medlemmar av BCL-2-proteinfamiljen kännetecknas av närvaron av upp till fyra olika Bcl–2-homologidomäner (betecknad BH1-4).6 generellt sett är de som innehåller alla fyra domänerna (BCL-2, BCL-xL och MCL-1) antiapoptotiska, medan de som innehåller mindre är proapoptotiska (Figur 2). Den proapoptotiska gruppen kan vidare delas in i två grupper, multidomäner eller BH123-medlemmar som BAX och BAK, och BH3-bara proteiner, inklusive BID, BIM och PUMA, bland andra. De multidomän proapoptotiska Bcl-2-proteinerna, BAX och BAK, uttrycks konstitutivt och inducerar endast MOMP efter apoptotiska stimuli, vilket tyder på att de är inaktiva i nonapoptotiska celler.7, 8 aktivering av vissa BH3-bara proteiner krävs för att BAX eller BAK ska oligomerisera och infoga stabilt i OMM, en viktig förutsättning för MOMP (till skillnad från cytosolisk BAX är BAK konstitutivt mitokondriell; men som BAX, sätter in i membranet endast vid aktivering). Korsmeyer och kollegor visade att celler från möss som saknar både bax och bak är resistenta mot ett brett spektrum av proapoptotiska förolämpningar som understryker vikten av dessa proteiner i mitokondriell väg.9 Detta framhävs också av nya studier i tillväxtfaktorberövade BAX / bak dubbel-knockout-celler där överlevnad upprätthålls av markerad autofagi på grund av frånvaro av MOMP.10 Detta tyder på att när permeabilisering hämmas svarar cellerna genom att upprätthålla en minimal överlevnadsnivå som ska räddas i händelse av tillväxtfaktor eller näringsämnestillsats. Således, i avsaknad av multidomäner, och därför MOMP, är standardcellprogrammet att upprätthålla livskraften.

för att inducera död måste proapoptotiska multidomänproteiner aktiveras av BH3-bara proteiner (figur 3a). En hypotes har nyligen framkommit att medlemmar i BH3-familjen av proteiner kan delas in i två distinkta grupper: ’direktaktivatorer’ som direkt aktiverar BAX eller BAK (figur 3b) och ’de-repressorer’ (eller ’sensibilisatorer’) som gör det möjligt att aktivera BAX eller BAK genom att sekvestrera antiapoptotiska proteiner såsom BCL-xL eller MCL-1 och möjliggöra efterföljande frisättning av tidigare inhiberade direktaktivatorer (figur 3C).7, 11 bevis tyder på att BH3-bara proteinerna, BID och BIM, verkar genom att associera med BAX och BAK, men detta verkar vara övergående eftersom det inte kan detekteras i frånvaro av tvättmedel. Ändå hämmar de antiapoptotiska proteinerna, BCL-2, MCL-1 och BCL-xL denna interaktion genom att binda till BID och BIM. De andra medlemmarna i BH3-familjen (t.ex. Noxa, BMF, HRK, BAD och BIK) kan inte aktivera direkt BAX och BAK, men kan binda till BCL-xL, BCL-2 och/eller MCL-1 i olika grader. Den direkta aktivatorn / de-repressormodellen föreslår att de senare proteinerna släpper BID och BIM från sina antiapoptotiska partners som möjliggör aktivering av BAX och BAK på ett indirekt sätt. En annan tolkning av dessa resultat är dock att BH3-bara proteiner fungerar för att motverka antiapoptotiska Bcl-2-familjemedlemmar, snarare än att engagera BAX eller BAK.12 denna uppfattning förklarar varför kombinationer av BH3-bara proteiner krävs för att inducera celldöd eftersom var och en visar selektivitet i bindande prosurvivalmål. Det är viktigt att notera att majoriteten av BH3-enbart proteinlitteraturen är baserad på data härledda genom att endast använda BH3-peptiden för motsvarande protein och inte på ett biologiskt relevant protein i full längd. I likhet med ett BH3-enda protein kan p53 fungera för att aktivera direkt BAX, medan det också har beskrivits för att binda till BCL-xL och BCL-2 som liknar ett de-repressor BH3-enda protein.13, 14, 15 viktigt, eftersom endast tre direktaktivatorproteiner har beskrivits (BID, BIM och p53), kan andra proteiner också ha denna funktion(er).

således verkar det finnas en serie kontroller och balanser i cytosolen där aktivering av proapoptotiska multidomänproteiner inte bara kräver en direkt aktivator BH3-bara protein utan också förtryck av antiapoptotiska proteiner som inte BCL-2 familjemedlemmar av ytterligare BH3-bara proteiner (kanske också genom transkriptionell nedreglering eller förbättrad proteinnedbrytning). Så, vad utgör det engagemangssteg som, när det väl tagits, kommer att resultera i MOMP? Är det aktiveringen av BAX / BAK eller induktionen av BH3-bara proteinfunktionen? BH3-only-proteinerna aktiveras som svar på olika stimuli specifika för varje familjemedlem, och därmed fungerar deras regulatorer som primära ’sensorer’ för cellulär stress. BID aktiveras vid klyvning av caspase-8, granzyme B och mer svagt av caspase-2 och -3 och är engagerad som svar på dödsreceptorstimulering, cytotoxisk t-lymfocytdödande respektive värmechock.16, 17, 18, 19, 20, 21 BIM, å andra sidan, hålls inaktiv i cellen genom bindning till dynein light chain-1 (DLC1) och kan endast aktivera multidomäner vid frisättning från cytoskelettet.22 andra BH3 – bara proteiner som BAD aktiveras genom defosforylering, medan PUMA och Noxa transkriberas transkriptionellt av p53 och andra proapoptotiska stimuli.23, 24 i närvaro av antiapoptotiska Bcl-2-proteiner anses aktivering av en direkt aktivator BH3-bara protein i allmänhet inte vara tillräcklig för att inducera MOMP eftersom det kommer att sekvestreras av antiapoptotiska proteiner, och därför krävs också en eller flera av de-repressor BH3-bara proteiner. Det är därför troligt att samma stimuli som aktiverar BID eller BIM också aktiverar säkerhetsde-repressor BH3-bara proteiner. Till exempel binder BMF också till myosinmotorkomplex (DLC2) och kan således detektera liknande cytoskeletala förändringar som BIM.25 Men aktivering av BH3 – bara proteiner är förmodligen inte tillräcklig för att säkerställa att varje cell kommer att initiera MOMP. Detta är verkligen fallet i många mänskliga cancerformer där BCL-2 är överuttryckt och ger resistens mot kemoterapi.26 Det är troligt att flera signalkaskader krävs för att initiera MOMP, kanske genom kombinerade ansträngningar av transkriptionsreglering och komplex post-translationell modifiering (klyvning, fosforylering etc.). Med tanke på momp: s komplexitet och irreversibilitet föreslår vi att obegränsad aktivering av BAX eller BAK är det ultimata engagemanget för celldöd.

MOMP: (hur) är mitokondrier verkligen involverade?

per definition förekommer MOMP i OMM, men det ger oss inte en förklaring av hur det inträffar. Det finns olika sätt på vilka mitokondrier kan reglera sin egen permeabilisering och dessa härrör från antingen IMM eller OMM.

det inre membranet

det inre membranet kan antingen orsaka eller kontrollera MOMP genom involvering av mitochondrial permeability transition (mPT) por.27 MPT-poren är ett komplex som består av flera olika proteiner inklusive VDAC (spänningsberoende anjonkanal), ANT och cyklofilin D (cypD), som spänner över IMMs och OMMs där ANT är på det inre membranet och VDAC är på det yttre membranet (figur 4a). Öppning av denna por möjliggör en tillströmning av joner och andra små molekyler i mitokondriell matris som orsakar svullnad i matrisen, vilket inducerar bristning av OMM och därmed MOMP. MPT-poren har varit inblandad som ansvarig för MOMP i vissa scenarier inklusive tillstånd av ER-stress eller ROS. Det har föreslagits att under ER-stressinducerad apoptos frigörs Ca2 + från ER och tas upp av mitokondrier vilket resulterar i cytokrom c-frisättning och apoptos. Ca2 + – inducerad cytokrom C-frisättning från mitokondrier verkade förekomma i frånvaro av BAX och BAK (även om BAX och BAK kan fungera för att kontrollera Ca2+ – frisättning från ER) vilket tyder på MPT-porinvolvering.28 under fysiologiska förhållanden är emellertid mängden kalcium som frigörs från ER inte tillräcklig för att inducera mPT i mitokondrier, vilket leder till antagandet att Ca2+-inducerad mPT förekommer i de mitokondrier som är proximala till ER. Om så är fallet bör MOMP endast ske i dessa inställningar i en liten delmängd av mitokondrier, en förutsägelse som inte stöds av direkta observationer av cytokrom C-frisättning29, 30 (opublicerade observationer).

nyligen har ett antal genetiska modeller ifrågasatt vikten av mPT som en allmän inducerare av MOMP. ANT verkar vara dispenserbar eftersom möss som saknar ANT fortfarande kan genomgå mPT, medan celler som saknar cypD (därför inte har någon mPT) visade ingen skillnad i Ca2+-inducerad eller en mängd andra former av apoptos, även om Ca2+-inducerad nekros var defekt.31, 32, 33 dessa resultat från Ppif KO-mössen (genen som kodar för cypD) antyder att mPT kanske inte krävs under apoptos (i de flesta fall åtminstone) och inträffar under ischemi och ROS-inducerad nekros; dock förblir rollen och mekanismen för död okänd.31 dessutom, eftersom mPT är mycket temperaturkänslig, argumenterar den samordnade frisättningen av cytokrom c vid olika temperaturer mot någon form av MPT-kedjereaktion.5, 29 sammantaget tyder dessa data på att mPT-poren, även om den är viktig för nekrotisk död, kanske inte är nödvändig för MOMP som inträffar under mitokondriell apoptos (figur 4a).

det inre membranet kan alternativt styra MOMP genom att reglera OXPHOS (oxidativ fosforylering), som i sin tur reglerar mitokondriell transmembranpotential (Kazakhm).34 bibehållandet av mitochondrial funktioner krävs för en variation av mitochondrial fungerar inklusive protein import, ATP produktion och reglering av metabolite transport. Uppkomsten av MOMP är ofta förknippad med en förlust av Xhamster, men inducerar denna förlust av hCG Momp eller uppstår det som ett resultat av momp? Störning av Sacr orsakad av ofullständig reduktion av molekylärt syre under oxphos leder till ROS generation som utlöser momp, men detta kan ske via en interaktion av ros med ännu oidentifierade cytosoliska sensorer. I själva verket orsakas ROS som genereras under apoptos ofta av caspasberoende klyvning av en underenhet av komplex i i andningskedjan och kan därför vara en biprodukt av MOMP snarare än orsakande.34, 35 annars finns det inga tvingande bevis för att förlust av Xhamster direkt inducerar MOMP, och oxphos kan tydligt fortsätta efter momp eftersom, i frånvaro av caspase-aktivering, inte bara kan extrahera, men cellerna kan också upprätthålla ATP-produktion.34, 35, 36

det yttre membranet

övertygande bevis för att det inre membranet (och faktiskt matrisen) inte är nödvändigt för MOMP och att MOMP endast kräver OMM har tillhandahållits av Kuwana et al.8 med hjälp av ett reduktionistiskt tillvägagångssätt för att dissekera kraven för MOMP visade de att unilamellära vesiklar bestående av lipiderna som finns i mitokondriemembranet frigör deras innehåll i närvaro av aktiverad BAX. Användningen av definierade liposomer och rekombinanta Bcl-2-familjeproteiner här kan representera ’förenklade’ mitokondrier, vilket tyder på att det enda mitokondriella kravet för frisättning av intermembran rymdproteiner är kardiolipin, en lipid som är specifik för mitokondriella membran. Eftersom inga andra proteiner krävs för att frigöra liposominnehållet, gynnar dessa observationer en mekanism av MOMP där aktiverad BAX (och / eller BAK) bildar en Por i lipidmembranet för att tillåta frisättning av cytokrom c. Emellertid kan detta förenklade liposomsystem inte exakt återspegla komplexiteten hos permeabiliseringsprocessen som den förekommer i den inhemska OMM och vissa stimuli kan kräva OMM-proteiner för att möjliggöra bildandet av BAX/lipidporen. I frånvaro av tvättmedel kräver BAX membran (kardiolipininnehållande liposomer eller mitokondrier) för att oligomerisera och aktivera, och bevis tyder på att BCL-xL endast hämmar BAX i närvaro av liknande lipidmembran.8 emellertid är betydelsen av kardiolipin i denna process också kontroversiell. I jäst verkar kardiolipin inte krävas för BAX-inducerad död.37 dessutom är närvaron eller den exakta mängden kardiolipin i OMM inte känd och den kan i bästa fall vara närvarande i mycket låga nivåer. Immunoguldfärgningsexperiment tyder på att kardiolipin i det yttre membranet koncentreras vid kontaktpunkterna mellan IMM och OMM där BAX/BID föreslås binda, och kanske den lokala koncentrationen av kardiolipin vid dessa ställen kan vara tillräckligt hög för att tillåta bindning av dessa proteiner.38, 39 Alternativt kan det finnas Omm-proteiner som koncentrerar kardiolipin, vilket möjliggör införande av aktiverad BAX och/eller BAK i OMM för att förmedla MOMP.

det finns ytterligare två nivåer av potentiell reglering som finns i det fysiologiska sammanhanget av en intakt OMM (figur 4b). För det första kan proteiner associerade med OMM, förutom Bcl-2-familjemedlemmar direkt reglera MOMP; och för det andra, kanske ytterligare proteiner associerade med OMM, även förutom Bcl-2-familjemedlemmar, delta i MOMP men reglerar inte processen. Till exempel har många av proteinerna som har beskrivits för att reglera mPT-poren också anspråk på att delta dessutom i MOMP. Det är här en subtil skillnad, och kanske förbisedd aspekt av MOMP uppstår. Även om det finns många proteiner i OMM, krävs de flesta av dessa inte för att BAX eller BAK ska permeabilisera mitokondrier. Yttre membranvesiklar framställda från mitokondrier permeabiliserar vid behandling med tBID som liknar intakta mitokondrier; detta måste vara oberoende av mPT-porfunktion eftersom dessa saknar mitokondriella inre membranbeståndsdelar.8 ändå spekuleras flera proteiner vid OMM för att reglera BAX eller BAK-medierad permeabilisering på grund av en demonstrerad association med de senare proteinerna. Till exempel har BCL-2, BCL-xL, BAK och BAX alla visat sig binda VDAC, även om det bör noteras att eftersom VDAC är det vanligaste proteinet i OMM, kan bindningen inte vara fysiologisk.40, 41, 42, 43 mer specifikt föreslog Korsmeyer och kollegor att VDAC2 hämmar bak-aktivering genom att bibehålla BAK som en monomer i OMM (figur 4b).44 även om detta kan vara fallet kanske VDAC2 inte fattar beslutet att aktivera eller inaktivera BAK eftersom det i detta scenario är ett cytosoliskt signalrespons på cellulär stress, troligen ett BH3-enda protein, som stör vdac2–BAK-föreningen.44

på samma sätt har det föreslagits att den perifera bensodiazepinreceptorn (PBR) blockerar MOMP.45, 46 detta integrerade membranprotein interagerar funktionellt med mPT-poren och är en föreslagen hämmare av MOMP. Ändå förändras kraven på celldöd fortfarande inte, både cellulär stress och BH3-bara proteiner är nödvändiga, eftersom enkel farmakologisk hämning eller störning av PBR-aktivitet inte är tillräcklig för mitokondrier att sända en proapoptotisk signal; och användning av hämmare kanske inte återspeglar de fysiologiska funktionerna hos dessa proteiner.46 sådana proteiner (t. ex. VDAC1 / 2 och PBR) kan associeras med många Bcl-2-proteiner, men signalen för MOMP kan inte härröra från mitokondrier; cellen måste generera ett proapoptotiskt meddelande som matar framåt (stressauguiscelldetekteringuguiscellresponsuguisaktivering av BH3-bara proteineruguisbax/BAK-aktiveringuguisbbomp) till mitokondriell yta för att reglera dessa interaktioner.

en beskrivning av en sådan feedforward-situation beaktar AKT och hexokinas I/II: s roll i förebyggandet av cytokrom C-frisättning i vissa överlevnadsvägar. AKT-aktivitet verkar krävas för att balansera kraven för glukosupptag och efterföljande metabolittransport över både IMM och OMM genom att direkt reglera uttrycket och lokaliseringen av hexokinas på OMM.47, 48 intressant nog ökade AKT-aktiviteten massan av hexokinas på ytan av mitokondrier, vilket har visat sig påverka dramatiskt VDAC-kanalaktivitet.47 när celler behandlades med medel som störde hexokinas–mitokondrier-föreningen inträffade accelererad cytokrom c-frisättning endast efter ytterligare proapoptotisk stress.47 dessutom har en minskning av BAX-translokation rapporterats under fall av påtvingad hexokinas–mitokondriell association under stress.47 tillsammans indikerar detta att enkelt avlägsnande av hexokinas från OMM inte är tillräckligt för att inducera MOMP eftersom cellerna fortfarande inte släpper ut cytokrom c i frånvaro av stress och att signalen för att rekrytera BAX till OMM måste härröra utanför mitokondrier oavsett hexokinasdeltagande.

en annan stor klass av proteiner som finns i OMM är ansvarig för mitokondriell dynamik: fusions-och fissionsproteinerna (figur 4b). Mitokondriell dynamik krävs för att distribuera mitokondrier till dotterceller efter mitos och säkerställa att mitokondriell integritet bevaras när mitokondriella membran delar sig och smälter samman.49 det finns minst fyra Omm-proteiner som potentiellt deltar i eller reglerar MOMP: DRP-1 (ett dynasinrelaterat Gtpas), endofilin B1 (ett lipidtransferas som krävs för bestämning av membrankurvatur), Fis-1 (och integrerat Omm-protein) och Fzo1/Mfn1 (ett stort transmembrant Gtpas).50

hittills har det beskrivits att BAX och BAK, vid aktivering, smälter samman med mitokondriella scission-foci som består minimalt av DRP-1 och mitofusin-2, och att BAX fysiskt kan interagera med endofilin B1 i OMM; ändå blockerar dominerande negativa former av DRP-1, såsom GTPAS-bristfällig DRP-1k38a, inte translokationen av BAX efter aktivering av ett BH3-enda protein.51, 52, 53 återigen genereras signalen som är ansvarig för att främja BAX-translokation till OMM som en följd av den speciella cellspänningen (dvs den aktiverade uppsättningen BH3-bara proteiner). Men vad är syftet med att BAX/BAK interagerar med denna klass av proteiner? Deltar dessa proteiner helt enkelt som dockningspunkter för BAX eller BAK, eller är det en aktiv reglering av MOMP involverad? Vid aktivering måste BAX kunna rikta in sig på lämpligt intracellulärt membran (dvs. OMM) för att engagera den apoptotiska kaskaden och dessa proteiner kan tjäna till att docka BAX till OMM. Om det är sant, kunde denna tolkning inte utvidgas till att omfatta BAK eftersom den är konstitutivt bosatt i OMM. Ändå har kanske regulatorer av mitokondriell dynamik (såsom DRP-1 eller Fis-1) utvecklats för att delta i MOMP genom att rikta BAX och baks verkan till lämplig region i OMM som möjliggör deras porbildande aktivitet. I detta scenario tjänar den föreslagna interaktionen inte själv till att fatta det cellulära beslutet att inducera MOMP, men det krävs fortfarande. En ömsesidig interaktion har också rapporterats där antiapoptotiska Bcl-2-medlemmar främjade ombyggnad av mitokondriellt nätverk via en mitofusin-2-interaktion som resulterade i mitokondriell fusion och minskad känslighet för celldöd.54 i detta scenario visades det att CED-9, Caenorhabditis elegans Bcl-2 relativ, kunde inducera mitokondriell kluster. Liknande mitokondriell omorganisation inducerades också av verkställt Bcl-xL-uttryck, vilket tyder på att denna aktivitet kan vara en bevarad funktion av BCL-2-Familjen.54

en annan potentiell aspekt av detta scenario avser det specifika lipidkravet för BAX (och förmodligen BAK) att permeabilisera en OMM. Som diskuterats tidigare tyder in vitro-data på att BAX kräver kardiolipin för att oligomerisera och engagera porbildande aktivitet.8 eftersom kardiolipin främst lokaliseras i IMM, reglerar fusions – / fissionsmaskinen också BAX-medierad MOMP genom att skapa lämplig lipidmiljö vid kontaktplatserna med DRP-1 eller Fis-1? Endofilin B1, ett lipidtransferas, interagerar med BAX och kan tjäna till att distribuera IMM-lipider till kontaktställen för effektiv aktivering av BAX (och i förlängning BAK).55, 56 om denna aktivitet krävs, kan endofilin B1 fungera som en bona fide regulator för MOMP eftersom dess nödvändiga funktion i sig kan vara föremål för mitokondriell dynamik och energi. Frågan är huruvida reglering av endofilin B1 någonsin hjälper till att avgöra om och när MOMP kommer att inträffa.