Oxidative stress may represent a common link between chronic liver damage and hepatic fibrosis. In the present study, we investigated activity changes of sphingomyelin catabolic enzymes, such as sphingomyelinases and ceramidases by using dimethylnitrosamine (DMN)-treated Sprague-Dawley (SD) male rats hepatic fibrosis model as a hepatic fibrosis model. Twenty rats divided into five groups received: (1) saline; (2) DMN for 1 week, (3) DMN for 2 weeks, (4) DMN for 3 weeks, and (5) DMN for 4 weeks by intraperitoneally 10 mg/kg of body weight for three consecutive days a week. Activities of acidic and neutral sphingomyelinases and acidic, neutral and alkaline ceramidases were measured in the liver and kidney from DMN-treated rats. We found increased ceramidase activities from 2-week and/or 3-week DMN treated rat livers compared to control rat liver. Acidic sphingomyelinase and alkaline ceramidase activities were significantly increased in 3-week DMN-treated rat kidneys compared to control rat kidney. Therefore, sphingolipid metabolizing enzymes and sphingolipid metabolites are supposed to be involved in liver fibrosis, although further investigation is necessary to elucidate meanings of sphingolipids during the liver fibrosis
Sphingolipids play important roles in cell regulation and signal transduction. Recently, a sphinogomyelin cycle has been described in which activation of neutral sphingomyelinase leads to the breakdown of sphingomyelin and the generation of ceramide. Ceramide, in turn, has emerged as a candidate intracellular mediator for the action of certain cell agonists and has multiple biologic actions. Ceramide is a potent suppressor of cell growth and an inducer of apoptosis. The present studies show that exposure of IM-9 cells to ceramide resulted in internucleosomal cleavage of DNA, yielding laddered patterns of oligonucleosomal fragments characteristic of apoptosis. DNA fragmentation induced by ceramide was also confirmed by diphenylamine assay. The effect of ceramide on cell cycle progression was also studied. The addition of ceramide increase G$_{1}$ phase distribution in cell cycle. Cell cycle-related cyclin D$_{1}$ gene expression was decreased in a time-dependent manner. These results suggest that apoptosis induced by ceramide is related to cell cycle associated with the alteration of cell cycle in IM-9 cells.
Jong Min Choi;Yongwei Piao;Kyong Hoon Ahn;Seok Kyun Kim;Jong Hoon Won;Jae Hong Lee;Ji Min Jang;In Chul Shin;Zhicheng Fu;Sung Yun Jung;Eui Man Jeong;Dae Kyong Kim
Molecules and Cells
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v.46
no.9
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pp.545-557
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2023
Sphingomyelinase (SMase) catalyzes ceramide production from sphingomyelin. Ceramides are critical in cellular responses such as apoptosis. They enhance mitochondrial outer membrane permeabilization (MOMP) through self-assembly in the mitochondrial outer membrane to form channels that release cytochrome c from intermembrane space (IMS) into the cytosol, triggering caspase-9 activation. However, the SMase involved in MOMP is yet to be identified. Here, we identified a mitochondrial Mg2+-independent SMase (mt-iSMase) from rat brain, which was purified 6,130-fold using a Percoll gradient, pulled down with biotinylated sphingomyelin, and subjected to Mono Q anion exchange. A single peak of mt-iSMase activity was eluted at a molecular mass of approximately 65 kDa using Superose 6 gel filtration. The purified enzyme showed optimal activity at pH of 6.5 and was inhibited by dithiothreitol and Mg2+, Mn2+, Ni2+, Cu2+, Zn2+, Fe2+, and Fe3+ ions. It was also inhibited by GW4869, which is a non-competitive inhibitor of Mg2+-dependent neutral SMase 2 (encoded by SMPD3), that protects against cytochrome c release-mediated cell death. Subfractionation experiments showed that mt-iSMase localizes in the IMS of the mitochondria, implying that mt-iSMase may play a critical role in generating ceramides for MOMP, cytochrome c release, and apoptosis. These data suggest that the purified enzyme in this study is a novel SMase.
Promising evidence suggests that amyloid beta peptide ($A{\beta}$), a key mediator in age-dependent neuronal and cerebrovascular degeneration, activates death signalling processes leading to neuronal as well as non-neuronal cell death in the central nervous system. A major cellular event in $A{\beta}$-induced apoptosis of non-neuronal cells, including cerebral endothelial cells, astrocytes and oligodendrocytes, is mitochondrial dysfunction. The apoptosis signalling cascade upstream of mitochondria entails $A{\beta}$ activation of neutral sphingomyelinase, resulting in the release of ceramide from membrane sphingomyelin. Ceramide then activates protein phosphatase 2A (PP2A), a member in the ceramide-activated protein phosphatase (CAPP) family. PP2A dephosphorylation of Akt and FKHRL1 plays a pivotal role in $A{\beta}$-induced Bad translocation to mitochondria and transactivation of Bim. Bad and Bim are pro-apoptotic proteins that cause mitochondrial dysfunction characterized by excessive ROS formation, mitochondrial DNA (mtDNA) damage, and release of mitochondrial apoptotic proteins including cytochrome c, apoptosis inducing factor (AIF), endonuclease G and Smac. The cellular events activated by $A{\beta}$ to induce death of non-neuronal cells are complex. Understanding these apoptosis signalling processes will aid in the development of more effective strategies to slow down age-dependent cerebrovascular degeneration caused by progressive cerebrovascular $A{\beta}$ deposition.
Jo, Ji-Yeong;Kim, Tae-Hyung;Jeong, Hye-Young;Lim, Sung-Mee;Kim, Hyung-Sik;Im, Dong-Soon
Toxicological Research
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v.27
no.3
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pp.185-190
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2011
Di-(2-ethylhexyl)-phthalate (DEHP), the most widely utilized industrial plastizer and a ubiquitous environmental contaminant, can act on peroxisome proliferators-activated nuclear hormone receptor family (PPAR) isoforms. To understand the contribution of sphingolipid metabolism to DEHP-induced hepatotoxicity, effect of DEHP exposure on activities of sphingolipid metabolic enzymes in rat liver was investigated. DEHP (250, 500 or 750 mg/kg) was administered to the rats through oral gavage daily for 28 days. The activities of acidic and alkaline ceramidases were slightly increased in 250 mg/kg DEHP-administered rat livers and significantly elevated in 500 mg/kg DEHP-administered ones, although the level of 750 mg/kg DEHP-administered ones was not increased. Neutral ceramidase, acidic and neutral sphingomyelinases, sphingomyeline synthase and ceramide syhthase were not changed at all by DEHP exposure. Therefore, acidic and alkaline ceramidases might play important roles in DEHP-induced hepatotoxicity.
Our previous work confirmed that Sph2/LA1029 was a sphigomyelinase-like hemolyisn of Leptospira interrogans serogroup Icterohaemorrhagiae serovar Lai. Characteristics of both hemolytic and cytotoxic activities of Sph2 were reported in this paper. Sph2 was a heat-labile neutral hemolysin and had similar hemolytic behavior as the typical sphingomyelinase C of Staphylococcus aureus upon sheep erythrocytes. The cytotoxic activity of Sph2 was shown in mammalian cells such as BALB/C mouse lymphocytes and macrophages, as well as human L-02 liver cells. Transmission electron microscopic observation showed that the Sph2 treated BALB/C mouse lymphocytes were swollen and ruptured with membrane breakage. They also demonstrated condensed chromatin as a high-density area. Cytoskeleton changes were observed via fluorescence confocal microscope in Sph2 treated BALB/C mouse lymphocytes and macrophages, where both cytokine IL-$1{\beta}$ and IL-6 were induced. In addition, typical apoptotic morphological features were observed in Sph2 treated L-02 cells via transmission electron microscope and the percentage of apoptotic cells did increase after the Sph2 treatment detected by flow cytometry. Therefore, Sph2 was likely an apoptosis-inducing factor of human L-02 liver cells.
Ceramide has been involved in celt death and acted as a lipid mediator of stress responses. Elevation of ceramide level was reported to occur in oxidative stress and lead to cell death in many cell types. This study was undertaken to elucidate a protective role of ginsenoside Rgl in cell death induced by oxidative stress. When LLC-PK1 cells were treated with $H_2O_2$ at a concentration of $400{\mu}M$ for 5 hr, cell death was observed and a released LDH activity indicative of cytotoxicity was Increased. $H_2O_2$ exposure to LLC-PK1 cells was shown to elevate the content of total ceramide by approximately 200% compared to control cells. Ceramide level was hypothesized to be a key to a reversal of cell death to survival. Ginsenoside Rgl at the concentrations ranging from 12.5 to $250{\mu}M$ protected LLC-PK1 cells from cell death induced by $H_2O_2\;at\;400{\mu}M$ for 5 hr, and decreased the ceramide level relative to $H_2O_2$. Ginsenoside Rgl inhibited neutral human ceramidase by 71% of controls, while sphingomyelinase was not inhibited. These results suggest that ginsenoside Rgl show the protection against cell death via the modulation of ceramide metabolism, and ceramide may be a promising therapeutic target for human diseases related to cell death.
Park, Eun-Seon;Yun, Seung-Hoon;Shin, Sung-Won;Kwak, Jong-Young;Park, Joo-In
Journal of Life Science
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v.22
no.6
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pp.760-771
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2012
Marine triterpene glycosides are physiologically active natural compounds isolated from sea cucumbers(holothurians). It was demonstrated that they have a wide range of biological activities, including antifungal, cytotoxic, and antitumor effects. A previous study showed that stichoposide C (STC) isolated from Thelenota anax induces apoptosis through generation of ceramide by activation of acid sphingomyelinase (SMase) and neutral SMase in human leukemia cells. In this study, we investigated whether STD, a structural analog of STC, can induce apoptosis and examined the molecular mechanisms for its activity. It was found that STC and STD induce apoptosis in a dose- and time-dependent manner and lead to the activation of caspase-8, mitochondrial damage, activation of caspase-9, and activation of caspase-3 in K562 and HL-60 cells. STC activates acid SMase and neutral SMase, which results in the generation of ceramide. Specific inhibition of acid SMase or neutral SMase partially blocked STC-induced apoptosis, but not STD-induced apoptosis. In contrast, STD generates ceramide through the activation of ceramide synthase. Specific inhibition of ceramide synthase partially blocked STD-induced apoptosis, but not STC-induced apoptosis. Moreover, STC and STD markedly reduced tumor growth of HL-60 xenograft tumors and increased ceramide generation in vivo. These results indicate that STC and STD can induce apoptosis and have antitumor activity through the different molecular mechanisms, because they have a different sugar residue attached to aglycones. Thus, these results suggest that their actions are affected by a sugar residue attached to aglycones and they can be used as anticancer agents in the treatment of leukemia.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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