Федеральное государственное бюджетное учреждение науки
«Федеральный исследовательский центр
«Казанский научный центр Российской академии наук»
КОНТРОЛЬНЫЙ ПИСЬМЕННЫЙ ПЕРЕВОД
НАУЧНОГО ТЕКСТА ПО СПЕЦИАЛЬНОСТИ
для сдачи кандидатского экзамена по дисциплине
«Иностранный язык»
06.06.01 Биологические науки
Cell Death Signaling
Green, Douglas R., and Fabien Llambi. «Cell death signaling.» Cold Spring Harbor perspectives in biology 7.12 (2015)
03.02.03 Микробиология
Выполнил Любина Анна Павловна
подпись
Оригинальный текст:
1 INTRODUCTION
Although cell death can happen as a result of overwhelming damage, most cell deaths in animals occur in an active manner, as a consequence of specific signaling events. In general, there are three types of cell death, defined in large part by the appearance of the dying cell: apoptosis (also known as type I cell death), autophagic cell death (type II), and necrosis (type III).
Apoptosis is characterized by cell shrinkage, membrane blebbing, and condensation of the chromatin (pyknosis). It can be further defined as cell death accompanied by the activation of caspase proteases. Two major signaling pathways trigger apoptotic cell death: the mitochondrial (the intrinsic) pathway and the death receptor (the extrinsic) pathway. The latter involves a classical ligand–cell-surface-receptor interaction. For example, cytotoxic lymphocytes can kill infected or transformed cells by expressing ligands for death receptors (DRs), a subset of the tumor necrosis factor (TNF) receptor (TNFR) family. These ligands induce apoptotic cell death of the targeted cells provided they express such DRs. DR-induced cell death in general is critical for immune system function and homeostasis. In contrast, the mitochondrial apoptotic pathway is usually initiated in a cell-autonomous manner. Most cellular stresses, such as DNA damage (induced by genotoxic agents or defects in DNA repair) or endoplasmic reticulum (ER) stress (induced by the accumulation of unfolded proteins), actively engage apoptosis when cells are damaged beyond repair.
Conversely, the lack of a signal, such as those activated by growth factors (e.g., cytokines and neurotrophic factors), can lead to cell death. This mechanism is critical for the development of the nervous system in vertebrates and it is estimated that half of the neurons generated die during this process. This cell death is due, in part, to the failure of some neuronal precursors to properly migrate or innervate their targets and the consequent lack of neurotrophic factor stimulation. Similarly, during an immune response, cytokine deprivation (together with the DR pathway) is responsible for the acute contraction of the lymphocyte population after clearance of the pathogen. Another example of “loss-of-signal”-induced cell death is the particular form of apoptosis called anoikis, which occurs when epithelial or endothelial cells detach from the extracellular matrix (ECM). In this scenario, unligated ECM receptors of the integrin family cease to induce prosurvival signaling pathways, eventually leading to apoptosis. This mechanism prevents cells shedding from their original location from colonizing elsewhere (a characteristic of metastatic cancer cells). Finally, apoptosis can be induced by oncogenes (e.g., Myc) as a safeguard mechanism against cancer development. This process is controlled in part by a p53-dependent apoptotic pathway, which is activated in response to aberrant mitogenic signals resulting from oncogene overexpression or mutation. As a consequence, evasion of apoptotic cell death is often a requisite to sustain oncogene transformation.
Autophagic cell death is characterized bythe appearance of largeintracellular vesicles and engagement ofthe autophagy machinery. Note that although autophagy (i.e., the membrane engulfment and catabolic degradation of parts of the cytoplasm) is awell-defined process, its function as an active cell death mechanism remains highly controversial. Autophagy is mainly a survival process engaged in response to a metabolic crisis (e.g., low ATP levels and nutrient and amino acid deprivation) or to remove damaged organelles (e.g., mitochondria with low membrane potential) and protein aggregates. As a stress response, autophagy accompanies rather than promotes cell death in most scenarios and merely represents a failed survival attempt.Nevertheless, there arespecific examples inwhich the autophagy machinery is absolutely required for cell death. During Drosophila metamorphosis, obsolete larval tissues such asthe midgut andsalivary glands regressthrough massive autophagic cell death, a process triggered by the steroid hormone ecdysone. In this particular case, a deficiency in genes of the autophagic signaling pathway alters the cell death program. Autophagic cell death has also been reported in response to deregulated H-Ras activity and could therefore represent a safeguard mechanism against oncogenic transformation.
Necrosis is characterized by cell swelling and plasma membrane rupture, and a loss of organellar structure without chromatin condensation. Although necrosis can occur as a consequence of irreparable cell damage, at least one pathway of active necrosis exists. This form of cell death, sometimes called necroptosis, is engaged by several signaling pathways that all converge on the activation of receptorinteracting protein kinase 3 (RIP3). RIP3 is activated upon recruitment to macromolecular complexes downstream from various cell-surface receptors: DRs, Toll-like receptors (TLRs), and the T-cell receptor (TCR). Additionally, DNA damage can directly induce the formation of a RIP3-activation platform, independently of cell-surface receptor ligation. Finally, RIP3-dependent necrosis is also triggered by the cytosolic DNA sensor, DNA-dependent activator of interferon (DAI) regulatory factors, following virus infection and the presence, in the cytosol, of double-stranded viral DNA.
Here we are concerned with signaling leading to cell death in vertebrates, and focus on processes that are at least partially understood at the molecular level. We do not discuss the physiology and pathology of cell death in detail or processes involved in the clearance of dying cells. Readers will find a more complete overview of these topics and other aspects of cell death elsewhere.
2 TYPE I CELL DEATH: APOPTOSIS
Apoptotic cell death is predominantly initiated either by the DR or mitochondrial pathway, although additional pathways exist. DRs—for example, Fas (also known as CD95), Trail receptor (TRAIL-R), or TNFR1—induce apoptosis by directly recruiting a caspase-activation platform upon binding to their respective ligand. The mitochondrial pathway of apoptosis, on the other hand, is triggered upon loss of integrity of the mitochondrial outer membrane, which allows the release of proapoptotic factors (e.g., cytochrome c) from the mitochondria into the cytosol. This process is controlled by the Bcl2 protein family. Once in the cytosol, cytochrome c induces the assembly of a caspaseactivation complex: the apoptosome. Both pathways culminate in the activation of caspase proteases and the cleavage of intracellular proteins, ultimately leading to the dismantling of the cell. Below, we explore these processes in detail, starting with the end point: caspase activation.
2.1 Caspase Activation, Function, and Regulation
Apoptosis involves the activation of caspases, which orchestrate all of the morphological changes that characterize this form of cell death. Caspases are cysteine proteases with specificity for aspartic acid residues in their substrates. Although at least 17 different caspases exist in mammals, our focus is on only a subset of these for which the activation is at least partially understood and roles in cell death have been established. The executioner caspases (caspase-3, caspase-6, and caspase-7) effect the destruction and are produced as inactive dimers that lack protein-interaction domains. Activation is due to proteolytic cleavage between what will be the large and small subunits of the mature enzyme . Upon cleavage, the new ends fold into the dimer interface and promote conformational changes to create two active sites in the mature protease. Cleavage of caspase-6 is mediated by caspase-3 and caspase-7, whereas activation of the latter two caspases is generally the function of “initiator” caspases. It is these initiator caspases, and their activation, that define the apoptotic signaling pathways (see below).
Following activation, the executioner caspases, particularly caspase-3 and caspase-7, can process at least 1000 proteins. The cleavage of these caspase substrates can result in either a gain or a loss of function of these proteins and eventually leads to the cellular changes associated with apoptosis. Notably, caspase proteolysis inactivates components of essential physiological processes. For example, caspase cleavage of the p75 subunit of complex I of the electron transport chain disrupts the mitochondrial transmembrane potential, electron transport, and ATP production during apoptosis. Conversely, caspase cleavage can also activate specific pathways. This is the case for caspase-activated nuclease (CAD), a DNAse that cuts chromatin between nucleosomes when its inhibitor, iCAD, is cleaved by caspase-3. Additionally, caspases can hijack signaling pathways through constitutive activation of some of their components. For example, the characteristic morphology of apoptotic cells is caused by caspase-mediated activation of several actin cytoskeleton modulators: gelsolin, p21-activated kinase 2 (PAK2), and Rho-associated kinase I (ROCKI). Gelsolin, a calciumregulated actin-severing protein, becomes constitutively active following caspase processing. PAK2 and ROCK I are serine–threonine kinase effectors of the Rho GTPase family (Rac1, Cdc42, and Rho) that regulate actin polymerization and actin–myosin contractility. Upon caspase cleavage, their kinase activity becomes independent of the GTPases, thus inducing an aberrant reorganization of the actin cytoskeleton and the characteristic membrane blebbing observed in apoptotic cells.
Unlike the executioner caspases, initiator caspases exist as inactive monomers in cells and are not activated by cleavage. Instead, adaptor molecules that assemble into caspase-activation platforms recruit these initiator caspases, forcing monomers into close proximity and causing conformational changes that result in the formation of active sites. In some (but not all) cases, subsequent autocleavage of the caspase is necessary to stabilize the mature, active enzyme. Note that although cleavage of an executioner caspase is indicative of its activation, that of initiator caspases is not necessarily an indication of activation.
The interactions between caspase-activation platforms and caspases involve “death fold” domains of the proteins. Such death fold elements are present in adaptor proteins and caspases: the caspase-recruitment domain (CARD), and the death effector domain (DED). Other death folds, the death domain (DD) and the pyrin (PYR) domain, are involved in the assembly of some caspase-activation platforms but not present on caspases. Death fold domains typically mediate protein–protein interaction through homotypic interaction. They do not share sequence similarity but have similar structures composed of six amphipathic a helices.
2.2 Caspase-9 Activation: The Mitochondrial Pathway of Apoptosis
The mitochondrial pathway of apoptosis, also called the intrinsic pathway, is the most common mechanism of
apoptosis in vertebrates. It is activated in response to a variety of cellular stresses, including DNA damage, growth factor deprivation, ER stress, and developmental cues. In this pathway, the executioner caspases are cleaved and activated by caspase-9, which is itself activated by a caspaseactivation platform called the apoptosome.
Apoptotic protease-activating factor 1 (APAF1) constitutes the scaffold around which the apoptosome is assembled. During intrinsic apoptosis, cytochrome c is released from mitochondria into the cytosol (see below) and binds to Apaf1. This interaction triggers hydrolysis of the Apaf1 cofactor dATP to dADP. The subsequent exchange of dADP with exogenous dATP allows the oligomerization of seven APAF1–dATP–cytochrome-c units into an active apoptosome. At the center of the apoptosome, exposed CARDs on APAF1 bind to the CARD of caspase-9, thus bringing the inactive caspase-9 monomers into close proximity for activation and autoprocessing. Owing to its higher affinity for the apoptosome, full-length caspase-9 displaces the processed form, creating a continuous cycle of caspase-9 recruitment, activation, processing, and release. Because caspase-9 only sustains catalytic activity in this bound state, the apoptosome functions as a molecular timer in which its lifetime is directly proportional to the amount of unprocessed caspase-9 present.
In healthy cells, cytochrome c is found only in the mitochondrial intermembrane space. For it to interact with APAF1, mitochondrial outer membrane permeabilization (MOMP) triggered by apoptotic stimuli must occur. MOMP induces the release of all soluble proteins of the mitochondrial intermembrane space into the cytosol. In addition to cytochrome c, two other proapoptotic proteins are released during that process: Smac (also known as Diablo) and Omi (also known as HtrA2). Smac and Omi potentiate the apoptosome activity by antagonizing the caspase inhibitor X-linked inhibitor of apoptosis (XIAP). In the absence of Smac and Omi, XIAP binds to, and inhibits the catalytic activity of, the initiator caspase-9 and the executioner caspases-3 and -7. XIAP further dampens intrinsic apoptosis induction through direct ubiquitylation and proteasomal degradation of active caspases.
MOMP is a tightly regulated event controlled by members of the Bcl2 family. These share one or more Bcl2 homology (BH) regions defined by sequence, structure, and function. There are three broad classes of Bcl2 proteins: the proapoptotic effector proteins (Bax and Bak), which are necessary and sufficient for MOMP; the antiapoptotic Bcl2 proteins (e.g., Bcl2, Bcl-xL, and Mcl1), which block MOMP; and the BH3-only proteins (e.g., Bid, Bim, Bad, and Noxa), which activate the proapoptotic effectors and/or neutralize the antiapoptotic Bcl2 proteins. proteins also control several other cellular processes, including mitochondrial fusion, autophagy, and calcium efflux from the ER.
Bax and Bak are directly responsible for the loss of mitochondrial outer membrane integrity. Upon activation, they form large oligomers that insert into the mitochondrial outer membrane, disrupting it. The precise nature of the disruption remains unclear, but it allows the near simultaneous release of all intermembrane space proteins.
Bax and Bak act redundantly in MOMP and at least one of them is required to permeabilize mitochondria. In living cells these proteins are generally inactive, but become activated in response to upstream events. At least two of the BH3-only proteins (Bim and active Bid) activate Bax and Bak through transient interaction, although other conditions (such as heat, changes in pH, and changes in the lipid milieu) may activate the effectors independently of BH3-only proteins
MOMP is antagonized by the antiapoptotic Bcl2 proteins, which bindto andinhibit both Bax/Bak andthe BH3- only proteins by interacting withtheir BH3 domains. Antiapoptotic Bcl2 proteins are also regulated at both the transcriptional and posttranslational levels. In particular, Mcl1 degradation by the ubiquitinproteasome system participates in apoptosis induction following several cellular stresses. Upon DNA damage, the BH3-domain-containing protein Mcl1 ubiquitin ligase E3 (MULE) directly binds to Mcl1 and catalyzes its ubiquitylation and degradation (Warr et al. 2005). During antitubulin chemotherapeutic-induced mitotic arrest, Mcl1 is phosphorylated by stress-activated and mitotic kinases such as the MAP kinase (MAPK) Jun amino-terminal kinase (JNK), casein kinase II (CKII), and p38 MAPK. These phosphorylation events unveil a degron on Mcl1 that recruits the SCF-Fbw7 ubiquitin ligase complex, thus targeting Mcl1 for ubiquitylation and degradation. Similarly, Mcl1 is degraded following growth factor withdrawal (e.g., IL3) and the subsequent loss of phosphoinositide 3-kinase (PI3K)-Akt signaling. This process relieves glycogen synthase kinase 3 (GSK3) from Akt inhibition. GSK3 then phosphorylates Mcl1, allowing its ubiquitylation by the E3 ligase b-transductin-repeat-containing protein (b-TrCP) and its subsequent degradation. Conversely, cancer cells can increase Mcl1 stability and overall resistance to cellular stress by expressing USP9X, a deubiquitylase that removes polyubiquitin chains from Mcl1
Перевод:
1. ВВЕДЕНИЕ
Хотя гибель клеток может происходить в результате тотальных повреждений, большинство случаев гибели клеток у животных происходит активным образом, как следствие определенных сигнальных событий. В целом, существует три типа гибели клеток, которые в значительной степени определяются появлением умирающей клетки: апоптоз (также известный как гибель клеток типа I), аутофагическая гибель клеток (тип II) и некроз (тип III).
Апоптоз характеризуется сжатием клеток, мембранным блеббингом и конденсацией хроматина (пикноз). Это может быть далее определено как гибель клеток, сопровождаемая активацией каспазных протеаз. Два основных сигнальных пути запускают апоптотическую гибель клеток: митохондриальный (внутренний) путь и путь рецептора смерти (внешний). Последнее включает классическое взаимодействие лиганд-клетка-поверхность-рецептор. Например, цитотоксические лимфоциты могут убивать инфицированные или трансформированные клетки путем экспрессии лигандов для рецепторов смерти (DR), подмножества семейства рецепторов фактора некроза опухолей (TNF). Эти лиганды вызывают апоптотическую гибель клеток-мишеней при условии, что они экспрессируют такие DR. DR-индуцированная гибель клеток в целом имеет решающее значение для функционирования иммунной системы и гомеостаза. Напротив, митохондриальный апоптотический путь обычно инициируется клеточно-автономным способом. Большинство клеточных стрессов, таких как повреждение ДНК (вызванное генотоксическими агентами или дефектами репарации ДНК) или стресс эндоплазматического ретикулума (ER) (индуцированный накоплением развернутых белков), активно задействуют апоптоз, когда клетки повреждены и не подлежат восстановлению.
И наоборот, отсутствие сигнала, такого как сигналы, активируемые факторами роста (например, цитокинами и нейротрофическими факторами), может привести к гибели клеток. Этот механизм имеет решающее значение для развития нервной системы у позвоночных, и считается, что половина этого нейрона умирает во время этого процесса. Эта гибель клеток частично связана с неспособностью некоторых предшественников нейронов должным образом мигрировать или иннервировать их мишени и, как следствие, с отсутствием стимуляции нейротрофического фактора. Точно так же во время иммунного ответа депривация цитокинов (вместе с путем DR) ответственна за острое сокращение популяции лимфоцитов после очистки от патогена. Другим примером гибели клеток, вызванной «потерей сигнала», является конкретная форма апоптоза, называемая аноикисом, которая возникает, когда эпителиальные или эндотелиальные клетки отрываются от внеклеточного матрикса (ЕСМ). В этом сценарии нелигированные ЕСМ-рецепторы семейства интегринов перестают индуцировать просурвальные сигнальные пути, что в конечном итоге приводит к апоптозу. Этот механизм предотвращает колонизацию клеток, исходящих от их исходного местоположения, в другом месте (характеристика метастатических раковых клеток). Наконец, онкогены могут вызывать апоптоз (например, Myc) в качестве защитного механизма против развития рака. Этот процесс частично контролируется р53-зависимым апоптотическим путем, который активируется в ответ на аберрантные митогенные сигналы, возникающие в результате избыточной экспрессии или мутации онкогена. Как следствие, уклонение от апоптотической гибели клеток часто является необходимым условием для поддержания трансформации онкогена.
Аутофагическая гибель клеток характеризуется появлением крупных внутриклеточных пузырьков и включением механизма аутофагии. Следует отметить, что, хотя аутофагия (то есть, поглощение мембраны и катаболическая деградация частей цитоплазмы) является широко определенным процессом, его функция в качестве активного механизма клеточной гибели остается весьма спорной. Аутофагия в основном представляет собой процесс выживания, участвующий в реакции на метаболический кризис (например, низкие уровни АТФ и недостаток питательных веществ и аминокислот) или в удалении поврежденных органелл (например, митохондрий с низким мембранным потенциалом) и белковых агрегатов. Как реакция на стресс, аутофагия скорее сопровождает, а не способствует гибели клеток в большинстве сценариев и просто представляет неудачную попытку выживания. Тем не менее, есть конкретные примеры, в которых механизм аутофагии абсолютно необходим для гибели клеток. Во время метаморфоза дрозофилы устаревшие личиночные ткани, такие как средняя кишка и слюнные железы, регрессируют через массивную аутофагическую клеточную смерть, процесс, запускаемый стероидным гормоном экдизоном. В этом конкретном случае дефишенсии генов аутофагического сигнального пути изменяет программу гибели клеток. Также сообщалось о гибели аутофагических клеток в ответ на нерегулируемую активность H-Ras, и поэтому они могут представлять защитный механизм против онкогенной трансформации.
Некроз характеризуется набуханием клеток и разрывом плазматической мембраны, а также потерей органеллярной структуры без конденсации хроматина. Хотя некроз может возникнуть как следствие непоправимого повреждения клеток, существует по крайней мере один путь активного некроза. Эта форма гибели клеток, иногда называемая некроптозом, вовлечена в несколько сигнальных путей, которые все сходятся при активации взаимодействующей с рецептором протеинкиназы 3 (RIP3). RIP3 активируется при рекрутировании в макромолекулярные комплексы ниже различных рецепторов клеточной поверхности: DR, Toll-подобных рецепторов (TLR) и T-клеточного рецептора (TCR). Кроме того, повреждение ДНК может непосредственно вызывать формирование платформы активации RIP3, независимо от лигирования рецептора на клеточной поверхности. Наконец, RIP3-зависимый некроз также запускается цитозольным сенсором ДНК, ДНК-зависимым активатором регуляторных факторов интерферона (DAI), после вирусной инфекции и присутствия в цитозоле двухцепочечной вирусной ДНК.
Здесь мы имеем дело с передачей сигналов, ведущих к гибели клеток у позвоночных, и фокусируемся на процессах, которые хотя бы частично поняты на молекулярном уровне. Мы не обсуждаем физиологию и патологию гибели клеток в деталях или процессы, связанные с клиренсом умирающих клеток. Читатели найдут более полный обзор этих тем и других аспектов гибели клеток в других местах.
2-я ТИПА I КЛЕТОЧНАЯ СМЕРТЬ: АПОПТОЗ
Апоптотическая гибель клеток преимущественно инициируется либо DR, либо митохондриальным путем, хотя существуют дополнительные пути. DR — например, Fas (также известный как CD95), рецептор Trail (TRAIL-R) или TNFR1 — индуцируют апоптоз путем прямого рекрутирования платформы активации каспазы при связывании с их соответствующим лигандом. Митохондриальный путь апоптоза, с другой стороны, запускается при потере целостности наружной мембраны митохондрии, что позволяет высвобождать проапоптотические факторы (например, цитохром с) из митохондрий в цитозоль. Этот процесс контролируется семейством белков Bcl2. Оказавшись в цитозоле, цитохром с индуцирует сборку комплекса каспазоактивации: апоптосомы. Оба пути завершаются активацией каспазных протеаз и расщеплением внутриклеточных белков, что в конечном итоге приводит к разрушению клетки. Ниже мы подробно рассмотрим эти процессы, начиная с конечной точки: активация каспазы.
2.1 Активация каспазы, функция и регулирование
Апоптоз включает в себя активацию каспаз, которые управляют всеми морфологическими изменениями, которые характеризуют эту форму гибели клеток. Каспазы являются цистеиновыми протеазами со специфичностью к остаткам аспарагиновой кислоты в их субстратах. Хотя по меньшей мере 17 различных каспаз существуют у млекопитающих, мы фокусируемся только на подмножестве их, для которых активация, по крайней мере, частично понятна, и роли в гибели клеток установлены. Каспазы-исполнители (каспаза-3, каспаза-6 и каспаза-7) влияют на разрушение и образуются в виде неактивных димеров, в которых отсутствуют домены взаимодействия с белком. Активация происходит из-за протеолитического расщепления между тем, что будет большой и маленькой субъединицами зрелого фермента. После расщепления новые концы складываются в интерфейс димера и способствуют конформационным изменениям, чтобы создать два активных сайта в зрелой протеазе. Расщепление каспазы-6 опосредуется каспазой-3 и каспазой-7, тогда как активация последних двух каспаз обычно является функцией каспаз «инициатора». Именно эти каспазы-инициаторы и их активация определяют пути передачи апоптических сигналов (см. Ниже).
После активации исполнительной каспазы, в частности каспаза-3 и каспаза-7, могут обрабатывать по меньшей мере 1000 белков. Расщепление этих каспазных субстратов может привести либо к усилению, либо к потере функции этих белков и в конечном итоге приводит к клеточным изменениям, связанным с апоптозом. В частности, протеолиз каспазы инактивирует компоненты основных физиологических процессов. Например, расщепление каспазой субъединицы р75 комплекса I цепи переноса электронов нарушает митохондриальный трансмембранный потенциал, транспорт электронов и продукцию АТФ во время апоптоза. Наоборот, расщепление каспазой также может активировать специфические пути. Это относится к каспазо-активируемой нуклеазе (CAD), ДНКазе, которая расщепляет хроматин между нуклеосомами, когда его ингибитор, iCAD, расщепляется каспазой-3. Кроме того, каспазы могут захватывать сигнальные пути путем конститутивной активации некоторых из их компонентов. Например, характерная морфология апоптотических клеток обусловлена каспаз-опосредованной активацией нескольких актиновых модуляторов цитоскелета: гельсолина, р21-активированной киназы 2 (PAK2) и Rho-ассоциированной киназы I (ROCKI). Гелсолин, регулирующий кальций актин-разъединяющий белок, становится конститутивно активным после обработки каспазой. PAK2 и ROCK I являются серин-треонин-киназными эффекторами семейства Rho GTPase (Rac1, Cdc42 и Rho), которые регулируют полимеризацию актина и сократимость актина-миозина. После расщепления каспазой их киназная активность становится независимой от GTPases, вызывая тем самым аберрантную реорганизацию актинового цитоскелета и характерное блеббинг мембраны, наблюдаемый в апоптотических клетках.
В отличие от каспаз-исполнителей, каспазы-инициаторы существуют в клетках как неактивные мономеры и не активируются расщеплением. Вместо этого адаптерные молекулы, которые собираются в платформы активации каспазы, рекрутируют эти каспазы инициатора, заставляя мономеры находиться в непосредственной близости и вызывая конформационные изменения, которые приводят к образованию активных сайтов. В некоторых (но не во всех) случаях последующее самоочищение каспазы необходимо для стабилизации зрелого активного фермента. Следует отметить, что хотя расщепление каспазы палача указывает на ее активацию, расщепление каспазы инициатора не обязательно является показателем активации.
Взаимодействия между платформами активации каспазы и каспазами включают «белки гибели» доменов белков. Такие элементы складки смерти присутствуют в адапторных белках и каспазах: домен рекрутирования каспазы (CARD) и эффекторный домен смерти (DED). Другие складки смерти, домен смерти (DD) и домен пирина (PYR), участвуют в сборке некоторых платформ активации каспазы, но не присутствуют на каспазах. Смертельные домены обычно опосредуют межбелковое взаимодействие посредством гомотипического взаимодействия. Они не имеют сходства последовательности, но имеют сходные структуры, состоящие из шести амфипатических спиралей.
2.2 Активация каспазы-9: митохондриальный путь апоптоза
Митохондриальный путь апоптоза, также называемый внутренним путем, является наиболее распространенным механизмом апоптоза у позвоночных. Он активируется в ответ на различные клеточные стрессы, в том числе повреждение ДНК, лишение фактора роста, стресса ER и сигналов развития. На этом пути исполнительные каспазы расщепляются и активируются каспазой-9, которая сама активируется платформой активации каспазы, называемой апоптосомой.
Апоптотический протеазоактивирующий фактор 1 (APAF1) представляет собой каркас, вокруг которого собирается апоптосома. Во время внутреннего апоптоза цитохром с высвобождается из митохондрий в цитозоль (см. Ниже) и связывается с Apaf1. Это взаимодействие запускает гидролиз dATP кофактора Apaf1 до dADP. Последующий обмен dADP с экзогенным dATP позволяет олигомеризовать семь APAF1-dATP-цитохром-с единиц в активную апоптосому. В центре апоптосомы открытые CARDs на APAF1 связываются с CARD каспазы-9, таким образом, неактивные мономеры каспазы-9 находятся в непосредственной близости для активации и автообработки. Вследствие более высокого сродства к апоптосоме каспаза-9 полной длины вытесняет обработанную форму, создавая непрерывный цикл рекрутирования, активации, обработки и высвобождения каспазы-9. Поскольку каспаза-9 поддерживает каталитическую активность только в этом связанном состоянии, апоптосома функционирует как молекулярный таймер, время жизни которого прямо пропорционально количеству присутствующей необработанной каспазы-9.
В здоровых клетках цитохром с обнаружен только в митохондриальном межмембранном пространстве. Для его взаимодействия с APAF1 должна произойти пермеабилизация наружной мембраны митохондрий (MOMP), запускаемая апоптотическими стимулами. MOMP индуцирует высвобождение всех растворимых белков митохондриального межмембранного пространства в цитозоль. В дополнение к цитохрому с, в ходе этого процесса высвобождаются два других проапоптотических белка: Smac (также известный как Diablo) и Omi (также известный как HtrA2). Smac и Omi усиливают активность апоптосом путем антагонизма ингибитора каспазы Х-связанного ингибитора апоптоза (XIAP). В отсутствие Smac и Omi, XIAP связывается и ингибирует каталитическую активность инициатора каспазы-9 и каспаз-исполнителя-3 и -7. XIAP дополнительно ослабляет индукцию собственного апоптоза посредством прямого убиквитилирования и протеасомной деградации активных каспаз.
MOMP — это строго регламентированное событие, контролируемое членами семейства Bcl2. Они имеют одну или несколько областей гомологии Bcl2 (BH), определяемых последовательностью, структурой и функцией. Существует три широких класса белков Bcl2: проапоптотические эффекторные белки (Bax и Bak), которые необходимы и достаточны для MOMP; антиапоптотические белки Bcl2 (например, Bcl2, Bcl-xL и Mcl1), которые блокируют MOMP; и только белки BH3 (например, Bid, Bim, Bad и Noxa), которые активируют проапоптотические эффекторы и / или нейтрализуют антиапоптотические белки Bcl2. Белки также контролируют некоторые другие клеточные процессы, включая митохондриальное слияние, аутофагию и отток кальция из ER.
Bax и Bak несут непосредственную ответственность за потерю целостности митохондриальной наружной мембраны. После активации они образуют большие олигомеры, которые вставляются в наружную мембрану митохондрий, разрушая ее. Точная природа нарушения остается неясной, но она позволяет почти одновременно высвобождать все межмембранные пространственные белки.
Bax и Bak действуют избыточно в MOMP, и, по крайней мере, один из них необходим для проницаемости митохондрий. В живых клетках эти белки, как правило, неактивны, но становятся активированными в ответ на последующие события. По крайней мере два из белков только BH3 (Bim и active Bid) активируют Bax и Bak посредством временного взаимодействия, хотя другие условия (такие как нагрев, изменения pH и изменения в липидной среде) могут активировать эффекторы независимо от BH3- только белки
MOMP противодействует антиапоптотическим белкам Bcl2, которые связываются и ингибируют белки Bax / Bak и только BH3, взаимодействуя с их доменами BH3. Антиапоптотические белки Bcl2 также регулируются как на транскрипционном, так и на посттрансляционном уровнях. В частности, деградация Mcl1 системой убиквитин протеасома участвует в индукции апоптоза после нескольких клеточных стрессов. При повреждении ДНК содержащий BH3-домен белок Mcl1 убиквитинлигаза E3 (MULE) непосредственно связывается с Mcl1 и катализирует его убиквитилирование и деградацию. Во время митотической остановки, вызванной химиотерапевтическим действием, вызванным антитубулином, Mcl1 фосфорилируется активируемыми стрессом и митотическими киназами, такими как MAP-киназа (MAPK) Jun амино-терминальная киназа (JNK), казеинкиназа II (CKII) и p38 MAPK. Эти события фосфорилирования раскрывают дегрон на Mcl1, который рекрутирует комплекс убиквитинлигазы SCF-Fbw7, таким образом направляя Mcl1 на убиквитилирование и деградацию. Подобным образом, Mcl1 ухудшается после удаления фактора роста (например, IL3) и последующей потери передачи сигналов фосфоинозитид-3-киназы (PI3K) -Akt. Этот процесс освобождает гликогенсинтазкиназу 3 (GSK3) от ингибирования Akt. GSK3 затем фосфорилирует Mcl1, обеспечивая его убиквитилирование с помощью белка, содержащего b3-трансдуктин-повтор лигазы E3 (b-TrCP) и его последующую деградацию. И наоборот, раковые клетки могут повышать стабильность Mcl1 и общую устойчивость к клеточному стрессу путем экспрессии USP9X, деубиквитилазы, которая удаляет цепи полиубиквитина из Mcl1.