脂質不飽和がアポトーシス中のBaxおよびBak孔活性を促進

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脂質不飽和 Bax Bak アポトーシス MOMP 脂質オミクス

不飽和脂肪酸は、アポトーシス過程におけるBaxおよびBakの孔形成活性を促進する

背景

アポトーシス(apoptosis)は、細胞の程序的死を制御する主要な形態であり、胚発生、組織のホメオスタシス、免疫系機能などの基本的な生物学的プロセスに関与しています。アポトーシスの dysregulationは、神経変性疾患や癌の発症などの病態につながり、ほとんどの抗癌化学療法はアポトーシスの誘導に依存しています。ミトコンドリア外膜の透過化(mitochondrial outer membrane permeabilization, MOMP)はミトコンドリアアポトーシス経路の重要なイベントであり、アポトーシス孔の開口によりサイトクロムcなどのアポトーシス因子が細胞質に放出され、カスパーゼを活性化し、最終的に細胞死につながります。しかし、アポトーシス孔の分子構造はまだ明らかではなく、特にMOMPにおける脂質の寄与についてはほとんど分かっていません。

Bcl-2ファミリータンパク質の親アポトーシスメンバーであるBaxとBakは、MOMPを制御する重要なエフェクタータンパク質です。健康な細胞ではBaxは主に細胞質に存在し、BakはMOMと会合しています。アポトーシス過程において、BaxとBakはMOMに集合し、構造変化を起こしてオリゴマー化し、それによりアポトーシス孔を形成し、アポトーシス因子を放出します。

脂質がBcl-2ファミリータンパク質の機能やミトコンドリアの透過性を調節することは多くの研究で注目されていますが、特定の脂質種がアポトーシス孔の境界でどのような役割を果たすかはほとんど分かっていません。本研究では、脂質ナノディスク技術を用いて、Bakがアポトーシス孔を形成する過程における周辺膜環境の脂質組成を探索しました。

出典

本研究は、Shashank Dadsena、Rodrigo Cuevas Arenas、Gonçalo Vieira、Susanne Brodesser、Manuel N. Melo、Ana J. García-Sáezらによって行われ、ケルン大学CECADセンター、ユトレヒト大学Bijvoet構造生物化学センター、ポルトガルAntonioジェビエル生物化学技術研究所、マックスプランク生物物理研究所に所属しています。論文は2024年のNature Communicationsに掲載されました。

研究手順

  1. BakタンパクとNanodisc抽出および分離: 研究者はSMA共重合体を用いてBakタンパク質とその周辺膜環境を抽出・分離しました。GFPタグ付きBak含有ナノディスクを親和性を利用して分離し、動的光散乱(DLS)と負染色透過型電子顕微鏡(Negative Stain TEM)でナノディスクのサイズと均一性を検証しました。

  2. リピドミクス解析: 液体クロマトグラフィー-タンデム質量分析(LC-MS/MS)を用いて抽出した脂質を分析し、リン脂質ホスファチジルコリン(PC)、ホスファチジルエタノールアミン(PE)などのミトコンドリア主要脂質種の変化に注目しました。実験の結果、アポトーシス条件下ではBak含有ナノディスクに不飽和脂質が富化していることが分かりました。

  3. 膜透過性への影響: モデル膜、巨大単層小胞体(GUVs)、細胞系を用いて、不飽和脂質がBaxの膜透過性にどのような影響を及ぼすかを調べました。すべてのシステムにおいて、不飽和脂質はBaxの孔形成活性を顕著に促進することが示されました。さらに、粗視化分子動力学(CG-MD)シミュレーションもこの発見を支持し、孔の境界部分での不飽和脂質の富化が孔の形成に有利に働くことが示唆されました。

  4. FADS2酵素の影響: 本研究では、不飽和脂肪酸デサチュラーゼ FADS2の欠損がアポトーシスへの感受性を低下させ、cGAS/STING経路の活性化を減少させることが分かりました。さらに、FADS2のレベルは、様々な肺癌や腎癌細胞株において、不飽和脂肪酸との共処理後のアポトーシス感受性と相関していました。

主な結果

  1. 脂質組成解析: LC-MS/MS解析により、アポトーシス条件下では、Bak含有ナノディスクにおいて主要リン脂質(PCおよびPE)の不飽和脂質種が顕著に増加し、逆に飽和脂質種は減少していることが分かりました。その他のリン脂質(PIやPSなど)には顕著な変化は見られませんでした。

  2. 膜透過性促進作用: モデル膜、GUVs、細胞系の実験データから、不飽和脂質がBaxの膜透過性を顕著に促進することが示されました。不飽和度が高いほど、Baxの孔形成活性は高くなりました。CG-MDシミュレーションもこれを支持し、飽和PCに比べて不飽和PCでは孔形成のエネルギーが大幅に低下し、孔形成に有利であることが示されました。

  3. FADS2のアポトーシスにおける役割:
    アポトーシス感受性はFADS2レベルと相関しており、FADS2欠損は膜中の不飽和脂肪酸を減少させ、Bax/BakのMOMPにおける孔形成活性を低下させ、下流のcGAS/STING経路にも影響を及ぼすことが分かりました。不飽和脂肪酸を補うとこの欠陥が回復したことから、FADS2がアポトーシス感受性の重要な制御因子であることが示唆されました。

結論と重要性

本研究は、ミトコンドリア外膜の不飽和脂質がアポトーシス過程で顕著に富化し、この脂質環境の変化がBaxやBakの膜透過性活性を直接促進することで、アポトーシス孔の形成に寄与することを示しました。この発見は、MOMPの過程に対する理解を深め、アポトーシス孔形成における脂質環境の重要な役割を明らかにしただけでなく、抗癌治療においても新しい視点を提供しています。細胞内の脂質環境を調節することで、アポトーシス誘導剤の効果を高められる可能性があります。

本研究はアポトーシス制御における脂質の重要性を強調しており、脂質を標的とした抗癌戦略の理論的根拠を提供しています。今後の研究では、脂質環境と他のアポトーシス制御タンパク質との相互作用、細胞生存と細胞死における複合的な役割を更に探求することができるでしょう。