In a cell-free apoptosis system, mitochondria spontaneously released cytochrome c, which activated DEVD-specific caspases, leading to fodrin cleavage and apoptotic nuclear morphology. Bcl-2 acted in situ on mitochondria to prevent the release of cytochrome c and thus caspase activation. During apoptosis in intact cells, cytochrome c translocation was similarly blocked by Bcl-2 but not by a caspase inhibitor, zVAD-fmk. In vitro, exogenous cytochrome c bypassed the inhibitory effect of Bcl-2. Cytochrome c release was unaccompanied by changes in mitochondrial membrane potential. Thus, Bcl-2 acts to inhibit cytochrome c translocation, thereby blocking caspase activation and the apoptotic process.

The tumor suppressor p53 exerts its anti-neoplastic activity primarily through the induction of apoptosis. We found that cytosolic localization of endogenous wild-type or trans-activation-deficient p53 was necessary and sufficient for apoptosis. p53 directly activated the proapoptotic Bcl-2 protein Bax in the absence of other proteins to permeabilize mitochondria and engage the apoptotic program. p53 also released both proapoptotic multidomain proteins and BH3-only proteins [Proapoptotic Bcl-2 family proteins that share only the third Bcl-2 homology domain (BH3)] that were sequestered by Bcl-xL. The transcription-independent activation of Bax by p53 occurred with similar kinetics and concentrations to those produced by activated Bid. We propose that when p53 accumulates in the cytosol, it can function analogously to the BH3-only subset of proapoptotic Bcl-2 proteins to activate Bax and trigger apoptosis.

Exit of cytochrome c from mitochondria into the cytosol has been implicated as an important step in apoptosis. In the cytosol, cytochrome c binds to the CED-4 homologue, Apaf-1, thereby triggering Apaf-1–mediated activation of caspase-9. Caspase-9 is thought to propagate the death signal by triggering other caspase activation events, the details of which remain obscure. Here, we report that six additional caspases (caspases-2, -3, -6, -7, -8, and -10) are processed in cell-free extracts in response to cytochrome c, and that three others (caspases-1, -4, and -5) failed to be activated under the same conditions. In vitro association assays confirmed that caspase-9 selectively bound to Apaf-1, whereas caspases-1, -2, -3, -6, -7, -8, and -10 did not. Depletion of caspase-9 from cell extracts abrogated cytochrome c–inducible activation of caspases-2, -3, -6, -7, -8, and -10, suggesting that caspase-9 is required for all of these downstream caspase activation events. Immunodepletion of caspases-3, -6, and -7 from cell extracts enabled us to order the sequence of caspase activation events downstream of caspase-9 and reveal the presence of a branched caspase cascade. Caspase-3 is required for the activation of four other caspases (-2, -6, -8, and -10) in this pathway and also participates in a feedback amplification loop involving caspase-9.

Bcl-2 family proteins regulate the release of proteins like cytochrome c from mitochondria during apoptosis. We used cell-free systems and ultimately a vesicular reconstitution from defined molecules to show that outer membrane permeabilization by Bcl-2 family proteins requires neither the mitochondrial matrix, the inner membrane, nor other proteins. Bid, or its BH3-domain peptide, activated monomeric Bax to produce membrane openings that allowed the passage of very large (2 megadalton) dextran molecules, explaining the translocation of large mitochondrial proteins during apoptosis. This process required cardiolipin and was inhibited by antiapoptotic Bcl-xL. We conclude that mitochondrial protein release in apoptosis can be mediated by supramolecular openings in the outer mitochondrial membrane, promoted by BH3/Bax/lipid interaction and directly inhibited by Bcl-xL.

Using a Bax-dependent membrane-permeabilization assay, we show that peptides corresponding to the BH3 domains of Bcl-2 family “BH3-only” proteins have dual functions. Several BH3 peptides relieved the inhibition of Bax caused by the antiapoptotic Bcl-xL and/or Mcl-1 proteins, some displaying a specificity for either Bcl-xL or Mcl-1. Besides having this derepression function, the Bid and Bim peptides activated Bax directly and were the only BH3 peptides tested that could potently induce cytochrome c release from mitochondria in cultured cells. Furthermore, Bax activator molecules (cleaved Bid protein and the Bim BH3 peptide) synergistically induced cytochrome c release when introduced into cells along with derepressor BH3 peptides. These observations support a unified model of BH3 domain function, encompassing both positive and negative regulation of other Bcl-2 family members. In this model, the simple inhibition of antiapoptotic functions is insufficient to induce apoptosis unless a direct activator of Bax or Bak is present.

Abstract

 Large nuclear proteins must possess a signal sequence to pass through the nuclear pores. Using an in vitro system, we have been able experimentally to dissect nuclear protein transport into two distinct steps: binding and translocation. In the absence of ATP, we observe a binding of nuclear proteins to the pore that is signal sequence-dependent. Translocation through the pore, on the other hand, strictly requires ATP. These steps, visualized in the fluorescence and electron microscopes, were observed both with a natural nuclear protein, nucleoplasmin, and a synthetic nuclear protein, composed of the signal sequence of SV40 T antigen coupled to HSA. When a mutant signal sequence was coupled to HSA, neither transport nor binding were observed, indicating that both result from the presence of a functional signal sequence. An inhibitor of transport, the lectin WGA, also arrested nuclear proteins in a bound state at the cytoplasmic face of the pore. Therefore, only the translocation step is sensitive to the inhibitor WGA, which is known to bind specifically to proteins of the nuclear pore.

The Trp53 tumor suppressor gene product (p53) functions in the nucleus to regulate proapoptotic genes, whereas cytoplasmic p53 directly activates proapoptotic Bcl-2 proteins to permeabilize mitochondria and initiate apoptosis. Here, we demonstrate that a tripartite nexus between Bcl-xL, cytoplasmic p53, and PUMA coordinates these distinct p53 functions. After genotoxic stress, Bcl-xL sequestered cytoplasmic p53. Nuclear p53 caused expression of PUMA , which then displaced p53 from Bcl-xL, allowing p53 to induce mitochondrial permeabilization. Mutant Bcl-xL that bound p53, but not PUMA, rendered cells resistant to p53-induced apoptosis irrespective of PUMA expression. Thus, PUMA couples the nuclear and cytoplasmic proapoptotic functions of p53.

Selective transport of proteins is a major mechanism by which biochemical differences are maintained between the cytoplasm and nucleus. To begin to investigate the molecular mechanism of nuclear transport, we used an in vitro transport system composed of a Xenopus egg extract, rat liver nuclei, and a fluorescently labeled nuclear protein, nucleoplasmin. With this system, we screened for inhibitors of transport. We found that the lectin, wheat germ agglutinin (WGA), completely inhibits the nuclear transport of fluorescently labeled nucleoplasmin. No other lectin tested affected nuclear transport. The inhibition by WGA was not seen when N-acetylglucosamine was present and was reversible by subsequent addition of sugar. When rat liver nuclei that had been incubated with ferritin-labeled WGA were examined by electron microscopy, multiple molecules of WGA were found bound to the cytoplasmic face of each nuclear pore. Gel electrophoresis and nitrocellulose transfer identified one major and several minor nuclear protein bands as binding 125I-labeled WGA. The most abundant protein of these, a 63-65-kD glycoprotein, is a candidate for the inhibitory site of action of WGA on nuclear protein transport. WGA is the first identified inhibitor of nuclear protein transport and interacts directly with the nuclear pore.

In cells undergoing apoptosis, mitochondrial outer-membrane permeabilization (MOMP) is followed by caspase activation promoted by released cytochrome c. Although caspases mediate the apoptotic phenotype, caspase inhibition is generally not sufficient for survival following MOMP; instead cells undergo a “caspase-independent cell death” (CICD). Thus, MOMP may represent a point of commitment to cell death. Here, we identify glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase (GAPDH) as a critical regulator of CICD. GAPDH-expressing cells preserved their clonogenic potential following MOMP, provided that caspase activation was blocked. GAPDH-mediated protection of cells from CICD involved an elevation in glycolysis and a nuclear function that correlated with and was replaced by an increase in Atg12 expression. Consistent with this, protection from CICD reflected an increase in and a dependence upon autophagy, associated with a transient decrease in mitochondrial mass. Therefore, GAPDH mediates an elevation in glycolysis and enhanced autophagy that cooperate to protect cells from CICD.

During apoptosis, cytochrome c is released into the cytosol as the outer membrane of mitochondria becomes permeable, and this acts to trigger caspase activation. The consequences of this release for mitochondrial metabolism are unclear. Using single-cell analysis, we found that when caspase activity is inhibited, mitochondrial outer membrane permeabilization causes a rapid depolarization of mitochondrial transmembrane potential, which recovers to original levels over the next 30–60 min and is then maintained. After outer membrane permeabilization, mitochondria can use cytoplasmic cytochrome c to maintain mitochondrial transmembrane potential and ATP production. Furthermore, both cytochrome c release and apoptosis proceed normally in cells in which mitochondria have been uncoupled. These studies demonstrate that cytochrome c release does not affect the integrity of the mitochondrial inner membrane and that, in the absence of caspase activation, mitochondrial functions can be maintained after the release of cytochrome c.