Bcl-2-Familie

Übersicht über die Bcl-2-Familie

Bcl-2 ist das erste entdeckte Anti-Zelltod-Gen, das nachweislich die durch verschiedene Reize induzierte Zellapoptose verhindert, einschließlich Serummangel, Hitzeschock und Chemotherapeutika. Außerdem kann Bcl-2 auch bestimmte Formen des nekrotischen Zelltods hemmen, wie zum Beispiel durch Hypoxie und Atemdepression induzierte Nekrose.

Die Proteine der Bcl-2-Familie haben strukturelle Ähnlichkeiten: Erstens haben sie eine hydrophobe Transmembrandomäne(TM) am Kohlenstoffende, die die subzelluläre Lokalisierung des Proteins bestimmt. Zweitens enthalten sie vier konservierte BH-Domänen(BH1-BH4), wobei BH1 und BH2 allen Mitgliedern gemeinsam sind und an der Dimerisierung von Mitgliedern der Bcl-2-Familie beteiligt sind. Eines der wesentlichen Merkmale der Proteine der Bcl-2-Familie ist die Fähigkeit, Homodimere und Heterodimere zu bilden. Die Heterodimerisierung zwischen anti-apoptotischen und pro-apoptotischen Proteinen der Bcl-2-Familie hemmt vermutlich die biologische Aktivität ihrer Partner. Sie wird durch die Insertion der BH3-Region des pro-apoptotischen Proteins in eine hydrophobe Tasche aus den anti-apoptotischen Proteinen BH1, BH2 und BH3 vermittelt. Neben BH1, BH2 und BH3 ist BH4 für die anti-apoptotische Aktivität notwendig, während BH3 für die pro-apoptotische Aktivität notwendig ist.

Abbildung 1: Homologie der Proteine der Bcl-2-Familie

Bcl-2-Familientyp

Gemäß ihrer Aufgabe im Prozess der Apoptose können Bcl-2-Familienmitglieder in zwei Kategorien unterteilt werden: anti-apoptotisch und pro-apoptotisch.

   1. Zu den anti-apoptotischen Proteinen der Bcl-2-Familie zählen hauptsächlich Bcl-2, Bcl xl, Bcl-w, A1, Mcl-1, Bfl-1 usw. Sie enthalten mindestens zwei Strukturdomänen, BH1 und BH2, und wirken anti-apoptotisch.

   2. Die pro-apoptischen Proteine der Bcl-2-Familie können anhand ihrer Strukturmerkmale in zwei Typen unterteilt werden:

① Zu den Bax-Subtypen zählen hauptsächlich Bax(Bcl-2-assoziiertes Protein), Bakl(Bcl-2-Antagonist Killer 1) und Bok, die drei Domänen enthalten: BH1, BH2 und BH3, aber nicht die BH4-Domäne.

② Nur BH3-Subtypen: hauptsächlich Bid, Bad, Bik, Bim, Noxa, nur Puma usw., die nur die BH3-Domäne enthalten.

   Bax und Bak sind die wichtigsten apoptotischen Moleküle der Bcl-2-Familie. Aktiviertes Bax und Bak werden in die Mitchondrien transloziert und unterliegen Konformationsänderungen zur Oligomerisierung. Sie inserieren in den Mitochondrien und bilden Poren der äußeren mitochondrialen Membran. Dies führt zu einer erhöhten Permeabilität der äußeren mitochondrialen Membran(MOMP) und der Freigabe zahlreicher pro-apoptotischer Faktoren ins Zytoplasma, was zur Apoptose führt.

Bcl-2-Familie und Apoptose

Die Proteine der Bcl-2-Familie steuern die Zellapoptose hauptsächlich durch Selbstdimerisierung oder die Bildung von Heterodimeren mit Proteinen wie Bax. Bax-Bcl-2-Beterodimere können der anti-apoptotischen Wirkung von Bcl-2-Homodimeren entgegenwirken und die Apoptose fördern. Die Bindung von Bcl-2-Protein an die Membran ist für seine Funktion ziemlich wichtig. Experimente haben gezeigt, dass die anti-apoptotische Wirkung des Bcl-2-Proteins, das seine Membranlokalisierungsfähigkeit verliert, erheblich geschwächt ist und Bcl-2-Proteine mit unterschiedlicher subzellulärer Lokalisation an verschiedenen apoptotischen Prozessen in verschiedenen Zelltypen beteiligt sein können.

1. Bcl-2 auf der Mitochondrienmembran wirken bei der Hemmung der Apoptose auf mindestens drei Ebenen mit:

① Bcl-2 kann den Redoxzustand mitochondrialer Thiolgruppen verändern, um deren Membranpotential zu steuern und die Zellapoptose zu regulieren.

② Das Protein Bcl-2 kann die Oligomerisierung von Bax/BAK verhindern und dann die Freisetzung wichtiger Proteine wie mitochondriales Cytochrom C und /oder AIF (Apoptosemediator) hemmen und so die Überlebensfähigkeit der Zellen verbessern.

③ Bcl-2 kann die Aktivierung von Caspase verhindern, z.B. Caspase-2, und wirkt anti-apoptotisch vor der Freigabe von mitochondrialem Cytochrom C mit. Untersuchungen haben gezeigt, dass der Effekt hauptsächlich durch CED-4 erzielt wird. Bcl-2 kann die Oligomerisierung von CED-4 im CED-3/CED-4-Komplex durch direkte Interaktion mit CED-9 hemmen und dann die Aktivierung von Caspase verhindern.

2. Bcl-2 hemmt die Apoptose, dadurch dass es die Freigabe von Ca2+ während des Zelltods unterdrückt. Während des Zelltods erfordert die DNA-Verdauung die Beteiligung Ca2+-abhängiger Endonukleasen und das Bcl-2-Protein auf der Membran des endoplasmatischen Retikulums kann die Freigabe von Ca2+ aus dem endoplasmatischen Retikulum blockieren, wodurch die Aktivität der Ca2+-abhängigen Endonukleasen reduziert und so die Zelltodphase blockiert wird.

3. Bcl-2-Protein kann auf Signalmoleküle in Mitochondrien und Kernporenkomplexen wirken, die zelluläre Signaltransduktion steuern und das Zellüberleben verlängern. Bcl-2-Protein kann seine antioxidative Wirkung entfalten oder die Produktion oxidativer freier Radikale und die Zelltodphase durch die Regulierung des Transkriptionsfaktors NF kappaB hemmen.

4. Bcl-2 kann die Aktivierung des p53-abhängigen apoptotischen Signalwegs induzieren. Studien an vielen Zelllinien in vitro haben gezeigt, dass die Inaktivierung von Bcl-2 generell eine P53-abhängige Apoptose bei Dickdarmkrebs auslösen kann. Bax und Caspase-2 sind wichtige Mediatoren im Bcl-2/P53-Apoptoseweg. Es wird deshalb spekuliert, dass Bcl-2 unter physiologischen Bedingungen die Funktion der apoptotischen Vorstufe von P53 hemmen und unter dem Einfluss bestimmter Stressfaktoren das Aktivierungspotenzial von P53 induzieren kann. Es wurde bestätigt, dass aktiviertes und stabiles P53 die Expressionsrate von Bcl-2 verändern und dann Apoptose auslösen kann.

Abbildung 2: Bcl-2 und Zellüberleben und Apoptose

Bcl-2-Familie und Tumoren

Die Hemmung des programmierten Zelltods ist der wichtigste Abschnitt bei der Tumorentstehung. Das Bcl-2-Gen, ein wichtiges Apoptose-hemmendes Gen, unterbricht den selbststabilisierenden Gleichgewichtsmechanismus der Zelle und verhindert, dass geschädigte oder mutierte Zellen rechtzeitig beseitigt werden. Durch die synergistische Wirkung von Proliferationsgenen und wachstumshemmenden Genen entwickeln sich Tumore. Bcl-2 verlängert die Zellebensdauer und akkumuliert Zellen, dadurch dass es die Apoptose hemmt und dann seine Funktion bei der Tumorentstehung einleitet. Das Bcl-2-Gen selbst hat keine starke Onkogenaktivität, aber seine Aktivität wird nach einer Punktmutation erheblich gesteigert, was die Tumorentwicklung fördert. Somatische Mutationen, die mit einer Translokation des Bcl-2-Gens einhergehen, können ein follikuläres Lymphom in ein diffus-großzeliges Lymphom umwandeln. Bcl-2 kann mit dem vaskulären endothelialen Wachstumsfaktor(VEGF) und weiteren Faktoren interagieren und dadurch die Tumorangiogenese beeinflussen sowie die Tumorbildung und -entwicklung fördern. Bcl-2 wird in vielen menschlichen Tumoren stark exprimiert, zum Beispiel in Leberkrebs, Prostatakrebs, Dickdarmkrebs, Lungenkrebs, Magenkrebs, Non-Hodgkin-Lymphom, Neuroblastom und Brustkrebs. Derzeit geht man davon aus, dass die hohe Expression von Bcl-2 kein Merkmal eines bestimmten Tumors ist, sondern den proliferativen Zustand von Tumorzellen widerspiegelt.

Das Bcl-2Protein verhindert die Zellapoptose, die nicht nur mit der Entstehung vieler Tumoren in Verbindung steht, sondern auch wichtig bei der Ausbildung von Chemotherapieresistenzen ist. Experimente haben gezeigt, dass die Überexpression von Bcl-2 die Toleranz von Zellen gegenüber Chemotherapeutika wie Dexamethason, Cytarabin, Methotrexat, Cyclophosphamid, Doxorubicin, Etoposid (VP-16), Camptothecin, Stickstofflost, 5-Fluoruracil, Mitoxantron, Cisplatin, Vincristin und einigen Retinsäureverbindungen erhöhen kann. Die Arzneimitteltoleranz von Tumorzellen, die durch erhöhte Bcl-2-Proteinspiegel verursacht wird, unterscheidet sich von der allgemeinen chemischen Toleranz. Die Hauptunterschiede sind: ① Bcl-2-Protein kann die Arzneimittelansammlung in Zellen nicht verhindern; ② Bcl-2-Protein verändert weder das Ausmaß der durch Arzneimittel verursachten DNA-Schädigung noch die Reparaturrate beschädigter DNA durch Zellen. Bcl-2-Protein hat keine Wirkungen auf den Nukleotidpool oder die Zellzyklusrate.

Inhibitoren der Bcl-2-Familie

1. Venetoclax (ABT-199; GDC-0199):Es ist ein BH3-Mimetikum, das die Wirkung monofunktionaler BH3-Proteine nachahmt und ähnlich wie BH3 an das BCL-2-Protein bindet. Dadurch wird die Bindungsfähigkeit von BCL-2 und BAX oder BAK gehemmt. Venetoclax ist ein hocheffizienter, selektiver und oral wirksamer Bcl-2-Inhibitor mit einem Ki-Wert von weniger als 0.01 nM.

2. Lisaftoclax（APG-2575）: Es ist ein dualer Inhibitor von Bcl-2 und Bcl-XL mit IC₅₀-Werten von 2 nM bzw. 5.9 nM für Bcl-2 bzw. Bcl-XL. Durch die Hemmung des Bcl-Proteins wird der programmierte Zelltodmechanismus(Apoptose) von Tumorzellen wiederhergestellt, wodurch die Apoptose von Tumorzellen induziert und das Ziel der Tumorbehandlung erreicht wird.

3. Sonrotoclax：Ein wirksamer oral einzunehmender Bcl-2-Inhibitor zur Behandlung von chronischer lymphatischer Leukämie/kleinzelligem lymphatischem Lymphom (CLL/SLL), akuter myeloischer Leukämie(AML), Non-Hodgkin-Lymphom(einschließlich WM, MCL, MZL) und Multiplem Myelom(MM).

4. DT2216: DT2216 ist ein auf Proteinhydrolyse ausgerichtetes chimäres Protein(PROTAC), das den BCL-2-Wildtyp und viele medikamentenresistente Mutanten(einschließlich  G101V, D103Y usw.) effektiv und selektiv mit hoher Effizienz hemmen kann. DT2216 baut das BCR-ABL-Protein durch Rekrutierung der Von Hippel Lindau(VHL) E3 Ubiquitin Ligasen ab.