プロアポトーシスBaxによる膜透過活性化のtBidおよびBim活性化に対する脂質効果の違い

Distinct lipid effects on tBid and Bim activation of membrane permeabilization by pro-apoptotic Bax.

• Aisha Shamas-Din
• Scott Bindner
• Xiaoke Chi
• Brian Leber
• David W Andrews
• Cécile Fradin

抄録

ストレスの多い刺激にさらされた後、アポトーシスシグナルは、プロアポトーシス活性化蛋白質であるtBid (truncated Bid/p15)とBim (Bcl-2 interacting mediator)によってミトコンドリアに伝達され、Bax (Bcl-2 associated X protein)とBak (Bcl-2 antagonist/killer)を活性化して、ミトコンドリア外膜透過化(MOMP)を誘導することができる。これらの蛋白質-蛋白質-膜相互作用は、MOMPが不可逆的に細胞死を引き起こすため、アポトーシスの制御に重要な役割を果たします。これまで、tBidとBimが異なる種類のストレスのセンサーとしての役割を果たしていることはよく知られていますが、MOMPを開始する分子機構が同じかどうかはわかっていませんでした。本研究では、cBid（切断されたBid (p7, p15)）とBimによって活性化されたBaxによる膜透過性を比較し、これら3つのBcl-2（B細胞リンパ腫2）プロアポトーシスタンパク質のリクルートと活性化における膜脂質の役割を検討した。我々は、蛍光標識されたタンパク質とリポソームを用いて、Baxが媒介する膜透過性の各段階における特定の脂質の効果を定量化した。その結果、活性化剤によるBaxのリクルートと膜へのBaxの挿入がコレステロールによって阻害されていることが明らかになった。さらに、cBidとBimの膜への結合は、アニオン性リン脂質との静電相互作用によって促進されることを示した。しかし、Bimが特定のアニオン性脂質を必要としないのに対し、tBidの構造変化はカーディオリピン（CL）に依存していることがわかりました。このことは、CLがMtch2（ミトコンドリアキャリアホモログ2）と同様の方法でtBidを活性化することを示唆している。このように、脂質はBaxが介在する膜透過の様々な側面を修飾していることが示唆された。

After exposure to stressful stimuli, apoptotic signals can be relayed to mitochondria by pro-apoptotic activator proteins, tBid (truncated Bid/p15) and Bim (Bcl-2 interacting mediator), which activate Bax (Bcl-2 associated X protein) and or Bak (Bcl-2 antagonist/killer) to induce mitochondrial outer membrane (MOM) permeabilization (MOMP). These protein-protein and protein-membrane interactions are critical for apoptosis regulation, since MOMP irreversibly leads to cell death. Whereas the distinct roles of tBid and Bim as sensors of different types of stress are well recognized, it is not known whether the molecular mechanisms whereby they initiate MOMP are the same. In the present study, we compare membrane permeabilization by Bax activated by either cBid [cleaved Bid (p7 and p15)] or Bim and we examine the role of membrane lipids in the recruitment and activation of these three Bcl-2 (B-cell lymphoma 2) pro-apoptotic proteins. We employ fluorescently-labelled proteins and liposomes to quantify the effects of specific lipids on each of the well-characterized steps in Bax-mediated membrane permeabilization. We show that high levels of cholesterol in the membrane inhibit permeabilization by categorically identifying the recruitment of Bax by the activators and Bax insertion in the membrane as the steps being hindered by cholesterol. Furthermore, we show that binding of both cBid and Bim to membranes is facilitated by electrostatic interactions with anionic phospholipids. However, whereas Bim does not require any particular anionic lipids, the conformational change in tBid depends on cardiolipin (CL). This suggests that CL can activate tBid in a similar manner to Mtch2 (mitochondrial carrier homologue 2). Thus, lipids modify multiple aspects of Bax-mediated membrane permeabilization.