Morfologiczne objawy apoptozy. Apoptoza - funkcje, mechanizmy Etapy apoptozy komórki
![Morfologiczne objawy apoptozy. Apoptoza - funkcje, mechanizmy Etapy apoptozy komórki](https://i0.wp.com/tiensmed.ru/news/uimg/ac/apoptoz-w2c.jpg)
Apoptoza
Śmierć komórek w organizmie może nastąpić na 2 sposoby: martwica I apoptoza.
Apoptoza– jest to rodzaj śmierci komórki, w którym sama komórka aktywnie uczestniczy w procesie jej śmierci, tj. następuje samozniszczenie komórki. Apoptoza w odróżnieniu od martwicy jest procesem aktywnym, po ekspozycji na czynniki etiologiczne uruchamiana jest zaprogramowana genetycznie kaskada reakcji, której towarzyszy aktywacja określonych genów, synteza białek, enzymów, co prowadzi do skutecznego i szybkiego usunięcia komórek z organizmu. tkanka.
Przyczyny apoptozy.
1. Podczas embriogenezy apoptoza odgrywa ważną rolę w niszczeniu różnych zawiązków tkankowych i tworzeniu narządów.
2. Starzejące się komórki, które zakończyły swój cykl rozwojowy, np. limfocyty, które wyczerpały zapas cytokin, ulegają apoptozie.
3. W rosnących tkankach pewna część komórek potomnych ulega apoptozie. Odsetek umierających komórek można regulować za pomocą hormonów ogólnoustrojowych i lokalnych.
4. Przyczyną apoptozy może być słabe działanie czynników szkodliwych, które przy większym natężeniu mogą prowadzić do martwicy (niedotlenienie, promieniowanie jonizujące, toksyny itp.)
Patogeneza apoptozy:
Komórka ulega apoptozie, jeśli w jądrze nastąpi uszkodzenie DNA, którego system naprawczy nie może naprawić. Proces ten monitoruje białko kodowane przez gen p53. Jeżeli wyeliminowanie defektu DNA jest niemożliwe, program apoptozy zostaje aktywowany pod wpływem białka p53.
Wiele komórek posiada receptory, których działanie powoduje aktywację apoptozy. Najbardziej zbadane są receptor Fas występujący na limfocytach oraz receptor czynnika martwicy nowotworu alfa (TNF-α), występujący na wielu komórkach. Receptory te odgrywają ważną rolę w usuwaniu autoreaktywnych limfocytów i regulacji stałości wielkości populacji komórek poprzez sprzężenie zwrotne.
Apoptozę mogą aktywować różne metabolity i hormony: cytokiny przeciwzapalne, hormony steroidowe, tlenek azotu (NO) i wolne rodniki.
Apoptoza komórek jest aktywowana, gdy w tkankach brakuje tlenu. Przyczyną jego aktywacji może być działanie wolnych rodników, zakłócenie energetycznie zależnych procesów naprawy DNA itp.
Komórki, które utraciły kontakt z macierzą zewnątrzkomórkową, błoną podstawną lub komórkami sąsiadującymi, ulegają apoptozie. Utrata tego mechanizmu apoptozy w komórkach nowotworowych prowadzi do pojawienia się zdolności do przerzutów.
Niektóre białka wirusowe mogą aktywować apoptozę komórek po samoorganizacji wirusa w zakażonej komórce. Wchłanianie ciał apoptotycznych przez sąsiednie komórki prowadzi do ich zakażenia wirusem. Wirus AIDS może także aktywować apoptozę niezakażonych komórek, które mają na powierzchni receptor CD4.
Istnieją również czynniki zapobiegające apoptozie. Wiele metabolitów i hormonów, na przykład hormony płciowe i cytokiny prozapalne, może spowalniać apoptozę. Apoptoza może gwałtownie spowolnić z powodu defektów w mechanizmie śmierci komórki, na przykład z mutacją w genie p53 lub aktywacją genów hamujących apoptozę (bcl-2). Wiele wirusów ma zdolność hamowania apoptozy po zintegrowaniu własnego DNA z genomem komórki na okres syntezy własnych białek strukturalnych.
Morfologiczne objawy apoptozy
Apoptoza ma swoje własne, charakterystyczne objawy morfologiczne, zarówno na poziomie optycznym, jak i ultrastrukturalnym. Najwyraźniej cechy morfologiczne są ujawniane za pomocą mikroskopii elektronowej. Komórka podlegająca apoptozie charakteryzuje się:
Kompresja komórek. Komórka zmniejsza się; cytoplazma staje się gęstsza; organelle, które wydają się stosunkowo normalne, są ułożone bardziej zwięźle. Przyjmuje się, że zaburzenie kształtu i objętości komórki następuje w wyniku aktywacji transglutaminazy i proteaz cysteinowych (kaspaz) w komórkach apoptotycznych. Pierwsza grupa enzymów powoduje powstawanie wiązań poprzecznych w białkach cytoplazmatycznych, co prowadzi do powstania pod błoną komórkową swego rodzaju błony, przypominającej keratynizujące komórki nabłonkowe, natomiast druga grupa enzymów niszczy białka w cytozolu.
Kondensacja chromatyny. Jest to najbardziej charakterystyczny przejaw apoptozy. DNA jest rozcinane przez endonukleazy w miejscach wiązania poszczególnych nukleosomów, w wyniku czego powstaje duża liczba fragmentów, w których liczba par zasad jest podzielona przez 180-200, które następnie ulegają kondensacji pod błoną jądrową. Rdzeń może rozbić się na dwa lub więcej fragmentów.
Tworzenie ciał apoptotycznych. W komórce apoptotycznej powstają głębokie wgłębienia błony komórkowej, co prowadzi do odrywania się fragmentów komórkowych, tj. tworzenie otoczonych błoną ciał apoptotycznych składających się z cytoplazmy i gęsto rozmieszczonych organelli, z fragmentami jądrowymi lub bez.
Fagocytoza Komórki lub ciała apoptotyczne przeprowadzane są przez otaczające je zdrowe komórki, zarówno makrofagi, jak i komórki miąższowe. Ciała apoptotyczne są szybko niszczone w lizosomach, a otaczające komórki albo migrują, albo dzielą się, aby wypełnić przestrzeń zwolnioną przez śmierć komórki.
Po zabarwieniu hematoksyliną i eozyną apoptozę wykrywa się w pojedynczych komórkach lub małych grupach komórek. Komórki apoptotyczne mają okrągły lub owalny kształt, intensywnie eozynofilową cytoplazmę z gęstymi fragmentami chromatyny jądrowej. Ponieważ kompresja komórek i tworzenie ciał apoptotycznych następuje szybko i równie szybko ulegają fagocytozie, rozpadowi lub uwolnieniu do światła narządu, apoptozę wykrywa się w preparatach histologicznych w przypadkach jej znacznego nasilenia. Ponadto apoptozie – w przeciwieństwie do martwicy – nigdy nie towarzyszy reakcja zapalna, co również komplikuje jej wykrycie histologiczne.
Do identyfikacji komórek we wczesnych stadiach apoptozy wykorzystuje się specjalne badania immunohistochemiczne, np. wykrywanie aktywowanych kaspaz czy metodę TUNEL, która pozwala na wizualizację DNA rozbitego przez endonukleazy.
Znaczenie apoptozy.
1. Apoptoza ma ogromne znaczenie w embriogenezie (w tym implantacji i organogenezie). Upośledzona śmierć komórek w przestrzeniach międzypalcowych może prowadzić do syndaktylii, a brak apoptozy nadmiaru nabłonka podczas zrastania się wyrostków podniebiennych lub tkanek otaczających cewę nerwową prowadzi do zaburzenia zrostu tkanek po obu stronach, co objawia się rozszczepem odpowiednio podniebienie twarde i ubytek tkanek ograniczających kanał kręgowy (rozszczep kręgosłupa).
2. Apoptoza odgrywa ważną rolę w utrzymaniu stałości składu komórkowego, szczególnie w tkankach wrażliwych na hormony. Spowolnienie apoptozy prowadzi do rozrostu tkanek, przyspieszenie – do atrofii. Bierze udział w złuszczaniu endometrium podczas cyklu menstruacyjnego, atrezji pęcherzyków jajnikowych w okresie menopauzy i regresji tkanki piersi po ustaniu laktacji.
3. Obecnie bada się ogromną liczbę leków mających na celu regulację apoptozy w niektórych tkankach. Zatem przyspieszanie apoptozy komórek immunokompetentnych można zastosować w leczeniu chorób autoimmunologicznych i zapobieganiu odrzuceniu przeszczepu, a spowolnienie apoptozy można zastosować w celu zapobiegania apoptozie w tkankach doświadczających niedokrwienia, zwiększonego ciśnienia zewnętrznego lub chwilowo nieaktywnych tkanek. Spowolnienie apoptozy podczas infekcji wirusowych zapobiega rozprzestrzenianiu się infekcji na sąsiednie komórki.
4. We wszystkich nowotworach apoptoza w komórkach nowotworowych jest upośledzona. Rozpad ten może nastąpić na różnych etapach apoptozy, np. może wystąpić mutacja genu p53, co powoduje, że zmutowane białko p53 będzie gromadzić się w komórce w nadmiarze, ale nie spowoduje apoptozy pomimo defektów w komórce. genom komórki, co doprowadzi do proliferacji komórek z uszkodzonym genomem, a przy każdym kolejnym podziale będą kumulować się naruszenia DNA. Czasami normalne lub „dzikie” białko p53 może gromadzić się w komórkach nowotworowych, jeśli załamanie mechanizmu apoptozy nastąpi na innych poziomach. W przewlekłej białaczce limfatycznej obserwuje się akumulację produktów genu bcl-2, co prowadzi do patologicznego wydłużenia żywotności komórek nowotworowych i ich oporności na różne czynniki proapoptotyczne. Czasami przekazywanie sygnałów z receptorów śmierci komórkowej, na przykład z receptora TNF-α, zostaje zakłócone. TNF-α bierze udział w regulacji zwrotnej populacji komórek. Wszystkie komórki w populacji wydzielają TNF-α w małych ilościach; im więcej komórek w tkance, tym wyższe stężenie TNF-α, a co za tym idzie, poziom apoptozy. W ten sposób osiąga się równowagę pomiędzy proliferacją komórek a śmiercią komórek. Komórki nowotworowe pod wpływem tej cytokiny tracą zdolność do apoptozy i gromadzą się one w dużych ilościach w tkance nowotworowej. W rezultacie TNF-α zaczyna w dużych ilościach przedostawać się do krwioobiegu i powodować apoptozę komórek miąższowych wielu narządów, prowadząc do kacheksji.
Definicja apoptozy. Apoptoza jest zjawiskiem dziedzicznie zaprogramowanej śmierci komórki. Każda komórka w chwili swoich narodzin jest niejako zaprogramowana na samozagładę. Warunkiem jej życia jest zablokowanie tego samobójczego programu.
Apoptoza zachodzi w komórkach:
Starzy, którzy przeżyli swoją użyteczność;
Komórki z upośledzonym różnicowaniem;
Komórki z zaburzeniami genetycznymi;
Komórki zakażone wirusami.
Morfologiczne oznaki apoptozy.
Kurczenie się komórek;
Kondensacja i fragmentacja rdzenia;
Zniszczenie cytoszkieletu;
Pęcherzowy występ błony komórkowej.
Cechy apoptozy - apoptoza nie powoduje stanu zapalnego w otaczających tkankach, powodem jest zachowanie błony i → izolacja czynników uszkadzających w cytoplazmie do czasu zakończenia procesu (O 2 -, H 2 O 2, enzymy lizosomalne). Cecha ta jest ważną pozytywną cechą apoptozy, w przeciwieństwie do martwicy. W przypadku martwicy błona ulega natychmiastowemu uszkodzeniu (lub pęknięciu). Dlatego podczas martwicy uwalniana jest zawartość cytoplazmy (O 2 -, H 2 O 2, enzymy lizosomalne). Uszkodzenie sąsiednich komórek i następuje proces zapalny. Ważną cechą apoptozy jest usuwanie umierających komórek bez rozwoju stanu zapalnego.
Proces apoptozy - można podzielić na 2 (dwa) etapy:
1. Tworzenie i przewodzenie sygnałów apoptotycznych – faza decyzyjna.
2. Demontaż struktur komórkowych – faza efektorowa.
Faza 1 – podejmowanie decyzji (=tworzenie i akceptacja sygnałów apoptotycznych). Jest to faza przyjmowania bodźców do apoptozy. W zależności od charakteru bodźców mogą istnieć dwa (2) rodzaje ścieżek sygnalizacyjnych:
1) Uszkodzenie DNA w wyniku promieniowania, działania środków toksycznych, glukokortykoidów itp.
2) aktywacja receptorów „regionu śmierci komórki”.. Receptory regionu śmierci komórkowej to grupa receptorów na błonach dowolnych komórek, które odbierają bodźce proapoptotyczne. Jeśli wzrasta liczba i aktywność takich receptorów, wzrasta liczba komórek umierających apoptycznie. Receptory „regionu śmierci komórki” obejmują: a) TNF-R (wiąże się z czynnikiem martwicy nowotworu i aktywuje apoptozę); b) Fas-R (k); c) CD45-R (wiąże się z przeciwciałami i aktywuje apoptozę).
W zależności od rodzaju sygnału wyróżnia się 2 (dwa) główne sposoby apoptozy: a) w wyniku uszkodzenia DNA;
b) w wyniku niezależnej aktywacji receptorów „regionu śmierci komórki” bez uszkodzenia DNA.
II faza – efektorowa (= demontaż struktur komórkowych. Główni uczestnicy fazy efektorowej:
Proteazy cysteinowe (kaspazy);
Endonukleazy;
Proteazy serynowe i lizosomalne;
Proteazy aktywowane Ca++ (kalpeina)
Ale! Wśród nich głównymi efektorami demontażu struktur komórkowych są kaspazy.
Klasyfikacja kaspaz - 3 (trzy) grupy:
Kaspazy efektorowe - kaspazy 3, 6, 7.
Induktory aktywacji kaspaz efektorowych – kaspazy 2, 8, 9, 10. = aktywatory cytokin – kaspazy 1, 4, 5, 13.
Kaspazy efektorowe to kaspazy 3, 6, 7. Są one bezpośrednimi wykonawcami apoptozy. Te kaspazy są w komórce w stanie nieaktywnym. Aktywowane kaspazy efektorowe rozpoczynają łańcuch zdarzeń proteolitycznych, których celem jest „rozmontowanie” komórki. Są aktywowane przez induktory aktywacji kaspaz efektorowych.
Induktory aktywacji kaspaz efektorowych – kaspazy 2, 8, 9, 10. Głównymi induktorami są kaspazy 8 i 9. Aktywują kaspazy efektorowe. Mechanizm polega na rozszczepieniu zasad asparaginowych, a następnie dimeryzacji aktywnych podjednostek. Te kaspazy są zwykle nieaktywne w komórkach i występują w postaci prokaspaz.
Aktywacja niektórych induktorów zależy od rodzaju szlaku sygnałowego:
1. Kiedy następuje uszkodzenie DNA, aktywowany jest szlak sygnałowy nr 1 i kaspaza nr 9.
2. Gdy aktywowane są receptory śmierci komórkowej, zaangażowany jest szlak sygnalizacyjny nr 2 i aktywowana jest kaspaza nr 8.
Ścieżka sygnalizacyjna nr 1 (związana z uszkodzeniem DNA)
Uszkodzenie DNA
Aktywacja genu p53 i produkcja odpowiedniego białka
Aktywacja genów proapoptotycznych z rodziny BCL-2 (BAX i BID)
Tworzenie białek tych genów
Aktywacja kaspazy 9
Aktywacja kaspazy 3
Ścieżka sygnałowa nr 2
(związany z aktywacją „regionu śmierci komórki”)
Ligand + receptory „regionu śmierci komórki”
Aktywacja kaspazy nr 8
Niezależna aktywacja kaspazy nr 3
Aktywacja innych kaspaz i proteaz
Regulacja apoptozy. Badania prowadzone w ostatnich latach doprowadziły do stworzenia modelu apoptozy. Według tego modelu każda komórka w momencie narodzin jest zaprogramowana na samozniszczenie. Dlatego warunkiem jej życia jest zablokowanie tego samobójczego programu. Głównym zadaniem regulacji apoptozy jest utrzymanie kaspaz efektorowych w stanie nieaktywnym, ale szybkie przekształcenie ich w formę aktywną w odpowiedzi na minimalne działanie odpowiednich induktorów.
Stąd koncepcja inhibitorów i aktywatorów apoptozy.
Inhibitory apoptozy (=czynniki antyapoptotyczne). Do najpoważniejszych inhibitorów apoptozy zaliczają się czynniki wzrostu. Inne: aminokwasy obojętne, cynk, estrogeny, androgeny, niektóre białka.
Przykład: Białka z rodziny IAP tłumią aktywność kaspaz 3 i 9. Pamiętaj: jedno z tych białek (Survin) występuje w komórkach nowotworowych. Jest to związane z opornością komórek nowotworowych na chemioterapię
Aktywatory apoptozy (=czynniki proapoptotyczne). Są to geny proapoptotyczne i ich produkty: a) geny z rodziny BCL-2 (BAX i BID); b) Geny Rb i P53 (wyzwalają apoptozę, jeśli komórka zostanie zatrzymana przez mechanizm punktu kontrolnego).
Streszczenie. Patogeneza wielu chorób, w tym nowotworów, wiąże się ze zmniejszeniem zdolności komórek do apoptozy. Stąd gromadzenie się uszkodzonych komórek i powstawanie nowotworu.
PATOFIZJOLOGIA PODZIAŁU KOMÓREK
Główna różnica między podziałem komórki zdrowej i nowotworowej:
Podział zdrowej komórki regulowany jest parakrynnie i endokrynnie. Komórka słucha tych sygnałów i dzieli się tylko wtedy, gdy organizm potrzebuje wytworzenia nowych komórek danego typu.
Podział komórek nowotworowych regulowany jest w sposób autokrynny. Komórka nowotworowa sama wytwarza stymulatory mitogenne i pod ich wpływem ulega podziałowi. Nie reaguje na bodźce parakrynne i endokrynologiczne.
Istnieją 2 (dwa) mechanizmy transformacji komórek nowotworowych:
1. Aktywacja onkogenów.
2. Inaktywacja genów supresorowych.
AKTYWACJA ONKOGENU
Przede wszystkim 2 (dwa) główne pojęcia: = protoonkogeny;
Onkogeny.
Protoonkogeny to normalne, nienaruszone geny kontrolujące zdrowy podział komórek.
Do protoonkogenów zaliczają się geny kontrolujące edukację i pracę:
1. Czynniki wzrostu.
2. Receptory błonowe dla czynników wzrostu, np. receptory kinazy tyrozynowej.
3. Białka Ras.
4. Kinazy MAP, uczestnicy kaskady kinaz MAP.
5. Czynniki transkrypcyjne AP-1.
Onkogeny to uszkodzone protoonkogeny. Proces uszkadzania protoonkogenu i przekształcania go w onkogen nazywa się aktywacją onkogenu.
Mechanizmy aktywacji onkogenów.
1. Włączenie (wstawienie) promotora. Promotor to region DNA, z którym wiąże się polimeraza RNA protoonkogenu. Warunkiem koniecznym jest to, aby promotor znajdował się w bliskiej odległości od protoonkogenu. Stąd opcje: a) promotor – kopia DNA onkornawirusów; b) „skaczące geny” – odcinki DNA, które mogą przemieszczać się i integrować z różnymi częściami genomu komórki.
2. Amplifikacja – wzrost liczby protoonkogenów lub pojawienie się kopii protoonkogenów. Protoonkogeny zwykle wykazują niewielką aktywność. Wraz ze wzrostem liczby lub wyglądu kopii ich ogólna aktywność znacznie wzrasta, co może prowadzić do transformacji nowotworowej komórki.
3. Translokacja protoonkogenów. Jest to ruch protoonkogenu do locus z działającym promotorem.
4. Mutacje protoonkogenów.
Produkcja onkogenów. Onkogeny tworzą własne białka. Białka te nazywane są „onkoproteinami”.
Syntezę onkoprotein nazywa się „ekspresją aktywnych onkogenów komórkowych”.
Onkoproteiny są w zasadzie analogami białek protoonkogenów: czynnikami wzrostu, białkami Ras, kinazami MAP, czynnikami transkrypcyjnymi. Istnieją jednak ilościowe i jakościowe różnice między onkogenami i białkami protoonkogenu.
Różnice między onkoproteinami a normalną produkcją protoonkogenu:
1. Zwiększona synteza onkoprotein w porównaniu z syntezą białek protoonkogenów.
2. Onkoproteiny różnią się strukturalnie od białek protoonkogenów.
Mechanizm działania onkoprotein.
1. Onkoproteiny wiążą się z receptorami czynników wzrostu i tworzą kompleksy, które stale generują sygnały podziału komórek.
2. Onkoproteiny zwiększają wrażliwość receptorów na czynniki wzrostu lub zmniejszają wrażliwość na inhibitory wzrostu.
3. Onkoproteiny same mogą działać jako czynniki wzrostu.
INAKTYWACJA GENÓW SUPRESOROWYCH
Geny supresorowe: Rb I str. 53.
Ich produktami są odpowiednie białka.
Inaktywacja genów supresorowych (dziedzicznych lub nabytych) prowadzi do przejścia komórek z uszkodzonym DNA do mitozy, reprodukcji i akumulacji tych komórek. Jest to możliwa przyczyna powstania guza.
WZROST NOWOTWORU: DEFINICJA, PRZYCZYNY WZROSTU LICZBY CHORÓB ZŁOŚLIWYCH
Guz jest patologicznym rozrostem, który różni się od innych patologicznych rozrostów swoją dziedziczną zdolnością do nieograniczonego, niekontrolowanego wzrostu.
Inne narośla patologiczne to rozrost, przerost, regeneracja po uszkodzeniu.
Przyczyny wzrostu liczby chorób nowotworowych wśród populacji:
1. Zwiększona długość życia.
2. Poprawa jakości diagnostyki → zwiększenie wykrywalności nowotworów.
3. Pogorszenie stanu środowiska, wzrost zawartości czynników rakotwórczych w środowisku.
GUZY ŁAGODNE I ZŁOŚLIWE
Nie stworzono jeszcze jednolitej klasyfikacji nowotworów. Przyczyna:
1. Szeroka gama objawów charakterystycznych dla różnych nowotworów.
2. Niedostateczna wiedza na temat ich etiologii i patogenezy.
Nowoczesne klasyfikacje opierają się na głównych morfologicznych i klinicznych objawach nowotworów.
Na podstawie cech klinicznych wszystkie nowotwory dzielimy na łagodne i złośliwe.
Łagodne nowotwory:
1. Komórki nowotworowe są morfologicznie identyczne lub podobne do normalnych komórek progenitorowych.
2. Stopień zróżnicowania komórek nowotworowych jest dość wysoki.
3. Tempo wzrostu jest powolne i trwa przez wiele lat.
4. Charakter wzrostu jest ekspansywny, tj. Podczas wzrostu nowotworu sąsiednie tkanki są rozsuwane, czasami ściskane, ale zwykle nie ulegają uszkodzeniu.
5. Odgraniczenie od otaczających tkanek jest wyraźne.
6. Brak zdolności do przerzutów.
7. Brak wyraźnych niekorzystnych skutków dla organizmu. Wyjątek: nowotwory zlokalizowane w pobliżu ośrodków życiowych. Przykład: guz mózgu uciskający ośrodki nerwowe.
Nowotwory złośliwe.
1. Komórki nowotworowe różnią się morfologicznie od normalnych komórek progenitorowych (często nie do poznania).
2. Stopień zróżnicowania komórek nowotworowych jest niski.
3. Tempo wzrostu jest szybkie.
4. Charakter wzrostu jest inwazyjny, tj. guz wrasta w sąsiednie struktury. Czynniki przyczyniające się:
Komórki nowotworowe nabywają zdolność odrywania się od węzła nowotworowego i aktywnego poruszania się;
Zdolność komórek nowotworowych do wytwarzania „karcynoagresyn”. Są to białka, które przenikają do otaczającej zdrowej tkanki i stymulują chemotaksję komórek nowotworowych.
Zmniejszone siły adhezji komórek. Ułatwia to oddzielenie komórek nowotworowych od węzła pierwotnego i ich późniejsze przemieszczanie.
Zmniejszenie hamowania kontaktowego.
5. Odgraniczenie od otaczających tkanek – nie.
6. Wyraźna jest zdolność do przerzutów.
7. Wpływ na organizm jest niekorzystny, uogólniony.
Na stronie znajdują się informacje referencyjne wyłącznie w celach informacyjnych. Diagnozowanie i leczenie chorób musi odbywać się pod nadzorem specjalisty. Wszystkie leki mają przeciwwskazania. Wymagana konsultacja ze specjalistą!
Co to jest apoptoza?
Apoptoza– fizjologiczna śmierć komórki, będąca rodzajem genetycznie zaprogramowanego samozniszczenia.Termin „apoptoza” jest tłumaczony z języka greckiego jako „opadanie”. Autorzy terminu nadali tę nazwę procesowi programowanej śmierci komórki, gdyż wiąże się z nim jesienne opadanie zwiędłych liści. Ponadto sama nazwa charakteryzuje proces jako fizjologiczny, stopniowy i całkowicie bezbolesny.
U zwierząt najbardziej uderzającym przykładem apoptozy jest zwykle zanik ogona żaby podczas metamorfozy kijanki w postać dorosłą.
W miarę dorastania żaby ogon całkowicie zanika, gdyż jej komórki ulegają stopniowej apoptozie – zaprogramowanej śmierci i wchłanianiu zniszczonych elementów przez inne komórki.
Zjawisko genetycznie zaprogramowanej śmierci komórki występuje u wszystkich eukariontów (organizmów, których komórki posiadają jądro). Prokarioty (bakterie) mają specyficzny odpowiednik apoptozy. Można powiedzieć, że zjawisko to jest charakterystyczne dla wszystkich żywych istot, z wyjątkiem takich specjalnych przedkomórkowych form życia, jak wirusy.
Apoptozie mogą ulegać zarówno pojedyncze komórki (zwykle wadliwe), jak i całe konglomeraty. To ostatnie jest szczególnie charakterystyczne dla embriogenezy. Na przykład eksperymenty naukowców wykazały, że w wyniku apoptozy podczas embriogenezy zanikają błony między palcami kurczaków.
Naukowcy twierdzą, że u ludzi wrodzone anomalie, takie jak zrośnięte palce u rąk i nóg, powstają również w wyniku zakłócenia normalnej apoptozy we wczesnych stadiach embriogenezy.
Historia odkrycia teorii apoptozy
Badania nad mechanizmami i znaczeniem genetycznie zaprogramowanej śmierci komórki rozpoczęły się w latach sześćdziesiątych ubiegłego wieku. Naukowców interesował fakt, że skład komórkowy większości narządów przez całe życie organizmu jest prawie taki sam, ale cykl życiowy różnych typów komórek znacznie się różni. W tym przypadku wiele komórek jest stale wymienianych.Zatem względna stałość składu komórkowego wszystkich organizmów jest utrzymywana przez dynamiczną równowagę dwóch przeciwstawnych procesów - proliferacji komórek (podział i wzrost) oraz fizjologicznej śmierci przestarzałych komórek.
Autorstwo tego terminu należy do brytyjskich naukowców – J. Kerra, E. Wileya i A. Kerry’ego, którzy jako pierwsi wysunęli i uzasadnili koncepcję zasadniczej różnicy pomiędzy fizjologiczną śmiercią komórek (apoptozą) a ich śmiercią patologiczną (martwicą). .
W 2002 roku naukowcy z laboratorium Cambridge, biolodzy S. Brenner, J. Sulston i R. Horwitz, otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie fizjologii lub medycyny za odkrycie podstawowych mechanizmów genetycznej regulacji rozwoju narządów i badanie programowanej śmierci komórki.
Obecnie teorii apoptozy poświęconych jest dziesiątki tysięcy prac naukowych, ukazujących podstawowe mechanizmy jej rozwoju na poziomie fizjologicznym, genetycznym i biochemicznym. Trwają aktywne poszukiwania jego regulatorów.
Szczególnie interesujące są badania, które umożliwiają praktyczne zastosowanie regulacji apoptozy w leczeniu chorób onkologicznych, autoimmunologicznych i neurodystroficznych.
Mechanizm
Mechanizm rozwoju apoptozy nie został dotychczas w pełni poznany. Udowodniono, że proces ten można indukować niskim stężeniem większości substancji powodujących martwicę.Jednak w większości przypadków genetycznie zaprogramowana śmierć komórki następuje, gdy odbierane są sygnały z cząsteczek – regulatorów komórkowych, takich jak:
- hormony;
- antygeny;
- przeciwciała monoklonalne itp.
Typowe jest, że sygnałem rozwoju apoptozy może być albo obecność substancji aktywujących, albo brak pewnych związków, które zapobiegają rozwojowi programowanej śmierci komórki.
Odpowiedź komórki na sygnał zależy nie tylko od jego siły, ale także od ogólnego stanu początkowego komórki, cech morfologicznych jej różnicowania i etapu cyklu życiowego.
Jednym z podstawowych mechanizmów apoptozy na etapie jej realizacji jest degradacja DNA, skutkująca fragmentacją jądra. W odpowiedzi na uszkodzenia DNA uruchamiane są reakcje ochronne, mające na celu jego odbudowę.
Nieudane próby odtworzenia DNA prowadzą do całkowitego wyczerpania energetycznego komórki, co staje się bezpośrednią przyczyną jej śmierci.
Mechanizm apoptozy - wideo
Fazy i etapy
Wyróżnia się trzy fizjologiczne fazy apoptozy:1. Sygnalizacja (aktywacja wyspecjalizowanych receptorów).
2. Efektor (tworzenie pojedynczego szlaku apoptozy z heterogenicznych sygnałów efektorowych i uruchomienie kaskady złożonych reakcji biochemicznych).
3. Odwodnienie (dosłownie odwodnienie - śmierć komórki).
Ponadto wyróżnia się dwa etapy procesu:
1.
Pierwszy etap - preapoptoza. Na tym etapie wielkość komórki zmniejsza się na skutek jej skurczu, a w jądrze zachodzą odwracalne zmiany (zagęszczenie chromatyny i jej akumulacja wzdłuż obwodu jądra). W przypadku ekspozycji na określone regulatory apoptozę można zatrzymać, a komórka powróci do normalnego funkcjonowania.
2.
Drugim etapem jest sama apoptoza. Wewnątrz komórki zachodzą duże zmiany we wszystkich jej organellach, ale najbardziej znaczące przemiany zachodzą w jądrze i na powierzchni jej zewnętrznej błony. Błona komórkowa traci kosmki i normalne fałdowanie, na jej powierzchni tworzą się pęcherzyki – komórka ma wrażenie, jakby wrzała, w wyniku czego rozpada się na tzw. ciała apoptotyczne, wchłaniane przez makrofagi tkankowe i/lub komórki sąsiednie.
Morfologicznie zdeterminowany proces apoptozy trwa zwykle od jednej do trzech godzin.
Martwica i apoptoza komórek. Podobieństwa i różnice
Terminy martwica i apoptoza odnoszą się do całkowitego ustania aktywności komórki. Jednakże apoptoza odnosi się do śmierci fizjologicznej, a martwica odnosi się do śmierci patologicznej.Apoptoza jest genetycznie zaprogramowanym ustaniem istnienia, czyli z definicji ma wewnętrzną przyczynę rozwoju, natomiast martwica następuje w wyniku działania niezwykle silnych czynników zewnętrznych w stosunku do komórki:
- brak składników odżywczych;
- zatrucie toksynami itp.
Ponadto śmierć komórki w procesach martwicy i apoptozy różni się morfologicznie – pierwsza charakteryzuje się pęcznieniem, natomiast w drugiej komórka kurczy się, a jej błony pogrubiają się.
Podczas apoptozy dochodzi do śmierci organelli komórkowych, jednak błona pozostaje nienaruszona, dzięki czemu powstają tzw. ciała apoptotyczne, które następnie są wchłaniane przez wyspecjalizowane komórki – makrofagi lub komórki sąsiednie.
W przypadku martwicy błona komórkowa pęka i zawartość komórki wydostaje się na zewnątrz. Rozpoczyna się reakcja zapalna.
Jeżeli odpowiednio duża liczba komórek uległa martwicy, stan zapalny objawia się charakterystycznymi objawami klinicznymi znanymi od czasów starożytnych, takimi jak:
- ból;
- zaczerwienienie (rozszerzenie naczyń krwionośnych w dotkniętym obszarze);
- obrzęk (obrzęk zapalny);
- lokalny, a czasem ogólny wzrost temperatury;
- mniej lub bardziej wyraźna dysfunkcja narządu, w którym wystąpiła martwica.
Znaczenie biologiczne
![](https://i0.wp.com/tiensmed.ru/news/uimg/ac/apoptoz-w2c.jpg)
1. Realizacja prawidłowego rozwoju organizmu w okresie embriogenezy.
2. Zapobieganie proliferacji zmutowanych komórek.
3.
Regulacja układu odpornościowego.
4.
Zapobieganie przedwczesnemu starzeniu się organizmu.
Proces ten odgrywa wiodącą rolę w embriogenezie, gdyż wiele narządów i tkanek ulega znaczącym przemianom w trakcie rozwoju embrionalnego. Wiele wad wrodzonych wynika z niewystarczającej aktywności apoptotycznej.
Jako zaprogramowana samozniszczenie wadliwych komórek, proces ten stanowi potężną naturalną ochronę przed rakiem. Przykładowo wirus brodawczaka ludzkiego blokuje receptory komórkowe odpowiedzialne za apoptozę i w ten sposób prowadzi do rozwoju raka szyjki macicy i niektórych innych narządów.
Dzięki temu procesowi następuje fizjologiczna regulacja klonów limfocytów T odpowiedzialnych za odporność komórkową organizmu. Komórki, które nie są w stanie rozpoznać białek własnego organizmu (a w sumie około 97% z nich dojrzewa) ulegają apoptozie.
Niedostatek apoptozy prowadzi do ciężkich chorób autoimmunologicznych, natomiast jej nasilenie jest możliwe w stanach niedoborów odporności. Na przykład nasilenie AIDS koreluje z nasileniem tego procesu w limfocytach T.
Ponadto mechanizm ten ma ogromne znaczenie dla funkcjonowania układu nerwowego: odpowiada za prawidłowe powstawanie neuronów, a także może powodować wczesne niszczenie komórek nerwowych w chorobie Alzheimera.
Jedną z teorii starzenia się organizmu jest teoria apoptozy. Udowodniono już, że jest to przyczyną przedwczesnego starzenia się tkanek, gdzie śmierć komórek pozostaje nieodwracalna (tkanka nerwowa, komórki mięśnia sercowego). Z drugiej strony niedostateczna apoptoza może przyczynić się do gromadzenia się w organizmie starzejących się komórek, które normalnie fizjologicznie obumierają i są zastępowane nowymi (przedwczesne starzenie się tkanki łącznej).
Rola teorii apoptozy w medycynie
Rolą teorii apoptozy w medycynie jest możliwość znalezienia sposobów regulacji tego procesu w celu leczenia i zapobiegania wielu stanom patologicznym spowodowanym osłabieniem lub odwrotnie wzmocnieniem apoptozy.Badania prowadzone są jednocześnie w wielu kierunkach. Przede wszystkim należy zwrócić uwagę na badania naukowe w tak ważnej dziedzinie medycyny, jaką jest onkologia. Ponieważ wzrost guza jest spowodowany defektem genetycznie zaprogramowanej śmierci zmutowanych komórek, badana jest możliwość specyficznej regulacji apoptozy, wraz ze wzrostem jej aktywności w komórkach nowotworowych.
Działanie niektórych leków chemioterapeutycznych szeroko stosowanych w onkologii opiera się na wzmaganiu procesów apoptozy. Ponieważ komórki nowotworowe są bardziej podatne na ten proces, wybiera się dawkę substancji wystarczającą do zabicia komórek patologicznych, ale stosunkowo nieszkodliwą dla normalnych.
Niezwykle ważne dla medycyny są także badania badające rolę apoptozy w degeneracji tkanki mięśnia sercowego pod wpływem niewydolności krążenia. Grupa chińskich naukowców (Lv X, Wan J, Yang J, Cheng H, Li Y, Ao Y, Peng R) opublikowała nowe dane eksperymentalne, które dowodzą możliwości sztucznego ograniczania apoptozy w kardiomiocytach poprzez wprowadzenie określonych substancji hamujących.
Jeżeli badania teoretyczne na obiektach laboratoryjnych uda się zastosować w praktyce klinicznej, będzie to duży krok naprzód w walce z chorobą niedokrwienną serca. Patologia ta zajmuje pierwsze miejsce wśród przyczyn zgonów we wszystkich krajach wysoko rozwiniętych, dlatego przejście od teorii do praktyki byłoby trudne do przecenienia.
Kolejnym bardzo obiecującym kierunkiem jest rozwój metod regulacji tego procesu w celu spowolnienia starzenia się organizmu. Prowadzone są badania teoretyczne nad stworzeniem programu łączącego w sobie zwiększenie aktywności apoptozy starzejących się komórek i jednoczesne zwiększenie proliferacji młodych elementów komórkowych. Poczyniono tu pewien postęp na poziomie teoretycznym, jednak do przejścia od teorii do rozwiązań praktycznych jeszcze daleko.
Ponadto na szeroką skalę prowadzone są badania naukowe w następujących obszarach:
- alergologia;
- immunologia;
- terapia chorób zakaźnych;
- transplantologia;
Apoptoza to zaprogramowana śmierć komórki (inicjowana pod wpływem czynników zewnątrz- lub wewnątrzkomórkowych), w rozwoju której aktywną rolę odgrywają specjalne i genetycznie zaprogramowane mechanizmy wewnątrzkomórkowe. To, w przeciwieństwie do martwicy, jest procesem aktywnym, który wymaga pewnych zużycie energii. Początkowo próbowali rozróżnić pojęcia „ Zaprogramowana śmierć komórki" I " apoptoza„: pierwszy termin obejmował eliminację komórek w embriogenezie, a drugi – programowaną śmierć tylko dojrzałych, zróżnicowanych komórek. Teraz stało się jasne, że nie ma w tym żadnego praktyczności (mechanizmy rozwoju śmierci komórkowej są takie same) i oba pojęcia stały się synonimami, choć skojarzenie to nie jest bezsporne.
Zanim zaczniemy przedstawiać materiał na temat roli apoptozy w życiu komórki (i organizmu) w warunkach normalnych i patologicznych, rozważymy mechanizm apoptozy. Ich realizację można przedstawić w formie stopniowego rozwoju następujących etapów:
Scena 1 – etap inicjacji (indukcji). .
W zależności od pochodzenia sygnału stymulującego apoptozę wyróżnia się:
wewnątrzkomórkowe bodźce apoptozy. Wśród nich najbardziej znane to różnego rodzaju promieniowanie, nadmiar H+, tlenek azotu, wolne rodniki tlenowe i lipidowe, hipertermia itp. Wszystkie mogą powodować różnego rodzaju uszkodzenie chromosomu(pęknięcia DNA, zaburzenia w jego konformacji itp.) oraz błony wewnątrzkomórkowe(zwłaszcza mitochondria). Oznacza to, że w tym przypadku przyczyną apoptozy jest „niezadowalający stan samej komórki” (Mushkambirov N.P., Kuznetsov S.L., 2003). Co więcej, uszkodzenie struktur komórkowych powinno być dość silne, ale nie destrukcyjne. Komórka musi zachować zasoby energetyczne i materialne, aby aktywować geny apoptozy i ich mechanizmy efektorowe. Wewnątrzkomórkowy szlak stymulujący programowaną śmierć komórki można określić jako „ apoptoza od wewnątrz»;
transbłonowe bodźce apoptozy, czyli w tym przypadku jest aktywowany przez zewnętrzną „sygnalizację”, która przekazywana jest przez receptory błonowe lub (rzadziej) wewnątrzkomórkowe. Komórka może być całkiem żywotna, ale z punktu widzenia całego organizmu lub „błędnej” stymulacji apoptozy musi umrzeć. Ten typ apoptozy nazywa się „ apoptoza na polecenie».
Bodźce transbłonowe dzielą się na:
« negatywny» sygnały. Do prawidłowego funkcjonowania komórki, regulacji jej podziału i rozmnażania konieczne jest oddziaływanie na nią poprzez receptory różnych substancji biologicznie czynnych: czynników wzrostu, cytokin, hormonów. Między innymi tłumią mechanizmy śmierci komórkowej. I naturalnie niedobór lub brak tych substancji biologicznie czynnych aktywuje mechanizmy programowanej śmierci komórki;
« pozytywny» sygnały. Cząsteczki sygnalizacyjne, takie jak TNFα, glukokortykoidy, niektóre antygeny, białka adhezyjne itp., po interakcji z receptorami komórkowymi, mogą wywołać program apoptozy.
Na błonach komórkowych znajduje się grupa receptorów, których zadaniem jest przekazywanie sygnału do rozwoju apoptozy, co jest główną, a może nawet jedyną funkcją. Są to na przykład białka z grupy DR (recepty śmierci – „ receptory śmierci"): DR 3, DR 4, DR 5. Najlepiej zbadany jest receptor Fas, który pojawia się na powierzchni komórek (hepatocytów) samoistnie lub pod wpływem aktywacji (dojrzałe limfocyty). Receptor Fas, wchodząc w interakcję z receptorem Fas (ligandem) zabójczego limfocytu T, uruchamia program śmierci komórki docelowej. Jednakże interakcja receptora Fas z ligandem Fas w obszarach odizolowanych od układu odpornościowego kończy się śmiercią samego zabójcy T (patrz poniżej).
Należy pamiętać, że niektóre cząsteczki sygnalizujące apoptozę, w zależności od sytuacji, mogą wręcz przeciwnie blokować rozwój programowanej śmierci komórki. Ambiwalencja(podwójna manifestacja przeciwnych cech) jest charakterystyczna dla TNF, IL-2, interferonu γ itp.
Na błonach erytrocytów, płytek krwi, leukocytów, a także komórek płuc i skóry, specjalne antygeny markerowe. Syntetyzują substancje fizjologiczne autoprzeciwciała i oni, spełniając tę rolę opsoniny, promują fagocytozę tych komórek, tj. śmierć komórki następuje przez autofagocytoza. Okazało się, że antygeny markerowe pojawiają się na powierzchni komórek „starych” (które przeszły rozwój ontogenetyczny) i uszkodzonych, natomiast komórki młode i nieuszkodzone ich nie posiadają. Antygeny te nazywane są „antygenami markerowymi starzenia się i uszkodzonych komórek” lub „białkiem trzeciego pasma”. Pojawienie się białka trzeciego pasma jest kontrolowane przez genom komórki. Dlatego autofagocytozę można uznać za wariant programowanej śmierci komórki.
Mieszany sygnały. Jest to łączny efekt sygnałów z pierwszej i drugiej grupy. Na przykład apoptoza zachodzi w limfocytach aktywowanych przez mitogon (sygnał dodatni), ale nie mających kontaktu z antygenem (sygnał ujemny).
Etap 2 – etap programowania (kontrola i integracja mechanizmów apoptozy).
Etap ten charakteryzuje się dwoma diametralnie przeciwstawnymi procesami obserwowanymi po inicjacji. Albo się stanie:
realizacja sygnału wyzwalającego apoptozę poprzez aktywację jej programu (efektorami są kaspazy i endonukleazy);
działanie wyzwalacza apoptozy jest blokowane.
Istnieją dwie główne, choć nie wykluczające się, możliwości realizacji etapu programowania (rys. 14):
Ryż. 14. Kaskada kaspaz i jej cele
R – receptor błonowy; K – kaspaza, AIF – proteaza mitochondrialna; Cytat C – cytochrom c, Apaf-1 – białko cytoplazmatyczne, IAP – inhibitory kaspazy
1. Bezpośrednia transmisja sygnału (bezpośrednia droga aktywacji mechanizmów efektorowych apoptozy z pominięciem genomu komórki) realizowana jest poprzez:
białka adaptorowe. Na przykład w ten sposób apoptoza jest wyzwalana przez zabójcze limfocyty T. Aktywuje kaspazę-8 (białko adaptorowe). TNF może działać podobnie;
cytochrom C i proteaza AIF (proteaza mitochondrialna). Wychodzą z uszkodzonych mitochondriów i aktywują kaspazę-9;
granzymy. Limfocyty T zabójcze syntetyzują białko perforynę, która tworzy kanały w plazmalemie komórki docelowej. Enzymy proteolityczne dostają się do komórki tymi kanałami. granzymy, wydzielane przez tego samego zabójcę T i wyzwalają kaskadę sieci kaspaz.
2. Pośrednia transmisja sygnału. Jest ona realizowana z wykorzystaniem genomu komórki poprzez:
represja genów kontrolujących syntezę białek hamujących apoptozę (geny Bcl-2, Bcl-XL itp.). Białka Bcl-2 w normalnych komórkach są częścią błony mitochondrialnej i zamykają kanały, przez które cytochrom C i proteaza AIF opuszczają te organelle;
ekspresja, aktywacja genów kontrolujących syntezę białek aktywujących apoptozę (geny Bax, Bad, Bak, Rb, P 53 itp.). Te z kolei aktywują kaspazy (k-8, k-9).
Na ryc. Figura 14 przedstawia przybliżony schemat zasady aktywacji kaspazy. Można zauważyć, że niezależnie od tego, gdzie zaczyna się kaskada, jej kluczowym punktem jest kaspaza 3. Jest ona również aktywowana przez kaspazy 8 i 9. W sumie rodzina kaspaz obejmuje ponad 10 enzymów. Zlokalizowane w cytoplazmie komórki w stanie nieaktywnym (prokaspazy). Pozycja wszystkich kaspaz w tej kaskadzie nie została w pełni wyjaśniona, dlatego na schemacie brakuje niektórych z nich. Gdy tylko kaspazy 3,7,6 (prawdopodobnie ich inne typy) zostaną aktywowane, następuje etap 3 apoptozy.
Etap 3 – etap realizacji programu (wykonawczy, efektor).
Bezpośrednimi wykonawcami („katami” komórki) są wspomniane powyżej kaspazy i endonukleazy. Miejscami zastosowania ich działania (proteolizy) są (ryc. 14):
białka cytoplazmatyczne – białka cytoszkieletowe (fodryna i aktyna). Hydroliza fodryny wyjaśnia zmianę powierzchni komórki - „fałdowanie” plazmalemy (pojawienie się na niej wgłębień i wypukłości);
białka niektórych cytoplazmatycznych enzymów regulacyjnych: fosfolipaza A2, kinaza białkowa C itp.;
białka jądrowe. Proteoliza białek jądrowych odgrywa główną rolę w rozwoju apoptozy. Białka strukturalne, białka enzymów replikacji i naprawy (kinazy białkowe DNA itp.), białka regulatorowe (pRb itp.) oraz białka inhibitorów endonukleazy ulegają zniszczeniu.
Dezaktywacja ostatniej grupy – białka będące inhibitorami endonukleaz prowadzą do aktywacji endonukleaz, druga „pistolet » apoptoza. Obecnie endonukleazy, a zwłaszcza Sa 2+ , Mg 2+ -zależna endonukleaza, jest uważany za centralny enzym programowanej śmierci komórki. Nie rozcina DNA w przypadkowych miejscach, a jedynie w regionach łącznikowych (regionach łączących pomiędzy nukleosomami). Zatem chromatyna nie ulega lizie, a jedynie fragmentacji, co decyduje o charakterystycznej, strukturalnej cesze apoptozy.
W wyniku zniszczenia białka i chromatyny w komórce powstają i pączkują z niej różne fragmenty - ciała apoptotyczne. Zawierają pozostałości cytoplazmy, organelli, chromatyny itp.
Etap 4 – scena usuwanie ciał apoptotycznych (fragmenty komórek).
Ligandy ulegają ekspresji na powierzchni ciał apoptotycznych i są rozpoznawane przez receptory fagocytów. Proces wykrywania, wchłaniania i metabolizowania fragmentów martwej komórki zachodzi stosunkowo szybko. Pomaga to uniknąć przedostania się zawartości martwych komórek do środowiska, dzięki czemu, jak wspomniano powyżej, proces zapalny nie rozwija się. Cela odchodzi „spokojnie”, nie niepokojąc „sąsiadów” („ciche samobójstwo”).
Programowana śmierć komórki jest dla wielu ważna procesy fizjologiczne . Związane z apoptozą:
utrzymanie prawidłowych procesów morfogenezy– programowana śmierć komórki podczas embriogenezy (implantacja, organogeneza) i metamorfozy;
utrzymanie homeostazy komórkowej(w tym eliminacja komórek z chorobami genetycznymi i zakażonych wirusami). Apoptoza wyjaśnia fizjologiczną inwolucję i równowagę mitoz w dojrzałych tkankach i narządach. Na przykład śmierć komórek w aktywnie proliferujących i samoodnawiających się populacjach - komórkach nabłonka jelit, dojrzałych leukocytach, erytrocytach. Inwolucja zależna od hormonów - śmierć endometrium pod koniec cyklu miesiączkowego;
selekcja odmian komórek w populacji. Na przykład tworzenie specyficznego dla antygenu składnika układu odpornościowego i kontrola realizacji jego mechanizmów efektorowych. Za pomocą apoptozy usuwane są niepotrzebne i niebezpieczne dla organizmu (autoagresywne) klony limfocytów. Stosunkowo niedawno (Griffith T.S., 1997) wykazał znaczenie programowanej śmierci komórki w ochronie obszarów „immunologicznie uprzywilejowanych” (wewnętrzne środowisko oka i jądra). Po przekroczeniu barier histo-hematologicznych tych stref (co zdarza się rzadko) efektorowe limfocyty T obumierają (patrz wyżej). Aktywację mechanizmów ich śmierci zapewnia oddziaływanie ligandu Fas komórek barierowych z receptorami Fas limfocytu T, zapobiegając w ten sposób rozwojowi autoagresji.
Rola apoptozy w patologii i rodzaje różnych chorób związanych z upośledzoną apoptozą przedstawiono w formie diagramu (ryc. 15) i tabeli 1.
Oczywiście znaczenie apoptozy w patologii jest mniejsze niż martwicy (być może wynika to z braku takiej wiedzy). Jednak jego problem w patologii ma też nieco inny charakter: ocenia się go na podstawie nasilenia apoptozy – w niektórych chorobach nasilenia lub osłabienia.
Proces, w wyniku którego komórka może się zabić, nazywany jest programowaną śmiercią komórki (PCD). Mechanizm ten ma kilka odmian i odgrywa istotną rolę w fizjologii różnych organizmów, zwłaszcza wielokomórkowych. Najbardziej rozpowszechnioną i dobrze zbadaną formą PGC jest apoptoza.
Co to jest apoptoza
Apoptoza to kontrolowany fizjologiczny proces samozniszczenia komórki, charakteryzujący się stopniowym niszczeniem i fragmentacją jej zawartości z utworzeniem pęcherzyków błonowych (ciał apoptotycznych), następnie wchłanianych przez fagocyty. Ten uwarunkowany genetycznie mechanizm uruchamia się pod wpływem pewnych czynników wewnętrznych lub zewnętrznych.
W przypadku tego typu śmierci zawartość komórkowa nie wykracza poza błonę i nie powoduje stanu zapalnego. Rozregulowanie apoptozy prowadzi do poważnych patologii, takich jak niekontrolowany podział komórek lub degeneracja tkanek.
Apoptoza jest tylko jedną z kilku form programowanej śmierci komórki (PCD), dlatego utożsamianie tych koncepcji jest mylące. Znane rodzaje samozniszczenia komórek obejmują także katastrofę mitotyczną, autofagię i zaprogramowaną martwicę. Inne mechanizmy PGC nie zostały jeszcze zbadane.
Przyczyny apoptozy komórek
Czynnikiem wyzwalającym mechanizm programowanej śmierci komórki mogą być zarówno naturalne procesy fizjologiczne, jak i zmiany patologiczne spowodowane defektami wewnętrznymi lub narażeniem na niekorzystne czynniki zewnętrzne.
Zwykle apoptoza równoważy proces podziału komórek, regulując ich liczbę i promując odnowę tkanek. W tym przypadku przyczyną PCD są pewne sygnały zawarte w systemie kontroli homeostazy. Za pomocą apoptozy niszczone są komórki, które są jednorazowe lub spełniły swoją funkcję. Zatem zwiększona zawartość leukocytów, neutrofili i innych elementów odporności komórkowej po zakończeniu walki z infekcją jest eliminowana właśnie w wyniku apoptozy.
Zaprogramowana śmierć jest częścią fizjologicznego cyklu układów rozrodczych. Apoptoza bierze udział w procesie oogenezy, a także przyczynia się do śmierci komórki jajowej w przypadku braku zapłodnienia.
Klasycznym przykładem udziału apoptozy komórek w cyklu życiowym układów wegetatywnych jest jesienne opadanie liści. Samo określenie pochodzi od greckiego słowa apoptoza, które dosłownie tłumaczy się jako „opadanie”.
Apoptoza odgrywa kluczową rolę w embriogenezie i ontogenezie, podczas której dochodzi do wymiany tkanek w organizmie i zaniku niektórych narządów. Przykładem jest zanik błon między palcami u niektórych ssaków lub śmierć ogona podczas metamorfozy żaby.
Apoptozę można wywołać w wyniku nagromadzenia się wadliwych zmian w komórce, wynikających z mutacji, starzenia się lub błędów mitotycznych. Przyczyną PCD może być niesprzyjające środowisko (brak składników odżywczych, niedobór tlenu) oraz patologiczne wpływy zewnętrzne, w których pośredniczą wirusy, bakterie, toksyny itp. Ponadto, jeśli szkodliwy wpływ jest zbyt intensywny, komórka nie ma czasu na przenoszenie wyłącza mechanizm apoptozy i umiera w wyniku rozwoju procesu patologicznego - martwicy.
Zmiany morfologiczne i strukturalno-biochemiczne w komórkach podczas apoptozy
Proces apoptozy charakteryzuje się pewnym zespołem zmian morfologicznych, które można zaobserwować w preparacie tkankowym in vitro za pomocą mikroskopu.
Do głównych objawów charakterystycznych dla apoptozy komórek należą:
- restrukturyzacja cytoszkieletu;
- zagęszczenie zawartości komórkowej;
- kondensacja chromatyny;
- fragmentacja rdzenia;
- zmniejszenie objętości komórek;
- marszczenie konturu membrany;
- powstawanie pęcherzyków na powierzchni komórki,
- zniszczenie organelli.
U zwierząt procesy te kończą się utworzeniem apoptocytów, które mogą być wchłaniane zarówno przez makrofagi, jak i komórki sąsiadujących tkanek. U roślin nie dochodzi do powstawania ciał apoptotycznych, a po degradacji protoplastu zostaje zachowany szkielet w postaci ściany komórkowej.
Oprócz zmian morfologicznych, apoptozie towarzyszy szereg rearanżacji na poziomie molekularnym. Następuje wzrost aktywności lipazy i nukleazy, co pociąga za sobą fragmentację chromatyny i wielu białek. Zawartość cAMP gwałtownie wzrasta, zmienia się struktura błony komórkowej. W komórkach roślinnych obserwuje się powstawanie gigantycznych wakuoli.
Czym różni się apoptoza od martwicy?
Główną różnicą między apoptozą a martwicą jest przyczyna degradacji komórek. W pierwszym przypadku źródłem zniszczenia są narzędzia molekularne samej komórki, które działają pod ścisłą kontrolą i wymagają energii ATP. W przypadku martwicy następuje bierne zaprzestanie aktywności życiowej z powodu zewnętrznych szkodliwych wpływów.
Apoptoza to naturalny proces fizjologiczny, którego zadaniem jest nie szkodzić otaczającym komórkom. Martwica jest niekontrolowanym zjawiskiem patologicznym, które pojawia się w wyniku krytycznych urazów. Nie jest zatem zaskakujące, że mechanizm, morfologia i konsekwencje apoptozy i martwicy są w dużej mierze przeciwne. Istnieją jednak również cechy wspólne.
W przypadku uszkodzenia komórki uruchamiają mechanizm programowanej śmierci, m.in. w celu zapobiegania rozwojowi martwicy. Jednak ostatnie badania wykazały, że istnieje inna niepatologiczna postać martwicy, która również została sklasyfikowana jako PCC.
Biologiczne znaczenie apoptozy
Pomimo tego, że apoptoza prowadzi do śmierci komórki, jej rola w utrzymaniu prawidłowego funkcjonowania całego organizmu jest bardzo duża. Dzięki mechanizmowi PGC realizowane są następujące funkcje fizjologiczne:
- utrzymywanie równowagi pomiędzy proliferacją komórek a śmiercią;
- odnowa tkanek i narządów;
- eliminacja wadliwych i „starych” komórek;
- ochrona przed rozwojem patogennej martwicy;
- zmiany tkanek i narządów podczas embriogenezy i ontogenezy;
- usunięcie zbędnych elementów, które spełniły swoją funkcję;
- eliminacja komórek niepożądanych lub niebezpiecznych dla organizmu (mutant, nowotwór, zakażony wirusem);
- zapobieganie rozwojowi infekcji.
Zatem apoptoza jest jednym ze sposobów utrzymania homeostazy komórki i tkanki.
Etapy śmierci komórki
To, co dzieje się z komórką podczas apoptozy, jest wynikiem złożonego łańcucha interakcji molekularnych pomiędzy różnymi enzymami. Reakcje zachodzą kaskadowo, gdy jedne białka aktywują inne, przyczyniając się do stopniowego rozwoju scenariusza śmierci. Proces ten można podzielić na kilka etapów:
- Wprowadzenie.
- Aktywacja białek proapoptotycznych.
- Aktywacja kaspaz.
- Zniszczenie i restrukturyzacja organelli komórkowych.
- Tworzenie apoptocytów.
- Przygotowanie fragmentów komórek do fagocytozy.
Synteza wszystkich składników niezbędnych do uruchomienia, realizacji i kontroli każdego etapu jest zdeterminowana genetycznie, dlatego apoptozę nazywa się programowaną śmiercią komórki. Aktywacja tego procesu znajduje się pod ścisłą kontrolą systemów regulacyjnych, w tym różnych inhibitorów PGC.
Molekularne mechanizmy apoptozy komórek
O rozwoju apoptozy decyduje połączone działanie dwóch układów molekularnych: indukcyjnego i efektorowego. Blok pierwszy odpowiada za kontrolowane uruchomienie ZGK. Zawiera tzw. receptory śmierci, proteazy Cys-Asp (kaspazy), szereg składników mitochondrialnych i białka proapoptotyczne. Wszystkie elementy fazy indukcji można podzielić na wyzwalacze (uczestniczące w indukcji) i modulatory, które zapewniają przekazywanie sygnału śmierci.
System efektorowy składa się z narzędzi molekularnych, które zapewniają degradację i restrukturyzację składników komórkowych. Przejście pomiędzy pierwszą i drugą fazą następuje na etapie proteolitycznej kaskady kaspaz. To dzięki składnikom bloku efektorowego śmierć komórki następuje podczas apoptozy.
Czynniki apoptozy
Zmiany strukturalne, morfologiczne i biochemiczne podczas apoptozy przeprowadzane są przez pewien zestaw wyspecjalizowanych narzędzi komórkowych, wśród których najważniejsze to kaspazy, nukleazy i modyfikatory błonowe.
Kaspazy to grupa enzymów, które przecinają wiązania peptydowe przy resztach asparaginy, fragmentując białka na duże peptydy. Przed rozpoczęciem apoptozy są obecne w komórce w stanie nieaktywnym ze względu na inhibitory. Głównymi celami kaspaz są białka jądrowe.
Nukleazy są odpowiedzialne za cięcie cząsteczek DNA. Szczególnie ważna w rozwoju apoptozy jest aktywna endonukleaza CAD, która rozbija odcinki chromatyny w obszarach sekwencji łącznikowych. W efekcie powstają fragmenty o długości 120-180 par nukleotydów. Złożone działanie proteolitycznych kaspaz i nukleaz prowadzi do deformacji i fragmentacji jądra.
Modyfikatory błony komórkowej - zakłócają asymetrię warstwy bilipidowej, zamieniając ją w cel dla komórek fagocytarnych.
Kluczową rolę w rozwoju apoptozy odgrywają kaspazy, które stopniowo aktywują wszystkie kolejne mechanizmy degradacji i restrukturyzacji morfologicznej.
Rola kaspaz w śmierci komórkowej
Rodzina kaspaz obejmuje 14 białek. Niektóre z nich nie biorą udziału w apoptozie, a pozostałe dzielą się na 2 grupy: inicjator (2, 8, 9, 10, 12) i efektor (3, 6 i 7), zwane inaczej kaspazami drugiego rzędu. Wszystkie te białka syntetyzowane są jako prekursory – prokaspazy, aktywowane poprzez rozszczepienie proteolityczne, którego istotą jest odłączenie domeny N-końcowej i podział pozostałej cząsteczki na dwie części, które następnie łączą się w dimery i tetramery.
Kaspazy inicjatorowe są niezbędne do aktywacji grupy efektorowej, która wykazuje aktywność proteolityczną wobec różnych ważnych białek komórkowych. Substraty kaspaz drugiego rzędu obejmują:
- Enzymy naprawy DNA;
- inhibitor białka p-53;
- polimeraza poli(ADP-rybozy);
- Inhibitor DNazy DFF (zniszczenie tego białka prowadzi do aktywacji endonukleazy CAD) itp.
Całkowita liczba celów kaspaz efektorowych obejmuje ponad 60 białek.
Zahamowanie apoptozy komórek jest nadal możliwe na etapie aktywacji prokaspaz inicjujących. Kiedy zaczynają działać kaspazy efektorowe, proces staje się nieodwracalny.
Drogi aktywacji apoptozy
Przekazywanie sygnału wywołującego apoptozę komórki może odbywać się na dwa sposoby: receptorowy (lub zewnętrzny) i mitochondrialny. W pierwszym przypadku proces ten jest aktywowany poprzez specyficzne receptory śmierci odbierające sygnały zewnętrzne, którymi są białka z rodziny TNF lub ligandy Fas zlokalizowane na powierzchni limfocytów T zabójców.
Receptor składa się z 2 domen funkcjonalnych: domeny transbłonowej (przeznaczonej do komunikacji z ligandem) i „domeny śmierci” zorientowanej wewnątrz komórki, która indukuje apoptozę. Mechanizm szlaku receptorowego opiera się na tworzeniu kompleksu DISC, który aktywuje kaspazy inicjujące 8 lub 10.
Składanie rozpoczyna się od interakcji domeny śmierci z wewnątrzkomórkowymi białkami adaptorowymi, które z kolei wiążą prokaspazy inicjujące. W ramach kompleksu te ostatnie przekształcają się w funkcjonalnie aktywne kaspazy i wyzwalają dalszą kaskadę apoptotyczną.
Mechanizm szlaku wewnętrznego opiera się na aktywacji kaskady proteolitycznej przez specjalne białka mitochondrialne, których uwalnianie jest kontrolowane przez sygnały wewnątrzkomórkowe. Wyjście składników organelli następuje poprzez utworzenie ogromnych porów.
Szczególną rolę w uruchomieniu odgrywa cytochrom c. Po dostaniu się do cytoplazmy ten składnik elektrycznego łańcucha transportowego wiąże się z białkiem Apaf1 (proteazami aktywującymi czynnik apoptotyczny), co prowadzi do aktywacji tego ostatniego. Apaf1 następnie wiąże prokaspazy inicjujące 9, które wyzwalają apoptozę poprzez mechanizm kaskadowy.
Szlak wewnętrzny jest kontrolowany przez specjalną grupę białek z rodziny Bcl12, które regulują uwalnianie międzybłonowych składników mitochondriów do cytoplazmy. Rodzina zawiera zarówno białka proapoptotyczne, jak i antyapoptotyczne, a równowaga między nimi decyduje o rozpoczęciu procesu.
Jednym z potężnych czynników wyzwalających apoptozę poprzez mechanizm mitochondrialny są reaktywne formy tlenu. Innym znaczącym induktorem jest białko p53, które aktywuje szlak mitochondrialny w przypadku uszkodzenia DNA.
Czasami wyzwalanie apoptozy komórek łączy jednocześnie dwa sposoby: zewnętrzny i wewnętrzny. To ostatnie zwykle służy wzmocnieniu aktywacji receptora.