БИОХИМИЯ, 2020, том 85, вып. 10, с. 1331–1343

УДК 577.24

Математическое моделирование демонстрирует влияние состава филаментов DED на активность малых молекул, нацеленных на гетеродимер каспаза-8/c-FLIPL

© 2020 Н.В. Иванисенко 1, И.Н. Лаврик 1,2*

Институт цитологии и генетики СО РАН, 630090 Новосибирск, Россия; электронная почта: n.ivanisenko@gmail.com

Translational Inflammation Research, Medical Faculty, Otto von Guericke University Magdeburg, 39106 Magdeburg, Germany; E-mail: ilav3103@gmail.com

Поступила в редакцию 17.07.2020
После доработки 24.07.2020
Принята к публикации 24.07.2020

DOI: 10.31857/S0320972520100024

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: апоптоз, DISC, каспаза-8, FLIPin, DED, DRs.

Аннотация

Активация прокаспазы-8 в «сигнальном комплексе, индуцирующем гибель» клетки (DISC), приводит к запуску внешнего пути апоптоза. Активация прокаспазы-8 происходит в филаментах «эффекторного домена смерти» (DED), и этот процесс регулируется белками c-FLIP, в частности, т.н. длинной изоформой белка, c-FLIPL. Недавно было описано первое рационально сконструированное химическое соединение, FLIPin, нацеленное на гетеродимер каспаза-8/c-FLIPL. FLIPin повышает активность каспазы-8 при процессинге гетеродимера. В настоящей работе с использованием кинетической модели были исследованы механизмы действия FLIPin в комплексе DISC. Ключевой целью данной работы было предсказание активности FLIPin в зависимости от различной стехиометрии и состава DED филамента. С помощью математического моделирования были получены оптимальные соотношения между белком c-FLIPL и прокаспазой-8 в различных внутриклеточных ландшафтах, благоприятствующих действию FLIPin. Анализ модели показал, что в модуляции активности FLIPin при снижении или повышении экспрессии cFLIPL задействованы различные молекулярные механизмы. Таким образом, комбинация математического моделирования и системной фармакологии является важным инструментом для разработки более эффективных терапевтических подходов и предсказания оптимальных стратегий лечения.

Сноски

* Адресат для корреспонденции.

Финансирование

Работа выполнена при финансовой поддержке грантов РФФИ (19-54-45015; 18-04-00207) и Российского государственного бюджетного задания (АААА-А17-117092070032-4).

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Соблюдение этических норм

Данная статья не содержит исследований, выполненных с участием авторов, в которых были бы использованы люди или животные.

Список литературы

1. Krammer, P. H., Arnold, R., and Lavrik, I. N. (2007) Life and death in peripheral T cells, Nat. Rev. Immunol., 7, 532-542.

2. Lavrik, I. N., and Krammer, P. H. (2012) Regulation of CD95/Fas signaling at the DISC, Cell Death Differ., 19, 36-41.

3. Zamaraev, A. V., Kopeina, G. S., Zhivotovsky, B., and Lavrik, I. N. (2015) Cell death controlling complexes and their potential therapeutic role, Cell. Mol. Life Sci., 72, 505-517.

4. Dickens, L. S., Boyd, R. S., Jukes-Jones, R., Hughes, M. A., Robinson, G. L., Fairall, L., Schwabe, J. W., Cain, K., and Macfarlane, M. (2012) A death effector domain chain DISC model reveals a crucial role for caspase-8 chain assembly in mediating apoptotic cell death, Mol. Cell, 47, 291-305.

5. Schleich, K., Warnken, U., Fricker, N., Ozturk, S., Richter, P., Kammerer, K., Schnolzer, M., Krammer, P. H., and Lavrik, I. N. (2012) Stoichiometry of the CD95 death-inducing signaling complex: experimental and modeling evidence for a death effector domain chain model, Mol. Cell, 47, 306-319.

6. Fu, T. M., Li, Y., Lu, A., Li, Z., Vajjhala, P. R., Cruz, A. C., Srivastava, D. B., DiMaio, F., Penczek, P. A., Siegel, R. M., et al. (2016) Cryo-EM structure of caspase-8 tandem DED filament reveals assembly and regulation mechanisms of the death-inducing signaling complex, Mol. Cell, 64, 236-250.

7. Hughes, M. A., Harper, N., Butterworth, M., Cain, K., Cohen, G. M., and MacFarlane, M. (2009) Reconstitution of the death-inducing signaling complex reveals a substrate switch that determines CD95-mediated death or survival, Mol. Cell, 35, 265-279.

8. Yu, J. W., Jeffrey, P. D., and Shi, Y. (2009) Mechanism of procaspase-8 activation by c-FLIPL, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 106, 8169-8174.

9. Micheau, O., Thome, M., Schneider, P., Holler, N., Tschopp, J., Nicholson, D. W., Briand, C., and Grutter, M. G. (2002) The long form of FLIP is an activator of caspase-8 at the Fas death-inducing signaling complex, J. Biol. Chem., 277, 45162-45171.

10. Kallenberger, S. M., Beaudouin, J., Claus, J., Fischer, C., Sorger, P. K., Legewie, S., and Eils, R. (2014) Intra- and interdimeric caspase-8 self-cleavage controls strength and timing of CD95-induced apoptosis, Sci. Signal., 7, ra23.

11. Golks, A., Brenner, D., Schmitz, I., Watzl, C., Krueger, A., Krammer, P. H., and Lavrik, I. N. (2006) The role of CAP3 in CD95 signaling: new insights into the mechanism of procaspase-8 activation, Cell Death Differ., 13, 489-498.

12. Hoffmann, J. C., Pappa, A., Krammer, P. H., and Lavrik, I. N. (2009) A new C-terminal cleavage product of procaspase-8, p30, defines an alternative pathway of procaspase-8 activation, Mol. Cell Biol., 29, 4431-4440.

13. Lavrik, I., Krueger, A., Schmitz, I., Baumann, S., Weyd, H., Krammer, P. H., and Kirchhoff, S. (2003) The active caspase-8 heterotetramer is formed at the CD95 DISC, Cell Death Differ., 10, 144-145.

14. Ivanisenko, N. V., and Lavrik, I. N. (2019) Mechanisms of procaspase-8 activation in the extrinsic programmed cell death pathway, Mol. Biol. (Mosk.), 53, 830-837.

15. Ozturk, S., Schleich, K., and Lavrik, I. N. (2012) Cellular FLICE-like inhibitory proteins (c-FLIPs): fine-tuners of life and death decisions, Exp. Cell Res., 318, 1324-1331.

16. Golks, A., Brenner, D., Fritsch, C., Krammer, P. H., and Lavrik, I. N. (2005) c-FLIPR, a new regulator of death receptor-induced apoptosis, J. Biol. Chem., 280, 14507-14513.

17. Fricker, N., Beaudouin, J., Richter, P., Eils, R., Krammer, P. H., and Lavrik, I. N. (2010) Model-based dissection of CD95 signaling dynamics reveals both a pro- and antiapoptotic role of c-FLIPL, J. Cell Biol., 190, 377-389.

18. Hillert, L. K., Ivanisenko, N. V., Espe, J., Konig, C., Ivanisenko, V. A., Kahne, T., and Lavrik, I. N. (2020) Long and short isoforms of c-FLIP act as control checkpoints of DED filament assembly, Oncogene, 39, 1756-1772.

19. Ueffing, N., Keil, E., Freund, C., Kuhne, R., Schulze-Osthoff, K., and Schmitz, I. (2008) Mutational analyses of c-FLIPR, the only murine short FLIP isoform, reveal requirements for DISC recruitment, Cell Death Differ., 15, 773-782.

20. Boatright, K. M., Deis, C., Denault, J. B., Sutherlin, D. P., and Salvesen, G. S. (2004) Activation of caspases-8 and -10 by FLIP(L), Biochem. J., 382, 651-657.

21. Pop, C., Oberst, A., Drag, M., Van Raam, B. J., Riedl, S. J., Green, D. R., and Salvesen, G. S. (2011) FLIP(L) induces caspase 8 activity in the absence of interdomain caspase 8 cleavage and alters substrate specificity, Biochem. J., 433, 447-457.

22. Hughes, M. A., Powley, I. R., Jukes-Jones, R., Horn, S., Feoktistova, M., Fairall, L., Schwabe, J. W., Leverkus, M., Cain, K., and MacFarlane, M. (2016) Co-operative and hierarchical binding of c-FLIP and caspase-8: a unified model defines how c-FLIP isoforms differentially control cell fate, Mol. Cell, 61, 834-849.

23. Hillert, L. K., Ivanisenko, N. V., Busse, D., Espe, J., Konig, C., Peltek, S. E., Kolchanov, N. A., Ivanisenko, V. A., and Lavrik, I. N. (2020) Dissecting DISC regulation via pharmacological targeting of caspase-8/c-FLIPL heterodimer, Cell Death Differ., 27, 2117-2130.

24. Spencer, S. L., and Sorger, P. K. (2011) Measuring and modeling apoptosis in single cells, Cell, 144, 926-939.

25. Flusberg, D. A., and Sorger, P. K. (2015) Surviving apoptosis: life-death signaling in single cells, Trends Cell Biol., 25, 446-458.

26. Bentele, M., Lavrik, I., Ulrich, M., Stosser, S., Heermann, D. W., Kalthoff, H., Krammer, P. H., and Eils, R. (2004) Mathematical modeling reveals threshold mechanism in CD95-induced apoptosis, J. Cell Biol., 166, 839-851.

27. Lavrik, I. N. (2014) Systems biology of death receptor networks: live and let die, Cell Death Dis., 5, e1259.

28. Schleich, K., and Lavrik, I. N. (2013) Mathematical modeling of apoptosis, Cell Commun. Signal., 11, 44.

29. Neumann, L., Pforr, C., Beaudouin, J., Pappa, A., Fricker, N., Krammer, P. H., Lavrik, I. N., and Eils, R. (2010) Dynamics within the CD95 death-inducing signaling complex decide life and death of cells, Mol. Syst. Biol., 6, 352.

30. Buchbinder, J. H., Pischel, D., Sundmacher, K., Flassig, R. J., and Lavrik, I. N. (2018) Quantitative single cell analysis uncovers the life/death decision in CD95 network. PLoS Comput. Biol., 14, e1006368.

31. Warnken, U., Schleich, K., Schnolzer, M., and Lavrik, I. (2013) Quantification of high-molecular weight protein platforms by AQUA mass spectrometry as exemplified for the CD95 Death-Inducing Signaling Complex (DISC), Cells, 2, 476-495.

32. Schleich, K., Buchbinder, J. H., Pietkiewicz, S., Kahne, T., Warnken, U., Ozturk, S., Schnolzer, M., Naumann, M., Krammer, P. H., and Lavrik, I. N. (2016) Molecular architecture of the DED chains at the DISC: regulation of procaspase-8 activation by short DED proteins c-FLIP and procaspase-8 prodomain, Cell Death Differ, 23, 681-694.

33. Fulda, S. (2013) Targeting c-FLICE-like inhibitory protein (CFLAR) in cancer, Expert Opin. Ther. Targets, 17, 195-201.

34. Spencer, S. L., Gaudet, S., Albeck, J. G., Burke, J. M., and Sorger, P. K. (2009) Non-genetic origins of cell-to-cell variability in TRAIL-induced apoptosis, Nature, 459, 428-432.

35. Aldridge, B. B., Gaudet, S., Lauffenburger, D. A., and Sorger, P. K. (2011) Lyapunov exponents and phase diagrams reveal multi-factorial control over TRAIL-induced apoptosis, Mol. Syst. Biol., 7, 553.