Park, Jeongmin;Joe, Yeonsoo;Ryter, Stefan W.;Surh, Young-Joon;Chung, Hun Taeg
Molecules and Cells
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v.42
no.4
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pp.292-300
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2019
Immunometabolism, defined as the interaction of metabolic pathways with the immune system, influences the pathogenesis of metabolic diseases. Metformin and carbon monoxide (CO) are two pharmacological agents known to ameliorate metabolic disorders. There are notable similarities and differences in the reported effects of metformin and CO on immunometabolism. Metformin, an anti-diabetes drug, has positive effects on metabolism and can exert anti-inflammatory and anti-cancer effects via adenosine monophosphate-activated protein kinase (AMPK)-dependent and AMPK-independent mechanisms. CO, an endogenous product of heme oxygenase-1 (HO-1), can exert anti-inflammatory and antioxidant effects at low concentration. CO can confer cytoprotection in metabolic disorders and cancer via selective activation of the protein kinase R-like endoplasmic reticulum (ER) kinase (PERK) pathway. Both metformin and CO can induce mitochondrial stress to produce a mild elevation of mitochondrial ROS (mtROS) by distinct mechanisms. Metformin inhibits complex I of the mitochondrial electron transport chain (ETC), while CO inhibits ETC complex IV. Both metformin and CO can differentially induce several protein factors, including fibroblast growth factor 21 (FGF21) and sestrin2 (SESN2), which maintain metabolic homeostasis; nuclear factor erythroid 2-related factor 2 (Nrf2), a master regulator of the antioxidant response; and REDD1, which exhibits an anticancer effect. However, metformin and CO regulate these effects via different pathways. Metformin stimulates p53- and AMPK-dependent pathways whereas CO can selectively trigger the PERK-dependent signaling pathway. Although further studies are needed to identify the mechanistic differences between metformin and CO, pharmacological application of these agents may represent useful strategies to ameliorate metabolic diseases associated with altered immunometabolism.
Activation of protein kinase C (PKC) is closely linked with endothelial dysfunction. However, the effect of $PKC{\beta}II$ on endothelial dysfunction has not been characterized in cultured endothelial cells. Here, using adenoviral $PKC{\beta}II$ gene transfer and pharmacological inhibitors, the role of $PKC{\beta}II$ on endothelial dysfucntion was investigated in cultured endothelial cells. Phorbol 12-myristate 13-acetate (PMA) increased reactive oxygen species (ROS), p66shc phosphorylation, intracellular adhesion molecule-1, and monocyte adhesion, which were inhibited by $PKC{\beta}i$ (10 nM), a selective inhibitor of $PKC{\beta}II$. PMA increased the phosphorylation of CREB and manganese superoxide dismutase (MnSOD), which were also inhibited by $PKC{\beta}i$. Gene silencing of CREB inhibited PMA-induced MnSOD expression, suggesting that CREB plays a key role in MnSOD expression. Gene silencing of $PKC{\beta}II$ inhibited PMA-induced mitochondrial ROS, MnSOD, and ICAM-1 expression. In contrast, overexpression of $PKC{\beta}II$ using adenoviral $PKC{\beta}II$ increased mitochondrial ROS, MnSOD, ICAM-1, and p66shc phosphorylation in cultured endothelial cells. Finally, $PKC{\beta}II$-induced ICAM-1 expression was inhibited by Mito-TEMPO, a mitochondrial ROS scavenger, suggesting the involvement of mitochondrial ROS in PKC-induced vascular inflammation. Taken together, the results suggest that $PKC{\beta}II$ plays an important role in PMA-induced endothelial dysfunction, and that the inhibition of $PKC{\beta}II$-dependent p66shc signaling acts as a therapeutic target for vascular inflammatory diseases.
Objectives: It is well known that aging and aging-related diseases are linked to the increased level of oxidative stress caused by reactive oxygen species(ROS) and reactive nitrogen species(RNS). Nonprotein-SH decreases during aging, while substances such as ROS, nitric oxide(NO), peroxynitrite($ONOO^-$), myeloperoxidase(MPO), and dityrosine show a significant increase. This study investigated the effect of Ichungwhan on the aging process by examining its effect on the generation of the above-mentioned substances. Methods: Four comparison groups of SD rats were used. They were 6 month-old rats, 24 month-old rats, and 24 month-old rats fed with food containing 0.1% and 0.3% of Ichungwhan extract. The amount of NO, $ONOO^-$, and ROS in the rats' kidneys were examined using a fluorescence microplate reader. The reagents used for this purpose include: dihydrorhodamine 123 (DHR 123), 2',7' -dichlorodihydrofluorescein, diacetate(DCFDA), and 4,5-diaminofluorescein(DAF-2). A spectrophotometer was used to investigate the reactivity of nonprotein-SH and myeioperoxidase(MPO), using reagents such as trichloroacetic acid(TCA) and tetramethylbenzidine(TMB). The amounts of MPO protein and dityrosine were measued by western blot. Results: The observed effects of Ichungwhan on rats were as follows: increase of nonprotein-SH; effective decrease of RNS level by suppression of the generation system of $ONOO^-$ and NO; decrease of ROS level; decrease of the MPO reactivity and the subsequent reduction of amount of MPO protein; retardation of dityrosine formation. It can be hypothesized, therefore, that Ichungwhan affects both the earlier and later phases of the molecular inflammatory process, and retards the aging process. Conclusions: Empirical evidence in this study supports a role for Ichungwhan in generation mechanisms of aging process-linked substances ROS, NO, $ONOO^-$, nonprotein-SH, MPO and dityrosine. Affects contrary to the aging process observed in rats beg further empiricism to investigate potential application of Ichungwhan as a medication for age-related diseases in humans.
Reactive oxygen species (ROS) and nitrogen species (RNS) are implicated in cellular signaling processes and as a cause of oxidative stress. Recent studies indicate that ROS and RNS are important signaling molecules involved in nociceptive transmission. Xanthine oxidase (XO) system is a well-known system for superoxide anions ($O{_2}^{{\cdot}_-}$) generation, and sodium nitroprusside (SNP) is a representative nitric oxide (NO) donor. Patch clamp recording in spinal slices was used to investigate the role of $O{_2}^{{\cdot}_-}$ and NO on substantia gelatinosa (SG) neuronal excitability. Application of xanthine and xanthine oxidase (X/XO) compound induced membrane depolarization. Low concentration SNP ($10{\mu}M$) induced depolarization of the membrane, whereas high concentration SNP (1 mM) evoked membrane hyperpolarization. These responses were significantly decreased by pretreatment with phenyl N-tert-butylnitrone (PBN; nonspecific ROS and RNS scavenger). Addition of thapsigargin to an external calcium free solution for blocking synaptic transmission, led to significantly decreased X/XO-induced responses. Additionally, X/XO and SNP-induced responses were unchanged in the presence of intracellular applied PBN, indicative of the involvement of presynaptic action. Inclusion of GDP-${\beta}$-S or suramin (G protein inhibitors) in the patch pipette decreased SNP-induced responses, whereas it failed to decrease X/XO-induced responses. Pretreatment with n-ethylmaleimide (NEM; thiol-alkylating agent) decreased the effects of SNP, suggesting that these responses were mediated by direct oxidation of channel protein, whereas X/XO-induced responses were unchanged. These data suggested that ROS and RNS play distinct roles in the regulation of the membrane excitability of SG neurons related to the pain transmission.
Objectives: Condurango (Gonolobus condurango) extract is used by complementary and alternative medicine (CAM) practitioners as a traditional medicine, including homeopathy, mainly for the treatment of syphilis. Condurango bark extract is also known to reduce tumor volume, but the underlying molecular mechanisms still remain unclear. Methods: Using a cervical cancer cell line (HeLa) as our model, the molecular events behind condurango extract's (CE's) anticancer effect were investigated by using flow cytometry, immunoblotting and reverse transcriptase-polymerase chain reaction (RT-PCR). Other included cell types were prostate cancer cells (PC3), transformed liver cells (WRL-68), and peripheral blood mononuclear cells (PBMCs). Results: Condurango extract (CE) was found to be cytotoxic against target cells, and this was significantly deactivated in the presence of N-acetyl cysteine (NAC), a scavenger of reactive oxygen species (ROS), suggesting that its action could be mediated through ROS generation. CE caused an increase in the HeLa cell population containing deoxyribonucleic acid (DNA) damage at the G zero/Growth 1 (G0/G1) stage. Further, CE increased the tumor necrosis factor alpha ($TNF-{\alpha}$) and the fas receptor (FasR) levels both at the ribonucleic acid (RNA) and the protein levels, indicating that CE might have a cytotoxic mechanism of action. CE also triggered a sharp decrease in the expression of nuclear factor kappa-light-chain-enhancer of activated B cells ($NF-{\kappa}B$) both at the RNA and the protein levels, a possible route to attenuation of B-cell lymphoma 2 (Bcl-2), and caused an opening of the mitochondrial membrane's permeability transition (MPT) pores, thus enhancing caspase activities. Conclusion: Overall, our results suggest possible pathways for CE mediated cytotoxicity in model cancer cells.
Hong, Su Hyun;Park, Cheol;Kim, Kyoung Min;Choi, Yung Hyun
Journal of Life Science
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v.25
no.11
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pp.1235-1243
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2015
Hwangheuk-san (HHS) is a Korean multi-herb formula comprising four medicinal herbs. HHS, which was recorded in “Dongeuibogam,” has been used to treat patients with inflammation syndromes and digestive tract cancer for hundreds of years. However, little is known about its anti-tumor efficacy. The present study investigated the pro-apoptotic effect and mode of action of HHS against AGS human gastric carcinoma cells. HHS inhibited the cell growth of AGS cells in a dose-dependent manner, which was associated with the induction of apoptotic cell death, as evidenced by the formation of apoptotic bodies, chromatin condensation, and an accumulation of cells in the sub-G1 phase. HHS-induced apoptotic cell death was associated with the up-regulation of pro-apoptotic Bax protein expression, down-regulation of antiapoptotic Bcl-2 protein, and the release of cytochrome c from mitochondria to the cytosol. The treatment of AGS cells with HHS significantly elevated the generation of reactive oxygen species (ROS). Additionally, apoptosis-inducing concentrations of HHS induced the activation of both caspase-9 and -8, initiator caspases of the mitochondrial-mediated intrinsic and death receptor-mediated extrinsic pathways, respectively, and caspase-3, accompanied by proteolytic degradation of poly (ADP-ribose)-polymerase. However, ROS scavenger and pan-caspases inhibitor significantly blocked HHS-induced growth inhibition and apoptosis. Taken together, these findings suggest that HHS induces apoptosis through ROS- and caspase-dependent mechanisms and that HHS may be a potential chemotherapeutic agent for the control of human gastric cancer.
Jang, Da Eun;Song, Junbin;Park, Jeong-Woo;Yoon, Soo-Hyun;Bae, Young-Seuk
BMB Reports
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v.53
no.5
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pp.272-277
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2020
Protein kinase CK2 downregulation induces premature senescence in various human cell types via activation of the reactive oxygen species (ROS)-p53-p21Cip1/WAF1 pathway. The transcription factor "nuclear factor erythroid 2-related factor 2" (Nrf2) plays an important role in maintaining intracellular redox homeostasis. In this study, Nrf2 overexpression attenuated CK2 downregulation-induced ROS production and senescence markers including SA-β-gal staining and activation of p53-p21Cip1/WAF1 in human breast (MCF-7) and colon (HCT116) cancer cells. CK2 downregulation reduced the transcription of Nrf2 target genes, such as glutathione S-transferase, glutathione peroxidase 2, and glutathione reductase 1. Furthermore, CK2 downregulation destabilized Nrf2 protein via inhibiting autophagic degradation of Kelch-like ECH-associated protein 1 (Keap1). Finally, CK2 downregulation decreased the nuclear import of Nrf2 by deactivating AMP-activated protein kinase (AMPK). Collectively, our data suggest that both Keap1 stabilization and AMPK inactivation are associated with decreased activity of Nrf2 in CK2 downregulation-induced cellular senescence.
The implications of nutrient starvation due to aging on the degeneration of the retinal pigment epithelium (RPE) is yet to be fully explored. We examined the involvement of AMPK activation in mitochondrial homeostasis and its relationship with the maintenance of a healthy mitochondrial population and epithelial characteristics of RPE cells under nutrient starvation. Nutrient starvation induced mitochondrial senescence, which led to the accumulation of reactive oxygen species (ROS) in RPE cells. As nutrient starvation persisted, RPE cells underwent pathological epithelial-mesenchymal transition (EMT) via the upregulation of TWIST1, a transcription regulator which is activated by ROS-induced NF-κB signaling. Enhanced activation of AMPK with metformin decelerated mitochondrial senescence and EMT progression through mitochondrial biogenesis, primed by activation of PGC1-α. Thus, by facilitating mitochondrial biogenesis, AMPK protects RPE cells from the loss of epithelial integrity due to the accumulation of ROS in senescent mitochondria under nutrient starvation.
Jung, Euitaek;Koh, Dongsoo;Lim, Yoongho;Shin, Soon Young;Lee, Young Han
BMB Reports
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v.53
no.2
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pp.88-93
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2020
Cisplatin is a widely used anti-cancer agent. However, the effectiveness of cisplatin has been limited by the commonly developed drug resistance. This study aimed to investigate the potential effects of endoplasmic reticulum (ER) stress to overcome drug resistance using the cisplatin-resistant A2780/CisR ovarian cancer cell model. The synthetic chalcone derivative (E)-3-(3,5-dimethoxyphenyl)-1-(2-methoxyphenyl)prop-2-en-1-one (named DPP23) is an ER stress inducer. We found that DPP23 triggered apoptosis in both parental cisplatin-sensitive A2780 and cisplatin-resistant A2780/CisR ovarian cancer cells due to activation of reactive oxygen species (ROS)-mediated unfolded protein response (UPR) pathway in the endoplasmic reticulum. This result suggests that ROS-mediated UPR activation is potential in overcoming drug resistance. DPP23 can be used as a target pharmacophore for the development of novel chemotherapeutic agents capable of overcoming drug resistance in cancer cells, particularly ovarian cancer cells.
Purpose: All-trans retinoic acid (ATRA) has anti proliferative effects against brain tumor cells. Recently, ATRA has been reported to induce catalase. We investigated whether catalase induction by ATRA is associated with its anti proliferative effects. Materials and Methods: 36B10 cells were exposed to 0~50${\mu}M$ ATRA for 24 or 48 hours and mRNA, protein, and activity of catalase were measured. Reactive oxygen species (ROS) were measured using 2',7'-dichlorofluorescin diacetate. A clonogenic assay was used to confirm the cytotoxic effect. Results: The mRNA, protein, and activity of catalase were found to increase in a concentration- and incubationtime-dependent manner. The increase in catalase activity induced by ATRA was decreased by the addition of 3-amino-1,2,4-triazole (ATZ). ROS was also increased with ATRA and decreased by the addition of ATZ. The decrease in cell survival induced by ATRA was partly rescued by ATZ. Conclusion: Catalase induction by ATRA is involved in ROS overproduction and thus inhibits the proliferation of 36B10 cells.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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