Brought to light: the Bcl-2 transmembrane domain interactome elucidated by a bimolecular split luciferase assay and its impact on apoptosis signalling

Abstract

Apoptose ist eine Form des programmierten Zelltods, die häufig bei verschiedenen Krankheiten wie Krebs gestört ist. Ein Schlüsselereignis der Apoptose ist die Permeabilisierung der äußeren Mitochondrienmembran (MOMP), die von der B-Zell-Lymphom 2 (Bcl-2) Proteinfamilie gesteuert wird. Bcl-2-Proteine bilden ein komplexes Interaktionsnetzwerk, in dem sich pro- und anti-apoptotische Mitglieder gegenseitig zugunsten von Zelltod oder -Überleben hemmen. Das Netzwerk wird durch die Interaktion zwischen dem Bcl-2 Homologie 3 Motiv (BH3) und der hydrophoben Furche definiert. Eine neue Art von niedermolekularen Wirkstoffen, sogenannte BH3-Mimeticka, welche die hydrophobe Furche anti-apoptotischer Bcl-2 Proteine besetzen, ist wirksam in der Krebstherapie. Es verdichten sich jedoch Hinweise darauf, dass die weit weniger untersuchte C-terminale Transmembrandomäne (TMD) von Bcl-2 Proteinen, die traditionell als Membrananker fungiert, ebenfalls als Interaktionsfläche dienen kann. Zur weiteren Aufklärung der Interaktionen in der Bcl-2-Proteinfamilie über die TMD wurde ein zellbasierter Assay entwickelt und validiert, bei dem das mit TMDSequenzen fusionierte bimolekulare Luziferase-System NanoBiT mit gleichzeitiger Expression von Fluorophoren zur Signalnormalisierung kombiniert wird. Eine systematische Analyse der TMD-Interaktionen zwischen pro-apoptotischen Effektor-Bcl-2-Proteinen (BAX, BAK und BOK) und anti-apoptotischen Bcl-2-ähnlichen Proteinen (BCL-2, BCL-XL, BCL-W, MCL-1 und A1) offenbarte homotypische Interaktionen zwischen Effektor-TMDs und Interaktionen von Effektor-TMDs mit BCL-XL-TMD und BCL-W-TMD. Interessanterweise wurde eine bisher unbekannte Interaktion von BOK-TMD und BCL-2-TMD identifiziert. Die subzelluläre Lokalisierung Fluorophor-konjugierter TMD-Peptide verdeutlichte, dass einige TMDs präferentiell in Mitochondrien (BAX, BAK, BCL-XL, BCL-W) lokalisiert sind, während andere (BOK, BCL-2, MCL-1) vorwiegend mit dem endoplasmatischen Retikulum (ER) kolokalisiert sind. TMD-Austausch und Mutation in BAX bestätigten eine wichtige Rolle der BAX-TMD bei der BAX-Inhibition, während der TMD-Austausch in BAK einen vernachlässigbaren Einfluss auf die BAK-Regulierung durch BCL-2 hatte. Darüber hinaus hingen sowohl die Kolokalisierung von BOK und BCL-2 als auch die Hemmung des durch BOK-Überexpression induzierten Zelltods durch BCL-2 von den TMD Sequenzen ab. Dementsprechend modulierte TMD-Mutation von BCL-2 die Interaktion mit BOK-TMD, die subzelluläre Lokalisierung und die anti-apoptotische Kapazität von BCL-2. Letztlich steigerte die Abwesenheit von BCL-2 den BOK-abhängigen ER-Stress-induzierten Zelltod, was auf einen physiologischen Kontext für die funktionelle Bedeutung ihrer TMD-Interaktion hinweist. Somit hebt diese Arbeit hervor, dass die Aufklärung des Bcl-2-TMD-Interaktoms für unser Verständnis der Apoptose-Regulation wichtig ist und ebnet den Weg für zukünftige Untersuchungen der TMD als Ziel für klinische Interventionen.