Apoptoosi morfoloogilised ilmingud. Apoptoos - funktsioonid, mehhanismid Raku apoptoosi etapid
![Apoptoosi morfoloogilised ilmingud. Apoptoos - funktsioonid, mehhanismid Raku apoptoosi etapid](https://i0.wp.com/tiensmed.ru/news/uimg/ac/apoptoz-w2c.jpg)
Apoptoos
Rakusurm kehas võib toimuda kahel viisil: nekroos Ja apoptoos.
Apoptoos– see on rakusurma liik, mille puhul rakk ise osaleb aktiivselt oma surmaprotsessis, s.t. toimub rakkude enesehävitamine. Apoptoos, erinevalt nekroosist, on aktiivne protsess, pärast kokkupuudet etioloogiliste teguritega käivitatakse geneetiliselt programmeeritud reaktsioonide kaskaad, millega kaasneb teatud geenide aktiveerimine, valkude, ensüümide süntees, mis viib rakkude tõhusa ja kiire eemaldamiseni. kude.
Apoptoosi põhjused.
1. Embrüogeneesi ajal on apoptoosil oluline roll erinevate koeprimordiate hävimisel ja elundite moodustumisel.
2. Vananevad rakud, mis on oma arengutsükli läbinud, näiteks lümfotsüüdid, mis on oma tsütokiinide varud ammendanud, läbivad apoptoosi.
3. Kasvavates kudedes toimub teatud osa tütarrakkudest apoptoos. Surevate rakkude protsenti saab reguleerida süsteemsete ja lokaalsete hormoonidega.
4. Apoptoosi põhjuseks võib olla kahjustavate tegurite nõrk mõju, mis suurema intensiivsusega võib viia nekroosini (hüpoksia, ioniseeriv kiirgus, toksiinid jne)
Apoptoosi patogenees:
Rakk läbib apoptoosi, kui tuumas tekib DNA kahjustus, mida parandussüsteem ei saa parandada. Seda protsessi jälgib p53 geeni poolt kodeeritud valk. Kui DNA defekti ei ole võimalik kõrvaldada, aktiveeritakse apoptoosi programm p53 valgu mõjul.
Paljudel rakkudel on retseptorid, mille mõju põhjustab apoptoosi aktiveerumist. Enim uuritud on Fas-retseptor, mida leidub lümfotsüütidel, ja tuumorinekroosifaktor-alfa (TNF-α) retseptor, mida leidub paljudes rakkudes. Need retseptorid mängivad olulist rolli autoreaktiivsete lümfotsüütide eemaldamisel ja rakupopulatsiooni suuruse püsivuse reguleerimisel tagasiside abil.
Apoptoosi võivad aktiveerida erinevad metaboliidid ja hormoonid: põletikuvastased tsütokiinid, steroidhormoonid, lämmastikoksiid (NO) ja vabad radikaalid.
Rakkude apoptoos aktiveerub, kui kudedes on hapnikupuudus. Selle aktiveerumise põhjuseks võib olla vabade radikaalide toime, energiast sõltuvate DNA parandusprotsesside katkemine jne.
Rakud, mis on kaotanud kontakti ekstratsellulaarse maatriksi, basaalmembraani või naaberrakkudega, läbivad apoptoosi. Selle apoptoosimehhanismi kadumine kasvajarakkudes põhjustab metastaaside tekkevõime.
Mõned viirusvalgud võivad aktiveerida raku apoptoosi pärast viiruse isekogunemist nakatunud rakus. Apoptootiliste kehade imendumine naaberrakkude poolt põhjustab nende nakatumist viirusega. AIDS-i viirus võib aktiveerida ka nakatamata rakkude apoptoosi, mille pinnal on CD4 retseptor.
On ka tegureid, mis takistavad apoptoosi. Paljud metaboliidid ja hormoonid, näiteks suguhormoonid ja põletikueelsed tsütokiinid, võivad aeglustada apoptoosi. Apoptoos võib järsult aeglustuda rakusurma mehhanismi defektide tõttu, näiteks p53 geeni mutatsiooni või apoptoosi inhibeerivate geenide (bcl-2) aktiveerimise tõttu. Paljudel viirustel on võime inhibeerida apoptoosi pärast oma DNA integreerimist raku genoomi oma struktuursete valkude sünteesi perioodiks.
Apoptoosi morfoloogilised ilmingud
Apoptoosil on oma iseloomulikud morfoloogilised märgid nii valgusoptilisel kui ka ultrastruktuurilisel tasandil. Kõige selgemalt morfoloogilised tunnused ilmnevad elektronmikroskoopia abil. Apoptoosi läbivat rakku iseloomustavad:
Rakkude kokkusurumine. Raku suurus väheneb; tsütoplasma muutub tihedamaks; suhteliselt normaalsena näivad organellid on paigutatud kompaktsemalt. Eeldatakse, et rakkude kuju ja mahu rikkumine toimub transglutaminaasi ja tsüsteiini proteaaside (kaspaaside) aktiveerimise tulemusena apoptootilistes rakkudes. Esimene ensüümide rühm põhjustab tsütoplasmaatilistes valkudes ristsidemete moodustumist, mis viib rakumembraani alla omamoodi membraani moodustumiseni, nagu keratiniseerivad epiteelirakud, ja teine rühm ensüüme hävitab tsütosoolis olevad valgud.
Kromatiini kondenseerumine. See on apoptoosi kõige iseloomulikum ilming. Endonukleaasid lõhustavad DNA üksikuid nukleosoome seovates kohtades, mille tulemusena moodustub suur hulk fragmente, milles aluspaaride arv jagatakse 180-200-ga, mis seejärel kondenseeruvad tuumamembraani all. Tuum võib puruneda kaheks või enamaks killuks.
Apoptootiliste kehade moodustumine. Apoptootilises rakus tekivad rakumembraani sügavad invaginatsioonid, mis viib rakufragmentide eraldumiseni, s.o. membraaniga ümbritsetud apoptootiliste kehade moodustumine, mis koosnevad tsütoplasmast ja tihedalt paiknevatest organellidest koos tuumafragmentidega või ilma.
Fagotsütoos apoptootilisi rakke või kehasid teostavad ümbritsevad terved rakud, nii makrofaagid kui ka parenhümaalsed rakud. Apoptootilised kehad hävivad lüsosoomides kiiresti ja ümbritsevad rakud rändavad või jagunevad, et täita rakusurma tõttu vabanenud ruum.
Hematoksüliini ja eosiiniga värvimisel tuvastatakse apoptoos üksikutes rakkudes või väikestes rakurühmades. Apoptootilistel rakkudel on ümmargune või ovaalne kuju, intensiivselt eosinofiilne tsütoplasma tuumakromatiini tihedate fragmentidega. Kuna rakkude kokkusurumine ja apoptootiliste kehade moodustumine toimub kiiresti ning sama kiiresti fagotsütoositakse, lagunevad või vabanevad elundi luumenisse, tuvastatakse histoloogilistes preparaatides apoptoos selle olulise raskusastme korral. Lisaks ei kaasne apoptoosiga – erinevalt nekroosist – kunagi põletikuline reaktsioon, mis raskendab ka selle histoloogilist tuvastamist.
Rakkude tuvastamiseks apoptoosi varases staadiumis kasutatakse spetsiaalseid immunohistokeemilisi uuringuid, näiteks aktiveeritud kaspaaside tuvastamist või TUNEL-meetodit, mis visualiseerib endonukleaaside poolt purustatud DNA.
Apoptoosi tähendus.
1. Apoptoosil on suur tähtsus embrüogeneesis (sh implantatsioon ja organogenees). Kahjustatud rakusurm sõrmedevahelistes ruumides võib põhjustada sündaktiiliat ja liigse epiteeli apoptoosi puudumine palatiinsete protsesside või neuraaltoru ümbritsevate kudede sulandumise ajal põhjustab mõlemapoolsete kudede sulandumise häireid, mis väljendub luulõhena. vastavalt kõvasuulae ja seljaaju kanalit piiravate kudede defekt (spina bifida).
2. Apoptoos mängib olulist rolli rakulise koostise püsivuse säilitamisel, eriti hormoontundlikes kudedes. Apoptoosi aeglustumine põhjustab kudede hüperplaasiat, kiirenemine - atroofiat. See on seotud endomeetriumi eraldumisega menstruaaltsükli ajal, folliikulite atreesiaga munasarjades menopausi ajal ja rinnakoe regressiooniga pärast imetamise lõpetamist.
3. Praegu uuritakse tohutul hulgal ravimeid, mille eesmärk on reguleerida apoptoosi teatud kudedes. Seega saab immunokompetentsete rakkude apoptoosi kiirendamist kasutada autoimmuunhaiguste raviks ja transplantaadi äratõukereaktsiooni vältimiseks ning aeglustavat apoptoosi saab kasutada apoptoosi ennetamiseks kudedes, kus esineb isheemiat, suurenenud välisrõhku või ajutiselt inaktiivseid kudesid. Apoptoosi aeglustamine viirusnakkuste ajal takistab nakkuse levikut naaberrakkudesse.
4. Kõigi kasvajate korral on kasvajarakkude apoptoos häiritud. See lagunemine võib toimuda apoptoosi erinevatel etappidel, näiteks võib tekkida p53 geeni mutatsioon, mis toob kaasa asjaolu, et mutantset p53 valku koguneb rakus liigsetes kogustes, kuid see ei põhjusta apoptoosi vaatamata defektidele rakugenoom, mis viib häiritud genoomiga rakkude vohamiseni ja iga järgneva jagunemisega kuhjuvad DNA rikkumised. Mõnikord võib normaalne või "metsik" p53 valk akumuleeruda kasvajarakkudesse, kui apoptoosimehhanismi lagunemine toimub muudel tasanditel. Kroonilise lümfoidleukeemia korral täheldatakse bcl-2 geeniproduktide kuhjumist, mis põhjustab kasvajarakkude eluea patoloogilist pikenemist ja rakkude resistentsust erinevate proapoptootiliste tegurite suhtes. Mõnikord on signaalide edastamine rakusurma retseptoritelt, näiteks TNF-α retseptorilt, häiritud. TNF-α osaleb rakupopulatsioonide tagasiside reguleerimises. Kõik populatsiooni rakud eritavad TNF-α-d väikestes kogustes; mida rohkem rakke koes, seda suurem on TNF-α kontsentratsioon ja seega ka apoptoosi tase. Nii saavutatakse tasakaal rakkude proliferatsiooni ja rakusurma vahel. Kasvajarakud kaotavad selle tsütokiini mõjul võime läbida apoptoosi ja see koguneb suurtes kogustes kasvajakoesse. Selle tulemusena hakkab TNF-α sisenema vereringesse suurtes kogustes ja põhjustab paljudes organites parenhüümirakkude apoptoosi, mis põhjustab kahheksiat.
Apoptoosi määratlus. Apoptoos on pärilikult programmeeritud rakusurma nähtus. Iga rakk on sündides justkui programmeeritud enesehävitamiseks. Tema elu tingimus on see enesetapuprogramm blokeerida.
Apoptoos toimub rakkudes:
Vanad, kes on oma aja ära elanud;
Kahjustatud diferentseerumisega rakud;
geneetiliste häiretega rakud;
Viirustega nakatunud rakud.
Apoptoosi morfoloogilised tunnused.
Rakkude kokkutõmbumine;
Südamiku kondenseerumine ja killustumine;
Tsütoskeleti hävitamine;
Rakumembraani bulloosne väljaulatuvus.
Apoptoosi tunnused - apoptoos ei põhjusta ümbritsevates kudedes põletikku Põhjuseks on membraani säilimine ja → tsütoplasmas kahjustavate tegurite eraldamine kuni protsessi lõpuni (O 2 -, H 2 O 2, lüsosomaalsed ensüümid). See omadus on apoptoosi oluline positiivne tunnus, erinevalt nekroosist. Nekroosi korral kahjustub (või rebeneb) membraan kohe. Seetõttu vabaneb nekroosi ajal tsütoplasma sisu (O 2 -, H 2 O 2, lüsosomaalsed ensüümid). Tekib naaberrakkude kahjustus ja põletikuline protsess. Apoptoosi oluline tunnus on surevate rakkude eemaldamine ilma põletiku tekketa.
Apoptoosi protsess - võib jagada 2 (kahe) faasiks:
1. Apoptootiliste signaalide teke ja juhtimine – otsustusfaas.
2. Rakustruktuuride lammutamine - efektorfaas.
1. faas – otsuste tegemine (=apoptootiliste signaalide moodustamine ja vastuvõtmine). See on apoptoosi stiimulite vastuvõtmise faas. Sõltuvalt stiimulite olemusest võib olla kahte (2) tüüpi signalisatsiooniteid:
1) DNA kahjustus kiirguse, toksiliste ainete, glükokortikoidide jms toime tagajärjel.
2) "rakusurma piirkonna" retseptorite aktiveerimine. Rakusurma piirkonna retseptorid on rühm retseptoreid mis tahes rakkude membraanidel, mis tajuvad proapoptootilisi stiimuleid. Kui selliste retseptorite arv ja aktiivsus suurenevad, siis suureneb ka apoptiliselt surevate rakkude arv. "Rakusurma piirkonna" retseptorite hulka kuuluvad: a) TNF-R (seondub tuumori nekroosifaktoriga ja aktiveerib apoptoosi); b) Fas-R (k); c) CD45-R (seondub antikehadega ja aktiveerib apoptoosi).
Sõltuvalt signaali tüübist on 2 (kaks) peamist apoptoosi meetodit: a) DNA kahjustuse tagajärjel;
b) rakusurma piirkonna retseptorite sõltumatu aktiveerimise tulemusena ilma DNA kahjustusteta.
2. faas – efektor (= rakuliste struktuuride lammutamine. Põhilised efektorfaasis osalejad:
tsüsteiini proteaasid (kaspaasid);
endonukleaasid;
seriin ja lüsosomaalsed proteaasid;
Ca++ aktiveeritud proteaasid (kalpeiin)
Aga! Nende hulgas on rakustruktuuride lammutamise peamised mõjurid kaspaasid.
Kaspaaside klassifikatsioon - 3 (kolm) rühma:
Efektorkaspaasid – kaspaasid 3, 6, 7.
Efektorkaspaaside aktivatsiooni indutseerijad – kaspaasid 2, 8, 9, 10. = tsütokiinide aktivaatorid – kaspaasid 1, 4, 5, 13.
Efektorkaspaasid on kaspaasid 3, 6, 7. Need on apoptoosi otsesed teostajad. Need kaspaasid on rakus passiivses olekus. Aktiveeritud efektor-kaspaasid alustavad proteolüütiliste sündmuste ahelat, mille eesmärk on raku "lammutamine". Neid aktiveerivad efektor-kaspaaside aktiveerimise indutseerijad.
Efektorkaspaaside aktiveerimise indutseerijad – kaspaasid 2, 8, 9, 10. Peamised indutseerijad on kaspaasid 8 ja 9. Need aktiveerivad efektorkaspaasid. Mehhanismiks on asparagiinaluste lõhustamine, millele järgneb aktiivsete subühikute dimerisatsioon. Need kaspaasid on rakkudes tavaliselt inaktiivsed ja esinevad prokaspaaside kujul.
Teatud indutseerijate aktiveerimine sõltub signaaliraja tüübist:
1. DNA kahjustuse ilmnemisel aktiveerub signaalirada nr 1, kaspaas nr 9.
2. Kui rakusurma retseptorid on aktiveeritud, on kaasatud signaalirada nr 2, aktiveeritakse kaspaas nr 8.
Signaalirada nr 1 (seotud DNA kahjustusega)
DNA kahjustus
P53 geeni aktiveerimine ja vastava valgu tootmine
BCL-2 perekonna proapoptootiliste geenide aktiveerimine (BAX ja BID)
Nende geenide valkude moodustumine
Kaspaas 9 aktiveerimine
Kaspaas 3 aktiveerimine
Signaalitee nr 2
(seotud rakusurma piirkonna aktiveerimisega)
"Rakusurma piirkonna" ligand + retseptorid
Kaspaasi number 8 aktiveerimine
Kaspaasi number 3 sõltumatu aktiveerimine
Teiste kaspaaside ja proteaaside aktiveerimine
Apoptoosi reguleerimine. Viimaste aastate uuringud on viinud apoptoosi mudeli loomiseni. Selle mudeli kohaselt on iga rakk oma sündides programmeeritud ennast hävitama. Seetõttu on tema elu tingimuseks see enesetapuprogramm blokeerida. Apoptoosi reguleerimise põhiülesanne on hoida efektorkaspaasid mitteaktiivses olekus, kuid muuta need kiiresti aktiivseks vormiks vastuseks vastavate indutseerijate minimaalsele toimele.
Siit ka apoptoosi inhibiitorite ja aktivaatorite mõiste.
Apoptoosi inhibiitorid (= apoptootilised tegurid). Kõige tõsisemate apoptoosi inhibiitorite hulka kuuluvad kasvufaktorid. Teised: neutraalsed aminohapped, tsink, östrogeenid, androgeenid, mõned valgud.
Näide: IAP perekonna valgud pärsivad kaspaaside 3 ja 9 aktiivsust. Pidage meeles: ühte neist valkudest (Survin) leidub kasvajarakkudes. Seda seostatakse kasvajarakkude resistentsusega keemiaravi suhtes
Apoptoosi aktivaatorid (=pro-apoptootilised faktorid). Need on proapoptootilised geenid ja nende tooted: a) BCL-2 perekonna geenid (BAX ja BID); b) Rb ja P53 geenid (käivitavad apoptoosi, kui rakk on kontrollpunkti mehhanismi poolt kinni peetud.
Kokkuvõte. Paljude haiguste, sealhulgas kasvajate patogenees on seotud rakkude apoptoosivõime vähenemisega. Sellest ka kahjustatud rakkude kuhjumine ja kasvaja teke.
RAKU JAGUNEMISE PATOFÜSIOLOOGIA
Peamine erinevus terve ja kasvajaraku jagunemise vahel:
Terve raku jagunemine on reguleeritud parakriinselt ja endokriinselt. Rakk järgib neid signaale ja jaguneb ainult siis, kui keha vajab teatud tüüpi uute rakkude moodustumist.
Kasvajarakkude jagunemist reguleeritakse autokriinselt. Kasvajarakk ise toodab mitogeenseid stimulante ja jaguneb nende mõjul. See ei reageeri parakriinsetele ja endokriinsetele stiimulitele.
Kasvajarakkude transformatsioonil on 2 (kaks) mehhanismi:
1. Onkogeenide aktiveerimine.
2. Supressorgeenide inaktiveerimine.
ONKOGEEENI AKTIVEERIMINE
Esiteks 2 (kaks) põhimõistet: = proto-onkogeenid;
Onkogeenid.
Proto-onkogeenid on normaalsed, puutumata geenid, mis kontrollivad tervete rakkude jagunemist.
Proto-onkogeenid hõlmavad geene, mis kontrollivad haridust ja tööd:
1. Kasvutegurid.
2. Kasvufaktorite membraaniretseptorid, näiteks türosiinkinaasi retseptorid.
3. Ras valgud.
4. MAP kinaasid, MAP kinaasi kaskaadi osalejad.
5. AP-1 transkriptsioonifaktorid.
Onkogeenid on kahjustatud proto-onkogeenid. Proto-onkogeeni kahjustamise ja onkogeeniks muutmise protsessi nimetatakse onkogeeni aktiveerimiseks.
Onkogeeni aktiveerimise mehhanismid.
1. Promootori kaasamine (sisestamine). Promootor on DNA piirkond, millega seondub protoonkogeenne RNA polümeraas. Vajalik tingimus on, et promootor peab olema proto-onkogeeni vahetus läheduses. Siit ka valikud: a) promootor – onkornaviiruste DNA koopia; b) "hüppavad geenid" - DNA lõigud, mis võivad liikuda ja integreeruda raku genoomi erinevatesse osadesse.
2. Amplifikatsioon – protoonkogeenide arvu suurenemine või protoonkogeenide koopiate ilmumine. Proto-onkogeenidel on tavaliselt vähe aktiivsust. Koopiate arvu või välimuse suurenemisega suureneb nende üldine aktiivsus märkimisväärselt ja see võib põhjustada raku kasvaja transformatsiooni.
3. Proto-onkogeenide translokatsioon. See on proto-onkogeeni liikumine toimiva promootoriga lookusesse.
4. Proto-onkogeenide mutatsioonid.
Onkogeenide tootmine. Onkogeenid moodustavad oma valgud. Neid valke nimetatakse onkoproteiinideks.
Onkoproteiinide sünteesi nimetatakse aktiivsete raku onkogeenide ekspressiooniks.
Onkoproteiinid on põhimõtteliselt protoonkogeensete valkude analoogid: kasvufaktorid, Ras-valgud, MAP kinaasid, transkriptsioonifaktorid. Kuid onkogeenide ja protoonkogeensete valkude vahel on kvantitatiivseid ja kvalitatiivseid erinevusi.
Erinevused onkoproteiinide ja normaalse proto-onkogeeni tootmise vahel:
1. Onkoproteiinide suurenenud süntees võrreldes protoonkogeensete valkude sünteesiga.
2. Onkoproteiinidel on protoonkogeensetest valkudest struktuursed erinevused.
Onkoproteiinide toimemehhanism.
1. Onkoproteiinid seonduvad kasvufaktorite retseptoritega ja moodustavad komplekse, mis genereerivad pidevalt signaale rakkude jagunemiseks.
2. Onkoproteiinid suurendavad retseptorite tundlikkust kasvufaktorite suhtes või vähendavad tundlikkust kasvu inhibiitorite suhtes.
3. Onkoproteiinid võivad ise toimida kasvufaktoritena.
SUPRESSORGEENIDE INAKTIVEERIMINE
Supressorgeenid: Rb Ja lk 53.
Nende tooted on vastavad valgud.
Supressorgeenide (pärilik või omandatud) inaktiveerimine viib kahjustatud DNA-ga rakkude mitoosi, nende rakkude paljunemiseni ja akumuleerumiseni. See on kasvaja moodustumise võimalik põhjus.
KASVAJA KASV: MÄÄRATLUS, PAHALOOLISTE HAIGUSTE ARVU SUUREMISE PÕHJUSED
Kasvaja on patoloogiline kasv, mis erineb teistest patoloogilistest kasvudest pärilikult fikseeritud võime poolest piiramatult ja kontrollimatult kasvada.
Muud patoloogilised kasvud on hüperplaasia, hüpertroofia, regeneratsioon pärast kahjustusi.
Pahaloomuliste haiguste arvu suurenemise põhjused elanikkonna hulgas:
1. Pikenenud eluiga.
2. Diagnostika kvaliteedi tõstmine → vähi avastamise suurendamine.
3. Keskkonnaolukorra halvenemine, kantserogeensete tegurite sisalduse suurenemine keskkonnas.
HEA- JA PAHALOOLISED KASVAJAD
Ühtset kasvajate klassifikatsiooni pole veel loodud. Põhjus:
1. Lai valik erinevatele kasvajatele iseloomulikke tunnuseid.
2. Ebapiisavad teadmised nende etioloogiast ja patogeneesist.
Kaasaegsed klassifikatsioonid põhinevad kasvajate peamistel morfoloogilistel ja kliinilistel tunnustel.
Kliiniliste omaduste põhjal jagunevad kõik kasvajad hea- ja pahaloomulisteks.
Healoomulised kasvajad:
1. Kasvajarakud on morfoloogiliselt identsed või sarnased normaalsete eellasrakkudega.
2. Kasvajarakkude diferentseerumisaste on üsna kõrge.
3. Kasvutempo on aeglane, paljude aastate jooksul.
4. Kasvu iseloom on ekspansiivne, s.t. Kasvaja kasvu ajal liiguvad naaberkuded lahku, mõnikord surutakse kokku, kuid tavaliselt ei kahjustata.
5. Piiritus ümbritsevatest kudedest on selge.
6. Metastaaside tekkevõime puudub.
7. Puuduvad väljendunud kahjulikud mõjud kehale. Erand: kasvajad, mis asuvad elutähtsate keskuste läheduses. Näide: ajukasvaja, mis surub närvikeskused kokku.
Pahaloomulised kasvajad.
1. Kasvajarakud erinevad morfoloogiliselt normaalsetest eellasrakkudest (sageli tundmatuseni).
2. Kasvajarakkude diferentseerumisaste on madal.
3. Kasvutempo on kiire.
4. Kasvu iseloom on invasiivne, s.t. kasvaja kasvab naaberstruktuuridesse. Soodustavad tegurid:
Kasvajarakud omandavad võime kasvajasõlmest irduda ja aktiivselt liikuda;
Kasvajarakkude võime toota "kantsinoagressiine". Need on valgud, mis tungivad ümbritsevasse normaalsesse koesse ja stimuleerivad kasvajarakkude kemotaksist.
Vähendatud rakkude adhesioonijõud. See hõlbustab kasvajarakkude eraldumist primaarsest sõlmest ja nende edasist liikumist.
Kontaktpidurduse vähendamine.
5. Piiritus ümbritsevatest kudedest – ei.
6. Metastaaside võime on väljendunud.
7. Mõju organismile on ebasoodne, üldistatud.
Sait pakub viiteteavet ainult informatiivsel eesmärgil. Haiguste diagnoosimine ja ravi peab toimuma spetsialisti järelevalve all. Kõigil ravimitel on vastunäidustused. Vajalik on konsultatsioon spetsialistiga!
Mis on apoptoos?
Apoptoos– füsioloogiline rakusurm, mis on omamoodi geneetiliselt programmeeritud enesehävitus.Mõiste "apoptoos" on kreeka keelest tõlgitud kui "ärakukkumine". Selle nimetuse andsid termini autorid programmeeritud rakusurma protsessile, kuna sellega seostatakse sügisest närbunud lehtede langemist. Lisaks iseloomustab nimetus ise protsessi kui füsioloogilist, järkjärgulist ja absoluutselt valutut.
Loomade puhul on kõige markantsemaks apoptoosi näiteks konnasaba kadumine kullesest täiskasvanuks muutumise käigus.
Kui konn suureks kasvab, kaob saba täielikult, kuna tema rakud läbivad järk-järgulist apoptoosi – programmeeritud surma ja hävitatud elementide imendumist teiste rakkude poolt.
Geneetiliselt programmeeritud rakusurma nähtus esineb kõigil eukarüootidel (organismidel, mille rakkudel on tuum). Prokarüootidel (bakteritel) on omapärane apoptoosi analoog. Võib öelda, et see nähtus on omane kõigile elusolenditele, välja arvatud sellised erilised rakueelsed eluvormid nagu viirused.
Nii üksikud rakud (tavaliselt defektsed) kui ka terved konglomeraadid võivad läbida apoptoosi. Viimane on eriti iseloomulik embrüogeneesile. Näiteks on teadlaste katsed tõestanud, et embrüogeneesi ajal tekkiva apoptoosi tõttu kaovad kanade varvastevahelised membraanid.
Teadlased väidavad, et inimestel tekivad kaasasündinud anomaaliad, nagu sulanud sõrmed ja varbad, ka normaalse apoptoosi katkemise tõttu embrüogeneesi varases staadiumis.
Apoptoosi teooria avastamise ajalugu
Geneetiliselt programmeeritud rakusurma mehhanismide ja olulisuse uurimine algas eelmise sajandi kuuekümnendatel. Teadlasi huvitas tõsiasi, et enamiku elundite rakuline koostis kogu organismi eluea jooksul on peaaegu sama, kuid erinevat tüüpi rakkude elutsükkel erineb oluliselt. Sel juhul asendatakse palju rakke pidevalt.Seega hoiab kõigi organismide rakulise koostise suhtelist püsivust kahe vastandliku protsessi – rakkude proliferatsiooni (jagunemise ja kasvu) ning vananenud rakkude füsioloogilise surma – dünaamiline tasakaal.
Termini autorsus kuulub Briti teadlastele - J. Kerrile, E. Wileyle ja A. Kerryle, kes esmakordselt esitasid ja põhjendasid põhimõttelist erinevust rakkude füsioloogilise surma (apoptoos) ja nende patoloogilise surma (nekroosi) vahel. .
2002. aastal said Cambridge'i labori teadlased bioloogid S. Brenner, J. Sulston ja R. Horwitz Nobeli füsioloogia- või meditsiiniauhinna elundite arengu geneetilise regulatsiooni põhimehhanismide avastamise ja programmeeritud rakusurma uurimise eest.
Tänapäeval on apoptoosi teooriale pühendatud kümneid tuhandeid teadustöid, mis paljastavad selle arengu põhimehhanisme füsioloogilisel, geneetilisel ja biokeemilisel tasandil. Käimas on aktiivne selle regulaatorite otsimine.
Erilist huvi pakuvad uuringud, mis võimaldavad apoptoosi regulatsiooni praktiliselt rakendada onkoloogiliste, autoimmuunsete ja neurodüstroofsete haiguste ravis.
mehhanism
Apoptoosi arengu mehhanismi ei ole siiani täielikult uuritud. On tõestatud, et protsessi võivad esile kutsuda enamiku nekroosi põhjustavate ainete madalad kontsentratsioonid.Enamasti toimub geneetiliselt programmeeritud rakusurm aga signaalide vastuvõtmisel molekulidelt – rakuregulaatoritelt, näiteks:
- hormoonid;
- antigeenid;
- monoklonaalsed antikehad jne.
On tüüpiline, et apoptoosi arengu signaaliks võib olla kas aktiveerivate ainete olemasolu või teatud ühendite puudumine, mis takistavad programmeeritud rakusurma teket.
Raku reaktsioon signaalile ei sõltu ainult selle tugevusest, vaid ka raku üldisest algseisundist, diferentseerumise morfoloogilistest tunnustest ja elutsükli staadiumist.
Üks apoptoosi põhimehhanisme selle rakendamise etapis on DNA lagunemine, mille tulemuseks on tuuma killustumine. Vastuseks DNA kahjustusele käivitatakse kaitsereaktsioonid, mille eesmärk on selle taastamine.
Ebaõnnestunud katsed taastada DNA-d viivad raku täieliku energia ammendumiseni, mis muutub selle surma otseseks põhjuseks.
Apoptoosi mehhanism – video
Faasid ja etapid
Apoptoosil on kolm füsioloogilist faasi:1. Signaliseerimine (spetsialiseeritud retseptorite aktiveerimine).
2. Efektor (ühe apoptoosi raja moodustumine heterogeensetest efektorsignaalidest ja komplekssete biokeemiliste reaktsioonide kaskaadi käivitamine).
3. Dehüdratsioon (sõna otseses mõttes dehüdratsioon - rakusurm).
Lisaks eristatakse morfoloogiliselt kahte protsessi etappi:
1.
Esimene aste - preapoptoos. Selles etapis väheneb raku suurus selle kahanemise tõttu ja tuumas toimuvad pöörduvad muutused (kromatiini tihenemine ja selle akumuleerumine piki tuuma perifeeriat). Teatud spetsiifiliste regulaatoritega kokkupuute korral saab apoptoosi peatada ja rakk jätkab oma normaalset funktsioneerimist.
2.
Teine etapp on apoptoos ise. Raku sees toimuvad jämedad muutused kõigis selle organellides, kuid kõige olulisemad muutused arenevad tuumas ja selle välismembraani pinnal. Rakumembraan kaotab oma villid ja normaalne voltimine, selle pinnale tekivad mullid – rakk näib keevat ning selle tulemusena laguneb nn apoptootiliseks kehaks, mille neelavad koe makrofaagid ja/või naaberrakud.
Morfoloogiliselt määratud apoptoosi protsess kestab tavaliselt üks kuni kolm tundi.
Rakkude nekroos ja apoptoos. Sarnasused ja erinevused
Mõisted nekroos ja apoptoos viitavad raku aktiivsuse täielikule lakkamisele. Apoptoos viitab aga füsioloogilisele surmale ja nekroos selle patoloogilisele surmale.Apoptoos on geneetiliselt programmeeritud eksistentsi lakkamine, see tähendab, et sellel on definitsiooni järgi sisemine arengupõhjus, samas kui nekroos tekib rakuväliste äärmiselt tugevate tegurite mõjul:
- toitainete puudus;
- mürgistus toksiinidega jne.
Lisaks erineb rakusurm nekroosi ja apoptoosi protsesside käigus morfoloogiliselt – esimest iseloomustab selle turse ning teise ajal rakk kahaneb ja selle membraanid paksenevad.
Apoptoosi ajal toimub raku organellide surm, kuid membraan jääb puutumatuks, nii et moodustuvad nn apoptootilised kehad, mis seejärel imenduvad spetsialiseeritud rakkudesse - makrofaagid või naaberrakud.
Nekroosi korral rakumembraan puruneb ja raku sisu väljub. Algab põletikuline reaktsioon.
Kui piisavalt suur hulk rakke on läbinud nekroosi, avaldub põletik iidsetest aegadest tuntud iseloomulike kliiniliste sümptomitena, näiteks:
- valu;
- punetus (veresoonte laienemine kahjustatud piirkonnas);
- turse (põletikuline turse);
- lokaalne ja mõnikord üldine temperatuuri tõus;
- enam-vähem väljendunud düsfunktsiooni organi, milles nekroos tekkis.
Bioloogiline tähtsus
![](https://i0.wp.com/tiensmed.ru/news/uimg/ac/apoptoz-w2c.jpg)
1. Keha normaalse arengu rakendamine embrüogeneesi ajal.
2. Muteerunud rakkude proliferatsiooni ennetamine.
3.
Immuunsüsteemi reguleerimine.
4.
Vältida keha enneaegset vananemist.
See protsess mängib embrüogeneesis juhtivat rolli, kuna embrüonaalse arengu käigus läbivad paljud elundid ja koed olulisi muutusi. Paljud sünnidefektid tulenevad ebapiisavast apoptootilisest aktiivsusest.
Defektsete rakkude programmeeritud enesehävitamisena on see protsess võimas loomulik kaitse vähi vastu. Näiteks inimese papilloomiviirus blokeerib apoptoosi eest vastutavad rakulised retseptorid ja põhjustab seega emakakaela ja mõne muu elundi vähi arengut.
Tänu sellele protsessile toimub organismi rakulise immuunsuse eest vastutavate T-lümfotsüütide kloonide füsioloogiline regulatsioon. Rakud, mis ei suuda oma keha valke ära tunda (ja neist küpsevad kokku umbes 97%), läbivad apoptoosi.
Apoptoosi puudulikkus põhjustab raskeid autoimmuunhaigusi, samas kui selle tugevnemine on võimalik immuunpuudulikkuse seisundites. Näiteks AIDSi raskusaste korreleerub selle protsessi intensiivistumisega T-lümfotsüütides.
Lisaks on sellel mehhanismil suur tähtsus närvisüsteemi toimimiseks: see vastutab neuronite normaalse moodustumise eest, samuti võib see Alzheimeri tõve korral põhjustada närvirakkude varajast hävimist.
Üks keha vananemise teooriatest on apoptoosi teooria. On juba tõestatud, et see on kudede enneaegse vananemise aluseks, kus rakusurm jääb pöördumatuks (närvikude, müokardirakud). Teisest küljest võib ebapiisav apoptoos kaasa aidata vananevate rakkude kuhjumisele organismis, mis tavaliselt füsioloogiliselt surevad ja asenduvad uutega (sidekoe varajane vananemine).
Apoptoosi teooria roll meditsiinis
Apoptoosi teooria roll meditsiinis on võimalus leida viise selle protsessi reguleerimiseks paljude apoptoosi nõrgenemisest või vastupidi, tugevnemisest põhjustatud patoloogiliste seisundite raviks ja ennetamiseks.Uuringuid tehakse samaaegselt mitmes suunas. Kõigepealt tuleb märkida teadusuuringuid sellises olulises meditsiinivaldkonnas nagu onkoloogia. Kuna kasvaja kasvu põhjustab muteerunud rakkude geneetiliselt programmeeritud surma defekt, uuritakse apoptoosi spetsiifilise reguleerimise võimalust koos selle aktiivsuse suurenemisega kasvajarakkudes.
Mõnede onkoloogias laialdaselt kasutatavate kemoterapeutiliste ravimite toime põhineb apoptoosi protsesside tugevdamisel. Kuna kasvajarakud on sellele protsessile vastuvõtlikumad, valitakse aine annus, mis on piisav patoloogiliste rakkude hävitamiseks, kuid on normaalsetele suhteliselt kahjutu.
Samuti on meditsiini jaoks äärmiselt olulised uuringud, mis uurivad apoptoosi rolli südamelihaskoe degeneratsioonis vereringepuudulikkuse mõjul. Rühm Hiina teadlasi (Lv X, Wan J, Yang J, Cheng H, Li Y, Ao Y, Peng R) avaldas uusi eksperimentaalseid andmeid, mis tõestavad kardiomüotsüütide apoptoosi kunstliku vähendamise võimalust teatud inhibeerivate ainete kasutuselevõtuga.
Kui laboratoorsete objektide teoreetilisi uuringuid saab rakendada kliinilises praktikas, on see suur samm edasi võitluses südame isheemiatõvega. See patoloogia on kõigis kõrgelt arenenud riikides surmapõhjuste hulgas esikohal, mistõttu üleminekut teoorialt praktikale oleks raske üle hinnata.
Teine väga paljutõotav suund on selle protsessi reguleerimise meetodite väljatöötamine, et aeglustada organismi vananemist. Teoreetilisi uuringuid tehakse eesmärgiga luua programm, mis ühendab vananevate rakkude apoptoosi aktiivsuse suurendamise ja samaaegselt noorte rakuelementide proliferatsiooni suurendamise. Siin on teoreetilisel tasandil tehtud mõningaid edusamme, kuid üleminek teoorialt praktilistele lahendustele on veel kaugel.
Lisaks tehakse suuremahulisi teadusuuringuid järgmistes valdkondades:
- allergoloogia;
- immunoloogia;
- nakkushaiguste ravi;
- transplantoloogia;
Apoptoos on programmeeritud rakusurm (algatatakse rakuväliste või rakusiseste tegurite mõjul), mille arengus on aktiivne roll spetsiaalsetel ja geneetiliselt programmeeritud rakusisesetel mehhanismidel.. Erinevalt nekroosist on see aktiivne protsess, mis nõuab teatud energiatarbimist. Algselt püüdsid nad eristada mõisteid " programmeeritud rakusurm"Ja" apoptoos": esimene termin hõlmas rakkude elimineerimist embrüogeneesis ja teine - ainult küpsete diferentseerunud rakkude programmeeritud surma. Nüüdseks on selgunud, et selles pole praktilisust (rakusurma tekkemehhanismid on samad) ja need kaks mõistet on muutunud sünonüümiks, kuigi see seos pole vaieldamatu.
Enne kui hakkame esitama materjali apoptoosi rolli kohta raku (ja organismi) elus normaalsetes ja patoloogilistes tingimustes, kaalume apoptoosi mehhanismi. Nende rakendamist saab esitada järgmiste etappide järkjärgulise arendamise vormis:
1. etapp – initsiatsiooni (induktsiooni) etapp .
Sõltuvalt apoptoosi stimuleeriva signaali päritolust on olemas:
apoptoosi intratsellulaarsed stiimulid. Nende hulgas on tuntumad erinevad kiirgustüübid, liigne H +, lämmastikoksiid, hapniku ja lipiidide vabad radikaalid, hüpertermia jne. Kõik need võivad põhjustada erinevaid kromosoomi kahjustus(DNA purunemised, konformatsioonihäired jne) ja intratsellulaarsed membraanid(eriti mitokondrid). See tähendab, et antud juhul on apoptoosi põhjuseks "raku enda ebarahuldav seisund" (Mushkambirov N.P., Kuznetsov S.L., 2003). Pealegi peaks rakustruktuuride kahjustus olema üsna tugev, kuid mitte hävitav. Apoptoosigeenide ja selle efektormehhanismide aktiveerimiseks peab rakk säilitama energia- ja materiaalseid ressursse. Programmeeritud rakusurma stimuleerimise intratsellulaarset rada võib nimetada kui " apoptoos seestpoolt»;
apoptoosi transmembraansed stiimulid st sel juhul aktiveeritakse see välise "signalisatsiooni" abil, mis edastatakse membraani või (harvemini) rakusiseste retseptorite kaudu. Rakk võib olla üsna elujõuline, kuid kogu organismi või apoptoosi "eksitava" stimuleerimise seisukohast peab ta surema. Seda tüüpi apoptoosi nimetatakse " apoptoos käsu peale».
Transmembraansed stiimulid jagunevad:
« negatiivne» signaalid. Raku normaalseks funktsioneerimiseks, jagunemise ja paljunemise reguleerimiseks on vaja seda mõjutada erinevate bioloogiliselt aktiivsete ainete retseptorite kaudu: kasvufaktorid, tsütokiinid, hormoonid. Muuhulgas pärsivad nad rakusurma mehhanisme. Ja loomulikult aktiveerib nende bioloogiliselt aktiivsete ainete defitsiit või puudumine programmeeritud rakusurma mehhanisme;
« positiivne» signaalid. Signaalmolekulid, nagu TNFα, glükokortikoidid, mõned antigeenid, adhesioonivalgud jne, võivad pärast interaktsiooni raku retseptoritega käivitada apoptoosiprogrammi.
Rakumembraanidel on rühm retseptoreid, mille peamine, võib-olla isegi ainus funktsioon on signaali edastamine apoptoosi tekkeks. Need on näiteks DR-rühma valgud (surmaretseptid - “ surma retseptorid"): DR 3, DR 4, DR 5. Kõige paremini uuritud on Fas-retseptor, mis ilmub rakkude (hepatotsüütide) pinnale spontaanselt või aktivatsiooni mõjul (küpsed lümfotsüüdid). Fas-retseptor käivitab tapja-T-raku Fas-retseptori (ligandiga) suhtlemisel sihtraku surmaprogrammi. Fas-retseptori interaktsioon Fas-ligandiga immuunsüsteemist eraldatud piirkondades lõpeb aga T-tapja enda surmaga (vt allpool).
Tuleb meeles pidada, et mõned apoptoosi signaalimolekulid võivad olenevalt olukorrast, vastupidi, blokeerida programmeeritud rakusurma arengu. Ambivalentsus(vastupidiste omaduste kahekordne ilming) on iseloomulik TNF-ile, IL-2-le, interferoonile γ jne.
Erütrotsüütide, trombotsüütide, leukotsüütide, aga ka kopsu- ja naharakkude membraanidel on spetsiaalsed markerantigeenid. Nad sünteesivad füsioloogilisi autoantikehad ja nad täidavad oma rolli opsoniinid, soodustavad nende rakkude fagotsütoosi, st. rakusurm toimub poolt autofagotsütoos. Selgus, et markerantigeenid ilmuvad “vanade” (ontogeneetilise arengu läbinud) ja kahjustatud rakkude pinnale, samas kui noortel ja kahjustamata rakkudel neid pole. Neid antigeene nimetatakse "vananevate ja kahjustatud rakkude markerantigeenideks" või "kolmanda riba valkudeks". Kolmanda riba valgu välimust kontrollib raku genoom. Seetõttu võib autofagotsütoosi pidada programmeeritud rakusurma variandiks.
Segatud signaalid. See on esimese ja teise rühma signaalide koosmõju. Näiteks apoptoos toimub mitogooni poolt aktiveeritud lümfotsüütides (positiivne signaal), kuid mitte kokkupuutes antigeeniga (negatiivne signaal).
2. etapp – programmeerimise etapp (apoptoosimehhanismide juhtimine ja integreerimine).
Seda etappi iseloomustavad kaks diametraalselt vastandlikku protsessi, mida täheldatakse pärast initsieerimist. Juhtub kumbagi:
apoptoosi käivitava signaali rakendamine selle programmi aktiveerimise kaudu (efektoriteks on kaspaasid ja endonukleaasid);
apoptoosi vallandaja toime on blokeeritud.
Programmeerimisetapi täitmiseks on kaks peamist, kuid mitte üksteist välistavat võimalust (joonis 14):
Riis. 14. Kaspaasikaskaad ja selle sihtmärgid
R – membraani retseptor; K – kaspaas, AIF – mitokondriaalne proteaas; Tsiteeri C – tsütokroom c; Apaf-1 – tsütoplasmaatiline valk; IAP – kaspaasi inhibiitorid
1. Signaali otseülekanne (apoptoosi efektormehhanismide aktiveerimise otsene rada, möödudes raku genoomist) realiseeritakse järgmiselt:
adaptervalgud. Näiteks nii vallandavad tapja-T-rakud apoptoosi. See aktiveerib kaspaas-8 (adaptervalk). TNF võib toimida sarnaselt;
tsütokroom C ja proteaasi AIF (mitokondriaalne proteaas). Nad väljuvad kahjustatud mitokondritest ja aktiveerivad kaspaas-9;
gransüümid. Tapja-T-rakud sünteesivad valku perforiini, mis moodustab sihtraku plasmalemmas kanaleid. Nende kanalite kaudu sisenevad proteolüütilised ensüümid rakku. gransüümid, mida eritab sama T-killer ja need käivitavad kaspaaside võrgu kaskaadi.
2. Kaudne signaaliedastus. Seda rakendatakse rakugenoomi abil:
apoptoosi inhibeerivate valkude (geenid Bcl-2, Bcl-XL jne) sünteesi kontrollivate geenide represseerimine. Bcl-2 valgud normaalsetes rakkudes on osa mitokondriaalsest membraanist ja sulgevad kanalid, mille kaudu tsütokroom C ja AIF proteaas väljuvad nendest organellidest;
apoptoosi aktivaatorvalkude (geenid Bax, Bad, Bak, Rb, P 53 jne) sünteesi kontrollivate geenide ekspressioon, aktiveerimine. Need omakorda aktiveerivad kaspaase (k-8, k-9).
Joonisel fig. Joonisel 14 on kujutatud kaspaasi aktiveerimise kaspaasi põhimõtte ligikaudne diagramm. On näha, et olenemata sellest, kust kaskaad algab, on selle võtmepunktiks kaspaas 3. Seda aktiveerivad ka kaspaasid 8 ja 9. Kokku on kaspaaside perekonnas üle 10 ensüümi. Lokaliseeritud raku tsütoplasmas inaktiivses olekus (prokaspaasid). Kõigi kaspaaside asukoht selles kaskaadis ei ole täielikult välja selgitatud, seetõttu on diagrammil mõned neist puudu. Niipea kui kaspaasid 3, 7, 6 (võimalik, et nende muud tüübid) on aktiveeritud, toimub apoptoosi 3. staadium.
3. etapp – programmi rakendamise etapp (täitevvõimu, toimetaja).
Otsesed täideviijad (raku "täitjad") on ülalmainitud kaspaasid ja endonukleaasid. Nende toime (proteolüüsi) rakenduskohad on (joonis 14):
tsütoplasmaatilised valgud – tsütoskeleti valgud (fodriin ja aktiin). Fodriini hüdrolüüs selgitab rakupinna muutust - plasmalemma "lainetumist" (selle sissetungimise ja väljaulatuvate osade ilmumine);
mõnede tsütoplasma reguleerivate ensüümide valgud: fosfolipaas A 2, proteiinkinaas C jne;
tuumavalgud. Tuumavalkude proteolüüs mängib apoptoosi arengus suurt rolli. Hävivad struktuurvalgud, replikatsiooni- ja parandusensüümide valgud (DNA-valgu kinaasid jne), regulaatorvalgud (pRb jne) ja endonukleaasi inhibiitorvalgud.
Viimase rühma inaktiveerimine – endonukleaasi inhibiitorvalgud põhjustavad endonukleaaside aktiveerimist, teine "relv » apoptoos. Praegu on endonukleaasid ja eriti Sa 2+ , Mg 2+ -sõltuv endonukleaas, peetakse programmeeritud rakusurma keskseks ensüümiks. See ei lõika DNA-d juhuslikest kohtadest, vaid ainult linkerpiirkondadest (nukleosoomide vahelisi ühendavaid piirkondi). Seetõttu kromatiin ei lüüsita, vaid ainult fragmenteerub, mis määrab apoptoosi eripärase struktuurilise tunnuse.
Valgu ja kromatiini hävimise tõttu rakus moodustuvad ja punguvad sellest erinevad fragmendid - apoptootilised kehad. Need sisaldavad tsütoplasma, organellide, kromatiini jne jääke.
4. etapp – etapp apoptootiliste kehade eemaldamine (rakufragmendid).
Ligandid ekspresseeritakse apoptootiliste kehade pinnal ja fagotsüütide retseptorid tunnevad need ära. Surnud raku fragmentide tuvastamise, imendumise ja metaboliseerimise protsess toimub suhteliselt kiiresti. See aitab vältida surnud raku sisu sattumist keskkonda ja seega, nagu eespool märgitud, põletikuline protsess ei arene. Rakk kaob "rahulikult", "naabreid" häirimata ("vaikiv enesetapp").
Programmeeritud rakusurm on paljude jaoks oluline füsioloogilised protsessid . Seotud apoptoosiga:
normaalsete morfogeneesiprotsesside säilitamine– programmeeritud rakusurm embrüogeneesi (implantatsioon, organogenees) ja metamorfoosi ajal;
raku homöostaasi säilitamine(sealhulgas geneetiliste häiretega ja viirustega nakatunud rakkude elimineerimine). Apoptoos selgitab mitooside füsioloogilist involutsiooni ja tasakaalustamist küpsetes kudedes ja elundites. Näiteks rakusurm aktiivselt vohavates ja iseeneslikult uuenevates populatsioonides – sooleepiteelirakud, küpsed leukotsüüdid, erütrotsüüdid. Hormoonist sõltuv involutsioon - endomeetriumi surm menstruaaltsükli lõpus;
rakusortide valik populatsioonis. Näiteks immuunsüsteemi antigeenispetsiifilise komponendi moodustamine ja selle efektormehhanismide rakendamise kontroll. Apoptoosi abil praagitakse organismile mittevajalikud ja ohtlikud (autoagressiivsed) lümfotsüütide kloonid. Suhteliselt hiljuti (Griffith T.S., 1997) näitas programmeeritud rakusurma tähtsust "immunoloogiliselt privilegeeritud" piirkondade (silma ja munandite sisekeskkond) kaitsmisel. Nende tsoonide histo-hematoloogiliste barjääride läbimisel (mis juhtub harva) surevad efektor-T-lümfotsüüdid (vt eespool). Nende surmamehhanismide aktiveerimise tagab barjäärirakkude Fas ligandi interaktsioon T-lümfotsüütide Fas retseptoritega, vältides seeläbi autoagressiooni teket.
Apoptoosi roll patoloogias ja apoptoosiga seotud erinevate haiguste tüübid on esitatud diagrammi (joonis 15) ja tabelis 1 kujul.
Loomulikult on apoptoosi tähtsus patoloogias väiksem kui nekroosil (võib-olla on see tingitud selliste teadmiste puudumisest). Selle probleemil patoloogias on aga ka veidi teistsugune iseloom: seda hinnatakse apoptoosi raskusastme järgi – teatud haiguste korral intensiivistub või nõrgeneb.
Protsessi, mille käigus rakk saab end tappa, nimetatakse programmeeritud rakusurmaks (PCD). Sellel mehhanismil on mitu varianti ja see mängib olulist rolli erinevate organismide, eriti mitmerakuliste organismide füsioloogias. Kõige tavalisem ja hästi uuritud PGC vorm on apoptoos.
Mis on apoptoos
Apoptoos on rakkude enesehävitamise kontrollitud füsioloogiline protsess, mida iseloomustab selle sisu järkjärguline hävitamine ja killustumine koos membraani vesiikulite (apoptootiliste kehade) moodustumisega, mis seejärel imenduvad fagotsüütidesse. See geneetiliselt põhinev mehhanism aktiveerub teatud sisemiste või väliste tegurite mõjul.
Seda tüüpi surma korral ei ulatu raku sisu membraanist kaugemale ega põhjusta põletikku. Apoptoosi düsregulatsioon põhjustab tõsiseid patoloogiaid, nagu rakkude kontrollimatu jagunemine või kudede degeneratsioon.
Apoptoos on vaid üks programmeeritud rakusurma (PCD) mitmest vormist, mistõttu on nende mõistete samastamine eksitav. Teadaolevad raku enesehävitamise tüübid hõlmavad ka mitootilist katastroofi, autofagiat ja programmeeritud nekroosi. Muid PGC mehhanisme ei ole veel uuritud.
Rakkude apoptoosi põhjused
Programmeeritud rakusurma mehhanismi käivitajaks võivad olla nii loomulikud füsioloogilised protsessid kui ka patoloogilised muutused, mis on põhjustatud sisemistest defektidest või kokkupuutest väliste ebasoodsate teguritega.
Tavaliselt tasakaalustab apoptoos rakkude jagunemise protsessi, reguleerides nende arvu ja soodustades kudede uuenemist. Sel juhul on PCD põhjuseks teatud signaalid, mis sisalduvad homöostaasi juhtimissüsteemis. Apoptoosi abil hävitatakse ühekordselt kasutatavad või oma funktsiooni lõpetanud rakud. Seega elimineeritakse leukotsüütide, neutrofiilide ja muude rakulise immuunsuse elementide suurenenud sisaldus pärast infektsioonivastase võitluse lõppu just apoptoosi tõttu.
Programmeeritud surm on osa reproduktiivsüsteemide füsioloogilisest tsüklist. Apoptoos osaleb oogeneesi protsessis ja aitab kaasa ka munaraku surmale viljastamise puudumisel.
Klassikaline näide raku apoptoosi osalemisest vegetatiivsete süsteemide elutsüklis on sügisene lehtede langemine. Termin ise pärineb kreekakeelsest sõnast apoptoos, mis tähendab sõna-sõnalt "kukkumist".
Apoptoos mängib embrüogeneesis ja ontogeneesis üliolulist rolli, kui keha kuded asenduvad ja teatud elundid atroofeeruvad. Näiteks võib tuua mõne imetaja varvaste vaheliste membraanide kadumise või saba surma konna metamorfoosi ajal.
Apoptoosi võib vallandada mutatsioonidest, vananemisest või mitootilistest vigadest tingitud defektsete muutuste kuhjumine rakus. PCD põhjuseks võib olla ebasoodne keskkond (toitekomponentide vähesus, hapnikuvaegus) ja patoloogilised välismõjud, mida vahendavad viirused, bakterid, toksiinid jne. Liiga intensiivse kahjustava toime korral ei ole rakul aega kanda. apoptoosimehhanismi välja ja sureb patoloogilise protsessi - nekroosi - arengu tagajärjel.
Morfoloogilised ja struktuur-biokeemilised muutused rakkudes apoptoosi ajal
Apoptoosi protsessi iseloomustab teatud kogum morfoloogilisi muutusi, mida saab jälgida koepreparaadis in vitro mikroskoopia abil.
Peamised raku apoptoosi tunnused on järgmised:
- tsütoskeleti ümberstruktureerimine;
- raku sisu tihendamine;
- kromatiini kondensatsioon;
- südamiku killustatus;
- raku mahu vähenemine;
- membraani kontuuri kortsumine;
- vesiikulite moodustumine raku pinnal,
- organellide hävitamine.
Loomadel kulmineeruvad need protsessid apoptotsüütide moodustumisega, mida saavad absorbeerida nii makrofaagid kui ka naaberkoe rakud. Taimedes apoptootiliste kehade teket ei toimu ja pärast protoplasti lagunemist säilib rakuseina kujul olev skelett.
Lisaks morfoloogilistele muutustele kaasneb apoptoosiga hulk ümberkorraldusi molekulaarsel tasandil. Lipaasi ja nukleaasi aktiivsus suureneb, mis toob kaasa kromatiini ja paljude valkude killustumise. cAMP sisaldus suureneb järsult, muutub rakumembraani struktuur. Taimerakkudes täheldatakse hiiglaslike vakuoolide moodustumist.
Kuidas apoptoos erineb nekroosist?
Peamine erinevus apoptoosi ja nekroosi vahel on rakkude lagunemise põhjus. Esimesel juhul on hävingu allikaks raku enda molekulaarsed tööriistad, mis töötavad range kontrolli all ja nõuavad ATP energiat. Nekroosiga toimub elutegevuse passiivne peatumine väliste kahjustavate mõjude tõttu.
Apoptoos on loomulik füsioloogiline protsess, mille eesmärk on mitte kahjustada ümbritsevaid rakke. Nekroos on kontrollimatu patoloogiline nähtus, mis tekib kriitiliste vigastuste tagajärjel. Seetõttu pole üllatav, et apoptoosi ja nekroosi mehhanism, morfoloogia ja tagajärjed on suures osas vastupidised. Siiski on ka ühiseid jooni.
Kahjustuse korral käivitavad rakud programmeeritud surma mehhanismi, sealhulgas selleks, et vältida nekrootilist arengut. Hiljutised uuringud on aga näidanud, et on veel üks mittepatoloogiline nekroosi vorm, mis on samuti klassifitseeritud PCC-ks.
Apoptoosi bioloogiline tähtsus
Vaatamata sellele, et apoptoos viib rakusurma, on selle roll kogu organismi normaalse talitluse säilitamisel väga suur. Tänu PGC mehhanismile teostatakse järgmisi füsioloogilisi funktsioone:
- tasakaalu säilitamine rakkude proliferatsiooni ja surma vahel;
- kudede ja elundite uuendamine;
- defektsete ja "vanade" rakkude kõrvaldamine;
- kaitse patogeense nekroosi tekke eest;
- kudede ja elundite muutus embrüo- ja ontogeneesi ajal;
- oma funktsiooni täitnud mittevajalike elementide eemaldamine;
- organismile soovimatute või ohtlike rakkude elimineerimine (mutant, kasvaja, viirusega nakatunud);
- nakkuse arengu ennetamine.
Seega on apoptoos üks viise raku-koe homöostaasi säilitamiseks.
Rakusurma etapid
See, mis juhtub rakuga apoptoosi ajal, on erinevate ensüümide vahelise keerulise molekulaarse interaktsiooni ahela tulemus. Reaktsioonid toimuvad kaskaadina, kui mõned valgud aktiveerivad teisi, aidates kaasa surmastsenaariumi järkjärgulisele arengule. Selle protsessi võib jagada mitmeks etapiks:
- Induktsioon.
- Proapoptootiliste valkude aktiveerimine.
- Kaspaaside aktiveerimine.
- Rakuliste organellide hävitamine ja ümberstruktureerimine.
- Apoptotsüütide moodustumine.
- Rakufragmentide ettevalmistamine fagotsütoosiks.
Iga etapi käivitamiseks, rakendamiseks ja juhtimiseks vajalike komponentide süntees on geneetiliselt määratud, mistõttu apoptoosi nimetatakse programmeeritud rakusurmaks. Selle protsessi aktiveerimine toimub regulatoorsete süsteemide, sealhulgas erinevate PGC inhibiitorite range kontrolli all.
Rakkude apoptoosi molekulaarsed mehhanismid
Apoptoosi arengu määrab kahe molekulaarse süsteemi: induktiivse ja efektorsüsteemi koosmõju. Esimene plokk vastutab ZGK kontrollitud käivitamise eest. See sisaldab niinimetatud surma retseptoreid, Cys-Asp proteaase (kaspaase), mitmeid mitokondriaalseid komponente ja proapoptootilisi valke. Kõik induktsioonifaasi elemendid võib jagada trigeriteks (osalevad induktsioonis) ja modulaatoriteks, mis tagavad surmasignaali ülekande.
Efektorsüsteem koosneb molekulaarsetest tööriistadest, mis tagavad rakuliste komponentide lagunemise ja ümberstruktureerimise. Üleminek esimese ja teise faasi vahel toimub proteolüütilise kaspaasi kaskaadi etapis. Apoptoosi ajal toimub rakusurm tänu efektorbloki komponentidele.
Apoptoosi tegurid
Struktuursed, morfoloogilised ja biokeemilised muutused apoptoosi ajal viiakse läbi teatud spetsiaalsete rakuliste tööriistade komplektiga, millest olulisemad on kaspaasid, nukleaasid ja membraani modifikaatorid.
Kaspaasid on rühm ensüüme, mis lõikavad peptiidsidemeid asparagiinijääkide juurest, fragmenteerides valgud suurteks peptiidideks. Enne apoptoosi algust on nad rakus inhibiitorite tõttu inaktiivses olekus. Kaspaaside peamised sihtmärgid on tuumavalgud.
Nukleaasid vastutavad DNA molekulide lõikamise eest. Apoptoosi arengus on eriti oluline aktiivne endonukleaas CAD, mis lõhub kromatiini sektsioone linkerjärjestuste piirkondades. Selle tulemusena moodustuvad 120-180 nukleotiidipaari pikkused fragmendid. Proteolüütiliste kaspaaside ja nukleaaside kompleksne toime põhjustab tuuma deformatsiooni ja killustumist.
Rakumembraani modifikaatorid - rikuvad bilipiidkihi asümmeetriat, muutes selle fagotsüütiliste rakkude sihtmärgiks.
Apoptoosi arengus on võtmeroll kaspaasidel, mis aktiveerivad järk-järgult kõik järgnevad lagunemise ja morfoloogilise ümberstruktureerimise mehhanismid.
Kaspaaside roll rakusurmas
Kaspaaside perekonda kuulub 14 valku. Mõned neist ei osale apoptoosis ja ülejäänud jagunevad 2 rühma: initsiaator (2, 8, 9, 10, 12) ja efektor (3, 6 ja 7), mida muidu nimetatakse teise astme kaspaasideks. Kõik need valgud sünteesitakse eelkäijatena - prokaspaasidena, mis aktiveeritakse proteolüütilise lõhustamise teel, mille põhiolemus on N-terminaalse domeeni eraldumine ja ülejäänud molekuli jagunemine kaheks osaks, mis seejärel seostatakse dimeerideks ja tetrameerideks.
Initsiaatorkaspaasid on vajalikud efektorrühma aktiveerimiseks, millel on proteolüütiline toime erinevate rakuliste elutähtsate valkude vastu. Teise astme kaspaaside substraadid hõlmavad järgmist:
- DNA parandamise ensüümid;
- p-53 valgu inhibiitor;
- polü(ADP-riboos) polümeraas;
- DNaasi inhibiitor DFF (selle valgu hävitamine viib CAD endonukleaasi aktiveerumiseni) jne.
Efektorkaspaaside sihtmärkide koguarv sisaldab enam kui 60 valku.
Raku apoptoosi inhibeerimine on endiselt võimalik initsiaatorprokaspaaside aktiveerimise etapis. Kui efektorkaspaasid hakkavad tööle, muutub protsess pöördumatuks.
Apoptoosi aktiveerimise teed
Signaali edastamine raku apoptoosi käivitamiseks võib toimuda kahel viisil: retseptor (või väline) ja mitokondriaalne. Esimesel juhul aktiveeritakse protsess spetsiifiliste välissignaale tajuvate surmaretseptorite kaudu, milleks on TNF perekonna valgud või tapja-T-rakkude pinnal paiknevad Fas ligandid.
Retseptor sisaldab 2 funktsionaalset domeeni: transmembraanset domeeni (mis on ette nähtud ligandiga suhtlemiseks) ja "surma domääni", mis on orienteeritud raku sees, mis kutsub esile apoptoosi. Retseptorraja mehhanism põhineb DISC-kompleksi moodustumisel, mis aktiveerib initsiaatorkaspaasid 8 või 10.
Kokkupanek algab surmadomeeni interaktsioonist intratsellulaarsete adaptervalkudega, mis omakorda seovad initsiaatorprokaspaase. Kompleksi osana muudetakse viimased funktsionaalselt aktiivseteks kaspaasideks ja käivitavad täiendava apoptootilise kaskaadi.
Sisemise raja mehhanism põhineb proteolüütilise kaskaadi aktiveerimisel spetsiaalsete mitokondriaalsete valkude poolt, mille vabanemist kontrollivad rakusisesed signaalid. Organellide komponentide väljumine toimub tohutute pooride moodustumise kaudu.
Eriline roll käivitamisel on tsütokroom c-l. Tsütoplasmasse sattudes seondub see elektrilise transpordiahela komponent Apaf1 valguga (apoptootilist faktorit aktiveeriv proteaase), mis viib viimase aktiveerumiseni. Seejärel seob Apaf1 initsiaatorprokaspaasid 9, mis käivitavad kaskaadmehhanismi kaudu apoptoosi.
Sisemist rada kontrollib spetsiaalne Bcl12 perekonna valkude rühm, mis reguleerib mitokondrite intermembraansete komponentide vabanemist tsütoplasmasse. Perekond sisaldab nii pro-apoptootilisi kui ka anti-apoptootilisi valke, mille tasakaal määrab, kas protsess käivitatakse.
Üks võimsamaid tegureid, mis käivitavad mitokondriaalse mehhanismi kaudu apoptoosi, on reaktiivsed hapniku liigid. Teine oluline indutseerija on valk p53, mis aktiveerib DNA kahjustuse korral mitokondriaalse raja.
Mõnikord ühendab raku apoptoosi käivitamine korraga kahte võimalust: nii välist kui ka sisemist. Viimane aitab tavaliselt suurendada retseptori aktiveerimist.