-1 pathway in regulating mitochondrial functions in acute and chronic neurodegenerative diseases as well as physiological conditions.
The thioredoxin (Trx) system is an important enzymatic complex involved in cellular redox homeostasis. Arsenic trioxide (ATO; As2O3) is known to trigger cell death in vascular smooth muscle cells (VSMCs) via oxidative stress. In the present study, the effects of changes in thioredoxin 1 (Trx1) and Trx reductase1 (TrxR1) on cell growth, death, reactive oxygen species (ROS), and glutathione (GSH) levels were evaluated in ATO-treated human pulmonary artery smooth muscle cells (HPASMCs). ATO inhibited growth and induced cell death in the HPASMCs at 24 h. Overexpression of Trx1 and TrxR1 using adenoviruses attenuated cell growth inhibition caused by ATO and partially prevented cell death. ATO increased ROS levels including the mitochondrial superoxide anion (O2•-) at 5 min. Administration of adTrx1 or adTrxR1 reduced the increased mitochondrial O2•- level in these cells. HPASMCs treated with Trx1 or TrxR1 siRNA showed increases in ROS levels with or without treatment of ATO at 5 min. Although ATO transiently increased GSH levels at 5 min, Trx1 and TrxR1 siRNAs reduced the increased GSH levels in these cells. In addition, PX-12 (a Trx1 inhibitor) and auranofin (a TrxR1 inhibitor) diminished the cellular metabolism in HPASMCs at 4 h, accompanied by an increase in ROS level and a decrease in GSH level. In conclusion, upregulation of Trx1 and TrxR1 somewhat decreased cell growth inhibition and death in ATO-treated HPASMCs, which was accompanied by reduced oxidative stress.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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