Figura 4
(a) Rappresentazione schematica del modello dei pori mPT. L’ipotetico poro mPT è composto da VDAC, ANT e una serie di altre proteine. L’apertura del poro tiene conto un afflusso di acqua e di ioni nella matrice che induce il gonfiamento e la rottura dell’OMM e molto probabilmente provoca la necrosi. Varie proteine sono state suggerite per regolare il mPT compreso l’esochinasi (HK) ed il PBR. (b) Altre proteine sono state suggerite per regolare MOMP, specificamente la formazione del poro di BAX (o di BAK) compreso VDAC2 e le proteine che regolano la fissione e la fusione mitocondriali. Inoltre, componenti mitocondriali possono autonomamente indurre MOMP tra ROS prodotte dalla catena di trasporto degli elettroni, che possono causare l’apertura del mPT poro, ma ugualmente può indurre apoptosi attraverso l’attivazione di proteine BH3-only nel citoplasma
Recentemente, un certo numero di modelli genetici, hanno chiamato in causa l’importanza di mPT come un generale induttore di MOMP. ANT sembra essere dispensabile in quanto i topi privi di ANT possono ancora subire mPT, mentre le cellule prive di cypD (quindi non hanno mPT) non hanno mostrato alcuna differenza in Ca2+indotta o in una varietà di altre forme di apoptosi, sebbene la necrosi indotta da Ca2+fosse difettosa.31, 32, 33 Questi risultati dei topi Ppif KO (il gene che codifica cypD) suggeriscono che mPT potrebbe non essere richiesto durante l’apoptosi (almeno nella maggior parte dei casi) e si verifica durante l’ischemia e la necrosi indotta da ROS; tuttavia, il ruolo e il meccanismo della morte rimangono sconosciuti.31 Inoltre, poiché mPT è altamente sensibile alla temperatura, il rilascio coordinato del citocromo c a temperature diverse argomenta contro qualsiasi tipo di reazione a catena mPT.5, 29 Presi insieme, questi dati suggeriscono che il poro mPT, sebbene importante per la morte necrotica, potrebbe non essere necessario per MOMP che si verifica durante l’apoptosi mitocondriale (Figura 4a).
La membrana interna può alternativamente controllare MOMP regolando OXPHOS (fosforilazione ossidativa), che a sua volta regola il potenziale transmembrana mitocondriale (ΔψM).34 Il mantenimento di ΔψM è richiesto per una varietà di funzioni mitocondriali tra cui l’importazione di proteine, la produzione di ATP e la regolazione del trasporto di metaboliti. L’insorgenza di MOMP è spesso associata a una perdita di ΔψM, ma questa perdita di ΔψM induce MOMP o si verifica come risultato di MOMP? L’interruzione di ΔψM causata dalla riduzione incompleta dell’ossigeno molecolare durante OXPHOS porta alla generazione di ROS che innesca MOMP, ma ciò può verificarsi tramite un’interazione di ROS con sensori citosolici non ancora identificati. Infatti, il ROS che viene generato durante l’apoptosi è spesso causato dalla scissione caspasi-dipendente di una subunità del complesso I della catena respiratoria e quindi può essere un sottoprodotto di MOMP piuttosto che causale.34, 35 Altrimenti, non ci sono prove convincenti che la perdita di ΔψM induca direttamente MOMP, e OXPHOS può chiaramente continuare dopo MOMP poiché, in assenza di attivazione della caspasi, non solo ΔψM può essere rigenerato, ma le cellule possono anche mantenere la produzione di ATP.34, 35, 36
La membrana esterna
Prove convincenti che la membrana interna (e in effetti la matrice) non è necessaria per MOMP e che MOMP richiede solo l’OMM sono state fornite da Kuwana et al.8 Utilizzando un approccio riduzionista per sezionare i requisiti per MOMP, hanno dimostrato che le vescicole unilamellari composte dai lipidi presenti nella membrana mitocondriale rilasciano il loro contenuto in presenza di BAX attivato. L’uso di liposomi definiti e proteine della famiglia BCL-2 ricombinanti qui può rappresentare mitocondri “semplificati”, suggerendo che l’unico requisito mitocondriale per il rilascio di proteine spaziali intermembrane è la cardiolipina, un lipido specifico per le membrane mitocondriali. Poiché non sono necessarie altre proteine per rilasciare il contenuto del liposoma, queste osservazioni favoriscono un meccanismo di MOMP in cui il BAX attivato (e/o il BAK) forma un poro nella membrana lipidica per consentire il rilascio del citocromo C. Tuttavia, questo sistema semplificato del liposoma non può riflettere esattamente la complessità del processo di permeabilizzazione come accade nell’OMM nativo e determinati stimoli possono richiedere le proteine di OMM per tenere conto la formazione del poro lipidico/del BAX. In assenza di detergente, BAX richiede membrane (liposomi contenenti cardiolipina o mitocondri) per oligomerizzare e attivare, e l’evidenza suggerisce che BCL-xL inibirà BAX solo in presenza di membrane lipidiche simili.8 Tuttavia, l’importanza della cardiolipina in questo processo è anche controversa. Nel lievito, la cardiolipina non sembra essere richiesta per la morte indotta da BAX.37 Inoltre, la presenza o la quantità esatta di cardiolipina nell’OMM non è nota e può essere presente, nella migliore delle ipotesi, in livelli molto bassi. Gli esperimenti di colorazione immunogold suggeriscono che la cardiolipina nella membrana esterna è concentrata nei punti di contatto tra l’IMM e l’OMM dove si propone di legare BAX/BID, e forse la concentrazione locale di cardiolipina in questi siti può essere sufficientemente elevata da consentire il legame di queste proteine.38, 39 In alternativa, possono esserci proteine OMM che concentrano la cardiolipina, consentendo l’inserimento di BAX e/o BAK attivati nell’OMM per mediare MOMP.
Ci sono due ulteriori livelli di regolazione potenziale che esistono nel contesto fisiologico di un OMM intatto (Figura 4b). In primo luogo, le proteine associate all’OMM, oltre ai membri della famiglia BCL-2 possono regolare direttamente il MOMP; e in secondo luogo, forse proteine aggiuntive associate all’OMM, anche oltre ai membri della famiglia BCL-2, partecipano al MOMP ma non regolano il processo. Ad esempio, molte delle proteine che sono state descritte per regolare il poro mPT hanno anche pretese di partecipare ulteriormente a MOMP. È qui che sorge una sottile differenza, e forse un aspetto trascurato di MOMP. Sebbene ci siano numerose proteine nell’OMM, la maggior parte di queste non sono richieste affinchè BAX o BAK permeabilizzino i mitocondri. Le vescicole della membrana esterna preparate dai mitocondri permeabilizzano sopra il trattamento con tBID simile ai mitocondri intatti; questo deve essere indipendente dalla funzione del poro di mPT poichè questi sono privi dei costituenti mitocondriali della membrana interna.8 Eppure, parecchie proteine all’OMM sono speculated per regolare la permeabilizzazione BAX o BAK-mediata a causa di un’associazione dimostrata con le ultime proteine. Ad esempio, BCL-2, BCL-xL, BAK e BAX hanno tutti dimostrato di legare VDAC, anche se va notato che, poiché VDAC è la proteina più abbondante dell’OMM, il legame potrebbe non essere fisiologico.40, 41, 42, 43 Più specificamente, Korsmeyer e colleghi hanno suggerito che VDAC2 inibisce l’attivazione di BAK mantenendo BAK come monomero nell’OMM (Figura 4b).44 Anche se questo può essere il caso, VDAC2 potrebbe non prendere la decisione di attivare o inattivare BAK poiché in questo scenario è una risposta del segnale citosolico allo stress cellulare, molto probabilmente una proteina BH3-only, che interrompe l’associazione VDAC2–BAK.44
Allo stesso modo, è stato suggerito che il recettore periferico delle benzodiazepine (PBR) blocchi MOMP.45, 46 Questa proteina di membrana integrale interagisce funzionalmente con il poro mPT ed è un inibitore suggerito di MOMP. Tuttavia, i requisiti per la morte cellulare non cambiano ancora, sia lo stress cellulare che le proteine BH3-only sono necessarie, poiché la semplice inibizione farmacologica o interruzione dell’attività PBR non è sufficiente affinché i mitocondri trasmettano un segnale proapoptotico; e l’uso di inibitori potrebbe certamente non riflettere le funzioni fisiologiche di queste proteine.46 Tali proteine (ad esempio, VDAC1/2 e PBR) possono associarsi a numerose proteine BCL-2, ma il segnale per MOMP non può provenire dall’interno dei mitocondri; la cellula deve generare un messaggio proapoptotico che si alimenta in avanti (stress → rilevamento cellulare → risposta cellulare → attivazione delle proteine BH3-only → attivazione BAX/BAK → MOMP) alla superficie mitocondriale per regolare queste interazioni.
Una descrizione di tale situazione “feedforward” considera il ruolo di AKT ed esochinasi I / II nella prevenzione del rilascio del citocromo c in determinate vie di sopravvivenza. L’attività di AKT sembra essere richiesta per bilanciare i requisiti per l’assorbimento del glucosio e il successivo trasporto del metabolita attraverso sia l’IMM che l’OMM regolando direttamente l’espressione e la localizzazione dell’esochinasi sull’OMM.47, 48 È interessante notare che l’attività AKT ha aumentato la massa di esochinasi sulla superficie dei mitocondri, che ha dimostrato di influenzare drammaticamente l’attività del canale VDAC.47 Quando le cellule sono state trattate con agenti che hanno interrotto l’associazione esochinasi–mitocondri, il rilascio accelerato del citocromo c si è verificato solo in seguito a ulteriore stress proapoptotico.47 Inoltre, è stata riportata una riduzione della traslocazione BAX durante casi di associazione esochinasi–mitocondriale forzata durante lo stress.47 Insieme, ciò indica che la semplice rimozione dell’esochinasi dall’OMM non è sufficiente per indurre MOMP poiché le cellule non rilasciano ancora il citocromo c in assenza di stress e che il segnale per reclutare BAX nell’OMM deve provenire dall’esterno dei mitocondri indipendentemente dalla partecipazione dell’esochinasi.
Un’altra importante classe di proteine che risiedono nell’OMM è responsabile della dinamica mitocondriale: le proteine di fusione e fissione (Figura 4b). Le dinamiche mitocondriali sono necessarie per distribuire i mitocondri alle cellule figlie dopo la mitosi e garantire che l’integrità mitocondriale sia preservata quando le membrane mitocondriali si dividono e si fondono.49 Esistono almeno quattro proteine OMM che potenzialmente partecipano o regolano MOMP: DRP-1 (una GTPasi correlata alla dinamina), endofila B1 (una transferasi lipidica necessaria per determinare la curvatura della membrana), Fis-1 (e proteina OMM integrale) e Fzo1/Mfn1 (una grande GTPasi transmembrana).50
Finora, è stato descritto che BAX e BAK, all’attivazione, si fondono con foci di scissione mitocondriale che sono composti minimamente da DRP-1 e mitofusina-2 e che BAX può interagire fisicamente con l’endofila B1 nell’OMM; tuttavia, le forme dominanti-negative di DRP-1, come DRP-1K38A carente di GTPasi, non bloccano la traslocazione di BAX dopo l’attivazione da parte di una proteina BH3-only.51, 52, 53 Ancora una volta, il segnale responsabile della promozione della traslocazione BAX all’OMM viene generato come conseguenza del particolare stress cellulare (cioè, l’insieme attivato di proteine BH3-only). Ma qual è lo scopo di BAX / BAK che interagisce con questa classe di proteine? Queste proteine partecipano semplicemente come “punti di attracco” per BAX o BAK, o c’è una regolazione attiva di MOMP coinvolta? Al momento dell’attivazione, BAX deve essere in grado di indirizzare la membrana intracellulare appropriata (cioè l’OMM) al fine di impegnare la cascata apoptotica e queste proteine possono servire ad “agganciare” BAX all’OMM. Se è vero, questa interpretazione non potrebbe essere estesa per includere BAK come è costitutivamente risiede nel OMM. Tuttavia, forse i regolatori della dinamica mitocondriale (come DRP-1 o Fis-1) si sono evoluti per partecipare a MOMP dirigendo l’azione di BAX e BAK nella regione appropriata dell’OMM consentendo la loro attività di formazione dei pori. In questo scenario, l’interazione proposta non serve a prendere la decisione cellulare di indurre MOMP, ma è ancora necessaria. È stata riportata anche un’interazione reciproca in cui i membri di BCL-2 antiapoptotici hanno promosso il rimodellamento della rete mitocondriale tramite un’interazione mitofusina-2 che ha portato alla fusione mitocondriale e alla diminuzione della sensibilità alla morte cellulare.54 In questo scenario, è stato dimostrato che CED-9, il parente di Caenorhabditis elegans BCL-2, potrebbe indurre il clustering mitocondriale. Una simile riorganizzazione mitocondriale è stata indotta anche dall’espressione forzata BCL-xL, suggerendo che questa attività potrebbe essere una funzione conservata della famiglia BCL-2.54
Un altro aspetto potenziale di questo scenario riguarda il requisito lipidico specifico per BAX (e presumibilmente, BAK) per permeabilizzare un OMM. Come discusso in precedenza, i dati in vitro suggeriscono che BAX richiede cardiolipina per oligomerizzare e impegnare l’attività di formazione dei pori.8 Poiché la cardiolipina si localizza principalmente nell’IMM, il macchinario di fusione / fissione regola anche il MOMP mediato da BAX creando l’ambiente lipidico appropriato nei siti di contatto con DRP-1 o Fis-1? Endophilin B1, una transferasi del lipido, interagisce con BAX e può servire a ridistribuire i lipidi di IMM per contattare i siti per l’attivazione efficiente di BAX (e per estensione, BAK).55, 56 Se questa attività è richiesta, l’endofilina B1 può servire da regolatore in buona fede di MOMP poiché la sua funzione necessaria può essere soggetta a dinamiche mitocondriali ed energetiche. Il problema è se la regolazione dell’endofilina B1 aiuti o meno a determinare se e quando si verificherà MOMP.