Apoptosis and Predisposition to Oral Cancer

7/30/2019 Apoptosis and Predisposition to Oral Cancer

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DOI: 10.1177/10454411990100020201

1999 10: 139CROBMPJ Polverini and J.E. Nor

Apoptosis and Predisposition To Oral Cancer

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A P O P T O S I S AND P R E D I S P O S I T I O N TO ORAL CANCERP . J . P o l v e r i n i *J . E . N o rD e p a r t m e n t o f O r a l M e d i c i n e / P a t h o l o g y / S u r g e r y , L a b o r a t o r y o f M o l e c u l a r P a t h o l o g y , U n i v e r s i t y o f M i c h i g a n S c h o o l o f D e n t i s t r y , 1 0 1 1 N . U n i v e r s i t y , R m . 5 2 1 7 1 A n n A r b o r , M i c h i g a n 4 8 1 0 9 -1 0 7 8 ; * c o r r e s p o n d i n g a u t h o r

A B S T R A C T : T h e t e r m a p o p t o s i s , a l s o k n o w n a s p r o g r a m m e d c e l l d e a t h ( P C D ) , w a s c o i n e d b y d e v e l o p m e n t a l b i o l o g i s t s a n u m -b e r o f y e a r s a g o t o d e s c r i b e a f o r m o f c e l l d e a t h c h a r a c t e r i z e d b y s e v e r a l u n i q u e m o r p h o l o g i c a l a n d b i o c h e m i c a l f e a t u r e s .G e n e t i c s t u d i e s o f t h e r o u n d w o r m C a e n e o r h a b d i t i s e l e g a n s , a s i m p l e m u l t i c e l l u l a r o r g a n i s m , f i r s t r e v e a l e d a p o p t o s i s t o b e a n i n t e -g r a l p a r t o f t h e d e v e l o p m e n t a l p r o g r a m . S u b s e q u e n t l y , t h e i m p o r t a n c e o f a p o p t o s i s i n h i g h e r o r g a n i s m s w a s d e m o n s t r a t e d i ns e v e r a l e u k a r y o t i c s y s t e m s . I n m a m m a l s , a p o p t o s i s i s w i d e s p r e a d d u r i n g e m b r y o g e n e s i s a n d i n a d u l t t i s s u e s . I t i s r e q u i r e d f o rn o r m a l t i s s u e h o m e o s t a s i s a n d f o r c l o n a l s e l e c t i o n i n t h e i m m u n e s y s t e m . I n b o t h d e v e l op i ng a n d a d u l t o r g a n i s m s , a p o p t o -s i s p l a y s a c e n t r a l r o l e i n r e i n f o r c i n g a p p r o p r i a t e c e l l u l a r p a t t e r n s a n d i n r e g u l a t i n g c e l l n u m b e r b y e l i m i n a t i n g c e l l s t h a t a r eh a r m f u l o r n o l o n g e r n e e d e d . I t i s b e c o m i n g i n c r e a s i n g l y c l e a r t h a t d i s r u p t i o n i n t h e a p o p t o s i s p a t h w a y c a n c o n t r i b u t e t o t h ed e v e l o p m e n t o f a n u m b e r o f d e v e l o p m e n t a l , i n f l a m m a t o r y , d e g e n e r a t i v e , a n d n e o p l a s t i c d i s e a s e s . T h e e f f e c t o r a r m o f t h ea p o p t o t i c p r o g r a m i n c l u d e s m e m b e r s o f t h e B c l - 2 g e n e f a m i l y t h a t f u n c t i o n a s e i t h e r d e a t h a g o n i s t s o r d e a t h a n t a g o n i s t s .T h e s e p r o t e i n s p a r t i c i p a t e i n a n e l a b o r a t e g e n e t i c a l l y c o n t r o l l e d b i o c h e m i c a l p a t h w a y t h a t f u n c t i o n s t o m a i n t a i n t i s s u e a n do r g a n h o m e o s t a s i s a n d s e r v e a s a c r i t i c a l d e f e n s e m e c h a n i s m t o g u a r d a g a i n s t m a l i g n a n t t r a n s f o r m a t i o n . C a n c e r i s t h e r e s u l to f a s e r i e s o f g e n e t i c l e s i o n s t h a t i n c l u d e a c t i v a t i o n o f o n c o g e n e s a n d i n a c t i v a t i o n o r l o s s o f t u m o r s u p p r e s s o r g e n e s . S e v e r a lg r o u p s o f i n v e s t i g a t o r s h a v e o b s e r v e d t h a t d e r e g u l a t e d e x p r e s s i o n o f o n c o g e n e s c a n s u b v e r t a p o p t o t i c p a t h w a y s , r e s u l t i n g i np r o l o n g e d c e l l s u r v i v a l . I n p a t h o l o g i c a l s e t t i n g s s u c h a s c a n c e r , m e m b e r s o f t h e B c l - 2 g e n e f a m i l y a r e a b l e t o s y n e r g i z e w i t ho n c o g e n e s a n d t u m o r s u p p r e s s o r g e n e s t o t r a n s f o r m c e l l s . I n t h i s r e v i e w , w e d e s c r i b e t h e p r o c e s s o f a p o p t o s i s i n m a m m a l i a nc e l l s a n d d e f i n e t h e r o l e a n d b i o c h e m i c a l p a t h w a y s t h r o u g h w h i c h t h e B c l - 2 g e n e f a m i l y i n d u c e a n d / o r p r o t e c t c e l l s f r o m a p o p -t o s i s . L a s t , w e w i l l d i s c u s s t h e e v i d e n c e w h i c h s u g g e s t s t h a t a l t e r a t i o n s i n t h i s p a t h w a y m a y p l a y a c e n t r a l r o l e i n t u m o r i g e n -e s i s b y a l l o w i n g g e n e t i c a l l y d a m a g e d c e l l s n o r m a l l y d e s t i n e d f o r e l i m i n a t i o n t o p e r s i s t , p r e d i s p o s i n g t h e m t o a d d i t i o n a l m u t a -t i o n s a n d d r i v i n g t h e m t o m a l i g n a n c y .K e y w o r d s . A p o p t o s i s , B c l - 2 , c a r c i n o g e n e s i s , c a r c i n o g e n s , i n i t i a t i o n , o n c o g e n e s , o r a l c a r c i n o m a , p r o g r a m m e d c e l l d e a t h , p r o -m o t i o n , t r a n s f o r m a t i o n , t u m o r s u p p r e s s o r g e n e s .

T h e A p o p t o t i c P r o g r a mAo p t o s i s i s a t i g h t l y r e g u l a t e d p r o c e s s d e s i g n e d t or e m o v e s u p e r f l u o u s , d a m a g e d , o r s e n e s c e n t c e l l s

f r o m a n o r g a n o r t i s s u e ( G l u c k s m a n n , 1 9 5 1 ; K e r r e t a l . ,1 9 7 2 ; W y l l i e , 1 9 8 0 ; A r e n d s a n d W y l l i e , 1 9 9 1 ; C o l l i n s ,1 9 9 1 ; G o l d s t e i n e t a l . , 1 9 9 1 ; W i l l i a m s , 1 9 9 1 ; K o l i a n dK e s k i , 1 9 9 2 . S e n , 1 9 9 3 ) . I n d u c t i o n o f t h i s e n d o g e n o u s" s u i c i d e " p r o g r a m i s t r i g g e r e d b y a v a r i e t y o f e n v i r o n -m e n t a l s i g n a l s s u c h a s DNA o r p r o t e i n d a m a g e , t o x i n s ,g r o w t h o r n u t r i e n t f a c t o r w i t h d r a w a l , a n d l i g a n d b i n d i n g( I j i r i , 1 9 8 9 ; B a r r y e t a l . , 1 9 9 0 ; M u s c h e l e t a l . , 1 9 9 1 ; B a z a ra n d D e e g , 1 9 9 2 ; H a r d i n e t a l . , 1 9 9 2 ; H i c k m a n , 1 9 9 2 ;P o t t e n e t a l . , 1 9 9 2 ; R a f f , 1 9 9 2 ; W a t e r s , 1 9 9 2 ; M a n c h e s t e r e ta l . , 1 9 9 3 ; N a g a t a , 1 9 9 4 , 1 9 9 7 ; V e n k a t a t a c h a l a m e t a l . ,1 9 9 3 ) . T h i s p r o c e s s ( T a b l e 1 ) , w h i c h o c c u r s o v e r s e v e r a lh o u r s o r d a y s , i s c h a r a c t e r i z e d b y c y t o s k e l e t a l d i s r u p t i o n ,c e l l s h r i n k a g e , c o n d e n s a t i o n a n d m a r g i n a t i o n o f c h r o -m a t i n , a c t i v a t i o n o f e n d o n u c l e a s e s , a n d c e l l u l a r f r a g -m e n t a t i o n i n t o s m a l l m e m b r a n e - b o u n d s t r u c t u r e s

t e r m e d a p o p t o t i c b o d i e s , t h a t a r e p h a g o c y t o s e d b ym a c r o p h a g e s o r n e i g h b o r i n g c e l l s ( B a r i n a g a , 1 9 9 4 ) . T h eDNA d e g r a d a t i o n t h a t o c c u r s i s a t w o - s t e p p r o c e s s t h a ti n v o l v e s s e p a r a t e p o o l s o f e n d on u c l e as e s ( P a n d ey e t a l . ,1 9 9 4 ) . T h e f i r s t s t e p i s i n i t i a t e d b y e n d o n u c l e a s e a c t i v i t ya t i n t e r l o o p s i t e s i n c h r o m a t i n a n d l e a d s t o DNA f r a g -m e n t s i n t h e 5 0 - t o 3 0 0 - k i l o b a s e r a n g e . T h e s e c o n d s t a g eo f f r a g m e n t a t i o n i s c a t a l y z e d b y c a l c i u m / m a g n e s i u m -d e p e n d e n t e n d o n u c l e a s e s . I t r e s u l t s i n i n t e r n u c l e o s o m a lDNA c l e a v a g e a n d p r o d u c t i o n o f m u l t i m e r s o f 1 8 0 - 2 0 0b a s e p a i r s t h a t c a n b e v i s u a l i z e d a s a " l a d d e r " o n a g a r o s eg e l s ( W a l k e r a n d S i k o r s k a , 1 9 9 4 ; P a n d e y e t a l . , 1 9 9 7 ) . A l la p o p t o t i c c e l l s u n d e r g o DNA f r a g m e n t a t i o n ; h o w e v e r ,n o t e v e r y c e l l t y p e u n d e r g o i n g a p o p t o s i s e x h i b i t s i n t e r -n u c l e o s o m a l DNA c l e a v a g e . T h e f i r s t p o o l o f e n d o n u c l e -a s e a c t i v i t y i s s u f f i c i e n t f o r c e l l d e a t h ( W a l k e r e t a l . , 1 9 9 4 ) .DNA f r a g m e n t a t i o n c a n b e r e l i a b l y d e t e c t e d a t t h es i n g l e - c e l l a n d t i s s u e l e v e l b y means o f t h e t e r m i n a ld e o x y n u c l e o t i d y l t r a n s f e r a s e ( T d T ) - m e d i a t e d d U T P - b i o t i nn i c k e n d - l a b e l i n g t e c h n i q u e , a l s o k n o w n a s t h e TUNEL

1 0 ( 2 ) 1 3 9 1 5 2 ( 1 9 9 9 ) G r i t R e v Oral Biol Med 1391 3 9r i t R e v O r a l B i o l M e d1 0 ( 2 ) . 1 3 9 - 1 5 2 ( 1 9 9 9 ) by guest on January 16, 2012 For personal use only. No other uses without permission.cro.sagepub.comDownloaded from
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T A B L E 1C o m p a r i s o n s b e t w e e n A p o p t o s i s and N e c r o s i s

N e c r o s i s v s . A p o p t o s i sM o r p h o l o g i c a l C h a n g e sL o s s o f m e m b r a n e i n t e g r i t y M e m b r a n e b l e b b i n g w i t h o u t l o s s o f m e m b r a n ei n t e g r i t yR a n d o m f r a g m e n t a t i o n o f c h r o m a t i n A g g r e g a t i o n a n d m a r g i n a t i o n o f c h r o m a t i nC e l l u l a r s w e l l i n g C e l l u l a r s h r i n k a g eC e l l l y s i s F o r m a t i o n o f a p o p t o t i c b o d i e sS w e l l i n g a n d d i s i n t e g r a t i o n o f o r g a n e l l e s P e r s i s t e n c e o f a p o p t o t i c b o d i e s

B i o c h e m i c a l C h a n g e sL o s s o f i o n h o m e o s t a s i s G e n e t i c a l l y c o n t r o l l e d a c t i v a t i o n o f e n z y m e sP a s s i v e p r o c e s s ( n o e n e r g y r e q u i r e m e n t ) A T P - d e p e n d e n t p r o c e s sR a n d o m d i g e s t i o n o f D N A G e n e r a t i o n o f n o n - r a n d o m o l i g o n u c l e o s o m e s o f( D N A s m e a r o n a g a r o s e g e l ) DNA ( l a d d e r p a t t e r n o n a g a r o s e g e l )L a t e p o s t - l y t i c D N A f r a g m e n t a t i o n E a r l y p r e - l y t i c D N A f r a g m e n t a t i o nP h y s i o l o g i c a l S i g n i f i c a n c eD e a t h o f l a r g e c o n t i g u o u s g r o u p s o f c e l l s D e a t h o f i n d i v i d u a l o r s m a l l g r o u p s o f c e l l so r o r g a n s e g m e n t sE v o k e d b y p a t h o l o g i c a l s t i m u l i E v o k e d b y p h y s i o l o g i c a l s t i m u l iP h a g o c y t o s i s b y m a c r o p h a g e s P h a g o c y t o s i s b y m a c r o p h a g e s o r n e i g h b o r i n g c e l l sA c u t e i n f l a m m a t i o n N o i n f l a m m a t i o n

a s s a y ( G a v r i e l i e t a l . , 1 9 9 2 ) . A s a n i n d i c a t o r o f c e l l d e a t h , i td e t e c t s 3 ' - O H DNA e n d s g e n e r a t e d b y DNA f r a g m e n t a -t i o n t h a t a r e k n o w n t o o c c u r e a r l y i n c e l l s d e s t i n e d t o d i eb y a p o p t o s i s . T h e t e c h n i q u e i s u s e f u l f o r i d e n t i f y i n g c e l l si n t h e e a r l y s t a g e s o f a p o p t o s i s b y l a b e l i n g i n t a c t a p o p -t o t i c n u c l e i a n d a p o p t o t i c b o d i e s w i t h l a r g e DNA f r a g -m e n t b r e a k s a s w e l l a s s i n g l e - s t r a n d e d b r e a k s . T h e t e c h -n i q u e i n v o l v e s a t e m p l a t e - i n d e p e n d e n t a d d i t i o n o fd e o x y u r i d i n e t r i p h o s p h a t e s t o t h e 3 ' - O H e n d s o f d o u b l e -o r s i n g l e - s t r a n d e d DNA w i t h e i t h e r b l u n t , r e c e s s e d , o ro v e r h a n g i n g e n d s t h a t i s c a t a l y z e d b y t h e e n z y m e T d T .D e p e n d i n g o n t h e c h r o m o g e n / s u b s t r a t e u s e d t o d e t e c tt h e l a b e l e d 3 - h y d r o x y l e n d s , o n e c a n r e a d i l y i d e n t i f ys t r a n d b r e a k s i n n u c l e i a n d a p o p t o t i c b o d i e s i n e i t h e r c e l ls u s p e n s i o n s o r t i s s u e s e c t i o n s . T h i s a p p r o a c h h a s b e e ns h o w n i n m o s t i n s t a n c e s t o c o r r e l a t e w i t h o t h e r m o r p h o -l o g i c a l a n d b i o c h e m i c a l f e a t u r e s o f a p o p t o s i s . H o w e v e r , aw o r d o f c a u t i o n s h o u l d b e n o t e d . W h i l e DNA f r a g m e n t a -t i o n i s c e r t a i n l y a n i n d i c a t o r o f a p o p t o s i s , i t i s a l s o a f e a -t u r e o f c e l l r e p l i c a t i o n . D u r i n g c e l l r e p l i c a t i o n , DNA s i n -g l e - s t r a n d b r e a k s a r e r e q u i r e d t o u n c o i l t h e d o u b l e h e l i xf o r b i n d i n g o f e n z y m e s n e c e s s a r y f o r r e p l i c a t i o n ( B o h r e ta l . , 1 9 8 6 ) . T h u s , t h e i d e n t i f i c a t i o n o f a p o p t o t i c c e l l s b y t h eTUNEL a s s a y i n t h e a b s e n c e o f o t h e r c y t o p a t h i c o r b i o -c h e m i c a l c h a n g e s i n d i c a t i v e o f a p o p t o s i s s h o u l d b e i n t e r -p r e t e d w i t h g u a r d e d c o n f i d e n c e . T h e p o t e n t i a l f o r e r r o -

neous i n t e r p r e t a t i o n o f t h eTUNEL a s s a y d a t a wa s r e c e n t -l y d e m o n s t r a t e d b y W r o n e -S m i t h e t a l . ( I 1 9 9 7 ) . T h e s e i n v e s -t i g a t o r s r e p o r t e d t h a t d e s p i t et h e p r e s e n c e o f T U N E L - p o s i -t i v e k e r a t i n o c y t e s d e r i v e d f r o mp s o r i a t i c p l a q u e s , p s o r i a t i ck e r a t i n o c y t e s were o b s e r v e d t ob e r e s i s t a n t t o t h e i n d u c t i o n o fa p o p t o s i s a s m e a s u r e d b ye l e c t r o p h o r e t i c d e t e c t i o n o fDNA f r a g m e n t a t i o n ( D N A l a d -d e r ) . T h i s d e m o n s t r a t e s t h a ton e s h o u l d n o t r e l y on a s i n g l ea s s a y f o r a s s e s s i n g a p o p t o s i s .A l o s s o f m i t o c h o n d r i a lf u n c t i o n i s a l s o an i m p o r t a n tf e a t u r e o f a p o p t o s i s , a n d s e v -e r a l l i n e s o f e v i d e n c e s u g g e s tt h a t t h e i n t e g r i t y o f m i t o c h o n -d r i a l m e m b r a n e s a n d c h a n g e si n c y t o c h r o m e c e f f l u x h a v e ap r o f o u n d i n f l u e n c e on t h es u b s e q u e n t b i o c h e m i c a le v e n t s t h a t l e a d t o c e l l d e a t h( A d a c h i e t a l . , 1 9 9 7 ; K l u c k e t a l . ,1 9 9 7 ; Y a n g e t a l . , 1 9 9 7 ) . T h i sc h r o n i c , g e n e t i c a l l y r e g u l a t e d , a n d p r e d i c t a b l e f o r m o fc e l l d e a t h t y p i c a l l y i n v o l v e s s i n g l e c e l l s o r s m a l l g r o u p so f c e l l s a n d d o e s n o t p r o v o k e a n i n f l a m m a t o r y r e s p o n s e .T h i s i s i n d i s t i n c t c o n t r a s t t o c e l l n e c r o s i s , w h i c h r e s u l t s

f r o m a c u t e t o x i c i n j u r y . T h i s f o r m o f c e l l d e a t h u s u a l l yi n v o l v e s l a r g e c o n t i g u o u s g r o u p s o f c e l l s a n d m a j o r s e g -m e n t s o f a n o r g a n o r t i s s u e . T y p i c a l l y , c e l l u l a r n e c r o s i s i sa s s o c i a t e d w i t h r a p i d c e l l u l a r s w e l l i n g d u e t o t h e i n a b i l -i t y o f c e l l s t o m a i n t a i n i o n h o m e o s t a s i s . A s a c o n s e -q u e n c e , t h e m e m b r a n e i n t e g r i t y o f o r g a n e l l e s i s s e v e r e l yc o m p r o m i s e d e a r l y i n t h e p r o c e s s , w i t h r a n d o m DNAd e g r a d a t i o n o c c u r r i n g l a t e i n t h e c e l l ' s d e m i s e ( K e r r e t a l . ,1 9 7 2 ) . T h e i n d u c t i o n o f a n a c u t e i n f l a m m a t o r y r e s p o n s ei n v a r i a b l y a c c o m p a n i e s t h i s f o r m o f c e l l d e a t h .T h e p r o c e s s o f a p o p t o s i s h a s b e e n d e s c r i b e d a s c o n -s i s t i n g o f t h r e e d i s t i n c t p h a s e s : i n i t i a t i o n , e f f e c t o r , a n dd e g r a d a t i o n ( K r o e m e r , 1 9 9 7 ) . T h e i n i t i a t i o n p h a s e i s m e d i -a t e d b y a v a r i e t y o f d i v e r s e s t i m u l i t h a t a c t t o t r i g g e r t h er e s p o n s e . T h e s e t r i g g e r s i n c l u d e , among o t h e r s : r a d i a t i o n -i n d u c e d DNA a n d p r o t e i n d a m a g e , r e a c t i v e o x y g e n m o l e -c u l e s , o r p r o t e a s e s ; w i t h d r a w a l o f e s s e n t i a l n u t r i e n t s ,g r o w t h f a c t o r s , o r h o r m o n e s d u r i n g c r i t i c a l s t a g e s i n c e l lg r o w t h a n d m a t u r a t i o n ; a n d b i n d i n g o f l i g a n d s s u c h a sF a s , t u m o r n e c r o s i s f a c t o r - o x , i n t e r f e r o n g a m m a , i n t e r -l e u k i n - 1 , o r t r a n s f o r m i n g g r o w t h f a c t o r - D t o t h e i r c o r r e -s p o n d i n g c e l l m e m b r a n e r e c e p t o r s . T h e s i g n a l t r a n s d u c -

1 4 0 G r i t R e v O r a l B i d Me d10(21:139-1521 4 0 C r i t R e v O r a l B i o l M e d 1 0 ( 2 ) : 1 3 9 - 1 5 2 ( 1 9 9 9 )by guest on January 16, 2012 For personal use only. No other uses without permission.cro.sagepub.comDownloaded from


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t i o n p a t h w a y s t h a t r e g u l a t e a p o p t o s i s a n d i n i t i a t e t h ed o w n s t r e a m e f f e c t o r a n d d e g r a d a t i o n p h a s e s a r e commont o m o s t a p o p t o t i c p r o c e s s e s . I t i s k n o w n t h a t t h e a p o p t o t -i c r e g u l a t o r y m a c h i n e r y i n v o l v e s s e v e r a l g r o u p s o f m o l e -c u l e s , i n c l u d i n g t h e B c l - 2 f a m i l y o f p r o t e i n s ( t o b e d i s -c u s s e d i n g r e a t e r d e t a i l b e l o w ) , a n d a n u m b e r o f e n z y m e s( s e e M u n d e l e t a l . , 1 9 9 6 , f o r r e v i e w ) , i n c l u d i n g : g r a n z y m e so r s e r i n e p r o t e a s e s ( G r e e n b e r g a n d L i t c h f i e l d , 1 9 9 5 ; S h i e ta ! . , 1 9 9 2 ) , c e r a m i d e s ( O b e i d e t a l . , 1 9 9 3 ; Z h a n g e t a l . , 1 9 9 6 ) ,t i s s u e t r a n s g l u t a m i n a s e s ( F e s u s e t a l . , 1 9 8 7 , 1 9 8 9 ;P i a c e n t i n i e t a l . , 1 9 9 1 ) , l a m i n p r o t e i n a s e s ( L a z e b n i k e t a l . ,1 9 9 5 ) , p h o s p h a t a s e s ( M o r a n a a n d E a s t m a n , 1 9 9 5 ) ,i n d u c i b l e n i t r i c o x i d e s y n t h a s e ( A n k a r c r o n a e t a l . , 1 9 9 4 ;K i t a j i m a e t a l . , 1 9 9 4 ; B l a n c o e t a l . , 1 9 9 5 ) , t h e c a s p a s e s o ri n t e r l e u k i n - I 3 - c o n v e r t i n g e n z y m e ( I C E ) f a m i l y o f c y s t e i n ep r o t e a s e s ( B a r i n a g a , 1 9 9 4 ; D u a n e t a l . , 1 9 9 6 ; H e n k a r t ,1 9 9 6 ) , p o l y ( A D P - r i b o s e ) p o l y m e r a s e s ( P A R P ) ( H e n k a r t ,1 9 9 6 ; R a y e t a l . , 1 9 9 2 ; R i c e e t a l . , 1 9 9 2 ) , a n d n u c l e a s e s( A r e n d s e t a l . , 1 9 9 0 ; H u g h e s a n d C i d l o w s k i , 1 9 9 4 ) .K n o w l e d g e o f t h e m e c h a n i s m s u n d e r l y i n g t h e a p o p t o t i cp r o c e s s c o n t i n u e s t o e x p a n d a t a n e x p o n e n t i a l r a t e , a n dk e y s i g n a l t r a n s d u c t i o n p a t h w a y s t h a t r e g u l a t e a p o p t o s i sa n d c o n t r o l t h e f u n c t i o n o f t h e s e f a m i l y m e m b e r s a r e j u s tn o w b e i n g i d e n t i f i e d . S e v e r a l e x c e l l e n t r e v i e w s h a v e b e e np u b l i s h e d i n t h e l a s t s e v e r a l y e a r s o n t h e s t r u c t u r e , f u n c -t i o n , a n d m e c h a n i s m o f a c t i o n o f t h e a p o p t o t i c p r o g r a m( A r e n d s a n d W y l l i e , 1 9 9 1 ; G o l d s t e i n e t a l . , 1 9 9 1 ; S e n , 1 9 9 3 ;K o r s m e y e r , 1 9 9 5 ; M a n n i n g a n d P a t i e r n o , 1 9 9 6 ; M u n d e l e ta l . , 1 9 9 6 ; N a g a t a , 1 9 9 7 ) . T h u s , d e t a i l s r e g a r d i n g t h e s ea s p e c t s o f a p o p t o s i s w i l l n o t b e d i s c u s s e d h e r e . F o r t h er e m a i n d e r o f t h i s r e v i e w , w e w i l l f o c u s o n a k e y c o m p o n e n to f t h e e f f e c t o r a r m o f t h e a p o p t o t i c p r o g r a m , t h e B c l - 2g e n e f a m i l y o f p r o t e i n s , a n d d i s c u s s h o w t h e y c o n t r i b u t et o t h e p a t h o g e n e s i s o f d i s e a s e , s p e c i f i c a l l y , t h e i r r o l e i nt h e d e v e l o p m e n t o f c a n c e r .

T h e B c l - 2 G e n e F a m i l y o f P r o t e i n sT h e c e n t e r p i e c e o f t h e a p o p t o t i c p r o g r a m a n d t h e m a j o re f f e c t o r a r m o f t h e c e l l d e a t h p r o g r a m i s t h e B c l - 2 f a m i l yo f r e l a t e d p r o t e i n s ( T a b l e 2 ) ( N u f i e z a n d C l a r k e , 1 9 9 4 ;R e e d , 1 9 9 4 ; K o r s m e y e r , 1 9 9 5 ; K r o e m e r , 1 9 9 7 ) . T h e p r o t o -t y p e m e m b e r o f t h i s f a m i l y i s B c l - 2 , a n a c r o n y m f o r B - c e l ll y m p h o m a / l e u k e m i a - 2 g e n e , t h a t w a s f i r s t d i s c o v e r e d a tt h e b r e a k p o i n t o f t h e t ( 1 4 ; 1 8 ) i n a f o l l i c u l a r n o n -H o d g k i n ' s B - c e l l l y m p h o m a ( T s u j i m o t o e t a l . , 1 9 8 5 ) . I n t h i st r a n s l o c a t i o n , t h e B c l - 2 g e n e i s m o v e d f r o m i t s n o r m a lc h r o m o s o m a l l o c a t i o n a t 1 8 q 2 1 i n t o p r o x i m i t y w i t h p o w -e r f u l e n h a n c e e l e m e n t s i n t h e i m m u n o g l o b u l i n h e a v y -c h a i n ( I g H ) l o c u s a t 1 4 q 3 2 . T h i s r e s u l t s i n d e r e g u l a t i o n o ft h e t r a n s l o c a t e d B c l - 2 g e n e a n d o v e r p r o d u c t i o n o f B c l - 2mRNAs a n d t h e i r e n c o d e d p r o t e i n s ( B a k h s h i e t a l . , 1 9 8 5 ) .T h e B c l - 2 g e n e f a m i l y c o n s i s t s o f t w o o p p o s i n g g r o u p s o fp r o t e i n s d e a t h a n t a g o n i s t s ( B c l - 2 , B c l - x L , B c l - w , B f l - M ,

T A B L E 2B c I - 2 Gene F a m i l y

A n t i - a p o p t o t i c M e m b e r sB c l - 2B c l - x LB c l - wB f l - iB r a g - iM c l - IA i

P r o - a p o p t o t i c M e m b e r sB a xB a kB c l - x 5B a dB i dB i kH r kB r a g - 1 , M c l - 1 , a n d A - 1 ) a n d d e a t h a g o n i s t s ( B a x , B a k , B c l -x S , B a d , B i d , B i k , a n d H r k ) ( K r o e m e r , 1 9 9 7 ) . T h e y d i f f e r i nt h e i r t i s s u e - a n d a c t i v a t i o n - d e p e n d e n t p a t t e r n s a s w e l l a si n t h e i r s t r u c t u r e ( H o c k e n b e r y e t a l . , 1 9 9 1 ; L e B r u n e t a l . ,1 9 9 3 ; K r a j e w s k i e t a l . , 1 9 9 4 a , b ) . T h e p r o t e i n s e n c o d e d b yt h e B c l - 2 f a m i l y l o c a l i z e t o t h e o u t e r m i t o c h o n d r i a l mem-b r a n e , t h e n u c l e a r m e m b r a n e , a n d t h e e n d o p l a s m i c r e t i c -u l u m ( K o r s m e y e r , 1 9 9 5 ; K r o e m e r , 1 9 9 7 ) . T h e p r o t e i n p r o d -u c t s o f t h e g e n e f a m i l y s h a r e t w o h i g h l y c o n s e r v e dd o m a i n s , B H I a n d B H 2 ( B c l h o m o l o g u e 1 a n d 2 ) , t h a tr e g u l a t e h e t e r o d i m e r i z a t i o n b e t w e e n t h e d e a t h a n t a g o -n i s t s s u c h a s B c l - 2 a n d B c l - X L a n d d e a t h a g o n i s t s l i k eB a x . C e l l d e a t h i s i n d u c e d b y t h i s g e n e f a m i l y t h r o u g hc o m p e t i n g d i m e r i z a t i o n ( O l t v a i a n d K o r s m e y e r , 1 9 9 4 ) . I f ,f o r e x a m p l e , t h e l e v e l o f B c l - 2 , w h i c h p r o t e c t s c e l l s f r o mu n d e r g o i n g a p o p t o s i s , i s h i g h e r t h a n t h e l e v e l o f t h ed e a t h i n d u c e r B a x , B c l - 2 h o m o d i m e r s p r e v a i l a n d c e l l sa r e p r o t e c t e d . I f , o n t h e o t h e r h a n d , B a x i s i n e x c e s s , t h eo p p o s i t e e f f e c t o c c u r s a n d c e l l s b e c o m e s u s c e p t i b l e t oa p o p t o s i s . T h u s , i t i s t h e r a t i o ( r e l a t i v e l e v e l o f e x p r e s -s i o n ) o f p r o t e i n s t h a t e i t h e r p r o t e c t o r i n d u c e c e l l d e a t hw h i c h d e t e r m i n e s t h e u l t i m a t e f a t e o f a c e l l ( K o r s m e y e r ,1 9 9 5 ) . I n d e e d , t h e r e i s now s u b s t a n t i a l e v i d e n c e t h a tt h e s e d o m a i n s p l a y a c r i t i c a l r o l e i n h o w a c e l l r e s p o n d st o d e a t h - i n d u c i n g a n d d e a t h - p r o t e c t i n g s i g n a l s ( K r o e m e r ,1 9 9 7 ) . T h e BH3 d o m a i n o f d e a t h a g o n i s t s s u c h a s B a x a n dB a k i s r e q u i r e d f o r t h e s e p r o t e i n s t o h e t e r o d i m e r i z e w i t hB c l - 2 a n d B c l - x L t o p r o m o t e a p o p t o s i s ( Z h a e t a l . , 1 9 9 6 ;K r o e m e r , 1 9 9 7 ) . O v e r e x p r e s s i o n o f t h o s e p r o t e i n s c o n -t a i n i n g o n l y t h e B H3 d o m a i n i s s u f f i c i e n t f o r i n t e r a c t i n gw i t h a n d i n h i b i t i n g t h e f u n c t i o n o f B c l - 2 - l i k e s u r v i v a l p r o -t e i n s . T h u s , t h i s c l a s s o f p r o t e i n s t h u s f u n c t i o n s a s d o m -i n a n t n e g a t i v e i n h i b i t o r s o f c e l l d e a t h .10(2135199)i t R e v O r a l B i o Me 1 41 4 1r i t R e v O r a l B i o l M e d1 0 ( 2 ) : 1 3 9 - 1 5 2 ( 1 9 9 9 ) by guest on January 16, 2012 For personal use only. No other uses without permission.cro.sagepub.comDownloaded from


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R o l e o f t h e B c l - 2 F a m i l y o f P r o t e i n s a n d C a s p a s e s i nC e l l D e a t h & S u r v i v a l

N u c l e a r m e m b r a n e

C e l l S u r v i v a l

M i t o c h o n d r i aE n d o p l a s m i c r e t i c u l u m

IaC e l l D e a t hF i g u r e . T h e i l l u s t r a t i o n d e p i c t s t h e i n t e r a c t i o n o f t h e B c l - 2 g e n e f a m i l ym e m b e r s w i t h k e y C y t o s o l i c A s p a r t a t e - S p e c i f i c c y s t e i n e P r o t e a s e s( C a s p a s e s ) ( M i g n o t t e a n d V a y s s i e r e , 1 9 9 8 ) . B c l - 2 i s l o c a t e d a t t h ec o n t a c t p o i n t s b e t w e e n t h e i n n e r a n d o u t e r m i t o c h o n d r i a l m e m b r a n e s ,a n d a l o n g t h e n u c l e a r m e m b r a n e a n d e n d o p l a s m i c r e t i c u l u m . B c I - X L i sp r e s e n t i n b o t h s o l u b l e a n d m e m b r a n e - b o u n d f o r m s w h i l e B a x i s l o c a t -e d p r e d o m i n a n t l y i n t h e c y t o s o l . T h e c u r r e n t s p e c u l a t i o n i s t h a t B c l -2 / B c l - X L a n d p e r h a p s o t h e r m e m b e r s o f t h e B c l - 2 f a m i l y i n h i b i t a p o p -t o s i s b y m a i n t a i n i n g t h e A p a f - 1 / p r o - C a s p a s e 3 ( C P P 3 2 ) c o m p l e xb o u n d t i g h t l y t o m e m b r a n e s . W h e n B a x , B i d , o r B a d h e t e r o d i m e r i z e sw i t h B c l - 2 / B c l - x L , t h e c o m p l e x d i s s o c i a t e s , r e s u l t i n g i n a c t i v a t i o n o fp r o - C a s p a s e 3 a n d c e l l d e a t h .

B c l - 2 i s a n A n t a g o n i s t o f C e l l D e a t hB c l - 2 f u n c t i o n s t o c o n f e r a s u r v i v a l a d v a n t a g e t o a v a r i e t yo f c e l l t y p e s b y i n h i b i t i n g a p o p t o s i s . T h e d e a t h - i n h i b i t o -r y e f f e c t o f B c l - 2 w a s f i r s t r e p o r t e d i n s t u d i e s o f a n I L - 3 -d e p e n d e n t B - l y m p h o c y t e l i n e ( V a u x e t a l , 1 9 8 8 ) . G r o w t ha n d s u r v i v a l o f t h e s e c e l l s a r e s t r i c t l y d e p e n d e n t o n t h ep r e s e n c e o f I L - 3 i n t h e c u l t u r e m e d i a . When B c l - 2 w a so v e r e x p r e s s e d i n t h e s e c e l l s , t h e y w e r e a b l e t o s u r v i v e i nt h e a b s e n c e o f I L - 3 . A l s o , B - l y m p h o c y t e s i m m o r t a l i z e dw i t h t h e E p s t e i n - B a r r v i r u s c o n s t i t u t i v e l y o v e r e x p r e s sB c l - 2 a n d e x h i b i t p r o l o n g e d c e l l s u r v i v a l i n c u l t u r e( H e n d e r s o n e L c i l . , 1 9 9 1 , O r e n , 1 9 9 2 ) . T h e c - m y c o n c o -g e n e , w h e n i n t r o d u c e d i n t o r a t f i b r o b l a s t s , i n d u c e s c e l lp r o l i f e r a t i o n i n s e r u m - s u p p l e m e n t e d c u l t u r e m e d i aW i t h s e r u m d e p r i v a t i o n , a p o p t o s i s e n s u e s b u t c a n b eb l o c k e d b y B c l - 2 ( B i s s o n n e t t e e t a l . , 1 9 9 2 ; E v a n e t a l . ,

1 4 2 C r i i R e c O r c i l B ! o l Med 1199911 4 2 C r i t R e v O r a l B i o l M e d 0 ( 2 ) : 1 3 9 - 1 5 2 1 9 9 9 )

1 9 9 2 ; W a g n e r e t c i l , 1 9 9 3 ) . O v e r e x p r e s s i o n o f B c l - 2 h a sb e e n s h o w n t o i n h i b i t a p o p t o s i s i n d u c e d b y a n u m b e r o fa g e n t s , i n c l u d i n g c a l c i u m i o n o p h o r e s , e t h a n o l , i r r a d i a -t i o n , c o r t i c o s t e r o i d s , c y c l i c A M P , a n d h e a t - s h o c k ( B a r r y e ta l , 1 9 9 0 ; B a x t e r a n d L a v i n , 1 9 9 2 , R a y e t a l . , 1 9 9 2 ) .I n t e r e s t i n g l y , t h e i n t r o d u c t i o n o f B c l - 2 i n t o a v a r i e t y o fe p i t h e l i a l a n d m e s e n c h y m a l c e l l s i n h i b i t s c e l l d e at h b u td o e s n o t e n h a n c e c e l l p r o l i f e r a t i o n ( O r e n , 1 9 9 2 , M a n n i n ga n d P a t i e r n o , 1 9 9 6 ) . F u r t h e r i n s i g h t s i n t o t h e f u n c t i o n o fB c l - 2 d u r i n g a p o pt o s i s a n d t h e c o n s e q u e n c e s o f i t s i n a p -p r o p r i a t e e x p r e s s i o n h a v e b e e n r e v e a l e d i n b o t h g a i n - o f -f u n c t i o n a n d l o s s - o f - f u n c t i o n e x p e r i m e n t s ( M c D o n n e l l e ta l , 1 9 8 9 ; V e i s e t a l . , 1 9 9 3 ) . T r a n s g e n i c m i c e b e a r i n g a B c l -2 - i m m u n o g l o b u l i n m i n i g e n e i n i t i a l l y s h o w e d a p o l y c l o -n a l f o l l i c u l a r e x p a n s i o n o f B - c e l l s i n G O / G I o f t h e c e l lc y c l e . C e l l s a c c u m u l a t e d b e c a u s e t h e y l i v e d l o n g e r r a t h e rt h a n d u e t o i n c r e a s e d c e l l p r o l i f e r a t i o n . E v e n t u a l l y , t h ee x p a n d e d B - c e l l s p r o g r e s s e d t o h i g h - g r a d e l y m p h o m a sd u e t o t h e o c c u r r e n c e o f a t r a n s l o c a t i o n i n v o l v i n g t h e c -m y c o n c o g e n e i n a l a r g e n u m b e r o f t h e s e t u m o r s( M c D o n n e l l e t a l , 1 9 8 9 ; M c D o n n e l l a n d K o r s m e y e r , 1 9 9 1 ;K o r s m e y e r , 1 9 9 5 ) . T h u s , t h e p r o l i f e r a t i v e a d v a n t a g ea f f o r d e d b y c - m y c o v e r e x p r e s s i o n w a s c o m p l e m e n t e d b ya n d s y n e r g i z e d w i t h t h e i n c r e a s e d s u r v i v a l c a u s e d b yo v e r e x p r e s s i o n o f B c l - 2 . I n t h e mouse e m b r y o , B c l - 2 i se x p r e s s e d m u c h m o r e w i d e l y t h a n i n a d u l t t i s s u e s . T h i sr a i s e d t h e q u e s t i o n b y K o r s m e y e r a n d c o l l e a g u e sw h e t h e r t h i s k e y r e p r e s s o r o f c e l l d e a t h w o u l d b er e q u i r e d f o r t h e s u c c e s s f u l d e v e l o p m e n t o f m u l t i p l e l i n -e a g e s ( K o r s m e y e r , 1 9 9 5 ) . M i c e w i t h a t a r g e t e d d i s r u p t i o ni n B c l - 2 e x h i b i t e d n o r m a l d e v e l o p m e n t u n t i l t h e f i r s tw e e k a f t e r b i r t h , s u g ge s t i ng t h e f u n c t i o n o f r e d u n d a n tg e n e s t h a t c o n t r o l a p o p t o s i s d u r i n g t h i s p h a s e a n d t h a tc a n o v e r c o m e t h e l a c k o f B c l - 2 . H e m a t o p o i e s i s a p p e a r e dn o r m a l , i n d i c a t i n g t h a t B c l - 2 w a s n o t r e q u i r e d f o r t h ed e v e l o p m e n t o f t h e s e l i n e a g e s M o s t o r g a n s i n t h e s em i c e d e v e l o p n o r m a l l y H o w e v e r , o n e w e e k a f t e r b i r t h ,h o m o z y g o u s m u t a n t s e x h i b i t e d g r o w t h r e t a r d a t i o n , w i t hs m a l l e a r s a n d i m m a t u r e f a c i a l f e a t u r e s . T h e m i c e d i e d a ta n e a r l y a g e a n d e x h i b i t e d d i f f u s e a p o p t o s i s o f t h e i r k i d -n e y s w h i c h p r o g r e s s e d t o s e v e r e p o l y c y s t i c k i d n e y d i s -e a s e ( V e i s e t c i l , 1 9 9 3 ) .

M e c h a n i s m o f A c t i o n o f t h e B c l - 2 P r o t e i nT h e m e c h a n i s m b y w h i c h B c l - 2 i n h i b i t s a p o p t o s i s i s s t i l lu n c e r t a i n a n d t h u s r e m a i n s t h e s u b j e c t o f i n t e n s i v ei n v e s t i g a t i o n . B c l - 2 h a s b e e n l o c a l i z e d t o a r e a s o f c o n -t a c t b e t w e e n t h e o u t e r a n d t h e i n n e r m i t o c h o n d r i a lm e m b r a n e s , s u g g e s t i n g t h a t B c l - 2 may p r o t e c t c e l l s f r o ma p o p t o s i s b y a l t e r i n g m i t o c h o n d r i a l f u n c t i o n . T h e r e i se v i d e n c e t h a t B c l - 2 m i g h t a c t t o p r e v e n t c a l c i u m i n f l u xi n t o m i t o c h o n d r i a i n d u c e d b y g r o w t h f a c t o r w i t h d r a w a la n d p r e v e n t c y t o c h r o m e c o u t f l o w f r o m t h e i n t e r m e m -



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b r a n e s p a c e ( A d a c h i e t a l . , 1 9 9 7 ) . T h e o b s e r v a t i o n t h a ts u p p r e s s i o n o f DNA f r a g m e n t a t i o n b y B c l - 2 o v e r e x p r e s -s i o n i s a s s o c i a t e d w i t h d e c r e a s e d l e v e l s o f c y t o s o l i c c a l -c i u m a n d i n c r e a s e d l e v e l s o f m i t o c h o n d r i a l c a l c i u m s u g -g e s t s t h a t B c l - 2 m a y b e i n v o l v e d i n t h e r e g u l a t i o n o fi n t r a c e l l u l a r c a l c i u m d i s t r i b u t i o n . T h i s i s f u r t h e r s u p p o r t -e d b y t h e o b s e r v a t i o n t h a t c a l c i u m - i o n o p h o r e - i n d u c e da p o p t o s i s i s s u b s t a n t i a l l y r e d u c e d i n c e l l s o v e r e x p r e s s -i n g B c l - 2 . T h e l o c a l i z a t i o n o f B c l - 2 t o t h e n u c l e a r mem-b r a n e a n d i n m i t o t i c n u c l e i s u g g e s t s t h a t i t may p r o t e c tDNA f r o m d a m a g e b y e n d o n u c l e a s e s .R e c e n t l y , a h o m o l o g u e o f B c l - 2 , c a l l e d B c l - x , h a sb e e n c l o n e d a n d c h a r a c t e r i z e d . A s a r e s u l t o f a l t e r n a t i v es p l i c i n g , t w o m R NA s p e c i e s , d e s i g n a t e d B c l - x L a n d B c l -X S ' w e r e i d e n t i f i e d i n h u m a n s ( B o i s e e t a l . , 1 9 9 3 ) . T h e f o r -m e r , l i k e B c l - 2 , i n h i b i t s a p o p t o s i s . T h e l a t t e r i s a d o m i -n a n t n e g a t i v e r e p r e s s o r o f B c l - 2 a n d e n h a n c e s a p o p t o t i cs i g n a l s i n c e l l s w h i c h e x p r e s s B c l - 2 . T h e s t r u c t u r e o f B c l -X L i S s t r i k i n g l y s i m i l a r t o t h e p o r e - f o r m i n g d o m a i n o fd i p h t h e r i a t o x i n . T h i s s u g g e s t s t h a t t h i s B c l - 2 - r e l a t e dp r o t e i n a n d p e r h a p s B c l - 2 i t s e l f m a y f u n c t i o n a s i o nc h a n n e l s ( M i n n e t a l . , 1 9 9 7 ; S c h e n d e l e t a l . , 1 9 9 7 ) . T h em i t o c h o n d r i a l p e r m e a b i l i t y t r a n s i t i o n ( d e p o l a r i z a t i o n o ft h e t r a n s m e m b r a n e p o t e n t i a l ) c a n c a u s e t h e o u t f l o w o fm i t o c h o n d r i a l p r o t e i n s ( e . g . , a p o p t o s i s - i n d u c i n g f a c t o r ,c y t o c h r o m e c ) i n t o t h e c y t o s o l a n d a c t i v a t e s p e c i f i ca p o p t o g e n i c p r o t e a s e s s u c h a s c a s p a s e - 3 ( K r o e m e r ,1 9 9 7 ) . T h e a c t i v a t i o n o f t h i s c a s p a s e i s d e p e n d e n t o n t h ep r e s e n c e o f c y t o c h r o m e c i n t h e c y t o s o l a n d r e s u l t s i nc l e a v a g e o f P A R P a n d s u b s e q u e n t DNA f r a g m e n t a t i o n( Y a n g e t a l . , 1 9 9 7 ) . T h e r e f o r e , b o t h B c l - 2 a n d B c l - x L m a yp r e v e n t a p o p t o s i s b y i n h i b i t i n g c y t o c h r o m e c t r a n s l o c a -t i o n a n d t h u s p r e v e n t c a s p a s e a c t i v a t i o n a n d t h e s u b s e -q u e n t d o w n s t r e a m e v e n t s i n t h e a p o p t o t i c p r o c e s s( K l u c k e t a l . , 1 9 9 7 ) .B c l - 2 m a y a l s o f u n c t i o n a s a n a n t i - o x i d a n t . B c l - 2 h a sb e e n r e p o r t e d t o b l o c k a p o p t o s i s i n c e l l s e x p o s e d t o y -i r r a d i a t i o n w h i c h c a u s e d a m a g e d u e t o t h e g e n e r a t i o n o fr e a c t i v e o x y g e n s p e c i e s ( H o c k e n b e r y e t a l . , 1 9 9 3 ; P o l y a k e ta l . , 1 9 9 7 ) . M o r e o v e r , H 2 0 2 a n d d e x a m e t h a s o n e - i n d u c e da p o p t o s i s c a n b e o v e r c o m e b y B c l - 2 . H o c k e n b e r y e t a l .( 1 9 9 3 ) h a v e n o t e d t h a t t h e d e a t h - s u p p r e s s i v e e f f e c t s o fa n t i - o x i d a n t s s u c h a s N - a c e t y l - L - c y s t e i n e a n d g l u t a t h i o n ep e r o x i d a s e w e r e m e d i a t e d t h r o u g h i n h i b i t i o n o f l i p i d p e r -o x i d a t i o n . I t w a s p r o p o s e d t h a t B c l - 2 c o u l d a c t a s a n a n t i -o x i d a n t b y a s i m i l a r m e c h a n i s m . H o w e v e r , s i n c e B c l - 2e x p r e s s i o n c a n a l s o i n h i b i t a p o p t o s i s u n d e r a e r o b i c c o n -d i t i o n s , i t m a y b e t h a t p r o d u c t i o n o f r e a c t i v e o x y g e n m o l -e c u l e s i s a c o n s e q u e n c e r a t h e r t h a n a c a u s e o f a p o p t o s i s .

B c l - 2 a n d t h e D e v e l o p m e n t o f C a n c e rT h e r e i s n o w c o m p e l l i n g e v i d e n c e t h a t a b e r r a n t e x p r e s -s i o n o f o n e o r m o r e m e m b e r s o f t h e B c l - 2 g e n e f a m i l y

T A B L E 3A p o p t o s i s - a s s o c i a t e d D i s e a s e s *

D i s o r d e r s A s s o c i a t e d w i t h P r o l o n g e d C e l l S u r v i v a lC a n c e rB r e a s tC e n t r a l n e r v o u s s y s t e mH e a d a n d n e c kF o l l i c u l a r l y m p h o m aG a s t r o - i n t e s t i n a l t r a c tG e n i t o - u r i n a r y t r a c tL u n gO r a l c a v i t yS k i nA u t o i m m u n e D i s o r d e r sS y s t e m i c l u p u s e r y t h e m a t o s i sV i r a l i n f e c t i o n sH e r p e s v i r u s e sP o x v i r u s e sA d e n o v i r u s e sD i s e a s e s A s s o c i a t e d w i t h I n c r e a s e d A p o p t o s i s

A I D SN e u r o d e g e n e r a t i v e d i s o r d e r sA l z h e i m e r ' s d i s e a s eP a r k i n s o n ' s d i s e a s eA m y t r o p h i c l a t e r a l s c l e r o s i sR e t i n i t i s p i g m e n t o s aC e r e b e l l a r d e g e n e r a t i o nM y e l o d y s p l a s t i c s y n d r o m e sA p l a s t i c a n e m i aI s c h e m i c i n j u r yM y o c a r d i a l i n f a r c t i o nS t r o k eR e p e r f u s i o n i n j u r yT o x i n ( A l c o h o l ) - i n d u c e d l i v e r d i s e a s e' A d a p t e d f r o m T h o m p s o n ( 1 9 9 5 ) .

c a n c o n t r i b u t e t o t h e d e v e l o p m e n t o f a v a r i e t y o f d i s -e a s e s ( s e e r e v i e w b y T h o m p s o n , 1 9 9 5 ) . T a b l e 3 i s a l i s t o fd e v e l o p m e n t a l , d e g e n e r a t i v e , i n f l a m m a t o r y / i m m u n o l o g -i c a l , a n d n e o p l a s t i c d i s e a s e s a s s o c i a t e d w i t h e i t h e r p r o -l o n g e d c e l l s u r v i v a l o r p r e m a t u r e o r e x c e s s i v e c e l l d e a t h .T h e e v i d e n c e i m p l i c a t i n g B c l - 2 f a m i l y m e m b e r s i n t h ed e v e l o p m e n t o f c a n c e r c o m e s f r o m s e v e r a l l i n e s o f s t u d y .T u m o r c e l l s f r o m a w i d e v a r i e t y o f human c a n c e r s h a v eb e e n s h o w n t o e x h i b i t i n c r e a s e d s u r v i v a l a n d r e s i s t a n c et o a p o p t o s i s ( C o l l i n s , 1 9 9 1 ; W i l l i a m s , 1 9 9 1 ; O r e n , 1 9 9 2 ;M a n n i n g a n d P a t i e r n o , 1 9 9 6 ) . T h e a b i l i t y o f t u m o r s t oe x h i b i t a u t o n o m o u s g r o w t h h a s l o n g b e e n r e g a r d e d a s ah a l l m a r k o f a n e o p l a s m . W h e t h e r i n a p r i m a r y t u m o r o r am e t a s t a s i s , t u m o r c e l l s m u s t b e a b l e t o s u r v i v e i n a ne n v i r o n m e n t t h a t i s o f t e n t o x i c o r s e v e r e l y d e p l e t e d o fe s s e n t i a l n u t r i e n t s o r g r o w t h f a c t o r s ( N o w e l l , 1 9 7 6 ;F a r b e r a n d C a m e r o n , 1 9 8 0 ) . R e s i s t a n c e t o c y t o t o x i c i t ya n d a r e d u c e d r e q u i r e m e n t f o r e x o g e n o u s g r o w t h f a c t o r s

10(21~1319)GirlBo e 1 4 3r i t R e v O r a l B i o l M e d1 0 ( 2 ) - . 1 3 9 - 1 5 2 ( 1 9 9 9 ) by guest on January 16, 2012 For personal use only. No other uses without permission.cro.sagepub.comDownloaded from


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h a v e b e e n s h o w n t o b e a s s o c i a t e d w i t h a n i n c r e a s e i n t h ee x p r e s s i o n o f g e n e s t h a t p r o m o t e t h e a c q u i s i t i o n o f ag r o w t h - f a c t o r - i n d e p e n d e n t p h e n o t y p e a s w e l l a s r e s i s -t a n c e t o a p o p t o s i s . S e v e r a l l i n e s o f e v i de n c e h a v e i m p l i -c a t e d B c l - 2 a n d s e v e r a l o f i t s s u r v i v a l h o m o l o g u e s i n t h ec o n v e r s i o n o f n o r m a l c e l l s t o m a l i g n a n c y ( C o l l i n s , 1 9 9 1 ;W i l l i a m s , 1 9 9 1 ; O r e n , 1 9 9 2 ; M a n n i n g a n d P a t i e r n o , 1 9 9 6 ) .A s d e s c r i b e d e a r l i e r , t h e B c l - 2 g e n e w a s f i r s t i d e n t i f i e d a tt h e s i t e o f a t r a n s l o c a t i o n b e t w e e n c h r o m o s o m e 1 4 a n d1 8 i n a h u m a n n o n - H o d g k i n ' s B - c e l l l y m p h o m a . U n l i k em o s t o t h e r o n c o g e n e s w h i c h p r o m o t e c e l l c y c l e p r o g r e s -s i o n , o v e r e x p r e s s i o n o f t h e B c l - 2 o n c o g e n e w a s f o u n d t op r o t e c t c e l l s f r o m u n d e r g o i n g a p o p t o s i s i n r e s p o n s e t o an u m b e r o f s t i m u l i ( M i y a s h i t a a n d R e e d , 1 9 9 2 , 1 9 9 3 ) . T h ea b i l i t y t o c o n f e r t h e m a l i g n a n t p h e n o t y p e i n c e l l s h a sb e e n d e m o n s t r a t e d f o l l o w i n g t h e i n t r o d u c t i o n o f B c l - 2i n t o s e v e r a l i m m o r t a l i z e d c e l l t y p e s ( R e e d , 1 9 9 4 ;K o r s m e y e r , 1 9 9 5 ) . A l s o , t h e o v e r e x p r e s s i o n o f t h e d e a t ha g o n i s t B a x o r r e l a t e d g e n e s i n c a n c e r c e l l s i s a b l e t oc o u n t e r a c t t h e s u r v i v a l e f f e c t o f B c l - 2 a n d i n d u c e a p o p -t o s i s b y e l i m i r i a t i n g t h e e f f e c t s o f s u r v i v a l p r o t e i n s ( H a ne t a l . , 1 9 9 6 ; S a b b a t i n i e t a l . , 1 9 9 7 ) . T r a n s g e n i c m i c e o v e r -e x p r e s s i n g B c l - 2 d e v e l o p p o l y c l o n a l e x p a n s i o n o f B - c e l l st h a t e v e n t u a l l y p r o g r e s s t o h i g h - g r a d e l y m p h o m a s( M c D o n n e l l a n d K o r s m e y e r , 1 9 9 1 ) . T h u s , B c l - 2 a p p e a r s t of u n c t i o n a s a c h e c k p o i n t a g a i n s t u n w a r r a n t e d c e l lt u r n o v e r b y p r e v e n t i n g c e l l s f r o m u n d e r g o i n g a p o p t o s i s( M c D o n n e l l e t a l . , 1 9 8 9 ) . I n a d d i t i o n t o c e l l s o f t h e B - c e l ll i n e a g e a n d o t h e r h e m a t o p o i e t i c s t e m c e l l s , B c l - 2 p r o -t e i n e x p r e s s i o n h a s b e e n o b s e r v e d i n s e v e r a l e p i t h e l i a ls t e m c e l l s b u t n o t i n m o r e d i f f e r e n t i a t e d c e l l s , s u g g e s t -i n g t h a t B c l - 2 m a y a l s o h a v e a p r o t e c t i v e f u n c t i o n i n s t e mc e l l s ( H o c k e n b e r y e t a l . , 1 9 9 1 ) . B c l - x h a s a l s o b e e ne n c o u n t e r e d t o a l i m i t e d e x t e n t i n b o t h n o r m a l a n d d i s -e a s e d s k i n k e r a t i n o c y t e s , b u t i t i s m o r e h i g h l y a n d w i d e -l y e x p r e s s e d i n m a l i g n a n t k e r a t i n o c y t e s o f t h e s k i n( K r a j e w s k i e t a l . , 1 9 9 4 a ; W r o n e - S m i t h e t a l . , 1 9 9 5 ; M i t r a e ta l . , 1 9 9 7 ; P e n a e t a l . , 1 9 9 7 ) a n d o r a l m u c o s a ( P o l v e r i n i ,N i c k o l o f f , a n d B e t z , u n p u b l i s h e d o b s e r v a t i o n s ) .I n h u m a n c a n c e r s , o v e r e x p r e s s i o n o f B c l - 2 p r o t e i nh a s b e e n o b s e r v e d i n s e v e r a l t u m o r t y p e s , i n c l u d i n g c a n -c e r o f t h e l u n g ( P e z z e l l a e t a l . , 1 9 9 3 ) , o v a r y ( H e n r i k s e n e ta l . , 1 9 9 5 ) , c o l o n ( S i n i c r o p e e t a l . , 1 9 9 5 a , b ) , p r o s t a t e( C o l o m b e l e t a l . , 1 9 9 3 ) , e s o p h a g u s ( S a r b i a e t a l . , 1 9 9 6 ) , a n db r e a s t . ( S i l v e s t r i n i e t a l . , 1 9 9 4 ) . I n n o n - s m a l l - c e l l l u n g c a n -c e r a n d b r e a s t c a n c e r , B c l - 2 p r o t e i n e x p r e s s i o n i n t u m o rc e l l s c o r r e l a t e s w i t h a p o o r e r p r o g n o s i s a s c o m p a r e d w i t hB c l - 2 - n e g a t i v e t u m o r s . I n c r e a s e d e x p r e s s i o n o f B c l - 2 h a sa l s o b e e n o b s e r v e d i n p r e c a n c e r o u s l e s i o n s , a n d b o t hB c l - 2 a n d B c l - x L / S h a v e b e e n d e t e c t e d i n e a r l y d y s p l a s t i cl e s i o n s o f t h e o r a l m u c o s a i n h u m a n s a n d i n c a r c i n o g e n -i n d u c e d p a p i l l o m a s i n a m o u s e m o d e l o f m u l t i s t e pt u m o r i g e n e s i s ( B i r c h a l l e t a l . , 1 9 9 6 ; J o r d a n e t a l . , 1 9 9 6 ;S t e r n e t a l . , 1 9 9 7 ) . O v e r e x p r e s s i o n o f B c l - 2 i s a l s o a s s o c i -

a t e d w i t h r e s i s t a n c e o f s e v e r a l h u m a n t u m o r s t o a p o p t o -s i s - i n d u c i n g c h e m o t h e r a p e u t i c a g e n t s s u c h a sm e t h o t r e x a t e , 1 - , B - D - a r a b v i n o f u r a n o s y l - c y t o s i n e , v i n -c r i s t i n , e t o p o s i d e , a n d c i s p l a t i n ( B a r r y e t a l . , 1 9 9 0 ) .I n c r e a s e d B c l - 2 e x p r e s s i o n h a s b e e n o b s e r v e d i n t h e p r o -g r e s s i o n o f p r o s t a t e c a n c e r f r o m a n d r o g e n - d e p e n d e n t t oa n d r o g e n - i n d e p e n d e n t g r o w t h . M c D o n n e l l e t a l . ( 1 9 9 2 )h a v e r e p o r t e d t h a t t h e m a j o r i t y o f a n d r o g e n - d e p e n d e n tt u m o r s e x h i b i t l o w o r b a r e l y d e t e c t a b l e l e v e l s o f B c l - 2 ,w h i l e a n d r o g e n - i n d e p e n d e n t t u m o r s e x p r e s s h i g h l e v e l so f t h i s g e n e . T h u s , i t was h y p o t h e s i z e d t h a t B c l - 2 p r o t e c t st u m o r s f r o m a p o p t o s i s u p o n w i t h d r a w a l o f a n d r o g e n s .A s m e n t i o n e d p r e v i o u s l y , B a x , a n o t h e r m e m b e r o ft h e B c l - 2 f a m i l y , f u n c t i o n s t o a n t a g o n i z e t h e s u r v i v a le f f e c t o f B c l - 2 . M i c e w i t h a t a r g e t e d d i s r u p t i o n i n B a x d i s -p l a y h y p e r p l a s i a o f t h y m o c y t e s a n d B - c e l l s . R e c e n t l y , i th a s b e e n r e p o r t e d t h a t l o s s o f B a x e x p r e s s i o n may b e ap r o g n o s t i c i n d i c a t o r o f d i m i n i s h e d r e s p o n s i v e n e s s t oc h e m o t h e r a p y a n d s h o r t e r s u r v i v a l i n wom e n w i t hm e t a s t a t i c b r e a s t c a n c e r ( K r a j e w s k i e t a t . , 1 9 9 5 ) . T h u s ,l o s s o f a k e y i n d u c e r o f a p o p t o s i s c a n a l s o c o n t r i b u t e t ot u m o r c e l l s u r v i v a l a n d p r o g r e s s i o n . L a c k o f r e s p o n s i v e -n e s s t o n e g a t i v e g r o w t h c o n t r o l s b y tumor c e l l s i s a n o t h -e r m e c h a n i s m w h e r e b y t u m o r s a r e a b l e t o c i r c u m v e n ta p o p t o s i s . I t h a s b e e n s h o w n t h a t r e s i s t a n c e t o t r a n s -f o r m i n g g r o w t h f a c t o r - V - i n d u c e d g r o w t h a r r e s t a n d a p o p -t o s i s c o r r e l a t e s w i t h t u m o r p r o g r e s s i o n ( B u r s c h e t a l . ,1 9 9 3 ; S e l v a k u m a r a n e t a l . , 1 9 9 4 ) . T h u s , t h e s e d a t a s t r o n g -l y i m p l i c a t e s e v e r a l m e m b e r s o f t h e B c l - 2 g e n e f a m i l y i nt u m o r p r o g r e s s i o n b y i n c r e a s i n g t h e r e s i s t a n c e o f m u t a t -e d c e l l s a g a i n s t t h e p r o t e c t i v e m e c h a n i s m s o f a p o p t o s i s .T h i s c a n b e a c h i e v e d e i t h e r b y o v e r e x p r e s s i o n o f B c l - 2h o m o l o g u e s t h a t p r o m o t e c e l l s u r v i v a l o r d o w n r e g u l a -t i o n o f g e n e s t h a t i n d u c e c e l l d e a t h .

R e l a t i o n o f B c l - 2 w i t h C e l l u l a r R e s i s t a n c e t oA p o p t o s i s a n d M a l i g n a n t T r a n s f o r m a t i o nG i v e n t h e i n h e r e n t r o l e t h a t a p o p t o s i s p l a y s i n t h e o r d e r -l y r e m o v a l o f c e l l s d u r i n g d e v e l o p m e n t a n d i n a d u l t t i s -s u e s , a p o p t o s i s most l i k e l y f u n c t i o n s t o g u a r d a g a i n s tn e o p l a s t i c d e v e l o p m e n t b y e l i m i n a t i n g g e n o t o x i c a l l yd a m a g e d c e l l s t h a t a c c u m u l a t e i n o r g a n s a n d t i s s u e s( M a n n i n g a n d P a t i e r n o , 1 9 9 6 ) . T h i s n o t i o n i s s u p p o r t e db y t h e f a c t t h a t t h e m a j o r i t y o f c e l l s e x p o s e d t o c a r c i n o -g e n s a n d c h e m o t h e r a p e u t i c a g e n t s u n d e r g o a p o p t o s i s .I n k e e p i n g w i t h t h e c o n c e p t t h a t i n i t i a t i o n b y a c a r c i n o -g e n i s a r a r e e v e n t , t h e p r o c e s s o f a p o p t o s i s i s g e n e r a l l ya n e f f i c i e n t m e c h a n i s m f o r r e m o v i n g g e n o t o x i c a l l y d a m -a g e d c e l l s t h a t e s c a p e t h e DNA r e p a i r p r o c e s s . T h i s p o s -s i b i l i t y i s f u r t h e r s u p p o r t e d b y i n v i v o s t u d i e s o f l i v e r a n ds k i n c a r c i n o g e n e s i s . H e p a t o c e l l u l a r c a r c i n o m a c a n b er e a d i l y i n d u c e d i n r a t s f o l l o w i n g e x p o s u r e t o a n i n i t i a t i n gd o s e o f a c h e m i c a l c a r c i n o g e n a l o n g w i t h a h e p a t o t o x i c144it ev ral lotMed 0(2)39-52(9991 4 4 C r i t R e v O r a l B i o t M e d 1 0 ( 2 ) : 1 3 9 - 1 5 2 ( 1 9 9 9 )



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a g e n t s u c h a s c a r b o n t e t r a c h l o r i d e ( F a r b e r a n d C a m e r o n ,1 9 8 0 ) . I n t h i s i n s t a n c e , l i v e r d a m a g e i s f o l l o w e d b y c o m -p e n s a t o r y p r o l i f e r a t i o n o f r e s i d u a l h e p a t o c y t e s . I f , o n t h eo t h e r h a n d , t h e s a m e c a r c i n o g e n i s a d m i n i s t e r e d a t as i m i l a r d o s e a l o n g w i t h l e a d n i t r a t e , a n a g e n t w h i c hp o t e n t l y i n d u c e s c e l l p r o l i f e r a t i o n a s w e l l a s a p o p t o s i s ,c a n c e r d e v e l o p m e n t i s p r e v e n t e d ( L e d d a - C o l u m b a n oa n d C o l u m b a n o , 1 9 9 1 ) . H o w e v e r , w h e n t h e r e m o v a l o fd a m a g e d c e l l s b y a p o p t o s i s i s c o m p r o m i s e d , o r i s l e s se f f i c i e n t , t h e p o t e n t i a l f o r t u m o r d e v e l o p m e n t i n c r e a s e s .T h i s a p p e a r s t o b e t h e c a s e i n t h e l a r g e i n t e s t i n e . T h i so r g a n t e n d s t o b e t h e f o c u s o f c a r c i n o m a d e v e l o p m e n tm o r e f r e q u e n t l y t h a n t h e s m a l l i n t e s t i n e . T h i s i s d e s p i t et h e f a c t t h a t t h e s m a l l i n t e s t i n e e x h i b i t s a h i g h e r r a t e o ft u r n o v e r . I n k e e p i n g w i t h t h e c o n c e p t t h a t a p o p t o s i s p r o -t e c t s a g a i n s t c a r c i n o g e n e s i s b y d e s t r o y i n g g e n o t o x i c a l l yd a m a g e d c e l l s , t h e f a i l u r e t o u n d e r g o a p o p t o s i s m a yp a r t l y e x p l a i n t h e p r o t e c t i v e e f f e c t s c o n f e r r e d o n c a r -c i n o g e n - i n i t i a t e d c e l l s b y t u m o r p r o m o t e r s .

T h e t u m o r - p r o m o t i n g a g e n t p h o r b o l e s t e r 1 2 - 0 -t e t r a d e c a n o y l p h o r b o l - 1 3 - a c e t a t e ( T P A ) h a s b e e n s h o w nt o i n h i b i t a p o p t o s i s i n c u l t u r e s o f C 3 H - l O T l / 2 c e l l s f o l -l o w i n g e x p o s u r e t o i o n i z i n g r a d i a t i o n , l o w - e n e r g y , B - r a d i -a t i o n , o r a c u t e s e r u m d e p r i v a t i o n ( T o m e i e t a l . , 1 9 8 8 ) .A l s o , t r e a t m e n t o f c h r o n i c l e u k e m i a c e l l s w i t h T P Am a r k e d l y i n h i b i t s a p o p t o s i s i n d u c e d b y a g e n t s s u c h a sc h o l c h a c i n e , e t o p o s i d e , o r m e t h y l p r e d n i s o l o n e ( F o r b e se t a l . , 1 9 9 2 ) . T h e p r o t e c t i v e a c t i o n o f T P A i s l i k e l y m e d i a t -e d t h r o u g h m o d u l a t i o n o f p r o t e i n k i n a s e C , s i n c e i t sa c t i v i t y c a n b e a n t a g o n i z e d b y i n h i b i t o r s o f t h i s e n z y m e .O k a d a i c a c i d , a t u m o r p r o m o t e r t h a t i n h i b i t s p r o t e i np h o s p h a t a s e s 1 a n d 2 A , h a s b e e n r e p o r t e d t o p r o t e c th u m a n l y m p h o i d c e l l s f r o m i n d u c t i o n o f a p o p t o s i s b yd i v e r s e a g e n t s ( S o n g e t a l . , 1 9 9 2 ) . E x p o s u r e o f l i v e r c e l l st o o k a d a i c a c i d i n h i b i t s a p o p t o s i s - a s s o c i a t e d d e p h o s -p h o r y l a t i o n o f s e v e r a l p r o t e i n s , i n c l u d i n g a 4 0 - k D a p r o -t e i n t h a t i s common i n t h i s t i s s u e ( B a x t e r a n d L a v i n ,1 9 9 2 ) . T h e s e o b s e r v a t i o n s s u g g e s t t h a t a l t e r a t i o n i n t h ep h o s p h o r y l a t i o n s t a t e o f m u l t i p l e s p e c i f i c p r o t e i n s m i g h tb e a n i m po r t a n t r e g u l a t o r y m e c h a n i s m i n v o l v e d n o t o n l yi n c e l l p r o l i f e r a t i o n b u t a l s o i n a p o p t o s i s . I n v i v o s t u d i e sa l s o s u p p o r t t h e n o t i o n t h a t s u p p r e s s i o n o f a p o p t o s i s i sa f e a t u r e o f t u m o r p r o m o t i o n . I n t h e r a t h e p a t o c y t em o d e l o f c a r c i n o g e n e s i s , t h e f o r m a t i o n o f n e o p l a s t i c f o c ic a n b e s i g n i f i c a n t l y e n h a n c e d i f a n i m a l s a r e t r e a t e d w i t ha n i n i t i a t i n g d o s e o f a c a r c i n o g e n a l o n g w i t h a t u m o rp r o m o t e r s u c h a s p h e n o b a r b i t a l ( G a r c e a e t a l . , 1 9 8 9 ;S c h u l t e - H e r m a n n e t a l . , 1 9 9 0 ; B u r s c h e t a l . , 1 9 9 3 ) . I n t h i sm o d e l , p h e n o b a r b i t a l i n c r e a s e s t h e r a t e o f t u m o r f o r m a -t i o n a n d t h e n u m b e r o f n e o p l a s t i c f o c i . T h i s e f f e c t i sa s s o c i a t e d w i t h a d e c r e a s e i n t h e l e v e l o f a p o p t o s i s w i t h -i n t h e l i v e r f o c i , s i n c e c o n t i n u o u s e x p o s u r e t o p h e n o b a r -b i t a l d o e s n o t p r o d u c e a p e r s i s t e n t i n c r e a s e i n c e l l p r o -l i f e r a t i o n . I n t e r e s t i n g l y , c e s s a t i o n o f p h e n o b a r b i t a l

a d m i n i s t r a t i o n r e s u l t s i n a d e c r e a s e i n t h e n u m b e r o fn e o p l a s t i c f o c i d u e t o i n d u c t i o n o f a p o p t o s i s . T h u s , s e v -e r a l i n v i t r o a n d i n v i v o s t u d i e s s u g g e s t t h a t t u m o r p r o -m o t e r s m a y e n h a n c e c a r c i n o g e n e s i s b y p r o t e c t i n g m u t a -g e n i z e d c e l l s f r o m a p o p t o t i c d e a t h a n d a l l o w i n g t h e m t op r o l i f e r a t e a n d p r o g r e s s t o p r e n e o p l a s i a a n d f r a n k m a l i g -n a n c y . H o w e v e r , o t h e r s t u d i e s ( S t e r n e t a l . , 1 9 9 7 ) s u g g e s tt h a t t h i s m a y n o t b e t h e c a s e .

I n a r e c e n t s t u d y f r o m t h e C o n t i l a b o r a t o r y ( S t e r n e ta l . , 1 9 9 7 ) , t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n a p o p t o s i s a n d t u m o rp r o g r e s s i o n w a s e x a m i n e d i n m o u s e s k i n t u m o r s b ym e a n s o f a t w o - s t a g e c h e m i c a l c a r c i n o g e n e s i s p r o t o c o l .P a p i l l o m a s w e r e g e n e r a t e d b y e x p o s i n g t h e s k i n o f m i c et o 7 , 1 2 d i m e t h y l b e n z l a l a n t h r a c i n e . T h e a s s o c i a t i o nb e t w e e n t u m o r p r o g r e s s i o n a n d a p o p t o s i s w a s a n a l y z e di n t u m o r s d e r i v e d f r o m t w o s t r a i n s o f m i c e d i f f e r i n g i nt h e i r s u s c e p t i b i l i t y t o t u m o r d e v e l o p m e n t : t h e S I N N a n dSENCAR B / P t m i c e . T h e TUNEL ( t e r m i n a l d e o x y n u -c l e o t i d y l t r a n s f e r a s e - m e d i a t e d d U T P - b i o t i n n i c k e n dl a b e l i n g ) a s s a y w a s u s e d t o i d e n t i f y a p o p t o t i c c e l l s a tv a r i o u s t i m e s d u r i n g t u m o r p r o m o t i o n . T h e s e w o r k e r sf o u n d t h a t t h e n u m b e r o f a p o p t o t i c c e l l s w a s g r e a t e r i np a p i l l o m a s t h a t w e r e i n t h e p r o c e s s o f u n d e r g o i n g p r o -g r e s s i o n t o s q u a m o u s c e l l c a r c i n o m a w h e n c o m p a r e dw i t h b e n i g n p a p i l l o m a s . I n a d d i t i o n , t h e y f o u n d t h a tp a p i l l o m a s f r o m SENCAR P / B t m i c e , a t u m o r - p r o g r e s -s i o n - s u s c e p t i b l e s t r a i n , h a d m o r e a p o p t o t i c c e l l s a n de x h i b i t e d a s u b s t a n t i a l i n c r e a s e i n p 5 3 e x p r e s s i o n t h a np a p i l l o m a s f r o m t u m o r - p r o g r e s s i o n - r e s i s t a n t S S I N m i c e .T h e s e w o r k s s u g g e s t e d t h a t , i n t h i s m o d e l s y s t e m o f s k i nc a n c e r , t h e e p i t h e l i a l c e l l s p o p u l a t i n g t u m o r s s t i l l m a i n -t a i n e d t h e c a p a c i t y t o u n d e r g o a p o p t o s i s a n d t h a t t h ep r e s e n c e o f a p o p t o t i c c e l l s i n a d v a n c e d p a p i l l o m a s w a sa n i n d i c a t o r o f h e i g h t e n e d e n d o g e n o u s m u t a g e n i c a c t i v -i t y a n d h i g h g e n o m i c i n s t a b i l i t y .

B c l - 2 S y n e r g i z e s w i t h O n c o g e n e s a n dTumor S u p p r e s s o r G e n e s t o D r i v e C e l l sT o w a r d M a l i g n a n c yB c l - 2 a p p e a r s t o c o o p e r a t e i n a s y n e r g i s t i c f a s h i o n w i t ho n c o g e n e s a n d t u m o r s u p p r e s s o r g e n e s t o e n h a n c e t h es u r v i v a l o f a n d t h e o p p o r t u n i t y f o r a d d i t i o n a l m u t a t i o n st o o c c u r i n c e l l s . T h e t r a n s l o c a t i o n o f t h e B c l - 2 g e n e i nh u m a n f o l l i c u l a r B - c e l l l y m p h o m a , a l t h o u g h n o t s u f f i -c i e n t t o c a u s e m a l i g n a n t c o n v e r s i o n o f B - l y m p h o c y t e s ,a p p e a r s t o i n c r e a s e t h e c h a n c e o f a d d i t i o n a l m u t a t i o n si n t h e s e a b n o r m a l l y l o n g - l i v e d c e l l s . S t u d i e s o f B c l - 2t r a n s g e n i c m i c e p r o v i d e s u p p o r t f o r t h e o b s e r v a t i o n t h a ta c t i v a t i o n o f a n o n c o g e n e i n c e l l s o v e r e x p r e s s i n g B c l - 2i n c r e a s e s t h e c h a n c e s f o r a s e c o n d m u t a t i o n a l e v e n t t oo c c u r ( M c D o n n e l l e t a l . , 1 9 8 9 ; M c D o n n e l l a n d K o r s m e y e r ,1 9 9 1 ) . T h e i n d o l e n t l y m p h o m a t h a t i n i t i a l l y d e v e l o p s i nt h e s e m i c e a f t e r a l o n g l a t e n c y p e r i o d p r o g r e s s e s t o a

1 4 51 0 ( 2 ) 1 3 9 1 5 2 ( 1 9 9 9 ) OraliolMedC r i t R e v O r a l B i o l M e d1 0 ( 2 ) - A 3 9 - 1 5 2 ( 1 9 9 9 ) by guest on January 16, 2012 For personal use only. No other uses without permission.cro.sagepub.comDownloaded from


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h i g h - g r a d e l y m p h o m a . M a n y o f t h e s e h i g h - g r a d e l y m -p h o m a s w e r e f o u n d t o c o n t a i n a c o n s t i t u t i v e l y a c t i v a t e dc - m y c o n c o g e n e . T h i s a p p a r e n t s y n e r g i s t i c e f f e c t w a sc o n f i r m e d i n s t u d i e s i n w h i c h s t r a i n s o f m i c e o v e r e x -p r e s s i n g c - m y c a n d B c l - 2 w e r e c r o s s e d w i t h e a c h o t h e r .T h e r e s u l t o f t h e s e m a t i n g s w a s t h e r a p i d d e v e l o p m e n to f a d i s s e m i n a t e d l y m p h o m a i n t h e d o u b l e - e x p r e s s i n gm i c e ( S t r a s s e r e t a l . , 1 9 9 0 ) . T h e c - m y c o n c o g e n e i s ap o t e n t s t i m u l a t o r o f c e l l p r o l i f e r a t i o n b u t a l s o i n d u c e sa p o p t o s i s w h e n o v e r e x p r e s s e d i n t h e a b s e n c e o f s u p -p o r t i n g g r o w t h f a c t o r s . I n t h i s c a s e , o v e r e x p r e s s i o n o fB c 1 - 2 a p p e a r s t o p r e v e n t c e l l d e a t h i n d u c e d b y c - m y c , b yd r i v i n g c e l l s t o w a r d p r o l i f e r a t i o n a n d b y b l o c k i n g a p o p -t o s i s ( V a u x e t a l . , 1 9 8 8 ) . I n n o n l y m p h o i d m e s e n c h y m a lc e l l s s u c h a s p r i m a r y r a t e m b r y o f i b r o b l a s t s , B c l - 2a p p e a r s t o c o o p e r a t e w i t h t h e H a - r a s o n c o g e n e t o p r o -d u c e n e o p l a s t i c t r a n s f o r m a t i o n , a n d d o e s s o w i t h ou td i r e c t l y i n c r e a s i n g c e l l p r o l i f e r a t i o n ( R e e d e t a l . , 1 9 9 0 ) .R a s - m e d i a t e d s i g n a l t r a n s d u c t i o n p a t h w a y s b e c o m ea c t i v a t e d u p o n s t i m u l a t i o n , a n d a r e s u b s e q u e n t l y i n a c t i -v a t e d t o m a i n t a i n h o m e o s t a s i s . M u t a t e d r a s p r o t e i n ,h o w e v e r , h a s l o s t t h e a b i l i t y t o b e c o m e i n a c t i v a t e d ,r e s u l t i n g i n e n h a n c e d c e l l p r o l i f e r a t i o n . A l t h o u g h t h e r a ss i g n a l i n g p a t h w a y s h a v e n o t y e t b e e n c o m p l e t e l yd e f i n e d , t h e r e i s e v i d e n c e t h a t t h e y m a y b e l i n k e d t o t h ec e l l d e a t h p a t h w a y . T h e r a s o n c o g e n e s h a v e b e e n s h o w nt o i n c r e a s e r e s i s t a n c e o f N I H 3 T 3 c e l l s t o g a m m a - r a d i a -t i o n - i n d u c e d a p o p t o s i s ( S k l a r , 1 9 8 8 ) . B c l - 2 i n t e r a c t s w i t hr a s - r e l a t e d p r o t e i n R - r a s p 2 3 . A l t h o u g h t h e s t r u c t u r e o fR - r a s i s s i m i l a r t o o t h e r r a s p r o t e i n s , i t s b i o l o g i c a l f u n c -t i o n d i f f e r s , s i n c e R - r a s d o e s n o t s h a r e t h e o n c o g e n i cp r o p e r t i e s o f o t h e r m e m b e r s o f t h i s f a m i l y o f p r o t e i n s .T h e p o t e n t i a l o f r a s i n v o l v e m e n t i n t h e a p o p t o t i c p a t h -w a y i s s u g g e s t e d b y i n t e r a c t i o n o f r a s w i t h R a f - 1 k i n a s e( F e r n a n d e z - S a r a b i a a n d B i s c h o f f , 1 9 9 3 ) . B c l - 2 t o g e t h e rw i t h R a f - l s y n e r g i s t i c a l l y s u p p r e s s a p o p t o s i s i n d u c e d b yg r o w t h f a c t o r w i t h d r a w a l i n 3 2 D . 3 h e m a t o p o i e t i c c e l l s( W a n g e t a l . , 1 9 9 4 ) .I n a c t i v a t i o n o f t h e p 5 3 t u m o r s u p p r e s s o r g e n e h a sb e e n l i n k e d t o t h e e t i o l o g y o f m o r e t h a n 5 0 % o f h u m a nc a n c e r s a n d i s o n e o f t h e m o s t f r e q u e n t l y m u t a t e d g e n e si n t u m o r s o f t h e u p p e r a e r o d i g e s t i v e t r a c t , i n c l u d i n g t h eo r a l c a v i t y ( H o l l s t e i n e t a l . , 1 9 9 1 ; L e v i n e e t a l . , 1 9 9 1 ; F i e l de t a l . , 1 9 9 2 ) . R e c e n t s t u d i e s h a v e p r o v i d e d c o m p e l l i n ge v i d e n c e t h a t a l t e r a t i o n i n p 5 3 e x p r e s s i o n m a y p l a y a ni m p o r t a n t r o l e i n s e l e c t i n g f o r c e l l s r e s i s t a n t t o a p o p t o -s i s d u r i n g t u m o r d e v e l o p m e n t . W i l d - t y p e ( W T ) p 5 3 r e g u -l a t e s t h e e x p r e s s i o n o f c e l l c y c l e g e n e s i n n o r m a l c e l l s a tt h e G 1 / S b o u n d a r y . I t f u n c t i o n s a s a g u a r d i a n , m a i n t a i n -i n g t h e f i d e l i t y o f g e n o m i c i n f o r m a t i o n ( H o l l s t e i n e t a l . ,1 9 9 1 ; L e v i n e e t a l . , 1 9 9 1 ) . T h u s , w h e n t r a n s d u c e d i n t ot u m o r c e l l s , W T p 5 3 e f f e c t i v e l y b l o c k s c e l l c y c l e p r o g r e s -s i o n . W T p 5 3 a l s o a p p e a r s t o r e g u l a t e B c l - 2 e x p r e s s i o n .When i n t r o d u c e d i n t o g r o w t h - f a c t o r - i n d e p e n d e n t t u m o r

c e l l s , t h e s e c e l l s b e c o m e s e n s i t i v e t o g r o w t h f a c t o r w i t h -d r a w a l a n d u n d e r g o a p o p t o s i s . H o w e v e r , t h e r e s t o r a t i o no f W T p 5 3 d i d n o t c a u s e g r o w t h a r r e s t , b u t r a t h e r c e l l s i nt h e G l p h a s e o f t h e c e l l c y c l e d i s p l a y e d e n h a n c e d s u s -c e p t i b i l i t y t o a p o p t o s i s ( Y o n i s h - R o u a c h e t a t . , 1 9 9 1 ) .E x p r e s s i o n o f W T p 5 3 i n t h e E B t u m o r l i n e , w h i c h l a c k se n d o g e n o u s p 5 3 e x p r e s s i o n , i n d u c e d a p o p t o s i s a n d p r e -v e n t e d t u m o r g r o w t h i n v i v o ( S h a w e t a l . , 1 9 9 2 ) .I n a c t i v a t i o n o f p 5 3 may t h e r e f o r e b e a m e c h a n i s m b yw h i c h t u m o r c e l l s e s c a p e n e g a t i v e g r o w t h c o n t r o l s t h a tc o u l d l e a d t o a p o p t o s i s . M u t a t e d p 5 3 g e n e s t h a t e n c o d ep r o t e i n s t h a t a c t a s n e g a t i v e d o m i n a n t i n h i b i t o r s o f p 5 3c a n a l s o i n h i b i t a p o p t o s i s ( G o t t l i e b e t a l . , 1 9 9 4 ; Z h u e t a l . ,1 9 9 4 ) . E x p r e s s i o n o f m u t a n t p 5 3 g e n e s i n I L - 3 - d e p e n -d e n t l e u k e m i a c e l l s w a s f o u n d t o p r o t e c t c e l l s f r o m a p o p -t o s i s f o l l o w i n g g r o w t h f a c t o r w i t h d r a w a l ( Z h u e t a l . , 1 9 9 4 ) .A m e c h a n i s t i c l i n k b e t w e e n a p o p t o s i s a n d t h e f u n c -t i o n o f t h e p 5 3 t u m o r s u p p r e s s o r h a s r e c e n t l y b e e nd e s c r i b e d . P r i o r t o t h e i n d u c t i o n o f a p o p t o s i s , W T p 5 3r a p i d l y t r a n s l o c a t e s i n t o t h e n u c l e u s , w h e r e i t c a n f u n c -t i o n a s a t r a n s c r i p t i o n f a c t o r r e g u l a t i n g g e n e e x p r e s s i o n( L e v i n e e t a l . , 1 9 9 1 ) . T w o p r o t e i n s r e g u l a t e d b y p 5 3 a r eB c l - 2 a n d B a x ( M i y a s h i t a e t a t . , 1 9 9 4 ; M i y a s h i t a a n d R e e d ,1 9 9 1 ) . E x p r e s s i o n o f W T p 5 3 i n MI l e u k e m i a c e l l s w h i c hl a c k e n d o g e n o u s p 5 3 r e s u l t e d i n d o w n - r e g u l a t i o n o f B c l -2 t o g e t h e r w i t h u p - r e g u l a t i o n o f B a x e x p r e s s i o n p r i o r t ot h e o c c u r r e n c e o f a p o p t o s i s ( M i y a s h i t a e t a l . , 1 9 9 4 ;S e l v a k u m a r a n e t a l . , 1 9 9 4 ) . M i c e d e f i c i e n t i n p 5 3 h a v eb e e n f o u n d t o h a v e e l e v a t e d l e v e l s o f B c l - 2 p r o t e i n a n dr e d u c e d l e v e l s o f B a x i n s e v e r a l t i s s u e s ( M y a s h i t a e t a l . ,1 9 9 4 ) . I n human c e l l s e x p o s e d t o i o n i z i n g r a d i a t i o n ,i n d u c t i o n o f B a x w a s a s s o c i a t e d w i t h n o r m a l p 5 3 f u n c -t i o n a n d a p o p t o s i s ( Z h a n e t a t . , 1 9 9 4 ) . T h e s e d a t a s u g g e s tt h a t p 5 3 may r e g u l a t e a p o p t o s i s b y a l t e r i n g t h e c e l l u l a rr a t i o o f B c l - 2 / B a x a n d t h a t i t i s t h i s p e r t u r b a t i o n t h a td e t e r m i n e s t h e f a t e o f c e l l s e x p o s e d t o a p o p t o t i c s t i m u l i .I n a r e c e n t p u b l i c a t i o n f r o m t h e V o g e l s t e i n g r o u p ( P o l y a ke t a l . , 1 9 9 7 ) , i t w a s r e p o r t e d t h a t among 7 0 0 0 t r a n s c r i p t se x a m i n e d i n p 5 3 - e x p r e s s i n g c e l l s , o n l y 0 . 1 9 % w e r e f o u n dt o b e m a r k e d l y i n c r e a s e d . Many o f t h e s e g e n e s w e r e p r e -d i c t e d t o e n c o d e p r o t e i n s t h a t c o u l d g e n e r a t e o r r e s p o n dt o o x i d a t i v e s t r e s s . I t w a s c o n c l u d e d t h a t p 5 3 r e s u l t s i na p o p t o s i s t h r o u g h a t h r e e - s t e p p r o c e s s : ( 1 ) t h e t r a n -s c r i p t i o n a l i n d u c t i o n o f r e d o x - r e l a t e d g e n e s ; ( 2 ) t h e f o r -m a t i o n o f r e a c t i v e o x y g e n s p e c i e s ; a n d ( 3 ) t h e o x i d a t i v ed e g r a d a t i o n o f m i t o c h o n d r i a l c o m p o n e n t s , c u l m i n a t i n gi n c e l l d e a t h . I n a d d i t i o n t o p r e v e n t i n g t h e g e n e r a t i o n o fr e a c t i v e o x y g e n s p e c i e s a n d p r o t e c t i n g m i t o c h o n d r i a lc o m p o n e n t s f r o m d e g r a d a t i o n , l o s s o r i n a c t i v a t i o n o fp 5 3 may a l s o p r e d i s p o s e p r e n e o p l a s t i c c e l l s t o a c c u m u -l a t e a d d i t i o n a l m u t a t i o n s t h r o u g h b l o c k i n g o f t h e n o r m a la p o p t o t i c r e s p o n s e t o g e n o t o x i c d a m a g e . N o r m a l p 5 3h a s b e e n d e m o n s t r a t e d t o b e c r i t i c a l t o t h e i n d u c t i o n o fa p o p t o s i s i n human a n d m u r i n e c e l l s f o l l o w i n g g e n o t o x -

1 4 6 G r i t R e v O r a l B i o l Me d lO(2):139-152(1999)1 4 6 C r i t R e v O r a l B i o l M e d 1 0 ( 2 ) : 1 3 9 - 1 5 2 ( 1 9 9 9 )by guest on January 16, 2012 For personal use only. No other uses without permission.cro.sagepub.comDownloaded from


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i c d a m a g e ( L o w e e t a l . , 1 9 9 3 ; C l a r k e e t a l . , 1 9 9 4 ; F u j i w a r ae t a l . , 1 9 9 4 ; M c C a r t h y e t a l . , 1 9 9 4 ; M e r r i t t e t a l . , 1 9 9 4 ) . T h u s ,a p 5 3 d e f i c i e n c y m a y p e r m i t a p o p u l a t i o n o f g e n e t i c a l l yd a m a g e d c e l l s t o e s c a p e t h e n o r m a l p r o c e s s o f a p o p t o t -i c d e l e t i o n . R e c e n t l y , L i v i n g s t o n e a n d c o l l e a g u e s ( 1 9 9 2 )h a v e s u g g e s t e d t h a t l o s s o f p 5 3 f u n c t i o n may p r e d i s p o s ec e l l s t o f u r t h e r g e n o m i c i n s t a b i l i t y a n d l e a d t o g e n ea m p l i f i c a t i o n . T h e s e i n v e s t i g a t o r s f o u n d t h a t g e n ea m p l i f i c a t i o n o c c u r r e d a t a h i g h e r r a t e i n p 5 3 - d e f i c i e n tc e l l s , w h e r e a s n o r m a l f i b r o b l a s t s w i t h o n e c o p y o f t h en o r m a l p 5 3 a l l e l e d i d n o t d e m o n s t r a t e s i m i l a r g e n ea m p l i f i c a t i o n .A c t i v a t i o n o f B c l - 2 t h r o u g h i n a c t i v a t i o n o r l o s s o fp 5 3 m i g h t a l s o e n h a n c e t h e g r o w t h o f m e t a s t a t i c t u m o rc e l l s . M e t a s t a t i c f o c i o f t e n t r a n s l a t e t o a n e n v i r o n m e n tw i t h l i m i t e d n u t r i e n t s . I n n o r m a l c e l l s , n u t r i e n t d e p r i v a -t i o n i s a p o t e n t s t i m u l u s f o r a p o p t o s i s . H o w e v e r , t u m o rc e l l s t h a t h a v e a d e c r e a s e d d e p e n d e n c y o n e x o g e n o u sg r o w t h f a c t o r o r t h a t o v e r e x p r e s s s u r v i v a l g e n e s s u c h a sB c l - 2 w o u l d n o l o n g e r b e s u b j e c t e d t o t h e s e l e c t i o n p r e s -s u r e n o r m a l l y a s s o c i a t e d w i t h n u t r i e n t o r g r o w t h f a c t o rd e p r i v a t i o n . I n d e e d , t h e e x p r e s s i o n l e v e l s o f B c l - 2 a n dB c l - x L ( a B c l - 2 h o m o l o g u e ) a r e o f t e n m a r k e d l y e l e v a t e di n i n v a d i n g a n d m e t a s t a t i c o r a l s q u a m o u s c a r c i n o m a s( l o r d a n e t a l . , 1 9 9 6 ; P o l v e r i n i , N i c k o l o f f , a n d B e t z , u n p u b -l i s h e d o b s e r v a t i o n s ) . M a n y o n c o g e n i c v i r a l p r o t e i n s( s u c h a s t h e s i m i a n v i r u s 4 0 l a r g e T - a n t i g e n , a d e n o v i r u st y p e 5 E I B , a n d human p a p i l l o m a v i r u s 1 6 / 1 8 E 6 ) c a ne f f e c t i v e l y d i s r u p t t h e f u n c t i o n o f p 5 3 b y p o s t - t r a n s l a -t i o n a l m o d i f i c a t i o n o f W T p 5 3 p r o t e i n ( M o r m a n d e t a l . ,1 9 9 2 , P e r r y e t a l . , 1 9 9 3 ) . T h e o n c o g e n i c p o t e n t i a l o f t h e s ea g e n t s t h u s a p p e a r s t o w o r k t h r o u g h t h e p 5 3 / B c l - 2 a x i s ,e n h a n c i n g t h e s u r v i v a l o f i n f e c t e d c e l l s a n d p e r h a p s p r e -d i s p o s i n g t h e m t o a d d i t i o n a l m u t a t i o n s .

Summary a n d C o n c l u s i o n sT h e e a r l i e s t s t e p i n t h e c a r c i n o g e n i c p r o c e s s i n v o l v e s t h ee m e r g e n c e o f " i n i t i a t e d " c e l l p o p u l a t i o n s t h a t a r e g e n e t -i c a l l y a l t e r e d . T h e s e a r e b i o l o g i c a l l y i n d o l e n t c e l l s t h a td o n o t e x p r e s s a n y o f t h e c o n v e n t i o n a l m a r k e r s o f p r e -m a l i g n a n c y o r m a l i g n a n c y b u t n e v e r t h e l e s s h a v ea c q u i r e d a s e l e c t i v e g r o w t h a d v a n t a g e t h a t r e n d e r s t h e ma t r i s k f o r f u r t h e r g e n e t i c d a m a g e . T h e e n h a n c e d e x p r e s -s i o n o f B c l - 2 a n d / o r B c l - x L i n h u m a n p r e m a l i g n a n t a n dm a l i g n a n t o r a l k e r a t i n o c y t e s s u g g e s t s t h a t p e r h a p s a ne a r l y k e y e v e n t i n t h e d e v e l o p m e n t o f o r a l s q u a m o u s c a r -c i n o m a i s t h e p r e f e r e n t i a l e x p r e s s i o n o f m e m b e r s o f t h eB c l - 2 g e n e f a m i l y t h a t p r o t e c t c e l l s f r o m a p o p t o s i s a n dr e n d e r t h e m m o r e s u s c e p t i b l e t o m u t a t i o n a n d t u m o rp r o g r e s s i o n . I n n o r m a l c i r c u m s t a n c e s , t h e p r o c e s s o fa p o p t o s i s e f f e c t i v e l y e l i m i n a t e s g e n e t i c a l l y d a m a g e dc e l l s f r o m t i s s u e s t o g u a r d a g a i n s t t h e i r c o n t i n u e dg r o w t h a n d p r o g r e s s i o n t o w a r d m a l i g n a n c y . I f , o n t h e

o t h e r h a n d , t h e s e c o n t r o l s a r e c o m p r o m i s e d , t h e n a ni m p o r t a n t m e c h a n i s m f o r t h e r e m o v a l o f d a m a g e d c e l l si s l o s t . S u r v i v i n g c e l l s t h a t c o n t a i n s u b l e t h a l DNA d a m -a g e w o u l d c o n t i n u e t o p e r s i s t i n a p r o t e c t e d e n v i r o n -m e n t a n d e v e n t u a l l y m a y b e c o m e h y p e r r e s p o n s i v e t op r o l i f e r a t i v e s i g n a l s . S i n c e d r u g r e s i s t a n c e a p p e a r s t o b ea f e a t u r e o f c e l l s o v e r e x p r e s s i n g s u r v i v a l g e n e s , t h i sw o u l d p r o v i d e a n o t h e r e x p l a n a t i o n f o r t h e r e s i s t a n c e t oc y t o t o x i c i t y t h a t c h a r a c t e r i z e s i n i t i a t e d c e l l p o p u l a t i o n s .T h e c o n t i n u e d p e r s i s t e n c e o f a p o p t o s i s - r e s i s t a n t c e l l sw o u l d f u r t h e r i n c r e a s e t h e p r o b a b i l i t y o f a c q u i r i n g a d d i -t i o n a l m u t a t i o n s . T h u s , f o r n e o p l a s t i c g r o w t h t o o c c u r ,t h e s e l e c t i o n p r e s s u r e c o n f e r r e d o n c e l l s b y t h e a p o p t o t -i c p r o g r a m m u s t b e o v e r c o m e . T h i s w o u l d i n t u r n c r e a t ea n i m b a l a n c e b e t w e e n t h o s e f o r c e s t h a t d r i v e c e l l st o w a r d p r o l i f e r a t i o n a n d p h y s i o l o g i c a l i n d e p e n d e n c ea n d t h o s e t h a t k e e p c e l l s t i g h t l y i n c h e c k t h r o u g h a p o p -t o s i s . O n c e t h i s i m b a l a n c e i n f a v o r o f c e l l p r o l i f e r a t i o na n d / o r s u r v i v a l i s a c h i e v e d , c e l l g r o w t h w o u l d p r e d o m i -n a t e . G e n e t i c m u t a t i o n s o r e p i g e n e t i c f a c t o r s t h a t d i m i n -i s h t h e t e n d e n c y t o u n d e r g o a p o p t o s i s m a y t h e n f a c i l i -t a t e t h e i r g r o w t h a n d d r i v e t h e m t o w a r d m a l i g n a n c y .

A c k n o w l e d g m e n t sS u p p o r t e d i n p a r t b y N I H g r a n t s H L 3 9 9 2 6 a n d C A 6 4 4 1 6 ; a n dC A P E S g r a n t N o 2 8 8 9 / 9 2 - 3

R E F E R E N C E SA d a c h i S , C r o s s A R , B a b i o r B M , G o t t l i e b RA ( 1 9 9 7 ) . B c l - 2

a n d t h e o u t e r m i t o c h o n d r i a m e m b r a n e i n t h e i n a c t i -v a t i o n o f c y t o c h r o m e c d u r i n g F a s - m e d i a t e d a p o p t o -s i s . I B i o l C h e m 2 7 2 : 2 1 8 7 8 - 2 1 8 8 2 .A n k a r c r o n a M , D y p b u k t I M , B r u n e B , N i c o t e r a P ( 1 9 9 4 ) .I n t e r l e u k i n - l - i n d u c e d n i t r i c o x i d e p r o d u c t i o n a c t i -

v a t e s a p o p t o s i s i n p a n c r e a t i c RINm5F c e l l s . E x p C e l lR e s 2 1 3 : 1 7 2 - 1 7 7 .A r e n d s M l , W y l l i e AH ( 1 9 9 1 ) . A p o p t o s i s . I n t R e v E x p P a t h o l

3 2 : 2 2 3 - 2 5 4 .A r e n d s M l , M o r r i s R G , W y l l i e AH ( 1 9 9 0 ) . A p o p t o s i s - t h er o l e o f t h e e n d o n u c l e a s e . Am J P a t h o l 1 3 6 : 5 9 3 - 6 0 8 .B a k h s h i A , J e n s e n J P , G o l d m a n P , W r i g h t J I , M c B r i d e O W ,

E p s t e i n A L , e t a l . ( 1 9 8 5 ) . C l o n i n g t h e c h r o m o s o m a lb r e a k - p o i n t o f t h e t ( 1 4 : 1 8 ) h u m a n l y m p h o m a s : c l u s -t e r i n g a r o u n d I H o n c h r o m o s o m e 1 4 a n d n e a r a t r a n -s c r i p t u n i t o n 1 8 . C e l l 4 1 : 8 8 9 - 9 0 6 .B a r i n a g a M ( 1 9 9 4 ) . C e l l s u i c i d e : b y I C E , n o t f i r e . S c i e n c e

2 6 3 : 7 5 4 - 7 5 6 .B a r r y M A , B e h n k e C A , Eastman A ( 1 9 9 0 ) . A c t i v a t i o n o fp r o g r a m m e d c e l l d e a t h ( a p o p t o s i s ) b y c i s p l a t i n ,o t h e r a n t i c a n c e r d r u g s , t o x i n s , a n d h y p e r t h e r m i a .B i o c h e m P h a r m 4 0 : 2 3 5 3 - 2 3 6 2 .B a x t e r G D , L a v i n MF ( I 1 9 9 2 ) . S p e c i f i c p r o t e i n d e p h o s p h o -

1 0 ( 2 ) 1 3 9 1 5 2 ( 1 9 9 9 ) G r i t R e v O r a l B i o l Me d 1 4 7C r i t R e v O r a l B i o l M e d1 0 ( 2 ) : 1 3 9 - 1 5 2 ( 1 9 9 9 )by guest on January 16, 2012 For personal use only. No other uses without permission.cro.sagepub.comDownloaded from


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r y l a t i o n i n a p o p t o s i s i n d u c e d b y i o n i z i n g r a d i a t i o na n d h e a t s h o c k i n human l y m p h o i d t u m o r c e l l s . II m m u n o l 1 4 8 : 1 9 4 9 - 1 9 5 4 .B a z a r L S , D e e g H I ( 1 9 9 2 ) . U l t r a v i o l e t B - i n d u c e d DNA

f r a g m e n t a t i o n ( a p o p t o s i s ) i n a c t i v a t e d T - l y m p h o c y t e sa n d J u r k a t c e l l s i s a u g m e n t e d b y i n h i b i t i o n o f RNAa n d p r o t e i n s y n t h e s i s . E x p H e m a t o l 2 0 : 8 0 - 8 6 .B i r c h a l l M , W i n t e r f o r d C , T r i p c o n i L , G o b e G , Harmon B( 1 9 9 6 ) . A p o p t o s i s a n d m i t o s i s i n o r a l a n d o r o p h a r y n -g e a l e p i t h e l i a : e v i d e n c e f o r a t o p o g r a p h i c a l s w i t c h i np r e m a l i g n a n t l e s i o n s . C e l l P r o l i f 2 9 : 4 4 7 - 4 5 6 .

B i s s o n n e t t e R P , E c h e v e r r i F , M a h b o u b i A , G r e e n DR( 1 9 9 2 ) . A p o p t o t i c c e l l d e a t h i n d u c e d b y c - m y c i si n h i b i t e d b y b c l - 2 . N a t u r e 3 5 9 : 5 5 2 - 5 5 4 .B l a n c o F l , O c h s R L , S c h w a r t z H , L o t z M ( 1 9 9 5 ) .C h o n d r o c y t e a p o p t o s i s i n d u c e d b y n i t r i c o x i d e . Am IP a t h o l 1 4 6 : 7 5 - 8 5 .B o h r V , M a n s b r i d g e 1 , H a n a w a l t P ( 1 9 8 6 ) . C o m p a r a t i v ee f f e c t s o f g r o w t h i n h i b i t o r s o n DNA r e g u l a t i o n , DNAr e p a i r , a n d p r o t e i n s y n t h e s i s i n h u m a n e p i d e r m a l k e r -

a t i n o c y t e s . C a n c e r R e s 4 6 : 2 9 2 9 - 2 9 3 5 .B o i s e L H , G o n z a l e z - G a r c i a M , P o s t e m a C E , D i n g L ,L i n d s t e n T , T u r k a L A , e t a l . ( 1 9 9 3 ) . B c l - x , a B c l - 2 r e l a t -e d g e n e t h a t f u n c t i o n s a s a d o m i n a n t r e g u l a t o r o fa p o p t o t i c c e l l d e a t h . C e l l 7 4 : 5 9 7 - 6 0 8 .

B u r s c h W , O b e r h a m m e r F , J i r t l e R L , A s k a r i M , S e d i v y R ,G r a s l - K r a u p p B , e t a l . ( 1 9 9 3 ) . T r a n s f o r m i n g g r o w t h f a c -t o r - 3 a s a s i g n a l f o r i n d u c t i o n o f c e l l d e a t h b y a p o p -t o s i s . C a n c e r 6 7 : 5 3 1 - 5 3 6 .C l a r k e A R , G l e d h i l l S , H o o p e r M L , B i r d C C , W y l l i e AH( 1 9 9 4 ) . p 5 3 d e p e n d e n c e o f e a r l y a p o p t o t i c a n d p r o l i f -e r a t i v e r e s p o n s e s w i t h i n t h e m o u s e i n t e s t i n a l e p i t h e -l i u m f o l l o w i n g g a m m a - i r r a d i a t i o n . O n c o g e n e 9 : 1 7 6 7 -1 7 7 3 .C o l l i n s M ( 1 9 9 1 ) . D e a t h b y a t h o u s a n d c u t s . C u r r B i o l1 : 1 4 0 - 1 4 2 .C o l o m b e l M , Symmans F , G i l S , O ' T o o l e K M , C h o p i n D ,B e n s o n M , e t a l . ( 1 9 9 3 ) . D e t e c t i o n o f t h e a p o p t o s i s -s u p p r e s s i n g o n c o p r o t e i n b c l - 2 i n h o r m o n e - r e f r a c t o r yh u m a n p r o s t a t e c a n c e r s . Am I P a t h o l 1 4 3 : 3 9 0 - 4 0 0 .D u a n H , C h i n n a i y a n A M , H u d s o n P L , W i n g s I P , H e W - W ,D i x i t VM ( 1 9 9 6 ) . I C E - L A P 3 ; a n o v e l m a m m a l i a nh o m o l o g u e o f t h e C a e n o r h a b d i t i s e l e g a n s c e l l d e a t h p r o -t e i n C e d - 3 i s a c t i v a t e d d u r i n g F a s - a n d t u m o r n e c r o -s i s f a c t o r - i n d u c e d a p o p t o s i s . J B i o l C h e m 2 7 1 : 1 6 2 1 -1 6 2 5 .E v a n G I , W y l l i e A H , G i l b e r t C S , L i t t l e w o o d T D , L a n d H ,B r o o k s M , e t a l . ( 1 9 9 2 ) . I n d u c t i o n o f a p o p t o s i s i nf i b r o b l a s t s b y c - m y c p r o t e i n . C e l l 6 9 : 1 1 9 - 1 2 8 .F a r b e r E , C a m e r o n C ( 1 9 8 0 ) . T h e s e q u e n t i a l a n a l y s i s o fc a n c e r d e v e l o p m e n t . A d v C a n c e r R e s 3 1 : 1 2 5 - 2 2 6 .F e r n a n d e z - S a r a b i a M I , B i s c h o f f I R ( 1 9 9 3 ) . B c l - 2 a s s o c i -a t e s w i t h t h e r a s - r e l a t e d p r o t e i n R - r a s p 2 3 . N a t u r e3 6 6 : 2 7 4 - 2 7 5 .

F e s u s L , T h o m a z y L V , F a l u s A ( 1 9 8 7 ) . I n d u c t i o n a n d a c t i -v a t i o n o f t i s s u e t r a n s g l u t a m i n a s e d u r i n g p r o -g r a m m e d c e l l d e a t h . F A S E B L e t t 2 2 4 : 1 0 4 - 1 0 8 .

F e s u s L , T h o m a z y L V , A u t u o r i F , C e r u M P , T a r e s a E ,P i a c e n t i n i M ( 1 9 8 9 ) . A p o p t o t i c h e p a t o c y t e s b e c o m ei n s o l u b l e i n d e t e r g e n t s a n d c h a o t r o p i c a g e n t s a s ar e s u l t o f t r a n s g l u t a m i n a s e a c t i o n . F A S E B L e t t 2 4 5 : 1 5 0 -1 5 4 .F i e l d I K , S p a n d i d o s D A , S t e l l PM ( 1 9 9 2 ) . O v e r e x p r e s s i o no f t h e p 5 3 g e n e i n h e a d a n d n e c k c a n c e r , l i n k e d w i t hh e a v y s m o k i n g a n d d r i n k i n g . L a n c e t 3 3 9 : 5 0 2 - 5 0 3 .F o r b e s I L , Z a l e w s k i P D , G i a n n a k i s C , C o w l e d P A ( 1 9 9 2 ) .I n d u c t i o n o f a p o p t o s i s i n c h r o n i c l y m p h o c y t i cl e u k e m i a c e l l s a

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