верижни

  • Субекти
  • Обобщение
  • Дефекти на дихателната верига при рак.
  • Мутации на MtDNA при рак, засягащи CRC I, III и IV
  • Мутации на ядрена ДНК при рак, засягащ комплекс II
  • Метаболитни промени и общо инхибиране на RCC при рак
  • Промените в CCR водят до резистентност към апоптоза
  • Комплекс I при апоптоза
  • Структура и функция на комплекс I
  • Роля на комплекс I в апоптозата
  • Комплекс II при апоптоза
  • Структура и функция на комплекс II.
  • Роля на комплекс II в апоптозата
  • CR-базирани стратегии в терапията на рака?

Субекти

  • Апоптоза
  • Рак
  • Енергиен метаболизъм
  • Мутация

Обобщение

Мутациите в раковите клетки, които засягат субединиците на дихателната верига (CR), показват централна роля за окислителното фосфорилиране за туморогенезата. Последните проучвания предполагат, че подобни мутации на RC комплексите влияят върху индукцията на апоптоза. Тук разглеждаме доказателствата за тази хипотеза, които по-специално са възникнали от работата за това как сложни I и II медиират сигнали за апоптоза. И двата протеинови агрегата са специално инхибирани за индуциране на апоптоза чрез различни средства, експлоатиращи с активирането на протеазата и промяната на pH, две обобщени, но независими характеристики на умиращите клетки. И двете обаче се сближават в образуването на реактивни кислородни видове за изчезването на клетката. Изследванията на тези митохондриални процеси ще продължат да бъдат полезна област за разкриване на причините за туморогенезата и за откриване на възможности за намеса.

Дефекти на дихателната верига при рак.

Митохондриалната дихателна верига (RC) се състои, както е описано подробно на фигура 1, от четири свързани с мембраната мултимерни RC комплекси (CCR) и катализира окисляването на редуциращи еквиваленти, главно никотинамид аденин динуклеотид (NADH), използвайки крайния кислороден рецептор. O 2) във вътрешната митохондриална мембрана (IMM) (Lenaz and Genova, 2010). RC-медиираният електронен трансфер е свързан с крайния комплекс, ATP синтаза (комплекс V), който генерира ATP. Това свързване между синтеза на RC и ATP се нарича окислително фосфорилиране (OxPhos). Забележително е, че изтичането на електрони може да възникне в целия CR и да доведе до образуването на реактивни кислородни видове (ROS) (Фигура 1).

Изображение в пълен размер

Дефицитите в CR често се откриват в раковите клетки. Сред различните причини са многобройни мутации в митохондриалния геном (mtDNA), които засягат субединици в RCC I, III и IV (Polyak et al., 1998; Ishikawa et al., 2008), както и в кодираните от ядрата компоненти на комплекса II (Baysal et al., 2000; Bayley et al., 2005; Hensen and Bayley, 2011), чиито сборни фактори също са мутирани (Ghezzi et al., 2009; Hao et al., 2009). Тези промени водят до специфични дефекти на дихателната верига, които са подробно описани по-долу и показани на фигура 2. Също толкова важно за инхибирането на CR е глобалната метаболитна промяна от OxPhos към гликолиза (Gatenby and Gillies, 2004; Pelicano et al., 2006), особено при хипоксия по време на ранните етапи на туморогенеза (Papandreou et al., 2006; Gogvadze et al., 2010).

Мутации на компонентите на дихателната верига при рак. Очертават се четирите комплекса на дихателната верига и се подчертават различните мутации, открити в раковите клетки, които засягат субединиците на RC комплекса и факторите на сглобяване: ND1-6 и ND4L (никотинамид аденин дехидрогеназа (NADH) субединици 1- 6 и 4L ); SDHA-D (сукцинатдехидрогеназни субединици AD), SDHAF2 (SDH монтажен фактор 2); цитохром b; COXI - III (цитохром с оксидаза I - III субединици).

Изображение в пълен размер

Мутации на MtDNA при рак, засягащи RCC I, III и IV

Мутации на ядрена ДНК при рак, засягащ комплекс II

Важна обща характеристика на тези SDH мутации е ефектът им върху присъствието на комплекс II в IMM на пациенти с носител. Изглежда, че мутации в 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) и SDHAF2 (Hao et al., 2009) водят до пълното отсъствие или поне драматично намаляване на непокътнатия комплекс II и неговата ензимна активност, както при PGL/PH тумори (van Nederveen et al., 2009), така и при стомашно-чревни стромални тумори (Janeway et al., 2011). Интересното е, че дори при липса на мутации в кодиращата последователност на комплексни субединици II, отделните SDH гени също могат да бъдат значително намалени в PGL/PH (Blank et al., 2010; Feichtinger et al., 2011) и при други видове рак (Habano et al., 2003; Putignani et al., 2008), което предполага, че понижаването на регулацията на RCC протеините в туморите може да има ефекти, подобни на мутациите в протеиновата последователност.

Метаболитни промени и общо инхибиране на RCC при рак

Въпреки че няколко субединици на CCR са мутирали при някои видове рак, при повечето видове тумори гените на CCR са непокътнати, но цялата дихателна верига е ограничена от метаболитната промяна на раковите клетки от окислително фосфорилиране до гликолиза, ефект, който все още може да се наблюдава в по-късните стадии на тумора, дори когато се възстанови снабдяването с кислород. Този така наречен ефект на Варбург може да бъде адаптация към условията на растеж по време на ранната туморогенеза (Gatenby and Gillies, 2004) и на молекулярно ниво може да бъде причинен от повишаването на регулацията на индуцируем от хипоксия фактор-1α (HIF1α) в отговор. ROS и/или натрупване на сукцинат (прегледано в Gottlieb and Tomlinson, 2005; Bayley and Devilee, 2010). Crabtree предположи, че натрупването на глюкоза чрез гликолитична промяна в туморните клетки може допълнително да намали окислителното фосфорилиране, което задейства процеса на самоусилване (Wojtczak, 1996; Díaz-Ruiz et al., 2011). Създадени са различни механизми, обобщени в Таблица 1, особено свръхпроизводството на ROS по време на глюкозния катаболизъм, променящ митохондриалните протеини (Yang et al., 1997).

Таблица в пълен размер

По отношение на ROS е забележимо, че директната промяна на различните CRC от супероксиди, водородни пероксиди или хидроксилни радикали може да се наблюдава в изолирани митохондрии (Zhang et al., 1990) или в непокътнати клетки (Hervouet et al., 2008), които води до пост-транслационни модификации на всеки комплекс, като адукти на пероксидация на липиди (4-хидроксибенал или малондиалдехид), карбонилиране или нитриране на остатъци и накрая значително намаляване на съответните им дейности (Choksi et al., 2007, 2008). В случая на комплекс II, например, беше показано, че по време на исхемия/реперфузия, супероксидите могат да предизвикат загуба на глутатион от SDHA, което благоприятства нитрирането му с пероксинитрит в остатъци от тирозин, което води до влошаване на неговата активност (Chen et al ., 2007b, 2008). И накрая, в допълнение към ROS, беше показано, че рН, калций и други лошо регулирани вторични пратеници в контрола на CR рак, особено азотен оксид и керамид, сфинголипид, участващ в митохондриалната апоптотична сигнализация и в отговор на агенти.; Ryland et al. Al., 2011) (Таблица 1).

Таблица в пълен размер

Промените в CCR водят до резистентност към апоптоза

Комплекс I при апоптоза

Структура и функция на комплекс I

Комплекс I (NADH дехидрогеназа, наричан още NADH: убихинон оксидоредуктаза) е най-големият комплекс в дихателната верига с 45 отделни полипептида в клетките на бозайници. Идентифицирани са две свръхструктурни „рамена“: едната, която закрепва комплекса в IMM и отговаря за транслокацията на протона, а другата, която излиза в матрицата и съставлява по-голямата част от останалия електронен транспорт. Точният механизъм на това колко сложен I свързва този електронен транспорт с транслокация на протонен вектор е съвсем неразбран. Комплекс I катализира първата дихателна верижна реакция, окисляването на NADH до NAD +, и осигурява два електрона, които се прехвърлят последователно от флавин мононуклеотиден кофактор към осемте Fe-S групи в комплекс I, за да намалят в крайна сметка убихинон до убихинол (Фигура 1 ).

Роля на комплекс I в апоптозата

Неотдавна беше открита неочаквана роля на калпаин 10 във връзка с инхибирането на комплекс I (Arrington et al., 2006). Калпаините са протеолитични ензими, които реагират на повишен калций и поради това се активират. Калпаин 10 е открит във връзка с митохондриалните мембрани в междумембранното пространство и матрицата на тази органела. С NADH дехидрогеназа (убихинон) флавопротеин 2 (NDUFV2) и ND6, две субединици от комплекс I са идентифицирани като субстрати за калпаин 10. В съответствие с това, повишен инхибиран на калций комплекс I и когато се прилага инхибитор на калпаин, този ефект е смекчен . Следователно е правдоподобно, макар и все още да не е документирано експериментално, че след индуцирането на апоптоза, увеличаването на митохондриалните Са 2+ причинява активирането на калпаин 10 и последващото разцепване на NDUFV2, а ND6 води до инактивиране на комплекс I, подобен на ефектите, наблюдавани при каспаза-3 или GzmA.

Известно е, че комплекс I генерира ROS по два начина, както се наблюдава при изолирани митохондрии от различни тъкани: единият се влияе от съотношението NADH/NAD в клетките, което, когато се увеличава и CR се инхибира едновременно, позволява на молекулата на флавин мононуклеотид вътре комплекс I за прехвърляне на електрони към молекулярен кислород (Kudin et al., 2004; Kussmaul and Hirst, 2006). Другият сценарий се нарича обратен електронен транспорт, когато убихиноловата група се увеличава при висока Δp, например чрез сукцинатно дишане. След това електроните се прехвърлят от QH2 през комплекс I (Cino and Del Maestro, 1989). Предполага се да се предположи, че редуцираният флавин мононуклеотид е и мястото на електронен трансфер към O 2, но това все още не е недвусмислено демонстрирано (Murphy, 2009). Неизвестно е дали Комплекс I използва същите процеси за генериране на ROS по време на апоптоза, когато NDUFS1 или NDUFS3 се разделят.

Алтернативно или допълнително обяснение за ефектите на комплекс I върху клетъчната смърт може да бъде намаляването на нивото на АТФ, което след това може да допринесе за апоптозата. В този смисъл е интересно да се отбележи, че когато митохондриалната външна мембрана се проникне в условия на инхибиране на каспаза, изглежда намаляването на нивото на АТФ чрез инхибиране главно на комплекс I, който след това е отговорен за клетъчната смърт (Lartigue et al. al., 2009).

Следователно, комплекс I е сензор за активиране на каспаза-3/GzmA (Ricci et al., 2004; Martinvalet et al., 2008) и увеличаване на калция чрез активиране на калпаин 10 (Arrington et al. Al., 2006) като общи характеристики на апоптотичните клетки. (обобщено на фигура 3) и нейното инактивиране е необходимо поне за някои характеристики на апоптозата.

Комплекс I при индукция на апоптоза: схематична диаграма на инхибиране на комплекс I за индукция на апоптоза. Протеиновите субединици, които се разцепват от активна каспаза-3, гранзим А или вероятно калпаин 10, се открояват заедно с нарушен електронен поток между флавиновата мононуклеотидна (FMN) група и различните железно-сярни групи (Fe-S) (N1a до N6b) . В резултат на това клетъчното ниво на АТФ спада, митохондриалният трансмембранен потенциал (ΨΨ M) се срива и изтичането на електрони в комплекс I се използва за генериране на ROS за индуциране на апоптоза. Всеки протеазен път е обобщен в диаграмата и подробно описан в текста. Tom/Tim: двойни транслокази, присъстващи във външната мембрана на митохондриите (MOM)/IMM; MOMP: проникване на MOMP.

Изображение в пълен размер

Комплекс II при апоптоза

Структура и функция на комплекс II.

Прецизните молекулярни механизми на производството на ROS на комплексно ниво II рядко са изследвани. Всъщност способността на комплекс II да генерира ROS беше пренебрегната до голяма степен през 90-те години, тъй като общата догма смяташе CCR I и III за основните източници на митохондриални ROS (McLennan and Degli Esposti, 2000; Ricci et al., 2003b), въз основа на проучвания на химичното инхибиране съответно от ротенон и антимицин А (Lenaz и Genova, 2010). Въпреки това са открити различни места за производство на супероксид, например на мястото за свързване на CoQ SDHB/C/D (Szeto et al., 2007), вероятно чрез стабилизиране на полухиноновия радикал (Tran et al., 2006), във FAD ниво в SDHA (Yankovskaya et al., 2003) или между вградената SDHA група FAD и блокада надолу по веригата (Guzy et al., 2008; Lemarie et al., 2011). Изглежда, че тези механизми зависят от съответните цели на използваните химични инхибитори или от специфичната последователност на анализираните мутации.

Роля на комплекс II в апоптозата

Комплекс II в индукцията на апоптоза: схематично представяне на прехода на функционален комплекс II ( да се ) към специфичното освобождаване на SDHA/SDHB подкомплекса в матрицата в отговор на вътреклетъчното и митохондриалното подкисляване на pH (pH i, pH M) ( б ) Тази сложна дисоциация II отделя двете й ензимни активности (SDH и SQR активности) за производството на супероксид (O 2. -) и апоптоза ( ° С ). За по-подробна информация вижте текста.

Изображение в пълен размер

Таблица в пълен размер

Таблица в пълен размер

В заключение, мутациите в субединици на комплекс II, открити при рак и свързани със сложно разглобяване, могат да доведат до съдбата на клетките към туморогенезата поради сливането на различни ефекти, както е подробно описано в Таблица 5.

Таблица в пълен размер

CR-базирани стратегии в терапията на рака?

Следователно, въз основа на тези вълнуващи нови открития и последните открития в тази област, които разгледахме тук, се оказва, че точното разбиране на това как CR допринася за индуцирането на апоптоза в бъдеще може да доведе до повече лечение на рак.