Phytochemicals which exist in various plants and fungi are non-nutritive compounds that exert numerous beneficial bioactive actions for animals. In recent years following the restriction of antibiotics, phytochemicals have been regarded as a primal selection when dealing with the challenges during the producing process in the poultry industry. The selected fast-growing broiler breed was more fragile when confronting the stressors in their growing environments. The disruption of oxidative balance that impairs the production performance in birds may somehow be linked to the immune system since oxidative stress and inflammatory damage are multi-stage processes. This review firstly discusses the individual influence of oxidative stress and inflammation on the poultry industry. Next, studies related to the application of phytochemicals or botanical compounds with the significance of their antioxidant and immunomodulatory abilities are reviewed. Furthermore, we bring up nuclear factor (erythroid-derived 2)-like 2 (Nrf2) and nuclear factor kappa B ($NF-{\kappa}B$) for they are respectively the key transcription factors involved in oxidative stress and inflammation for elucidating the underlying signal transduction pathways. Finally, by the discussion about several reports using phytochemicals to regulate these transcription factors leading to the improvement of oxidative status, heme oxygenase-1 gene is found crucial for Nrf2-mediated $NF-{\kappa}B$ inhibition.
Oxidative stress suppresses animal health, performance, and production, subsequently impacting economic feasibility; hence, maintaining and improving oxidative status especially through natural nutrition strategy are essential for normal physiological process in animals. Phytochemicals are naturally occurring antioxidants that could be considered as one of the most promising materials used in animal diets in various forms. In this review, their antioxidant effects on animals are discussed as reflected by improved apparent performance, productivity, and the internal physiological changes. Moreover, the antioxidant actions toward animals further describe a molecular basis to elucidate their underlying mechanisms targeting signal transduction pathways, especially through the antioxidant response element/nuclear factor (erythroid-derived 2)-like 2 transcription system.
Subventricular zone (SVZ) in the brain contains neural stem cells (NSCs) which self-renew and differentiate to neurons and glial cells during postnatal period and throughout adulthood. Since fate decision to either proliferation or differentiation has to respond to intracellular and extracellular conditions, many intrinsic and extrinsic factors are involved. Among them, mitochondria have been reported to participate in fate decision of NSCs. In our previous report, we showed that long-term treatment of a mitochondrial inhibitor rotenone greatly inhibited neurogenesis. In this study, we examined the effects of short-term treatment of rotenone on SVZ NSCs. We found that (1) even one-day treatment of rotenone significantly reduced neurogenesis and earlier time points seemed to be more sensitive to rotenone, (2) a number of Mash1+ transit amplifying cells was decreased by one-day treatment of rotenone, (3) short-term treatment of rotenone eliminated most of the differentiated Tuj1+ neurons and Olig2+ oligodendrocytes, while glial fibrillary acidic protein (GFAP)+ astrocytes were not affected, and (4) sulfiredoxin 1 (Srxn1) gene expression was increased after one-day treatment of rotenone, indicating activation of nuclear factor (erythroid-derived 2)-like 2 (Nrf2) pathway. All these results confirm that functional mitochondria are necessary during differentiation to neurons or oligodendrocytes as well as maintenance of neurons after differentiation. Also, these data suggest that temporary exposure to mitochondrial inhibitor such as rotenone might have long-term effects on neurogenic potential of NSCs.
Loboda, Agnieszka;Rojczyk-Golebiewska, Ewa;Bednarczyk-Cwynar, Barbara;Zaprutko, Lucjusz;Jozkowicz, Alicja;Dulak, Jozef
Biomolecules & Therapeutics
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v.20
no.6
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pp.499-505
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2012
Chemoprevention represents a strategy designed to protect cells or tissues against various carcinogens and carcinogenic metabolites derived from exogenous or endogenous sources. Recent studies indicate that plant-derived triterpenoids, like oleanolic acid, may exert cytoprotective functions via regulation of the activity of different transcription factors. The chemopreventive effects may be mediated through induction of the nuclear factor erythroid 2-related factor 2 (Nrf2) transcription factor. Activation of Nrf2 by triterpenoids induces the expression of phase 2 detoxifying and antioxidant enzymes such as NAD(P)H quinone oxidoreductase 1 (NQO1) and heme oxygenase-1 (HO-1) - proteins which can protect cells or tissues against various toxic metabolites. On the other hand, inhibition of other transcription factors, like NF-${\kappa}B$ leads to the decrease in the pro-inflammatory gene expression. Moreover, the modulation of microRNAs activity may constitute a new mechanism responsible for valuable effects of triterpenoids. Recently, based on the structure of naturally occurring triterpenoids and with involvement of bioinformatics and computational chemistry, many synthetic analogs with improved biological properties have been obtained. Data from in vitro and in vivo experiments strongly suggest synthetic derivatives as promising candidates in the chemopreventive and chemotherapeutic strategies.
Objective: Cells have increased susceptibility to activation of apoptosis when suffering heat stress (HS). An effective supplementation strategy to mimic heat-induced apoptosis of bovine mammary epithelial cells (MECs) is necessary to maintain optimal milk production. This study aimed to investigate possible protective effects of the anti-apoptotic activity of 5-aminolevulinic acid (5-ALA) against HS-induced damage of bovine MECs. Methods: Bovine MECs were pretreated with or without 5-ALA at concentrations of 10, 100, and 500 µM for 24 h followed by HS (42.5℃ for 24 h and 48 h). Cell viability was measured with 3-(4,5-dimethylthiazol-2-yl)-2,5-diphenyltetrazolium bromide assays. Real-time quantitative polymerase chain reaction and Western blotting were used to explore the regulation of genes associated with apoptosis, oxidative stress, and endoplasmic reticulum (ER) stress genes. Results: We found that 5-ALA induces cytoprotection via inhibition of apoptosis markers after HS-induced damage. Pretreatment of bovine MECs with 5-ALA resulted in dramatic upregulation of mRNA for nuclear factor erythroid-derived 2-like factor 2, heme oxygenase-1, and NAD(P)H quinone oxidoreductase 1, all of which are antioxidant stress genes. Moreover, 5-ALA pretreatment significantly suppressed HS-induced ER stress-associated markers, glucose-regulated protein 78, and C/EBP homologous protein expression levels. Conclusion: 5-ALA can ameliorate the ER stress in heat stressed bovine MEC via enhancing the expression of antioxidant gene.
$I{\kappa}B$, a cytoplasmic inhibitor of nuclear factor-${\kappa}B$ ($NF-{\kappa}B$), is reportedly degraded via the proteasome. However, we recently found that long-term incubation with proteasome inhibitors (PIs) such as PS-341 or MG132 induces $I{\kappa}B{\alpha}$ degradation via an alternative pathway, lysosome, which results in $NF-{\kappa}B$ activation and confers resistance to PI-induced lung cancer cell death. To enhance the anti-cancer efficacy of PIs, elucidation of the regulatory mechanism of PI-induced $I{\kappa}B{\alpha}$ degradation is necessary. Here, we demonstrated that PI up-regulates nuclear factor (erythroid-derived 2)-like 2 (Nrf2) via both de novo protein synthesis and Kelch-like ECH-associated protein 1 (KEAP1) degradation, which is responsible for $I{\kappa}B{\alpha}$ degradation via macroautophagy activation. PIs increased the protein level of light chain 3B (LC3B, macroautophagy marker), but not lysosome-associated membrane protein 2a (Lamp2a, the receptor for chaperone-mediated autophagy) in NCI-H157 and A549 lung cancer cells. Pretreatment with macroautophagy inhibitor or knock-down of LC3B blocked PI-induced $I{\kappa}B{\alpha}$ degradation. PIs up-regulated Nrf2 by increasing its transcription and mediating degradation of KEAP1 (cytoplasmic inhibitor of Nrf2). Overexpression of dominant-negative Nrf2, which lacks an N-terminal transactivating domain, or knock-down of Nrf2 suppressed PI-induced LC3B protein expression and subsequent $I{\kappa}B{\alpha}$ degradation. Thus, blocking of the Nrf2 pathway enhanced PI-induced cell death. These findings suggest that Nrf2-driven induction of LC3B plays an essential role in PI-induced activation of the $I{\kappa}B$/$NF-{\kappa}B$ pathway, which attenuates the anti-tumor efficacy of PIs.
There are controversial findings regarding the roles of nuclear factor (erythroid-derived 2)-like 2 (Nrf2)/heme oxygenase-1 (HO-1) pathway on bone metabolism under oxidative stress. We investigated how Nrf2/HO-1 pathway affects osteoblast differentiation of MC3T3-E1 cells in response to hydrogen peroxide (H2O2), N-acetyl cysteine (NAC), or both. Exposing the cells to H2O2 decreased the alkaline phosphatase activity, calcium accumulation, and expression of osteoblast markers, such as osteocalcin and runt-related transcription factor-2. In contrast, H2O2 treatment increased the expression of Nrf2 and HO-1 in the cells. Treatment with hemin, a chemical HO-1 inducer, mimicked the inhibitory effect of H2O2 on osteoblast differentiation by increasing the HO-1 expression and decreasing the osteogenic marker genes. Pretreatment with NAC restored all changes induced by H2O2 to near normal levels in the cells. Collectively, our findings suggest that H2O2-mediated activation of Nrf2/HO-1 pathway negatively regulates the osteoblast differentiation, which is inhibited by NAC.
Repeated bouts of ulcerative colitis featured troublesome course of inflammatory bowel disease leading to fatal colitis-associated cancer, which is strongly associated with oxidative stress and sustained inflammation. Since oligonol, low molecular weighted polyphenol extracted from fruit lychee, showed antioxidative and anti-inflammatory actions, we hypothesized that oligonolcan prevent relapse of colitis. We compared oligonol with current gold standard therapeutics, sulfasalazine in preventive efficacy of relapse. First, dextran sulfate sodium (DSS)-induced colitis were made following pretreatment with oligonol, 10, 50, and 100 mg/kg for 7 days to measure therapeutic effect of oligonol and relapse model via repeated DSS administration was made following with either 50 mg/kg oligonol or 30 mg/kg sulfasalazine to explore relapse preventing action of oligonol in C57BL/6 mice. Detailed changes in colon were measured to explain molecular mechanisms. Pretreatment of 10, 50, 100 mg/kg oligonol (p.o.), significantly reduced DSS-induced colitis; total pathologic scores, colon length, and clinical symptom scores (P < 0.05). Oligonol pretreatment significantly decreased the levels of interleukin (IL)-1, IL-6, and tumor necrosis factor-α (TNF-α) as well as nuclear factor-κB (NF-κB), c-Fos, and c-Jun in affected colon tissues, but the expression of heme oxygenase-1 (HO-1) and NADH: quinone oxidoreductase-1(NQO-1) as well as total antioxidant concentration (P < 0.005) was significantly increased with oligonol. A relapse model established with repeated DSS administration led to high mortality. However, oligonol significantly ameliorated exacerbations of colitis, while sulfasalazine did not (P < 0.01). Significantly decreased expressions of cyclooxygenase-2 (COX-2), TNF-α, and macrophages inhibition were relapse preventing actions of oligonal, but significant action of oligonol relevant to relapse prevention was either significantly increased expressions of NQO-1 or significantly preserved mucin (P < 0.05). Concerted anti-inflammatory, antioxidative, and host defense enhancing actions of oligonol can be applied during maintenance therapy of IBD to prevent relapse of IBD.
Hsieh, Y.C.;Lin, W.C.;Chuang, W.Y.;Chen, M.H.;Chang, S.C.;Lee, T.T.
Animal Bioscience
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v.34
no.2
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pp.265-275
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2021
Objective: The study developed mushroom stalk residues as feed additives in the broiler diet for improving the growth performance and immunity of broilers as well as to increase the value of mushroom stalk residues. Methods: In total, 300 ROSS 308 broilers were randomly allocated into fifteen pens with five dietary treatments: i) control, basal diet; ii) CMWM, supplemented with 1% Cordyceps militaris waster medium (CM); iii) CMPE, supplemented with 0.5% CM+0.5% Pleurotus eryngii stalk residue (PE); iv) CMPS, supplemented with 0.5% CM+0.5% Pleurotus sajorcaju stalk residue (PS); v) CMFV, supplemented with 0.5% CM+0.5% Fammulina velutipes stalk residue (FV). Results: The chemical analysis results showed that CM extracts, PE extracts, PS extracts, and FV extracts contain functional components such as polysaccharides and phenols and have both 2, 2-diphenyl-1-picryl-hydrazyl-hydrate scavenging and Ferrous scavenging capacities. The group CMWM saw increased body weight gain and feed conversion rate and the promotion of jejunum villus growth, but there is no significant difference in the intestinal bacteria phase. Antioxidant genes in the nuclear factor (erythroid-derived 2)-like 2 (Nrf2)- antioxidant responsive element pathway among the groups are significantly higher than that of the control group, especially in group CMWM. Conclusion: The mushroom stalk residues have antioxidant functional components, can improve the intestinal health and body weight gain of chickens, and can activate the antioxidant pathway of Nrf2 to increase the heme oxygenase-1 expression. The treatment with 1% CM was the most promising as a feed additive.
Casein-derived antioxidant peptides by using microbial proteases have gained increasing attention. Combination of two microbial proteases, Protin SD-NY10 and Protease A "Amano" 2SD, was employed to hydrolyze casein to obtain potential antioxidant peptides that were identified by LC-MS/MS, chemically synthesized and characterized in a oxidatively damaged HepG2 cell model. Four peptides, YQLD, FSDIPNPIGSEN, FSDIPNPIGSE, YFYP were found to possess high 1,1-diphenyl-2-picrylhydrazyl (DPPH) scavenging ability. Evaluation with HepG2 cells showed that the 4 peptides at low concentrations (< 1.0 mg/ml) protected the cells against oxidative damage. The 4 peptides exhibited different levels of antioxidant activity by stimulating mRNA and protein expression of the antioxidant enzymes such as superoxide dismutase (SOD), catalase (CAT) and glutathione peroxidase (GSH-Px), as well as nuclear factor erythroid-2-related factor 2 (Nrf2), but decreasing the mRNA expression of Kelch-like ECH-associated protein 1 (Keap1). Furthermore, these peptides decreased production of reactive oxygen species (ROS) and malondialdehyde (MDA), but increased glutathione (GSH) production in HepG2 cells. Therefore, the 4 casein-derived peptides obtained by using microbial proteases exhibited different antioxidant activity by activating the Keap1-Nrf2 signaling pathway, and they could serve as potential antioxidant agents in functional foods or pharmaceutic preparation.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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