Die Rolle des Porenstanzproteins der mitochondrialen Membran bei der Apoptose charakterisiert

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Ein internationales Forschungsteam unter der Leitung von Wissenschaftlern des ISIS Pulsed Neutron and Muon Source, Science and Technology Facilities Council (STFC) hat zum ersten Mal einen einzigartigen molekularen Mechanismus charakterisiert, der in den frühen Stadien des programmierten Zelltods – der Apoptose – beteiligt ist spielt eine entscheidende Rolle bei der Krebsprävention.

Mit Techniken wie zeitaufgelöster Neutronenreflektometrie und Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie konnten die Forscher bestimmen, wie das proapoptotische Protein Bax mit der mitochondrialen Außenmembran (MOM) interagiert, in der es Poren erzeugt. Die Ergebnisse könnten Auswirkungen auf zukünftige Krebsforschung und Therapiestrategien haben.

Gerhard Gröbner, Ph.D., Wissenschaftler an der Universität Umeå und Co-Hauptautor der vom Team in Science Advances veröffentlichten Arbeit, sagte: „Die einzigartigen Erkenntnisse hier werden nicht nur erhebliche Auswirkungen auf das Gebiet der Apoptoseforschung haben, sondern auch Tore für die Erforschung öffnen.“ Bax und seine Verwandten als interessante Ziele in der Krebstherapie, etwa durch die Steigerung ihres zelltötenden Potenzials.“ Gröbner berichtete zusammen mit dem Co-Hauptautor und STFC-Neutronen- und Myonenquellen-Wissenschaftler Luke Clifton, PhD, und Partnern an der European Spallation Source in Schweden über ihre Ergebnisse in einem Artikel mit dem Titel „Erzeugung ausgeprägter Bax-Lipid-Komplexe an mitochondrialen Membranoberflächen“. treibt die Porenbildung an, um Apoptose einzuleiten.“ In ihrer Arbeit schrieben sie: „Unsere Ergebnisse liefern ein solides molekulares Verständnis der Perforation der Mitochondrienmembran durch zelltötendes Bax-Protein und beleuchten die Anfangsphasen des programmierten Zelltods.“ Die Studie ist die jüngste in einer Reihe von Forschungskooperationen des Teams zur Untersuchung der für die Apoptose verantwortlichen zellulären Proteine.

Apoptose ist für das menschliche Leben lebenswichtig und ihre Störung kann dazu führen, dass Krebszellen wachsen und nicht auf die Krebsbehandlung ansprechen. In gesunden Zellen wird die Apoptose durch zwei Proteine ​​reguliert, Bax und Bcl-2, die gegensätzliche Rollen spielen. „Die bekanntesten Multidomänen-Mitglieder der Bcl-2-Familie sind das apoptotische Bcl-2-assoziierte X-Protein (Bax) und das antiapoptotische Bcl-2-Protein selbst“, erklärten die Forscher.

Das lösliche Bax-Protein ist für die Beseitigung alter oder erkrankter Zellen verantwortlich und perforiert bei Aktivierung die mitochondriale Außenmembran der Zelle, um Poren zu bilden, die den programmierten Zelltod auslösen. Dies kann durch Bcl-2 ausgeglichen werden, das in die Mitochondrienmembran eingebettet ist und dort den vorzeitigen Zelltod verhindert, indem es Bax-Proteine ​​einfängt und sequestriert. „Pro- und antiapoptotische Mitglieder dieser Familie treffen sich im MOM und entscheiden dort über das Schicksal der Zelle: intakte Membran und Überleben versus Permeabilisierung und Tod“, erklärten die Autoren weiter. „Ein Versagen dieses Regulationsprozesses kann zu verschiedenen pathologischen Störungen führen, die von embryonalen Defekten bis hin zu Krebs reichen. In Krebszellen wird das Überlebensprotein Bcl-2 überproduziert, was zu einer ungehemmten Zellproliferation führt. Obwohl dieser Prozess seit langem als wichtig für die Krebszellen bekannt ist Die genaue Rolle von Bax und der Mitochondrienmembran bei der Apoptose war bisher unklar. „Obwohl intensiv untersucht, ist der molekulare Mechanismus, durch den diese Proteine ​​apoptotische Poren erzeugen, noch unklar“, fuhren die Forscher fort.

Für ihre Studie verwendete das Team eine Technik namens Neutronenreflektometrie (durchgeführt mit den fortschrittlichen Instrumenten ISIS Surf und Offspec), um in Echtzeit zu untersuchen, wie das Bax-Protein in den Anfangsstadien der Apoptose mit Lipiden in der Mitochondrienmembran interagiert . Mithilfe der Deuterium-Isotopenmarkierung stellten sie erstmals fest, dass Bax bei der Bildung von Poren Lipide aus der Mitochondrienmembran extrahiert, um Lipid-Bax-Cluster auf der Mitochondrienoberfläche zu bilden.

Mithilfe zeitaufgelöster Neutronenreflektometrie in Kombination mit Oberflächeninfrarotspektroskopie im ISIS-Biolabor konnten sie erkennen, dass diese Porenbildung in zwei Phasen erfolgte. Auf die anfängliche schnelle Adsorption von Bax an der Oberfläche der Mitochondrienmembran folgte eine langsamere Bildung membranzerstörender Poren und Bax-Lipid-Cluster, die gleichzeitig stattfand. Dieser langsamere Perforationsprozess erfolgte in Zeiträumen von mehreren Stunden, vergleichbar mit dem Zelltod in vivo.

Dies ist das erste Mal, dass Wissenschaftler direkte Beweise für die Beteiligung mitochondrialer Lipide an der Membranstörung beim durch Bax-Proteine ​​ausgelösten Zelltod gefunden haben. Die Ergebnisse bauen auf früheren Arbeiten des Teams zum molekularen Mechanismus von membrangebundenem Bcl-2 auf und sollen zu einem umfassenderen Verständnis der frühen Stadien der Apoptose führen. „Die detaillierte Betrachtung der Bax-Porenanordnung mit der Entdeckung von Bax-Lipid-Clustern, die durch unseren zeitaufgelösten NR-Ansatz erhalten wurden, bietet eine solide Grundlage für das Verständnis der membranzerstörenden Funktion apoptotischer Multidomänenmitglieder der Bcl-2-Familie im Allgemeinen und eröffnet neue Erkenntnisse.“ „Der Weg, ihre molekulare Hemmung bei vielen Tumoren auf der Suche nach Krebstherapien zu überwinden“, so die Wissenschaftler.

Clifton schlug vor: „Diese Arbeit hat sowohl unser Wissen über grundlegende Prozesse in Säugetierzellen erweitert als auch spannende Möglichkeiten für zukünftige Forschungen eröffnet. Zu verstehen, wie die Dinge aussehen, wenn Zellen richtig funktionieren, ist ein wichtiger Schritt zum Verständnis, was in Krebszellen schiefläuft, und so könnte sich dies öffnen.“ Türen zu möglichen Behandlungen ... Soweit wir das beurteilen können, ist dieser Mechanismus, durch den Bax den Zelltod auslöst, bisher unbekannt. Sobald wir mehr über das Zusammenspiel zwischen Bax und Bcl-2 wissen und wissen, wie es mit diesem Mechanismus zusammenhängt, werden wir eine „Es ist uns gelungen, ein vollständigeres Bild eines Prozesses zu erhalten, der für das menschliche Leben von grundlegender Bedeutung ist. Diese Arbeit zeigt wirklich die Fähigkeiten der Neutronenreflektometrie bei Strukturstudien zur Membranbiochemie.“

Die Autoren kamen weiter zu dem Schluss: „Diese Ergebnisse liefern präzise strukturelle und kinetische Details zur Bax-Remodellierung des MOM und liefern eine Erklärung für die überlappenden Ereignisse der Porenbildung und Lipidkomplexierung. Somit spiegeln sie die Bax-Aktivität in Mitochondrien während der Apoptose wider und zeigen, wie apoptotisch Bcl ist.“ -2-Proteine ​​wie Bax remodellieren die supramolekulare Architektur der MOM-Hülle, um die Apoptose weiter in Richtung ihres ultimativen Ziels, der Entfernung todgeweihter Zellen, voranzutreiben.“

Am ISIS sind weitere Forschungsarbeiten geplant, um den molekularen Mechanismus der Apoptose weiter aufzuklären und insbesondere das Zusammenspiel zwischen Bax und Bcl-2 zu charakterisieren. Es besteht die Hoffnung, dass daraus Erkenntnisse entstehen, die der Forschung neue Wege eröffnen, um unser Verständnis der für das menschliche Leben notwendigen zellulären Prozesse weiterzuentwickeln.

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