комплекси

  • Предмети
  • Резюме
  • Дефекти дихального ланцюга при раку.
  • Мутації MtDNA в раку, що впливають на CRC I, III та IV
  • Мутації ядерної ДНК при раку, що вражає комплекс II
  • Зміни метаболізму та загальне пригнічення РКС при раку
  • Зміни в CCR призводять до стійкості до апоптозу
  • Комплекс I в апоптозі
  • Будова та функції комплексу I
  • Роль комплексу I в апоптозі
  • Комплекс II при апоптозі
  • Будова та функції комплексу II.
  • Роль комплексу II в апоптозі
  • Стратегії CR на основі терапії раку?

Предмети

  • Апоптоз
  • Рак
  • Енергетичний обмін
  • Мутація

Резюме

Мутації в ракових клітинах, які впливають на субодиниці дихального ланцюга (CR), вказують на центральну роль окисного фосфорилювання для пухлини. Недавні дослідження показали, що такі мутації комплексів RC впливають на індукцію апоптозу. Тут ми розглядаємо докази цієї гіпотези, яка, зокрема, виникла в результаті роботи над тим, як складні I та II опосередковують сигнали апоптозу. Обидва білкові агрегати спеціально інгібуються для індукції апоптозу різними способами, використовуючи активацію протеази та зміну рН, дві узагальнені, але незалежні характеристики вмираючих клітин. Однак обидва сходяться в утворенні активних форм кисню для зникнення клітини. Дослідження цих мітохондріальних процесів і надалі залишатимуться корисним напрямком для розкриття причин туморогенезу та виявлення варіантів втручання.

Дефекти дихального ланцюга при раку.

Мітохондріальний дихальний ланцюг (RC) складається, як детально показано на малюнку 1, з чотирьох мультимерних RC-комплексів (CCR), зв’язаних з мембраною, і каталізує окислення відновлювальних еквівалентів, головним чином нікотинаміду аденіндинуклеотиду (NADH), використовуючи кінцеві електрони рецепторів кисню ( O 2) у внутрішній мітохондріальній мембрані (IMM) (Lenaz and Genova, 2010). RC-опосередкований перенос електрона підключений до кінцевого комплексу АТФ-синтази (комплекс V), який генерує АТФ. Ця взаємодія між синтезом RC та АТФ називається окислювальним фосфорилюванням (OxPhos). Примітно, що витік електронів може виникати по всій CR та призвести до утворення активних форм кисню (АФК) (рис. 1).

Повнорозмірне зображення

Дефіцити CR часто виявляються в ракових клітинах. Різні причини включають численні мутації мітохондріального геному (mtDNA), які впливають на субодиниці в RCC I, III та IV (Polyak et al., 1998; Ishikawa et al., 2008), та в кодованих ядерними компонентами комплексу II (Baysal et al., 2000; Bayley et al., 2005; Hensen and Bayley, 2011), фактори складання яких також мутують (Ghezzi et al., 2009; Hao et al., 2009). Ці зміни призводять до специфічних дефектів дихального ланцюга, які докладно описані нижче та показані на малюнку 2. Не менш важливим для інгібування CR є глобальний метаболічний зсув від OxPhos до гліколізу (Gatenby and Gillies, 2004; Pelicano et al., 2006), особливо при гіпоксії на ранніх стадіях туморогенезу (Папандреу та ін., 2006; Гогвадзе та ін., 2010).

Мутації компонентів дихального ланцюга при раку. Окреслено чотири комплекси дихального ланцюга та виділено різні мутації, виявлені в ракових клітинах, які впливають на субодиниці комплексу RC, та фактори складання: ND1-6 та ND4L (субодиниці нікотинамід-адениндегідрогенази (NADH) 1- 6 та 4L ); SDHA-D (субодиниці сукцинатдегідрогенази AD), SDHAF2 (фактор складання SDH 2); цитохром b; COXI - III (субодиниці I - III цитохром с оксидази).

Повнорозмірне зображення

Мутації MtDNA в раку, що впливають на CRC I, III та IV

Мутація ядерної ДНК при раку, що вражає комплекс II

Важливою спільною рисою цих мутацій SDH є їх вплив на наявність комплексу II в IMM пацієнтів-носіїв. Здається, мутації SDHA (Burnichon et al., 2010), SDHB (Gimenez-Roqueplo et al., 2003; van Nederveen et al., 2009), SDHC (van Nederveen et al., 2009), SDHD (Gimenez- Roqueplo et al., 2001; Douwes Dekker et al., 2003; van Nederveen et al., 2009) та SDHAF2 (Hao et al., 2009) призводять до повної відсутності або, принаймні, різкого зменшення цілісного комплексу II та його ферментативна активність як при пухлинах PGL/PH (van Nederveen et al., 2009), так і при шлунково-кишкових стромальних пухлинах (Janeway et al., 2011). Цікаво, що навіть за відсутності мутацій у кодуючій послідовності субодиниць комплексу II, окремі гени SDH також можуть помітно знижуватися в PGL/PH (Blank et al., 2010; Feichtinger et al., 2011) та інших видах раку (Habano et al., 2003; Putignani et al., 2008), припускаючи, що зниження регуляції білків RCC у пухлинах може мати наслідки, подібні до мутацій у послідовності білка.

Зміни метаболізму та загальне пригнічення РКС при раку

Хоча кілька субодиниць CCR мутують при деяких типах раку, у більшості типів пухлин гени CCR є цілими, але весь дихальний ланцюг обмежений метаболічною зміною ракових клітин від окисного фосфорилювання до гліколізу, ефект, який все ще може можна побачити на пізніх стадіях пухлини, навіть коли відновлення постачання киснем. Цей так званий ефект Варбурга може бути адаптацією до умов росту під час раннього туморогенезу (Gatenby and Gillies, 2004) і на молекулярному рівні може бути викликаний посиленням регуляції гіпоксично-індукованого фактора-1α (HIF1α) у відповідь ROS та/або накопичення сукцинату (розглянуто в Gottlieb and Tomlinson, 2005; Bayley and Devilee, 2010). Крейтрі висунув гіпотезу, що накопичення глюкози через гліколітичні зміни в клітинах пухлини може ще більше зменшити окисне фосфорилювання, що приводить в дію процес самоампліфікації (Wojtczak, 1996; Díaz-Ruiz et al., 2011). Були викликані різні механізми, як узагальнено в таблиці 1, особливо перевиробництво АФК під час катаболізму глюкози, змінюючи білки мітохондрій (Yang et al., 1997).

Повний розмір таблиці

Що стосується АФК, то варто відзначити, що прямі зміни різних CRC супероксидами, пероксидами водню або гідроксильними радикалами можна спостерігати в ізольованих мітохондріях (Zhang et al., 1990) або в інтактних клітинах (Hervouet et al., 2008), які призводить до посттрансляційних модифікацій кожного комплексу, таких як аддукти перекисного окислення ліпідів (4-гідроксибенал або малоновий діальдегід), карбонілювання або нітрування залишків і, нарешті, значне зниження їх відповідної активності (Choksi et al., 2007, 2008). Наприклад, у випадку комплексу II було показано, що під час ішемії/реперфузії супероксиди можуть спричинити втрату глутатіону із SDHA, що сприяє його нітруванню пероксинітритом у залишках тирозину, що призводить до погіршення його активності (Chen et al. ., 2007b, 2008). Нарешті, на додаток до АФК, було показано, що рН, кальцій та інші погано регульовані вторинні вісники в контролі РК, особливо оксид азоту та керамід, сфінголіпід, який бере участь в апоптотичній сигналізації мітохондрій та у відповідь на агенти. Протиракові агенти (Siskind, 2005; Ryland та ін., 2011) (Таблиця 1).

Повний розмір таблиці

Зміни в CCR призводять до стійкості до апоптозу

Комплекс I в апоптозі

Будова та функції комплексу I

Комплекс I (NADH-дегідрогеназа, який також називають NADH: убихінон-оксидоредуктаза) - найбільший комплекс в дихальному ланцюзі з 45 окремими поліпептидами в клітинах ссавців. Визначено два надструктурних "плеча": один, який закріплює комплекс в IMM і відповідає за транслокацію протонів, а другий, який виступає в матрицю і становить більшу частину решти транспорту електронів. Точний механізм того, наскільки складний I зв'язує цей електронний транспорт з транслокацією векторів протонів, зрозумілий лише до кінця. Комплекс I каталізує першу дихальну ланцюгову реакцію, окислення NADH до NAD +, і забезпечує два електрони, які послідовно переносяться з флавінового мононуклеотидного кофактора у вісім Fe-S груп комплексу I, щоб врешті-решт відновити убихинон до убихинола (Рисунок 1 ).

Роль комплексу I в апоптозі

Нещодавно було виявлено несподівану роль кальпаїну 10 щодо гальмування комплексу I (Arrington et al., 2006). Кальпаїни - це протеолітичні ферменти, які реагують на підвищений вміст кальцію і тому активуються. Кальпаїн 10 був виявлений у поєднанні з мембранами мітохондрій у міжмембранному просторі та матрицею цієї органели. З NADH-дегідрогеназою (убихіноном) флавопротеїном 2 (NDUFV2) і ND6 дві субодиниці комплексу I були визначені як субстрати для кальпаїну 10. Відповідно до цього, підвищений інгібуючий кальцій комплекс I, і коли застосовували інгібітор кальпаїну, цей ефект був пом'якшений . Отже, правдоподібно, хоча це ще не експериментально задокументовано, що після індукції апоптозу збільшення мітохондріального Са 2+ викликає активацію кальпаїну 10 і подальше розщеплення NDUFV2, а ND6 призводить до інактивації комплексу I, подібного до ефекти, що спостерігаються при застосуванні каспази-3 або GzmA.

Відомо, що Комплекс I генерує АФК двома шляхами, як це спостерігається в ізольованих мітохондріях з різних тканин: на один впливає співвідношення NADH/NAD у клітинах, яке при збільшенні та одночасному пригніченні CR дозволяє молекулі мононуклеотиду флавіну всередині комплекс I для переносу електронів до молекулярного кисню (Кудін та ін., 2004; Куссмаул та Гірст, 2006). Інший сценарій називається зворотним транспортом електронів, коли група убихинола збільшується під високим Δp, наприклад, сукцинатним диханням. Потім електрони переносяться з QH2 через комплекс I (Cino and Del Maestro, 1989). Припустимо припустити, що відновлений флавінмононуклеотид також є місцем переносу електронів до O 2, але це ще не було однозначно продемонстровано (Murphy, 2009). Невідомо, чи комплекс I використовує ті самі процеси для генерації АФК під час апоптозу, коли NDUFS1 або NDUFS3 розпадаються.

Альтернативним або додатковим поясненням впливу комплексу I на загибель клітин може бути зниження рівня АТФ, який потім може сприяти апоптозу. У цьому сенсі цікаво спостерігати, що коли зовнішня мембрана мітохондрій проникає в умовах інгібування каспази, здається, це зниження рівня АТФ за рахунок інгібування головним чином комплексу I, який потім відповідає за загибель клітин (Lartigue et al. al., 2009).

Отже, комплекс I є датчиком для активації каспази-3/GzmA (Ricci et al., 2004; Martinvalet et al., 2008) та підвищення рівня кальцію за рахунок активації кальпаїну 10 (Arrington et al. Al., 2006) як загальні риси апоптотичних клітин. (узагальнено на малюнку 3) та його інактивація необхідна принаймні для деяких особливостей апоптозу.

Комплекс I в індукції апоптозу: принципова схема інгібування комплексу I для індукції апоптозу. Білкові субодиниці, які розщеплюються активною каспазою-3, гранзимом А або, мабуть, кальпаїном 10, виділяються разом із порушеним потоком електронів між групою флавінових мононуклеотидів (FMN) та різними групами сірчистого заліза (Fe-S) (N1a до N6b) . В результаті рівень клітинного АТФ падає, мітохондріальний трансмембранний потенціал (ΨΨ M) руйнується, а витік електронів у комплексі I використовується для генерування АФК для індукції апоптозу. Кожен шлях протеази узагальнений на схемі та детально викладений у тексті. Том/Тім: подвійні транслокази, присутні у зовнішній мембрані мітохондрій (MOM)/IMM; MOMP: проникнення MOMP.

Повнорозмірне зображення

Комплекс II при апоптозі

Будова та функції комплексу II.

Точні молекулярні механізми виробництва АФК на складному рівні II рідко досліджувались. Насправді, здатність комплексу II генерувати АФК була в значній мірі знехтувана в 1990-х роках, оскільки загальна догма вважала CCR I та III головними джерелами АФК у мітохондріях (McLennan and Degli Esposti, 2000; Ricci et al., 2003b), на основі досліджень хімічного інгібування ротеноном та антиміцином А відповідно (Lenaz та Genova, 2010). Однак були виділені різні ділянки для виробництва супероксиду, наприклад, на місці зв'язування CoQ SDHB/C/D (Szeto et al., 2007), можливо, за рахунок стабілізації семіхінонового радикала (Tran et al., 2006), у FAD рівень у SDHA (Янковська та ін., 2003) або між вбудованою SDHA групою FAD та блокуванням за течією (Guzy et al., 2008; Lemarie et al., 2011). Ці механізми залежать від відповідних цілей використовуваних хімічних інгібіторів або від конкретної послідовності аналізованих мутацій.

Роль комплексу II в апоптозі

Комплекс II в індукції апоптозу: схематичне зображення переходу функціонального комплексу II ( до ) до специфічного вивільнення субкомплексу SDHA/SDHB у матриксі у відповідь на внутрішньоклітинне та мітохондріальне підкислення рН (pH i, pH M) ( b ) Ця складна дисоціація II роз’єднує дві її ферментативні активності (SDH та SQR-активність) для утворення супероксиду (O 2 .−) та апоптозу ( c ). Більш детальну інформацію дивіться у тексті.

Повнорозмірне зображення

Повний розмір таблиці

Повний розмір таблиці

На закінчення слід зазначити, що мутації субодиниць комплексу II, виявлені при раку, і пов’язані зі складним розбиттям, можуть призвести до долі клітини до пухлини через злиття різних ефектів, як це детально викладено в таблиці 5.

Повний розмір таблиці

Стратегії CR на основі терапії раку?

Отже, виходячи з цих нових захоплюючих знахідок та нещодавніх відкриттів у цій галузі, які ми висвітлили тут, виявляється, що точне розуміння того, як КР сприяє індукції апоптозу, може в майбутньому призвести до більшого лікування раку.