Митохондриальный путь апоптоза

Главная страница
Контакты

    Главная страница



Митохондриальный путь апоптоза



страница5/15
Дата12.01.2017
Размер2.31 Mb.
ТипОтчет


1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   15

1.4.1.2 Митохондриальный путь апоптоза

Апоптоз инициируется, когда клетка подвергается стрессу (отсутствие факторов роста, гипоксия, облучение) или при активации рецепторов клеточной гибели (например Fas). Такие стимулы клеточной гибели усиливаются путем активации большого числа механизмов сигнальной трансдукции, которая приводит к посттрансляционным изменениям или индукции транскрипции BH3-протеинов – внутриклеточный этап чувствительности [McDonnel J. 1996]. Большинство BH3-протеинов (Bim, Bad, PUMA, Nix; EGL-1 аналоги) олигомеризуются с антиапоптотическими Bcl-2-подобными протеинами (CED-9 аналоги), освобождая проапоптотические мультидоменные Bcl-2 белки (Bax-подобные, Drob1-аналоги) для вхождения в митохондрии после реолигомеризации [Liu X.-H. 1999; Lock R.B. 2000; Marani M. 2002]. Некоторые ВН3-протеины (например, Bid) напрямую олигомеризуются с Bax-подобными протеинами для облегчения вхождения в митохондрии. Митохондриальные взаимодействия затем приводят к высвобождению множества факторов апоптоза, включая Smac/DIABLO, Cyto c (цитохром с), Endo-G (эндонуклеаза G), фактор индукции апоптоза (AIF) и Omi в цитозоль. Smac/DIABLO (Hid, Grim и Reaper) нейрализуют IAP, Endo-G расщепляет ДНК, AIF и Omi гидролизуют белки и\или катализируют аспад ДНК. Освобождение цитохрома с облегчает образование апоптосомы, многомерного белкового комплекса, состоящего из Apaf-1 (CED-4/Dapaf-1 аналог) и каспазы 9. В отсутствие летальных стимулов IAP блокируют образование апоптосомы и активность каспазы-3. Если апоптосома формируется, она активирует эффекторные прокаспазы (CED-3 и drICE аналоги), такие как прокаспаза-3, образуя активные ферменты, расщепляющие белки-мишени в клетках, способствуя апоптозу. У позвоночных существует 2 модели, объясняющие каким образом эффекторные каспазы активируются после связывания рецепторов клеточной гибели. В некоторых клетках процессы в митохондриях являются этапом, усиливающим распад клетки путем формирования апоптосомы (2 тип), а в других (тип 1) этого этапа нет.

Точная роль высвобождения цитохрома с из митохондрии стала известна, когда аналог CED-4 позвоночных, Apaf-1 (апоптотический протеаза-активирующий фактор-1) был клонирован и функционально охарактеризован как часть тримерного белкового комплекса, состоящего из Apaf-1, Apaf-2 (цитохром с) и Apaf-3 (прокаспаза-9). Сегодня установлено, что индукция высвобождения цитохрома с из митохондрий проапоптотическими белками семейства Bcl-2 вызывает конформационные изменения [Liu X.-H. 1999; Lock R.B. 2000; Marani M. 2002]. Apaf-1, формируя каспазный домен (CARD). CARD Apaf1 затем взаимодействует с CARD неактивированного каспаза-9-зимогена. Результатом этого взаимодействия является формирование олигомеров прокаспазы-9, которые в свою очередь путем ауто- и транскатализа образуют протеолитический комплекс, называемый апоптосомой. После процессинга и полной активации каспаза-9 служит конечным ферментом протеолитического каскада, включающего в себя активацию множества эффекторных каспаз, осуществляющих апоптоз. С этой точки зрения, значение Apaf-1 у позвоночных заключается в связывании функционирования белков семейства Bcl-2 с активацией каспаз [Liu X.-H. 1999; Lock R. B. 2000; Marani M. 2002]. Каспазы расщепляют ключевые белки клетки, необходимые для поддержания ее функций и гомеостаза. Решение о выборе апоптоза принимается после последней проверки, убеждающей в том, что клетка должна быть уничтожена. Одним возможным механизмом предотвращения клеточной гибели является предотвращение активации каспазного каскада [Krueger A. 1997; Inohara N. 1999]. Антиапоптотические протеины IAP, включающие в себя сюрвивин, ливин, Bruce, нейрональный IАР (NIAP), XIAP, IAP1, IAP2 у млекопитающих, способны предотвращать каспазный каскад за счет своей способности связывать и инактивировать некоторые каспазы. Каждый IAP содержит как минимум 2 независимых функциональных участка, называемых домены бакуловирусных последовательностей IAP (BIR). Среди известных IAP XIAP уникален в своей способности селективно связываться и инактивировать каспазу-9 за счет своего BIR3-домена; однако он также может связывать и нарушать активность каспазы-3 с помощью связывающего участка между BIR доменами 1 и 2. Значение этого заключается в возможности как минимум временного предотвращения апоптоза на уровне апоптосомы (каспаза-9) или вне ее (каспаза-3) [Eskes R. 2000].

Однако в клетках, подвергающихся апоптозу, защита IAP может быть преодолена как минимум двумя механизмами. Первый – белок Smac (вторичный митохондриальный активатор каспазы) и DIABLO (прямой IAP-связывающий протеин) – взаимодействует с BIR-доменом IAP в районе его N-конца. Связывая IAP, Smac/DIABLO либо перемещают активированные каспазы, либо предотвращают связывание их с IAP, таким образом активируя каспазозависимый протеолиз и клеточную гибель [Adrain C. 2001]. Например, было показано, что Smac/DIABLO связываются с XIAP и предотвращают его взаимодействие с каспазой-9, что приводит к быстрому апоптозу под воздействием ультрафиолетового облучения. Второй механизм выведения антиапоптотических протеинов постмитохондриальной проверки – убиквитин-протеосомальный сигнальный путь. Каталитические механизмы, задействованные в этом процессе, активируются самими IAP, поскольку некоторые IAP обладают Е3-убиквитин-лигазной активностью [Северин С.Е. 1998].


1.4.1.3 Сфингомиелиновый сигнальный путь

Поскольку сфинголипиды традиционно рассматриваются как структурные компоненты клеточной мембраны, их метаболизм, приводящий к образованию церамида, сфингозина и сфингозин-1-фосфата (S1P), участвует в регуляции различных клеточных процессов. Церамид, вторичный мессенджер остановки клеточного цикла и апоптоза, может образовываться в клетках из сфингомиелина клеточной мембраны под воздействием сфингомиелиназы или путем синтеза de novo. Церамид в дальнейшем может изменяться под воздействием церамидаз в сфингозин, вторичный мессенджер, способный подавлять активность протеинкиназы С и активировать апоптоз. В отличие от проапоптотических свойств церамида и сфингозина, S1P, образующийся при фосфорилировании сфингозина сфингозинкиназой, признан сигнальной молекулой для клеточной пролиферации, роста и выживания[Arends M.J. 1991; Basanez G. 2001; Chen Z. 1996; Cohen G.M. 1997].

Идентифицированы некоторые механизмы, за счет которых накопление церамида ведет к апоптозу или остановке роста, в двух из них задействованы взаимодействия между МАРК и PI3-K/Akt – сигнальными путями. Например, церамид, вырабатываемый в ответ на различные стрессовые сигналы, такие как цитокиновые атаки или радиация, активирует стресс-активированная протеинкиназа (SAPK)/JNK-каскад. Церамид может также напрямую противодействовать PI3-K/Akt сигнальному муханизму выживания клетки, возможно путем активации фосфатазы или путем функциональной секвестрации антиапоптотических киназ в липидных микродоменах. Церамид также индуцирует протеолитическую деградацию Akt. Как обсуждалось ранее, потеря PI3-K/Akt-активности в результате всех этих эффектов церамида может привести к снижению фосфорилирования и активации некоторых ключевых регуляторов апоптоза. Избыточная экспрессия Akt может снижать продукцию церамида и блокировать церамид-индуцированный апоптоз.

Проапоптотическое действие церамида может также затронуть митохондрии путем дестабилизации их мембран или высвобождения апоптогенных факторов из их органелл. Церамид может усилить Bax-индуцированню проницаемость мембраны и привести к формированию пор, достаточных по размеру для высвобождения митохондриальных ионов и даже небольших белков, таких как цитохром с. Хотя эти неспецифические церамидные поры возможно прямо не влияют на высвобождение цитохрома с, они могут повышать проницаемость наружной мембраны митохондрий во время апоптоза. Церамид, образующийся во внешнем слое клеточной мембраны, вызывает полярное перераспределение и олигомеризацию («образование шапки») рецептора Fas [Arends M.J. 1991, Basanez G. 2001]. В этом случае на цитоплазматической поверхности клетки формируется суперкаталитический домен, могущий служить усиливающим этапом, необходимым для Fas-опосредованного апоптоза.

Хотя церамид – это важная составляющая апоптотического ответа на стресс, он также служит в качестве предшественника синтеза антиапоптотического сигнального липида, S1P. Метаболическая конверсия церамида в S1P служит молекулярным переключателем, снижающим восприимчивость клетки к летальным факторам. Несмотря на наши представления о том, как церамид провоцирует развитие апоптоза, сравнительно немного известно о механизмах действия S1P. Понимание осложнено также таким фактом, что этот липид может служить сигналом как внутри, так и снаружи клетки [Arends M.J. 1991; Basanez G. 2001; Chen Z. 1996; Cohen G.M. 1997]. Снаружи S1P служит лигандом для рецепторов гена дифференцировки эндотелия (EDG) – семейства G-протеин парных рецепторов, экспрессирующихся на плазматической мембране большинства клеток. 5 EDG-рецепторов, связывающих S1P с наибольшей аффинностью, идентифицированы: EDG1/S1P1, EDG5/S1P2, EDG3/S1P3, EDG6/S1P4, EDG8/S1P5. С другой стороны S1P известен как внутриклеточный вторичный мессенджер, блокирующий апоптоз. Хотя имеется немного информации относительно механизмов этого последнего эффекта, некоторые факты известны. Во-первых, S1P взаимодействует (или напрямую активирует) с антиапоптотическими сигнальными путями (NFkB, ERK). Во-вторых, введение S1P в лимфоциты снижает экспрессию представителя проапоптотического семейства Bcl-2 - Bax, блокируя апоптоз [Liu X.-H. 1999; Lock R.B. 2000; Marani M. 2002]. В-третьих, S1P может оказывать свое антиапоптотическое действие, предотвращая стресс-индуцированные процессы в митохондриях (например, S1P блокирует высвобождение цитохрома с и Smac/DIABLO из митохондрий, предотвращая каскад каспазы). Наконец, S1P блокирует апоптоз в эндотелиальных клетках, повышая продукцию оксида азота.

Понимание метаболизма сфинголипидов и тщательная оценка уровня эндогенных биоактивных сфинголипидов в клетке – необходимы, поскольку эти вторичные мессенджеры служат главным переключателем, регулируя многие аспекты клеточных функций и судьбы.



1.4.1.4 Взаимодействие различных путей апоптоза

Следует отметить, что в ряде случаев апоптоз реализуется в результате комбинированного действия двух путей с участием рецепторов плазматической мембраны, и митохондриального цит с. Сетевая регуляция апоптоза усложняется существованием нескольких петель обратной связи.

В 1998 группа исследователей, возглавляемая Peter Kramer и Marcus Peter сообщилили о существовании двух различных типов клеток, которые используют отличные пути передачи сигнала через Fas-рецепторы. Стимуляция Fas-рецептора ведет к активации каспазы-8, которая расщепляет и активирует эффекторные каспазы непосредственно (клетки I типа, например, тимоциты). Альтернативно, при малоэффективной активации каспазы-8 подключается митохондриальный путь апо птоза: каспаза-8, образовавшаяся в небольших количествах, взаимодействует в цитоплазме с белком Bid, проапоптотическим членом семейства Вс1-2, и расщепляет его. С-концевой домен Bid далее перемещается к митохондриальной мембране, индуцируя высвобождение из митохондрий цит с и его связывание с Apaf-1 в цитоплазме (клетки II типа, например, гепатоциты). В связи с этим, Вс1-2 и/или Bel-XL ингибируют Fas-опосредованный апоптоз в клетках II типа, но не I. Bcl-2-нечувствительные и -ингибируемые пути передачи сигналов через Fas-рецептор могут сосуществовать в пределах одной клетки. Важно отметить, что физиологическая активация Fas вызывает апоптоз, который нечувствителен к Вс1-2 или Bcl-XL, а Fas-опосредованный апоптоз* стимулированный AT, блокируется Вс1-2 и/или Bcl-XL [Johnson A. L. 1999; Kim T.-H. 2000; Krueger A. 1997].

Активная каспаза-3 инициирует петлю амплификации апоптотического сигнала, которая ведет к дополнительному расщеплению прокаспазы-8; IAP может быстро ингибировать каспазу-3 и предотвращать расщепление прокаспазы-8. Т.е., уровень IAP косвенно влияет на количество расщепленной прокаспазы-8 при стимуляции клеточных рецепторов гибели. Следовательно, относительные уровни активной каспазы-3, IAP и Smac определяют уровень апоптоза, индуцированного лигандами гибели. Кроме того, каспаза-3 также может активировать каспазу-9, Bid и др. [Kirsch D.G. 2002; Kluck R.M. 2000; Krueger A. 2001; Liang Y. 2002].



Таким образом, как только активируются инициирующие каспазы, по любому из сигнальных путей, пути сходятся на эффекторных каспазах (каспазы-3 и -7), которые составляют протеолитический остов ПКГ: каскадный механизм активации каспаз лежит в основе амплификации и интеграции апоптотического сигнала. Каждый из путей апоптоза модулируется регуляторными полипептидами, такими как с-FLIP (внешний путь) или членами семейства Вс1-2 (внутренний путь) [Liang Y. 2002].

Таким образом, вопросы о молекулярных механизмах регуляции апоптоза, в частности о биохимических процессах, приводящих к необратимым изменениям и характерным апоптоз-специфическим морфологическим перестройкам в клетке, об их генетическом контроле и значении апоптоза для нормальной жизнедеятельности организма и при патологии, еще далеки от разрешения. Имеющиеся на сегодняшний день сведения о существенной роли нарушения регуляции апоптоза при различных заболеваниях свидетельствуют о определяющей роли апоптоза в патогенезе этих заболеваний. Выяснение новых подробностей в процессе регуляции апоптоза будет способствовать обнаружению новых биохимических и патогенетических закономерностей, знание которых позволит создать новые средства диагностики и лечения заболеваний.


1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   15

  • 1.4.1.3 Сфингомиелиновый сигнальный путь
  • 1.4.1.4 Взаимодействие различных путей апоптоза