Doughnut-shaped holes of killer proteins observed for the first time

Spanish and German researchers have successfully seen for the first time the pores, shaped like rings and crescent moons that the Bax protein perforates in mitochondrial membranes. This advance has been achieved thanks to super-resolution microscopy and may help find the holy grail of cell suicide, a crucial process in preventing cancer.

Confocal microscopy image showing a mammalian cell entering apoptosis or cell suicide. Mitochondria are shown in magenta and Bax protein in green, organising in the areas where the mitochondria are fragmenting. The zooms show Bax structures (in orange) shaped like rings, arcs and lines, captured by super-resolution microscopy. / Credit: R.Salvador-Gallego

Death is essential for life, at least at the cellular level. Organ development relies to a large extent on there being a perfect balance between cells that are growing and dividing and those that are dying. In order for this to occur, cells programme their own destruction through a process called apoptosis, or cell suicide. If any fault arises in this programmed death, cells proliferate in an uncontrolled manner, and cancer can be caused.The complex mechanism of apoptosis is governed by a family of proteins, Bcl-2proteins, which form a large network of molecular interactions to regulate the permeabilisation of the outer membrane of the mitochondria, the powerhouse of the cell. This step is considered to be the point of no return in cell suicide, and is mediated in the last instance by the Bax protein, an essential member of the Bcl-2family whose function is to perforate the membrane.When the cell is stressed by apoptotic stimuli, Bax activates its killer instinct, encrusting on the mitochondrial membrane and recruiting other Bax units to form large clusters. Finally, these break the mitochondrial outer membrane by making a hole or pore, which allows the release of proteins such as cytochromec from the intermembrane space into the extracellular environment to culminate the suicide process.The mechanism that the Bax protein follows to irreversibly damage the cell is still unknown; in fact, the existence of these pores has not until now been free of polemic, as nobody had succeeded in observing them in the mitochondria of cells, the Spanish biochemist Raquel Salvador-Gallego, a researcher at the University of Tbingen (Germany) and co-author of the paper, explained to SINC.But seeing is believing. This biochemist and colleagues at her university and several other German research centres have managed to visualise the nanometric structures behind Bax organisation during apoptosis, with the help of super-resolution microscopes. The paper is the cover article of this weeks edition of 'The EMBO Journal.Surprisingly, we have been able to observe very defined Bax structures across the mitochondria, shaped like rings, arcs and lines. These are typical of the protein in its active form and are only present when the cell is dying, Salvador-Gallego stresses.The team, coordinated by another Spanish researcher, Ana Garca-Sez, has verified that these ring and arc structures are able to perforate artificial membranes which mimic the lipid composition of mitochondria. This leaves no doubt that they are closely linked to the function of the Bax protein during apoptosis.The biochemist summarises that this paper proposes a new mechanism of Bax action and confirms the existence of these pores, giving us an important piece in solving the puzzle of apoptosis.Another article appears in the same journal, a study led by Stefan Jakobs of the University Medical Center of Gttingen (Germany), which confirms with complementary super-resolution techniques the existence of Bax rings which may potentially also link with Bak proteins, another member of the Bcl-2family.How the two killer proteins Bax and Bak form the putative apoptotic pore' that is responsible for irrevocably damaging mitochondria leading to cell death is considered the holy grail of apoptosis research, writes Dr Grant Dewson of the University of Melbourne (Australia), also in The EMBO Journal. He concludes: These two studies provide tantalising evidence of ring and crescent moon-shaped apoptotic pores.

Dirigen la muerte programada, esencial para evitar el cncer

Observados por primera vez los agujeros en forma de dnut de las protenas asesinas

Investigadores espaoles y alemanes han conseguido ver por primera vez los poros, con forma de anillo y media luna, que perfora la protena Bax en la membrana de las mitocondrias. El avance, logrado gracias a microscopios de superresolucin, puede ayudar a encontrar el santo grial del suicidio celular, un proceso crucial para evitar el cncer.

Imagen de microscopa confocal donde se observa una clula de mamfero entrando en apoptosis o suicidio celular. Las mitocondrias se muestran en magenta y la protena Bax en verde, organizada en zonas donde las mitocondrias se estn fragmentando. Los detalles ozoomsson estructuras de Bax (en naranja) captadas por microscopa de superresolucin en forma de anillos, arcos y lneas. / R. Salvador-GallegoLa muerte es esencial para la vida, al menos a nivel celular. El desarrollo de los rganos depende en buena medida de que se produzca un equilibrio perfecto entre las clulas que crecen y se dividen y aquellas que perecen. Para que esto ocurra, las clulas programan su propia destruccin a travs de un proceso denominado apoptosis, el suicidio celular. Si ocurre algn fallo en esta muerte programada, las clulas proliferan de forma descontrolada y se puede originar un cncer.El suicidio celular est mediado por la protena Bax en ltima instanciaEl complejo mecanismo de la apoptosis est gobernado por una familia de protenas, las Bcl-2, que forman una gran red de interacciones moleculares para regular la permeabilizacin de la membrana externa de las mitocondrias, la central energtica de la clula. Este paso es considerado como el punto de no retorno del suicidio celular, y est mediado en ltima instancia por la protena Bax, un miembro esencial de esa familia cuya funcin es perforar la membrana.Cuando la clula est estresada por el estmulo apopttico, Bax activa su instinto asesino y se incrusta en la membrana mitocondrial, reclutando a otras unidades para formar grandes conglomerados. Estos terminan por romper la membrana externa de la mitocondria haciendo un agujero o poro, lo que permite que se liberen protenas como el citocromo c desde el espacio intermembrana al interior celular para culminar el proceso suicida.Poros polmicos que se consiguen observarEl mecanismo que sigue la protena Bax para daar irreversiblemente a la clula todava es una incgnita; y de hecho, la existencia de estos poros hasta ahora no ha estado libre de polmica, ya que nadie haba conseguido observarlos en mitocondrias de clulas, explica a Sinc la bioqumica espaola Raquel Salvador-Gallego, investigadora de la Universidad de Tubinga (Alemania) y coautora del trabajo.Pero ver es creer. Esta bioqumica, junto con otros colegas de su universidad y diversos centros alemanes ha conseguido visualizar, con la ayuda de microscopios de superresolucin, las estructuras nanomtricas que estn detrs de la organizacin de Bax durante la apoptosis. El estudio es portada esta semana enThe EMBO Journal.160216_mitocodria_The Embo Journal R. Salvador-Gallego et alLas imgenes de superresolucin muestran que las protenas Bax (en lneas, arcos y anillos) median en la permeabilizacin de la membrana externa de las mitocondrias durante la apoptosis. / The Embo Journal/ R. Salvador-Gallego et al.Sorprendentemente, hemos podido observar estructuras muy bien definidas de Bax en forma de anillos, arcos y lneas a lo largo de las mitocondrias, que son tpicas de esta protena en su forma activa y que solo estn presentes cuando la clula se est muriendo, destaca Salvador-Gallego.El equipo, coordinado por la tambin espaola Ana Garca-Sez, ha comprobado que estos caractersticos anillos y arcos son capaces de perforar membranas artificiales que simulan la composicin lipdica de la mitocondria, por lo que no dejan lugar a dudas de que estn estrictamente relacionados con la funcin de Bax durante la apoptosis.

Portada de The EMBO Journal. / EMBOLa bioqumica resume que este trabajo propone un nuevo mecanismo de accin de Bax y confirma la existencia de estos poros, proporcionando una pieza importante en el camino para resolver el gran puzle apopttico.

Evidencias seductorasEn la misma revista aparece otro artculo, liderado por el investigador Stefan Jakobs del Centro Mdico Universitario de Gotinga (Alemania), donde se confirma con tcnicas complementarias de superresolucin la existencia de los anillos de Bax, que potencialmente tambin se pueden unir a protenas Bak, otros miembros de la familia Bcl-2.Conocer cmo las protenas asesinas Bax y Bak forman el poro apopttico responsable del dao mitocondrial irreversible, que daa las mitocondrias y conduce a la muerte celular, est considerado el santo grial de la investigacin en apoptosis, valora tambin enThe EMBO Journalel doctor Grant Dewson de la Universidad de Melbourne (Australia). Y concluye: Ahora los dos estudios proporcionan evidencias seductoras sobre estos poros en forma de dnuts y medias lunas.Referencia bibliogrfica:Raquel Salvador-Gallego, Markus Mund, Katia Cosentino, Jale Schneider, Joseph Unsay,Ulrich Schraermeyer, Johann Engelhardt, Jonas Ries, Ana J Garca-Sez. Bax assembly into rings and arcs in apoptotic mitochondria is linked to membrane pores.The EMBO Journal35: 389401, 18 de enero 2016 (on line), 15 de febrero 2016 (paperandcover).