Митохондрии и апоптоз Попова Екатерина Николаевна к.б.н., с.н.с. НИИФХБ имени А.Н. Белозерского МГУ

Апоптоз – история открытия, морфология и функции

апоптознедостаточныйизбыточный Онкологические заболевания: прямой кишки печени простаты лейкемии нейробластома Аутоимунные заболевания: системная красная волчанка миастения Частые инфекции: Вирусные инфекции Нейродегенеративные заболевания: болезнь Альцгеймера болезнь Паркинсона болезнь Хантингтона Сердечно-сосудистые заболевания: Сердечная недостаточность Инфаркт миокарда Гематопоэтические заболевания: Апластическая анемия миелодиспластический синдром Т-клеточная лимфоцитопения воспаление сепсис диабет 1 типа норма

Морфологические изменения клеток в процессе апоптоза J. F. R. Kerr, A. H. Wyllie and A. R. Currie; 1972 округление клеток; втягивание псевдоподий; сокращение клеточного и ядерного объема; фрагментация ядра; незначительное изменение органелл; блеббинг плазматической мембраны поглощение тканевыми фагоцитами in vivo

Апоптоз – особый морфологически отличающийся от других тип клеточной смерти. Фундаментальный процесс, обеспечивающий нормальное развитие организмов, поддержание клеточности тканей, селекцию иммунокомпетентных клеток и элиминацию поврежденных, трансформированных и инфицированных клеток

Молекулярные механизмы апоптоза

Программа клеточной смерти нематоды C. Elegans

В 2002 году Роберт Хорвиц и его коллеги Сидней Бреннер и Джон Салтон были удостоены Нобелевской премии в области физиологии и медицины

Программированная клеточная смерть в развитии нематоды Caenorhabditis elegans Guillaume Lettre and Michael O. Hengartner; 2006

Молекулярная модель активации апоптоза C. Elegans Guillaume Lettre and Michael O. Hengartner; 2006 EGL-1 CED-9 CED-4 CED-3 EGL-1 – BH3 белок семейства BCL-2 CED-9 – BCL-2 –подобный белок CED-4 – APAF – подобный белок CED-3 - каспаза Ядро программы апоптоза C. Elegans согласно Р. Хорвицу Каспазы (cysteine-dependent aspartate-specific protease) образуют протеолитические каскады и, таким образом, передают сигнал апоптоза

Апоптоз – эволюционно консервативный процесс Апоптоз у нематоды осуществляется за счет протеолитического расщепления белков клетки каспазами Сигнальная платформа активации каспаз у нематоды связана с митохондриями

Программа клеточной смерти млекопитающих

Активация каспаз

Kelly M Boatright and Guy S Salvesen; 2003 Две сигнальные платформы для активации каскадов каспаз у млекопитающих

Активация эффекторных каспаз (3, 6 и 7) Stefan J. Riedl and Guy S. Salvesen; 2007

Активация инициаторных каспаз (8, 9 и 2) Stefan J. Riedl and Guy S. Salvesen; 2007

Митохондрии выполняют роль «контрольно- пропускного пункта» апоптотического сигнала «рецепторы смерти» каспаза 8 Bid повреждения ДНК каспаза 2 различные стрессы поверхностные рецепторы эффекторные каспазы MMP цитохром с каспаза 9 эффекторные каспазы AIF Эндонуклеаза G Smac/Diablo Omi/HtrA2 апоптоз фрагментация ДНК IAP XIAP (ингибиторы каспаз)

Про-апоптотические белки митохондрий

Механизм формирования апоптосомы Stefan J. Riedl and Guy S. Salvesen; 2007 Apaf-1: apoptotis protease-activator factor 1 CARD: caspase-recruitment domain WD40: W – триптофан, D – аспарагиновая кислота

Ott M, Gogvadze V, Orrenius S, Zhivotovsky B, 2007 Открепление цитохрома с от внутренней мембраны митохондрий зависит от АФК взаимодействие

Митохондриальные белки, вызывающие фрагментацию ДНК Эндонуклеаза G AIF(Apoptosis Inducing Factor)

Расщепление ядерной ДНК и фрагментация ядер клеток HeLa двумя основными апоптотическими ДНК-азами: DFF40/CAD (DNA fragmentation factor/caspase-activated DNase) и эндонуклеазой G Piotr Widlak and William T. Garrard; 2005

Santos A. Susin,Eric Daugas, Luigi Ravagnan, Kumiko Samejima, Naoufal Zamzami, Markus Loeffler, Paola Costantini, Karine F. Ferri, Theano Irinopoulou, Marie-Christine Prevost, Greg Brothers, Tak W. Mak, Josef Penninger, William C. Earnshaw, and Guido Kroemer; 2000 ccc AIF (Apoptosis Inducing Factor) индуцирует крупноразмерную (50Kb), но не нуклеосомную фрагментацию ДНК и конденсацию, но не фрагментацию хроматина 1 контроль 2 AIF;7 DFF40/CAD

Две стадии деградации ядер при апоптозе Эндонуклеаза G

Отделение AIF от внутренней мембраны митохондрий регулируется Ca 2+ и АФК Erik Norberg, Sten Orrenius, Boris Zhivotovsky; 2010

Эффекты AIF AIF Контроль сборки или разборки комплекса 1 дыхательной цепи митохондрий НАДФН-оксидаза – генерация супероксид аниона Неизвестный цитоплазматический эффектор MMP- выход цитохрома с и AIF Неизвестный ядерный эффектор 50Kb фрагментация ДНК

Smac/Diablo и Omi/HtrA2 - белки ингибирующие белки семейства IAP Белки семейства IAP каспазы предшественник Smac/Diablo или Omi/HtrA2 Зрелый Smac/Diablo или Omi/HtrA2

Проницаемость митохондриальной мембраны

Две основные модели, объясняющие выход белков из межмембранного пространства митохондрий

Одна из моделей мегапоры (PTP)

Возможные механизмы обеспечения проницаемости внешней мембраны Bax/Bak и Bax/tBid

Двойной нокаут Bax и Bak (но не каждого по отдельности) приводит к устойчивости клеток к индукции апоптоза многими «внутренними» стимулами. Исключение составляют случаи направленного воздействия на компоненты PTP

Белки семейства BCL-2

VDAC, ANT

Реорганизация структуры митохондрий и апоптоз

Во время апоптоза происходит дробление митохондриального ретикулума КонтрольАпоптоз

Во время апоптоза происходит перестройка крист митохондрий Контроль tBid

Перестройка крист при апоптозе

Связь реорганизации структуры митохондриального ретикулума с апоптозом Дробление митохондрий происходит на самых ранних стадиях апоптоза Подавление экспрессии белков отвечающих за дробление митохондрий (Drp1 и Fis 1) блокирует выход цитохрома с из митохондрий, что приводит к выживанию клеток Подавление экспрессии белка Opa1, отвечающего за слияние митохондрий, вызывает перестройку крист, фрагментацию митохонрий и выход цитохрома с в цитоплазму Повышенная экспрессия Bax/Bak вызывает дробление митохондрий Bax/Bak колокализуются с Drp1 и Mfn tBid индуцирует перестройку крист Повышенная экспрессия Bcl-2 приводит к увеличению размеров и интеграции митохондриального ретикулума

Спасибо за внимание

Вопросы для зачета 1. Роль каспаз в осуществлении апоптоза. Механизмы активации инициаторных и эффекторных каспазы. Сигнальные платформы активации каспазных каскадов у млекопитающих. Механизм сборки апоптосомы и активации каспазы 9 2. AIF и эндонуклеаза G - митохондриальные белки, обеспечивающие морфологические изменения ядер и фрагментацию ДНК при апоптозе. Функции AIF, не связанные с апоптозом. Smac/Diablo и Omi/HtrA2 – механизм про-апоптотического действия 3. Роль митохондрий, как «контрольно-пропускного пункта» сигналов апоптоза. Что такое прницаемость митохондриальной мембраны (ММР). Основные модели, объясняющие возникновение ММР при апоптозе (мегапора, белки семейства BCL-2) 4. Связь митодинамики с апоптозом.