13. Роль митохондрий в фотодинамически индуцированном апоптозе
Фотодинамическое воздействие может индуцировать как некроз, так и апоптоз в зависимости от силы и интенсивности воздействия, а также от того, какие клеточные структуры повреждаются в первую очередь. Так, после кратковременной инкубации (порядка 1 часа) Фотофрин или HpD накапливаются в плазматической мембране, и последующее освещение преимущественно вызывает некроз. После 24-часовой инкубации, когда краситель распределяется по всей клетке и сосредотачивается в митохондриях, такое же освещение вызывает апоптоз. Фотодинамическое воздействие на клетки in vitro быстро и эффективно индуцирует апоптоз митохондриального типа.
Фотоповреждение митохондрий может привести к следующим процессам, участвующим в некротической и апоптотической смерти клетки:
- Резкое усиление генерации АФК, в частности, супероксид-аниона О2-;
- Падение производства АТФ;
- Высвобождение ионов Ca2+;
- Высвобождение цитохрома c и запуск апоптоза.
Цитохром с является ключевым участником в фотоиндуцированной инициации апоптоза. Фотоиндуцированное перекисное окисление митохондриальных липидов, в частности, кардиолипина, удерживающего цитохром с на внешней поверхности внутренней митохондриальной мембраны, приводит к мобилизации цитохрома с и выходу его из межмембранного пространства в цитозоль. Там он где в комплексе с dATP и белком Apaf-1 активирует каспазу 3 и последующие гидролитические ферменты, осуществляющие апоптоз (Рис.4.7, 4.8). Но как цитохром с и другие проапоптозные белки могут выходить из межмембранного пространства через наружную митохондриальную мембрану, проницаемую лишь для молекул с молекулярной массой не более 6 кДа? Существуют две гипотезы,
A. Открытие высокопроницаемых митохондриальных пор (PTP, permeability transition pore). PTP - крупный белковый комплекс, расположенный в месте слияния внутренней и наружной митохондриальных мембран. Открытие PTP вызывает мгновенную утечку ионов, потерю митохондриального трансмембранного потенциала ДШm и сопряжения окислительного фосфорилирования, подавление синтеза ATP и генерацию мАФК. Массивный вход воды через PTP вызывает осмотическое набухание митохондриального матрикса и разрыв наружной митохондриальной мембраны, чья поверхность намного превышает поверхность внутренней мембраны. Это позволяет межмембранным белкам выйти из митохондрии в цитозоль.
B. Открытие специальных мегаканалов в наружной митохондриальной мембране, достаточно больших для прохождения белков. Эти каналы формируются белками Bax или Bak, относящимися к семейству белков Bcl-2. Bak нормально присутствует в наружной митохондриальной мембране, а Bax находится цитозоле, где он связан с белком Ku70. При повреждении клетки этот комплекс диссоциирует и Bax высвобождается. Белок Bax также может активироваться фрагментом белка Bid, называемым tBid (Рис.4.8). После активации Bax перемещается в наружную митохондриальную мембрану, где он олигомеризуется и формирует мегаканалы.
Выход цитохрома с из митохондрий в цитозоль и последующий апоптоз «митохондриального типа» был продемонстрирован во многих работах при фотосенсибилизации разных клеток различными красителями. Как показали Kriska et al. (2005), выход цитохрома с из фотосенсибилизированных митохондрий происходит в результате перекисного окисления кардиолипина, который удерживает его в межмембранном пространстве митохондрий. В фотосенсибилизированных клетках могут реализоваться оба способа высвобождения цитохрома с и других проапоптозных белков из митохондрий: через открытые PTP и через Bax/Bak мегаканалы. При этом фотодинамическое воздействие может открывать PTP или, воздействуя на PTP, ингибировать их открытие.
Порфириновые фотосенсибилизаторы связываются с периферическими бензодиазепиновыми рецепторами как раз в области PTP, и поэтому PTP являются одной из главных мишеней для их фотодинамического действия. Однако, для фотосенсибилизаторов, не проявляющих особого сродства к PBR, механизм фотоповреждения митохондрий может быть иным.
Транслокатор адениновых нуклеотидов ANT, входящий в состав PTP, оказался наиболее чувствительным к фотодинамическому воздействию среди всех митохондриальных белков. ANT составляет 9-10 % от всех белков митохондрий. Его необратимое повреждение предшествует другим повреждениям митохондрий: инактивации дыхательных ферментов, потере ДШm, снижению производства АТФ и выходу Ca2+ из митохондрий.
В других случаях фотоиндуцированный выход цитохрома с из митохондрий и последующий апоптоз происходили независимо от открывания PTP и падения ДШm. В этих клетках выход цитохрома с контролировался белками семейства Bcl-2. Сверхэкспрессия антиапоптозных белков Bcl-2 и Bcl-xL задерживала или предотвращала фотоиндуцированное высвобождение цитохрома с, активацию каспаз 3 и 6, а также белков PARP и DFF/ICAD, участвующих во фрагментации ДНК. И наоборот, снижение уровня Bcl-2 способствовало апоптозу. Но иногда наблюдались парадоксальные результаты: в клетках A431 или MCF10A со сверхэкспрессией защитного белка Bcl-2 фотодинамическое воздействие неожиданно усиливало апоптоз. Оказалось, что в этих клетках была настолько повышена экспрессия проапоптозного белка Bax, что отношение Bax/Bcl-2 увеличивалось. Следовательно, клеточную судьбу определяет не уровень отдельных белков Bax и Bcl-2, а соотношение между ними. Вероятно, противоапоптозное действие белков Bcl-2 и Bcl-xL связано с их способностью формировать гетеродимеры с белком Bax. Это снижает количество молекул Bax, образующих мегаканалы в наружной митохондриальной мембране. В фотосенсибилизированных клетках уровень Bax мог повышаться, или понижаться. Но апоптоз усиливался тогда, когда повышалось отношение Bax/Bcl-2. В фотосенсибилизированных клетках белок Bax способствовал выходу из митохондрий не только цитохрома с, но и других проапоптозных белков: AIF или Smac/DIABLO.
- 1. История фотодинамической терапии
- 2. Фотодинамический эффект: фотофизика и фотохимия
- 3. Фотодинамическая терапия
- 4. Фотосенсибилизаторы
- 5. Клинические применения фотодинамической терапии
- 6. Внутриклеточная локализация фотосенсибилизаторов
- 7. Фотодинамическое воздействие на основные клеточные структуры
- 8. Плазматическая мембрана
- 9. Митохондрии
- 10. Аппарат Гольджи и эндоплазматический ретикулум
- 11. Цитоскелет: микротрубочки и актиновые филаменты
- 12. Ядро
- 13. Роль митохондрий в фотодинамически индуцированном апоптозе
- 14. Смерть клеток при фотодинамическом воздействии на лизосомы
- 15. Роль ионов кальция в фотодинамически индуцированном апоптозе
- 16. Участие сигнальных процессов в реакциях клеток на фотодинамическое воздействие