Апоптосома

редактировать

Трехмерная структура комплекса апоптосома человека-CARD. Трехмерная структура комплекса апоптосома человека-CARD... синий = платформа апоптосомы; пурпурный = CARD disk.. (Yuan et al. 2010, Структура комплекса CARD апоптосома-прокаспаза-9)

апоптосома представляет собой большой четвертичный белок структура образовалась в процессе апоптоза. Его образование запускается высвобождением цитохрома с из митохондрий в ответ на внутренний (внутренний) или внешний (внешний) стимул смерти клетки. Стимулы могут варьироваться от повреждения ДНК и вирусной инфекции до сигналов развития, таких как те, которые приводят к деградации хвоста головастика.

В клетках млекопитающих, как только цитохром с высвобождается, он связывается с цитозольным белком Apaf-1 для облегчения образования апоптосомы. Раннее биохимическое исследование предполагает соотношение цитохрома c и apaf-1 два к одному для образования апоптосом. Однако недавние структурные исследования показывают, что соотношение цитохрома с и апаф-1 является однозначным. Также было показано, что нуклеотид dATP в качестве третьего компонента связывается с apaf-1, однако его точная роль все еще обсуждается. Апоптосомы млекопитающих никогда не кристаллизовались, но апоптосома APAF-1 / цитохром-c человека была визуализирована при более низком разрешении (2 нм ) с помощью криогенной просвечивающей электронной микроскопии в 2002 г. гептамерная частица в виде колеса с 7-кратной симметрией. Недавно структура апоптосомы человека со средним разрешением (9,5 Ангстремов) была также решена с помощью криоэлектронной микроскопии, которая позволяет однозначно определить положение всех доменов APAF-1 (CARD, NBARC и WD40) и цитохрома. c. Кроме того, теперь имеется кристаллическая структура мономерной неактивной субъединицы Apaf-1 (PDB 3SFZ).

После образования апоптосома может рекрутировать и активировать неактивную прокаспазу-9. После активации эта инициаторная каспаза может активировать эффекторные каспазы и запускать каскад событий, ведущих к апоптозу.

Содержание

  • 1 История
  • 2 Структура
  • 3 Апоптосомы в других организмах
  • 4 Механизм действия
    • 4.1 Инициирование
    • 4.2 Высвобождение цитохрома c
    • 4.3 Apaf-1
      • 4.3.1 а. Отсутствие цитохрома с
      • 4.3.2 b. Наличие цитохрома c
    • 4.4 Активное действие апоптосомы
  • 5 областей исследований
    • 5.1 Что происходит при возникновении мутаций?
    • 5.2 Репрессия апоптоза, вызывающего рак
    • 5.3 Мутации P53 при апоптозе
    • 5.4 Нацеливание на Апоптосома для лечения рака
    • 5.5 Апоптосомный комплекс выявил новые потенциальные мишени для молекулярной терапии
  • 6 См. Также
  • 7 Ссылки

История

Термин «апоптосома» впервые был введен в статье Йошихидэ Цудзимото 1998 г. «Роль белков семейства Bcl-2 в апоптозе : апоптосомы или митохондрии ?». Однако до этого апоптосома была известна как тройной комплекс. Этот комплекс включает каспазу-9 и Bcl-XL, каждый из которых связывает конкретный домен Apaf-1. Затем считалось, что образование этого комплекса играет регулирующую роль в гибели клеток млекопитающих. В декабре того же года в Журнале биологической химии была опубликована еще одна статья, в которой говорилось, что Apaf-1 является регулятором апоптоза через активацию прокаспазы-9.

Были изложены критерии апоптосомы в 1999 году. Во-первых, это должен быть большой комплекс (более 1,3 миллиона Дальтон). Во-вторых, его образование требует гидролиза высокоэнергетической связи АТФ или дАТФ. И, наконец, он должен активировать прокаспазу-9 в ее функциональной форме. Образование этого комплекса - точка невозврата, и произойдет апоптоз. Стабильный APAF-1 и мутимерный комплекс цитохрома соответствует этому описанию и теперь называется апоптосомой.

Апоптосома считалась мутимерным комплексом по двум причинам.. Во-первых, сблизить несколько молекул прокаспазы-9 для расщепления. И, во-вторых, для повышения порога апоптоза, поэтому неспецифическая утечка цитохрома с не приведет к апоптозу.

Как только апоптосома стала активатором прокаспазы-9, мутации в этом пути стала важной областью исследований. Некоторые примеры включают клетки лейкемии человека, рак яичников и вирусные инфекции. Текущие области исследований для этого пути будут обсуждены более подробно. Также существуют скрытые пути гибели клеток, которые не зависят от APAF-1 и, следовательно, от апоптосомы. Эти пути также не зависят от каспазы-3 и 9. Эти скрытые пути апоптоза более медленные, но могут оказаться полезными при дальнейших исследованиях.

Псевдоатомная структура апоптосомы человека. Псевдоатомная структура апоптосомы человека.. (Yuan et al. 2010, Структура комплекса CARD апоптосома-прокаспаза-9

Структура

Апоптосома представляет собой мультимолекулярный комплекс холофермент, собранный вокруг адапторного белка Apaf1 (фактор активации апоптотической протеазы 1) при опосредованном митохондриями апоптозе, который должен стимулироваться некоторым типом стрессового сигнала T, для образования апоптосомы требуется присутствие АТФ / дАТФ и цитохрома с в цитозоле. Стрессовый стимул может запускать высвобождение цитохрома с в цитоплазму, который затем связывается с С-концом Apaf-1 внутри области, содержащей несколько повторов WD-40. олигомеризация Apaf-1, по-видимому, сопровождается синхронизированным привлечением прокаспазы-9 в CARD m otif на N-конце Apaf-1 . Апоптосома запускает активацию каспаз в внутреннем пути апоптоза.

Колесообразный гептамерный комплекс с семеричной симметричной структурой апоптосомы. был впервые обнаружен при разрешении 27 Å методами электронной криомикроскопии и имеет расчетную массу около 1 МДа (Acehan et al. 2002). Эта похожая на колесо частица имеет семь спиц и центральную ступицу. Дистальный отдел спицы имеет ярко выраженную Y-образную форму. Домен хаба соединен с доменом Y с помощью изогнутой руки. Каждый Y-домен состоит из двух долей (большой и маленькой), между которыми расположены сайты связывания цитохрома c. Поскольку разрешение структуры апоптосомы было относительно низким, были предложены две противоречивые модели сборки апоптосомы. Одна модель предполагает, что домены NOD образуют центральный узел, а домены CARD образуют более свободное кольцо в верхней части области NOD. Другая модель предполагает, что Apaf-1 организован расширенным образом, так что как N-концевой CARD, так и область связывания нуклеотидов образуют центральный узел апоптосомы, тогда как 13 повторов WD-40 составляют два доли. Большая доля образована семью повторами, а малая доля - шестью повторами. Каждая молекула каспазы-9 связывает домен CARD в центральном узле, образуя куполообразную структуру. Это противоречие было разрешено недавней структурой с высоким разрешением человеческого комплекса CARD апоптосома-прокаспаза-9. Эта структура ясно продемонстрировала, что только участки NOD образуют центральный узел апоптосомы (см. Рисунки), тогда как CARD гибко связан с платформой апоптосомы и становится неупорядоченным в основном состоянии апоптосомы. Когда апоптосома связывается с прокаспазой-9, карты Apaf-1 CARD и карты прокаспазы-9 образуют гибкую дискообразную структуру, расположенную над платформой. Число повторов WD-40 также оказалось равным 15 вместо 13, и он состоит из 7-лопастного бета-винта и 8-лопастного бета-винта.

Данные Ванга и его коллег показывают, что стехиометрическое отношение прокаспазы-9 к Apaf-1 в комплексе составляет примерно 1: 1. Это было дополнительно подтверждено количественным масс-спектрометрическим анализом. Доказано, что стехиометрия цитохрома с по отношению к Apaf-1 в составе комплекса составляет 1: 1. Есть некоторые дискуссии о том, требуется ли стабильное включение цитохрома c в апоптосому после олигомеризации, но недавние структурные данные подтверждают идею, что цитохром c стабилизирует олигомерные апоптосомы человека. Однако цитохром с может не требоваться для сборки апоптосомы у видов, не относящихся к млекопитающим, таких как черви и дрозофилы. Кроме того, сообщалось, что несколько других молекул, в первую очередь каспаза-3, очищаются совместно с апоптосомой, и было доказано, что каспаза-3 способна связывать комплекс апоптосома-прокаспаза-9.

Apaf -1 образует основу апоптосомы. Он имеет три отдельных участка: N-концевой домен рекрутирования каспазы (CARD, остатки 1–90), центральную область связывания и олигомеризации нуклеотидов (NB-ARC / NOD, 128–586) и C-концевую область WD40 ( 613–1248), составляющие белок около 140 кДа.

  • CARD-домен Apaf-1 взаимодействует с прокаспазой-9 и участвует в рекрутинге внутри апоптосомы.
  • NB- Область ARC / NOD демонстрирует значительное сходство последовательностей с белком Ced-4 C. elegans.
  • С-концевой участок WD40 Apaf1 содержит 15 повторов WD-40, структурированных в два b-пропеллера. -образные домены. Повторы WD-40 представляют собой последовательности длиной около 40 аминокислот, которые заканчиваются на Trp-Asp и обычно участвуют во взаимодействии белок-белок.

Короткий линкер и связывающие нуклеотид a / b домены (NBD), которые содержат консервативные боксы Уокера A ( p-петля 155-161) и B (239-243) следуют за N-концевым доменом CARD. Боксы Walker A / B важны для связывания dATP / ATP и Mg2 +. За NBD следует небольшой спиральный домен (HD1), второй линкер и консервативный домен крылатой спирали (WHD). Область NOD включает NBD, HD1 и WHD, создавая АТФазный домен, который является частью ААА + семейства АТФаз. На стыке между NOD и повторами WD-40 присутствует суперспиральный домен (HD2). Повторы WD40 расположены в группах по восемь и семь с соединяющими их линкерами.

Апоптосомы человека, плодовой мухи и нематоды

Апоптосомы в других организмах

Вышеприведенные описания относятся к апоптосомам человека. Структуры комплекса апоптосом у других организмов имеют много общего, но имеют совершенно разные размеры и количество субъединиц, как показано на рисунке. Система плодовой мушки, называемая Dark, имеет кольцо из 8 субъединиц (PDB 4V4L). Апоптосома нематоды, называемая CED-4, октамерна, но намного меньше (PDB 3LQQ), и она не включает области, которые могли бы связывать цитохром C.

Механизм действия

Инициирование

Инициирование действия апоптосомы соответствует первым этапам пути запрограммированной клеточной смерти (PCD). У животных апоптоз можно катализировать одним из двух способов; внешний путь включает связывание внеклеточных лигандов с трансмембранными рецепторами, в то время как внутренний путь происходит в митохондриях. Этот внутренний путь включает высвобождение цитохрома C из митохондрий и последующее связывание с цитозольным белком Apaf-1. Таким образом, высвобождение цитохрома с необходимо для инициации действия апоптосомы; это высвобождение регулируется несколькими способами, в первую очередь путем обнаружения кальция ion уровней.

Высвобождение цитохрома c

Высвобождение цитохрома c Предлагается провести одним из двух способов. Во-первых, проницаемость переходной поры (PTP), когда митохондрии получают сигнал, индуцирующий гибель, и высвобождают белки межмембранного пространства (12). PTP состоит из потенциалзависимого анионного канала (VDAC), внутренней мембраны белка-транслокатора аденин-нуклеотидов (AdNT) и матричного белка циклофилин D 85 (CyD) (12). Эта пора вызывает набухание митохондрий и разрыв внешней митохондриальной мембраны (Diamond McCabe, 2007). С этим изменением проницаемости, белки, такие как цитохром с, высвобождаются в цитозоль (12). Это изменение, вероятно, вызывает переход митохондриальной проницаемости (MPT), при котором митохондриальный трансмембранный потенциал коллапсирует, и производство АТФ прекращается (12). Ингибирование этого метода фармацевтическим агентом циклоспорином A (CsA) привело к открытию второго пути (13). Второй метод высвобождения цитохрома с не зависит от PTP и включает только VDAC. Члены семейства Bcl-2 проапоптотических белков могут индуцировать открытие VDAC (12). Это вызовет такое же высвобождение белков межмембранного пространства, включая цитохром с, и последующее возникновение MPT (12).

Апаф-1

а. Отсутствие цитохрома с

В отсутствие цитохрома с Apaf-1 существует в своей мономерной форме; считается, что домен WD-40 остается свернутым обратно на белок, сохраняя Apaf-1 в автоингибированном состоянии. Кроме того, некоторые области настолько тесно связаны, что белок не может связываться ни с чем другим. С помощью масс-спектрометрии было определено, что в автоингибированном или "заблокированном" состоянии АДФ связан с АТФазным доменом Apaf-1. В этом состоянии этот белок является единичным и не способен активировать какие-либо каспазы.

b. Присутствие цитохрома с

Цитохром с связывается с доменом WD-40 Apaf-1. Это позволяет снять «блокировку», то есть этот домен больше не блокируется автоматически. Однако домены CARD и NB-ARC остаются в автоматически запрещенном состоянии. Домен CARD будет освобожден от этой блокировки только тогда, когда Apaf-1 связан с (d) ATP / ATP; когда ATP связывается, домену CARD будет разрешено связываться с Caspase-9. Когда АДФ находится в домене АТФазы, олигомеризация ингибируется. Таким образом, связывание АТФ также делает возможной олигомеризацию Apaf-1 в гептагональную структуру, необходимую для последующей активации каспазы. Мутации в домене АТФазы делают белок неактивным; однако метод управления этим обменом АДФ-АТФ неясен. Таким образом, олигомеризация может происходить только в присутствии 7 молекул цитохрома с, 7 белков Apaf-1 и достаточного количества (d) АТФ / АТФ. Домен АТФазы принадлежит к семейству АТФаз AAA + ; это семейство известно своей способностью связываться с другими доменами АТФазы и образовывать гекса- или гептамеры. Затем апоптосома считается активной, если семь молекул Apaf-1 расположены в форме колеса, ориентированного так, что домены NB-ARC покоятся в центре.

Активное действие апоптосомы

Этот функционал апоптосома затем может обеспечить платформенную активацию каспазы 9. Каспаза 9 существует в цитозоле в виде зимогена и, как полагают, обнаруживается в клетках при 20 нМ. Хотя известно, что зимоген не нужно расщеплять, чтобы стать активным, активность прокаспазы-9 может значительно возрасти после расщепления. Первая гипотеза состоит в том, что апоптосома обеспечивает место для димеризации двух молекул каспазы 9 перед расщеплением; эта гипотеза была поддержана Reidl Salvasen в 2007 году. Вторая состоит в том, что расщепление происходит, пока каспаза 9 все еще находится в своей мономерной форме. В каждом случае активация каспазы 9 приводит к активации полного каскада каспаз и последующей гибели клеток. Было высказано предположение, что эволюционная причина того, что мультимерный белковый комплекс активирует каспазный каскад, состоит в том, чтобы гарантировать, что следовые количества цитохрома c не вызовут случайно апоптоз.

Области исследований

Что происходит, когда происходят мутации ?

Хотя апоптоз необходим для естественного функционирования организма, мутации пути апоптосомы вызывают катастрофические эффекты и изменения в организме. Мутации клеточного пути могут либо способствовать гибели клеток, либо препятствовать их гибели, вызывая огромное количество болезней в организме. Мутировавшие пути апоптоза, вызывающие заболевание, многочисленны и имеют широкий диапазон: от рака из-за отсутствия активности апоптосом, болезни Альцгеймера из-за слишком высокой активности апоптосом и многих других нейродегенеративных заболеваний, таких как болезнь Паркинсона болезнь и болезнь Хантингтона. Нейродегенеративные заболевания, такие как болезнь Альцгеймера, Паркинсона и Хантингтона, являются возрастными заболеваниями и включают усиленный апоптоз, когда клетки умирают, которые все еще могут функционировать или которые способствуют поддержанию функции ткани. Apaf-1-ALT - это мутант Apaf-1, обнаруженный при раке простаты, который не имеет остатков 339-1248. Недавние структурные исследования апоптосомы доказывают, что Apaf-1-ALT не может образовывать апоптосомы, поскольку он пропускает ключевые структурные компоненты для сборки.

Подавление апоптоза, вызывающего рак

Обычно запускаются генетические и биохимические аномалии внутри клетки. запрограммированная гибель клеток, чтобы избавить тело от неправильной функции и развития клеток; однако раковые клетки приобрели мутации, которые позволяют им подавлять апоптоз и выжить. Химиотерапия, такая как ионизирующее излучение, была разработана для активации этих репрессированных путей PCD посредством гиперстимуляции, чтобы способствовать нормальной PCD.

Мутации P53 при апоптозе

P53 функционируют как супрессор опухоли который участвует в предотвращении рака и естественным образом возникает в результате апоптоза. P53 заставляет клетки вступать в апоптоз и нарушать дальнейшее деление клеток, предотвращая, таким образом, превращение этой клетки в злокачественную (16). В большинстве случаев рака происходит мутация пути p53, что приводит к потере способности уничтожать дисфункциональные клетки. Функция P53 также может быть ответственна за ограниченную продолжительность жизни, когда мутации гена p53 вызывают экспрессию доминантно-отрицательных форм, дающих долгожителей. Например, в эксперименте с использованием C. elegans, было обнаружено, что увеличение продолжительности жизни мутантов p53 зависит от увеличения аутофагии. В другом эксперименте с использованием Drosophilia мутация p53 оказывала как положительное, так и отрицательное влияние на продолжительность жизни взрослого человека, что позволило установить связь между половым дифференцированием, PCD и старением. Определение того, как p53 влияет на продолжительность жизни, будет важной областью для будущих исследований.

Нацеливание на апоптосомы для лечения рака

Ингибирование апоптоза - одна из ключевых особенностей рака, поэтому поиск способов манипулирования и преодоления этого ингибирования для образования апоптосомы и активации каспаз важен в разработка новых методов лечения рака. Способность напрямую вызывать активацию апоптосом важна для лечения рака, потому что инфицированные раковые гены не могут быть уничтожены, вызывая продолжение образования рака. Путем активации апоптосомы внешним стимулом может произойти апоптоз и избавиться от мутировавших клеток. В настоящее время используются многочисленные подходы для достижения этого, включая рекомбинантные биомолекулы, антисмысловые стратегии, генную терапию и классическую органическую комбинаторную химию для нацеливания на специфические регуляторы апоптоза в подходе к коррекции чрезмерной или недостаточной гибели клеток при заболеваниях человека.>

В целом повышающая регуляция антиапоптотических белков ведет к предотвращению апоптоза, который может быть решен с помощью ингибиторов, а понижающая регуляция антиапоптотических белков приводит к индукции апоптоза, который устраняется активаторами, которые способны связывать и изменять их деятельность. Важной молекулой-мишенью в терапии, основанной на апоптозе, является Bcl-2 для разработки лекарств. Bcl-2 был первым онкогеном, который, как было обнаружено, вызывает апоптоз, ингибирующий рак. Он сверхэкспрессируется в опухолях и устойчив к химиотерапии. Ученые обнаружили, что связывание депрессоров с антиапоптотическими белками Bcl-2 ингибирует их и оставляет прямые активаторы свободными для взаимодействия с Bax и Bak.

Другая молекула-мишень для лечения рака включает семейство каспаз и их регуляторы. Ингибирование активности каспазы блокирует гибель клеток при заболеваниях человека, включая нейродегенеративные нарушения, инсульт, сердечный приступ и повреждение печени. Следовательно, ингибиторы каспаз являются многообещающим фармакологическим средством для лечения инсульта и других заболеваний человека. Есть несколько ингибиторов каспаз, которые в настоящее время находятся на доклинической стадии, которые показали многообещающие доказательства обратного действия некоторых нейродегенеративных заболеваний. В недавнем исследовании исследователи разработали обратимый ингибитор каспазы-3 под названием M-826 и протестировали его на модели мышей, где он блокировал повреждение ткани мозга. Кроме того, он был протестирован на мышах с болезнью Хантингтона, и ингибитор предотвращал гибель поперечнополосатых нейронов, обнаруживая многообещающие эффекты для дальнейшего изучения этого ингибитора каспаз.

Комплекс апоптосом выявил новые потенциальные мишени для молекулярной терапии

Образование апоптосомы Apaf1 / каспаза-9 является решающим событием в апоптотическом каскаде. Выявление новых потенциальных лекарств, которые предотвращают или стабилизируют образование активного апоптосомного комплекса, является идеальной стратегией для лечения заболевания, характеризующегося чрезмерным или недостаточным апоптозом. Недавно было обнаружено, что таурин предотвращает апоптоз, вызванный ишемией, в кардиомиоцитах благодаря своей способности ингибировать образование апоптосом Apaf1 / каспаза-9, не предотвращая митохондриальную дисфункцию. Возможный механизм, с помощью которого таурин ингибирует образование апоптосом, был идентифицирован как способный снижать экспрессию каспазы-9, фундаментального компонента апоптосомы. Однако есть исследования, которые показывают, что Aparf1 и каспаза-9 играют независимые роли, отличные от апоптосомы, поэтому изменение их уровней также может изменить функцию клеток. Таким образом, несмотря на обнадеживающие экспериментальные данные, некоторые проблемы остаются нерешенными и ограничивают использование экспериментальных лекарств в клинической практике.

Открытие ингибиторов апоптосомы предоставит новый терапевтический инструмент для лечения заболеваний, опосредованных апоптозом. Особое значение имеют те новые соединения, которые способны ингибировать стабильность и активность апоптосом, действуя на внутриклеточные белок-белковые взаимодействия без изменения уровней транскрипции компонентов апоптосомы. Недавние структурные исследования апоптосомы могут предоставить ценные инструменты для разработки методов лечения на основе апоптосом.

См. Также

Ссылки

Последняя правка сделана 2021-06-11 20:40:13
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте