membrii familiei proteice BCL-2 se disting prin prezența a până la patru domenii omologice BCL-2 diferite (desemnate BH1–4).6 În general, cele care conțin toate cele patru domenii (BCL-2, BCL-xL și MCL-1) sunt antiapoptotice, în timp ce cele care conțin mai puțin sunt proapoptotice (Figura 2). Grupul proapoptotic poate fi împărțit în continuare în două grupuri, multidomeni sau membri BH123, cum ar fi BAX și BAK, și proteine numai BH3, inclusiv BID, BIM și PUMA, printre altele. Proteinele BCL-2 proapoptotice multidomain, BAX și BAK, sunt exprimate constitutiv și induc MOMP numai în urma stimulilor apoptotici, sugerând că sunt inactivi în celulele nonapoptotice.7, 8 activarea de către anumite proteine numai BH3 este necesară pentru ca BAX sau BAK să oligomerizeze și să se introducă stabil în OMM, o condiție prealabilă importantă pentru MOMP (spre deosebire de BAX citosolic, BAK este constitutiv mitocondrial; dar, ca BAX, se introduce în membrană numai la activare). Korsmeyer și colegii săi au demonstrat că celulele de la șoareci care nu au atât bax, cât și bak sunt rezistente la o gamă largă de insulte proapoptotice subliniind importanța acestor proteine în calea mitocondrială.9 Acest lucru este evidențiat și de studiile recente privind celulele dublu-knockout bax/bak lipsite de factori de creștere, în care supraviețuirea este menținută prin autofagie marcată din cauza absenței MOMP.10 Acest lucru sugerează că, atunci când permeabilizarea este inhibată, celulele răspund prin menținerea unui nivel minim de supraviețuire pentru a fi salvate în cazul factorului de creștere sau al re-adăugării nutrienților. Astfel, în absența multidomenelor și, prin urmare, MOMP, programul celular implicit este de a susține viabilitatea.
familia de proteine BCL-2. Familia de proteine BCL-2 este împărțită în membri antiapoptotici și proapoptotici. Membrii antiapoptotici includ BCL-2, BCL-xL, A1, MCL-1 și BCL-w și conțin patru domenii de omologie BCL–2 (desemnate BH1-4). Multidomeniile proapoptotice (BAX, BAK și BOK) conțin domenii BH1–3. Proteinele numai BH3 sunt diverse din punct de vedere structural și conțin un singur domeniu conservat, BH3. Spiralele alfa ale fiecărei proteine sunt desemnate și regiunile conținute în fiecare domeniu BH sunt ilustrate prin linii îndrăznețe sub fiecare proteină. Domeniul transmembranar carboxil-terminal hidrofob (TM) al fiecărei proteine se bazează pe predicții in silico și/sau date structurale și nu este neapărat prezent în fiecare membru
pentru a induce moartea, proteinele multidomain proapoptotice trebuie activate de proteinele numai BH3 (figura 3a). Recent a apărut o ipoteză conform căreia membrii familiei de proteine numai BH3 pot fi împărțiți în două grupuri distincte: ‘activatori direcți ‘care activează direct BAX sau BAK (figura 3b) și’ dezpresori ‘(sau’ sensibilizatori’) care permit activarea BAX sau BAK prin sechestrarea proteinelor antiapoptotice precum BCL-xL sau MCL-1 și permițând eliberarea ulterioară a activatorilor direcți inhibați anterior (figura 3c).7, 11 dovezile sugerează că proteinele numai BH3, BID și BIM, acționează prin asocierea cu BAX și BAK, dar acest lucru pare a fi tranzitoriu, deoarece nu este detectabil în absența detergentului. Cu toate acestea, proteinele antiapoptotice, BCL-2, MCL-1 și BCL-xL, inhibă această interacțiune prin legarea la BID și BIM. Ceilalți membri ai familiei numai BH3 (de exemplu, Noxa, BMF, HRK, BAD și BIK) nu pot activa direct BAX și BAK, dar se pot lega la BCL-xL, BCL-2 și/sau MCL-1 în diferite grade. Modelul activator direct / de-represor sugerează că ultimele proteine eliberează BID și BIM de la partenerii lor antiapoptotici, permițând activarea BAX și BAK într-o manieră indirectă. Cu toate acestea, o altă interpretare a acestor rezultate este că proteinele numai BH3 funcționează pentru a antagoniza membrii familiei ANTIAPOPTOTICE BCL-2, mai degrabă decât să angajeze BAX sau BAK.12 această noțiune explică de ce sunt necesare combinații ale proteinelor numai BH3 pentru a induce moartea celulară, deoarece fiecare demonstrează selectivitatea în legarea țintelor de prosurvival. Este important să rețineți că majoritatea literaturii de proteine numai BH3 se bazează pe date derivate utilizând numai peptida BH3 a proteinei corespunzătoare și nu pe o proteină de lungime întreagă, relevantă din punct de vedere biologic. Similar cu o proteină numai BH3, p53 poate funcționa pentru a activa direct BAX, în timp ce a fost descris și pentru a se lega de BCL-xL și BCL-2 similar cu o proteină numai BH3 de-represoare.13, 14, 15 important, deoarece au fost descrise doar trei proteine Activatoare directe (BID, BIM și p53), alte proteine pot avea, de asemenea, această funcție(funcții).
două mecanisme de activare multidominală proapoptotică de către proteinele numai BH3. (a) Central pentru MOMP este activarea și oligomerizarea BAX sau BAK. Aceste proteine, odată activate de o proteină numai BH3, sunt cele care creează pori în OMM care permit eliberarea proteinelor intramembrane în citosol. (b) activator direct numai BH3 proteine, de exemplu, BIM și BID, poate induce oligomerizarea și activarea BAX sau BAK în absența altor proteine. Printr-o interacțiune tranzitorie cu BAX sau BAK, activatorul direct numai BH3 proteine (BID este prezentat în acest exemplu), sau peptide derivate din regiunea BH3, induc MOMP și eliberarea citocromului C. (c) un subset de proteine numai BH3, de-represoarele, nu pot induce activarea BAX sau BAK singur. În acest scenariu, o proteină Activatoare directă numai BH3 este sechestrată de o proteină Bcl-2 antiapoptotică. În urma stresului, o proteină de-represoare numai BH3 este indusă, fie prin reglare ascendentă transcripțională, fie prin modificare post-translațională, iar această proteină se leagă apoi de o proteină Bcl-2 antiapoptotică care promovează eliberarea unei proteine numai BH3 activator direct sechestrat. În acest exemplu, BIM este sechestrat de BCL-xL, iar inducerea BAD permite eliberarea BIM pentru a angaja MOMP
astfel, se pare că există o serie de verificări și solduri în citosol, unde activarea proteinelor multidomain proapoptotice nu necesită doar un activator direct numai proteina BH3, ci și reprimarea proteinei antiapoptotice membrii familiei Bcl-2 prin proteine suplimentare numai BH3 (poate și prin reglarea transcripțională sau degradarea îmbunătățită a proteinelor). Deci, ce constituie pasul de angajament care, odată făcut, va duce la MOMP? Este activarea BAX / BAK sau inducerea funcției proteice numai BH3? Proteinele numai BH3 devin activate ca răspuns la diferiți stimuli specifici fiecărui membru al familiei și, prin urmare, regulatorii lor servesc drept senzori primari pentru stresul celular. BID este activat la scindare de caspaza-8, granzyme B și mai slab de caspaza-2 și -3 și este angajat ca răspuns la stimularea receptorilor de moarte, uciderea limfocitelor T citotoxice și, respectiv, șocul termic.16, 17, 18, 19, 20, 21 BIM, pe de altă parte, este ținut inactiv în celulă prin legarea la lanțul ușor dinein-1 (DLC1) și poate activa multidomenii numai la eliberarea din citoschelet.22 alte proteine numai BH3, cum ar fi BAD, sunt activate prin defosforilare, în timp ce PUMA și Noxa sunt reglate transcripțional de p53 și de alți stimuli proapoptotici.23, 24 în prezența proteinelor ANTIAPOPTOTICE BCL-2, activarea unei proteine Activatoare directe numai BH3 nu este în general considerată suficientă pentru a induce MOMP, deoarece va fi sechestrată de proteine antiapoptotice și, prin urmare, este necesară și una sau mai multe dintre proteinele de-represoare numai BH3. Prin urmare, este probabil ca aceiași stimuli care activează BID sau BIM să activeze și proteine colaterale de-represoare numai BH3. De exemplu, BMF se leagă și de complexele motorii de miozină (DLC2) și astfel poate detecta modificări citoscheletice similare cu BIM.25 cu toate acestea, activarea proteinelor numai BH3 nu este probabil suficientă pentru a se asigura că fiecare celulă va iniția MOMP. Acest lucru este cu siguranță cazul în multe tipuri de cancer uman în care BCL-2 este supraexprimat, conferind rezistență la chimioterapie.26 este probabil ca mai multe cascade de semnalizare să fie necesare pentru inițierea MOMP, probabil prin eforturile combinate de reglare transcripțională și Modificare complexă post-translațională (clivaj, fosforilare etc.). Având în vedere complexitatea și ireversibilitatea MOMP, sugerăm că activarea neîngrădită a BAX sau BAK este angajamentul final pentru moartea celulelor.
MOMP: (cum) sunt mitocondriile implicate cu adevărat?
prin definiție, MOMP apare în OMM, dar acest lucru nu ne permite o explicație a modului în care apare. Există diferite moduri în care mitocondriile își pot regla propria permeabilizare și acestea provin fie din IMM, fie din OMM.
membrana interioară
membrana interioară poate provoca sau controla MOMP prin implicarea porilor de tranziție de permeabilitate mitocondrială (MPT).27 porul mPT este un complex compus din mai multe proteine diferite, inclusiv vdac (canalul anionic dependent de tensiune), ANT și ciclofilina D (cypD), care acoperă IMM-urile și Omm-urile în care ANT se află pe membrana interioară și VDAC se află pe membrana exterioară (figura 4a). Deschiderea acestui por permite un aflux de ioni și alte molecule mici în matricea mitocondrială provocând umflarea matricei, inducând ruperea OMM și astfel MOMP. Porul mPT a fost implicat ca fiind responsabil pentru MOMP în anumite scenarii, inclusiv condiții de stres ER sau ROS. S-a propus ca în timpul apoptozei induse de stresul ER, Ca2+ este eliberat din ER și este preluat de mitocondrii rezultând eliberarea citocromului c și apoptoza. Eliberarea citocromului C indusă de Ca2+din mitocondrii a apărut în absența BAX și BAK (deși BAX și BAK pot funcționa pentru a controla eliberarea Ca2+ din ER) sugerând implicarea porilor mPT.28 Cu toate acestea, în condiții fiziologice, cantitatea de calciu eliberată din ER nu este suficientă pentru a induce mPT în mitocondrii, ceea ce duce la presupunerea că MPT indusă de Ca2+apare în acele mitocondrii care sunt proximale ER. Dacă da, atunci MOMP ar trebui să apară numai în aceste setări într-un mic subset de mitocondrii, o predicție care nu este susținută de observațiile directe ale citocromului C release29, 30 (observații nepublicate).
(a) Reprezentarea schematică a modelului porilor mPT. Porul MPT ipotetic este format din VDAC, ANT și o serie de alte proteine. Deschiderea porilor permite un aflux de apă și ioni în matrice inducând umflarea și ruperea OMM și, cel mai probabil, duce la necroză. S-au sugerat diverse proteine pentru a regla mPT, inclusiv hexokinaza (HK) și PBR. (b) alte proteine au fost sugerate pentru a regla MOMP, în special formarea porilor BAX (sau BAK), inclusiv VDAC2 și proteine care reglează fisiunea și fuziunea mitocondrială. Mai mult, componentele mitocondriale pot induce independent MOMP, inclusiv ROS produs de lanțul de transport al electronilor, ceea ce poate provoca deschiderea porilor mPT, dar în egală măsură poate induce apoptoza prin activarea proteinelor numai BH3 în citoplasmă
recent, o serie de modele genetice au pus sub semnul întrebării importanța mPT ca inductor general al MOMP. ANT pare a fi dispensabil, deoarece șoarecii lipsiți de ANT pot suferi încă mPT, în timp ce celulele cărora le lipsește cypD (prin urmare, nu au mPT) nu au prezentat nicio diferență în Ca2+-indusă sau o varietate de alte forme de apoptoză, deși necroza indusă de Ca2+a fost defectă.31, 32, 33 aceste rezultate de la șoarecii Ppif KO (gena care codifică cypD) sugerează că mPT poate să nu fie necesară în timpul apoptozei (cel puțin în majoritatea cazurilor) și apare în timpul ischemiei și necrozei induse de ROS; cu toate acestea, rolul și mecanismul morții rămân necunoscute.31 În plus, întrucât mPT este foarte sensibil la temperatură, eliberarea coordonată a citocromului c la temperaturi diferite argumentează împotriva oricărui tip de reacție în lanț a mPT.5, 29 luate împreună, aceste date sugerează că porul mPT, deși important pentru moartea necrotică, poate să nu fie necesar pentru MOMP care apare în timpul apoptozei mitocondriale (figura 4a).
membrana interioară poate controla alternativ MOMP prin reglarea OXFOS (fosforilarea oxidativă), care la rândul său reglează potențialul transmembranar mitocondrial (centimetrul).34 menținerea Mmcvm este necesară pentru o varietate de funcții mitocondriale, inclusiv importul de proteine, producția de ATP și reglarea transportului metaboliților. Debutul MOMP este adesea asociat cu o pierdere de Centimetrie, dar această pierdere de Centimetrie induc Momp sau apare ca urmare a centimetriei? Perturbarea acestui factor cauzat de reducerea incompletă a oxigenului molecular în timpul oxphos duce la generarea de ros care declanșează momp, dar acest lucru poate apărea printr-o interacțiune a ros cu senzori citosolici încă neidentificați. Într-adevăr, ROS care este generat în timpul apoptozei este adesea cauzat de scindarea dependentă de caspază a unei subunități a complexului i al lanțului respirator și, prin urmare, poate fi mai degrabă un produs secundar al MOMP decât cauzal.34, 35 În caz contrar, nu există nici o dovadă convingătoare că pierderea de centimetrul direct induce momp, și oxphos poate continua în mod clar după momp, deoarece, în absența activării caspazei, nu numai că poate fi regenerat, dar celulele, de asemenea, poate menține producția de ATP.34, 35, 36
membrana exterioară
dovezi convingătoare că membrana interioară (și într-adevăr matricea) nu este necesară pentru MOMP și că MOMP necesită doar OMM au fost furnizate de Kuwana și colab.8 folosind o abordare reducționistă pentru a diseca cerințele pentru MOMP, au demonstrat că veziculele unilamelare formate din lipidele prezente în membrana mitocondrială eliberează conținutul lor în prezența BAX activat. Utilizarea lipozomilor definiți și a proteinelor din familia BCL-2 recombinante aici poate reprezenta mitocondrii simplificate, sugerând că singura cerință mitocondrială pentru eliberarea proteinelor spațiului intermembranar este cardiolipina, o lipidă specifică membranelor mitocondriale. Deoarece nu sunt necesare alte proteine pentru eliberarea conținutului de lipozomi, aceste observații favorizează un mecanism al MOMP în care BAX activat (și/sau BAK) formează un Por în membrana lipidică pentru a permite eliberarea citocromului C. Cu toate acestea, acest sistem simplificat de lipozomi poate să nu reflecte cu exactitate complexitatea procesului de permeabilizare așa cum apare în OMM nativ și anumiți stimuli pot necesita proteine OMM pentru a permite formarea porilor BAX/lipidici. În absența detergentului, BAX necesită membrane (lipozomi sau mitocondrii care conțin cardiolipină) pentru a oligomeriza și activa, iar dovezile sugerează că BCL-xL va inhiba BAX numai în prezența membranelor lipidice similare.8 cu toate acestea, importanța cardiolipinei în acest proces este, de asemenea, controversată. În drojdie, cardiolipina nu pare a fi necesară pentru moartea indusă de BAX.37 În plus, prezența sau cantitatea exactă de cardiolipină în OMM nu este cunoscută și poate fi prezentă, în cel mai bun caz, la niveluri foarte scăzute. Experimentele de colorare Immunogold sugerează că cardiolipina din membrana exterioară este concentrată la punctele de contact dintre IMM și OMM unde se propune legarea BAX/BID și, probabil, concentrația locală de cardiolipină la aceste site-uri poate fi suficient de mare pentru a permite legarea acestor proteine.38, 39 alternativ, pot exista proteine OMM care concentrează cardiolipina, permițând introducerea BAX activat și/sau BAK în OMM pentru a media MOMP.
există două niveluri suplimentare de reglare potențială care există în contextul fiziologic al unui OMM intact (figura 4b). În primul rând, proteinele asociate cu OMM, pe lângă membrii familiei BCL-2 pot regla direct MOMP; și în al doilea rând, probabil proteine suplimentare asociate cu OMM, de asemenea, pe lângă membrii familiei BCL-2, participă la MOMP, dar nu reglează procesul. De exemplu, multe dintre proteinele care au fost descrise pentru a regla porii mPT au, de asemenea, pretenții de a participa suplimentar la MOMP. Aici apare o diferență subtilă și, probabil, un aspect trecut cu vederea al MOMP. Deși există numeroase proteine în OMM, cele mai multe dintre acestea nu sunt necesare pentru ca BAX sau BAK să permeabilizeze mitocondriile. Veziculele cu membrană exterioară preparate din mitocondrii se permeabilizează la tratamentul cu tBID similar mitocondriilor intacte; aceasta trebuie să fie independentă de funcția porilor mPT, deoarece acestea sunt lipsite de constituenți ai membranei interioare mitocondriale.8 Cu toate acestea, mai multe proteine la OMM sunt speculate pentru a regla permeabilizarea mediată de BAX sau BAK din cauza unei asocieri demonstrate cu ultimele proteine. De exemplu, BCL-2, BCL-xL, BAK și BAX s-au dovedit a lega vdac, deși trebuie remarcat faptul că, deoarece VDAC este cea mai abundentă proteină a OMM, legarea poate să nu fie fiziologică.40, 41, 42, 43 mai precis, Korsmeyer și colegii săi au sugerat că VDAC2 inhibă activarea BAK prin menținerea BAK ca monomer în OMM (figura 4b).44 deși acest lucru poate fi cazul, VDAC2 nu poate lua decizia de a activa sau inactiva BAK, deoarece în acest scenariu este un răspuns al semnalului citosolic la stresul celular, cel mai probabil o proteină numai BH3, care perturbă asocierea VDAC2-BAK.44
în mod similar, s-a sugerat că receptorul benzodiazepinic periferic (PBR) blochează MOMP.45, 46 această proteină membranară integrală interacționează funcțional cu porul mPT și este un inhibitor sugerat al MOMP. Cu toate acestea, cerințele pentru moartea celulară încă nu se schimbă, atât stresul celular, cât și proteinele numai BH3 sunt necesare, deoarece simpla inhibare farmacologică sau întreruperea activității PBR nu este suficientă pentru ca mitocondriile să transmită un semnal proapoptotic; și utilizarea inhibitorilor cu siguranță poate să nu reflecte funcțiile fiziologice ale acestor proteine.46 astfel de proteine (de exemplu, VDAC1 / 2 și PBR) se pot asocia cu numeroase proteine BCL-2, dar semnalul pentru MOMP nu poate proveni din mitocondrii; celula trebuie să genereze un mesaj proapoptotic care să se alimenteze înainte (detecție celulară la stres, răspuns celular, răspuns celular, activare a proteinelor numai BH3, activare BAX/BAK, activare momp) la suprafața mitocondrială pentru a regla aceste interacțiuni.
o descriere a unei astfel de situații în avans ia în considerare rolul AKT și al hexokinazei I/II în prevenirea eliberării citocromului c în anumite căi de supraviețuire. Activitatea AKT pare să fie necesară pentru a echilibra cerințele pentru absorbția glucozei și transportul ulterior al metaboliților atât în IMM, cât și în OMM, prin reglarea directă a expresiei și localizării hexokinazei pe OMM.47, 48 interesant, activitatea AKT a crescut masa hexokinazei pe suprafața mitocondriilor, care sa demonstrat că influențează dramatic activitatea canalului VDAC.47 când celulele au fost tratate cu agenți care au perturbat asocierea hexokinază–mitocondrii, eliberarea accelerată a citocromului C a avut loc numai după stres proapoptotic suplimentar.47 În plus, a fost raportată o reducere a translocării BAX în timpul cazurilor de asociere forțată hexokinază–mitocondrială în timpul stresului.47 împreună, acest lucru indică faptul că simpla îndepărtare a hexokinazei din OMM nu este suficientă pentru a induce MOMP, deoarece celulele încă nu eliberează citocromul c în absența stresului și că semnalul de recrutare a BAX către OMM trebuie să provină în afara mitocondriilor, indiferent de participarea hexokinazei.
o altă clasă majoră de proteine care locuiesc în OMM este responsabilă pentru dinamica mitocondrială: proteinele de fuziune și fisiune (figura 4b). Dinamica mitocondrială este necesară pentru distribuirea mitocondriilor către celulele fiice după mitoză și pentru a se asigura că integritatea mitocondrială este păstrată pe măsură ce membranele mitocondriale se divid și fuzionează.49 există cel puțin patru proteine OMM care pot participa sau regla MOMP: DRP-1 (o Gtpază legată de dinamină), endofilina B1 (o transferază lipidică necesară pentru determinarea curburii membranei), Fis-1 (și proteină OMM integrală) și Fzo1/Mfn1 (o Gtpază transmembranară mare).50
până în prezent, s-a descris că BAX și BAK, la activare, se unesc cu focarele de sciziune mitocondrială care sunt compuse minim din DRP-1 și mitofusin-2 și că BAX poate interacționa fizic cu endofilina B1 în OMM; totuși, formele dominante-negative ale DRP-1, cum ar fi DRP-1k38a cu deficit de Gtpază, nu blochează translocarea BAX După activarea de către o proteină numai BH3.51, 52, 53 din nou, semnalul responsabil pentru promovarea translocării BAX la OMM este generat ca o consecință a stresului celular particular (adică setul activat de proteine numai BH3). Dar, care este scopul interacțiunii BAX/BAK cu această clasă de proteine? Aceste proteine participă pur și simplu ca puncte de andocare pentru BAX sau BAK sau există o reglementare activă a MOMP implicată? La activare, BAX trebuie să poată viza membrana intracelulară adecvată (adică OMM) pentru a angaja Cascada apoptotică și aceste proteine pot servi la ‘andocarea’ BAX la OMM. Dacă este adevărată, această interpretare nu ar putea fi extinsă pentru a include BAK, deoarece se află constitutiv în OMM. Cu toate acestea, probabil regulatori ai dinamicii mitocondriale (cum ar fi DRP-1 sau Fis-1) au evoluat pentru a participa la MOMP prin direcționarea acțiunii BAX și BAK către regiunea corespunzătoare a OMM, permițând activitatea lor de formare a porilor. În acest scenariu, interacțiunea propusă nu servește ea însăși la luarea deciziei celulare de a induce MOMP, dar este încă necesară. De asemenea, a fost raportată o interacțiune reciprocă în care membrii BCL-2 antiapoptotici au promovat remodelarea rețelei mitocondriale printr-o interacțiune mitofusin-2 care a dus la fuziunea mitocondrială și la scăderea sensibilității la moartea celulară.54 în acest scenariu, s-a arătat că CED-9, ruda Caenorhabditis elegans BCL-2, ar putea induce gruparea mitocondrială. Reorganizarea mitocondrială similară a fost indusă și de expresia forțată BCL-xL, sugerând că această activitate poate fi o funcție conservată a familiei BCL-2.54
Un alt aspect potențial al acestui scenariu se referă la cerința specifică de lipide pentru BAX (și, probabil, BAK) pentru a permeabiliza un OMM. După cum sa discutat mai devreme, datele in vitro sugerează că BAX necesită cardiolipină pentru a oligomeriza și a angaja activitatea de formare a porilor.8 deoarece cardiolipina se localizează în principal în IMM, mecanismul de fuziune/fisiune reglează, de asemenea, MOMP mediat de BAX prin crearea mediului lipidic adecvat la locurile de contact cu DRP-1 sau Fis-1? Endofilina B1, o transferază lipidică, interacționează cu BAX și poate servi la redistribuirea lipidelor IMM la locurile de contact pentru activarea eficientă a BAX (și, prin extensie, BAK).55, 56 dacă această activitate este necesară, atunci endofilina B1 poate servi ca regulator de bună credință al MOMP, deoarece funcția sa necesară poate fi ea însăși supusă dinamicii mitocondriale și energeticii. Problema este dacă reglementarea endofilinei B1 ajută sau nu vreodată să determine dacă și când va apărea MOMP.