Activation of the intrinsic pathway of apoptosis is related to the permeabilization of mitochondrial membranes. This complex process is far away from being completely understood but, generally, could be divided into two steps that, depending on the experimental conditions, can be linked or independent: the permeabilization of the mitochondrial outer membrane and the opening of the mitochondrial permeability transition pore. Both processes are tightly regulated by different components that attract increasing interest as promising targets for several diseases treatment, in particular cancer. A large number of mitochondrial permeability transition pore-targeting agents, indeed, are under studies because the mitochondrial apoptotic machinery in cancer cells is structurally and functionally different from that of normal cells. Thus, mitochondrial-targeting agents are expected to have a tumor selectivity. In this scenario, a family of compounds known as biologically active amines acquires increasing importance. These amines, among which the most-known spermine, spermidine, putrescine and agmatine, are polycationic molecules at physiological pH, naturally present in almost all living species where they exert an essential role for cell growth and differentiation. It is to note that the polyamine biosynthetic pathway is very active in cancer cells and that high polyamines concentrations are often present in rapidly dividing tumor cells and growing tissues. Moreover the deregulation of polyamine metabolism may induce apoptosis. Thus, their primary role in regulating proliferation and cell death led scientists to investigate their role at a mitochondrial level. The main target of these amines seems to be the mitochondrial permeability transition: spermine, spermidine and putrescine share an inhibitory action whereas agmatine acts (in liver) as an inducer or an inhibitor, depending on the concentrations used. Furthermore in mitochondria two specific mitochondrial transporters have been detected: one for spermine, spermidine, and putrescine and one for agmatine. The aim of this work is to study the action of biologically active amines as regulators of mitochondrial membrane permeabilization and pro-apoptotic factors release in isolated rat liver mitochondria. In particular their interaction with specific membrane structures is analyzed, trying to elucidate their mechanism of action. The first part of the work evidences the agmatine double effect on the permeability transition process. In particular the attention is focused on agmatine inhibiting action. Despite its protective effect on the mitochondrial permeability transition, the amine is able to induce the release of some pro-apoptotic factors. A possible explanation relates to the induction of the mitochondrial outer membrane permeabilization. A further confirmation of this proposal is obtained in the second part, by a comparison between agmatine and its analogue alpha-methyl-agmatine, a more powerful inhibitor of the mitochondrial permeability transition. The use of this compound allows to exclude that the production of hydrogen peroxide exhibited by agmatine is one of the main causes of the mitochondrial outer membrane permeabilization observed. In the third part, the effect of the polyamines (in particular spermine and spermidine) on the permeabilization on mitochondrial membranes and on the release of pro-apoptotic factors is reported. Despite their well-known protective action against the opening of the pore, spermine and spermidine share with agmatine a similar behavior in inducing the release of some pro-apoptotic factors, even through different pathways. Thus, their mechanism of action is investigated, trying to evidence the specific membrane components involved. Finally, in the fourth part, an investigation about the mechanism of efflux of spermine is shown, focusing on the possibility that it could be linked with the efflux of ATP and phosphate, most likely in an electroneutral fashion. This observation is supported by the use of specific inhibitors of the adenine nucleotide translocator and phosphate carrier. In conclusion, the results obtained in this study first of all support the hypothesis that the permeabilization of the inner and outer membranes could be viewed as two distinct processes, even if often linked between them. Furthermore it is possible to state that the mitochondrial outer membrane permeabilization could be a contact point between intrinsic and extrinsic apoptosis, being induced both by intra- and extra-mitochondrial signals. It is already reported that the release of cytochrome c from mitochondria does not always result in apoptosis induction. In particular the redox state of the protein is crucial for the subsequent cascade of events: only oxidated cytochrome c is able to trigger apoptosis. For this reason, it is reasonable to think that the release of cytochrome c induced by biologically active amines could represent a starting point, but not a point of no return. In this context polyamines represent a useful tool to study both the mitochondrial outer membrane permeabilization and the mitochondrial permeability transition, trying to delineate structural and functional features. Moreover, in living cells polyamines are able to prevent or induce apoptosis, and the latter effect is caused by their metabolization by amine oxidases, with the production of cytotoxic metabolites. This dichotomic action depends on polyamines concentration, that is modulated, as supported by our data, also by mitochondrial polyamine cycling. More study is required to detect all structural mechanism involved in their cycling but, at least for spermine, a possible pathway of efflux is detected.

L'attivazione dell’apoptosi intrinseca è correlata alla permeabilizzazione delle membrane mitocondriali. Questo complicato processo, sebbene non sia stato ancora completamente compreso, può essere generalmente suddiviso in due fasi: la permeabilizzazione della membrana mitocondriale esterna e l'apertura del poro di transizione di permeabilità mitocondriale. In base alle condizioni sperimentali tali fasi possono essere collegate o indipendenti. Diversi componenti che regolano i suddetti processi sono attualmente in fase di studio, poiché si sono rivelati bersagli promettenti per il trattamento di numerose malattie, tra le quali in particolare il cancro. Infatti, il macchinario apoptotico mitocondriale nelle cellule tumorali è strutturalmente e funzionalmente diverso da quello delle cellule normali e quindi un gran numero di composti che hanno come target la transizione di permeabilità potrebbe per tale motivo esibire una selettività tumorale. In questo contesto, una famiglia di composti noti come amine biologicamente attive acquista un'importanza crescente. Queste amine, tra cui le più note sono spermina, spermidina, putrescina e agmatina, sono molecole policationiche a pH fisiologico, naturalmente presenti in quasi tutte le specie viventi, in cui esercitano un ruolo essenziale per la crescita e la differenziazione cellulare. È da notare che la via biosintetica delle poliamine è molto attiva nelle cellule tumorali e che concentrazioni elevate di poliamine sono spesso presenti in cellule tumorali in divisione ed in tessuti in proliferazione. Inoltre, la de-regolazione del metabolismo delle poliamine può indurre l'apoptosi. Per questi motivi, il loro ruolo primario nella regolazione della proliferazione e della morte cellulare ha portato gli scienziati a studiarne il ruolo a livello mitocondriale. Il target principale delle amine biologicamente attive sembra essere la transizione di permeabilità mitocondriale: spermina, spermidina e putrescina esibiscono un'azione inibitoria mentre l’agmatina (nel fegato) si comporta da induttore o inibitore, a seconda delle concentrazioni usate. Inoltre nei mitocondri è stata dimostrata l’esistenza di due trasportatori specifici: uno per spermina, spermidina e putrescina ed uno per l’agmatina. Lo scopo di questo lavoro è quello di studiare l'azione delle amine biologicamente attive quali regolatrici della permeabilizzazione della membrana mitocondriale esterna e del rilascio dei fattori pro-apoptotici in mitocondri isolati da fegato di ratto. In particolare viene analizzata la loro interazione specifica con le strutture di membrana, allo scopo di chiarire il loro meccanismo di azione. La prima parte del lavoro evidenzia il duplice effetto dell’agmatina sul processo di transizione di permeabilità. In particolare l'attenzione è focalizzata sull’effetto inibitorio dell’amina nei confronti dell’apertura del poro di transizione mitocondriale. Infatti, nonostante il suo effetto protettivo sulla transizione di permeabilità, l'amina è in grado di indurre il rilascio di alcuni fattori pro-apoptotici. Una possibile spiegazione considera l'induzione della permeabilizzazione della membrana mitocondriale esterna. Un'ulteriore conferma di questa ipotesi è trattata nella seconda parte della tesi, per mezzo del confronto tra gli effetti mostrati dall’agmatina e dal suo analogo alfa-metil-agmatina, un più potente inibitore della transizione di permeabilità mitocondriale. L’utilizzo di tale analogo permette di escludere che la produzione di perossido di idrogeno osservata in presenza di agmatina sia una delle cause principali della permeabilizzazione della membrana esterna. Nella terza parte, è riportato l'effetto delle poliamine (in particolare della spermina e della spermidina) sulla permeabilizzazione delle membrane mitocondriali e sul rilascio dei fattori pro-apoptotici. Nonostante la ben nota azione protettiva di questi composti nei confronti dell'apertura del poro, spermina e spermidina condividono con l’agmatina un comportamento simile nell'indurre il rilascio di alcuni fattori pro-apoptotici, sebbene attraverso meccanismi diversi. Il loro meccanismo d'azione è perciò indagato, cercando di mettere in evidenza le specifiche componenti di membrana coinvolte. Infine, nella quarta parte, viene mostrato uno studio sul meccanismo di efflusso della spermina, indagandone il possibile collegamento con l'efflusso di ATP e fosfato, molto probabilmente in modo elettricamente neutro. Questa osservazione è supportata dall'uso di inibitori specifici della traslocasi degli adenin nucleotidi e del fosfato. In conclusione, i risultati ottenuti in questo studio innanzitutto sostengono l'ipotesi che la permeabilizzazione delle membrane interna ed esterna possa essere vista come due distinti processi, anche se spesso legati tra loro. Inoltre è possibile affermare che la permeabilizzazione della membrana mitocondriale esterna potrebbe essere un punto di contatto tra apoptosi intrinseca ed estrinseca, essendo indotta sia da segnali intra- che extra-mitocondriali. E’ da considerare che il rilascio di citocromo c dai mitocondri non porta in ogni caso all'induzione dell'apoptosi. In particolare lo stato redox della proteina è cruciale per la successiva cascata di eventi: solo il citocromo c ossidato, infatti, è in grado di innescare l'apoptosi. Per questo motivo, è ragionevole pensare che il rilascio di citocromo c indotto dalle amine biologicamente attive possa rappresentare un punto di partenza, ma non un punto di non ritorno. In questo contesto, le poliamine rappresentano uno strumento utile per studiare sia la permeabilizzazione della membrana esterna mitocondriale che la transizione di permeabilità mitocondriale, cercando di delinearne le caratteristiche strutturali e funzionali. Inoltre, a livello cellulare, le poliamine sono in grado di prevenire o indurre l’apoptosi e quest'ultimo effetto è causato dal loro metabolizzazione da parte delle amine ossidasi, con la produzione di composti citotossici. Questa azione dicotomica dipende dalla concentrazione delle poliamine, che è modulata, come dimostrato dai nostri dati, anche attraverso il loro ciclaggio all’interno dei mitocondri. Nonostante siano chiaramente necessari ulteriori studi per individuare tutti i meccanismi strutturali coinvolti nel loro ciclaggio, almeno per la spermina, viene individuata una possibile via di efflusso.

INVOLVEMENT OF BIOGENIC ACTIVE AMINES IN MITOCHONDRIAL MEMBRANE PERMEABILIZATION AND PRO-APOPTOTIC FACTORS RELEASE / Martinis, Pamela. - (2014 Jan 27).

INVOLVEMENT OF BIOGENIC ACTIVE AMINES IN MITOCHONDRIAL MEMBRANE PERMEABILIZATION AND PRO-APOPTOTIC FACTORS RELEASE

Martinis, Pamela
2014

Abstract

Activation of the intrinsic pathway of apoptosis is related to the permeabilization of mitochondrial membranes. This complex process is far away from being completely understood but, generally, could be divided into two steps that, depending on the experimental conditions, can be linked or independent: the permeabilization of the mitochondrial outer membrane and the opening of the mitochondrial permeability transition pore. Both processes are tightly regulated by different components that attract increasing interest as promising targets for several diseases treatment, in particular cancer. A large number of mitochondrial permeability transition pore-targeting agents, indeed, are under studies because the mitochondrial apoptotic machinery in cancer cells is structurally and functionally different from that of normal cells. Thus, mitochondrial-targeting agents are expected to have a tumor selectivity. In this scenario, a family of compounds known as biologically active amines acquires increasing importance. These amines, among which the most-known spermine, spermidine, putrescine and agmatine, are polycationic molecules at physiological pH, naturally present in almost all living species where they exert an essential role for cell growth and differentiation. It is to note that the polyamine biosynthetic pathway is very active in cancer cells and that high polyamines concentrations are often present in rapidly dividing tumor cells and growing tissues. Moreover the deregulation of polyamine metabolism may induce apoptosis. Thus, their primary role in regulating proliferation and cell death led scientists to investigate their role at a mitochondrial level. The main target of these amines seems to be the mitochondrial permeability transition: spermine, spermidine and putrescine share an inhibitory action whereas agmatine acts (in liver) as an inducer or an inhibitor, depending on the concentrations used. Furthermore in mitochondria two specific mitochondrial transporters have been detected: one for spermine, spermidine, and putrescine and one for agmatine. The aim of this work is to study the action of biologically active amines as regulators of mitochondrial membrane permeabilization and pro-apoptotic factors release in isolated rat liver mitochondria. In particular their interaction with specific membrane structures is analyzed, trying to elucidate their mechanism of action. The first part of the work evidences the agmatine double effect on the permeability transition process. In particular the attention is focused on agmatine inhibiting action. Despite its protective effect on the mitochondrial permeability transition, the amine is able to induce the release of some pro-apoptotic factors. A possible explanation relates to the induction of the mitochondrial outer membrane permeabilization. A further confirmation of this proposal is obtained in the second part, by a comparison between agmatine and its analogue alpha-methyl-agmatine, a more powerful inhibitor of the mitochondrial permeability transition. The use of this compound allows to exclude that the production of hydrogen peroxide exhibited by agmatine is one of the main causes of the mitochondrial outer membrane permeabilization observed. In the third part, the effect of the polyamines (in particular spermine and spermidine) on the permeabilization on mitochondrial membranes and on the release of pro-apoptotic factors is reported. Despite their well-known protective action against the opening of the pore, spermine and spermidine share with agmatine a similar behavior in inducing the release of some pro-apoptotic factors, even through different pathways. Thus, their mechanism of action is investigated, trying to evidence the specific membrane components involved. Finally, in the fourth part, an investigation about the mechanism of efflux of spermine is shown, focusing on the possibility that it could be linked with the efflux of ATP and phosphate, most likely in an electroneutral fashion. This observation is supported by the use of specific inhibitors of the adenine nucleotide translocator and phosphate carrier. In conclusion, the results obtained in this study first of all support the hypothesis that the permeabilization of the inner and outer membranes could be viewed as two distinct processes, even if often linked between them. Furthermore it is possible to state that the mitochondrial outer membrane permeabilization could be a contact point between intrinsic and extrinsic apoptosis, being induced both by intra- and extra-mitochondrial signals. It is already reported that the release of cytochrome c from mitochondria does not always result in apoptosis induction. In particular the redox state of the protein is crucial for the subsequent cascade of events: only oxidated cytochrome c is able to trigger apoptosis. For this reason, it is reasonable to think that the release of cytochrome c induced by biologically active amines could represent a starting point, but not a point of no return. In this context polyamines represent a useful tool to study both the mitochondrial outer membrane permeabilization and the mitochondrial permeability transition, trying to delineate structural and functional features. Moreover, in living cells polyamines are able to prevent or induce apoptosis, and the latter effect is caused by their metabolization by amine oxidases, with the production of cytotoxic metabolites. This dichotomic action depends on polyamines concentration, that is modulated, as supported by our data, also by mitochondrial polyamine cycling. More study is required to detect all structural mechanism involved in their cycling but, at least for spermine, a possible pathway of efflux is detected.
L'attivazione dell’apoptosi intrinseca è correlata alla permeabilizzazione delle membrane mitocondriali. Questo complicato processo, sebbene non sia stato ancora completamente compreso, può essere generalmente suddiviso in due fasi: la permeabilizzazione della membrana mitocondriale esterna e l'apertura del poro di transizione di permeabilità mitocondriale. In base alle condizioni sperimentali tali fasi possono essere collegate o indipendenti. Diversi componenti che regolano i suddetti processi sono attualmente in fase di studio, poiché si sono rivelati bersagli promettenti per il trattamento di numerose malattie, tra le quali in particolare il cancro. Infatti, il macchinario apoptotico mitocondriale nelle cellule tumorali è strutturalmente e funzionalmente diverso da quello delle cellule normali e quindi un gran numero di composti che hanno come target la transizione di permeabilità potrebbe per tale motivo esibire una selettività tumorale. In questo contesto, una famiglia di composti noti come amine biologicamente attive acquista un'importanza crescente. Queste amine, tra cui le più note sono spermina, spermidina, putrescina e agmatina, sono molecole policationiche a pH fisiologico, naturalmente presenti in quasi tutte le specie viventi, in cui esercitano un ruolo essenziale per la crescita e la differenziazione cellulare. È da notare che la via biosintetica delle poliamine è molto attiva nelle cellule tumorali e che concentrazioni elevate di poliamine sono spesso presenti in cellule tumorali in divisione ed in tessuti in proliferazione. Inoltre, la de-regolazione del metabolismo delle poliamine può indurre l'apoptosi. Per questi motivi, il loro ruolo primario nella regolazione della proliferazione e della morte cellulare ha portato gli scienziati a studiarne il ruolo a livello mitocondriale. Il target principale delle amine biologicamente attive sembra essere la transizione di permeabilità mitocondriale: spermina, spermidina e putrescina esibiscono un'azione inibitoria mentre l’agmatina (nel fegato) si comporta da induttore o inibitore, a seconda delle concentrazioni usate. Inoltre nei mitocondri è stata dimostrata l’esistenza di due trasportatori specifici: uno per spermina, spermidina e putrescina ed uno per l’agmatina. Lo scopo di questo lavoro è quello di studiare l'azione delle amine biologicamente attive quali regolatrici della permeabilizzazione della membrana mitocondriale esterna e del rilascio dei fattori pro-apoptotici in mitocondri isolati da fegato di ratto. In particolare viene analizzata la loro interazione specifica con le strutture di membrana, allo scopo di chiarire il loro meccanismo di azione. La prima parte del lavoro evidenzia il duplice effetto dell’agmatina sul processo di transizione di permeabilità. In particolare l'attenzione è focalizzata sull’effetto inibitorio dell’amina nei confronti dell’apertura del poro di transizione mitocondriale. Infatti, nonostante il suo effetto protettivo sulla transizione di permeabilità, l'amina è in grado di indurre il rilascio di alcuni fattori pro-apoptotici. Una possibile spiegazione considera l'induzione della permeabilizzazione della membrana mitocondriale esterna. Un'ulteriore conferma di questa ipotesi è trattata nella seconda parte della tesi, per mezzo del confronto tra gli effetti mostrati dall’agmatina e dal suo analogo alfa-metil-agmatina, un più potente inibitore della transizione di permeabilità mitocondriale. L’utilizzo di tale analogo permette di escludere che la produzione di perossido di idrogeno osservata in presenza di agmatina sia una delle cause principali della permeabilizzazione della membrana esterna. Nella terza parte, è riportato l'effetto delle poliamine (in particolare della spermina e della spermidina) sulla permeabilizzazione delle membrane mitocondriali e sul rilascio dei fattori pro-apoptotici. Nonostante la ben nota azione protettiva di questi composti nei confronti dell'apertura del poro, spermina e spermidina condividono con l’agmatina un comportamento simile nell'indurre il rilascio di alcuni fattori pro-apoptotici, sebbene attraverso meccanismi diversi. Il loro meccanismo d'azione è perciò indagato, cercando di mettere in evidenza le specifiche componenti di membrana coinvolte. Infine, nella quarta parte, viene mostrato uno studio sul meccanismo di efflusso della spermina, indagandone il possibile collegamento con l'efflusso di ATP e fosfato, molto probabilmente in modo elettricamente neutro. Questa osservazione è supportata dall'uso di inibitori specifici della traslocasi degli adenin nucleotidi e del fosfato. In conclusione, i risultati ottenuti in questo studio innanzitutto sostengono l'ipotesi che la permeabilizzazione delle membrane interna ed esterna possa essere vista come due distinti processi, anche se spesso legati tra loro. Inoltre è possibile affermare che la permeabilizzazione della membrana mitocondriale esterna potrebbe essere un punto di contatto tra apoptosi intrinseca ed estrinseca, essendo indotta sia da segnali intra- che extra-mitocondriali. E’ da considerare che il rilascio di citocromo c dai mitocondri non porta in ogni caso all'induzione dell'apoptosi. In particolare lo stato redox della proteina è cruciale per la successiva cascata di eventi: solo il citocromo c ossidato, infatti, è in grado di innescare l'apoptosi. Per questo motivo, è ragionevole pensare che il rilascio di citocromo c indotto dalle amine biologicamente attive possa rappresentare un punto di partenza, ma non un punto di non ritorno. In questo contesto, le poliamine rappresentano uno strumento utile per studiare sia la permeabilizzazione della membrana esterna mitocondriale che la transizione di permeabilità mitocondriale, cercando di delinearne le caratteristiche strutturali e funzionali. Inoltre, a livello cellulare, le poliamine sono in grado di prevenire o indurre l’apoptosi e quest'ultimo effetto è causato dal loro metabolizzazione da parte delle amine ossidasi, con la produzione di composti citotossici. Questa azione dicotomica dipende dalla concentrazione delle poliamine, che è modulata, come dimostrato dai nostri dati, anche attraverso il loro ciclaggio all’interno dei mitocondri. Nonostante siano chiaramente necessari ulteriori studi per individuare tutti i meccanismi strutturali coinvolti nel loro ciclaggio, almeno per la spermina, viene individuata una possibile via di efflusso.
mitochondria; permeabilization; amines; mitocondri; polyamine, fattori pro-apoptotici
INVOLVEMENT OF BIOGENIC ACTIVE AMINES IN MITOCHONDRIAL MEMBRANE PERMEABILIZATION AND PRO-APOPTOTIC FACTORS RELEASE / Martinis, Pamela. - (2014 Jan 27).
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