PTEN-induced putative kinase 1 (PINK1) is a serine/threonine kinase that phosphorylates several substrates and exerts neuroprotective effects against stress-induced apoptotic cell death. Mutations in PINK1 have been linked to autosomal recessive forms of Parkinson's disease (PD). Mitophagy is a type of autophagy that selectively promotes mitochondrial turnover and prevents the accumulation of dysfunctional mitochondria to maintain cellular homeostasis. Toll-interacting protein (Tollip) was initially identified as a negative regulator of IL-1β receptor signaling, suppressing inflammatory TLR signaling cascades. Recently, Tollip has been reported to play a role in autophagy and is implicated in neurodegeneration. In this study, we determined whether Tollip was functionally linked to PINK1-mediated mitophagy. Our results demonstrated that Tollip promoted the mitochondrial processing of PINK1 and altered the localization of PINK1, predominantly to the cytosol. This action was attributed to increased binding of PINK1 to mitochondrial processing peptidase β (MPPβ) and the subsequent increase in MPPβ-mediated mitochondrial PINK1 cleavage. Furthermore, Tollip suppressed mitophagy following carbonyl cyanide m-chlorophenylhydrazone-induced mitochondrial dysfunction. These findings suggest that Tollip inhibits mitophagy via the PINK1/parkin pathway upon mitochondrial damage, leading to the blockade of PINK1-mediated neuroprotection.
In reproduction, mitochondria produce bioenergy, help to synthesize biomolecules, and support the ovaries, oogenesis, and preimplantation embryos, thereby facilitating healthy live births. However, the regulatory mechanism of mitochondria in oocytes and embryos during oogenesis and embryo development has not been clearly elucidated. The functional activity of mitochondria is crucial for determining the quality of oocytes and embryos; therefore, the underlying mechanism must be better understood. In this review, we summarize the specific role of mitochondria in reproduction in oocytes and embryos. We also briefly discuss the recovery of mitochondrial function in gametes and zygotes. First, we introduce the general characteristics of mitochondria in cells, including their roles in adenosine triphosphate and reactive oxygen species production, calcium homeostasis, and programmed cell death. Second, we present the unique characteristics of mitochondria in female reproduction, covering the bottleneck theory, mitochondrial shape, and mitochondrial metabolic pathways during oogenesis and preimplantation embryo development. Mitochondrial dysfunction is associated with ovarian aging, a diminished ovarian reserve, a poor ovarian response, and several reproduction problems in gametes and zygotes, such as aneuploidy and genetic disorders. Finally, we briefly describe which factors are involved in mitochondrial dysfunction and how mitochondrial function can be recovered in reproduction. We hope to provide a new viewpoint regarding factors that can overcome mitochondrial dysfunction in the field of reproductive medicine.
Acute kidney ischemia-reperfusion (IR) injury is a life-threatening condition that predisposes individuals to chronic kidney disease. Since the kidney is one of the most energy-demanding organs in the human body and mitochondria are the powerhouse of cells, mitochondrial dysfunction plays a central role in the pathogenesis of IR-induced acute kidney injury. Mitochondrial dysfunction causes a reduction in adenosine triphosphate production, loss of mitochondrial dynamics (represented by persistent fragmentation), and impaired mitophagy. Furthermore, the pathological accumulation of succinate resulting from fumarate reduction under oxygen deprivation (ischemia) in the reverse flux of the Krebs cycle can eventually lead to a burst of reactive oxygen species driven by reverse electron transfer during the reperfusion phase. Accumulating evidence indicates that improving mitochondrial function, biogenesis, and dynamics, and normalizing metabolic reprogramming within the mitochondria have the potential to preserve kidney function during IR injury and prevent progression to chronic kidney disease. In this review, we summarize recent advances in understanding the detrimental role of metabolic reprogramming and mitochondrial dysfunction in IR injury and explore potential therapeutic strategies for treating kidney IR injury.
Lee Young Min;Jung Myeong Ho;Lee Yeon Sook;Song Jihyun
Journal of Nutrition and Health
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v.37
no.9
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pp.786-793
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2004
Women with menopause or rats with ovariectomy is associated with increased body weight, body fat and insulin resistance, which are components of metabolic syndrome. Increased prevalence of metabolic syndrome after menopause might be associated with mitochondrial dysfunction, since mitochondrial oxidative and phosphorylation activity is strongly correlated with insulin sensitivity. Although estradiol replacement prevents the metabolic syndrome, harmful effect of estradiol hampers the casual usage to prevent the metabolic syndrome. It has been reported that genistein has a mild estrogenic activity, decreases fat mass in mice and has an antidiabetic role in diabetic rats. Although insulin resistance is closely related to mitochondrial functions, there has not been yet any study in regard to the effect of dietary genistein on mitochondrial function in the insulin resistant female subjects induced by ovariectomy or similar situation. The present study investigated whether the supplementation of genistein in the high fat diet affected the mitochondrial function of high fat fed ovariectomized rats. Female Sprague Dawley rats (8 weeks old) were assigned to the following groups: sham-operated+ high fat diet (S, n=6); sham-operated + high fat diet with 0.1% genistein (S + G, n=7); ovariectomized + high fat diet (OVX, n=8); ovariectomized + high fat diet with 0.1% genistein (OVX+ G, n=8). Ovariectomy significantly increased body weight compared with S group. Genistein consumption in ovariectomized (OVX + G) rats decreased body weight gain compared with OVX rats. Liver weights were increased by ovariectomy. The hepatic mitochondrial protein density expressed as mg per g liver was lower in the OVX group than in the S group. However, OVX + G group showed the increased mitochondrial protein density similar to the level of S group. When mRNA levels of genes related to mitochondria such as peroxisome proliferator-activated receptor ${\gamma}$ coactivator 1 (PGC-1) and cytochrome c oxidase subunit III (COX III) were measured, there were decreases in the mRNA levels of PGC-1 and COX III in S + G, OVX and OVX + G group. The activity of cytochrome c oxidase was not different between groups. We could observe the decrease in succinate dehydrogenase (SDH) activity per g liver in OVX rats. Genistein supplement increased SDH activity. In conclusion, genistein supplementation to the OVX rats enhanced mitochondrial function by increasing mitochondrial protein density and SDH activity. The improvement in mitochondrial function by genistein can contribute to the improvement in metabolic syndrome.
Youm, Jae-Boum;Choi, Seong-Woo;Jang, Chang-Han;Kim, Hyoung-Kyu;Leem, Chae-Hun;Kim, Na-Ri;Han, Jin
The Korean Journal of Physiology and Pharmacology
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v.15
no.4
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pp.217-239
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2011
We carried out a series of experiment demonstrating the role of mitochondria in the cytosolic and mitochondrial $Ca^{2+}$ transients and compared the results with those from computer simulation. In rat ventricular myocytes, increasing the rate of stimulation (1~3 Hz) made both the diastolic and systolic [$Ca^{2+}]$ bigger in mitochondria as well as in cytosol. As L-type $Ca^{2+}$ channel has key influence on the amplitude of $Ca^{2+}$ -induced $Ca^{2+}$ release, the relation between stimulus frequency and the amplitude of $Ca^{2+}$ transients was examined under the low density (1/10 of control) of L-type $Ca^{2+}$ channel in model simulation, where the relation was reversed. In experiment, block of $Ca^{2+}$ uniporter on mitochondrial inner membrane significantly reduced the amplitude of mitochondrial $Ca^{2+}$ transients, while it failed to affect the cytosolic $Ca^{2+}$ transients. In computer simulation, the amplitude of cytosolic $Ca^{2+}$ transients was not affected by removal of $Ca^{2+}$ uniporter. The application of carbonyl cyanide 4-(trifluoromethoxy) phenylhydrazone (FCCP) known as a protonophore on mitochondrial membrane to rat ventricular myocytes gradually increased the diastolic [$Ca^{2+}$] in cytosol and eventually abolished the $Ca^{2+}$ transients, which was similarly reproduced in computer simulation. The model study suggests that the relative contribution of L-type $Ca^{2+}$ channel to total transsarcolemmal $Ca^{2+}$ flux could determine whether the cytosolic $Ca^{2+}$ transients become bigger or smaller with higher stimulus frequency. The present study also suggests that cytosolic $Ca^{2+}$ affects mitochondrial $Ca^{2+}$ in a beat-to-beat manner, however, removal of $Ca^{2+}$ influx mechanism into mitochondria does not affect the amplitude of cytosolic $Ca^{2+}$ transients.
Mitochondria in L. edodes were separated and purified by stepped sucrose density gradient centrifugation. In our previous work, we have found that the activation wavelengths of the mitochondrial ATPase and ATP synthase were 680 nm and 470 nm within the range of 400-700 nm, respectively. The activities of the above enzymes with wavelengths of 300-400 nm region were investigated. The mitochondrial ATPase and ATP synthase were stimulated at 380 nm and 330 nm, respectively, for 30 min illumination compared with dark control group. They, however, were inhibited at 330 nm and 350 nm, respectively. The presence of FAD resulted in inhibition of the activity of the ATPase and stimulation of the activity of the ATP synthase by the activation and inhibition wavelengths. However, the activities of these enzymes were not changed by NADH for the above wavelengths. In the spectral properties, the oxidation of $FADH_2$ into FAD occurs in the presence of the enzymes for illumination of the activation and inhibition wavelengths. Therefore, we can predict that the mitochondrial ATPase and ATP synthase may function as oxidant in the redox reaction by the light illumination and that the light-induced pigment of the mitochondrial ATP synthase should be an oxidized form of a flavoprotein.
Lee, Ji Hyung;Amarsanaa, Khulan;Wu, Jinji;Jeon, Sang-Chan;Cui, Yanji;Jung, Sung-Cherl;Park, Deok-Bae;Kim, Se-Jae;Han, Sang-Heon;Kim, Hyun-Wook;Rhyu, Im Joo;Eun, Su-Yong
The Korean Journal of Physiology and Pharmacology
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v.22
no.3
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pp.311-319
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2018
Mitochondrial calcium overload is a crucial event in determining the fate of neuronal cell survival and death, implicated in pathogenesis of neurodegenerative diseases. One of the driving forces of calcium influx into mitochondria is mitochondria membrane potential (${\Delta}{\psi}_m$). Therefore, pharmacological manipulation of ${\Delta}{\psi}_m$ can be a promising strategy to prevent neuronal cell death against brain insults. Based on these issues, we investigated here whether nobiletin, a Citrus polymethoxylated flavone, prevents neurotoxic neuronal calcium overload and cell death via regulating basal ${\Delta}{\psi}_m$ against neuronal insult in primary cortical neurons and pure brain mitochondria isolated from rat cortices. Results demonstrated that nobiletin treatment significantly increased cell viability against glutamate toxicity ($100{\mu}M$, 20 min) in primary cortical neurons. Real-time imaging-based fluorometry data reveal that nobiletin evokes partial mitochondrial depolarization in these neurons. Nobiletin markedly attenuated mitochondrial calcium overload and reactive oxygen species (ROS) generation in glutamate ($100{\mu}M$)-stimulated cortical neurons and isolated pure mitochondria exposed to high concentration of $Ca^{2+}$ ($5{\mu}M$). Nobiletin-induced partial mitochondrial depolarization in intact neurons was confirmed in isolated brain mitochondria using a fluorescence microplate reader. Nobiletin effects on basal ${\Delta}{\psi}_m$ were completely abolished in $K^+-free$ medium on pure isolated mitochondria. Taken together, results demonstrate that $K^+$ influx into mitochondria is critically involved in partial mitochondrial depolarization-related neuroprotective effect of nobiletin. Nobiletin-induced mitochondrial $K^+$ influx is probably mediated, at least in part, by activation of mitochondrial $K^+$ channels. However, further detailed studies should be conducted to determine exact molecular targets of nobiletin in mitochondria.
Mitochondria were isolated from Chlorella cells effects of cation on solute permeability of mitochondrial membrane were investigated using P$^{32}$ as a tracer. It was strikingly increased uptake of phosphate for NaCl, KCl, while evidently decreased phosphate uptake of mitochondrial membrane for $MgCl_2$, $CaCl_2$. This consider that uptake of monovalent cation were increased, but uptake of divalentcation were decreased for permeability of mitochondrial membrane as if the permeability of protoplasmic membrane.
Mitochondrial integrity is critical for maintaining proper cellular functions. A key aspect of regulating mitochondrial homeostasis is removing damaged mitochondria through autophagy, a process called mitophagy. Autophagy dysfunction in various disease states can inactivate mitophagy and cause cell death, and defects in mitophagy are becoming increasingly recognized in a wide range of diseases from liver injuries to neurodegenerative diseases. Here we highlight our current knowledge on the mechanisms of mitophagy, and discuss how alterations in mitophagy contribute to disease pathogenesis. We also discuss mitochondrial dynamics and potential interactions between mitochondrial fusion, fission and mitophagy.
Evidence shows that nerve injury triggers mitochondrial dysfunction during axonal degeneration. Mitochondria play a pivotal role in axonal regeneration. Therefore, normalizing mitochondrial energy metabolism may represent an elective therapeutic strategy contributing to nerve recovery after damage. Photobiomodulation (PBM) induces a photobiological effect by stimulating mitochondrial activity. An increasing body of evidence demonstrates that PBM improves ATP generation and modulates many of the secondary mediators [reactive oxygen species (ROS), nitric oxide (NO), cyclic adenosine monophosphate (cAMP), and calcium ions (Ca2+)], which in turn activate multiple pathways involved in axonal regeneration.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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