Apoptozes inhibitori jeb IAP proteīni

Visu saimes locekļu kopīgā pazīme ir vismaz viens BIR domēns (baculovirus IAP repeat), aptuveni septiņdesmit aminoskābju garš cinku saturošs veidojums. Tieši BIR domēna virsmā ir kabata, kas atpazīst īpašu četru aminoskābju motīvu olbaltumvielas galā. Šis motīvs, kuru bieži saīsina kā IBM, ir atslēga visai sistēmai: gan kaspāzēm, gan IAP antagonistiem tas ir, un tieši tāpēc tie savstarpēji konkurē par vienu un to pašu vietu.

Vairumam IAP ir arī RING domēns molekulas galā. Tas nav saistīts ar apoptozi tieši, bet piešķir olbaltumvielai E3 ubikvitīna ligāzes aktivitāti, tātad spēju pievienot citām olbaltumvielām ubikvitīna ķēdes. Atkarībā no ķēdes tipa mērķis tiek vai nu nosūtīts uz proteasomu iznīcināšanai, vai arī pārvērsts par signālceļa platformu.

Dažiem pārstāvjiem ir papildu domēni: CARD domēns, kas regulē RING aktivitāti, vai NOD un LRR struktūras, kuras padara olbaltumvielu par iedzimtās imunitātes receptoru.

Saimes locekļi ir tālu ne vienādi. Daži tiešām bremzē apoptozi, citi galvenokārt regulē iekaisuma signālus, bet vēl citi ir iesaistīti šūnas dalīšanās mehānikā. Tāpēc runāt par „apoptozes inhibitoru" vienskaitlī ir vienkāršojums.

XIAP ir vienīgais cilvēka IAP, kura tiešā kaspāžu bremzēšana ir pierādīta pārliecinoši un bioķīmiski izmērīta. Tā otrais BIR domēns kopā ar priekšā esošo lineāro posmu aizsprosto izpildītājkaspāžu 3 un 7 aktīvo centru, turklāt tas notiek neparastā veidā: bloķējošais posms ieguļ aktīvajā centrā pretējā virzienā nekā parastais substrāts, tāpēc ferments to nespēj sagriezt.

Trešais BIR domēns darbojas citādi. Tas saistās ar iniciatorkaspāzi 9 un neļauj tai izveidot to divkāršo molekulu, kas ir nepieciešama aktivitātei. Tātad XIAP vienlaikus tur pirkstu uz diviem dažādiem kaskādes posmiem, vienu augšpusē un divus izpildes galā.

1. Šūna saņem stresa signālu, un mitohondriji izdala citohromu c.
2. Citoplazmā izveidojas apoptosoma, kas piesaista un aktivē kaspāzi 9.
3. Kaspāze 9 sagriež un aktivē kaspāzes 3 un 7, kas sāk sadalīt šūnas struktūras.
4. XIAP piesaistās gan kaspāzei 9, gan kaspāzēm 3 un 7 un aptur to darbu.
5. Ja stresa signāls ir pietiekami spēcīgs, mitohondriji izdala arī Smac/DIABLO, kas atrauj XIAP no kaspāzēm.
6. Atbrīvotās kaspāzes turpina darbu, un apoptoze aiziet līdz galam.

cIAP1 un cIAP2 apoptozi bremzē pastarpināti. Kad audu nekrozes faktors piesaistās savam pirmajam receptoram, receptora iekšpusē salīp signālkomplekss, un cIAP olbaltumvielas tajā pievieno ubikvitīna ķēdes, kas darbojas kā sastatnes. Uz šīm sastatnēm saliekas fermenti, kuri iedarbina NF-kB signālceļu, un šūna sāk ražot izdzīvošanas olbaltumvielas.

Ja cIAP nav vai tās ir bloķētas, tas pats receptors sāk veidot pavisam citu kompleksu, kurā aktivējas kaspāze 8, un šūna iet bojā. Tādējādi cIAP darbojas kā pārslēgs starp diviem viena un tā paša signāla iznākumiem: iekaisumu un izdzīvošanu vienā pusē, nāvi otrā.

Šis pārslēgs izskaidro arī to, kāpēc IAP bloķējošas zāles ne vienmēr dod paredzamo rezultātu. Atkarībā no šūnas konteksta tās var izraisīt nevis apoptozi, bet nekroptozi, iekaisīgu šūnas nāves veidu, kas audos rada pavisam citu reakciju.

Šūnai ir jāspēj IAP arī izslēgt, citādi apoptoze nekad nenotiktu. Šim nolūkam mitohondrijos glabājas divas olbaltumvielas. Smac, kuru sauc arī par DIABLO, un serīna proteāze HtrA2, kuru sauc arī par Omi. Kad mitohondrija ārējā membrāna kļūst caurlaidīga, tās nonāk citoplazmā kopā ar citohromu c.

Izejot cauri mitohondrija apstrādei, abām atsedzas tieši tāds pats galotnes motīvs, kāds ir kaspāzēm. Tāpēc tās var ieņemt kaspāžu vietu IAP kabatā un tās izspiest. Rezultāts ir tāds pats, it kā IAP būtu izzuduši.

Tieši šī mehānisma vienkāršība pamudināja izstrādāt mākslīgas mazmolekulāras vielas, kas atdarina Smac galotnes motīvu. Tās sauc par Smac mimētiķiem, un vairākas no tām ir pārbaudītas klīniskos pētījumos, biežāk kombinācijā ar staru terapiju vai imūnterapiju. Viena no interesantākajām atradēm bija, ka tās daudz spēcīgāk noārda cIAP nekā bloķē XIAP.

IAP darbības traucējumi izpaužas divos pretējos virzienos. Ja bremze ir pārāk stipra, šūnas dzīvo, kad tām vajadzētu mirt. Ja bremzes trūkst, šūnas mirst pārāk viegli vai arī nespēj pareizi vadīt iekaisuma signālus.

Onkoloģijā biežāk sastopams pirmais variants. Daudzos audzējos survivīns, XIAP vai cIAP ir izteikti pārprodukti, un vairākos audzēju veidos survivīna līmenis audzēja audos ir saistīts ar sliktāku prognozi un sliktāku atbildi uz ķīmijterapiju. Veselās pieaugušā audu šūnās survivīns gandrīz nav atrodams, tāpēc tas ir pievilcīgs mērķis.

Otrs virziens redzams retās iedzimtās slimībās. XIAP gēna bojājums izraisa X hromosomai saistītu limfoproliferatīvu sindromu, kura tipiskās izpausmes ir smaga, dzīvībai bīstama hemofagocītiska reakcija pēc Epšteina un Barra vīrusa infekcijas, liesas palielināšanās un Krona slimībai līdzīgs zarnu iekaisums. Ar to nodarbojas imunologs, hematologs un ģenētiķis, un vienīgā izārstējošā ārstēšana ir asinsrades cilmes šūnu transplantācija.

• Onkoloģija: IAP pārprodukcija audzēja šūnās, saistība ar rezistenci pret ķīmijterapiju.
• Imunoloģija: XIAP deficīts ar hemofagocītisku limfohistiocitozi un zarnu iekaisumu.
• Neiroloģija: šūnu nāves regulācijas loma neirodeģeneratīvos procesos, joprojām pētniecības stadijā.
• Infekciju bioloģija: NAIP darbojas kā sensors, kas atpazīst baktēriju flagelīnu un sekrēcijas sistēmas daļas.
• Zāļu izstrāde: Smac mimētiķi un XIAP antisensa molekulas klīnisko pētījumu stadijā.

Pacienta līmenī IAP tieši mēra reti. Izņēmums ir XIAP deficīta diagnostika: šaubu gadījumā izmanto plūsmas citometriju, kas rāda XIAP olbaltumvielas daudzumu limfocītos, un funkcionālu testu, kurā vērtē, vai šūnas normāli reaģē uz NOD2 receptora stimulāciju. Apstiprinājumu dod gēna sekvencēšana.

Patologa darbā biežāk izmanto survivīna imūnhistoķīmisko krāsošanu audzēja paraugā, taču tas nav standarta izmeklējums ikdienas diagnostikā. Pētniecībā IAP nosaka ar imūnblotu, kvantitatīvo PCR un kaspāžu aktivitātes testiem, kuros mēra, cik ātri šūnu ekstrakts sagriež fluorescējošu substrātu.

Apoptozes esamību pašu par sevi audos rāda TUNEL metode un sagrieztās kaspāzes 3 krāsošana, bet ar tām vien nevar pateikt, kurš IAP ir vainīgs pie procesa bremzēšanas.

Vārdu salikums „apoptozes inhibitors" sarunvalodā tiek attiecināts uz jebko, kas bremzē šūnas nāvi, un tas rada neskaidrību. Stingrā nozīmē IAP ir konkrēta olbaltumvielu saime ar BIR domēnu, nevis vispārīga funkcionāla kategorija.

Trīs biežākās sajaukšanas ir šādas. Pirmkārt, Bcl-2 saimes olbaltumvielas, piemēram, Bcl-2, Bcl-xL un Mcl-1, arī pasargā šūnu, bet tās darbojas agrāk un citā vietā: tās neļauj mitohondrija membrānai kļūt caurlaidīgai. Otrkārt, FLIP bloķē kaspāzi 8 tieši receptora līmenī, nevis ar BIR domēnu. Treškārt, survivīnu bieži pieskaita „īstajiem" kaspāžu bremzētājiem, lai gan tā galvenā loma ir mitozē, un tiešs kaspāžu bloks tam nav pārliecinoši pierādīts.

Saimes nosaukums ir maldinošs, un to arvien biežāk atzīst arī paši pētnieki. No astoņiem cilvēka pārstāvjiem tikai viens, XIAP, patiešām tieši bremzē kaspāzes tādā koncentrācijā, kāda šūnā reāli pastāv. Pārējiem galvenā darbības joma ir ubikvitīna signāli, iekaisums un šūnas dalīšanās, un apoptozes bremzēšana tur ir netiešs blakusefekts.

Otra maz uzsvērta lieta ir tā, ka IAP bloķēšana nav vienkārša „nāves poga" audzējam. Tā kā cIAP zudums pārslēdz audu nekrozes faktora signālu uz iekaisīgu ceļu, Smac mimētiķi var izraisīt gan apoptozi, gan nekroptozi, gan citokīnu izdali, kas atgādina sistēmisku iekaisuma reakciju. Tieši tas, nevis nepietiekama iedarbība, vairākos gadījumos ir ierobežojis šo zāļu devas.

Trešā detaļa attiecas uz evolūciju: bakulovīrusi izmanto IAP, lai kukaiņa šūnu noturētu dzīvu, kamēr vīruss vairojas. Cilvēka audzēja šūna izmanto to pašu triku pret pašas organisma kontroles sistēmām. Viens un tas pats molekulārais risinājums tādējādi apkalpo gan parazītu, gan savu šūnu, kas ir kļuvusi par parazītu.