The exact causes of cell death in Parkinson's disease (PD) remain unknown despite extensive studies on PD.The identification of signaling and metabolic pathways involved in PD might provide insight into the molecular mechanisms underlying PD. The neurotoxin 1-methyl-4-phenylpyridinium ($MPP^+$) induces cellular changes characteristic of PD, and $MPP^+$-based models have been extensively used for PD studies. In this study, pathways that were significantly perturbed in $MPP^+$-treated human neuroblastoma SH-EP cells were identified from genome-wide gene expression data for five time points (1.5, 3, 9, 12, and 24 h) after treatment. The mitogen-activated protein kinase (MAPK) signaling pathway and endoplasmic reticulum (ER) protein processing pathway showed significant perturbation at all time points. Perturbation of each of these pathways resulted in the common outcome of upregulation of DNA-damage-inducible transcript 3 (DDIT3). Genes involved in ER protein processing pathway included ubiquitin ligase complex genes and ER-associated degradation (ERAD)-related genes. Additionally, overexpression of DDIT3 might induce oxidative stress via glutathione depletion as a result of overexpression of CHAC1. This study suggests that upregulation of DDIT3 caused by perturbation of the MAPK signaling pathway and ER protein processing pathway might play a key role in $MPP^+$-induced neuronal cell death. Moreover, the toxicity signal of $MPP^+$ resulting from mitochondrial dysfunction through inhibition of complex I of the electron transport chain might feed back to the mitochondria via ER stress. This positive feedback could contribute to amplification of the death signal induced by $MPP^+$.
We have previously demonstrated that the redox reactant pyruvate prevents apoptosis in the oxidant model of bovine pulmonary artery endothelial cells (BPAEC), and that the anti-apoptotic mechanism of pyruvate is mediated in part via the mitochondrial matrix compartment. However, cytosolic mechanisms for the cytoprotective feature of pyruvate remain to be elucidated. This study investigated the pyruvate protection against endothelial cytotoxicity when the glycolysis inhibitor 2-deoxy-D-glucose (2DG) was applied to BPAEC. Millimolar 2DG blocked the cellular glucose uptake in a concentration- and time-dependent manner with >85% inhibition at $\geq$5 mM within 24 h. The addition of 2DG evoked BPAEC cytotoxicity with a substantial increase in lipid peroxidation and a marked decrease in intracellular total glutathione. Exogenous pyruvate partially prevented the 2DG-induced cell damage with increasing viability of BPAEC by 25-30%, and the total glutathione was also modestly increased. In contrast, 10 mM L-lactate, as a cytosolic reductant, had no effect on the cytotoxicity and lipid peroxidation that are evoked by 2DG. These results suggest that 2DG toxicity may be a consequence of the diminished potential of glutathione antioxidant, which was partially restored by exogenous pyruvate but not L-lactate. Therefore, pyruvate qualifies as a cytoprotective agent for strategies that attenuate the metabolic dysfunction of the endothelium, and cellular glucose oxidation is required for the functioning of the cytosolic glutathione/NADPH redox system.
Triptolide is a compound found in Tripterygium wilfordii and reported to have an anti-inflammatory and anti-oxidant activities. A previous study shows that the dietary supplementation with triptolide increases resistance to environmental stressors, including oxidative stress, heat shock, and ultraviolet irradiation, and extends lifespan in C. elegans. Here, we investigated the underlying mechanisms involved in the lifespan-extending effect of triptolide. The effect of triptolide on age-related diseases, such as diabetes mellitus and Alzheimer's disease, was also examined using animal disease models. The longevity phenotype conferred by triptolide was not observed in the eat-2 mutant, a well-known genetic model of dietary restriction, while there was an additional lifespan extension with triptolide in age-1 and clk-1 mutants. The long lifespan of age-1 mutant is resulted from a reduced insulin/IGF-1-like signaling and the clk-1 mutant lives longer than wild-type due to dysfunction of mitochondrial electron transport chain reaction. The effect of dietary restriction using bacterial dilution on lifespan also overlapped with that of triptolide. The toxicity of high glucose diet or transgenic human amyloid beta gene was significantly suppressed by the supplementation with triptolide. These findings suggest that triptolide can mimic the effect of dietary restriction on lifespan and onset of age-related diseases. We conclude that triptolide can be a strong candidate for the development of dietary restriction mimetics.
The water extract of Omija-tang(OMJT) has been traditionally used for treatment of ischemic heart and brain damage in oriental medicine. However, little is known about the mechanism by which the water extract of OMJT protects cells from such damage. Therefore, this study was conducted to investigate the protective mechanisms of OMJT on $H_2O_2$-induced toxicity in H9c2 cardiomyoblast cells. Treatment of $H_2O_2$ markedly induced death of H9c2 cardiomyoblast cells in a dose-dependent manner. The characteristics of $H_2O_2$-induced death of H9c2 showed apparent apoptotic features, such as DNA fragmentation. However, OMJT significantly reduced both $H_2O_2$-induced cell death and chromatin fragmentation. The decrease of Bcl-XL expression by $H_2O_2$ was inhibited by OMJT. In addition, the increase of Bcl-XS and Bax expression were also inhibited by OMJT. In particular, Fas expression, which is generally recognized as cell death inducing signal by Fas/FasL interaction, was markedly increased by $H_2O_2$ in a time-dependent manner, whereas this increase was completely prevented by OMJT. The combined treatment of OMJT and $H_2O_2$ in H9c2 cells also reduced activation of caspase-9 and caspase-3 like protease. Taken together, this study indicates that the protective effects of the water extract of OMJT against oxidative damage may be mediated by the modulation of BcI-XL/S and Bax expression by way of the regulation of mitochondrial membrane potential and caspase cascades.
Lentiviral vector system is efficient vehicles for the delivery of exogenous genes, and it is generally used in the generation of transgenic chickens. In this study, we used recombinant lentiviral vectors to generate transgenic chicks that express the human superoxide dismutase-3 gene driven by the chicken ovalbumin promoter. It is well known that superoxide dismutases(SODs) are believed to play a crucial role in protecting cells against oxygen toxicity. There are three forms of SOD proteins: cytosolic Cu-Zn SOD, mitochondrial Mn SOD, and extracellular SOD(SOD-3). The recombinant lentivirus containing the human SOD-3 gene was injected into the subgerminal cavity of freshly laid eggs. Subsequently, the embryos were incubated to hatch using phases II and III of the surrogate shell ex vivo culture system. From 341 injected embryos, the 78 chicks hatched after 21 days incubation. The hatched chicks were screened for the human SOD-3 gene by using PCR. Two of 47 male chickens that survived to sexual maturity contained the human SOD-3 gene in their semen. These results showed that our transgenic chicken generation system was completely established.
Kim, Hae-Su;Shin, Yoo-Jeong;Park, Jong-Hyuk;Kim, Seung-Mo;Paek, Kyung-Min;Park, Chi-Sang
The Journal of Korean Medicine
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v.29
no.2
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pp.151-164
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2008
Objective: To investigate the effects of Yeongdamsagantang (YDGT) on apoptosis of neuronal cells that can result in dementia. Method: The water extract of the YDGT was tested in vitro for its beneficial effects on neuronal survival and neuroprotective functions, particularly in connection with $A{\beta}$ oligomer-related dementias. $A{\beta}$ oligomers derived from proteolytic processing of the ${\beta}-amyloid$ precursor protein (APP), including the $amyloid-{\beta}$ peptide $(A{\beta})$, play a critical role in the pathogenesis of Alzheimer's disease. A neuroblastoma cell line stably expressing an $A{\beta}$ oligomerassociated neuronal degeneration was used to investigate if YDGT inhibits formation of $A{\beta}$ oligomer. To measure the ATP generating level in mitochondrial membrane, luciferin/luciferase luminescence kit (Promega) and luminator was used, and to survey the protein's apparition, confocal microscopy was used. Result: $A{\beta}oligomer$ had a profound attenuation in the increase in CT105 expressing neuro2A cells from YDGT. Experimental evidence indicates that YDGT protected against neuronal damage from cells, but its cellular and molecular mechanisms remain unknown. We demonstrated that YDGT inhibited formation of $amyloid-{\beta}$$(A{\beta})$ oligomers, which were the behavior, and possibly causative, features of AD. The decreased $A{\beta}$ oligomer in the presence of YDGT was observed in the conditioned medium of this $A{\beta}oligomer-secreting$ cell line under in vitro. In the cells, YDGT significantly attenuated mitochondrion-initiated apoptosis. Conclusion: (i) a direct $A{\beta}$ oligomer toxicity and the apoptosis initiated by the mitochondria; and (ii) multiple cellular and molecular neuroprotective mechanisms, including attenuation of apoptosis and direct inhibition of $A{\beta}$ oligomer aggregation, underlie the neuroprotective effects of YDGT.
The $Na^+/H^+$ exchanger is responsible for maintaining the acidic tumor microenvironment through its promotion of the reabsorption of extracellular $Na^+$ and the extrusion of intracellular $H^+$. The resultant increase in the extracellular acidity contributes to the chemoresistance of malignant tumors. In this study, the chemosensitizing effects of cariporide, a potent $Na^+/H^+-exchange$ inhibitor, were evaluated in human malignant mesothelioma H-2452 cells preadapted with lactic acid. A higher basal level of phosphorylated (p)-AKT protein was found in the acid-tolerable H-2452AcT cells compared with their parental acid-sensitive H-2452 cells. When introduced in H-2452AcT cells with a concentration that shows only a slight toxicity in H-2452 cells, cariporide exhibited growth-suppressive and apoptosis-promoting activities, as demonstrated by an increase in the cells with pyknotic and fragmented nuclei, annexin V-PE(+) staining, a $sub-G_0/G_1$ peak, and a $G_2/M$ phase-transition delay in the cell cycle. Preceding these changes, a cariporide-induced p-AKT down-regulation, a p53 up-regulation, an ROS accumulation, and the depolarization of the mitochondrial-membrane potential were observed. A pretreatment with the phosphatidylinositol-3-kinase (PI3K) inhibitor LY294002 markedly augmented the DNA damage caused by the cariporide, as indicated by a much greater extent of comet tails and a tail moment with increased levels of the p-histone H2A.X, $p-ATM^{Ser1981}$, $p-ATR^{Ser428}$, $p-CHK1^{Ser345}$, and $p-CHK2^{Thr68}$, as well as a series of pro-apoptotic events. The data suggest that an inhibition of the PI3K/AKT signaling is necessary to enhance the cytotoxicity toward the acidtolerable H-2452AcT cells, and it underlines the significance of proton-pump targeting as a potential therapeutic strategy to overcome the acidic-microenvironment-associated chemotherapeutic resistance.
To assess potential risk of the benzimidazole fungicides, their cytotoxicities were evaluated. Activities of LDH(Lactic dehydrogenase) in the culture fluid of CHL(chinese hamster lung) fiberoblast cell treated with 4.0, 16.0 or $32.0{\mu}g/mL$ of carbendazim for 24 hours were elevated 2.16, 2.94 and 2.64 folds compared to the control, respectively. DNA synthesis was inhibited by 45% at $2.0{\mu}g/mL$ of carbendazim. Benzimidazole fungicides showed high toxicity to cell and mitochondria of CHL cell by Giemsa and MTT (3-(4,5-dimethylthiazole-2-yl)-2,5-diphenyltetrazolium bromide) assay. $IC_{50}$ by the Giemsa assay of thiophanate-methyl, benomyl, carbendazim and captafol were over 125, 1.2, 30.0 and $0.3{\mu}g/mL$, respectively. $IC_{50}$ by the MTT assay of thiophanate-methyl, benomyl, carbendazim and captafol were over 125, 18.7, 20.4 and $2.6{\mu}g/mL$, respectively. Inhibitory concentration of cell median proliferation by SRB (sulforhodamin B) assay for thiophanate-methyl, carbendazim, benomyl, and captafol were 17.4, 5.3, 1.5 and $0.5{\mu}g/mL$, respectively. Accordingly, benzimidazole fungicides inhibited DNA synthesis, mitochondrial function, cell proliferation and induced cell necrosis.
Background: Acute promyelocytic leukemia (APL) is a hematopoietic malignancy driven by promyelocytic leukemia-retinoic acid receptor A (PML-RARA) fusion gene. The therapeutic drugs currently used to treat APL have adverse effects. 20(S)-ginsenoside Rh2 (GRh2) is an anticancer medicine with high effectiveness and low toxicity. However, the underlying anticancer mechanisms of GRh2-induced PML-RARA degradation and apoptosis in human APL cell line (NB4 cells) remain unclear. Methods: Apoptosis-related indicators and PML-RARA expression were determined to investigate the effect of GRh2 on NB4 cells. Z-VAD-FMK, LY294002, and C 87, as inhibitors of caspase, and the phosphatidylinositol 3-kinase (PI3K) and tumor necrosis factor-α (TNF-α) pathways were used to clarify the relationship between GRh2-induced apoptosis and PML-RARA degradation. Results: GRh2 dose- and time-dependently decreased NB4 cell viability. GRh2-induced apoptosis, cell cycle arrest, and caspase3, caspase8, and caspase9 activation in NB4 cells after a 12-hour treatment. GRh2-induced apoptosis in NB4 cells was accompanied by massive production of reactive oxygen species, mitochondrial damage and upregulated Bax/Bcl-2 expression. GRh2 also induced PML/PML-RARA degradation, PML nuclear bodies formation, and activation of the downstream p53 pathway in NB4 cells. Z-VAD-FMK inhibited caspase activation and significantly reversed GRh2-induced apoptosis and PML-RARA degradation. GRh2 also upregulated TNF-α expression and inhibited Akt phosphorylation. LY294002, an inhibitor of the PI3K pathway, enhanced the antitumor effects of GRh2, and C 87, an inhibitor of the TNF-α pathway, reversed NB4 cell viability, and GRh2-mediated apoptosis in a caspase-8-dependent manner. Conclusion: GRh2 induced caspase-dependent PML-RARA degradation and apoptosis in NB4 cells via the Akt/Bax/caspase9 and TNF-α/caspase8 pathways.
Kim, Da Hye;Hwangbo, Hyun;Lee, Hyesook;Cheong, Jaehun;Choi, Yung Hyun
Journal of Life Science
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v.32
no.9
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pp.712-720
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2022
The purpose of this study was to investigate the efficacy of rat corneal-derived epithelial cells as an in vitro model to evaluate the harmfulness of the cornea caused by particulate matter 2.5 (PM2.5). To establish an experimental model for the effect of PM2.5 on corneal epithelial cells, it was confirmed that primary cultured cells isolated from rat eyes were corneal epithelial cells through pan-cytokeratin staining. Our results showed that PM2.5 treatment reduced cell viability of primary rat corneal epithelial (RCE) cells, which was associated with the induction of apoptosis. PM2.5 treatment also increased the generation of reactive oxygen species due to mitochondrial dysfunction. In addition, the production of nitric oxide and inflammatory cytokines was increased in PM2.5-treated RCE cells. Furthermore, through heatmap analysis showing various expression profiling between PM2.5-exposed and unexposed RCE cells, we proposed five genes, including BLNK, IL-1RA, Itga2b, ABCb1a and Ptgs2, as potential targets for clinical treatment of PM-related ocular diseases. These findings indicate that the primary RCE cell line is a useful in vitro model system for the study of PM2.5-mediated pathological mechanisms and that PM2.5-induced oxidative and inflammatory responses are key factors in PM2.5-induced ocular surface disorders.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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