Apoptoza - Apoptosis

Apoptoza
Apoptoza komórek DU145 mosaic.jpg
Etopozyd -treated DU145 komórek raka prostaty eksploduje w kaskadzie ciał apoptotycznych. Podobrazy zostały wyekstrahowane z 61-godzinnego filmu z mikroskopii poklatkowej , utworzonego przy użyciu ilościowej mikroskopii z kontrastem fazowym . Grubość optyczna jest kodowana kolorami. Wraz ze wzrostem grubości kolor zmienia się z szarego na żółty, czerwony, fioletowy i wreszcie czarny.
Zobacz wideo w The Cell: An Image Library
Identyfikatory
Siatka D017209
Terminologia anatomiczna
Apoptoza zaczyna się, gdy jądro komórki zaczyna się kurczyć. Po skurczeniu błona plazmatyczna pęcznieje i fałduje się wokół różnych organelli. Pęcherzyki nadal się tworzą, a organelle rozpadają się i oddalają od siebie.

Apoptoza (od starożytnej greki ἀπόπτωσις , apóptōsis , „odpadanie”) jest formą zaprogramowanej śmierci komórki, która zachodzi w organizmach wielokomórkowych . Zdarzenia biochemiczne prowadzą do charakterystycznych zmian komórkowych ( morfologii ) i śmierci. Zmiany te obejmują utworzenie pęcherzyków , kurczenie się komórki , fragmentacji jądrowego , kondensacji chromatyny , fragmentacji DNA i mRNA rozkład. Przeciętny dorosły człowiek traci codziennie od 50 do 70 miliardów komórek z powodu apoptozy. Dla przeciętnego ludzkiego dziecka w wieku od 8 do 14 lat umiera około 20-30 miliardów komórek dziennie.

W przeciwieństwie do martwicy , która jest formą traumatycznej śmierci komórki, która jest wynikiem ostrego uszkodzenia komórek, apoptoza jest wysoce regulowanym i kontrolowanym procesem, który zapewnia korzyści w cyklu życiowym organizmu. Na przykład rozdzielenie palców rąk i nóg w rozwijającym się zarodku ludzkim następuje, ponieważ komórki między palcami ulegają apoptozie. W przeciwieństwie do martwicy, apoptoza wytwarza fragmenty komórek zwane ciałami apoptotycznymi, które fagocyty są w stanie pochłonąć i usunąć, zanim zawartość komórki rozleje się na otaczające komórki i spowoduje ich uszkodzenie.

Ponieważ apoptoza nie może się zatrzymać po rozpoczęciu, jest to wysoce regulowany proces. Apoptozę można zainicjować jedną z dwóch ścieżek. Na ścieżce wewnętrznej komórka zabija się sama, ponieważ wyczuwa stres komórkowy , podczas gdy na ścieżce zewnętrznej komórka zabija się sama z powodu sygnałów z innych komórek. Słabe sygnały zewnętrzne mogą również aktywować wewnętrzną drogę apoptozy. Oba szlaki indukują śmierć komórki poprzez aktywację kaspaz , które są proteazami lub enzymami degradującymi białka. Oba szlaki aktywują kaspazy inicjujące, które następnie aktywują kaspazy kata, które następnie zabijają komórkę, degradując białka bez rozróżnienia.

Oprócz znaczenia jako zjawiska biologicznego, wadliwe procesy apoptotyczne są powiązane z wieloma różnymi chorobami. Nadmierna apoptoza powoduje atrofię , natomiast niewystarczająca powoduje niekontrolowaną proliferację komórek, np. raka . Niektóre czynniki, takie jak receptory Fas i kaspazy, sprzyjają apoptozie, podczas gdy niektórzy członkowie rodziny białek Bcl-2 hamują apoptozę.

Odkrycie i etymologia

Niemiecki naukowiec Carl Vogt jako pierwszy opisał zasadę apoptozy w 1842 roku. W 1885 roku anatom Walther Flemming przedstawił dokładniejszy opis procesu zaprogramowanej śmierci komórki. Jednak dopiero w 1965 r. temat powrócił. Podczas badania tkanek za pomocą mikroskopii elektronowej John Kerr z University of Queensland był w stanie odróżnić apoptozę od traumatycznej śmierci komórki. Po opublikowaniu artykułu opisującego to zjawisko Kerr został zaproszony do dołączenia do Alastaira Currie , a także Andrew Wyllie , który był absolwentem Currie na Uniwersytecie w Aberdeen . W 1972 trio opublikowało przełomowy artykuł w British Journal of Cancer . Kerr początkowo używał terminu zaprogramowana martwica komórki, ale w artykule proces naturalnej śmierci komórki nazwano apoptozą . Kerr, Wyllie i Currie przypisali Jamesowi Cormackowi, profesorowi języka greckiego na Uniwersytecie w Aberdeen, zasugerowanie terminu apoptoza. Kerr otrzymał 14 marca 2000 r. nagrodę im. Paula Ehrlicha i Ludwiga Darmstaedtera za opis apoptozy. Dzielił nagrodę z bostońskim biologiem H. Robertem Horvitzem .

Przez wiele lat ani „apoptoza”, ani „zaprogramowana śmierć komórki” nie były często cytowanym terminem. Dwa odkrycia przeniosły śmierć komórki z niejasności na ważny obszar badań: identyfikacja elementów kontroli śmierci komórki i mechanizmów efektorowych oraz powiązanie nieprawidłowości w śmierci komórki z chorobami człowieka, w szczególności rakiem.

Nagrodę Nobla w dziedzinie medycyny 2002 przyznano Sydney Brenner , H. Robert Horvitz i John Sulston za pracę nad identyfikacją genów kontrolujących apoptozę. Geny zostały zidentyfikowane przez badania na nicieniach C. elegans, a homologi tych genów funkcjonują u ludzi w celu regulacji apoptozy.

John Sulston zdobył Nagrodę Nobla w dziedzinie medycyny w 2002 roku za pionierskie badania nad apoptozą.

W języku greckim apoptoza oznacza „opadanie” liści z drzewa. Cormack, profesor języka greckiego, ponownie wprowadził ten termin do użytku medycznego, ponieważ miał medyczne znaczenie dla Greków ponad dwa tysiące lat wcześniej. Hipokrates użył tego terminu w znaczeniu „odpadnięcia kości”. Galen rozszerzył jego znaczenie na „upuszczanie strupów”. Cormack bez wątpienia zdawał sobie sprawę z tego użycia, kiedy zaproponował nazwę. Trwa dyskusja nad prawidłowym wymowy, z opinią podzielona pomiędzy wymowę z drugim P ciche ( / ć p ə t s ɪ s / ap-ə- TOH -sis ) i drugi P widoczny ( / P ə str t s ɪ s / ), jak w oryginale greckim. W języku angielskim p z greckiego -pt- zbitki spółgłosek jest zazwyczaj nieme na początku słowa (np. pterodaktyl , Ptolemeusz ), ale artykułowane, gdy jest używane w połączeniu form poprzedzonych samogłoską, jak w helikopterze lub rzędach owadów: muchówki , motyle , itp.

W oryginalnym artykule Kerr, Wyllie & Currie znajduje się przypis dotyczący wymowy:

Jesteśmy bardzo wdzięczni profesorowi Jamesowi Cormackowi z Wydziału Greckiego Uniwersytetu Aberdeen za zaproponowanie tego terminu. Słowo „apoptoza” ( ἀπόπτωσις ) jest używane w języku greckim na określenie „odpadania” lub „odpadania” płatków kwiatów lub liści drzew. Aby wyraźnie pokazać wyprowadzenie, proponujemy akcentowanie przedostatniej sylaby, drugą połowę wyrazu wymawiamy jak „ptosis” (z „p” milczy), co pochodzi od tego samego rdzenia „upaść”, i jest już używany do opisu opadania powieki górnej.

Mechanizmy aktywacji

Apoptoza.png
Kontrola mechanizmów apoptotycznych
Kontrola mechanizmów apoptotycznych

Inicjacja apoptozy jest ściśle regulowana przez mechanizmy aktywacji, ponieważ raz rozpoczęta apoptoza nieuchronnie prowadzi do śmierci komórki. Dwa najlepiej poznane mechanizmy aktywacji to ścieżka wewnętrzna (zwana również ścieżką mitochondrialną ) i ścieżka zewnętrzna. Ścieżka wewnętrzna jest aktywowana przez sygnały wewnątrzkomórkowe generowane podczas stresu komórek i zależy od uwalniania białek z przestrzeni międzybłonowej mitochondriów. Szlak zewnętrzny jest uruchamiany przez zewnątrzkomórkowe ligandy wiążące się z receptorami na powierzchni komórki śmierci, co prowadzi do tworzenia się z indukujące śmierć sygnalizacji kompleks (płyty).

Komórka inicjuje wewnątrzkomórkową sygnalizację apoptotyczną w odpowiedzi na stres, co może prowadzić do samobójstwa komórki. Wiązanie receptorów jądrowych przez glukokortykoidy , ciepło, promieniowanie, niedobór składników odżywczych, infekcje wirusowe, niedotlenienie , zwiększone wewnątrzkomórkowe stężenie wolnych kwasów tłuszczowych i zwiększone wewnątrzkomórkowe stężenie wapnia , na przykład przez uszkodzenie błony, może wywołać uwalnianie wewnątrzkomórkowego apoptozy sygnały uszkodzonej komórki. Szereg składników komórkowych, takich jak polimeraza rybozy poli ADP , może również pomóc w regulacji apoptozy. W badaniach eksperymentalnych nad apoptozą indukowaną stresem zaobserwowano fluktuacje pojedynczych komórek.

Zanim właściwy proces śmierci komórki zostanie wytrącony przez enzymy, sygnały apoptotyczne muszą spowodować, że białka regulatorowe zainicjują szlak apoptozy. Ten krok pozwala tym sygnałom spowodować śmierć komórki lub zatrzymanie procesu, jeśli komórka nie będzie już musiała umrzeć. Zaangażowanych jest kilka białek, ale zidentyfikowano dwie główne metody regulacji: ukierunkowanie na funkcje mitochondriów lub bezpośrednie przekazywanie sygnału do mechanizmów apoptozy za pomocą białek adaptorowych . Zewnętrzny szlak inicjacji zidentyfikowany w kilku badaniach nad toksynami to wzrost stężenia wapnia w komórce spowodowany działaniem leku, który może również powodować apoptozę poprzez proteazę wiążącą wapń calpain .

Droga wewnętrzna

Szlak wewnętrzny jest również znany jako szlak mitochondrialny. Mitochondria są niezbędne do życia wielokomórkowego. Bez nich komórka przestaje oddychać tlenowo i szybko umiera. Fakt ten stanowi podstawę niektórych szlaków apoptotycznych. Białka apoptotyczne, których celem są mitochondria, wpływają na nie na różne sposoby. Mogą powodować obrzęk mitochondrialny poprzez tworzenie porów błony lub mogą zwiększać przepuszczalność błony mitochondrialnej i powodować wyciek efektorów apoptotycznych. Są one bardzo blisko spokrewnione ze ścieżką wewnętrzną, a nowotwory powstają częściej na drodze wewnętrznej niż zewnętrznej ze względu na wrażliwość. Istnieje również coraz więcej dowodów wskazujących na to, że tlenek azotu jest w stanie wywoływać apoptozę, pomagając rozproszyć potencjał błonowy mitochondriów, a tym samym uczynić ją bardziej przepuszczalną. Tlenek azotu odgrywa rolę w inicjowaniu i hamowaniu apoptozy poprzez jego możliwe działanie jako cząsteczka sygnałowa kolejnych szlaków aktywujących apoptozę.

Podczas apoptozy cytochrom c jest uwalniany z mitochondriów poprzez działanie białek Bax i Bak . Mechanizm tego uwalniania jest enigmatyczny, ale wydaje się, że wywodzi się z wielu homo- i heterodimerów Bax/Bak wprowadzonych do zewnętrznej błony. Po uwolnieniu cytochrom c wiąże się z apoptotycznym czynnikiem aktywującym proteazę – 1 ( Apaf- 1 ) i ATP , które następnie wiążą się z prokaspazą 9 , tworząc kompleks białkowy znany jako apoptosom . Apoptosom rozszczepia prokaspazę do aktywnej formy kaspazy-9 , która z kolei rozszczepia i aktywuje prokaspazę do efektorowej kaspazy-3 .

Mitochondria uwalniają również białka znane jako SMAC (drugi aktywator kaspaz pochodzenia mitochondrialnego ) do cytozolu komórki po zwiększeniu przepuszczalności błon mitochondrialnych. SMAC wiąże się z białkami, które hamują apoptozę (IAP), tym samym dezaktywując je i zapobiegając zatrzymaniu procesu przez IAP, a tym samym umożliwiając postęp apoptozy. IAP normalnie hamuje również aktywność grupy proteaz cysteinowych zwanych kaspazami , które prowadzą do degradacji komórki. W związku z tym można zauważyć, że rzeczywiste enzymy degradacji są pośrednio regulowane przez przepuszczalność mitochondriów.

Ścieżka zewnętrzna

Przegląd szlaków transdukcji sygnału.
Przegląd sygnalizacji TNF (po lewej) i Fas (po prawej) w apoptozie, przykład bezpośredniej transdukcji sygnału.

Zasugerowano dwie teorie bezpośredniego inicjowania mechanizmów apoptotycznych u ssaków: model indukowany przez TNF ( czynnik martwicy nowotworu ) i model pośredniczony przez ligand Fas-Fas , oba obejmujące receptory z rodziny receptorów TNF (TNFR) sprzężone z sygnałami zewnętrznymi .

Ścieżka TNF

TNF-alfa jest cytokiną wytwarzaną głównie przez aktywowane makrofagi i jest głównym zewnętrznym mediatorem apoptozy. Większość komórek w ludzkim ciele ma dwa receptory dla TNF-alfa: TNFR1 i TNFR2 . Wykazano, że wiązanie TNF-alfa z TNFR1 inicjuje szlak prowadzący do aktywacji kaspazy poprzez pośrednie białka błonowe domeny śmierci związanej z receptorem TNF ( TRADD ) i białka domeny śmierci związanej z Fas ( FADD ). cIAP1 /2 może hamować sygnalizację TNF-α przez wiązanie z TRAF2 . FLIP hamuje aktywację kaspazy-8. Wiązanie tego receptora może również pośrednio prowadzić do aktywacji czynników transkrypcyjnych zaangażowanych w przeżycie komórek i odpowiedzi zapalne. Jednak sygnalizacja przez TNFR1 może również indukować apoptozę w sposób niezależny od kaspazy. Związek między TNF-alfa a apoptozą pokazuje, dlaczego nieprawidłowa produkcja TNF-alfa odgrywa fundamentalną rolę w kilku chorobach ludzi, zwłaszcza w chorobach autoimmunologicznych . TNF-alfa nadrodziny także receptory śmierci (DRS), takie jak DR4 i DR5 . Receptory te wiążą się z białkiem TRAIL i pośredniczą w apoptozie. Wiadomo, że apoptoza jest jednym z podstawowych mechanizmów celowanej terapii przeciwnowotworowej. Niedawno zaprojektowano luminescencyjne hybrydy złożone i peptydowe irydu (IPH), które naśladują TRAIL i wiążą się z receptorami śmierci na komórkach rakowych, indukując w ten sposób ich apoptozę.

Szybka ścieżka

Receptora FAS (pierwszy sygnał apoptoza) - (znany również jako Apo-1 albo CD95 ) jest białkiem transmembranowym rodziny TNF, który wiąże ligand Fas (FasL). Interakcja między Fas i FasL powoduje powstanie kompleksu sygnalizacyjnego indukującego śmierć (DISC), który zawiera FADD, kaspazę-8 i kaspazę-10. W niektórych typach komórek (typ I) przetworzona kaspaza-8 bezpośrednio aktywuje innych członków rodziny kaspaz i powoduje wykonanie apoptozy komórki. W innych typach komórek (typ II), Fas- DISC uruchamia pętlę sprzężenia zwrotnego, która spiralnie zwiększa uwalnianie czynników proapoptotycznych z mitochondriów i wzmacnia aktywację kaspazy-8.

Wspólne elementy

Po aktywacji TNF-R1 i Fas w komórkach ssaków ustala się równowaga między proapoptotycznymi ( BAX , BID , BAK lub BAD ) i antyapoptotycznymi ( Bcl-X1 i Bcl-2 ) członkami rodziny Bcl-2 . Ta równowaga jest proporcją homodimerów proapoptotycznych, które tworzą się w zewnętrznej błonie mitochondrium. Homodimery proapoptotyczne są wymagane do zapewnienia przepuszczalności błony mitochondrialnej w celu uwolnienia aktywatorów kaspazy, takich jak cytochrom ci SMAC. Kontrola białek proapoptotycznych w normalnych warunkach komórkowych komórek nieapoptotycznych nie jest w pełni zrozumiała, ale ogólnie Bax lub Bak są aktywowane przez aktywację białek zawierających tylko BH3, części rodziny Bcl-2 .

Kaspazy

Kaspazy odgrywają główną rolę w transdukcji sygnałów apoptotycznych ER. Kaspazy to białka, które są wysoce konserwatywnymi, zależnymi od cysteiny proteazami specyficznymi dla asparaginianu. Istnieją dwa rodzaje kaspaz: kaspazy inicjujące, kaspaza 2,8,9,10,11,12 oraz kaspazy efektorowe, kaspaza 3,6,7. Aktywacja kaspaz inicjacyjnych wymaga wiązania się ze specyficznym oligomerycznym białkiem aktywatora . Kaspazy efektorowe są następnie aktywowane przez te aktywne kaspazy inicjatorowe poprzez rozszczepienie proteolityczne . Aktywne kaspazy efektorowe następnie proteolitycznie degradują wiele białek wewnątrzkomórkowych, aby przeprowadzić program śmierci komórki.

Niezależny od kaspazy szlak apoptotyczny

Istnieje również niezależny od kaspazy szlak apoptotyczny, w którym pośredniczy AIF ( czynnik indukujący apoptozę ).

Model apoptozy u płazów

Żaba płazowa Xenopus laevis służy jako idealny układ modelowy do badania mechanizmów apoptozy. W rzeczywistości jod i tyroksyna stymulują także spektakularną apoptozę komórek skrzeli, ogona i płetw larw u płazów w metamorfozie oraz stymulują ewolucję ich układu nerwowego, przekształcając wodną, ​​wegetariańską kijankę w lądową, mięsożerną żabę .

Negatywne regulatory apoptozy

Negatywna regulacja apoptozy hamuje szlaki sygnałowe śmierci komórkowej, pomagając nowotworom uniknąć śmierci komórkowej i rozwijając lekooporność . Stosunek między białkami antyapoptotycznymi (Bcl-2) i proapoptotycznymi (Bax) określa, czy komórka żyje, czy umiera. Wiele rodzin białek działa jako negatywne regulatory podzielone na czynniki antyapoptotyczne, takie jak białka IAP i Bcl-2 lub czynniki sprzyjające przeżyciu, takie jak cFLIP , BNIP3 , FADD , Akt i NF-κB .

Kaskada proteolityczna kaspazy: Zabijanie komórki

Wiele ścieżek i sygnałów prowadzi do apoptozy, ale zbiegają się one w jednym mechanizmie, który faktycznie powoduje śmierć komórki. Po otrzymaniu bodźca komórka ulega zorganizowanej degradacji organelli komórkowych przez aktywowane proteolityczne kaspazy . Oprócz niszczenia organelli komórkowych, mRNA jest szybko i globalnie degradowane przez mechanizm, który nie został jeszcze w pełni scharakteryzowany. Rozpad mRNA jest wyzwalany bardzo wcześnie w apoptozie.

Komórka przechodząca apoptozę wykazuje szereg charakterystycznych zmian morfologicznych. Wczesne zmiany obejmują:

  1. Kurczenie się i zaokrąglanie komórek następuje z powodu cofania się lamellipodiów i rozpadu cytoszkieletu białkowego przez kaspazy.
  2. Cytoplazma wydaje się gęsta, a organelle ciasno upakowane.
  3. Chromatyna ulega kondensacji w zwarte plamy na otoczce jądrowej (znanej również jako otoczka okołojądrowa) w procesie znanym jako piknoza , cecha charakterystyczna apoptozy.
  4. Otoczka jądrowa staje się nieciągła, a znajdujące się w niej DNA ulega fragmentacji w procesie zwanym karyorrhexis . Jądro rozpada się na kilka odrębnych ciałek chromatyny lub jednostek nukleosomalnych z powodu degradacji DNA.

Apoptoza postępuje szybko, a jej produkty są szybko usuwane, co utrudnia wykrycie lub wizualizację na klasycznych przekrojach histologicznych. Podczas kariorreksji aktywacja endonukleazy pozostawia krótkie fragmenty DNA, regularnie rozmieszczone pod względem wielkości. Dają one charakterystyczny "drabinowy" wygląd na żelu agarowym po elektroforezie . Testy drabinkowe DNA odróżniają apoptozę od niedokrwiennej lub toksycznej śmierci komórek.

Demontaż komórek apoptotycznych

Różne etapy demontażu komórek apoptotycznych.

Zanim komórka apoptotyczna zostanie usunięta, następuje proces demontażu. Istnieją trzy rozpoznawane etapy demontażu komórek apoptotycznych:

  1. Pęcherzyki błony komórkowej: Błona komórkowa zawiera nieregularne pąki zwane pęcherzykami . Początkowo są to mniejsze pęcherzyki powierzchniowe. Później mogą one urosnąć do większych, tak zwanych dynamicznych pęcherzyków błonowych. Ważnym regulatorem apoptotycznego bąblowania błony komórkowej jest ROCK1 (kinaza białkowa zawierająca zwinięte cewki związane z rho 1).
  2. Tworzenie wypukłości błony komórkowej: Niektóre typy komórek, w określonych warunkach, mogą rozwijać różne rodzaje długich, cienkich wypustek błony komórkowej, zwanych wypukłościami błony komórkowej. Opisano trzy typy: kolce mikrotubul , apoptopodia ( stopy śmierci ) i apoptopodia z koralikami (ta ostatnia ma wygląd koralików na sznurku). Pannexin 1 jest ważnym składnikiem kanałów błonowych biorących udział w tworzeniu apoptopodii i apoptopodii z koralikami.
  3. Fragmentacja : komórka rozpada się na liczne pęcherzyki zwane ciałami apoptotycznymi , które ulegają fagocytozie . Występy błony komórkowej mogą pomóc w zbliżeniu ciał apoptotycznych do fagocytów.

Usuwanie martwych komórek

Usuwanie martwych komórek przez sąsiednie komórki fagocytarne nazywa się eferocytozą . Umierające komórki, które przechodzą końcowe etapy apoptozy, prezentują na swojej powierzchni cząsteczki fagocytozy, takie jak fosfatydyloseryna . Fosfatydyloseryna zwykle znajduje się na wewnętrznej powierzchni płatka błony komórkowej, ale jest redystrybuowana podczas apoptozy na powierzchnię zewnątrzkomórkową przez białko zwane scramblase . Cząsteczki te znakują komórkę do fagocytozy przez komórki posiadające odpowiednie receptory, takie jak makrofagi. Usuwanie umierających komórek przez fagocyty odbywa się w sposób uporządkowany, bez wywoływania odpowiedzi zapalnej . Podczas apoptozy komórkowe RNA i DNA są oddzielane od siebie i sortowane do różnych ciał apoptotycznych; rozdział RNA jest inicjowany jako segregacja jąderkowa.

Nokauty na ścieżce

W szlakach apoptozy dokonano wielu wycięć w celu przetestowania funkcji każdego z białek. Kilka kaspaz, oprócz APAF1 i FADD , zostało zmutowanych w celu określenia nowego fenotypu. W celu wytworzenia nokautu czynnika martwicy nowotworu (TNF), z genu usunięto ekson zawierający nukleotydy 3704–5364. Ten egzon koduje część dojrzałej domeny TNF, jak również sekwencję liderową, która jest wysoce konserwatywnym regionem niezbędnym do prawidłowego przetwarzania wewnątrzkomórkowego. Myszy TNF-/- rozwijają się normalnie i nie mają żadnych poważnych nieprawidłowości strukturalnych ani morfologicznych. Jednak po immunizacji SRBC (czerwone krwinki owiec) myszy te wykazywały niedobór dojrzewania odpowiedzi przeciwciał; byli w stanie wygenerować normalne poziomy IgM, ale nie mogli wytworzyć specyficznych poziomów IgG. Apaf-1 to białko, które włącza kaspazę 9 poprzez rozszczepienie, aby rozpocząć kaskadę kaspazy, która prowadzi do apoptozy. Ponieważ mutacja -/- w genie APAF-1 jest letalna dla embrionów, zastosowano strategię pułapki genowej w celu wytworzenia myszy APAF-1 -/-. Test ten służy do zakłócania funkcji genów poprzez tworzenie wewnątrzgenowej fuzji genów. Kiedy pułapka genowa APAF-1 zostaje wprowadzona do komórek, dochodzi do wielu zmian morfologicznych, takich jak rozszczep kręgosłupa, utrzymywanie się sieci międzypalcowych i otwarty mózg. Ponadto, po 12,5 dobie embrionalnej, mózg embrionów wykazywał kilka zmian strukturalnych. Komórki APAF-1 są chronione przed bodźcami apoptozy, takimi jak napromienianie. Mysz z nokautem BAX-1 wykazuje normalne tworzenie przodomózgowia i zmniejszoną zaprogramowaną śmierć komórek w niektórych populacjach neuronów i rdzeniu kręgowym, co prowadzi do wzrostu neuronów ruchowych.

Białka kaspazy są integralnymi częściami szlaku apoptozy, co z tego wynika, że ​​dokonane nokauty mają różne szkodliwe skutki. Nokaut kaspazy 9 prowadzi do poważnej wady rozwojowej mózgu. Nokaut kaspazy 8 prowadzi do niewydolności serca, a tym samym do śmiertelności embrionalnej. Jednak dzięki zastosowaniu technologii cre-lox stworzono knock-out kaspazy 8, który wykazuje wzrost obwodowych limfocytów T, upośledzoną odpowiedź limfocytów T i defekt w zamknięciu cewy nerwowej. Stwierdzono, że myszy te są odporne na apoptozę pośredniczoną przez CD95, TNFR itp., ale nie są odporne na apoptozę powodowaną przez promieniowanie UV, leki chemioterapeutyczne i inne bodźce. Wreszcie, nokaut kaspazy 3 charakteryzował się ektopowymi masami komórek w mózgu i nieprawidłowymi cechami apoptozy, takimi jak pęcherzykowanie błony komórkowej lub fragmentacja jądra. Niezwykłą cechą tych myszy KO jest to, że mają bardzo ograniczony fenotyp: myszy Casp3, 9, APAF-1 KO mają deformacje tkanki nerwowej, a FADD i Casp 8 KO wykazywały wadliwy rozwój serca, jednak w obu typach KO inne narządy rozwijały się normalnie, a niektóre typy komórek były nadal wrażliwe na bodźce apoptotyczne, co sugeruje, że istnieją nieznane szlaki proapoptotyczne.

Metody odróżniania komórek apoptotycznych od nekrotycznych (nekroptotycznych)

Długoterminowe obrazowanie żywych komórek (12h) wielojądrzastych mysich preadipocytów próbujących przejść mitozę. Z powodu nadmiaru materiału genetycznego komórka nie replikuje się i umiera w wyniku apoptozy.

W celu przeprowadzenia analizy komórek apoptotycznych i nekrotycznych (nekroptotycznych) można przeprowadzić analizę morfologii za pomocą obrazowania żywych komórek bez znaczników , mikroskopii poklatkowej , fluorocytometrii przepływowej i transmisyjnej mikroskopii elektronowej . Istnieją również różne techniki biochemiczne do analizy markerów powierzchniowych komórek (ekspozycja na fosfatydyloserynę kontra przepuszczalność komórek za pomocą cytometrii przepływowej ), markerów komórkowych, takich jak fragmentacja DNA (cytometria przepływowa), aktywacja kaspaz, rozszczepienie Bid i uwalnianie cytochromu c ( Western blotting ). Ważne jest, aby wiedzieć, jak można odróżnić pierwotne i wtórne komórki martwicze na podstawie analizy supernatantu pod kątem kaspaz, HMGB1 i uwalniania cytokeratyny 18. Jednak nie zidentyfikowano jeszcze wyraźnych markerów powierzchniowych lub biochemicznych śmierci komórek martwiczych, a jedynie markery negatywne są dostępne. Obejmują one brak markerów apoptozy (aktywacja kaspazy, uwalnianie cytochromu c i fragmentacja oligonukleosomalnego DNA) oraz różnicowa kinetyka markerów śmierci komórkowej (ekspozycja na fosfatydyloserynę i permeabilizacja błony komórkowej). W tych publikacjach można znaleźć wybór technik, które można zastosować do odróżnienia apoptozy od komórek nekroptotycznych.

Implikacja w chorobie

Wycinek mysiej wątroby z kilkoma komórkami apoptotycznymi, oznaczonymi strzałkami
Fragment wątroby myszy wybarwiony w celu wykazania komórek przechodzących apoptozę (pomarańczowy)
Ultrastruktura kardiomiocytów noworodków po niedotlenieniu-reoksygenacji.

Wadliwe ścieżki

Wiele różnych typów szlaków apoptotycznych zawiera wiele różnych składników biochemicznych, z których wiele nie zostało jeszcze poznanych. Ponieważ ścieżka ma mniej lub bardziej sekwencyjny charakter, usunięcie lub zmodyfikowanie jednego składnika prowadzi do efektu w innym. W żywym organizmie może to mieć katastrofalne skutki, często w postaci choroby lub zaburzenia. Dyskusja na temat każdej choroby spowodowanej modyfikacją różnych szlaków apoptotycznych byłaby niepraktyczna, ale koncepcja leżąca u podstaw każdego z nich jest taka sama: normalne funkcjonowanie szlaku zostało zakłócone w taki sposób, że upośledza zdolność komórki do normalna apoptoza. Powoduje to, że komórka żyje po upływie „daty przydatności do spożycia” i jest zdolna do replikacji i przekazywania potomstwu wszelkich wadliwych mechanizmów, zwiększając prawdopodobieństwo, że komórka stanie się rakowa lub chora.

Niedawno opisany przykład działania tej koncepcji można zaobserwować w rozwoju raka płuc o nazwie NCI-H460 . Inhibitorem X związane białka apoptozy ( XIAP ) jest nadmiernie ekspresjonowane w komórkach H460 linii komórkowej . XIAPs wiążą się z przetworzoną formą kaspazy-9 i hamują aktywność apoptotycznego aktywatora cytochromu c , dlatego nadekspresja prowadzi do zmniejszenia liczby proapoptotycznych agonistów. W konsekwencji równowaga efektorów antyapoptotycznych i proapoptotycznych zostaje zaburzona na korzyść tych pierwszych, a uszkodzone komórki kontynuują replikację pomimo skierowania na śmierć. Defekty regulacji apoptozy w komórkach nowotworowych występują często na poziomie kontroli czynników transkrypcyjnych. Jako szczególny przykład, defekty w cząsteczkach kontrolujących czynnik transkrypcyjny NF-κB w raku zmieniają sposób regulacji transkrypcji i odpowiedź na sygnały apoptotyczne, ograniczając zależność od tkanki, do której należy komórka. Ten stopień niezależności od zewnętrznych sygnałów przeżycia może umożliwić przerzuty raka.

Rozregulowanie p53

Białko supresorowe nowotworu p53 akumuluje się, gdy DNA jest uszkodzone z powodu łańcucha czynników biochemicznych. Część tego szlaku obejmuje interferon alfa i interferon beta, które indukują transkrypcję genu p53 , powodując wzrost poziomu białka p53 i nasilenie apoptozy komórek nowotworowych. p53 zapobiega replikacji komórki poprzez zatrzymanie cyklu komórkowego na G1 lub interfazie, aby dać komórce czas na naprawę, jednak wywoła apoptozę, jeśli uszkodzenie jest rozległe i wysiłki naprawcze nie powiodą się. Każde zakłócenie regulacji genów p53 lub interferonu spowoduje upośledzenie apoptozy i możliwe powstawanie guzów.

Zahamowanie

Hamowanie apoptozy może skutkować wieloma nowotworami, chorobami zapalnymi i infekcjami wirusowymi. Początkowo uważano, że związana z tym akumulacja komórek była spowodowana wzrostem proliferacji komórek, ale obecnie wiadomo, że jest to również spowodowane zmniejszeniem śmierci komórek. Najczęstszą z tych chorób jest rak, choroba nadmiernej proliferacji komórkowej, która często charakteryzuje się nadekspresją członków rodziny IAP . W rezultacie złośliwe komórki doświadczają nieprawidłowej odpowiedzi na indukcję apoptozy: geny regulujące cykl (takie jak p53, ras lub c-myc) są zmutowane lub inaktywowane w chorych komórkach, a dalsze geny (takie jak bcl-2) również modyfikują ich ekspresja w nowotworach. Niektóre czynniki apoptotyczne są niezbędne podczas oddychania mitochondrialnego, np. cytochrom C. Patologiczna inaktywacja apoptozy w komórkach nowotworowych jest skorelowana z częstymi zmianami metabolicznymi układu oddechowego w kierunku glikolizy (obserwacja znana jako „hipoteza Warburga”).

Komórka HeLa

Apoptoza w komórkach HeLa jest hamowana przez białka wytwarzane przez komórkę; te białka hamujące są skierowane na białka hamujące nowotwór siatkówczaka. Te białka tłumiące nowotwór regulują cykl komórkowy, ale stają się nieaktywne, gdy są związane z białkiem hamującym. HPV E6 i E7 to białka hamujące ekspresję wirusa brodawczaka ludzkiego, przy czym HPV jest odpowiedzialny za powstawanie guza szyjki macicy, z którego pochodzą komórki HeLa. HPV E6 powoduje, że p53, który reguluje cykl komórkowy, staje się nieaktywny. HPV E7 wiąże się z białkami hamującymi nowotwór siatkówczaka i ogranicza jego zdolność do kontrolowania podziału komórek. Te dwa białka hamujące są częściowo odpowiedzialne za nieśmiertelność komórek HeLa poprzez hamowanie wystąpienia apoptozy. Wirus nosówki psów (CDV) może indukować apoptozę pomimo obecności tych hamujących białek. Jest to ważna właściwość onkolityczna CDV: wirus ten jest zdolny do zabijania komórek chłoniaka psów. Onkoproteiny E6 i E7 nadal pozostawiają p53 nieaktywne, ale nie są w stanie uniknąć aktywacji kaspaz wywołanych stresem infekcji wirusowej. Te właściwości onkolityczne zapewniły obiecujące powiązanie między CDV a apoptozą chłoniaka, co może prowadzić do opracowania alternatywnych metod leczenia zarówno chłoniaka psiego, jak i ludzkiego chłoniaka nieziarniczego. Uważa się, że defekty w cyklu komórkowym są odpowiedzialne za oporność niektórych komórek nowotworowych na chemioterapię lub promieniowanie, więc wirus, który może indukować apoptozę pomimo defektów w cyklu komórkowym, jest użyteczny w leczeniu raka.

Zabiegi

Główny sposób leczenia potencjalnej śmierci z powodu chorób związanych z sygnalizacją obejmuje albo zwiększanie, albo zmniejszanie podatności na apoptozę w chorych komórkach, w zależności od tego, czy choroba jest spowodowana hamowaniem, czy nadmierną apoptozą. Na przykład, terapie mają na celu przywrócenie apoptozy w celu leczenia chorób z niedoborem śmierci komórek i zwiększenie progu apoptozy w leczeniu chorób związanych z nadmierną śmiercią komórek. Aby stymulować apoptozę, można zwiększyć liczbę ligandów receptora śmierci (takich jak TNF lub TRAIL), antagonizować antyapoptotyczny szlak Bcl-2 lub wprowadzić mimetyki Smac w celu hamowania inhibitora (IAP). Dodanie środków, takich jak Herceptin, Iressa lub Gleevec, powstrzymuje komórki przed cyklem i powoduje aktywację apoptozy poprzez blokowanie dalszego sygnalizowania wzrostu i przeżycia. Wreszcie dodanie kompleksów p53- MDM2 wypiera p53 i aktywuje szlak p53, prowadząc do zatrzymania cyklu komórkowego i apoptozy. Do stymulacji lub hamowania apoptozy w różnych miejscach szlaku sygnalizacji śmierci można zastosować wiele różnych metod.

Apoptoza to wieloetapowy, wielościeżkowy program śmierci komórki, który jest nieodłącznym elementem każdej komórki ciała. W raku zmienia się stosunek podziału komórek apoptozy. Leczenie raka za pomocą chemioterapii i napromieniania zabija komórki docelowe głównie poprzez indukcję apoptozy.

Apoptoza nadpobudliwa

Z drugiej strony utrata kontroli nad śmiercią komórek (powodująca nadmierną apoptozę) może prowadzić do chorób neurodegeneracyjnych, chorób hematologicznych i uszkodzenia tkanek. Warto zauważyć, że neurony, które opierają się na oddychaniu mitochondrialnym, ulegają apoptozie w chorobach neurodegeneracyjnych, takich jak choroba Alzheimera i Parkinsona. (obserwacja znana jako „hipoteza odwrotnego Warburga” ). Ponadto istnieje odwrotna współwystępowanie epidemiologiczne między chorobami neurodegeneracyjnymi a rakiem. Progresja HIV jest bezpośrednio związana z nadmierną, nieuregulowaną apoptozą. U zdrowego osobnika liczba limfocytów CD4+ jest zrównoważona z komórkami wytwarzanymi przez szpik kostny; jednak u pacjentów HIV-dodatnich ta równowaga jest tracona z powodu niezdolności szpiku kostnego do regeneracji komórek CD4+. W przypadku HIV limfocyty CD4+ umierają w przyspieszonym tempie poprzez niekontrolowaną apoptozę, gdy są stymulowane. Na poziomie molekularnym hiperaktywna apoptoza może być spowodowana defektami szlaków sygnałowych, które regulują białka z rodziny Bcl-2. Zwiększona ekspresja białek apoptotycznych, takich jak BIM, lub ich zmniejszona proteoliza, prowadzi do śmierci komórek i może powodować szereg patologii, w zależności od komórek, w których występuje nadmierna aktywność BIM. Komórki rakowe mogą uniknąć apoptozy dzięki mechanizmom, które tłumią ekspresję BIM lub poprzez zwiększoną proteolizę BIM.

Zabiegi

Zabiegi mające na celu zahamowanie działania blokującego określone kaspazy. Wreszcie, kinaza białkowa Akt promuje przeżycie komórek na dwa sposoby. Akt fosforyluje i hamuje Bad (członek rodziny Bcl-2), powodując interakcję Bad z rusztowaniem 14-3-3 , co powoduje dysocjację Bcl, a tym samym przeżycie komórki. Akt aktywuje również IKKα, co prowadzi do aktywacji NF-κB i przeżycia komórek. Aktywny NF-κB indukuje ekspresję genów antyapoptotycznych, takich jak Bcl-2, powodując zahamowanie apoptozy. Stwierdzono, że NF-κB odgrywa zarówno rolę antyapoptotyczną, jak i rolę proapoptotyczną, w zależności od wykorzystywanego bodźca i typu komórki.

Progresja HIV

Progresja zakażenia ludzkim wirusem niedoboru odporności w AIDS jest spowodowana głównie zmniejszeniem liczby limfocytów T pomocniczych CD4+ w sposób, który jest zbyt szybki, aby szpik kostny organizmu mógł uzupełnić komórki, co prowadzi do osłabienia układu odpornościowego. Jednym z mechanizmów niszczenia komórek T pomocniczych jest apoptoza, która wynika z szeregu szlaków biochemicznych:

  1. Enzymy HIV dezaktywują antyapoptotyczne Bcl-2 . Nie powoduje to bezpośrednio śmierci komórki, ale przygotowuje komórkę do apoptozy w przypadku odebrania odpowiedniego sygnału. Równolegle enzymy te aktywują proapoptotyczną prokaspazę-8 , która bezpośrednio aktywuje mitochondrialne zdarzenia apoptozy.
  2. HIV może zwiększać poziom białek komórkowych, które wywołują apoptozę za pośrednictwem Fas.
  3. Białka HIV zmniejszają ilość markera glikoproteinowego CD4 obecnego na błonie komórkowej.
  4. Uwolnione cząsteczki wirusa i białka obecne w płynie pozakomórkowym są w stanie wywołać apoptozę w pobliskich „postronnych” limfocytach T pomocniczych.
  5. HIV zmniejsza wytwarzanie cząsteczek zaangażowanych w znakowanie komórki pod kątem apoptozy, dając wirusowi czas na replikację i dalsze uwalnianie czynników apoptotycznych i wirionów do otaczającej tkanki.
  6. Zainfekowana komórka CD4+ może również otrzymać sygnał śmierci z cytotoksycznej komórki T.

Komórki mogą również umrzeć jako bezpośrednie konsekwencje infekcji wirusowych. Ekspresja HIV-1 indukuje zatrzymanie i apoptozę komórek kanalikowych G2/M. Przejście od HIV do AIDS nie jest natychmiastowe ani nawet koniecznie szybkie; Aktywność cytotoksyczna HIV wobec limfocytów CD4+ jest klasyfikowana jako AIDS, gdy liczba komórek CD4+ danego pacjenta spadnie poniżej 200.

Naukowcy z Uniwersytetu Kumamoto w Japonii opracowali nową metodę eliminacji wirusa HIV z rezerwuarowych komórek wirusa, nazwaną "Lock-in and apoptoza". Używając zsyntetyzowanego związku heptanoilofosfatydylo-L-inozytolu pentakisphophate (lub L-Hippo) do silnego wiązania się z białkiem HIV PR55Gag, byli w stanie powstrzymać pączkowanie wirusa. Hamując pączkowanie wirusa, naukowcy byli w stanie uwięzić wirusa HIV w komórce i umożliwić jej apoptozę (naturalną śmierć komórki). Profesor nadzwyczajny Mikako Fujita stwierdził, że podejście to nie jest jeszcze dostępne dla pacjentów z HIV, ponieważ zespół badawczy musi przeprowadzić dalsze badania nad połączeniem terapii lekowej, która obecnie istnieje z podejściem „zamknięcia i apoptozy”, aby doprowadzić do całkowitego wyzdrowienia z HIV .

Infekcja wirusowa

Wirusowa indukcja apoptozy występuje, gdy jedna lub kilka komórek żywego organizmu zostaje zainfekowanych wirusem , co prowadzi do śmierci komórki. Śmierć komórki w organizmach jest niezbędna do prawidłowego rozwoju komórek i dojrzewania cyklu komórkowego. Ma również znaczenie w utrzymaniu prawidłowych funkcji i aktywności komórek.

Wirusy mogą wywoływać apoptozę zakażonych komórek poprzez szereg mechanizmów, w tym:

  • Wiązanie receptora
  • Aktywacja kinazy białkowej R (PKR)
  • Interakcja z p53
  • Ekspresja białek wirusowych sprzężonych z białkami MHC na powierzchni zakażonej komórki, umożliwiająca rozpoznanie przez komórki układu odpornościowego (takie jak Natural Killer i cytotoksyczne limfocyty T ), które następnie indukują apoptozę zakażonej komórki.

Wiadomo, że wirus nosówki psów (CDV) powoduje apoptozę w ośrodkowym układzie nerwowym i tkance limfatycznej zakażonych psów in vivo i in vitro. Apoptoza wywołana przez CDV jest zazwyczaj indukowana przez szlak zewnętrzny , który aktywuje kaspazy, które zaburzają funkcjonowanie komórki i ostatecznie prowadzą do śmierci komórek. W normalnych komórkach CDV najpierw aktywuje kaspazę-8, która działa jako białko inicjujące, a następnie białko kata, kaspaza-3. Jednak apoptoza indukowana przez CDV w komórkach HeLa nie obejmuje białka inicjującego, kaspazy-8. Apoptoza komórek HeLa wywołana przez CDV przebiega według innego mechanizmu niż w liniach komórkowych vero. Ta zmiana w kaskadzie kaspazy sugeruje, że CDV indukuje apoptozę na drodze wewnętrznej , z wykluczeniem konieczności stosowania inicjatora kaspazy-8. Białko kata jest zamiast tego aktywowane przez bodźce wewnętrzne wywołane infekcją wirusową, a nie kaskadą kaspazy.

Wirus Oropouche (OROV) znajduje się w rodzinie Bunyaviridae . Badanie apoptozy wywołanej przez Bunyaviridae rozpoczęto w 1996 roku, kiedy zaobserwowano, że wirus La Crosse indukował apoptozę w komórkach nerkowych młodych chomików i mózgach młodych myszy.

OROV to choroba przenoszona między ludźmi przez gryzącą muszkę ( Culicoides paraensis ). Jest określany jako arbowirus odzwierzęcy i powoduje chorobę przebiegającą z gorączką, charakteryzującą się pojawieniem się nagłej gorączki znanej jako gorączka Oropouche.

Wirus Oropouche powoduje również zakłócenia w hodowanych komórkach – komórkach, które są hodowane w odrębnych i specyficznych warunkach. Przykład tego można zaobserwować w komórkach HeLa , gdzie komórki zaczynają degenerować się wkrótce po zakażeniu.

Za pomocą elektroforezy żelowej można zaobserwować, że OROV powoduje fragmentację DNA w komórkach HeLa. Można go interpretować poprzez zliczanie, mierzenie i analizowanie komórek populacji komórek Sub/G1. Kiedy komórki HeLA są zakażone OROV, cytochrom C jest uwalniany z błony mitochondriów do cytozolu komórek. Ten rodzaj interakcji pokazuje, że apoptoza jest aktywowana na drodze wewnętrznej.

Aby apoptoza wystąpiła w OROV, konieczne jest odsłonięcie wirusa, internalizacja wirusa wraz z replikacją komórek. Apoptoza niektórych wirusów jest aktywowana przez bodźce zewnątrzkomórkowe. Jednak badania wykazały, że infekcja OROV powoduje aktywację apoptozy poprzez bodźce wewnątrzkomórkowe i obejmuje mitochondria.

Wiele wirusów koduje białka, które mogą hamować apoptozę. Kilka wirusów koduje wirusowe homologi Bcl-2. Te homologi mogą hamować białka proapoptotyczne, takie jak BAX i BAK, które są niezbędne do aktywacji apoptozy. Przykłady wirusowych białek Bcl-2 obejmują białko BHRF1 wirusa Epsteina-Barra i białko 19K adenowirusa E1B. Niektóre wirusy eksprymują inhibitory kaspazy, które hamują aktywność kaspazy, a przykładem jest białko CrmA wirusów krowianki. Podczas gdy wiele wirusów może blokować działanie TNF i Fas. Na przykład białko M-T2 wirusów myksomatozy może wiązać TNF, zapobiegając wiązaniu się z receptorem TNF i indukując odpowiedź. Ponadto wiele wirusów wyraża inhibitory p53, które mogą wiązać p53 i hamować jego transaktywację transkrypcyjną. W konsekwencji p53 nie może indukować apoptozy, ponieważ nie może indukować ekspresji białek proapoptotycznych. Białko adenowirusa E1B-55K i białko HBx wirusa zapalenia wątroby typu B są przykładami białek wirusowych, które mogą pełnić taką funkcję.

Wirusy mogą pozostać nienaruszone w wyniku apoptozy, zwłaszcza w późniejszych stadiach infekcji. Mogą być eksportowane w ciałach apoptotycznych, które odrywają się od powierzchni umierającej komórki, a fakt, że są otoczone przez fagocyty, zapobiega inicjacji odpowiedzi gospodarza. Sprzyja to rozprzestrzenianiu się wirusa.

Rośliny

Zaprogramowana śmierć komórki u roślin ma wiele podobieństw molekularnych do apoptozy zwierząt, ale ma też różnice, z których godne uwagi są obecność ściany komórkowej i brak układu odpornościowego, który usuwa kawałki martwej komórki. Zamiast odpowiedzi immunologicznej umierająca komórka syntetyzuje substancje, które rozkładają się i umieszcza je w wakuoli, która pęka, gdy komórka umiera. Nie jest jasne, czy cały ten proces przypomina apoptozę zwierząt wystarczająco blisko, aby uzasadnić użycie nazwy apoptoza (w przeciwieństwie do bardziej ogólnej zaprogramowanej śmierci komórki ).

Apoptoza niezależna od kaspazy

Charakterystyka kaspaz pozwoliła na opracowanie inhibitorów kaspaz, które można wykorzystać do określenia, czy w procesie komórkowym występują aktywne kaspazy. Stosując te inhibitory odkryto, że komórki mogą umrzeć, wykazując morfologię podobną do apoptozy bez aktywacji kaspazy. Późniejsze badania powiązały to zjawisko z uwalnianiem AIF ( czynnik indukujący apoptozę ) z mitochondriów i jego translokacją do jądra za pośrednictwem NLS (sygnał lokalizacji jądra). Wewnątrz mitochondriów AIF jest zakotwiczony w błonie wewnętrznej. W celu uwolnienia białko jest rozszczepiane przez zależną od wapnia proteazę kalpainową .

Zobacz też

Przypisy wyjaśniające

Cytaty

Bibliografia ogólna

  • Alberts B, Johnson A, Lewis J, Morgan D, Raff M, Roberts K, Walter P (2015). Biologia molekularna komórki (6 wyd.). Nauka o girlandach. P. 2. Numer ISBN 978-0815344322.

Zewnętrzne linki