Background & AimsAlcohol abuse is a major cause of liver injury. The pathologic features of alcoholic liver disease develop over prolonged periods, yet the cellular defense mechanisms against the detrimental effects of alcohol are not well understood. We investigated whether macroautophagy, an evolutionarily conserved cellular mechanism that is commonly activated in response to stress, could protect liver cells from ethanol toxicity.MethodsMice were acutely given ethanol by gavage. The effects of ethanol on primary hepatocytes and hepatic cell lines were also studied in vitro.ResultsEthanol-induced macroautophagy in the livers of mice and cultured cells required ethanol metabolism, generation of reactive oxygen species, and inhibition of mammalian target of rapamycin signaling. Suppression of macroautophagy with pharmacologic agents or small interfering RNAs significantly increased hepatocyte apoptosis and liver injury; macroautophagy therefore protected cells from the toxic effects of ethanol. Macroautophagy induced by ethanol seemed to be selective for damaged mitochondria and accumulated lipid droplets, but not long-lived proteins, which could account for its protective effects. Increasing macroautophagy pharmacologically reduced hepatotoxicity and steatosis associated with acute ethanol exposure.ConclusionsMacroautophagy protects against ethanol-induced toxicity in livers of mice. Reagents that modify macroautophagy might be developed as therapeutics for patients with alcoholic liver disease. Alcohol abuse is a major cause of liver injury. The pathologic features of alcoholic liver disease develop over prolonged periods, yet the cellular defense mechanisms against the detrimental effects of alcohol are not well understood. We investigated whether macroautophagy, an evolutionarily conserved cellular mechanism that is commonly activated in response to stress, could protect liver cells from ethanol toxicity. Mice were acutely given ethanol by gavage. The effects of ethanol on primary hepatocytes and hepatic cell lines were also studied in vitro. Ethanol-induced macroautophagy in the livers of mice and cultured cells required ethanol metabolism, generation of reactive oxygen species, and inhibition of mammalian target of rapamycin signaling. Suppression of macroautophagy with pharmacologic agents or small interfering RNAs significantly increased hepatocyte apoptosis and liver injury; macroautophagy therefore protected cells from the toxic effects of ethanol. Macroautophagy induced by ethanol seemed to be selective for damaged mitochondria and accumulated lipid droplets, but not long-lived proteins, which could account for its protective effects. Increasing macroautophagy pharmacologically reduced hepatotoxicity and steatosis associated with acute ethanol exposure. Macroautophagy protects against ethanol-induced toxicity in livers of mice. Reagents that modify macroautophagy might be developed as therapeutics for patients with alcoholic liver disease.

Autophagy can selectively remove damaged organelles, including mitochondria, and, in turn, protect against mitochondria-damage-induced cell death. Acetaminophen (APAP) overdose can cause liver injury in animals and humans by inducing mitochondria damage and subsequent necrosis in hepatocytes. Although many detrimental mechanisms have been reported to be responsible for APAP-induced hepatotoxicity, it is not known whether APAP can modulate autophagy to regulate hepatotoxicity in hepatocytes. To test the hypothesis that autophagy may play a critical protective role against APAP-induced hepatotoxicity, primary cultured mouse hepatocytes and green fluorescent protein/light chain 3 transgenic mice were treated with APAP. By using a series of morphological and biochemical autophagic flux assays, we found that APAP induced autophagy both in the in vivo mouse liver and in primary cultured hepatocytes. We also found that APAP treatment might suppress mammalian target of rapamycin in hepatocytes and that APAP-induced autophagy was suppressed by N-acetylcysteine, suggesting APAP mitochondrial protein binding and the subsequent production of reactive oxygen species may play an important role in APAP-induced autophagy. Pharmacological inhibition of autophagy by 3-methyladenine or chloroquine further exacerbated APAP-induced hepatotoxicity. In contrast, induction of autophagy by rapamycin inhibited APAP-induced hepatotoxicity.APAP overdose induces autophagy, which attenuates APAP-induced liver cell death by removing damaged mitochondria.

Acetaminophen (APAP) overdose is a major cause of hepatotoxicity and acute liver failure in the U.S., but the pathophysiology is incompletely understood. Despite evidence for apoptotic signaling, hepatic cell death after APAP is generally considered necrotic in mice and in humans. Recent findings suggest that the receptor interacting protein kinase 3 (RIP3) acts as a switch from apoptosis to necrosis (programmed necrosis). Thus, the aim of the current investigation was to determine if RIP3 is involved in APAP-induced liver cell death. APAP (200-300 mg/kg) caused glutathione depletion and protein adduct formation, oxidant stress, mitochondrial release of apoptosis inducing factor, and nuclear DNA fragmentation resulting in centrilobular necrosis in C57Bl/6J mice. Inhibiting RIP3 protein induction with antisense morpholinos in wild-type animals or using RIP3-deficient mice had no effect on protein adduct formation but attenuated all other parameters, including necrotic cell death, at 6 hours after APAP. In addition, cultured hepatocytes from RIP3-deficient mice showed reduced injury compared to wild-type cells after 24 hours. Interestingly, APAP-induced mitochondrial translocation of dynamin-related protein 1 (Drp1), the initiator of mitochondrial fission, was inhibited by reduced RIP3 protein expression and the Drp1 inhibitor MDIVI reduced APAP-induced cell death at 24 hours. All of these protective effects were lost after 24 hours in vivo or 48 hours in vitro. Conclusion: RIP3 is an early mediator of APAP hepatotoxicity, involving modulation of mitochondrial dysfunction and oxidant stress. Controlling RIP3 expression could be a promising new approach to reduce APAP-induced liver injury, but requires complementary strategies to control mitochondrial dysfunction for long-term protection. (Hepatology 2013; 58:2099–2108)

Alcohol consumption is believed to affect Alzheimer’s disease (AD) risk, but the contributing mechanisms are not well understood. A potential mediator of the proposed alcohol-AD connection is autophagy, a degradation pathway that maintains organelle and protein homeostasis. Autophagy is regulated through the activity of Transcription factor EB (TFEB), which promotes lysosome and autophagy-related gene expression. The purpose of this study is to explore whether chronic alcohol consumption worsens the age-related decline in TFEB-mediated lysosomal biogenesis in the brain and exacerbates cognitive decline associated with aging. To explore the effect of alcohol on brain TFEB and autophagy, we exposed young (3-month-old) and aged (23-month-old) mice to two alcohol-feeding paradigms and assessed biochemical, transcriptome, histology, and behavioral endpoints. In young mice, alcohol decreased hippocampal nuclear TFEB staining but increased SQSTM1/p62, LC3-II, ubiquitinated proteins, and phosphorylated Tau. Hippocampal TFEB activity was lower in aged mice than it was in young mice, and Gao-binge alcohol feeding did not worsen the age-related reduction in TFEB activity. Morris Water and Barnes Maze spatial memory tasks were used to characterize the effects of aging and chronic alcohol exposure (mice fed alcohol for 4 weeks). The aged mice showed worse spatial memory acquisition in both tests. Alcohol feeding slightly impaired spatial memory in the young mice, but had little effect or even slightly improved spatial memory acquisition in the aged mice. In conclusion, aging produces greater reductions in brain autophagy flux and impairment of spatial memory than alcohol consumption.

Alcohol consumption is believed to affect Alzheimer's disease (AD) risk, but the contributing mechanisms are not well understood. A potential mediator of the proposed alcohol-AD connection is autophagy, a degradation pathway that maintains organelle and protein homeostasis. Autophagy is in turn regulated through the activity of Transcription factor EB (TFEB), which promotes lysosome and autophagy-related gene expression. To explore the effect of alcohol on brain TFEB and autophagy, we exposed young (3-month old) and aged (23-month old) mice to two alcohol-feeding paradigms and assessed biochemical, transcriptome, histology, and behavioral endpoints. In young mice, alcohol decreased hippocampal nuclear TFEB staining but increased SQSTM1/p62, LC3-II, ubiquitinated proteins, and phosphorylated Tau. Hippocampal TFEB activity was lower in aged mice than it was in young mice, and Gao-binge alcohol feeding did not worsen the age-related reduction in TFEB activity. To better assess the impact of chronic alcohol exposure, we fed young and aged mice alcohol for four weeks before completing Morris Water and Barnes Maze spatial memory testing. The aged mice showed worse spatial memory on both tests. While alcohol feeding slightly impaired spatial memory in the young mice, it had little effect or even slightly improved spatial memory in the aged mice. These findings suggest that aging is a far more important driver of spatial memory impairment and reduced autophagy flux than alcohol consumption.

Cold exposure is an environmental stress that elicits a rapid metabolic shift in endotherms and is required for survival. The liver provides metabolic flexibility through its ability to rewire lipid metabolism to respond to an increased demand in energy for thermogenesis. We leveraged cold exposure to identify novel lipids contributing to energy homeostasis and found that lysosomal bis(monoacylglycero)phosphate (BMP) lipids were significantly increased in the liver during acute cold exposure. BMP lipid changes occurred independently of lysosomal abundance but were dependent on the lysosomal transcriptional regulator transcription factor EB (TFEB). Knockdown of TFEB in hepatocytes decreased BMP lipid levels. Through molecular biology and biochemical assays, we found that TFEB regulates lipid catabolism during cold exposure and that TFEB knockdown mice were cold intolerant. To identify how TFEB regulates BMP lipid levels, we used a combinatorial approach to identify TFEB target Pla2g15 , a lysosomal phospholipase, as capable of degrading BMP lipids in in vitro liposome assays. Knockdown of Pla2g15 in hepatocytes led to a decrease in BMP lipid species. Together, our studies uncover a required role of TFEB in mediating lipid liver remodeling during cold exposure and identified Pla2g15 as an enzyme that regulates BMP lipid catabolism.