Morfologické prejavy apoptózy. Apoptóza - funkcie, mechanizmy Štádiá bunkovej apoptózy
![Morfologické prejavy apoptózy. Apoptóza - funkcie, mechanizmy Štádiá bunkovej apoptózy](https://i0.wp.com/tiensmed.ru/news/uimg/ac/apoptoz-w2c.jpg)
Apoptóza
Bunková smrť v tele môže nastať dvoma spôsobmi: nekróza A apoptóza.
Apoptóza– ide o typ bunkovej smrti, pri ktorej sa bunka sama aktívne zúčastňuje procesu jej smrti, t.j. dochádza k samodeštrukcii buniek. Apoptóza je na rozdiel od nekrózy aktívny proces, po vystavení etiologickým faktorom sa spustí geneticky naprogramovaná kaskáda reakcií sprevádzaná aktiváciou určitých génov, syntézou proteínov, enzýmov, čo vedie k efektívnemu a rýchlemu odstráneniu buniek z tkanivo.
Príčiny apoptózy.
1. Počas embryogenézy hrá apoptóza dôležitú úlohu pri deštrukcii rôznych tkanivových primordií a tvorbe orgánov.
2. Starnúce bunky, ktoré ukončili svoj vývojový cyklus, napríklad lymfocyty, ktoré vyčerpali zásoby cytokínov, podliehajú apoptóze.
3. V rastúcich tkanivách určitá časť dcérskych buniek podlieha apoptóze. Percento odumierajúcich buniek môže byť regulované systémovými a lokálnymi hormónmi.
4. Príčinou apoptózy môže byť slabý vplyv škodlivých faktorov, ktoré pri väčšej intenzite môžu viesť k nekróze (hypoxia, ionizujúce žiarenie, toxíny a pod.)
Patogenéza apoptózy:
Bunka podstúpi apoptózu, ak dôjde k poškodeniu DNA v jadre, ktoré nemôže byť opravené opravným systémom. Tento proces je monitorovaný proteínom kódovaným génom p53. Ak nie je možné odstrániť defekt DNA, pod vplyvom proteínu p53 sa aktivuje program apoptózy.
Mnohé bunky majú receptory, ktorých vplyv spôsobuje aktiváciu apoptózy. Najviac študované sú Fas receptor nachádzajúci sa na lymfocytoch a receptor tumor nekrotizujúceho faktora alfa (TNF-α), ktorý sa nachádza na mnohých bunkách. Tieto receptory hrajú dôležitú úlohu pri odstraňovaní autoreaktívnych lymfocytov a regulácii stálosti veľkosti bunkovej populácie spätnou väzbou.
Apoptózu môžu aktivovať rôzne metabolity a hormóny: protizápalové cytokíny, steroidné hormóny, oxid dusnatý (NO) a voľné radikály.
Bunková apoptóza sa aktivuje, keď je v tkanivách nedostatok kyslíka. Dôvodom jeho aktivácie môže byť pôsobenie voľných radikálov, narušenie energeticky závislých procesov opravy DNA atď.
Bunky, ktoré stratili kontakt s extracelulárnou matricou, bazálnou membránou alebo susednými bunkami, podliehajú apoptóze. Strata tohto mechanizmu apoptózy v nádorových bunkách vedie k vzniku schopnosti metastázovať.
Niektoré vírusové proteíny môžu aktivovať bunkovú apoptózu po samozostavení vírusu v infikovanej bunke. Absorpcia apoptotických teliesok susednými bunkami vedie k ich infekcii vírusom. Vírus AIDS môže tiež aktivovať apoptózu neinfikovaných buniek, ktoré majú na svojom povrchu CD4 receptor.
Existujú aj faktory, ktoré bránia apoptóze. Mnohé metabolity a hormóny, napríklad pohlavné hormóny a prozápalové cytokíny, môžu spomaliť apoptózu. Apoptóza sa môže prudko spomaliť v dôsledku defektov v mechanizme bunkovej smrti, napríklad mutáciou v géne p53 alebo aktiváciou génov, ktoré inhibujú apoptózu (bcl-2). Mnohé vírusy majú schopnosť inhibovať apoptózu po integrácii vlastnej DNA do bunkového genómu na obdobie syntézy vlastných štruktúrnych proteínov.
Morfologické prejavy apoptózy
Apoptóza má svoje vlastné charakteristické morfologické znaky na svetelno-optickej aj ultraštrukturálnej úrovni. Najjasnejšie morfologické znaky odhalí elektrónová mikroskopia. Bunka prechádzajúca apoptózou sa vyznačuje:
Kompresia buniek. Bunka sa zmenšuje vo veľkosti; cytoplazma sa stáva hustejšou; organely, ktoré sa javia ako relatívne normálne, sú usporiadané kompaktnejšie. Predpokladá sa, že k narušeniu tvaru a objemu buniek dochádza v dôsledku aktivácie transglutaminázy a cysteínových proteáz (kaspáz) v apoptotických bunkách. Prvá skupina enzýmov spôsobuje tvorbu priečnych väzieb v cytoplazmatických proteínoch, čo vedie k vytvoreniu akejsi membrány pod bunkovou membránou, ako sú keratinizujúce epitelové bunky, a druhá skupina enzýmov ničí proteíny v cytosóle.
Chromatínová kondenzácia. Toto je najcharakteristickejší prejav apoptózy. DNA je štiepená endonukleázami na miestach, ktoré viažu jednotlivé nukleozómy, čo vedie k vytvoreniu veľkého počtu fragmentov, v ktorých je počet párov báz rozdelený 180-200, ktoré potom kondenzujú pod jadrovou membránou. Jadro sa môže rozpadnúť na dva alebo viac fragmentov.
Tvorba apoptotických teliesok. V apoptickej bunke sa vytvárajú hlboké invaginácie bunkovej membrány, čo vedie k oddeľovaniu bunkových fragmentov, t.j. tvorba membránou obklopených apoptotických teliesok pozostávajúcich z cytoplazmy a husto umiestnených organel, s alebo bez jadrových fragmentov.
Fagocytóza apoptotické bunky alebo telá sú vykonávané okolitými zdravými bunkami, makrofágmi aj parenchymálnymi bunkami. Apoptotické telá sú v lyzozómoch rýchlo zničené a okolité bunky buď migrujú alebo sa delia, aby vyplnili priestor uvoľnený bunkovou smrťou.
Pri farbení hematoxylínom a eozínom sa apoptóza deteguje v jednotlivých bunkách alebo malých skupinách buniek. Apoptotické bunky majú okrúhly alebo oválny tvar, intenzívne eozinofilnú cytoplazmu s hustými fragmentmi jadrového chromatínu. Pretože kompresia buniek a tvorba apoptotických teliesok prebieha rýchlo a rovnako rýchlo sa fagocytujú, dezintegrujú alebo uvoľňujú do lúmenu orgánu, apoptóza sa zisťuje v histologických preparátoch v prípadoch jej významnej závažnosti. Navyše apoptózu – na rozdiel od nekrózy – nikdy nesprevádza zápalová reakcia, čo komplikuje aj jej histologické zistenie.
Na identifikáciu buniek v skorých štádiách apoptózy sa využívajú špeciálne imunohistochemické štúdie, napríklad detekcia aktivovaných kaspáz alebo metóda TUNEL, ktorá vizualizuje DNA narušenú endonukleázami.
Význam apoptózy.
1. Apoptóza má veľký význam v embryogenéze (vrátane implantácie a organogenézy). Zhoršená bunková smrť v medziprstových priestoroch môže viesť k syndaktýlii a absencia apoptózy prebytočného epitelu počas fúzie palatinových výbežkov alebo tkanív obklopujúcich nervovú trubicu vedie k narušenej fúzii tkanív na oboch stranách, čo sa prejavuje rázštepom tvrdého podnebia a defektu v tkanivách ohraničujúcich miechový kanál (spina bifida).
2. Apoptóza hrá dôležitú úlohu pri udržiavaní stálosti bunkového zloženia, najmä v tkanivách citlivých na hormóny. Spomalenie apoptózy vedie k hyperplázii tkaniva, zrýchleniu - atrofii. Podieľa sa na vylučovaní endometria počas menštruačného cyklu, atrézii folikulov vo vaječníkoch počas menopauzy a regresii prsného tkaniva po ukončení laktácie.
3. V súčasnosti sa skúma obrovské množstvo liekov zameraných na reguláciu apoptózy v určitých tkanivách. Zrýchlenie apoptózy imunokompetentných buniek sa teda môže použiť na liečbu autoimunitných ochorení a na prevenciu odmietnutia transplantátu a spomalenie apoptózy sa môže použiť na prevenciu apoptózy v tkanivách, ktoré sú vystavené ischémii, zvýšenému vonkajšiemu tlaku alebo dočasne neaktívnym tkanivám. Spomalenie apoptózy počas vírusových infekcií zabraňuje šíreniu infekcie do susedných buniek.
4. Vo všetkých nádoroch je narušená apoptóza v nádorových bunkách. K tomuto rozpadu môže dôjsť v rôznych štádiách apoptózy, napríklad môže dôjsť k mutácii génu p53, čo vedie k tomu, že mutantný proteín p53 sa bude hromadiť v bunke v nadmernom množstve, ale nespôsobí apoptózu napriek defektom v bunke. bunkový genóm, čo povedie k proliferácii buniek s narušeným genómom a pri každom ďalšom delení sa budú hromadiť porušenia DNA. Niekedy sa normálny alebo „divoký“ proteín p53 môže akumulovať v nádorových bunkách, ak dôjde k poruche mechanizmu apoptózy na iných úrovniach. Pri chronickej lymfoidnej leukémii sa pozoruje akumulácia produktov génu bcl-2, čo vedie k patologickému predĺženiu životnosti nádorových buniek a bunkovej rezistencii voči rôznym proapoptickým faktorom. Niekedy je narušený prenos signálov z receptorov bunkovej smrti, napríklad z TNF-a receptora. TNF-a sa podieľa na spätnoväzbovej regulácii bunkových populácií. Všetky bunky v populácii vylučujú TNF-a v malých množstvách; čím viac buniek v tkanive, tým vyššia je koncentrácia TNF-a, a teda aj úroveň apoptózy. Týmto spôsobom sa dosiahne rovnováha medzi bunkovou proliferáciou a bunkovou smrťou. Nádorové bunky vplyvom tohto cytokínu strácajú schopnosť apoptózy a ten sa vo veľkom množstve hromadí v nádorovom tkanive. Výsledkom je, že TNF-α začína vo veľkých množstvách vstupovať do krvného obehu a spôsobuje apoptózu parenchýmových buniek v mnohých orgánoch, čo vedie ku kachexii.
Definícia apoptózy. Apoptóza je fenomén dedične naprogramovanej bunkovej smrti. Každá bunka pri svojom zrode je akoby naprogramovaná na sebazničenie. Podmienkou jej života je zablokovať tento samovražedný program.
Apoptóza sa vyskytuje v bunkách:
Starí, ktorí prežili svoju užitočnosť;
Bunky so zhoršenou diferenciáciou;
Bunky s genetickými poruchami;
Bunky infikované vírusmi.
Morfologické príznaky apoptózy.
Zmršťovanie buniek;
Kondenzácia a fragmentácia jadra;
Zničenie cytoskeletu;
Bulózny výbežok bunkovej membrány.
Vlastnosti apoptózy - apoptóza nespôsobuje zápal v okolitých tkanivách.Dôvodom je zachovanie membrány a → izolácia poškodzujúcich faktorov v cytoplazme až do ukončenia procesu (O 2 -, H 2 O 2, lyzozomálne enzýmy). Táto vlastnosť je dôležitou pozitívnou vlastnosťou apoptózy, na rozdiel od nekrózy. Pri nekróze je membrána poškodená (alebo prasknutá) okamžite. Preto sa pri nekróze uvoľňuje obsah cytoplazmy (O 2 -, H 2 O 2, lyzozomálne enzýmy). Dochádza k poškodeniu susedných buniek a zápalovému procesu. Dôležitým znakom apoptózy je odstránenie odumierajúcich buniek bez rozvoja zápalu.
Proces apoptózy - možno rozdeliť na 2 (dve) fázy:
1. Tvorba a vedenie apoptotických signálov – fáza rozhodovania.
2. Demontáž bunkových štruktúr - efektorová fáza.
1. fáza – rozhodovanie (=tvorba a prijímanie apoptotických signálov). Toto je fáza prijímania podnetov pre apoptózu. V závislosti od povahy stimulov môžu existovať dva (2) typy signálnych dráh:
1) poškodenie DNA v dôsledku žiarenia, pôsobenia toxických látok, glukokortikoidov a pod.
2) aktivácia receptorov „oblasť bunkovej smrti“.. Receptory oblasti bunkovej smrti sú skupinou receptorov na membránach akýchkoľvek buniek, ktoré vnímajú proapoptotické stimuly. Ak sa počet a aktivita takýchto receptorov zvýši, potom sa zvýši počet apopticky odumierajúcich buniek. Receptory „oblasť bunkovej smrti“ zahŕňajú: a) TNF-R (viaže sa na tumor nekrotizujúci faktor a aktivuje apoptózu); b) Fas-R (k); c) CD45-R (viaže sa na protilátky a aktivuje apoptózu).
V závislosti od typu signálu existujú 2 (dva) hlavné spôsoby apoptózy: a) v dôsledku poškodenia DNA;
b) ako výsledok nezávislej aktivácie receptorov „oblasť bunkovej smrti“ bez poškodenia DNA.
2. fáza – efektor (= demontáž bunkových štruktúr. Hlavní účastníci efektorovej fázy:
Cysteínové proteázy (kaspázy);
endonukleázy;
serínové a lyzozomálne proteázy;
Ca++ aktivované proteázy (calpeín)
Ale! Medzi nimi sú hlavnými efektormi demontáže bunkových štruktúr kaspázy.
Klasifikácia kaspáz - 3 (tri) skupiny:
Efektorové kaspázy - kaspázy 3, 6, 7.
Induktory aktivácie efektorových kaspáz – kaspázy 2, 8, 9, 10. = aktivátory cytokínov – kaspázy 1, 4, 5, 13.
Efektorové kaspázy sú kaspázy 3, 6, 7. Tie sú priamymi vykonávateľmi apoptózy. Tieto kaspázy sú v bunke v neaktívnom stave. Aktivované efektorové kaspázy začínajú reťazec proteolytických dejov, ktorých účelom je „rozobrať“ bunku. Sú aktivované induktormi aktivácie efektorových kaspáz.
Induktory aktivácie efektorových kaspáz – kaspázy 2, 8, 9, 10. Hlavnými induktormi sú kaspázy 8 a 9. Aktivujú efektorové kaspázy. Mechanizmom je štiepenie asparágových báz s následnou dimerizáciou aktívnych podjednotiek. Tieto kaspázy sú normálne v bunkách neaktívne a existujú vo forme prokaspáz.
Aktivácia určitých induktorov závisí od typu signálnej dráhy:
1. Keď dôjde k poškodeniu DNA, aktivuje sa signálna dráha č.1, aktivuje sa kaspáza č.9.
2. Keď sú aktivované receptory bunkovej smrti, je zapojená signálna dráha č. 2, aktivuje sa kaspáza č. 8.
Signálna dráha č. 1 (spojená s poškodením DNA)
poškodenie DNA
Aktivácia génu p53 a produkcia zodpovedajúceho proteínu
Aktivácia proapoptotických génov rodiny BCL-2 (BAX a BID)
Tvorba proteínov týchto génov
Aktivácia kaspázy 9
Aktivácia kaspázy 3
Signálna cesta č. 2
(spojené s aktiváciou „oblasť bunkovej smrti“)
Ligand + receptory „oblasť bunkovej smrti“
Aktivácia kaspázy číslo 8
Nezávislá aktivácia kaspázy číslo 3
Aktivácia iných kaspáz a proteáz
Regulácia apoptózy. Výskum v posledných rokoch viedol k vytvoreniu modelu apoptózy. Podľa tohto modelu je každá bunka pri svojom zrode naprogramovaná na sebadeštrukciu. Preto je podmienkou jej života zablokovanie tohto samovražedného programu. Hlavnou úlohou regulácie apoptózy je udržať efektorové kaspázy v neaktívnom stave, ale rýchlo ich previesť na aktívnu formu v reakcii na minimálny účinok zodpovedajúcich induktorov.
Preto koncept inhibítorov a aktivátorov apoptózy.
Inhibítory apoptózy (=antiapoptotické faktory). Medzi najzávažnejšie inhibítory apoptózy patria rastové faktory. Ostatné: neutrálne aminokyseliny, zinok, estrogény, androgény, niektoré bielkoviny.
Príklad: Proteíny rodiny IAP potláčajú aktivitu kaspáz 3 a 9. Pamätajte: jeden z týchto proteínov (Survin) sa nachádza v nádorových bunkách. Je spojená s rezistenciou nádorových buniek na chemoterapiu
Aktivátory apoptózy (=proapoptotické faktory). Ide o proapoptotické gény a ich produkty: a) gény rodiny BCL-2 (BAX a BID); b) Rb a P53 gény (spúšťajú apoptózu, ak je bunka zadržaná mechanizmom kontrolného bodu.
Zhrnutie. Patogenéza mnohých chorôb, vrátane nádorov, je spojená so znížením schopnosti buniek podstúpiť apoptózu. Z toho vyplýva hromadenie poškodených buniek a tvorba nádoru.
PATOFYZIOLÓGIA DELENIA BUNIEK
Hlavný rozdiel medzi delením zdravej a nádorovej bunky:
Delenie zdravej bunky je regulované parakrinným a endokrinným spôsobom. Bunka poslúchne tieto signály a delí sa iba vtedy, ak telo potrebuje tvorbu nových buniek daného typu.
Delenie nádorových buniek je regulované autokrinným spôsobom. Samotná nádorová bunka produkuje mitogénne stimulanty a pod ich vplyvom sa delí. Nereaguje na parakrinné a endokrinné podnety.
Existujú 2 (dva) mechanizmy transformácie nádorových buniek:
1. Aktivácia onkogénov.
2. Inaktivácia supresorových génov.
AKTIVÁCIA ONKOGÉNU
Najprv 2 (dva) hlavné pojmy: = protoonkogény;
Onkogény.
Protoonkogény sú normálne, neporušené gény, ktoré riadia zdravé delenie buniek.
Protoonkogény zahŕňajú gény, ktoré riadia vzdelávanie a prácu:
1. Rastové faktory.
2. Membránové receptory pre rastové faktory, napríklad receptory tyrozínkinázy.
3. Ras proteíny.
4. MAP kinázy, účastníci MAP kinázovej kaskády.
5. AP-1 transkripčné faktory.
Onkogény sú poškodené protoonkogény. Proces poškodenia protoonkogénu a jeho premeny na onkogén sa nazýva aktivácia onkogénu.
Mechanizmy aktivácie onkogénov.
1. Inklúzia (vloženie) promótora. Promótor je oblasť DNA, na ktorú sa viaže protoonkogénna RNA polymeráza. Nevyhnutnou podmienkou je, že promótor musí byť v tesnej blízkosti protoonkogénu. Preto sú možnosti: a) promótor - DNA kópia onkornavírusov; b) „skákacie gény“ – úseky DNA, ktoré sa môžu pohybovať a integrovať do rôznych častí bunkového genómu.
2. Amplifikácia – zvýšenie počtu protoonkogénov alebo objavenie sa kópií protoonkogénov. Protoonkogény majú zvyčajne malú aktivitu. S nárastom počtu alebo výskytu kópií sa ich celková aktivita výrazne zvyšuje a to môže viesť k nádorovej transformácii bunky.
3. Translokácia protoonkogénov. Ide o pohyb protoonkogénu do lokusu s funkčným promótorom.
4. Mutácie protoonkogénov.
Produkcia onkogénov. Onkogény tvoria svoje vlastné proteíny. Tieto proteíny sa nazývajú „onkoproteíny“.
Syntéza onkoproteínov sa nazýva „expresia aktívnych bunkových onkogénov“.
Onkoproteíny sú v podstate analógy protoonkogénnych proteínov: rastové faktory, proteíny Ras, MAP kinázy, transkripčné faktory. Existujú však kvantitatívne a kvalitatívne rozdiely medzi onkogénmi a protoonkogénnymi proteínmi.
Rozdiely medzi onkoproteínmi a normálnou produkciou protoonkogénov:
1. Zvýšená syntéza onkoproteínov v porovnaní so syntézou protoonkogénnych proteínov.
2. Onkoproteíny majú štrukturálne rozdiely od protoonkogénnych proteínov.
Mechanizmus účinku onkoproteínov.
1. Onkoproteíny sa viažu na receptory pre rastové faktory a vytvárajú komplexy, ktoré neustále generujú signály na delenie buniek.
2. Onkoproteíny zvyšujú citlivosť receptorov na rastové faktory alebo znižujú citlivosť na rastové inhibítory.
3. Onkoproteíny môžu samy osebe pôsobiť ako rastové faktory.
INAKTIVÁCIA SUPRESOROVÝCH GÉNOV
Supresorové gény: Rb A p53.
Ich produkty sú zodpovedajúce proteíny.
Inaktivácia supresorových génov (dedičných alebo získaných) vedie k prechodu buniek s poškodenou DNA do mitózy, k reprodukcii a akumulácii týchto buniek. To je možný dôvod pre vznik nádoru.
NÁDOROVÝ RAST: DEFINÍCIA, PRÍČINY ZVYŠOVANIA POČTU MALÍGNYCH OCHORENÍ
Nádor je patologický rast, ktorý sa líši od iných patologických rastov svojou dedične fixovanou schopnosťou neobmedzeného nekontrolovaného rastu.
Ďalšími patologickými rastmi sú hyperplázia, hypertrofia, regenerácia po poškodení.
Dôvody nárastu počtu malígnych ochorení v populácii:
1. Zvýšená dĺžka života.
2. Zlepšenie kvality diagnostiky → zvýšenie záchytu rakoviny.
3. Zhoršenie environmentálnej situácie, zvýšenie obsahu karcinogénnych faktorov v životnom prostredí.
NEzhubné a zhubné nádory
Jednotná klasifikácia nádorov ešte nebola vytvorená. príčina:
1. Široká škála znakov charakteristických pre rôzne nádory.
2. Nedostatočná znalosť ich etiológie a patogenézy.
Moderné klasifikácie sú založené na hlavných morfologických a klinických príznakoch nádorov.
Na základe klinických charakteristík sú všetky nádory rozdelené na benígne a malígne.
Benígne nádory:
1. Nádorové bunky sú morfologicky identické alebo podobné normálnym progenitorovým bunkám.
2. Stupeň diferenciácie nádorových buniek je dosť vysoký.
3. Tempo rastu je pomalé, v priebehu mnohých rokov.
4. Charakter rastu je expanzívny, t.j. Počas rastu nádoru sú susedné tkanivá posunuté od seba, niekedy stlačené, ale zvyčajne nie sú poškodené.
5. Ohraničenie od okolitých tkanív je jasné.
6. Schopnosť metastázovať chýba.
7. Žiadne výrazné nepriaznivé účinky na organizmus. Výnimka: nádory nachádzajúce sa v blízkosti životne dôležitých centier. Príklad: nádor na mozgu, ktorý stláča nervové centrá.
Zhubné nádory.
1. Nádorové bunky sú morfologicky odlišné od normálnych progenitorových buniek (často na nerozoznanie).
2. Stupeň diferenciácie nádorových buniek je nízky.
3. Tempo rastu je rýchle.
4. Charakter rastu je invazívny, t.j. nádor prerastá do susedných štruktúr. Prispievajúce faktory:
Nádorové bunky nadobúdajú schopnosť oddeliť sa od nádorového uzla a aktívne sa pohybovať;
Schopnosť nádorových buniek produkovať „karcinoagresíny“. Sú to proteíny, ktoré prenikajú do okolitého normálneho tkaniva a stimulujú chemotaxiu nádorových buniek.
Znížené sily adhézie buniek. To uľahčuje odlúčenie nádorových buniek od primárneho uzla a ich následný pohyb.
Zníženie kontaktného brzdenia.
5. Demarkácia od okolitých tkanív – č.
6. Schopnosť metastázovať je výrazná.
7. Vplyv na organizmus je nepriaznivý, generalizovaný.
Stránka poskytuje referenčné informácie len na informačné účely. Diagnóza a liečba chorôb sa musí vykonávať pod dohľadom špecialistu. Všetky lieky majú kontraindikácie. Vyžaduje sa konzultácia s odborníkom!
Čo je apoptóza?
Apoptóza– fyziologická bunková smrť, čo je druh geneticky naprogramovaného sebazničenia.Výraz „apoptóza“ sa z gréčtiny prekladá ako „odpadnutie“. Autori termínu dali tento názov procesu programovanej bunkovej smrti, pretože s ním súvisí jesenný opad zvädnutých listov. Okrem toho samotný názov charakterizuje proces ako fyziologický, postupný a absolútne bezbolestný.
U zvierat je najvýraznejším príkladom apoptózy zvyčajne zmiznutie žabieho chvosta počas metamorfózy z pulca na dospelého.
Ako žaba vyrastie, chvost úplne zmizne, pretože jej bunky prechádzajú postupnou apoptózou - programovanou smrťou a absorpciou zničených prvkov inými bunkami.
Fenomén geneticky naprogramovanej bunkovej smrti sa vyskytuje u všetkých eukaryotov (organizmov, ktorých bunky majú jadro). Prokaryoty (baktérie) majú zvláštny analóg apoptózy. Môžeme povedať, že tento jav je charakteristický pre všetky živé veci, s výnimkou takých špeciálnych predbunkových foriem života, ako sú vírusy.
Ako jednotlivé bunky (zvyčajne defektné), tak celé konglomeráty môžu podstúpiť apoptózu. Ten je charakteristický najmä pre embryogenézu. Experimenty výskumníkov napríklad dokázali, že v dôsledku apoptózy počas embryogenézy miznú membrány medzi prstami kurčiat.
Vedci tvrdia, že vrodené anomálie, ako sú zrastené prsty na rukách a nohách, vznikajú aj u ľudí v dôsledku narušenia normálnej apoptózy v skorých štádiách embryogenézy.
História objavu teórie apoptózy
Štúdium mechanizmov a významu geneticky naprogramovanej bunkovej smrti sa začalo v šesťdesiatych rokoch minulého storočia. Vedcov zaujímalo, že bunkové zloženie väčšiny orgánov počas celého života organizmu je takmer rovnaké, no životný cyklus rôznych typov buniek sa výrazne líši. V tomto prípade sa veľa buniek neustále nahrádza.Relatívna stálosť bunkového zloženia všetkých organizmov je teda udržiavaná dynamickou rovnováhou dvoch protichodných procesov – bunkovej proliferácie (delenia a rastu) a fyziologickej smrti zastaraných buniek.
Autorstvo termínu patrí britským vedcom - J. Kerrovi, E. Wileymu a A. Kerrymu, ktorí ako prví predložili a zdôvodnili koncepciu základného rozdielu medzi fyziologickou smrťou buniek (apoptózou) a ich patologickou smrťou (nekrózou). .
V roku 2002 dostali vedci z cambridgeského laboratória, biológovia S. Brenner, J. Sulston a R. Horwitz Nobelovu cenu za fyziológiu a medicínu za objavenie základných mechanizmov genetickej regulácie vývoja orgánov a štúdium programovanej bunkovej smrti.
Teórii apoptózy sa dnes venujú desiatky tisíc vedeckých prác, ktoré odhaľujú základné mechanizmy jej vývoja na fyziologickej, genetickej a biochemickej úrovni. Prebieha aktívne vyhľadávanie jeho regulátorov.
Mimoriadne zaujímavé sú štúdie, ktoré umožňujú prakticky aplikovať reguláciu apoptózy v liečbe onkologických, autoimunitných a neurodystrofických ochorení.
Mechanizmus
Mechanizmus vývoja apoptózy nebol doteraz úplne študovaný. Bolo dokázané, že proces je možné vyvolať nízkymi koncentráciami väčšiny látok, ktoré spôsobujú nekrózu.Vo väčšine prípadov však nastáva geneticky naprogramovaná bunková smrť, keď sú prijaté signály z molekúl - bunkových regulátorov, ako sú:
- hormóny;
- antigény;
- monoklonálne protilátky atď.
Typické je, že signálom pre rozvoj apoptózy môže byť buď prítomnosť aktivujúcich látok, alebo neprítomnosť určitých zlúčenín, ktoré bránia rozvoju programovanej bunkovej smrti.
Reakcia bunky na signál závisí nielen od jej sily, ale aj od celkového počiatočného stavu bunky, morfologických znakov jej diferenciácie a štádia životného cyklu.
Jedným zo základných mechanizmov apoptózy v štádiu jej realizácie je degradácia DNA, ktorej výsledkom je jadrová fragmentácia. V reakcii na poškodenie DNA sa spúšťajú ochranné reakcie zamerané na jej obnovu.
Neúspešné pokusy o obnovu DNA vedú k úplnému energetickému vyčerpaniu bunky, čo sa stáva priamou príčinou jej smrti.
Mechanizmus apoptózy - video
Fázy a etapy
Existujú tri fyziologické fázy apoptózy:1. Signalizácia (aktivácia špecializovaných receptorov).
2. Efektor (tvorba jedinej dráhy apoptózy z heterogénnych efektorových signálov a spustenie kaskády komplexných biochemických reakcií).
3. Dehydratácia (doslova dehydratácia – bunková smrť).
Okrem toho sa morfologicky rozlišujú dve fázy procesu:
1.
Prvé štádium - preapoptóza. V tomto štádiu sa veľkosť bunky zmenšuje v dôsledku jej zmršťovania a v jadre dochádza k reverzibilným zmenám (zhutnenie chromatínu a jeho akumulácia pozdĺž periférie jadra). V prípade vystavenia určitým špecifickým regulátorom môže byť apoptóza zastavená a bunka obnoví svoje normálne fungovanie.
2.
Druhým štádiom je samotná apoptóza. Vo vnútri bunky dochádza k hrubým zmenám vo všetkých jej organelách, ale najvýznamnejšie premeny sa vyvíjajú v jadre a na povrchu jej vonkajšej membrány. Bunková membrána stráca klky a normálne skladanie, na jej povrchu sa tvoria bubliny – bunka akoby vrie a v dôsledku toho sa rozpadá na takzvané apoptotické telieska, absorbované tkanivovými makrofágmi a/alebo susednými bunkami.
Morfologicky určený proces apoptózy zvyčajne trvá jednu až tri hodiny.
Bunková nekróza a apoptóza. Podobnosti a rozdiely
Termíny nekróza a apoptóza označujú úplné zastavenie bunkovej aktivity. Avšak apoptóza sa týka fyziologickej smrti a nekróza sa týka jej patologickej smrti.Apoptóza je geneticky naprogramované zastavenie existencie, to znamená, že podľa definície má vnútornú príčinu vývoja, zatiaľ čo k nekróze dochádza v dôsledku vplyvu extrémne silných faktorov mimo bunky:
- nedostatok živín;
- otravy toxínmi atď.
Okrem toho sa bunková smrť počas procesov nekrózy a apoptózy morfologicky líši - prvá je charakteristická jej opuchom a počas druhej sa bunka zmenšuje a jej membrány zhrubnú.
Pri apoptóze dochádza k odumieraniu bunkových organel, membrána však zostáva neporušená, takže vznikajú takzvané apoptotické telieska, ktoré sú následne pohlcované špecializovanými bunkami – makrofágmi alebo susednými bunkami.
Pri nekróze bunková membrána praskne a obsah bunky vyjde von. Začína zápalová reakcia.
Ak dôjde k nekróze dostatočne veľkého počtu buniek, zápal sa prejaví charakteristickými klinickými príznakmi známymi už od staroveku, ako sú:
- bolesť;
- sčervenanie (rozšírenie krvných ciev v postihnutej oblasti);
- opuch (zápalový edém);
- lokálne a niekedy všeobecné zvýšenie teploty;
- viac či menej výrazná dysfunkcia orgánu, v ktorom sa vyskytla nekróza.
Biologický význam
![](https://i0.wp.com/tiensmed.ru/news/uimg/ac/apoptoz-w2c.jpg)
1. Implementácia normálneho vývoja tela počas embryogenézy.
2. Zabránenie proliferácii mutovaných buniek.
3.
Regulácia imunitného systému.
4.
Zabránenie predčasnému starnutiu organizmu.
Tento proces hrá vedúcu úlohu v embryogenéze, pretože mnohé orgány a tkanivá prechádzajú počas embryonálneho vývoja významnými transformáciami. Mnohé vrodené chyby sú výsledkom nedostatočnej apoptotickej aktivity.
Ako naprogramovaná sebadeštrukcia defektných buniek je tento proces silnou prirodzenou obranou proti rakovine. Napríklad ľudský papilomavírus blokuje bunkové receptory zodpovedné za apoptózu, a tak vedie k rozvoju rakoviny krčka maternice a niektorých ďalších orgánov.
Vďaka tomuto procesu dochádza k fyziologickej regulácii klonov T-lymfocytov zodpovedných za bunkovú imunitu organizmu. Bunky, ktoré nie sú schopné rozpoznať proteíny vlastného tela (a asi 97 % z nich celkovo dozrieva), prechádzajú apoptózou.
Nedostatočnosť apoptózy vedie k závažným autoimunitným ochoreniam, pričom pri stavoch imunodeficiencie je možné jej zosilnenie. Napríklad závažnosť AIDS koreluje so zintenzívnením tohto procesu v T-lymfocytoch.
Okrem toho má tento mechanizmus veľký význam pre fungovanie nervového systému: je zodpovedný za normálnu tvorbu neurónov a môže spôsobiť aj skorú deštrukciu nervových buniek pri Alzheimerovej chorobe.
Jednou z teórií starnutia tela je teória apoptózy. Už je dokázané, že je základom predčasného starnutia tkanív, kde bunková smrť zostáva nezvratná (nervové tkanivo, bunky myokardu). Na druhej strane nedostatočná apoptóza môže prispieť k hromadeniu starnúcich buniek v tele, ktoré za normálnych okolností fyziologicky odumierajú a sú nahradené novými (predčasné starnutie spojivového tkaniva).
Úloha teórie apoptózy v medicíne
Úlohou teórie apoptózy v medicíne je možnosť hľadania spôsobov regulácie tohto procesu pre liečbu a prevenciu mnohých patologických stavov spôsobených oslabením alebo naopak posilnením apoptózy.Výskum prebieha súčasne v mnohých smeroch. V prvom rade treba poznamenať vedecký výskum v takej dôležitej oblasti medicíny, akou je onkológia. Keďže nádorový rast je spôsobený defektom geneticky naprogramovanej smrti mutovaných buniek, skúma sa možnosť špecifickej regulácie apoptózy so zvýšením jej aktivity v nádorových bunkách.
Účinok niektorých chemoterapeutických liečiv široko používaných v onkológii je založený na posilnení procesov apoptózy. Keďže nádorové bunky sú k tomuto procesu náchylnejšie, vyberie sa dávka látky, ktorá postačuje na usmrtenie patologických buniek, ale pre normálne je relatívne neškodná.
Pre medicínu sú mimoriadne dôležité aj štúdie študujúce úlohu apoptózy pri degenerácii svalového tkaniva srdca pod vplyvom obehového zlyhania. Skupina čínskych vedcov (Lv X, Wan J, Yang J, Cheng H, Li Y, Ao Y, Peng R) zverejnila nové experimentálne údaje, ktoré dokazujú možnosť umelého zníženia apoptózy v kardiomyocytoch zavedením určitých inhibičných látok.
Ak sa teoretický výskum laboratórnych predmetov podarí aplikovať do klinickej praxe, bude to veľký krok vpred v boji proti koronárnej chorobe srdca. Táto patológia je na prvom mieste medzi príčinami smrti vo všetkých vysoko rozvinutých krajinách, takže prechod od teórie k praxi by bolo ťažké preceňovať.
Ďalším veľmi sľubným smerom je vývoj metód na reguláciu tohto procesu na spomalenie starnutia organizmu. Teoretický výskum smeruje k vytvoreniu programu, ktorý kombinuje zvýšenie aktivity apoptózy starnúcich buniek a súčasne zvýšenie proliferácie mladých bunkových elementov. Určitý pokrok sa tu dosiahol na teoretickej úrovni, ale prechod od teórie k praktickým riešeniam je ešte ďaleko.
Okrem toho sa vykonáva rozsiahly vedecký výskum v týchto oblastiach:
- alergológia;
- imunológia;
- terapia infekčných chorôb;
- transplantológia;
Apoptóza je programovaná bunková smrť (iniciovaná pod vplyvom extra- alebo intracelulárnych faktorov), na vývoji ktorej sa aktívne podieľajú špeciálne a geneticky naprogramované vnútrobunkové mechanizmy. Na rozdiel od nekrózy je to aktívny proces, ktorý si vyžaduje určité spotreba energie. Spočiatku sa snažili rozlišovať medzi pojmami „ programovaná bunková smrť"A" apoptóza": prvý termín zahŕňal elimináciu buniek v embryogenéze a druhý - programovanú smrť iba zrelých diferencovaných buniek. Teraz sa ukázalo, že v tom nie je žiadna praktickosť (mechanizmy vývoja bunkovej smrti sú rovnaké) a tieto dva pojmy sa stali synonymami, hoci táto súvislosť nie je nespochybniteľná.
Predtým, ako začneme prezentovať materiál o úlohe apoptózy pre život bunky (a organizmu) v normálnych a patologických podmienkach, zvážime mechanizmus apoptózy. Ich implementácia môže byť prezentovaná vo forme postupného vývoja nasledujúcich etáp:
1. fáza – iniciačné (indukčné) štádium .
V závislosti od pôvodu signálu stimulujúceho apoptózu existujú:
intracelulárne stimuly apoptózy. Medzi najznámejšie patria rôzne druhy žiarenia, nadbytok H +, oxid dusnatý, voľné radikály kyslíka a lipidov, hypertermia atď. poškodenie chromozómov(Zlomy DNA, poruchy jej konformácie atď.) a intracelulárne membrány(najmä mitochondrie). To znamená, že v tomto prípade je dôvodom apoptózy „neuspokojivý stav samotnej bunky“ (Mushkambirov N.P., Kuznetsov S.L., 2003). Okrem toho by poškodenie bunkových štruktúr malo byť dosť silné, ale nie deštruktívne. Bunka si musí zachovať energiu a materiálne zdroje, aby aktivovala gény apoptózy a jej efektorové mechanizmy. Intracelulárna dráha na stimuláciu programovanej bunkovej smrti môže byť označená ako „ apoptóza zvnútra»;
transmembránové stimuly apoptózy t.j. v tomto prípade je aktivovaný vonkajšou „signalizáciou“, ktorá sa prenáša cez membránové alebo (menej často) intracelulárne receptory. Bunka môže byť celkom životaschopná, ale z pohľadu celého organizmu alebo „chybnej“ stimulácie apoptózy musí zomrieť. Tento typ apoptózy sa nazýva „ apoptóza na príkaz».
Transmembránové stimuly sa delia na:
« negatívne» signály. Pre normálne fungovanie bunky, reguláciu jej delenia a rozmnožovania je potrebné ju ovplyvňovať prostredníctvom receptorov rôznych biologicky aktívnych látok: rastových faktorov, cytokínov, hormónov. Okrem iných účinkov potláčajú mechanizmy bunkovej smrti. A prirodzene, nedostatok alebo absencia týchto biologicky aktívnych látok aktivuje mechanizmy programovanej bunkovej smrti;
« pozitívne» signály. Signálne molekuly, ako je TNFα, glukokortikoidy, niektoré antigény, adhézne proteíny atď., môžu po interakcii s bunkovými receptormi spustiť program apoptózy.
Na bunkových membránach existuje skupina receptorov, ktorých úlohou je prenášať signál pre rozvoj apoptózy je hlavnou, možno aj jedinou funkciou. Sú to napríklad proteíny skupiny DR (receptory smrti - “ receptory smrti"): DR 3, DR 4, DR 5. Najviac preštudovaný je Fas receptor, ktorý sa objavuje na povrchu buniek (hepatocytov) spontánne alebo pod vplyvom aktivácie (zrelé lymfocyty). Fas receptor pri interakcii s Fas receptorom (ligandom) zabíjačskej T bunky spúšťa program smrti cieľových buniek. Interakcia Fas receptora s Fas ligandom v oblastiach izolovaných od imunitného systému však končí smrťou samotného T-zabijaka (pozri nižšie).
Malo by sa pamätať na to, že niektoré molekuly signalizujúce apoptózu v závislosti od situácie môžu naopak blokovať vývoj programovanej bunkovej smrti. Ambivalencia(dvojitý prejav opačných kvalít) je charakteristický pre TNF, IL-2, interferón γ atď.
Na membránach erytrocytov, krvných doštičiek, leukocytov, ako aj pľúcnych a kožných buniek, špeciálne markerové antigény. Syntetizujú fyziologické autoprotilátky a oni, ktorí plnia úlohu opsoníny, podporujú fagocytózu týchto buniek, t.j. bunková smrť nastáva tým autofagocytóza. Ukázalo sa, že markerové antigény sa objavujú na povrchu „starých“ (prešli ontogenetickým vývojom) a poškodených buniek, zatiaľ čo mladé a nepoškodené bunky ich nemajú. Tieto antigény sa nazývajú „markerové antigény starnúcich a poškodených buniek“ alebo „proteín tretieho pásma“. Vzhľad proteínu tretieho pásu je riadený bunkovým genómom. Preto možno autofagocytózu považovať za variant programovanej bunkovej smrti.
Zmiešané signály. Ide o kombinovaný účinok signálov prvej a druhej skupiny. Napríklad apoptóza sa vyskytuje v lymfocytoch aktivovaných mitogónom (pozitívny signál), ale nie v kontakte s antigénom (negatívny signál).
2. fáza – etapa programovania (kontrola a integrácia mechanizmov apoptózy).
Toto štádium je charakterizované dvoma diametrálne odlišnými procesmi pozorovanými po iniciácii. Buď sa stane:
implementácia spúšťacieho signálu pre apoptózu prostredníctvom aktivácie jej programu (efektormi sú kaspázy a endonukleázy);
účinok spúšťača apoptózy je blokovaný.
Existujú dve hlavné, ale navzájom sa nevylučujúce možnosti na vykonanie fázy programovania (obr. 14):
Ryža. 14. Kaskáda kaspáz a jej ciele
R – membránový receptor; K – kaspáza, AIF – mitochondriálna proteáza; Citovať C – cytochróm c, Apaf-1 – cytoplazmatický proteín, IAP – inhibítory kaspázy
1. Priamy prenos signálu (priama cesta aktivácie efektorových mechanizmov apoptózy obchádzajúcou bunkový genóm) sa realizuje prostredníctvom:
adaptorové proteíny. Napríklad takto je apoptóza spúšťaná zabíjačskými T bunkami. Aktivuje kaspázu-8 (adaptérový proteín). TNF môže pôsobiť podobne;
cytochróm C a proteáza AIF (mitochondriálna proteáza). Opúšťajú poškodené mitochondrie a aktivujú kaspázu-9;
granzýmy. Zabíjačské T bunky syntetizujú proteín perforín, ktorý tvorí kanály v plazmaleme cieľovej bunky. Proteolytické enzýmy vstupujú do bunky cez tieto kanály. granzýmy, vylučované rovnakým T-killerom a spúšťajú kaskádu kaspázovej siete.
2. Nepriamy prenos signálu. Implementuje sa pomocou bunkového genómu:
represia génov, ktoré riadia syntézu proteínov inhibujúcich apoptózu (gény Bcl-2, Bcl-XL atď.). Proteíny Bcl-2 v normálnych bunkách sú súčasťou mitochondriálnej membrány a uzatvárajú kanály, ktorými cytochróm C a AIF proteáza opúšťajú tieto organely;
expresia, aktivácia génov, ktoré riadia syntézu proteínov aktivátora apoptózy (gény Bax, Bad, Bak, Rb, P 53 atď.). Tie zase aktivujú kaspázy (k-8, k-9).
Na obr. Obrázok 14 ukazuje približný diagram kaspázového princípu aktivácie kaspázy. Je vidieť, že bez ohľadu na to, kde kaskáda začína, jej kľúčovým bodom je kaspáza 3. Aktivujú ju aj kaspázy 8 a 9. Celkovo je v rodine kaspáz viac ako 10 enzýmov. Lokalizované v cytoplazme bunky v neaktívnom stave (prokaspázy). Poloha všetkých kaspáz v tejto kaskáde nie je úplne objasnená, takže niekoľko z nich v diagrame chýba. Len čo sa aktivujú kaspázy 3,7,6 (možno ich iné typy), nastáva 3. štádium apoptózy.
3. fáza – etapa implementácie programu (riaditeľ, efektor).
Priamymi vykonávateľmi („popravcami“ bunky) sú vyššie uvedené kaspázy a endonukleázy. Miesta ich pôsobenia (proteolýzy) sú (obr. 14):
cytoplazmatické proteíny – cytoskeletálne proteíny (fodrín a aktín). Hydrolýza fodrinu vysvetľuje zmenu na bunkovom povrchu - „zvlnenie“ plazmalemy (výskyt invaginácií a výčnelkov na nej);
proteíny niektorých cytoplazmatických regulačných enzýmov: fosfolipáza A 2, proteínkináza C atď.;
jadrové proteíny. Proteolýza jadrových proteínov hrá hlavnú úlohu vo vývoji apoptózy. Štrukturálne proteíny, proteíny replikačných a opravných enzýmov (DNA-proteínkinázy atď.), regulačné proteíny (pRb atď.) a proteíny inhibítora endonukleázy sú zničené.
Deaktivácia poslednej skupiny – Proteíny inhibujúce endonukleázu vedú k aktivácii endonukleáz, druhej "pištoľ » apoptóza. V súčasnosti sa endonukleázy a najmä So 2+ , Mg 2+ - závislá endonukleáza, je považovaný za centrálny enzým programovanej bunkovej smrti. Neštiepi DNA na náhodných miestach, ale iba v spojovníkových oblastiach (spojovacie oblasti medzi nukleozómami). Preto chromatín nie je lyzovaný, ale iba fragmentovaný, čo určuje charakteristický štrukturálny znak apoptózy.
V dôsledku deštrukcie proteínu a chromatínu v bunke vznikajú a pučia z nej rôzne fragmenty - apoptotické telieska. Obsahujú zvyšky cytoplazmy, organely, chromatín atď.
4. fáza – etapa odstránenie apoptotických teliesok (bunkové fragmenty).
Ligandy sú exprimované na povrchu apoptotických teliesok a sú rozpoznávané fagocytovými receptormi. Proces detekcie, absorpcie a metabolizácie fragmentov mŕtvej bunky prebieha pomerne rýchlo. To pomáha zabrániť tomu, aby sa obsah mŕtvej bunky dostal do prostredia, a teda, ako bolo uvedené vyššie, zápalový proces sa nerozvinie. Bunka odíde „pokojne“ bez toho, aby rušila svojich „susedov“ („tichá samovražda“).
Pre mnohých je dôležitá programovaná bunková smrť fyziologické procesy . Súvisí s apoptózou:
udržiavanie normálnych procesov morfogenézy– programovaná bunková smrť počas embryogenézy (implantácia, organogenéza) a metamorfózy;
udržiavanie bunkovej homeostázy(vrátane eliminácie buniek s genetickými poruchami a infikovaných vírusmi). Apoptóza vysvetľuje fyziologickú involúciu a rovnováhu mitóz v zrelých tkanivách a orgánoch. Napríklad bunková smrť v aktívne proliferujúcich a samoobnovujúcich sa populáciách - črevné epiteliálne bunky, zrelé leukocyty, erytrocyty. Involúcia závislá od hormónov - smrť endometria na konci menštruačného cyklu;
výber bunkových odrôd v rámci populácie. Napríklad tvorba antigénovo špecifickej zložky imunitného systému a kontrola implementácie jeho efektorových mechanizmov. Pomocou apoptózy sa zlikvidujú klony lymfocytov, ktoré sú pre telo nepotrebné a nebezpečné (autoagresívne). Relatívne nedávno (Griffith T.S., 1997) ukázal dôležitosť programovanej bunkovej smrti pri ochrane „imunologicky privilegovaných“ oblastí (vnútorné prostredie oka a semenníkov). Pri prechode cez histo-hematologické bariéry týchto zón (čo sa stáva zriedkavo) odumierajú efektorové T-lymfocyty (pozri vyššie). Aktivácia mechanizmov ich smrti je zabezpečená interakciou Fas ligandu bariérových buniek s Fas receptormi T lymfocytu, čím sa bráni rozvoju autoagresie.
Úloha apoptózy v patológii a typy rôznych chorôb spojených s poruchou apoptózy sú prezentované vo forme diagramu (obr. 15) a tabuľky 1.
Samozrejme, význam apoptózy v patológii je menší ako význam nekrózy (možno je to spôsobené nedostatkom takýchto vedomostí). Jeho problém v patológii má však aj trochu inú povahu: hodnotí sa podľa závažnosti apoptózy – zosilnenia alebo oslabenia pri určitých ochoreniach.
Proces, ktorým sa bunka môže zabiť, sa nazýva programovaná bunková smrť (PCD). Tento mechanizmus má niekoľko druhov a hrá dôležitú úlohu vo fyziológii rôznych organizmov, najmä mnohobunkových. Najbežnejšou a dobre študovanou formou PGC je apoptóza.
Čo je apoptóza
Apoptóza je riadený fyziologický proces sebadeštrukcie bunky, charakterizovaný postupnou deštrukciou a fragmentáciou jej obsahu s tvorbou membránových vezikúl (apoptotických teliesok), následne absorbovaných fagocytmi. Tento geneticky založený mechanizmus sa aktivuje pod vplyvom určitých vnútorných alebo vonkajších faktorov.
Pri tomto type smrti bunkový obsah nepresahuje membránu a nespôsobuje zápal. Dysregulácia apoptózy vedie k vážnym patológiám, ako je nekontrolované delenie buniek alebo degenerácia tkaniva.
Apoptóza je len jednou z niekoľkých foriem programovanej bunkovej smrti (PCD), takže je zavádzajúce porovnávať tieto pojmy. Známe typy bunkovej sebadeštrukcie zahŕňajú aj mitotickú katastrofu, autofágiu a programovanú nekrózu. Iné mechanizmy PGC ešte neboli študované.
Príčiny bunkovej apoptózy
Spúšťačom mechanizmu programovanej bunkovej smrti môžu byť prirodzené fyziologické procesy aj patologické zmeny spôsobené vnútornými defektmi alebo vystavením vonkajším nepriaznivým faktorom.
Normálne apoptóza vyrovnáva proces delenia buniek, reguluje ich počet a podporuje obnovu tkaniva. V tomto prípade sú príčinou PCD určité signály zahrnuté v systéme riadenia homeostázy. Pomocou apoptózy sú zničené bunky, ktoré sú na jedno použitie alebo dokončili svoju funkciu. Zvýšený obsah leukocytov, neutrofilov a ďalších prvkov bunkovej imunity po ukončení boja s infekciou je teda eliminovaný práve vďaka apoptóze.
Programovaná smrť je súčasťou fyziologického cyklu reprodukčných systémov. Apoptóza sa podieľa na procese oogenézy a tiež prispieva k smrti vajíčka v neprítomnosti oplodnenia.
Klasickým príkladom účasti bunkovej apoptózy v životnom cykle vegetatívnych systémov je jesenný opad listov. Samotný výraz pochádza z gréckeho slova apoptóza, čo sa doslovne prekladá ako „odpadnutie“.
Apoptóza hrá kľúčovú úlohu v embryogenéze a ontogenéze, keď sa tkanivá v tele nahrádzajú a niektoré orgány atrofujú. Príkladom je zmiznutie blán medzi prstami niektorých cicavcov alebo odumretie chvosta pri metamorfóze žaby.
Apoptóza môže byť spustená akumuláciou defektných zmien v bunke v dôsledku mutácií, starnutia alebo mitotických chýb. Príčinou PCD môže byť nepriaznivé prostredie (nedostatok nutričných zložiek, nedostatok kyslíka) a patologické vonkajšie vplyvy sprostredkované vírusmi, baktériami, toxínmi a pod. Navyše, ak je škodlivý účinok príliš intenzívny, bunka nestihne zaniesť von z mechanizmu apoptózy a odumiera v dôsledku rozvoja patologického procesu - nekrózy.
Morfologické a štruktúrno-biochemické zmeny v bunkách počas apoptózy
Proces apoptózy je charakterizovaný určitým súborom morfologických zmien, ktoré je možné pozorovať v tkanivovom preparáte in vitro pomocou mikroskopu.
Medzi hlavné znaky charakteristické pre bunkovú apoptózu patria:
- reštrukturalizácia cytoskeletu;
- zhutnenie bunkového obsahu;
- chromatínová kondenzácia;
- fragmentácia jadra;
- zníženie objemu buniek;
- zvrásnenie obrysu membrány;
- tvorba vezikúl na povrchu buniek,
- zničenie organel.
U zvierat tieto procesy vrcholia tvorbou apoptocytov, ktoré môžu byť absorbované tak makrofágmi, ako aj susednými tkanivovými bunkami. V rastlinách nedochádza k tvorbe apoptotických teliesok a po degradácii protoplastu je kostra v podobe bunkovej steny zachovaná.
Okrem morfologických zmien je apoptóza sprevádzaná množstvom preskupení na molekulárnej úrovni. Dochádza k zvýšeniu aktivity lipázy a nukleázy, čo má za následok fragmentáciu chromatínu a mnohých proteínov. Prudko sa zvyšuje obsah cAMP, mení sa štruktúra bunkovej membrány. V rastlinných bunkách sa pozoruje tvorba obrovských vakuol.
Ako sa apoptóza líši od nekrózy?
Hlavným rozdielom medzi apoptózou a nekrózou je príčina bunkovej degradácie. V prvom prípade sú zdrojom deštrukcie molekulárne nástroje samotnej bunky, ktoré pracujú pod prísnou kontrolou a vyžadujú energiu ATP. Pri nekróze dochádza k pasívnemu zastaveniu vitálnej aktivity v dôsledku vonkajších škodlivých vplyvov.
Apoptóza je prirodzený fyziologický proces navrhnutý tak, aby nepoškodzoval okolité bunky. Nekróza je nekontrolovaný patologický jav, ktorý sa vyskytuje v dôsledku kritických zranení. Preto nie je prekvapujúce, že mechanizmus, morfológia a dôsledky apoptózy a nekrózy sú do značnej miery opačné. Existujú však aj spoločné črty.
V prípade poškodenia bunky spúšťajú mechanizmus programovanej smrti, a to aj s cieľom zabrániť nekrotickému vývoju. Nedávne štúdie však ukázali, že existuje aj iná nepatologická forma nekrózy, ktorá bola tiež klasifikovaná ako PCC.
Biologický význam apoptózy
Napriek tomu, že apoptóza vedie k bunkovej smrti, jej úloha pri udržiavaní normálneho fungovania celého organizmu je veľmi veľká. Vďaka mechanizmu PGC sa vykonávajú tieto fyziologické funkcie:
- udržiavanie rovnováhy medzi bunkovou proliferáciou a smrťou;
- obnova tkanív a orgánov;
- odstránenie defektných a „starých“ buniek;
- ochrana pred rozvojom patogénnej nekrózy;
- zmena tkanív a orgánov počas embryonálnej a ontogenézy;
- odstránenie nepotrebných prvkov, ktoré splnili svoju funkciu;
- eliminácia buniek, ktoré sú pre telo nežiaduce alebo nebezpečné (mutantné, nádorové, infikované vírusom);
- prevencia rozvoja infekcie.
Apoptóza je teda jedným zo spôsobov, ako udržať homeostázu buniek a tkanív.
Štádiá bunkovej smrti
To, čo sa deje s bunkou počas apoptózy, je výsledkom zložitého reťazca molekulárnych interakcií medzi rôznymi enzýmami. Reakcie prebiehajú ako kaskáda, keď niektoré proteíny aktivujú iné, čo prispieva k postupnému vývoju scenára smrti. Tento proces možno rozdeliť do niekoľkých etáp:
- Indukcia.
- Aktivácia proapoptotických proteínov.
- Aktivácia kaspáz.
- Deštrukcia a reštrukturalizácia bunkových organel.
- Tvorba apoptocytov.
- Príprava bunkových fragmentov na fagocytózu.
Syntéza všetkých komponentov potrebných na spustenie, realizáciu a kontrolu každého štádia je geneticky podmienená, a preto sa apoptóza nazýva programovaná bunková smrť. Aktivácia tohto procesu je pod prísnou kontrolou regulačných systémov, vrátane rôznych PGC inhibítorov.
Molekulárne mechanizmy bunkovej apoptózy
Vývoj apoptózy je určený kombinovaným pôsobením dvoch molekulárnych systémov: indukčného a efektorového. Prvý blok je zodpovedný za riadené spustenie ZGK. Zahŕňa takzvané receptory smrti, Cys-Asp proteázy (kaspázy), množstvo mitochondriálnych komponentov a proapoptotické proteíny. Všetky prvky indukčnej fázy možno rozdeliť na spúšťače (podieľajúce sa na indukcii) a modulátory, ktoré zabezpečujú prenos signálu smrti.
Efektorový systém pozostáva z molekulárnych nástrojov, ktoré zabezpečujú degradáciu a reštrukturalizáciu bunkových komponentov. Prechod medzi prvou a druhou fázou nastáva v štádiu proteolytickej kaskády kaspáz. K bunkovej smrti počas apoptózy dochádza vďaka zložkám efektorového bloku.
Faktory apoptózy
Štrukturálne, morfologické a biochemické zmeny počas apoptózy sú uskutočňované určitým súborom špecializovaných bunkových nástrojov, z ktorých najdôležitejšie sú kaspázy, nukleázy a membránové modifikátory.
Kaspázy sú skupinou enzýmov, ktoré štiepia peptidové väzby na zvyškoch asparagínu a fragmentujú proteíny na veľké peptidy. Pred nástupom apoptózy sú v bunke prítomné v neaktívnom stave vďaka inhibítorom. Hlavným cieľom kaspáz sú jadrové proteíny.
Nukleázy sú zodpovedné za rezanie molekúl DNA. Pri rozvoji apoptózy je obzvlášť dôležitá aktívna endonukleáza CAD, ktorá štiepi úseky chromatínu v oblastiach linkerových sekvencií. V dôsledku toho sa vytvoria fragmenty dlhé 120 až 180 nukleotidových párov. Komplexné pôsobenie proteolytických kaspáz a nukleáz vedie k deformácii a fragmentácii jadra.
Modifikátory bunkovej membrány - narúšajú asymetriu bilipidovej vrstvy a menia ju na cieľ pre fagocytárne bunky.
Kľúčovú úlohu vo vývoji apoptózy majú kaspázy, ktoré postupne aktivujú všetky následné mechanizmy degradácie a morfologickej reštrukturalizácie.
Úloha kaspáz pri bunkovej smrti
Rodina kaspáz zahŕňa 14 proteínov. Niektoré z nich sa nezúčastňujú na apoptóze a ostatné sú rozdelené do 2 skupín: iniciátor (2, 8, 9, 10, 12) a efektor (3, 6 a 7), ktoré sa inak nazývajú kaspázy druhého stupňa. Všetky tieto proteíny sú syntetizované ako prekurzory – prokaspázy, aktivované proteolytickým štiepením, ktorého podstatou je odtrhnutie N-terminálnej domény a rozdelenie zvyšnej molekuly na dve časti, následne asociované na diméry a tetraméry.
Iniciátorové kaspázy sú nevyhnutné na aktiváciu efektorovej skupiny, ktorá vykazuje proteolytickú aktivitu proti rôznym vitálnym bunkovým proteínom. Substráty kaspáz druhej úrovne zahŕňajú:
- enzýmy na opravu DNA;
- inhibítor proteínu p-53;
- poly(ADP-ribóza)polymeráza;
- Inhibítor DNázy DFF (deštrukcia tohto proteínu vedie k aktivácii endonukleázy CAD) atď.
Celkový počet cieľov efektorových kaspáz zahŕňa viac ako 60 proteínov.
Inhibícia bunkovej apoptózy je stále možná v štádiu aktivácie iniciačných prokaspáz. Keď efektorové kaspázy vstúpia do činnosti, proces sa stane nezvratným.
Cesty aktivácie apoptózy
Prenos signálu na spustenie bunkovej apoptózy sa môže uskutočniť dvoma spôsobmi: receptorovým (alebo externým) a mitochondriálnym. V prvom prípade je proces aktivovaný prostredníctvom špecifických receptorov smrti, ktoré vnímajú vonkajšie signály, ktorými sú proteíny rodiny TNF alebo Fas ligandy umiestnené na povrchu zabíjačských T buniek.
Receptor obsahuje 2 funkčné domény: transmembránovú doménu (určenú na komunikáciu s ligandom) a „doménu smrti“ orientovanú vo vnútri bunky, ktorá indukuje apoptózu. Mechanizmus receptorovej dráhy je založený na tvorbe komplexu DISC, ktorý aktivuje iniciátorové kaspázy 8 alebo 10.
Zostavenie začína interakciou smrtiacej domény s intracelulárnymi adaptorovými proteínmi, ktoré zase viažu iniciačné prokaspázy. Ako súčasť komplexu sa tieto konvertujú na funkčne aktívne kaspázy a spúšťajú ďalšiu apoptotickú kaskádu.
Mechanizmus vnútornej dráhy je založený na aktivácii proteolytickej kaskády špeciálnymi mitochondriálnymi proteínmi, ktorých uvoľňovanie je riadené intracelulárnymi signálmi. Výstup zložiek organel nastáva tvorbou obrovských pórov.
Osobitnú úlohu pri uvedení na trh má cytochróm c. Akonáhle je v cytoplazme, táto zložka elektrického transportného reťazca sa viaže na proteín Apaf1 (proteázy aktivujúce apoptotický faktor), čo vedie k jeho aktivácii. Apaf1 potom viaže iniciátorové prokaspázy 9, ktoré spúšťajú apoptózu prostredníctvom kaskádového mechanizmu.
Vnútornú dráhu riadi špeciálna skupina proteínov rodiny Bcl12, ktoré regulujú uvoľňovanie medzimembránových komponentov mitochondrií do cytoplazmy. Rodina obsahuje proapoptotické aj antiapoptotické proteíny, pričom rovnováha medzi nimi určuje, či sa proces spustí.
Jedným zo silných faktorov, ktoré spúšťajú apoptózu prostredníctvom mitochondriálneho mechanizmu, sú reaktívne formy kyslíka. Ďalším významným induktorom je proteín p53, ktorý aktivuje mitochondriálnu dráhu v prítomnosti poškodenia DNA.
Niekedy spustenie bunkovej apoptózy kombinuje dva spôsoby naraz: vonkajšie aj vnútorné. Ten zvyčajne slúži na zvýšenie aktivácie receptora.