ИЗВЕСТИЯ РАИ. СЕРИЯ БИОЛОГИЧЕСКАЯ, 2007, № 2, с. 133-144
БИОЛОГИЯ КЛЕТКИ
УДК 576
РОЛЬ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ДОМЕНОВ СИГНАЛЬНЫХ БЕЛКОВ И ОБРАЗУЕМЫХ СИГНАЛЬНЫМИ БЕЛКАМИ КОМПЛЕКСОВ
В ИНИЦИАЦИИ АПОПТОЗА
© 2007 г. В. Г. Тяжелова
Институт биофизики клетки РАН, 142290 Московская обл., Пущино, ул. Институтская, 3 E-mail: VGTyazh@itaec.ru Поступила в редакцию 08.02.2006 г.
Освещены данные последних лет по исследованиям апоптоза, которые показали, что функционирование сигнальных белков при апоптозе определяется их локализацией на митохондриях или в ци-тозоле клетки. Основной результат их действия определяется наличием в структуре различного количества про- и антиапоптозных доменов, которые проявляют себя после расщепления, последующей олигомеризации и комплексирования с другими белками. Проведен анализ структуры известных сигнальных белков. На примере белка Bad продемонстрировано влияние на функционирование молекул комплексирования с фосфатазами и белками 14-3-3. Представлены подробные данные о выходящих вместе с цитохромом с из митохондрий проапоптозных факторах и их ингибиторах, влияющих на активацию каспаз.
Процессы апоптоза (програмируемой клеточной гибели) играют важную роль как в онтогенезе и старении организма, так и в патогенезе многих заболеваний. Изучение этого явления, начатое сравнительно недавно (Kerr et al, 1972; Willie et al., 1980), с каждым годом расширяется, и данные о закономерностях инициации и развития апоптоза уточняются (Маянский и др., 1999; Самуилов и др., 2000; Тяжелова, 2003а, б, 2005).
Первыми шагами апоптоза принято считать активацию так называемых инициаторных каспаз, что приводит, в свою очередь, к активации экзекутерных каспаз, затем наступает более поздняя стадия - воздействие на ДНК (образование так называемой "лестницы ДНК"). В последние годы более подробные шаги этих этапов апоптоза интенсивно изучаются. Появляющиеся работы освещают различные формы проявления программируемой гибели клеток, детали этапов наиболее известных путей развития апоптоза, тонкости строения сигнальных белков и значение их олигомеризации и последующего комплексирования.
Наиболее распространены и известны два пути активации инициаторных каспаз: либо через рецепторы смерти, образующие комплексы, элементы которых непосредственно активируют эк-зекутерные каспазы, либо через выход из митохондрий ряда про- и антиапоптозных белков, способствующих образованию апоптосомы, активирующей экзекутерные каспазы. Во втором случае представляет интерес цикл событий на митохондриальной мембране. Некоторые про-
и антиапоптозные белки принимают участие в обоих апоптозных путях. В зависимости от вида воздействия и типа клеток эти пути могут пересекаться. В последнее время выявили наличие бес-каспазной формы апоптоза (Maianski, 2003). Выяснилось, что деление сигнальных белков на про-и антиапоптозные достаточно условно, так как и те, и другие содержат домены, выполняющие про- и антиапоптозные функции, и конечный результат их воздействия зависит от взаимодействия с другими белками как одного и того же, так и другого семейства. Большое внимание уделяется исследованиям образования и механизмам действия комплексов сигнальных белков с фосфатазами и с белком 14-3-3, так как именно комплексы, в конечном счете, определяют воздействия на ДНК.
МИТОХОНДРИАЛЬНЫЙ АПОПТОЗ
Митохондриальная разновидность апоптоза (или оксидативный апоптоз) развивается вследствие интенсивного образования ROS (реактивных окислов), вследствие любых клеточных стрессов, например, воздействия химических и фармацевтических препаратов, облучения жесткой радиацией или ультрафиолетом. Одно из самых ранних событий апоптоза, происходящих на внутренней стороне митохондриальной мембраны, - нарушение окислительного фосфорилиро-вания, которое в норме обеспечивает синтез аде-нозинтрифосфорной кислоты (АТФ) и поддержание митохондриального трансмембранного потенциала. Это нарушение приводит к уменьше-
нию количества АТФ и снижению потенциала (Simmons et al., 2001). Другим фактором, способствующим образованию гигантских каналов и, следовательно, выходу белков из межмембранного пространства митохондрий, является перемещение сигнальных белков семейства Bcl-2 из ци-тозоля к митохондриям и комплексирование их с белками, расположенными в митохондриях.
Вопреки установившемуся мнению, что выход про- и противоапоптозных белков происходит через образующиеся в митохондриальной мембране поры в ряде работ выявлено, что выход этих белков может происходить до образования пор. Так, через 2 ч после введения 1 ммоля аденозида в HL-60-клетки, не наблюдали уменьшения проницаемости, тогда как транслокация белков Bax к митохондриям и выход из митохондрий цитохрома с в эти часы уже имели место (Kang et al., 2001). Различными методами, например, методом иммуно-преципитации, установлено, что цитохром с выходит из митохондрий в межклеточное пространство до разрушения митохондриальной мембраны (Luetjens et al., 2001). Из межмембранного пространства митохондрий выходят и проапоптозные (цитохром с, AIF (апоптоз индуцирующий фактор)), и антиапоптозные (IAPs (белок, ингибирую-щий апоптоз), XIAP (Х-ингибитор апоптоза)) факторы, а также ингибиторы последних - Smac/Diab-lo (второй из митохондрий выходящий активатор каспаз/непосредственно с IAP связывающийся белок) и HtrA2 (сериновая пептидаза 2)/Omi (серино-вая протеаза). Выход цитохрома с осуществляется в два этапа, которые наблюдали, например, при гамма-облучении IM-9-клеток. На раннем этапе выход цитохрома с происходил при первоначальном увеличении ROS и не зависел от каспаз. Поздний выход цитохрома с наблюдался при вторичном увеличении числа ROS и подавлялся каспазными ингибиторами и эктопическим введением белков Bcl-2. Наличие двух этапов, по мнению авторов, отражет существование двух стадий апоптозного процесса, называемых в зарубежной литературе инициирующими (up) и эффекторными (down) (Chen et al, 2001).
Вышедший в цитозоль цитохром с через свой домен CARD (caspase activation requirement domain, для каспазной активации требующийся домен) ассоциируется с CARD-доменом адаптерного белка Apaf-1 (apoptosis protease activating factor, апоптоз-ную протеазу активирующий фактор), находящегося в цитозоле. Этот белок играет роль арматуры, на которой происходит аутокаталитический процессинг каспазы 9, после чего каспаза 9, цито-хром с, АТФ, и белки Bcl-2 (или Bcl-xL) и Apaf-1 образуют комплекс, называемый апоптосомой, энзиматическая активность которого значительно выше, чем у каспазы 9 (Rodriguez, Lazebnik, 1999). Конформационные изменения белка Apaf-1, обусловленные АТФ, позволяют осуществиться связи этого белка с цитохромом с. В ре-
зультате открывается доступ к CARD-домену белка Apaf-1, это приводит к удалению из комплекса белка Bcl-2 (или Bcl-xL), что определяет расщепление и активацию каспазы 9. Активированная каспаза 9 атакует каспазы 3 и 7 между малой и большой субъединицами этих каспаз, при этом аутокатализом удаляется ее собственный продомен. Ингибирование каспазы 9 отменяет активацию каспаз 3 и 7 (Slee et al., 1999).
В комплекс апоптосомы может входить разное количество молекул белка Apaf-1, и это определяет образование двух ее разновидностей. Одна из них (с молекулярной массой, приблизительно равной 700 кДа), активирует каспазы 3 и 7, другая (с молекулярной массой примерно 1400 кДа, в которой присутствует не менее 8 молекул белка Apaf-1), участвует в процессинге каспазы 9 и не действует на другие каспазы. Активность большого комплекса предположительно блокируется антиапоптозным белком XIAP (Bratton et al., 2001).
СИГНАЛЬНЫЕ БЕЛКИ АПОПТОЗА, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ ОБРАЗОВАНИЕ
КАНАЛОВ В МИТОХОНДРИАЛЬНОЙ МЕМБРАНЕ
В процессах апоптоза участвует достаточно большое количество сигнальных белков. Из них наиболее значимыми и более других изученными являются белки семейства Bcl-2, которые принято подразделять на про- и антиапоптозные, что, как выяснено в последние годы, достаточно условно. Все белки этого семейства становятся активными после расщепления и образования из расщепленных форм гомо- и гетеродимеров. Производимый создаваемыми комплексами эффект зависит от составляющих его компонентов, а их свойства - от того, какие из доменов BHs (s = 1-4) содержит их структура.
Группа антиапоптозных или Bcl-2-подобных белков. Условно называются антиапоптозными белки Bcl-2, Bcl-xL, Bcl-w, Mcl-1, A1, A20, Bag-1. Известно, что белки Bcl-2, Bcl-xL и Bcl-w имеют все 4 домена BHs, у белков Mcl-1 и А1 домен ВН4 отсутствует, белок A20 содержит лишь два домена. Домен ВН4 у белков семейства Bcl-2 расположен в N-конце, далее следуют домен ВН3, затем ВН1 и ВН2. Ближе к С-концу располагается трансмембранный домен ТМ (Wang, Reed, 1998), функции которого еще не определены. Домен ВН4, входящий в структуру ряда антиапоптозных белков, ингибирует прокаспазу 9. Домен ВН3 используется при олигомеризации молекул. Между доменами ВН4 и BH3 располагается loop-домен, различающийся для разных белков семейства Bcl-2. Показано, что модификация loop-домена приводит к антиапоптозной активности, а каспаз-ное расщепление этого домена превращает антиапоптозные белки Bcl-2 и Bcl-xL в Bax-подоб-
ный проапоптозный белок (Clem et al., 1998). Свойства доменов ВН2 и ВН1 исследованы слабо. Известно, что С-конец всех сигнальных белков, где расположены эти домены, используется для заякоривания на митохондриальной и ядерной мембранах.
Белки группы Bcl-2 защищают от апоптоза, вызываемого отмыванием питательной среды, теплового шока, вирусных агентов, взаимодействуя с молекулами R-Ras, H-Ras, Raf-1, Apaf-1 и фосфатазой calcinevrin (Ayllon et al., 2001).
Антиапоптозные белки Bcl-xL и Bcl-2 в отсутствие стимула находятся на внешней митохондриальной мембране (ВММ), и, являясь антиоксидан-тами, блокируют в ней образование пор, чем предотвращают выход цитохрома с (Mortenson et al., 2003). После стимула белки Bcl-2 и Bcl-xL выходят в цитозоль и через домен ВН4 связываются с молекулой белка Apaf-1, ингибируя связь с прокаспазой 9, и, следовательно, митохондриаль-ный вид апоптоза (Sano et al., 2005). Домен ВН4 вовлекается
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.