Programmed cell death (PCD) is a physiological process commonly defined by alterations in nuclear morphology (apoptosis) and/or characteristic stepwise degradation of chromosomal DNA occurring before cytolysis. However, determined characteristics of PCD such as loss in mitochondrial reductase activity or cytolysis can be induced in enucleated cells, indicating cytoplasmic PCD control. Here we report a sequential disregulation of mitochondrial function that precedes cell shrinkage and nuclear fragmentation. A first cyclosporin A-inhibitable step of ongoing PCD is characterized by a reduction of mitochondrial transmembrane potential, as determined by specific fluorochromes (5,5',6,6'-tetrachloro-1,1',3,3'-tetraethylbenzimidazolcarbocyanine++ + iodide; 3,3'dihexyloxacarbocyanine iodide). Cytofluorometrically purified cells with reduced mitochondrial transmembrane potential are initially incapable of oxidizing hydroethidine (HE) into ethidium. Upon short-term in vitro culture, such cells acquire the capacity of HE oxidation, thus revealing a second step of PCD marked by mitochondrial generation of reactive oxygen species (ROS). This step can be selectively inhibited by rotenone and ruthenium red yet is not affected by cyclosporin A. Finally, cells reduce their volume, a step that is delayed by radical scavengers, indicating the implication of ROS in the apoptotic process. This sequence of alterations accompanying early PCD is found in very different models of apoptosis induction: glucocorticoid-induced death of lymphocytes, activation-induced PCD of T cell hybridomas, and tumor necrosis factor-induced death of U937 cells. Transfection with the antiapoptotic protooncogene Bcl-2 simultaneously inhibits mitochondrial alterations and apoptotic cell death triggered by steroids or ceramide. In vivo injection of fluorochromes such as 5,5',6,6'-tetrachloro-1,1',3,3'-tetraethylbenzimidazolcarbocyanine iodide; 3,3'dihexyloxacarbocyanine iodide; or HE allows for the detection of cells that are programmed for death but still lack nuclear DNA fragmentation. In particular, assessment of mitochondrial ROS generation provides an accurate picture of PCD-mediated lymphocyte depletion. In conclusion, alterations of mitochondrial function constitute an important feature of early PCD.

Anucleate cells can be induced to undergo programmed cell death (PCD), indicating the existence of a cytoplasmic PCD pathway that functions independently from the nucleus. Cytoplasmic structures including mitochondria have been shown to participate in the control of apoptotic nuclear disintegration. Before cells exhibit common signs of nuclear apoptosis (chromatin condensation and endonuclease-mediated DNA fragmentation), they undergo a reduction of the mitochondrial transmembrane potential (delta psi m) that may be due to the opening of mitochondrial permeability transition (PT) pores. Here, we present direct evidence indicating that mitochondrial PT constitutes a critical early event of the apoptotic process. In a cell-free system combining purified mitochondria and nuclei, mitochondria undergoing PT suffice to induce chromatin condensation and DNA fragmentation. Induction of PT by pharmacological agents augments the apoptosis-inducing potential of mitochondria. In contrast, prevention of PT by pharmacological agents impedes nuclear apoptosis, both in vitro and in vivo. Mitochondria from hepatocytes or lymphoid cells undergoing apoptosis, but not those from normal cells, induce disintegration of isolated Hela nuclei. A specific ligand of the mitochondrial adenine nucleotide translocator (ANT), bongkreik acid, inhibits PT and reduces apoptosis induction by mitochondria in a cell-free system. Moreover, it inhibits the induction of apoptosis in intact cells. Several pieces of evidence suggest that the proto-oncogene product Bcl-2 inhibits apoptosis by preventing mitochondrial PT. First, to inhibit nuclear apoptosis, Bcl-2 must be localized in mitochondrial but not nuclear membranes. Second, transfection-enforced hyperexpression of Bcl-2 directly abolishes the induction of mitochondrial PT in response to a protonophore, a pro-oxidant, as well as to the ANT ligand atractyloside, correlating with its apoptosis-inhibitory effect. In conclusion, mitochondrial PT appears to be a critical step of the apoptotic cascade.

In a number of experimental systems in which lymphocyte depletion was induced by apoptosis-inducing manipulations, no apoptotic morphology and ladder-type DNA fragmentation were detected among freshly isolated peripheral lymphocytes ex vivo. Here we report that one alteration that can be detected among splenocytes stimulated with lymphocyte-depleting doses of dexamethasone (DEX) in vivo is a reduced uptake of 3,3'dihexyloxacarbocyanine iodide (DiOC6[3]), a fluorochrome which incorporates into cells dependent upon their mitochondrial transmembrane potential (delta psi m). In contrast, ex vivo isolated splenocytes still lacked established signs of programmed cell death (PCD):DNA degradation into high or low molecular weight fragments, ultrastructural changes of chromatin arrangement and endoplasmatic reticulum, loss in viability, or accumulation of intracellular peroxides. Moreover, no changes in cell membrane potential could be detected. A reduced delta psi m has been observed in response to different agents inducing lymphoid cell depletion in vivo (superantigen and glucocorticoids [GC]), in mature T and B lymphocytes, as well as their precursors. DEX treatment in vivo, followed by cytofluorometric purification of viable delta psi mlow splenic T cells ex vivo, revealed that this fraction of cells is irreversibly committed to undergoing DNA fragmentation. Immediately after purification neither delta psi mlow, nor delta psi mhigh cells, exhibit detectable DNA fragmentation. However, after short-term culture (37 degrees C, 1 h) delta psi mlow cells show endonucleolysis, followed by cytolysis several hours later. Incubation of delta psi mlow cells in the presence of excess amount of the GC receptor antagonist RU38486 (which displaces DEX from the GC receptor), cytokines that inhibit DEX-induced cell death, or cycloheximide fails to prevent cytolysis. The antioxidant, N-acetylcysteine, as well as linomide, an agent that effectively inhibits DEX or superantigen-induced lymphocyte depletion in vivo, also stabilize the DiOC6(3) uptake. In contrast, the endonuclease inhibitor, aurintricarboxylic acid acts at later stages of apoptosis and only retards the transition from the viable delta psi mlow to the nonviable fraction. Altogether, these data suggest a sequence of PCD-associated events in which a reduction in delta psi m constitutes an obligate irreversible step of ongoing lymphocyte death, preceding other alterations of cellular physiology, and thus allowing for the ex vivo assessment of PCD.

Bcl-2 belongs to a family of apoptosis-regulatory proteins which incorporate into the outer mitochondrial as well as nuclear membranes. The mechanism by which the proto-oncogene product Bcl-2 inhibits apoptosis is thus far elusive. We and others have shown previously that the first biochemical alteration detectable in cells undergoing apoptosis, well before nuclear changes become manifest, is a collapse of the mitochondrial inner membrane potential (delta psi m), suggesting the involvement of mitochondrial products in the apoptotic cascade. Here we show that mitochondria contain a pre-formed approximately 50-kD protein which is released upon delta psi m disruption and which, in a cell-free in vitro system, causes isolated nuclei to undergo apoptotic changes such as chromatin condensation and internucleosomal DNA fragmentation. This apoptosis-inducing factor (AIF) is blocked by N-benzyloxycarbonyl-Val-Ala-Asp.fluoromethylketone (Z-VAD.fmk), an antagonist of interleukin-1 beta-converting enzyme (ICE)-like proteases that is also an efficient inhibitor of apoptosis in cells. We have tested the effect of Bcl-2 on the formation, release, and action of AIF. When preventing mitochondrial permeability transition (which accounts for the pre-apoptotic delta psi m disruption in cells), Bcl-2 hyperexpressed in the outer mitochondrial membrane also impedes the release of AIF from isolated mitochondria in vitro. In contrast, Bcl-2 does not affect the formation of AIF, which is contained in comparable quantities in control mitochondria and in mitochondria from Bcl-2-hyperexpressing cells. Furthermore, the presence of Bcl-2 in the nuclear membrane does not interfere with the action of AIF on the nucleus, nor does Bcl-2 hyperexpression protect cells against AIF. It thus appears that Bcl-2 prevents apoptosis by favoring the retention of an apoptogenic protease in mitochondria.

In a number of experimental systems, the early stage of the apoptotic process, i.e., the stage that precedes nuclear disintegration, is characterized by the breakdown of the inner mitochondrial transmembrane potential (delta psi m). This delta psi m disruption is mediated by the opening of permeability transition (PT) pores and appears to be critical for the apoptotic cascade, since it is directly regulated by Bcl-2 and since mitochondria induced to undergo PT in vitro become capable of inducing nuclear chromatinolysis in a cell-free system of apoptosis. Here, we addressed the question of which apoptotic events are secondary to mitochondrial PT. We tested the effect of a specific inhibitor of PT, bongkrekic acid (BA), a ligand of the mitochondrial adenine nucleotide translocator, on a prototypic model of apoptosis glucocorticoid-induced thymocyte death. In addition to abolishing the apoptotic delta psi m disruption, BA prevents a number of phenomena linked to apoptosis: depletion of nonoxidized glutathione, generation of reactive oxygen species, translocation of NF kappa B, exposure of phosphatidylserine residues on the outer plasma membrane, cytoplasmic vacuolization, chromatin condensation, and oligonucleosomal DNA fragmentation. BA is also an efficient inhibitor of p53-dependent thymocyte apoptosis induced by DNA damage. These data suggest that a number of apoptotic phenomena are secondary to PT. In addition, we present data indicating that apoptotic delta psi m disruption is secondary to transcriptional events. These data connect the PT control point to the p53- and ICE/ Ced 3-regulated control points of apoptosis and place PT upstream of nuclear and plasma membrane features of PCD.

Gianpietro Dotti and colleagues report that CAR-T cells expressing heparanase to degrade the extracellular matrix may enhance their infiltration of and effects on solid tumors. Adoptive transfer of chimeric antigen receptor (CAR)-redirected T lymphocytes (CAR-T cells) has had less striking therapeutic effects in solid tumors1,2,3 than in lymphoid malignancies4,5. Although active tumor-mediated immunosuppression may have a role in limiting the efficacy of CAR-T cells6, functional changes in T lymphocytes after their ex vivo manipulation may also account for the reduced ability of cultured CAR-T cells to penetrate stroma-rich solid tumors compared with lymphoid tissues. We therefore studied the capacity of human in vitro–cultured CAR-T cells to degrade components of the extracellular matrix (ECM). In contrast to freshly isolated T lymphocytes, we found that in vitro–cultured T lymphocytes lack expression of the enzyme heparanase (HPSE), which degrades heparan sulfate proteoglycans, the main components of ECM. We found that HPSE mRNA is downregulated in in vitro–expanded T cells, which may be a consequence of p53 (officially known as TP53, encoding tumor protein 53) binding to the HPSE gene promoter. We therefore engineered CAR-T cells to express HPSE and showed their improved capacity to degrade the ECM, which promoted tumor T cell infiltration and antitumor activity. The use of this strategy may enhance the activity of CAR-T cells in individuals with stroma-rich solid tumors.

Aims: The pathophysiological role of iron in Parkinson's disease (PD) was assessed by a chelation strategy aimed at reducing oxidative damage associated with regional iron deposition without affecting circulating metals. Translational cell and animal models provided concept proofs and a delayed-start (DS) treatment paradigm, the basis for preliminary clinical assessments. Results: For translational studies, we assessed the effect of oxidative insults in mice systemically prechelated with deferiprone (DFP) by following motor functions, striatal dopamine (HPLC and MRI-PET), and brain iron deposition (relaxation-R2*-MRI) aided by spectroscopic measurements of neuronal labile iron (with fluorescence-sensitive iron sensors) and oxidative damage by markers of protein, lipid, and DNA modification. DFP significantly reduced labile iron and biological damage in oxidation-stressed cells and animals, improving motor functions while raising striatal dopamine. For a pilot, double-blind, placebo-controlled randomized clinical trial, early-stage Parkinson's patients on stabilized dopamine regimens enrolled in a 12-month single-center study with DFP (30 mg/kg/day). Based on a 6-month DS paradigm, early-start patients (n=19) compared to DS patients (n=18) (37/40 completed) responded significantly earlier and sustainably to treatment in both substantia nigra iron deposits (R2* MRI) and Unified Parkinson's Disease Rating Scale motor indicators of disease progression (p<0.03 and p<0.04, respectively). Apart from three rapidly resolved neutropenia cases, safety was maintained throughout the trial. Innovation: A moderate iron chelation regimen that avoids changes in systemic iron levels may constitute a novel therapeutic modality for PD. Conclusions: The therapeutic features of a chelation modality established in translational models and in pilot clinical trials warrant comprehensive evaluation of symptomatic and/or disease-modifying potential of chelation in PD. Antioxid. Redox Signal. 21, 195–210.

Mitochondrial alterations including permeability transition (PT) constitute critical events of the apoptotic cascade and are under the control of Bcl-2 related gene products. Here we show that induction of PT is sufficient to activate CPP32-like proteases with DEVDase activity and the associated cleavage of the nuclear DEVDase substrate poly(ADP-ribose) polymerase (PARP). Thus, direct intervention on mitochondria using a ligand of the mitochondrial benzodiazepin receptor or a protonophore causes DEVDase activation. In addition, the DEVDase activation triggered by conventional apoptosis inducers (glucocorticoids or topoisomerase inhibitors) is prevented by inhibitors of PT. The protease inhibitor N-benzyloxycabonyl-Val-Ala-Asp-fluoromethylketone (Z-VAD.fmk) completely prevents the activation of DEVDase and PARP cleavage, as well as the manifestation of nuclear apoptosis (chromatin condensation, DNA fragmentation, hypoploidy). In addition, Z-VAD.fmk delays the manifestation of apoptosis-associated changes in cellular redox potentials (hypergeneration of superoxide anion, oxidation of compounds of the inner mitochondrial membrane, depletion of non-oxidized glutathione), as well as the exposure of phosphatidylserine residues in the outer plasma membrane leaflet. Although Z-VAD.fmk retards cytolysis, it is incapable of preventing disruption of the plasma membrane during protracted cell culture (12 – 24 h), even in conditions in which it completely blocks nuclear apoptosis (chromatin condensation and DNA fragmentation). Electron microscopic analysis confirms that cells treated with PT inducers alone undergo apoptosis, whereas cells kept in identical conditions in the presence of Z-VAD.fmk die from necrosis. These observations are compatible with the hypothesis that PT would be a rate limiting step in both the apoptotic and the necrotic modes of cell death. In contrast, it would be the availability of apoptogenic proteases that would determine the choice between the two death modalities.

In a number of experimental systems, the early stage of the apoptotic process, i.e. the stage which precedes nuclear disintegration, is characterized by the breakdown of the inner mitochondrial transmembrane potential ( ΔΨ m ). Here we address the question as to whether mitochondrial permeability transition (PT) pores may account for the ΔΨ m dissipation in lymphocyte apoptosis. Drugs known for their PT‐inhibitory potential (bongkrekic acid, cyclosporin A, and the non‐immunosuppressive cyclosporin A analogue N ‐methyl‐Val‐4‐cyclosporin A) are capable of preventing the apoptotic ΔΨ m disruption. Moreover, pharmacological modulation of PT‐mediated ΔΨ m dissipation can prevent apoptosis. Thus, while suppressing the ΔΨ m disruption, bongkrekic acid also inhibits the apoptotic chromatinolysis. In conclusion, these data are compatible with the hypothesis that apoptotic ΔΨ m disruption is mediated by the formation of PT pores and that PT‐mediated ΔΨ m disruption is a critical event of the apoptotic cascade.

Bile acids are signalling molecules, which activate the transmembrane receptor TGR5 and the nuclear receptor FXR. BA sequestrants (BAS) complex bile acids in the intestinal lumen and decrease intestinal FXR activity. The BAS–BA complex also induces glucagon-like peptide-1 (GLP-1) production by L cells which potentiates β-cell glucose-induced insulin secretion. Whether FXR is expressed in L cells and controls GLP-1 production is unknown. Here, we show that FXR activation in L cells decreases proglucagon expression by interfering with the glucose-responsive factor Carbohydrate-Responsive Element Binding Protein (ChREBP) and GLP-1 secretion by inhibiting glycolysis. In vivo, FXR deficiency increases GLP-1 gene expression and secretion in response to glucose hence improving glucose metabolism. Moreover, treatment of ob/ob mice with the BAS colesevelam increases intestinal proglucagon gene expression and improves glycaemia in a FXR-dependent manner. These findings identify the FXR/GLP-1 pathway as a new mechanism of BA control of glucose metabolism and a pharmacological target for type 2 diabetes. Bile acids exert metabolic effects by modulating FXR receptor activity. Here, Trabelsi et al.show that FXR negatively regulates production of the incretin GLP-1 in enteroendocrine L-cells by reducing glycolysis and that inhibition of FXR improves glucose metabolism by increasing GLP-1 in obese mice.