Regulation of cell invasion by Bcl-2 family proteins, mitochondrial complex-I, and p53 tumor suppressor

Abstract

The Bcl-2 family members are key regulators of cellular viability, either promoting or suppressing cell death. Recent reports have indicated that the pro-survival members (Bcl-w, Bcl-X_(L), and others) also enhance the migratory and invasive potentials of cancer cells by an as yet poorly understood mechanism. Here, I show that Bcl-w increases mitochondrial reactive oxygen species (ROS) levels to promote cell invasion. By way of contrast, Bax, a member of the multidomain pro-apoptotic group (Bax and Bak), reduced ROS levels and thus suppressed cell invasion. Bax was found to exert this function by binding ND5, a subunit of respiratory complex-Ι, thereby suppressing complex-Ι activity. Analyses of the functional and physical relationship between Bcl-w and Bax have shown that Bcl-w enhances cellular invasiveness by binding to Bax and subsequently promoting its dissociation from complex-Ι. Considering that the p53 tumor suppressor/transcription factor often accumulates in the cytoplasm of healthy cells, I next investigated whether cytoplasmic p53 can interact with Bcl-2 family proteins and regulate cellular invasiveness. My data have indeed shown that cytoplasmic p53 suppresses cell invasion by reducing mitochondrial ROS levels, which was found to be mediated by Bcl-2 family proteins: Cytoplasmic p53 binds Bcl-w, liberating Bax, which then binds ND5, thereby suppressing complex-Ι activity and thus ROS production. I also showed that Bcl-X_(L) and Bak can substitute for Bcl-w and Bax, respectively, regulating complex-Ι activity and supporting the cytoplasmic function of p53; nuclear p53 also suppresses complex-Ι activity by inducing Bax expression. Studies in animal models support the notion that p53 and Bcl-2 family proteins exhibit these functions in vivo. This study demonstrates a link between p53 and Bcl-2 proteins as regulators of ROS production and cellular invasiveness, and reveals complex-Ι, especially ND5, as their functional target.;Bcl-2 family members는 세포 사멸을 촉진하거나 억제하는 세포 사멸의 중요한 조절자이다. 최근 논문들은 아직 밝혀지지 않은 기전을 통해 pro-survival members(Bcl-w, Bcl-X_(L), and others)가 암세포의 이동성과 침윤성을 향상 시킨다고 보고 하고 있다. 이에 우리는 본 연구에서 Bcl-w가 세포 침윤을 촉진시키기 위해 미토콘드리아 활성산소의 수준을 올린다는 사실을 밝혀내었다. 이와는 반대로 multidomain pro-apoptotic group (Bax and Bak)의 구성원 중 하나인 Bax는 활성산소의 수준을 감소시켜 세포 침윤을 억제하는데, 이러한 기능은 Bax가 respiratory complex-I의 소단위체인 ND5에 결합함으로써 일어나는 것임을 알아내었다. 또한 Bcl-w와 Bax 사이의 기능적, 물리적 관계의 분석은 Bcl-w가 Bax에 결합함으로써 complex-I으로부터 Bax를 분리시켜 세포의 침윤 능력을 향상 시킨다는 사실을 보여주고 있다. 다음으로, p53 종양억제/전사인자는 종종 살아 있는 건강한 세포의 세포질에도 축적되어 있는 점을 고려하여, 세포질 p53이 Bcl-2 family proteins과 상호작용을 하는지, 세포 침윤 능력의 조절에 관여하는지에 대해 조사 해 보았다. 우리의 결과는 실제로 세포질 p53이 미토콘드리아 활성산소의 수준을 감소시킴으로써 세포 침윤을 억제하는 것으로 나타났고, 이는 Bcl-2 family proteins에 의해 매개되는 것으로 밝혀졌다: 세포질 p53은 Bcl-w와 결합함으로써 Bax를 분리 시키고, 이렇게 떨어져 나간 Bax는 ND5와 결합하여 complex-I의 활성을 낮추고 활성산소의 생성을 억제한다. 또한 우리는 complex-I의 활성과 세포질 p53의 세포 침윤 기능을 조절하는 과정에서 Bcl-X_(L)과 Bak이 각각 Bcl-w와 Bax를 대체 할 수 있음을 밝혀내었다; 이 밖에도 핵 내에 존재하는 p53은 Bax의 발현을 유도하여 complex-I의 활성을 막아 세포의 침윤을 억제하는 것임을 알 수 있었다. 동물 모델을 이용한 연구는 p53과 Bcl-2 family proteins의 이러한 기능을 생체 내에서 증명하여 세포를 이용한 앞의 실험 결과들을 뒷받침해 주고 있다. 따라서 이 연구는 활성 산소의 생성 및 세포 침윤 조절자인 p53과 Bcl-2 family proteins 간의 긴밀한 관계를 밝히고, 이들의 기능적 대상으로써의 complex-I, 특히 ND5를 밝힌 중요한 연구라 할 수 있다.