Die Funktion der Proteine Bax und Bak in der Initiation von Apoptose durch das BH3-only-Protein Harakiri

Abstract

In malignen Zellen ist Apoptose häufig dysreguliert. Entscheidend bei der Regulierung der Apoptoseinduktion ist die Bcl-2-Proteinfamilie, deren Vertreter mittels Bcl-2-homologen Domänen (BH 1-4) interagieren. Die Proteinfamilie umfasst antiapoptotische Proteine wie Mcl-1 und proapoptotische wie Bax und Bak. Harakiri (Hrk) gehört zur proapoptotischen Untergruppe der lediglich die BH3-Domäne aufweisenden BH3 only-Proteine, die Bax und Bak durch Hemmung der antiapoptotischen Proteine aktivieren. Da die Expression von Hrk in verschiedenen Neoplasien erniedrigt ist, sollte in dieser Arbeit untersucht werden, welche Expressionsmuster von Bax und Bak Neoplasien einer Tumortherapie mittels Substitution von Hrk zugänglich machen. Um die durch Hrk aktivierten Signalwege zu untersuchen, wurde ein rekombinanter adenoviraler Vektor (Ad-Hrk) zur regulierbaren Überexpression von Hrk hergestellt. Mit dem Vektor transfizierte Hrk-negative HCT 116-Coloncarcinomzellen zeigen unter sog. On-Bedingungen eine deutliche Hrk-Expression. Die durchflusszytometrische Bestimmung der Rate hypodiploider Zellen erwies, dass die ektope Expression von Hrk in Wildtyp-HCT-116-Zellen Apoptose induziert. Um eine Abhängigkeit Hrk-induzierter Apoptose von Bax und Bak zu adressieren, wurde Hrk zusätzlich in HCT-116-Zellen mit spezifischem Verlust von Bax, Bak oder Bax und Bak überexprimiert. Im Gegensatz zu Bax-profizienten Zellen erwiesen sich Bax- defiziente HCT-116-Zellen unabhängig vom Bak-Expressionsstatus als resistent gegenüber Hrk. Hrk-Expression führte in Bax-profizienten Zellen, nicht aber in Bax-defizienten Zellen zum Verlust des mitochondrialen Membranpotentials, zur Caspase 3-Aktivierung und zur DNA-Fragmentierung. Die Hrk-Resistenz Bax- negativer/Bak-positiver HCT-116-Zellen konnte interessanterweise durch siRNA- vermittelte Herunterregulation des Bak-Inhibitors Mcl 1 überwunden werden. Die Ergebnisse zeigen, dass eine erniedrigte Bax-Expression in Kombination mit Mcl 1-Expression ein Resistenzfaktor gegenüber Hrk-induzierter Apoptose ist. Folglich kommen nur Bax exprimierende oder Mcl-1-negative Neoplasien für eine Hrk substituierende Tumortherapie in Frage. Da der Verlust von Bax und die Expression von Mcl-1 in Tumorzellen jedoch häufig vorkommen, ist vermutlich selbst in solchen Neoplasien ein Teil der Zellen resistent gegenüber Hrk- Substitution. Daher sollten entsprechende klinische Studien Kombinationstherapien mit einem Pharmakon nutzen, das diese Zellen mittels Inhibition von Mcl-1 sensibilisieren kann.

Apoptosis is frequently dysregulated in malignant neoplasia. A crucial role in the regulation of apoptosis induction is played by the Bcl-2 family of proteins, which interact via Bcl-2 homology domains (BH1-4). The protein family comprises antiapoptotic proteins, such as Mcl-1, as well as proapoptotic proteins, such as Bax and Bak. Harakiri (Hrk) belongs to the subgroup of proapoptotic proteins which exhibit only the BH3 domain and are therefore called BH3-only proteins. These proteins activate Bax and Bak by inhibiting the antiapoptotic Bcl-2 family members. As the expression of hrk is suppressed in different types of neoplasia, Hrk is a potential target of a therapy that focusses on inducing apoptosis in tumour cells. The aim of this study is to determine which expression patterns of Bax and Bak in tumours are suitable for Hrk functionally substituting tumour therapies. To investigate the signaling pathways downstream of Hrk, a recombinant adenoviral vector system (Ad-Hrk) for controlled overexpression of the protein was established. HCT 116 colon carcinoma cells transfected with Ad-Hrk show a distinct expression of Hrk if incubated under so-called On-conditions. Flow cytometric analysis of the rate of hypodiploid cells revealed induction of apoptosis in wild type HCT 116 cells after ectopic expression of Hrk. To address a potential dependency of Hrk-induced apoptosis from Bax and Bak, Hrk was overexpressed also in HCT 116 cells with specific loss of Bax, Bak or both. In contrast to Bax-proficient cells, Bax-deficient HCT 116 cells turned out to be resistant to Hrk. This was irrespective of the expression status of Bak. In Bax proficient, but not in Bax deficient cells, expression of Hrk lead to loss of the mitochondrial membrane potential, activation of Caspase 3 and DNA fragmentation. Interestingly, the resistance of Bax negative/Bak positive HCT 116 cells towards Hrk was overcome by siRNA-mediated downregulation of the Bak inhibitor Mcl-1. The results demonstrate that a reduced expression of Bax in combination with the expression of Mcl 1 is a resistance factor against Hrk induced apoptosis. Hence only Bax expressing or Mcl-1 negative neoplasms are suitable for an Hrk substituting tumour therapy. As the loss of Bax and the expression of Mcl 1 are frequently found in tumour cells, presumably even in such neoplasms a part of the cells is resistant towards substitution of Hrk. Therefore accordant clinical studies ought to be based on combination therapies with drugs which can sensitize these cells by inhibition of Mcl 1.