脂肪酸不饱和性促进Bax和Bak在凋亡过程中的孔隙活性
脂肪酸不饱和性促进Bax和Bak在凋亡过程中的孔隙活性
背景
凋亡（apoptosis）是调控细胞程序性死亡的主要形式，涉及如胚胎发育、组织稳态和免疫系统功能等基本生物过程。凋亡失调可导致神经退行性疾病和肿瘤发生等病症，且大多数抗癌化疗治疗依赖于诱导肿瘤细胞凋亡。线粒体外膜通透化（mitochondrial outer membrane permeabilization, MOMP）是线粒体凋亡途径中的关键事件，凋亡孔开放使细胞色素c等凋亡因子释放至细胞质中，激活胱天蛋白酶并最终导致细胞死亡。然而，凋亡孔的分子结构尚不清楚，尤其是脂质在MOMP中的贡献知之甚少。
Bcl-2家族蛋白中的亲凋亡成员Bax和Bak是调控MOMP的关键效应蛋白。在健康细胞中，Bax主要位于细胞质中，而Bak则与线粒体外膜（MOM）相连。凋亡过程中，Bax和Bak在MOM上聚集并发生构象重排，形成多聚体，从而开启凋亡孔，释放凋亡因子。
尽管脂质对Bcl-2家族蛋白功能及线粒体通透性的调控已被多项研究关注，但我们对于特异性脂质在凋亡孔边界的作用知之甚少。为了深入研究这一问题，本文利用脂质纳米盘技术探索了Bak在凋亡孔形成过程中附近膜环境中的脂质成分。
来源
该研究由Shashank Dadsena、Rodrigo Cuevas Arenas、Gonçalo Vieira、Susanne Brodesser、Manuel N. Melo以及Ana J. García-Sáez等人完成，分别来自科隆大学CECAD研究中心、乌得勒支大学Bijvoet结构生物化学中心、葡萄牙安东尼奥泽维尔化学生物技术研究所和马克斯普朗克生物物理研究所。论文发表于2024年的《Nature Communications》上。
研究流程
Bak蛋白与纳米盘的提取和分离： 研究人员采用SMA共聚物对Bak蛋白及其周围的膜环境进行了提取和分离。首选GFP标签对含Bak蛋白的纳米盘进行亲和分离，并通过动态光散射（Dynamic Light Scattering, DLS）和负染色透射电子显微镜（Negative Stain TEM）检测纳米盘的大小和均一性。
脂质组学分析： 利用液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）对提取的脂质进行分析，重点关注线粒体主要成分如磷脂酰胆碱（PC）、磷脂酰乙醇胺（PE）等脂质的变化。实验结果表明，凋亡条件下，含Bak的纳米盘中富含不饱和脂质。
对膜透性的影响： 采用模型膜、大单层小泡（GUVs）和细胞体系分别研究了不饱和脂质对Bax在膜透性方面的影响。结果显示，在所有体系中，不饱和脂质均显著促进了Bax的孔隙活性。此外，粗粒度分子动力学（CG-MD）模拟也支持这一发现，表明不饱和脂质在孔边界处的富集有助于孔的开口。
FADS2酶的影响： 研究发现，FADS2（一种关键的不饱和脂肪酸去饱和酶）缺失降低了细胞对凋亡的敏感性，并减少了cGAS/STING通路的激活。此外，FADS2水平与不同肺癌和肾癌细胞系中不饱和脂肪酸共处理后的凋亡敏感度相关。
主要结果
脂质成分分析： 通过LC-MS/MS分析，研究人员发现凋亡条件下，含Bak的纳米盘中主要磷脂（PC和PE）的不饱和脂质种类显著增加，相反，饱和种类减少。其他磷脂如磷脂酰肌醇（PI）、磷脂酰丝氨酸（PS）、磷脂酸（PA）等没有显著变化。
膜透性的促进作用： 模型膜、GUVs和细胞体系实验数据显示，不饱和脂质显著促进了Bax的膜透性，不饱和水平越高，Bax的孔隙活性越强。CG-MD模拟支持这一点，显示不饱和PC相较于饱和PC，孔形成的能量显著降低，更有利于孔隙形成。
FADS2在凋亡中的作用： 凋亡敏感性与FADS2水平相关，FADS2缺失导致膜中不饱和脂肪酸减少，降低Bax/Bak在MOMP中的孔隙形成活性，并影响下游cGAS/STING信号通路。补充不饱和脂肪酸可恢复这一缺陷，表明FADS2作为凋亡敏感性调控的重要因素。
结论及意义
这项研究表明，线粒体外膜中的不饱和脂质在凋亡过程中显示出显著的富集，这种脂质环境的变化直接促进了Bax和Bak的膜透性活性，从而有助于凋亡孔的形成。这一发现不仅深化了我们对MOMP过程的理解，揭示了脂质环境在凋亡孔形成中的关键作用，还为抗癌治疗提供了新的思路，表明通过调节细胞内脂质环境可提高凋亡诱导剂的疗效。
该研究突显了脂质在凋亡调控中的重要性，为脂质调控抗癌策略提供了理论依据。未来研究中，可进一步探讨脂质环境与其他凋亡调控蛋白的相互作用及其在细胞存活和死亡中的多重角色。