Lee, Bo Young;Lee, Jong-Hwan;Byun, June-Ho;Woo, Dong Kyun
Journal of Life Science
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v.26
no.10
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pp.1137-1152
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2016
Cells sense, respond, and adapt to a low oxygen environment called hypoxia, which is widely involved in a variety of human diseases. Adaptation to low oxygen concentrations includes gene expression changes by inducing hypoxic genes and reducing aerobic genes. Recently, the mitochondrial respiratory chain has been implicated in the control of these oxygen-regulated genes when cells experience hypoxia. In order to obtain an insight into an effect of the mitochondrial respiratory chain on cellular response to hyxpoxia, we here examined whole genome transcript signatures of respiration-proficient and respiration-deficient budding yeasts exposed to hypoxia using DNA microarrays. By comparing whole transcriptomes to hypoxia in respiration-proficient and respiration-deficient yeasts, we found that there are several classes of oxygen-regulated genes. Some of them require the mitochondrial respiratory chain for their expression under hypoxia while others do not. We found that the majority of hypoxic genes and aerobic genes need the mitochondrial respiratory chain for their expression under hypoxia. However, we also found that there are some hypoxic and aerobic genes whose expression under hypoxia is independent of the mitochondrial respiratory chain. These results indicate a key involvement of the mitochondrial respiratory chain in oxygen-regulated gene expression and multiple mechanisms for controlling oxygen-regulated gene expression. In addition, we provided gene ontology analyses and computational promoter analyses for hypoxic genes identified in the study. Together with differentially regulated genes under hypoxia, these post-analysis data will be useful resources for understanding the biology of response to hypoxia.
In Mycobacterium tuberculosis H37Rv 16 adenylyl cyclase (AC) genes have been identified, while 10 AC genes have been found in non-pathogenic Mycobacterium smegmatis. Expression of 6 AC genes (MSMEG_0218, MSMEG_3243, MSMEG_3780, MSMEG_4279, MSMEG_4477, and MSMEG_6154) among 10 AC genes in M. smegmatis was increased when M. smegmatis was subjected to hypoxic growth conditions. On the other hand, only MSMEG_3780 and MSMEG_4279 were slightly induced in the presence of NO. The cAMP levels in cells and culture media were 450- and 9.8-fold increased, respectively, when M. smegmatis was grown under hypoxic conditions relative to those grown aerobically. Intracellular levels of cAMP were increased 5.8-fold on the exposure to NO. The DevSR two-component system is known to be involved in the induction of many genes whose expression is induced under hypoxic conditions and in the presence of NO. Expression of 6 hypoxically induced AC genes was observed to be induced in a devR deletion mutant grown under hypoxic conditions, indicating that the induction of the 6 AC genes under hypoxic conditions is independent of the DevSR two-component system. In order to identify a trans-acting regulatory element that is pertinent in the hypoxic induction of MSMEG_3780, ligand-fishing analysis was performed using the upstream DNA of MSMEG_3780 and MSMEG_5136 protein was identified.
Objectives : The purpose of this investigation was to evaluate the effects of Sohaphyang-won (SH) on the alteration in gene expression in a hypoxia model using cultured rat cortical cells. Methods : E18 rat cortical cells were grown in neurobasal medium containing B27 supplement. On 12 DIV, SH was added ($20\mu\textrm{g}/ml$) to the culture media for 24 hrs. On 14 DIV, cells were given a hypoxic insult (2% O2/5% CO2, $37^{\circ}C$, 3 hrs), returned to normoxia and cultured for another 24 hrs. Total RNA was prepared from SH-untreated (control) and -treated cultures and alteration in gene expression was analyzed by microarray using rat 5K-TwinChips. Results : Effects on some of the genes whose functions are implicated in neural viability are as follows: 1) For most of the genes altered in expression, the global M values were between -05 to +0.5, Among these, 1517 genes were increased in their expression by more than global M +0.1, while 1480 genes were decreased by more than global M -0.1. 2) The expression of apoptosis-related genes such as Bad (global M =0.35), tumor protein p53 (T53) (global M =0.28) were increased, while v-akt murine thymoma viral oncogene homolog 1 (Akt1) was decreased. 3) The expression of hemoglobin alpha 1 (probably neuroglobin) was increased by about 3.2-fold (global M =1.7). 4) The expression of antioxidation-related catalase gene was increased (global M =0.26). 5) The expression of PKCzeta (prkcz), an upstream kinase of MAPK, was increased (global M =0.29). 6) The expression of retinoic acid receptor alpha (RAR), which may regulate transcription in hypoxic stress, was increased (global M =10.27). Conclusions : In summary, the microarray data suggest that SH doesn't increase the expression of oxygen capture-, anti-oxidation- and 'response to stress' -related genes but decreases some anti-apoptosis genes which would help protect the hypoxic cells from apoptosis.
Hypoxia induces the expression of several genes through the activation of a master transcription factor, hypoxia-inducible factor (HIF)-1α. This study shows that hypoxia strongly induced the expression of two carboxypeptidases (CP), CPA4 and CPE, in an HIF-1α-dependent manner. The hypoxic induction of CPA4 and CPE gene was accompanied by the recruitment of HIF-1α and upregulation in the active histone modification, H3K4me3, at their promoter regions. The hypoxic responsiveness of CPA4 and CPE genes was observed in human adipocytes, human adipose-derived stem cells, and human primary fibroblasts but not mouse primary adipocyte progenitor cells. CPA4 and CPE have been identified as secreted exopeptidases that degrade and process other secreted proteins and matrix proteins. This finding suggests that hypoxia changes the microenvironment of the obese hypoxic adipose tissue by inducing the expression of not only adipokines but also peptidases such as CPA4 and CPE.
Objectives : The purpose of this investigation was to evaluate the effects of Coptidis chinesis FRANCH. on the alteration of gene expression in a hypoxic model using cultured rat cortical cells. Methods : E18 rat cortical cells were grown in neurobasal medium containing B27 supplement. On 12 DIV, water extract from Coptidis chinesis FRANCH. was added ($20{\mu}g/ml$) to the culture media 4 hrs. On 14 DIV, cells were given hypoxic insult (2% $O_2$/5% $CO_2$, $37^{\circ}C$, 3 hrs), returned to normoxia and cultured for another 24 hrs. Total RNA was extracted from Coptidis chinesis FRANCH. treated and untreated cultures and alterations in the gene expression were analysed by microarray using rat 5K-TwinChips. Results : Effects on some of the genes whose functions were implicated in neural viability were as follows: the expression of apoptosis-related genes such as Clu (Global M = 1.3), of presynaptic inhibition's genes such as Penk-rs (Global M = 1.97), and of innate immuniti's such as Crp (Global M = 1.95), Defensin (Global M = 2.14), and Dnase1l3 (Global M = 1.57) increased. The expression of neurotrophic genes such as S100b (Global M = 1.42), and $NF{\kappa}B$ (Global M = 2.04) increased. Conclusions : Analysing the genes expressed on microarray, shows Coptidis chinesis FRANCH.protects cells by increasing viability and neural nutrition.
Park, Dong-Jun;Jung, Seung-Hyun;Moon, Il-Soo;Lee, Won-Chol;Shin, Gil-Jo
Journal of Life Science
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v.17
no.1
s.81
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pp.150-161
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2007
Acori graminei Rhizomn (AGR) is a perennial herb which has been used clinically as a traditional oriental medicine against stroke, Alzheimer's disease, and vascular dementia. We investigated the effect of AGR on the modulation of gene expression profile in a hypoxic model of cultured rat cortical cells. Rat cerebrocortical cells were grown in Neurobasal medium. On DIV12, cells were treated with AGR $(10ug/m\ell)$, given a hypoxic shock (2% $O_2$, 3 hr) on DIV14, and total RNAs were prepared one day after shock. Microarray analyses indicated that the expression levels of most genes were altered within the global M values +0.5 and -0.5, i.e., 40% increase or decrease. There were 750 genes which were upregulated by < global M +0,2, while 700 genes were downregulated by > global M -0.2. The overall profile of gene expression suggests that AGR suppresses apoptosis (upregulation of anti-apopotic genes such as TEGT, TIEG, Dad, p53, and downregulation of pro-apopotic genes such as DAPK, caspase 2, pdcd8), ROS (upregulation of RARa, AhR), and that AGR has neurotrophic effects (upregulation of Aktl, Akt2). These results provide a platform for investigation of the molecular mechanism of the effect of AGR in neuroprotection.
Kim, Hong Seok;Kang, Yun Hee;Lee, Jisu;Han, Seung Ro;Kim, Da Bin;Ko, Haeun;Park, Seyoun;Lee, Myung-Shin
Molecules and Cells
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v.44
no.10
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pp.710-722
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2021
Hypoxia, or low oxygen tension, is a hallmark of the tumor microenvironment. The hypoxia-inducible factor-1α (HIF-1α) subunit plays a critical role in the adaptive cellular response of hypoxic tumor cells to low oxygen tension by activating gene-expression programs that control cancer cell metabolism, angiogenesis, and therapy resistance. Phosphorylation is involved in the stabilization and regulation of HIF-1α transcriptional activity. HIF-1α is activated by several factors, including the mitogen-activated protein kinase (MAPK) superfamily. MAPK phosphatase 3 (MKP-3) is a cytoplasmic dual-specificity phosphatase specific for extracellular signal-regulated kinase 1/2 (Erk1/2). Recent evidence indicates that hypoxia increases the endogenous levels of both MKP-3 mRNA and protein. However, its role in the response of cells to hypoxia is poorly understood. Herein, we demonstrated that small-interfering RNA (siRNA)-mediated knockdown of MKP-3 enhanced HIF-1α (not HIF-2α) levels. Conversely, MKP-3 overexpression suppressed HIF-1α (not HIF-2α) levels, as well as the expression levels of hypoxia-responsive genes (LDHA, CA9, GLUT-1, and VEGF), in hypoxic colon cancer cells. These findings indicated that MKP-3, induced by HIF-1α in hypoxia, negatively regulates HIF-1α protein levels and hypoxia-responsive genes. However, we also found that long-term hypoxia (>12 h) induced proteasomal degradation of MKP-3 in a lactic acid-dependent manner. Taken together, MKP-3 expression is modulated by the hypoxic conditions prevailing in colon cancer, and plays a role in cellular adaptation to tumor hypoxia and tumor progression. Thus, MKP-3 may serve as a potential therapeutic target for colon cancer treatment.
Liver cells experience hypoxic stress when drug-metabolizing enzymes excessively consume O2 for hydroxylation. Hypoxic stress changes the transcription of several genes by activating a heterodimeric transcription factor called hypoxia-inducible factor-1α/β (HIF-1α/β). We found that hypoxic stress (0.1% O2) decreased the expression of cytochrome P450 7A1 (CYP7A1), a rate-limiting enzyme involved in bile acid biosynthesis. Chenodeoxycholic acid (CDCA), a major component of bile acids, represses CYP7A1 by activating a transcriptional repressor named small heterodimer partner (SHP). We observed that hypoxia decreased the levels of both CDCA and SHP, suggesting that hypoxia repressed CYP7A1 without inducing SHP. The finding that overexpression of HIF-1α increased the activity of the CYP7A1 promoter suggested that hypoxia decreased the expression of CYP7A1 in a HIF-1-independent manner. Thus, the results of this study suggested that hypoxia decreased the activity of CYP7A1 by limiting its substrate O2, and by decreasing the transcription of CYP7A1.
The presence of hypoxic cells in solid tumors has long been considered a problem in cancer treatment such as in radiation therapy or treatment with some anticancer drugs. It has been suggested that hypoxic cells are involved in the development of a more aggressive phenotype and contribute to metastasis. In this study, as an attempt to understand how tumor cells adapt to hypoxic stress, we investigated the regulation of the hypoxia-induced expression of proteins that control essential processes of tumor cell survival and angiogenesis. We first examined whether hypoxia induces stress protein gene expression of murine solid tumor RIF cells. We also examined hypoxia-induced changes in angiogenic gene expression in these cells. Finally, we investigated the association of the elevated levels of stress proteins with the regulation of hypoxia-induced angiogenic gene expression. Results demonstrated that hypoxia induced the expression of the erythropoietin (EPO) gene and at least two major members of stress proteins, heat shock protein 70 (HSP70) and 25 (HSP25) in RIF tumor cells. Evidence that the expression of EPO gene was greatly potentiated in TR cells suggested that the elevated levels of HSPs may play an important role in the regulation of the hypoxia-induced EPO gene expression. One of the RIF variant cell lines, TR, displays elevated levels of HSPs constitutively. Taken together, our results suggest that a hypoxic tumor microenvironment may promote the survival and malignant progression of the tumor cells by temporarily increasing the level of stress proteins and expressing angiogenic genes. We suspect that stress proteins may be associated with the increase of the angiogenic potential of tumor cells under hypoxia.
Yang, Jungyun;Kwon, Jihye;Kim, Miyeon;Bae, Yunkyung;Jin, Hyejin;Park, Hohyun;Eom, Young Woo;Rhee, Ki-Jong
Biomedical Science Letters
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v.21
no.1
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pp.40-49
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2015
Mesenchymal stem cells (MSCs) have the ability to self-renew and differentiate into multi-lineage cells, thus highlighting the feasibility of using umbilical cord blood-derived MSCs (UCB-MSCs) for cell-therapy and tissueengineering. However, the low numbers of UCB-MSC derived from clinical samples requires that an ex vivo expansion step be implemented. As most stem cells reside in low oxygen tension environments (i.e., hypoxia), we cultured the UCBMSCs under 3% $O_2$ or 21% $O_2$ and the following parameters were examined: proliferation, senescence, differentiation and stem cell specific gene expression. UCB-MSCs cultured under hypoxic conditions expanded to significantly higher levels and showed less senescence compared to UCB-MSCs cultured under normoxic conditions. In regards to differentiation potential, UCB-MSCs cultured under hypoxic and normoxic conditions both underwent similar levels of osteogenesis as determined by ALP and von Kossa assay. Furthermore, UCB-MSCs cultured under hypoxic conditions exhibited higher expression of OCT4, NANOG and SOX2 genes. Moreover, cells expanded under hypoxia maintained a stem cell immnunophenotype as determined by flow cytometry. These results demonstrate that the expansion of human UCB-MSCs under a low oxygen tension microenvironment significantly improved cell proliferation and differentiation. These results demonstrate that hypoxic culture can be rapidly and easily implemented into the clinical-scale expansion process in order to maximize UCB-MSCs yield for application in clinical settings and at the same time reduce culture time while maintaining cell product quality.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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