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.

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.

In this paper we used a multiparametric approach to analyze extensively the events occurring during apoptotic cell death of thymocytes, and furthermore, we asked whether alterations in mitochondrial structure and function are occurring in early stages of apoptosis. A multiparametric quantitative analysis was performed on normal or apoptotic thymocytes emerging from a few-hour culture performed in culture medium or in the presence of dexamethasone. Simultaneous detection of light scattering properties, integrity of plasma membrane (trypan blue exclusion), chromatin condensation (AO/EB staining of entire cells or PI staining of nuclei), and DNA fragmentation (in situ nick-translation in apoptotic cells) allowed a precise analysis of the preapoptotic and apoptotic stages. Moreover a thorough study of mitochondrial transmembrane potential (delta psi m) assessed following in a time course study the uptake by apoptotic cells of the cationic lipophilic dye DiOC6(3) or the J-aggregate-forming cation JC-1, indicates that a drop in delta psi m occurs very early in thymocyte apoptosis, before DNA fragmentation. This is associated with alteration in mitochondrial structure assessed by cytofluorimetric study of NAO uptake in apoptotic cells. Finally these dramatic alterations in mitochondrial structure and function occurring in early stages of apoptosis were confirmed by confocal and electron microscopy analysis.

Iron overload, notably caused by hereditary hemochromatosis, is an excess storage of iron in various organs which cause tissue damage and may promote tumorigenesis. To manage that disorder, free iron depletion can be induced by iron chelators like deferoxamine which are gaining interest also in the cancer field since iron stock could be a potent target for managing tumorigenesis. Curcumin, a well-known active substance extracted from the turmeric rhizome, has shown to be destabilizing endoplasmic reticulum and secondarily lysozomes, increasing mitophagy/autophagy and subsequent apoptosis. Recent findings show that cells treated with curcumin exhibit also a decrease in ferritin, which is consistent with it′s chemical structure and iron chelating activity. Here we investigated how curcumin would play on the intracellular effects of iron overload via Fe-Nitriloacetic acid or Ferric ammonium citrate loading in Huh-7 cells and explore consequences in terms of antioxidant activity, autophagy, or apoptotic signal transduction. With T51B and RL-34 epithelial cells experiments, we brought evidence that curcumin-iron complexation abolishes both curcumin-induced autophagy and apoptosis together with the tumorigenic action of iron overload.

Curcumin, a major active component of turmeric (Curcuma longa, L.), is known to have various effects on both healthy and cancerous tissues. In vitro studies suggest that curcumin inhibits cancer cell growth by activating apoptosis, but the mechanism underlying the anticancer effects of curcumin is still unclear. Since there is a consensus about endoplasmic reticulum (ER) stress being involved in the cytotoxicity of many natural compounds, we investigated by Amnis® Imaging flow cytometry the mechanistic aspects of curcumin's destabilization of the ER, but also the status of the lysosomal compartment involved in curcumin-associated apoptosis. Curcumin induces ER stress thereby causing an unfolded protein response and calcium release which destabilize the mitochondrial compartment and induce apoptosis. These events are also associated with secondary lysosomal membrane permeabilization and activation of caspase-8, mediated by activation of cathepsins and calpains. We show that these lead to the generation of truncated tBid and disruption of mitochondrial homeostasis. These two pathways of different intensities and momentum converge towards an amplification of cell death that still needs to be studied in more detail. It has been suggested that it may be possible to exploit autophagy for cancer therapy. There is a complex interplay involving early autophagy as soon as mitochondria produce superoxide anions and hydrogen peroxide. Treatments with 10 μM to 20 μM curcumin induce autophagosome formation, while only early events of cell death are detectable. In the present study, curcumin-induced autophagy failed to rescue all cells since most cells underwent type II cell death following initial autophagic processes. However, a small number of cells blocked in the cell cycle escaped and were rescued to give rise to a novel proliferation phase.