BAK和BAX形成一个多蛋白复合物，负责驱动线粒体DNA的外排并引发不受caspase影响的细胞死亡

《SCIENCE》：BAK and BAX form a multiprotein complex to drive mtDNA efflux and caspase-independent cell death

编辑摘要

程序性细胞死亡的控制对从发育到癌症治疗的多种过程都至关重要。导致细胞凋亡的关键事件是线粒体外膜的通透化。这通常会导致细胞色素c的释放以及casp酶和凋亡体的激活。如果这种凋亡过程没有完成，线粒体DNA也可能泄漏出来，从而引起与casp酶无关的细胞死亡和炎症。Yang等人表明，细胞色素c的释放和线粒体DNA的释放是两个独立的生化过程（参见Mu?oz-Pinedo和Martin的评论）。这两个过程分别由BAK和BAX蛋白形成的复合物介导，或者由BAK和BAX与其他蛋白质结合形成的更大复合物介导。作者将这种类型的细胞死亡称为“baciptosis”，它在缺乏凋亡体的人类癌症中可能具有特殊的重要性。——L. Bryan Ray

结构化摘要

引言

线粒体在哺乳动物细胞死亡中起着关键作用。在接收到凋亡信号后，仅含BH3激活蛋白会激活BAK和BAX，导致线粒体外膜通透化（MOMP）、细胞色素c的释放、凋亡体的组装以及casp酶介导的细胞凋亡。在缺乏凋亡体功能的细胞中，BAK和BAX的激活则会导致线粒体DNA（mtDNA）持续释放到细胞质中，激活cGAS-STING-I型干扰素信号通路，并引发与casp酶无关的细胞死亡。通常情况下，凋亡相关的casp酶级联反应会抑制这种先天免疫途径，从而使细胞凋亡在免疫学上变得沉默。鉴于人类癌症中常见的凋亡体功能异常，由BAK-BAK激活引起的mtDNA外流和免疫原性细胞死亡可能为癌症治疗提供新的途径。然而，mtDNA外流的分子和生化机制尚未明确。

研究背景

BAK-BAK激活引起的mtDNA外流被认为是由线粒体内膜（MIM）的疝出引起的。细胞色素c外流后，BAK和BAX会在线粒体外膜形成大的孔洞（MOM），使得MIM疝出并失去膜完整性，从而导致mtDNA外流。然而，只有少数疝出的MIM结构会失去膜完整性，这表明mtDNA外流可能也涉及一个主动的生化过程。因此，我们通过生化和遗传学研究来确定BAK和BAX是否参与不同的蛋白复合物，这些复合物分别调节细胞色素c和mtDNA的外流。我们还在凋亡体功能受损的人类癌细胞中进一步探讨了这一过程。

结果

一旦被仅含BH3激活蛋白激活，BAK和BAX会组装成两个功能不同的线粒体复合物。负责细胞色素c释放的机制可能由BAK或BAX六聚体组成。相比之下，我们纯化了一个预先存在的600-kD复合物，该复合物包含BAK、VDAC1、VDAC2、PHB1和PHB2，这些成分可能位于MOM和MIM之间的接触位点。仅含BH3激活蛋白的激活似乎会重塑这个复合物，并促进细胞质中的BAK招募，形成释放mtDNA的机制，从而直接从线粒体中释放mtDNA。这种重塑与VDAC通道的关闭和线粒体内钙离子流入的增加有关。VDAC1、VDAC2或prohibitins的丢失会阻碍mtDNA外流和与casp酶无关的细胞死亡，但不影响MOMP或MIM的疝出。mtDNA的耗尽也能保护细胞免于这种形式的死亡，这支持了细胞质中mtDNA在细胞凋亡中的作用。我们将这种由BAK-BAK激活引起的与casp酶无关的细胞死亡称为“baciptosis”。Baciptosis表现出坏死形态，没有广泛的基因组DNA片段化，并且在细胞死亡前伴随着ATP浓度的逐步下降。这些现象在缺乏凋亡体的人类肾癌细胞和肺癌细胞中得到了验证。

结论

我们的发现确定了与释放细胞色素c的MOMP机制不同的mtDNA释放机制。因此，mtDNA外流不仅仅是MOMP或MIM疝出的直接后果，而涉及一个独立的、主动的生化过程。mtDNA外流参与了baciptosis，这是一种在凋亡体功能受损时发生的由BAK-BAK激活引起的程序性坏死。这项工作为探索BAK-BAK激活引起的baciptosis作为凋亡体缺陷癌症的潜在治疗途径提供了机制基础。

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图形模型展示了调节细胞色素c和mtDNA外流的不同BAK-BAX复合物。

仅含BH3激活蛋白会激活BAK和BAK，形成六聚体复合物来促进细胞色素c的释放。同时，它们还会重塑一个预先存在的600-kD复合物（包含BAK、VDAC1、VDAC2、PHB1和PHB2），并招募细胞质中的BAK来生成释放mtDNA的机制。该模型突出了细胞色素c释放和mtDNA外流之间的机制差异。

摘要

凋亡调节因子BAK和BAK在激活后会形成同源寡聚体，触发线粒体外膜通透化（MOMP），激活凋亡体和casp酶。而BAK-BAK的激活在没有凋亡体激活的情况下会导致线粒体DNA（mtDNA）的持续外流和与casp酶无关的细胞死亡。然而，mtDNA外流的分子机制仍不清楚。我们纯化了一个由BAK、BAX、仅含BH3的激活蛋白、电压依赖性阴离子通道VDAC1和VDAC2以及prohibitins组成的大分子复合物，该复合物能从线粒体中释放mtDNA。BAK-BAK的激活会导致VDAC通道关闭、线粒体内钙离子流入和mtDNA外流。VDAC1、VDAC2或prohibitins的丢失会阻碍mtDNA外流和与casp酶无关的细胞死亡，但不影响MOMP或线粒体内膜的疝出。这些发现表明细胞色素c和mtDNA的外流由不同的BAK-BAX复合物分别调节。