17. A Bcl-2 fehérjecsalád és az apoptózis

A gerincesekben a Bcl-2 család a mitokondriumok külső membránjának integritása fölött őrködik, ezzel kapcsolatban elsősorban az apoptózis mitokondriumokból kiinduló, úgynevezett „belső” (intrinsic) útvonalának szabályozásában játszik szerepet. Ez az útvonal akkor aktiválódik, amikor a mitokondriumok külső membránja sérül, s ennek következtében a két membrán közötti intermembrán térből apoptogén (apoptózist indukáló) faktorok kerülnek ki a citoszolba. Ez a halál receptoroktől függetlenül egy citoplazmatikus helyzetű pro-kaszpáz toborzó platform (apoptoszóma) kialakulását kezdeményezi, ami pro-kaszpázok aktiválásán keresztül apoptózishoz vezet.

Annak ellenére, hogy a Bcl-2 család evolúciós szinten konzervativizmust mutat, a gerinces és a gerinctelen modellállatokban betöltött feladatai csak részben azonosak. A mitokondriális külső membrán integritásának felügyelete úgy tűnik, hogy az említettek közül csak a gerincesekre jellemző. Alábbi leírásunk a gerincesek Bcl-2 fehérje családjára vonatkozik.

A gerincesek Bcl-2 fehérjecsaládja

Az erős evolúciós konzervativizmust mutató molekula család első tagját, a Bcl-2 fehérjét non-Hodgkin (B-sejtes) lymphomából izolálták, mint protoonkogént. A fehérje (és az egész család) elnevezése erre utal: Bcl-2 = B-cell CLL/lymphoma 2. A Bcl-2 gén itt az immunglobulin nehéz lánc lókuszba épült be, ami a fehérje folyamatosan magas szintű expresszióját (konstitutív hiperexpresszió) eredményezte. Az átírt nagy mennyiségű fehérje nem proliferációt serkentett, hanem védetté tette a limfocitákat a szelekció folyamán fellépő pro-apoptotikus hatásokkal szemben.

A Bcl-2 molekulában összesen 4 különböző, jellegzetes, alpha-helix dominanciájú, konzervatív szekvencia található. A Bcl-2 fehérjecsaládba olyan molekulák tartoznak, amelyek rendelkeznek legalább egy ilyen, úgynevezett Bcl-2 homológia (BH-) doménnel. A szerkezeti homológia és az apoptózisban betöltött funkció alapján ma már több mint 20 fehérjét sorolunk ebbe a családba. A molekula család szerkezeti és funkcionális csoportosítása jól korrelál egymással (17.1. ábra).

Az anti-apoptotikus hatású molekulák mutatják a legnagyobb szekvencia homológiát a Bcl-2 molekulával, mivel rendelkeznek valamennyi Bcl-2 homológia doménnel (BH1, BH2, BH3, BH4), így az úgynevezett BH-multidomén alcsalád tagjai. Közös jellemzőjük továbbá, hogy a C-terminálisukon található egy hidrofób transzmembrán (TM) régió, amely nagymértékben meghatározza a sejten belüli lokalizációjukat. Elsősorban a mitokondrium külső membránjában, az endoplazmatikus retikulum és sejtmag membránban találhatók. A Bcl-2 mellett ebbe a csoportba tartoznak a Bcl-XL (BCL-2-related gene, long isoform), a Bclw (másnéven: Bcl2-L-2, Bcl-2-like protein 2) az MCL1 (myeloid cell leukemia 1), a Bcl-2A1 (BCL-2-related gene A1), valamint a Bcl-B (másnéven: Bcl2L10, bcl-2-like protein 10, Diva/Boo).

A pro-apoptotikus családtagok a Bcl-2 homológia doménjük száma alapján két csoportba oszthatók. Vannak közöttük BH1–3 régióval rendelkező BH-multidoménű fehérjék és vannak csak BH3 domént tartalmazó, úgynevezett „BH3 only” proteinek. A multidoménnel rendelkezők mindegyikének van TM régiója, míg a „csak BH3” fehérjék közül csupán csak egyeseknek.

A BH-multidoménű pro-apoptotikus fehérjék közé tartoznak a Bax (BCL-2-associated X protein), a Bak (BCL-2 antagonist/killer) és a Bok (BCL-2-related ovarian killer). A Bax és a Bak végrehajtó, effektor funkciójú, mindketten a mitokondrium membránban kialakuló pórusok képzésében vesznek részt. (Ilyen funkciót a Bok esetében nem igazoltak.) Míg a TM régiója alapján a Bak „rezidens” mitokondriális membrán fehérje, addig a Bax transzmembrán régiója csak konformáció változás után kerül a felszínre, s a citoszolból ez irányítja a mitokondriális membránba.

A „BH3 only” csoport tagjai celluláris stressz szenzorok. Tartalmaznak ugyan BH3 domént, de evolúciós szempontból távolabb állnak a multidomén családtagoktól. Egy képviselőjüket, az Egl-1-et már a C. elegans apoptózis génjeinek felfedezése során leírták, de a csoport tagjainak számszerű és funkcionális gyarapodása valószínűleg a gerincesek törzsfejlődése során történt meg. Ide tartoznak a Bad (BCL-2 antagonist of cell death), a Bik (BCL-2-interacting killer), a Bmf (Bcl-2-modifying factor), a Hrk (harakiri), a Noxa (Bcl-2 homology 3, phorbol-12-myristate-13-acetate-induced protein 1), a Puma (p53upregulated modulator of apoptosis), a Bid (Bcl-2-interacting domain death agonist) és a Bim (Bcl-2-interacting mediator of cell death) fehérjék. Az, hogy az emlős sejtekben ennyire sokféle BH3 fehérje alakult ki, valószínűleg az apoptózis fokozott szelektivitását teszi lehetővé, ami által lehet a sejthalál indukcióját csak egyes (szignalizációs útvonalakkal rendelkező) sejttípusokra korlátozni.

Az anti- és a pro-apoptotikus Bcl-2 fehérjék között kialakuló kölcsönhatásokat csak tájékoztatásul foglaljuk össze a 17.I. táblázat segítségével.

A Bcl-2 fehérjék alakjuk alapján globuláris és belsőleg rendezetlen szerkezetű csoportokra oszthatók. A globuláris szerkezetet mutatók közé a multi-doménnel rendelkező családtagok tartoznak. A Bid kivételével a csak BH3 domént tartalmazó fehérjék rendezetlen konformációjúak, s rendezett szerkezetet csak másik családtaghoz való kötéssel alakítanak ki.

A molekulákban a BH4 domén barna, a BH3 rózsaszín, a BH1 lila, a BH2 kék, a transzmembrán régió pedig zöld színű.

17.1. ábra A Bcl-2 fehérjecsalád tagjainak szerkezeti és funkcionális felosztása. A szerkezeti rajzokon a barna, lila és kék BH feliratú négyzetek a Bcl-2 homológ domént, a zöld TM feliratú négyzetek pedig a transzmembrán domént jelölik. A funkcionális felosztás alapján megállapíthatjuk, hogy az anti-apoptotikus családtagok mindannyian a BH multidomén alcsaládba, míg a pro-apototikusak részben ide, részben a BH3 domén alcsaládba tartoznak. A pro-apoptotikus fehérjék között vannak effektorok, direkt aktiválók és szenzitizálók is. (A részleteket és az elnevezések /betűszavak/ magyarázatát l. a szövegben.)

17.I. táblázat. Az anti- és a pro-apoptotikus Bcl-2 fehérjék között kialakuló kölcsönhatások

PRO-APOPTOTIKUSAK

MULTIDOMÉN F.

CSAK BH3 FEHÉRJÉK

ANTI-APOPTOTIKUSAK

Bax/Bak/Bid

AKTIVÁTOROK

SZENZITIZÁLÓK

Bcl-2

Bax, Bid

Bim, Puma

Bmf, Bad

Bcl-XL

Bax, Bak, Bid

Bim, Puma

Bmf, Bad, Bik, Hrk

Bcl-w

Bax, Bak, Bid

Bim, Puma

Bmf, Bad, Bik, Hrk

Mcl-1

Bak, Bid

Bim, Puma

Noxa, Hrk

Bcl2-A1

Bak, Bid

Bim, Puma

Noxa, Bik, Hrk

A külső mitokondriális membrán ellenőrzésének fontossága

A mitokondriális külső membrán mindenkori állapotáért, intaktságáért, áteresztőképességének változásáért többek között a Bcl-2 molekula család transzmembrán régióval is rendelkező anti- és pro-apoptotikus tagjai a felelősek. Az egészséges sejtben a mitokondriumok hálózatot alkotnak (l. 18. fejezet), s nem lehet véletlen az, hogy e hálózat növekedésében (mitokondrium fúzió) és fragmentálódásában („osztódás”, lefűződéses szétválás), azaz a mitokondriális hálózat stabilitásának meghatározásában – a mitokondrium-fúziót és „osztódást” lebonyolító fehérjéken kívül (l. 18. fejezet) – e fehérje család tagjait is megtaláljuk. A mitokondriális hálózat viszonylag gyors és irreverzibilis szétesése azonban „csak” szükséges, de nem elégséges feltétele a mitokondriális sejthalál útvonalak felpörgésének.

A mitokondriumok számos olyan fehérjét „őriznek” intramembrán terükben, amelyek az egészséges sejtben hasznos funkciót töltenek be, a citoplazmába kijutva azonban apoptogén hatásúak. A sejt élete szempontjából tehát alapvető fontosságú az, hogy ezek a molekulák ne kerülhessenek ki a citoplazmába. Közülük csak a legfontosabbakat említve ide tartozik a citokróm-c, az AIF, az endonukleáz G, a Smac és az Omi, amelyek a rendeltetési helyükként szolgáló mitokondrium „fogságából” kijutva – a sejthalál előidézése érdekében – átfogó hadműveletekbe kezdenek (hatásukról a 18. és a 19. fejezetben lesz szó). Az apoptózis mitokondriális útvonalának kezdő lépése, azaz a mitokondriális hálózat gyors és irreverzibilis szétesése után az igazi, lényegi kérdés tehát az, hogy ezek az apoptogén molekulák hogyan jutnak ki a citoplazmába.

A Bak és a Bax pórusképzése

A mitokondrium terének citoplazmától való elszigeteltségét a külső membrán épsége biztosítja. Erre a Bcl-2 fehérje család anti-apoptotikus tagjai „vigyáznak”. A névadó Bcl-2 és a Bcl-XLhomodimer formában vannak itt jelen, azonban arra is képesek, hogy az effektor, pórusképző pro-apoptotikus multidomén fehérjékkel heterodimereket alkossanak. Apoptotikus szignál nélküli állapotban ez csak a Bak fehérje heterodimerbe való bevonását jelenti, ami elvonja azt a BakBak homodimerek képződésétől (17.2. ábra).

A Bak állandóan a mitokondrium külső membránjában található, pro-apoptotikus Bcl-2 családtag. Homodimert képez, de nagy affinitással kötődik a Bcl-2 és Mcl-1 antiapoptotikus fehérjékhez is. A Bax a citoszolban található pro-apoptotikus faktor, ami az anti-apoptotikus családtagok közül a Bcl-2-t és a Bcl-XL-t köti. Apoptotikus szignál hatására bekövetkező konformáció változás után kerül át a mitokondrium külső membránjára, ahol homodimert majd oligomert formál. Ahhoz, hogy a multidomén effektor fehérjék homotipikus oligomereket képezhessenek az szükséges, hogy túlsúlyba kerüljenek a velük heterodimereket formáló anti-apoptotikus családtagokkal szemben. Az aktiválódó és fölénybe kerülő effektor fehérjék úgynevezett apoptózis indukált csatornákat (mitochondrial apoptosis-induced channel, MAC) formálnak, amelyeken keresztül a fent említett apoptogén faktorok közül a citokróm-c a citoszolba jutva sejthalált indukál. A MAC előképzett formában már a nyugalomban lévő mitokondriumban is megtalálható: komponensei a Bax/Bak és egy mág azonosítatlan fehérje (17.2. ábra).

A mitokondrium külső membránja kék felszín, amelyre rálátunk, az alatta lévő belső membrán szürke. Az anti-apoptotikus fehérjék zöld, a pro-apoptotikusak pedig narancssárga színűek. A MAC prekurzorok lilák.

17.2. ábra Az anti-apoptotikus Bcl2 és Bcl-XL fehérjék homo- és heterodimerjei a mitokondrium külső membránjában. A multidomén szerkezetű, egymással homodimereket alkotó anti-apoptotikus fehérjék képesek a pro-apoptotikus Bak megkötésére is, meggátolva ezzel annak di- és oligomerizációját (szaggatott nyíl). A MAC prekurzor formában jelen van a membránban, benne az effektor Bcl-2 fehérjék monomerjei és egy még ismeretlen (a rajzon lila színnel jelzett) fehérje található.

A MAC a külső membránban kialakuló, patch clamp technikával kimutatható, nem feszültségfüggő csatorna, amely apoptótikus szignál hatására áll össze, s pórus átmérője 3–7,5 nm közötti. Szerkezetileg és működésében is elkülöníthető más mitokondriális pórusoktól, így a belső membránban nyíló permeabilitási tranzíciós pórusoktól (permeability transition pore, PTP) is (17.3. ábra). Bizonyos hatásokra csak a MAC vagy a PTP, más stimulusokra pedig mindkettő megnyílik. Valószínűsíthető, hogy a PTP apoptózisban betöltött szerepe közvetett: nyílásával a mátrix tartalom áramlik ki az intermembrán térbe, s ez a külső membrán felhasadásához, végső soron apoptogén faktorok citoplazmába jutásához vezet (17.3.C ábra). A MAC ezzel ellentétben csak az intermembrán tér tartalmát engedi ki a citoszolba (17.3.A ábra). A Baxbizonyítottan komponense a MAC-nak, s Bax hiányában a Bak képes helyettesíteni effektor társát. A pórus formálás előfeltétele az oligomerizáció.

A mitokondrium membránjai kékek, az intermembrán tér világoskék, a mátrix fehér. A citokróm-c piros kis kör. A MAC pórus narancssárga (bal felül), a PTP sötétbarna (bal oldalon alul), a TOM világoszöld, a TIM sötétzöld (jobbra felül), a VDAC lila (jobb oldalon alul).

17.3. ábra A mitokondrium külső és belső membránjának csatornái. A MAC az intermembrán teret nyitja össze a citoszollal, így nyitása citokróm-c kiáramlást okoz, ami apoptózist indukál (A). A PTP a belső membránban található, a mátrix tartalmát engedi ki az intermembrán térbe. A kiáramló faktorok között vannak apoptózist indukálók is (AIF, EndoG: endonukeáz G), s ez a beltartalom a külső membrán felhasadásával kerül ki a citoszolba (B). A TOM és a TIM komplexek a sejtmagban kódolt fehérjék mitokondriumba jutását biztosítják (C), míg aVDAC (voltage dependent anion-selective channel) számos faktor mellett a nukleotidokat és a piroszőlősavat transzportálja.

Azzal kapcsolatban, hogy a mitokondrium membránjában a Bcl-2 fehérje család egymás mellett található anti- és pro-apoptotikus tagjai milyen kölcsönhatásokra képesek, hogy ezek alapján hogyan marad meg, illetve billen át a közöttük lévő egyensúly adott esetben az apoptózis irányába, többféle elmélet látott napvilágot.

A direkt aktivációs elmélet

Az úgynevezett direkt aktivációs modell (17.4. ábra) szerint a BH3 fehérjéknek direkt kapcsolódniuk kell a pórusképző Bak és Bax proteinekhez. Ez a modell a BH-3 fehérjéket direkt aktivátorokra és „érzékenyítőkre” osztja. Az aktivátorBH3 fehérjék ugyan kapcsolatba lépnek mind az anti-, mind pedig a pro-apoptotikus Bcl-2 fehérjékkel is, de nagy affinitással a pro-apoptotikus Bak és Bax proteinekhez kötődnek. Az aktivátorok közé tartozik a hasított Bid, a Bim és a Puma. Ahhoz, hogy ez ne vezessen sejthalál indukcióhoz, az kell, hogy az anti-apoptotikus családtagok megkössék, „fogva tartsák” az aktivátorokat. A szenzitizáló BH3 fehérjék (Bad, Noxa, Bik, Bmf, Hrk)az anti-apoptotikus családtagokkal alakítanak ki kölcsönhatásokat; elvonva ezzel azokat a pro-apoptotikus családtagok kötésétől, „fogva tartásától”. Ebben a modellben az anti-apoptotikus családtagok ezekután nem képesek az effektor Bak és Bax kötésére.

A helyettesítő modell

Az elmélet azt állítja, hogy a pórusképző Bak és Bax fehérjék állandóan aktívak (oligomerizálódva MAC-ot formálnának), így ahhoz, hogy a sejt életben maradjon, biztosítania kell azt, hogy az anti-apoptotikus családtagok egy komplexben inaktiválják a fenti proteineket. A BH3 fehérjék a multidoménű, pro-apoptotikus Bak és a Bax fehérjéket oly módon szabadítják fel a gátlás alól, hogy helyettesítik azokat az anti-apoptotikus fehérjékkel alkotott komplexben (17.4. ábra). E modell szerint a Bak és a Bax aktiválásához tehát nem szükséges azoknak BH-3 fehérjékkel való direkt molekuláris kölcsönhatása, és az elmélet nem különböztet meg aktivátor és szenzitizáló BH-3 csoportokat sem. Azt, hogy mely fehérjék képesek az anti-apoptotikus partnereket elvonni a pórusképző családtagoktól, csupán az azokkal szembeni kötésük affinitása határozza meg.

A „csak BH3” fehréjék a rajz tetején barna csepp alakkal szmbolizáltak, az anti-apoptotikus Bcl-2 családtagok zöld négyzettel, a Bak és Bax fehérjék a rajz alján piros körrel jelöltek. A bal oldali rajzon felettük a rózsaszín csepp a „csak BH3” aktivátor fehérjéket jelöli.

17.4. ábra A direkt és a helyettesítő modell vázlata. A direkt aktivációs modellben (bal oldal) az anti-apoptotikus fehérjék nem az effektor Bak és Bax proteinekhez kötődnek, apoptózisgátló hatásukat az aktivátor BH3 családtagok (BH3 A) megkötésével fejtik ki. Amikor azonban a szenzitizáló BH3 fehérjék komplexbe vonják az anti-apoptotikus Bcl-2 proteineket, akkor az aktiválók „felszabadulnak”. A helyettesítő modell (jobb oldal) nem különböztett meg aktivátorokat: itt a Bak és a Bax állandóan aktív. Inaktivitásukat az anti-apoptotikus fehérjék biztosítják, ám ezeket a BH3 proteinek elvonhatják.

Az „együtt a membránba ágyazódva” modell

Ez a modell figyelembe veszi azt, hogy a MAC pórusképző forma membránba ágyazott környezetben alakul(hat) csak ki, s egyesíti az előző modellek fő vonásait. Azon alapszik, hogy pórusok addig nem jelennek meg a mitokondriális membránban, amíg a Bak és a Bax el nem éri a megfelelő aktív formáját, s hogy az egyes szereplőknek a membránnal kialakított kölcsönhatása következtében beálló konformáció változás szabja meg a kialakítható komplexek relatív arányát.

Ebben a modellben az aktivátor BH-3 fehérjék közvetlenül képesek kötődni a Bak és Bax proteinekhez, de képesek kötni az anti-apoptotikus Bcl-2 fehérjéket is: mindkettőt „helyettesíteni” tudják a komplexben (17.5. ábra). A modellben szerepelnek az érzékenyítő BH-3 fehérjék is, amelyek csak az anti-apoptotikus családtagokat kötik. Az anti-apoptotikus fehérjék apoptózis gátló hatásukat egyrészt a pro-apoptotikus proteinek megkötésével, másrészt azok membránhoz való kötődésének megakadályozásával ér(het)ik el. A fenti folyamatokban lényeges szempont a membránhoz való kötődés képességének kialakítása, valamint az egyensúly fenntartásában az, hogy az egyes komplex alkotók membránba integrálódni képes formái milyen arányban állnak rendelkezésre.

Az egyesített modell

Ismert, hogy a Bak és a Bax fehérjék a mitokondrium hálózat dinamikájának szabályozásában is részt vesznek (l. 18. fejezet). Az ebben és az apoptózis indukciójában betöltött szerepüket legsikeresebben ez a modell integrálja. Ez az elképzelés az „együtt a membránba ágyazódva” modellre építve az anti-apoptotikus fehérjéknek kétféle kölcsönhatási módját tételezi fel (17.5. ábra). Az első az aktivátor BH3 fehérjék „lefoglalását” jelenti, a második az effektor Bak és Bax proteinek komplexbe vonását. Az apoptózis gátlása az első módon kevésbé bizonyul hatékonynak, mint a második útvonal használatával, s viszonylag könnyen legyőzhető az érzékenyítő családtagok közreműködésével. Mindkét útvonal lehet domináns, s ez az adott stresszhatástól, illetve a vizsgált sejttípustól függ. A Bak és a Bax mitokondriális hálózatot érintő hatását (fúzió gátlás) csak a kettes útvonal befolyásolja. Az anti-apoptotikus fehérjék ugyanis ebben az esetben közvetlenül gátolják a pórusképző fehérjéket (17.5. ábra)

Felhívjuk a figyelmet arra, hogy a Bcl-2 család tagjai között lezajló kölcsönhatások mindig a megfelelő állapotban lévő és hozzáférhető partnerek mennyiségétől (expresszió mértéke, poszt-transzlációs módosítások) függnek, amit az adott sejt fiziológiai állapota határoz meg.

A „csak BH3” fehréjék a rajz tetején barna csepp alakkal szmbolizáltak, az anti-apoptotikus Bcl-2 családtagok zöld négyzettel, a Bak és Bax fehérjék a rajz alján piros körrel jelöltek. Mellettük a rózsaszín csepp a „csak BH3” aktivátor fehérjéket jelöli.

17.5. ábra Az „együtt a membránba ágyazódva” és az egyesített modell vázlata. Az „együtt a membránba ágyazódva” modellben (bal oldal) az anti-apoptotikus fehérjék mind a BH3 aktivátor (BH3 A), mind pedig a BH3 szenzitizáló (BH3 S) fehérjékkel képesek összekapcsolódni, s mindegyik kötés felbontható, azaz reverzibilis. A komplexek arányát az egyes, membránba integrálódni képes szereplők lokális mennyisége határozza meg. Az anti-apoptotikus fehérjék sejthalál gátló hatásukat egyrészt az aktivátor, másrészt a Bak/Bax proteinek komplexben tartásával, valamint mindezek membránba való integrációjának gátlásával érik el. Az egyesített modell az előzőre épít, azonban az anti-apoptotikus fehérjéknek csak kétféle kölcsönhatását tételezi fel. Az 1. típus az aktivátor BH3 fehérjék komplexbe vonását, a 2. pedig a Bak és Bax fehérjék inaktivációját jelenti. Az első módozat könnyebben „felülírható” a szenzitizáló BH3 (BH3 S) proteinekkel, amelyek elvonják a komplexből az anti-apoptotikus szereplőket. A Bak/Bax mitokondriális hálózattal kapcsolatos funkcióit csak a 2. típusú kölcsönhatás befolyásolja.

A pórusképzés lehetőségei

Az apoptogén faktorok kijutását lehetővé tevő pórusok Bax és Bak fehérjék közreműködésével történő kialakulásának és/vagy fenntartásának magyarázatára alapvetően kétféle elképzelés született.

Az egyik lehetőség az, hogy ezek a pórusok előképzett formában már rendelkezésre állnak, de nem aktívak. A kísérletek alapján ennek a pórusnak része egy feszültségfüggő anion-csatorna, ami a külső membránban található. Az aktivált effektorok ehhez kapcsolódnak, ezzel stabilizálják annak nyitott állapotát.

Másik lehetőségként felmerül az, hogy maguk a Bak és Bax proteinek formálják a pórusokat (17.6. ábra). Mindkét fehérje tartalmaz olyan α-hélixeket, amelyek képessé teszik a molekulákat erre.

A citoszolikus Bax esetében leírták, hogy a membránnal való kezdeti kölcsönhatás következtében bekövetkező többlépéses konformáció változását egy BH3 fehérjével (l. Bim) való interakció stabilizálja: ennek következtében a Bax N-terminálisának egy szakasza a membránba süllyed. A mitokondriális külső membránban található Bak esete más: proapoptotikus BH3 általi aktiválása után valószínűleg több doménje is képes a fehérjét a membránba horgonyozni.

A BH3 fehérje általi aktiváció mind a Bak, mind pedig a Bax esetében nélkülözhetetlen a homodeimerek kialakulásához. A dimerizáció után a MAC kialakulásához oligomerizáció szükséges, ami további Bak és Bax fehérjék bevonását feltételezi. Az oligomerizációban a fehérjék egyik hélixe és a BH3 domén vesz részt (17.6. ábra). Az, hogy ezeket a csatornákat hány alegység és milyen elrendeződésben alkotja, pontosan még ma sem tisztázott.

Az inaktív Bak és Bax narancssárga, az aktivált effektorok pirosak. A citokróm c molekulák kék korongok.

17.6. ábra A pórusképző multidoménű pro-apoptotikus fehérjék aktiválása. Apoptotikus szignál (piros csillag) hatására a Bax fehérje a „kiegyenesedő” transzmembrán régiójával a mitokondrium külső membránjába (MKM) horgonyzódik. A Bak és a Bax fehérjék az aktiváció hatására feltáruló BH3 doménjükkel egymáshoz kapcsolódva dimerizálódnak, majd pórusformáló oligomereket képeznek. A póruson keresztül apoptogén faktorok (pl. citokrómc) áramlik ki a citoszolba. Az ábrán nem jeleztük, hogy az apoptotikus szignálokat (piros csillag) a legtöbb esetben a mobilizált „BH3-only” fehérjék közvetítik, illetve nem tüntettük fel a preformált MAC ma még nem azonosított fehérje komponensét sem, amely a monomer Bax/Bak fehérjéhez kötődhet.

A pórusképzés indukciója

A mitokondriális eredetű apoptogén faktorok megjelenésének, azaz az apoptotikus sejthalál belső útvonala aktiválásának kulcslépése a BH3 fehérjék és a Bax külső mitokondriális membránhoz irányítása. A „BH3-only” fehérjék mobilizálása a citoplazmában különböző apoptotikus szignálokra történik. Ilyen lehet a mikrotubuláris hálózat szétesése (Bim), a Bid parciális hasítása, ami aktív csonkolt Bid-et (truncated, tBid) eredményez, defoszforiláció (Bad), növekedési faktor hiánya (Hrk) és expresszió fokozódás (Puma, Noxa) (17.7. ábra).

A kép közepén lávő mitokondrium zöld. Tőle balra a Bad fehérje piros, a fölötte lévő Bim narancssárga kör, ettől jobbra a Bid szintén narancssárga, de ovális. A jobb felső sarokban a Noxa és a Puma barna négyzettel keretezettek, a jobb alsó sarokban a Hrk kék.

17.7. ábra A csak BH-3 fehérjék mobilizálása és aktiválása. A „BH3-only” fehérjék apoptotikus szignálokra történő mobilizálása szükséges a mitokondrium külső membránjában helyet foglaló pro- és anti-apoptotikus multidoménű Bcl-2 családtagok egyensúlyának az apoptózis irányába történő eltolásához.

A membránhoz való kötődést intenzív szerkezeti átrendeződés követi, majd a szenzitizáló BH3 családtagok az anti-apoptotikus Bcl-2 fehérjéket, míg az aktiváló BH3 fehérjék (Bim, Bid, Puma) az effektor Bcl-2 proteineket (Bak, Bax) kötik meg. A BH3 kötött anti-apoptotikus Bcl-2 fehérjék „elengedik” az effektorokat, amelyek ezután dimerizálódnak, majd oligomereket képezve olyan transzmembrán pórusokat formálnak (vagy hozzájárulnak ezek nyitva tartásához), amelyeken keresztül apoptotikus fehérjék áramlanak ki a citoszolba (17.8. ábra).

A mitokondrium külső membránja kék felszín, amelyre rálátunk, az alatta lévő belső membrán szürke. Az anti-apoptotikus fehérjék zöld, a „csak BH3” fehérjék sárgák, az aktivált Bak és Bax pedig piros színűek.

17.8. ábra A BH3 fehérjék szerepe a mitokondriális transzmembrán pórusok létrehozásában. Az apoptotikus szignálok aktiválják a citoszolikus BH3 fehérjéket, melyek a mitokondrium külső membránjába épülnek. A szenzitizáló BH3 proteinek a Bcl-2 fehérjékhez kötődnek, s elvonják azokat az effektor BH3 fehérjékkel alkotott heterodimerekből. Az aktiváló BH3 családtagok stabilizálják a citoszolból érkező Bax fehérjéket, valamint hozzásegítik az effektorokat az oligomerizációhoz. A Bak és Bax oligomerek által képzett transzmembrán pórusokon keresztül apoptotikus faktorok jutnak ki a mitokondriumból a citoszolba. (A membránba integrálódott szenzitizáló BH3 fehérjék útját barna, az aktivátor BH3 proteinek útját pedig lila színű nyilak jelzik.)

A Bcl-2 fehérjék nem-apoptotikus funkciói

Az apoptózis szabályozásán kívül a Bcl-2 család tagjainak szerepe van az ER kálcium tartalmának megőrzésében (Bcl-2), a mitokondrium-hálózat dinamikájának (mitokondrium fúzió, Bak, Bax, l. 18. fejezet), és a sejtciklus, valamint a gyulladásos válaszreakció szabályozásában (Bid) és a genom integritásának megőrzésében is.

Több BH3 fehérjékről is kimutatták, hogy szerepet játszik az autofágia szabályozásában. Közülük központi szerepet játszik a Beclin-1, ami a „csak BH3” Bcl-2 családtagok közé tartozik. A Beclin-t mint Bcl-2 fehérjével kölcsönható proteint írták le (alternatív neve: coiled-coil myosin-like Bcl2-interacting protein), s ez szolgáltatta az alapját annak a feltételezésnek, hogy az autofágia és az apoptózis folyamatai molekuláris szinten kapcsoltak.

A Bcl-2 család néh ány tagjának nem-apoptotikus funkciójáiról a 17.II. táblázat segítségéval adunk betekintést.

17.II. táblázat. Néhány Bcl-2 fehérje nem-apoptotikus funkciója.

FEHÉRJE

FUNKCIÓ EGÉSZSÉGES SETJBEN

Bax, Bak

mitokondrium fúzió segítése

Bid

genom integritás megőrzése, sejtciklus és gyulladásos válaszreakció szabályozása

Bcl-2

IP3 receptor kötése, a kálcium mediált apoptózis gátlása

Bim

mikrotubulus asszociált fehérje

Bad

glükóz anyagcsere szabályozása

Bmf

a mizozin V motorkomplex szabályozása

Beclin-1

autofágia szabályozás

Ellenőrző kérdések

  1. Jellemezze a Bcl-2 molekula családot! Ismertesse a szerkezeti jellemzőiket! Funkcionálisan milyen csoportokra oszthatók?

  2. Mik a Bcl-2 család anti-apoptotikus tagjainak közös tulajdonságai?

  3. Milyen alcsoportokra oszthatók a pro-apoptotikus Bcl2 családtagok, s mi ennek az alapja? Nevezzen meg „csak BH3” és multidoménű családtagokat!

  4. Miért létfontosságú a mitokondriális membrán épségben tartása? Egy vázlatrajz segítségével mutassa be, hogy milyen összetételű homo- és heterodimerek találhatók a a mitokondrium külső membránjában egy egészséges sejtben?

  5. Hogyan formálnak pórusokat a mitokondrium külső membránjában a Bax és a Bak fehérjék?

  6. Milyen elméleteket ismer arra vonatkozóan, hogy hogyan borul fel az anti- és a proapoptotikus fehérjék egyensúlya apoptotikus szignál hatására?

  7. A Bcl-2 fehérje család mely tagjai és milyen folyamatok során vesznek részt a pórusképzés indukciójában?

Felhasznált és ajánlott irodalom

Dejean, L. M., Ryu, S. Y., Martinez-Caballero, S., Teijido, O., Peixoto, P. M., Kinnally, K. W. (2010) MAC and Bcl-2 family proteins conspire in a deadly plot. Biochim Biophys Acta.1797(6-7), 1231-8. doi: 10.1016/j.bbabio.2010.01.007

Dewson, G. (2010) Interplay of Bcl-2 Proteins Decides the Life or Death Fate. The Open Cell Signaling Journal 3, 3-8

Dewson, G., Kluck, R. M. (2010) Bcl-2 family-regulated apoptosis in health and disease. Cell Health and Cytoskeleton2, 9–22

Funderburk, S. F., Wang, Q. J., Yue, Z. (2010) The Beclin 1-VPS34 complex--at the crossroads of autophagy and beyond. Trends Cell Biol. 20(6), 355-62. doi: 10.1016/j.tcb.2010.03.002.

Kang, R., Zeh, H. J., Lotze, M. T., Tang, D. (2011) The Beclin 1 network regulates autophagy and apoptosis. Cell Death Differ.18(4), 571-80. doi: 10.1038/cdd.2010.191.

Peixoto, P. M., Dejean, L. M., Kinnally, K. W. (2012)The therapeutic potential of mitochondrial channels in cancer, ischemia-reperfusion injury, and neurodegeneration. Mitochondrion12(1), 14-23. doi: 10.1016/j.mito.2011.03.003

Shamas-Din, A., Kale, J., Leber, B., Andrews, D. V. (2013) Mechanisms of Action of Bcl-2 Family Proteins. Cold Spring Harb Perspect Biol 2013;5:a008714

Chipuk, J. E., Moldoveanu, T., Llambi, F., Parsons, M. J., Green, D. G. (2010) The BCL-2 Family Reunion. Molecular Cell37, 299-310. DOI 10.1016/j.molcel.2010.01.025

Tsujimoto, Y., Shimizu, S. (2000) VDAC regulation by the Bcl-2 family of proteins. Cell Death Differ.7(12), 1174-81.

Yip, K. W., Reed, J. C. (2008) Bcl-2 family proteins and cancer. Oncogene 27(50), 6398-406. doi: 10.1038/onc.2008.307.