Endoplasmic reticulum (ER) stress caused by misfolded proteins or cytotoxic drugs can kill cells and although activation of this pathway has been implicated in the etiology of certain degenerative disorders its mechanism remains unresolved. Bim, a proapoptotic BH3-only member of the Bcl-2 family is required for initiation of apoptosis induced by cytokine deprivation or certain stress stimuli. Its proapoptotic activity can be regulated by several transcriptional or posttranslational mechanisms, such as ERK-mediated phosphorylation, promoting its ubiquitination and proteasomal degradation. We found that Bim is essential for ER stress-induced apoptosis in a diverse range of cell types both in culture and within the whole animal. ER stress activates Bim through two novel pathways, involving protein phosphatase 2A-mediated dephosphorylation, which prevents its ubiquitination and proteasomal degradation and CHOP-C/EBPα-mediated direct transcriptional induction. These results define the molecular mechanisms of ER stress-induced apoptosis and identify targets for therapeutic intervention in ER stress-related diseases.

Abstract

 Bcl-2 family members that have only a single Bcl-2 homology domain, BH3, are potent inducers of apoptosis, and some appear to play a critical role in developmentally programmed cell death. We examined the regulation of the proapoptotic activity of the BH3-only protein Bim. In healthy cells, most Bim molecules were bound to LC8 cytoplasmic dynein light chain and thereby sequestered to the microtubule-associated dynein motor complex. Certain apoptotic stimuli disrupted the interaction between LC8 and the dynein motor complex. This freed Bim to translocate together with LC8 to Bcl-2 and to neutralize its antiapoptotic activity. This process did not require caspase activity and therefore constitutes an initiating event in apoptosis signaling.

Bcl-2 family members bearing only the BH3 domain are essential inducers of apoptosis. We identified a BH3-only protein, Bmf, and show that its BH3 domain is required both for binding to prosurvival Bcl-2 proteins and for triggering apoptosis. In healthy cells, Bmf is sequestered to myosin V motors by association with dynein light chain 2. Certain damage signals, such as loss of cell attachment (anoikis), unleash Bmf, allowing it to translocate and bind prosurvival Bcl-2 proteins. Thus, at least two mammalian BH3-only proteins, Bmf and Bim, function to sense intracellular damage by their localization to distinct cytoskeletal structures.

Cell killing is a critical pharmacological activity of imatinib to eradicate Bcr/Abl+ leukemias. We found that imatinib kills Bcr/Abl+ leukemic cells by triggering the Bcl-2-regulated apoptotic pathway. Imatinib activated several proapoptotic BH3-only proteins: bim and bmf transcription was increased, and both Bim and Bad were activated posttranslationally. Studies using RNAi and cells from gene-targeted mice revealed that Bim plays a major role in imatinib-induced apoptosis of Bcr/Abl+ leukemic cells and that the combined loss of Bim and Bad abrogates this killing. Loss of Bmf or Puma had no effect. Resistance to imatinib caused by Bcl-2 overexpression or loss of Bim (plus Bad) could be overcome by cotreatment with the BH3 mimetic ABT-737. These results demonstrate that Bim and Bad account for most, perhaps all, imatinib-induced killing of Bcr/Abl+ leukemic cells and suggest previously undescribed drug combination strategies for cancer therapy.

The Bcl-2 relative Bak is thought to drive apoptosis by forming homo-oligomers that permeabilize mitochondria, but how it is activated and oligomerizes is unclear. To clarify these pivotal steps toward apoptosis, we have characterized multiple random loss-of-function Bak mutants and explored the mechanism of Bak conformation change during apoptosis. Single missense mutations located to the α helix 2–5 region of Bak, with most altering the BH3 domain or hydrophobic groove (BH1 domain). Loss of function invariably corresponded to impaired ability to oligomerize. An essential early step in Bak activation was shown to be exposure of the BH3 domain, which became reburied in dimers. We demonstrate that oligomerization involves insertion of the BH3 domain of one Bak molecule into the groove of another and may produce symmetric Bak dimers. We conclude that this BH3:groove interaction is essential to nucleate Bak oligomerization, which in turn is required for its proapoptotic function.

Background The epidermal growth factor receptor (EGFR) plays a critical role in the control of cellular proliferation, differentiation, and survival. Abnormalities in EGF-EGFR signaling, such as mutations that render the EGFR hyperactive or cause overexpression of the wild-type receptor, have been found in a broad range of cancers, including carcinomas of the lung, breast, and colon. EGFR inhibitors such as gefitinib have proven successful in the treatment of certain cancers, particularly non-small cell lung cancers (NSCLCs) harboring activating mutations within the EGFR gene, but the molecular mechanisms leading to tumor regression remain unknown. Therefore, we wished to delineate these mechanisms. Methods and Findings We performed biochemical and genetic studies to investigate the mechanisms by which inhibitors of EGFR tyrosine kinase activity, such as gefitinib, inhibit the growth of human NSCLCs. We found that gefitinib triggered intrinsic (also called "mitochondrial") apoptosis signaling, involving the activation of BAX and mitochondrial release of cytochrome c, ultimately unleashing the caspase cascade. Gefitinib caused a rapid increase in the level of the proapoptotic BH3-only protein BIM (also called BCL2-like 11) through both transcriptional and post-translational mechanisms. Experiments with pharmacological inhibitors indicated that blockade of MEK–ERK1/2 (mitogen-activated protein kinase kinase–extracellular signal-regulated protein kinase 1/2) signaling, but not blockade of PI3K (phosphatidylinositol 3-kinase), JNK (c-Jun N-terminal kinase or mitogen-activated protein kinase 8), or AKT (protein kinase B), was critical for BIM activation. Using RNA interference, we demonstrated that BIM is essential for gefitinib-induced killing of NSCLC cells. Moreover, we found that gefitinib-induced apoptosis is enhanced by addition of the BH3 mimetic ABT-737. Conclusions Inhibitors of the EGFR tyrosine kinase have proven useful in the therapy of certain cancers, in particular NSCLCs possessing activating mutations in the EGFR kinase domain, but the mechanisms of tumor cell killing are still unclear. In this paper, we demonstrate that activation of the proapoptotic BH3-only protein BIM is essential for tumor cell killing and that shutdown of the EGFR–MEK–ERK signaling cascade is critical for BIM activation. Moreover, we demonstrate that addition of a BH3 mimetic significantly enhances killing of NSCLC cells by the EGFR tyrosine kinase inhibitor gefitinib. It appears likely that this approach represents a paradigm shared by many, and perhaps all, oncogenic tyrosine kinases and suggests a powerful new strategy for cancer therapy.