Zhang, Lijun;Park, Jeoung Yun;Zhao, Dong;Kwon, Hak Cheol;Yang, Hyun Ok
Biomolecules & Therapeutics
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v.29
no.6
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pp.615-629
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2021
An active compound, triterpene saponin, astersaponin I (AKNS-2) was isolated from Aster koraiensis Nakai (AKNS) and the autophagy activation and neuroprotective effect was investigated on in vitro and in vivo Parkinson's disease (PD) models. The autophagy-regulating effect of AKNS-2 was monitored by analyzing the expression of autophagy-related protein markers in SH-SY5Y cells using Western blot and fluorescent protein quenching assays. The neuroprotection of AKNS-2 was tested by using a 1-methyl-4-phenyl-2,3-dihydropyridium ion (MPP+)-induced in vitro PD model in SH-SY5Y cells and an MPTP-induced in vivo PD model in mice. The compound-treated SH-SY5Y cells not only showed enhanced microtubule-associated protein 1A/1B-light chain 3-II (LC3-II) and decreased sequestosome 1 (p62) expression but also showed increased phosphorylated extracellular signal-regulated kinases (p-Erk), phosphorylated AMP-activated protein kinase (p-AMPK) and phosphorylated unc-51-like kinase (p-ULK) and decreased phosphorylated mammalian target of rapamycin (p-mTOR) expression. AKNS-2-activated autophagy could be inhibited by the Erk inhibitor U0126 and by AMPK siRNA. In the MPP+-induced in vitro PD model, AKNS-2 reversed the reduced cell viability and tyrosine hydroxylase (TH) levels and reduced the induced α-synuclein level. In an MPTP-induced in vivo PD model, AKNS-2 improved mice behavioral performance, and it restored dopamine synthesis and TH and α-synuclein expression in mouse brain tissues. Consistently, AKNS-2 also modulated the expressions of autophagy related markers in mouse brain tissue. Thus, AKNS-2 upregulates autophagy by activating the Erk/mTOR and AMPK/mTOR pathways. AKNS-2 exerts its neuroprotective effect through autophagy activation and may serve as a potential candidate for PD therapy.
Autophagy dysfunction is associated with human diseases and conditions including neurodegenerative diseases, metabolic issues, and chronic infections. Additionally, the decline in autophagic activity contributes to tissue and organ dysfunction and aging-related diseases. Several factors, such as down-regulation of autophagy components and activators, oxidative damage, microinflammation, and impaired autophagy flux, are linked to autophagy decline. An autophagy flux impairment (AFI) has been implicated in neurological disorders and in certain other pathological conditions. Here, to enhance our understanding of AFI, we conducted a comprehensive literature review of findings derived from two well-studied cellular stress models: glucose deprivation and replicative senescence. Glucose deprivation is a condition in which cells heavily rely on oxidative phosphorylation for ATP generation. Autophagy is activated, but its flux is hindered at the autolysis step, primarily due to an impairment of lysosomal acidity. Cells undergoing replicative senescence also experience AFI, which is also known to be caused by lysosomal acidity failure. Both glucose deprivation and replicative senescence elevate levels of reactive oxygen species (ROS), affecting lysosomal acidification. Mitochondrial alterations play a crucial role in elevating ROS generation and reducing lysosomal acidity, highlighting their association with autophagy dysfunction and disease conditions. This paper delves into the underlying molecular and cellular pathways of AFI in glucose-deprived cells, providing insights into potential strategies for managing AFI that is driven by lysosomal acidity failure. Furthermore, the investigation on the roles of mitochondrial dysfunction sheds light on the potential effectiveness of modulating mitochondrial function to overcome AFI, offering new possibilities for therapeutic interventions.
The molecular mechanism underlying autophagy impairment in the retinal pigment epithelium (RPE) in dry age-related macular degeneration (AMD) is not yet clear. Based on the causative role of poly(ADP-ribose) polymerase 1 (PARP1) in RPE necrosis, this study examined whether PARP1 is involved in the autophagy impairment observed during dry AMD pathogenesis. We found that autophagy was downregulated following H2O2-induced PARP1 activation in ARPE-19 cells and olaparib, PARP1 inhibitor, preserved the autophagy process upon H2O2 exposure in ARPE-19 cells. These findings imply that PARP1 participates in the autophagy impairment upon oxidative stress in ARPE-19 cells. Furthermore, PARP1 inhibited autolysosome formation but did not affect autophagosome formation in H2O2-exposed ARPE-19 cells, demonstrating that PARP1 is responsible for impairment of late-stage autophagy in particular. Because PARP1 consumes NAD+ while exerting its catalytic activity, we investigated whether PARP1 impedes autophagy mediated by sirtuin1 (SIRT1), which uses NAD+ as its cofactor. A NAD+ precursor restored autophagy and protected mitochondria in ARPE-19 cells by preserving SIRT1 activity upon H2O2. Moreover, olaparib failed to restore autophagy in SIRT1-depleted ARPE-19 cells, indicating that PARP1 inhibits autophagy through SIRT1 inhibition. Next, we further examined whether PARP1-induced autophagy impairment occurs in the retinas of dry AMD model mice. Histological analyses revealed that olaparib treatment protected mouse retinas against sodium iodate (SI) insult, but not in retinas cotreated with SI and wortmannin, an autophagy inhibitor. Collectively, our data demonstrate that PARP1-dependent inhibition of SIRT1 activity impedes autophagic survival of RPE cells, leading to retinal degeneration during dry AMD pathogenesis.
Dong Hyun Jo;Su Hyun Lee;Minsol Jeon;Chang Sik Cho;Da-Eun Kim;Hyunkyung Kim;Jeong Hun Kim
Molecules and Cells
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v.46
no.11
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pp.675-687
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2023
Accumulation of pathogenic amyloid-β disrupts the tight junction of retinal pigment epithelium (RPE), one of its senescence-like structural alterations. In the clearance of amyloid-β, the autophagy-lysosome pathway plays the crucial role. In this context, mammalian target of rapamycin (mTOR) inhibits the process of autophagy and lysosomal degradation, acting as a potential therapeutic target for age-associated disorders. However, efficacy of targeting mTOR to treat age-related macular degeneration remains largely elusive. Here, we validated the therapeutic efficacy of the mTOR inhibitors, Torin and PP242, in clearing amyloid-β by inducing the autophagy-lysosome pathway in a mouse model with pathogenic amyloid-β with tight junction disruption of RPE, which is evident in dry age-related macular degeneration. High concentration of amyloid-β oligomers induced autophagy-lysosome pathway impairment accompanied by the accumulation of p62 and decreased lysosomal activity in RPE cells. However, Torin and PP242 treatment restored the lysosomal activity via activation of LAMP2 and facilitated the clearance of amyloid-β in vitro and in vivo. Furthermore, clearance of amyloid-β by Torin and PP242 ameliorated the tight junction disruption of RPE in vivo. Overall, our findings suggest mTOR inhibition as a new therapeutic strategy for the restoration of tight junctions in age-related macular degeneration.
Dysregulation of inflammation induced by noninfectious stress conditions, such as nutrient deprivation, causes tissue damage and intestinal permeability, resulting in the development of inflammatory bowel diseases. We studied the effect of autophagy on cytokine secretion related to intestinal permeability under nutrient deprivation. Autophagy removes NLRP3 inflammasomes via ubiquitin-mediated degradation under starvation. When autophagy was inhibited, starvation-induced NLRP3 inflammasomes and their product, IL-1β, were significantly enhanced. A prolonged nutrient deprivation resulted in an increased epithelial mesenchymal transition (EMT), leading to intestinal permeability. Under nutrient deprivation, IL-17E/25, which is secreted by IL-1β, demolished the intestinal epithelial barrier. Our results suggest that an upregulation of autophagy maintains the intestinal barrier by suppressing the activation of NLRP3 inflammasomes and the release of their products, including pro-inflammatory cytokines IL-1β and IL-17E/25, under nutrient deprivation.
Caspases, a family of cysteine proteases, cleave substrates and play significant roles in apoptosis, autophagy, and development. Recently, our group identified 72 genes that interact with Death Caspase-1 (DCP-1) proteins in Drosophila by genetic screening of 15,000 EP lines. However, the cellular functions and molecular mechanisms of the screened genes, such as their involvement in apoptosis and autophagy, are poorly understood in mammalian cells. In order to study the functional characterizations of the genes in human cells, we investigated 16 full-length human genes in mammalian expression vectors and tested their effects on apoptosis and autophagy in human cell lines. Our studies revealed that ALFY, BIRC4, and TAK1 induced autophagy, while SEC61A2, N-PAC, BIRC4, WIPI1, and FALZ increased apoptotic cell death. BIRC4 was involved in both autophagy and apoptosis. Western blot analysis and luciferase reporter activity indicated that ALFY, BIRC4, PDGFA, and TAK1 act in a p53-dependent manner, whereas CPSF1, SEC61A2, N-PAC, and WIPI1 appear to be p53-independent. Overexpression of BIRC4 and TAK1 caused upregulation of p53 and accumulation of its target proteins as well as an increase in p53 mRNA levels, suggesting that these genes are involved in p53 transcription and expression of its target genes followed by p53 protein accumulation. In conclusion, apoptosis and/or autophagy mediated by BIRC4 and TAK1 may be regulated by p53 and caspase activity. These novel findings may provide valuable information that will aid in a better understanding of the roles of caspase-related genes in human cell lines and be useful for the process of drug discovery.
Chifenti, Barbara;Locci, Maria Teresa;Lazzeri, Gloria;Guagnozzi, Mariangela;Dinucci, Dino;Chiellini, Federica;Filice, Maria Elena;Salerno, Maria Giovanna;Battini, Lorella
Clinical and Experimental Reproductive Medicine
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v.40
no.1
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pp.33-37
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2013
Autophagy is a degradation process that acts in response to environmental stressors. Recently, autophagy has been detected in normal term, preeclamptic and intrauterine growth-restricted placentas. The object of this work was to investigate the presence of autophagy in first trimester voluntary interruption of pregnancy placental villi by the expression of autophagy-related proteins, light chain 3 (LC3), and Beclin-1. In first trimester placental villi laser scanning confocal microscopy (LSCM) analysis revealed LC3 and Beclin-1 immunoreactivity prevalently located in villous cytotrophoblasts. Using LSCM, LC3, and Beclin-1 were localized to the cytoplasm of the trophoblast layer in human full-term placentas. Beclin-1 expression and LC3 activation were confirmed by western blotting. These data emphasize that autophagy activation is different among cytotrophoblasts and syncytiotrophoblasts depending on the gestational age and thus we speculate that autophagy might play a prosurvival role throughout human pregnancy.
Du, Peng;Cao, Hua;Wu, Hao-Rong;Zhu, Bao-Song;Wang, Hao-Wei;Gu, Chun-Wei;Xing, Chun-Gen;Chen, Wei
Asian Pacific Journal of Cancer Prevention
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v.14
no.10
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pp.5849-5854
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2013
Background: Apoptosis may be induced after Bcl-2 expression is inhibited in proliferative cancer cells. This study focused on the effect of autophagy activation by ABT737 on anti-tumor effects of epirubicin. Methods: Cytotoxic effects of ABT737 on the HepG2 liver cancer cell line were assessed by MTT assay and cell apoptosis through flow cytometry. Mitochondrial membrane potential was measured by fluorescence microscopy. Monodansylcadaverin (MDC) staining was used to detect activation of autophagy. Expression of p53, p62, LC3, and Beclin1, apoptotic or autophagy related proteins, was detected by Western blotting. Results: ABT737 and epirubicin induced growth inhibition in HepG2 cells in a dose- and time-dependent manner. Both ABT737 and epirubicin alone could induce cell apoptosis with a reduction in mitochondrial membrane potential as well as increased apoptotic protein expression. Further increase of apoptosis was detected when HepG2 cells were co-treated with ABT373 and epirubicin. Furthermore, our results demonstrated that ABT373 or epirubicin ccould activate cell autophagy with elevated autophagosome formation, increased expression of autophagy related proteins and LC3 fluorescent puncta. Conclusions: ABT737 influences cancer cells through both apoptotic and autophagic mechanisms, and ABT737 may enhance the effects of epirubicin on HepG2 cells by activating autophagy and inducing apoptosis.
Kim, Hee-Ju;Bae, Na-Young;Jang, Moon-Hee;Yang, Hyun-Ok;Ahn, Taek-Won
Journal of Sasang Constitutional Medicine
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v.25
no.3
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pp.208-217
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2013
Objectives Modified Yeolda-Hanso tang (MYH) is a traditional herbal formula in Korea for various diseases. MYH is containing the 10 herbs : Pueraria lobata (Willd.) Ohwi, Angelica tenuissima Nakai, Scutellaria baicalensis Georgi, Platycodon grandiflorum (Jacq), Angelicae Dahurica, Cimicifuga heracleifolia Kom, Raphanus sativa L., Polygala tenuifolia (Willd), Acorus gramineus Soland and Dimocarpus longan Lour. The 10 herbs is constituted as a ratio of the 6:4:2:1:2:2:2:4:6:6. We investigated neuroprotective effects of MYH on human neuroblastoma SH-SY5Y cells and evaluated the ability of MYH to prevent and treat for neurodegenerative diseases such as Parkinson's disease via basal autophagy enhancement. Methods Pharmacological induction of Autophagy by MYH in SH-SY5Y cells: Induction of autophagy by MYH in human neuroblastoma SH-SY5Y cells was carreid out by immunoblot analysis with several autophagy markers. SH-SY5Y cells were treated with MYH at the concentration of 400 and $800{\mu}g/ml$ for 24 hr. Specifically, the autophagosome proteins LC3 II and Atg5 levels were increased and autophagy pathway related proteins such as beclin-1, PI3 Kinase class III protein, ULK1, mTOR and AMPK were activated. Conclusions MYH can enhance the induction of autophagy through key regulator AMPK, mTOR, and Beclin-1 and it should be considered as a possible candidate of neuroprotective agents for such as Parkinson's disease.
N-methyl-D-aspartate (NMDA) receptors are ionic glutamine receptors involved in brain development and functions such as learning and memory formation. NMDA receptor inhibition is associated with autophagy activation. In this study, we investigated whether the NMDA receptor antagonists, memantine and ifenprodil, induce autophagy in human retinal pigment epithelial cells (ARPE-19) to remove N-retinylidene-N-retinylethanolamine (A2E), an intracellular lipofuscin component. Fluorometric analysis using labeled A2E (A2E-BDP) and confocal microscopic examination revealed that low concentrations of NMDA receptor antagonists, which did not induce cytotoxicity, significantly reduced A2E accumulation in ARPE-19 cells. In addition, memantine and ifenprodil activated autophagy in ARPE-19 cells as measured by microtubule-associated protein 1A/1B-light chain3-II formation and phosphorylated p62 protein levels. Further, to understand the correlation between memantine- and ifenprodil-mediated A2E degradation and autophagy, autophagy-related 5 (ATG5) was depleted using RNA interference. Memantine and ifenprodil failed to degrade A2E in ARPE-19 cells lacking ATG5. Taken together, our study indicates that the NMDA receptor antagonists, memantine and ifenprodil, can remove A2E accumulated in cells via autophagy activation in ARPE-19 cells.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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