Krótkie notatki na temat śmierci zaprogramowanej komórki
Zaprogramowana śmierć komórki jest wywołanym i uporządkowanym procesem, w którym komórka aktywnie uczestniczy w doprowadzeniu do własnej śmierci.
Zaprogramowana śmierć komórki jest krytycznym czynnikiem dla utrzymania homeostatycznej regulacji wielu typów komórek. Dla każdej komórki jest czas na życie i czas na śmierć. Każdego dnia miliony leukocytów są produkowane i uwalniane ze szpiku kostnego do krążenia. Okres półtrwania leukocytów wynosi tylko kilka dni. Po kilku dniach leukocyty umierają przez zaprogramowaną śmierć komórki. Jeśli leukocyty nie umrą, nastąpi akumulacja leukocytów we krwi, co może zakłócać płynną naturę krwi.
Nagroda Nobla w dziedzinie fizjologii lub medycyny 2002 została przyznana wspólnie trzem naukowcom, Sydney Brenner, Robertowi Horvitzowi i Johnowi Sulstonowi za odkrycia dotyczące "genetycznej regulacji rozwoju narządu i zaprogramowanej śmierci komórki". Jako model wykorzystali nicieni "Caenorhabditis elegans" i zidentyfikowali kluczowe geny regulujące programowaną śmierć komórki. C. elegans to mały przezroczysty robak z krótkim czasem generacji, który pomaga śledzić podział komórek bezpośrednio pod mikroskopem. Zaprogramowana śmierć komórki lub apoptoza to ewolucyjnie zachowany proces. Kręgowce wyewoluowały całe rodziny genów przypominające geny śmierci komórek nicieni.
Istnieją dwa powody, dla których komórki ulegają zaprogramowanej śmierci komórkowej lub apoptozie:
1. Zaprogramowana śmierć komórki jest potrzebna do prawidłowego rozwoju organizmu.
ja. Apoptoza powoduje resorpcję ogona kijanki w czasie jego metamorfozy w żabę.
ii. Apoptyczna śmierć komórek prowadzi do usunięcia tkanek między palcami rąk i nóg płodu.
iii. Odcisk endometrium (wewnętrzna wyściółka macicy) na początku menstruacji następuje przez apoptodis.
2. Zaprogramowana śmierć komórki jest potrzebna do wyeliminowania komórek gospodarza, co może stanowić zagrożenie dla hosta.
ja. Komórki zainfekowane wirusami powinny zostać usunięte z organizmu. Cytotoksyczne limfocyty T (CTL) indukują apoptyczną śmierć komórek zakażonych wirusem przez enzym granzym.
ii. Po pożądanym okresie komórkowej odpowiedzi immunologicznej, CTL powinny zostać wyeliminowane. W przeciwnym razie listy CTL mogą wyrządzić szkodę hostowi. CTL indukują apoptozę między sobą. Co więcej, CTL może indukować apoptozę samą w sobie.
Komórki przechodzące programowaną śmierć komórki wykazują wiele zmian morfologicznych, które określa się mianem apoptozy.
Następujące zmiany morfologiczne obserwuje się w komórce przechodzącej śmierć apoptotyczną:
ja. Zmniejszenie objętości komórki.
ii. Modyfikacje w cytoszkielecie, w wyniku czego powstaje pęcherzyk błony.
iii. Kondensacja chromatyny i degradacja DNA na małe fragmenty.
Komórka apoptyczna zrzuca wiele związanych z błoną ciał apoptycznych zawierających nienaruszone organelle. Ciała apoptotyczne są fagocytowane przez makrofagi. Podczas śmierci apoptycznej zawartość komórki farbującej nie jest uwalniana na zewnątrz (jeśli zostaną wypuszczone na zewnątrz, będą oddziaływać na pobliskie komórki i wywołać reakcję zapalną). Zawartość komórki apoptycznej jest uwalniana jako ciała apoptyczne związane z błoną, a ciała apoptyczne są fagocytowane przez makrofagi.
Cechy komórek umierających z powodu urazu (znanego jako martwica) różnią się od cech umierania komórki w wyniku apoptozy. Proteazy uwalniane z martwiczej komórki mogą uszkadzać sąsiednie komórki, a materiały uwolnione z nekrotycznej komórki stymulują odpowiedź zapalną, prowadząc do zaproszenia komórek zapalnych do miejsca nekrotycznej komórki. Podczas gdy wyciek zawartości komórkowej z komórki apoptycznej jest zminimalizowany, tak że sąsiadujące komórki nie ulegają zmianie i reakcje zapalne nie są indukowane.
Bodziec lub sygnał apoptozy może pochodzić spoza komórek (zewnątrzpochodnych) lub z wnętrza komórek (wewnętrzne lub mitochondrialne).
ja. Zewnętrzne sygnały indukują apoptozę przez (a) wiązanie zewnętrznych ligandów indukujących śmierć z receptorami na powierzchni komórki i (b) przez działanie enzymu granzymu wydzielanego przez cytotoksyczne komórki T. Granzym indukuje apoptyczną śmierć komórek zakażonych wirusem i komórek nowotworowych.
ii. Po stresie w komórkach (takim jak ekspozycja na promieniowanie lub chemikalia lub infekcje wirusowe) inicjowane są sygnały wewnętrzne. Ogólnie, wewnętrzne sygnały inicjują apoptozę poprzez zaangażowanie mitochondriów.
Kaspazy:
Kaspazy to proteazy cytoplazmatyczne. Kaspazy różnią się od innych proteaz tym, że kaspazy mają istotną cysteinę w ich aktywnych miejscach. Również kaspazy rozcinają białka docelowe w poszczególnych szparach. Kaspazy są obecne w cytoplazmie w nieaktywnych formach prekursorowych zwanych procaspazami. Prasaspazy są odcinane w celu uwolnienia aktywnych kaspaz. Praspaspazy w cytoplazmie są aktywowane przez wiele sygnałów wewnątrzkomórkowych i zewnątrzkomórkowych. Do tej pory zidentyfikowano ponad 10 ludzkich kaspaz.
Podczas apoptozy chromosomalny DNA ulega rozszczepieniu na małe jednostki nukleosomalne. Enzymy cytoplazmatyczne kaspazy powodują degradację jądrową poprzez różne mechanizmy.
ja. Enzym, DNaza aktywowana kaspazą (CAD) powoduje fragmentację DNA w jednostkach nukleosomalnych (jak widać w testach drabinkowych DNA). Normalnie CAD istnieje jako nieaktywny kompleks z ICAD (inhibitor CAD, czynnik fragmentacji DNA 45). Kaspazy, w tym kaspaza-3, przecinają ICAD i uwalniają CAD, co z kolei powoduje szybką fragmentację jądrowego DNA.
ii. Enzym polimeraza poli (ADP-ryboza) (PARP) bierze udział w naprawie uszkodzonego DNA. Kaspaza-3 rozszczepia PARP i zapobiega funkcji naprawy PARP przez DNA.
iii. Kaspazy dezaktywują topoizomerazę DNA enzymu jądrowego II, niezbędną do replikacji i naprawy DNA.
iv. Kaspazy rozkładają białka strukturalne jądrowej matrycy i cytoszkieletu i prowadzą do zapadnięcia się jądra i cytoplazmy. Laminy są białkami wewnątrzjądrowymi, które utrzymują kształt jądra i pośredniczą w oddziaływaniach między chromatyną a błoną jądrową. Kaspaza-6 degraduje aminokwasy powodując kondensację chromatyny i fragmentację jądra.
v. Kaspazy rozkładają białka wymagane do adhezji komórek i komórek, powodując uwalnianie komórek apoptycznych z sąsiednich komórek.
vi. Wiele cząsteczek sygnałowych, regulator cyklu komórkowego i czynniki transkrypcyjne są rozkładane przez kaspazy.
Kaspazy działają w sposób kaskadowy, podobnie jak kaskadowa aktywacja składników dopełniacza podczas aktywacji dopełniacza. Istnieje szereg mechanizmów, dzięki którym można aktywować kaskadę kaspazy.
1. Ligandy wywołujące śmierć wiążą się z receptorami powierzchni komórki.
↓
Inicjatory kaspazy, takie jak kaspaza-8 lub kaspaza-10 są aktywowane.
↓
Inicjujące kaspazy aktywują inne kaspazy w kaskadzie.
↓
Ta kaskada ostatecznie prowadzi do aktywacji efektorowych kaspaz, takich jak kaspaza-3 i kaspaza-6. Te kaspazy efektorowe są odpowiedzialne za rozszczepienie kluczowych białek komórkowych, które prowadzą do zmian morfologicznych w komórkach poddawanych apoptozie.
2. Cytotoksyczne limfocyty T wydzielają enzymy: perforyny i granzym.
↓
Enzymy perforyny uderzają w małe dziury w błonie komórkowej komórki docelowej (np. Komórki zakażone wirusem).
↓
Granzym enzymatyczny wchodzi do komórki przez pory i aktywuje kaspazy 3, 7, 8 i 10. Późniejsze zdarzenia prowadzą do uszkodzenia jądra komórki.
3. Mitochondria są również kluczowymi regulatorami kaskady kaspaz i apoptozy.
Cytochrom c uwolniony z mitochondriów wiąże się z białkiem cytozolowym Apaf-1.
↓
Powyższe oddziaływanie jest stabilizowane przez ATP i prowadzi do utworzenia podobnej do koła struktury składającej się z 7 cząsteczek Apaf-1, cytochromu c i ATP. Ta podobna do koła struktura zwana apoptosomem pozwala na rekrutację 7 cząsteczek prokaspazy-9 do kompleksu.
↓
Procapaza-9 jest aktywowana do kaspazy-9 (Dokładny mechanizm aktywacji prokaspazy-9 na kaspazę-9 nie jest znany).
Białka Bcl-2 i apoptoza:
Gen Bcl-2 (chłoniak z komórek B-2) koduje białka hamujące apoptozę. Początkowo gen Bcl-2 został odkryty w rakowych komórkach B zwanych chłoniakami z komórek B. Gen Bcl-2 (w chłoniaku z komórek B) znajduje się w punkcie przerwania translokacji chromosomalnej. Gen Bcl-2 przenosi się do locus łańcucha ciężkiego immunoglobuliny, co powoduje transkrypcyjną aktywację genu Bcl-2.
W konsekwencji następuje nadmierna produkcja białka Bcl-2. Zwiększony poziom białek Bcl-2 hamuje prawidłowe sygnały komórek apoptotycznych i zapobiega apoptozie (Uważa się, że wyższe poziomy białka Bcl-2 w transformowanej komórce B pomagają transformowanym komórkom stać się komórkami nowotworowymi przez hamowanie sygnałów apoptycznych).
Apoptoza w szlakach mitochondrialnych jest kontrolowana przez rodzinę białek związanych z ludzką onkoproteiną Bcl-2. Większość białek Bcl-2 to integralne białka błonowe organelli cytoplazmatycznych, takie jak retikulum endoplazmatyczne, zewnętrzna otoczka jądrowa, wewnętrzna błona komórkowa i mitochondria.
Co ciekawe, białka rodziny Bcl-2 dzielą się na dwie grupy o biologicznie przeciwnych skutkach. Niektóre białka promują apoptozę (takie jak Bad i Bax), podczas gdy inne (takie jak Bcl-2 i BcIX L ) hamują apoptozę. Wynik sygnału apoptycznego w komórce może zależeć od równowagi proapoptycznych i antyapoptycznych białek Bcl-2. Nadmiar proapoptycznych białek może prowadzić do śmierci komórki, podczas gdy nadmiar antyapoptycznych białek może zapobiegać śmierci komórki. Sugeruje się, że Bcl-2 i BclX L zapobiegają apoptycznym działaniom Bax i Bad.
Mitochondria i apoptoza:
Mitochondria odgrywają ważną rolę w regulacji zaprogramowanej śmierci komórki. Mechanizm, przez który białko Bax działa w procesie apoptozy, nie jest znany.
Sugeruje się, że białka Bax tworzą pory w zewnętrznej błonie mitochondrialnej
↓
Mitochondrialny cytochrom c i czynnik indukujący apoptozę (AIF) uciekają przez pory do cytoplazmy.
↓
Cytochrom c tworzy apoptosom (z Apaf-1 i ATP) i aktywuje kaspazę-9.
Uważa się, że Bcl-2 i BcIXl zapobiegają tworzeniu się porów przez Bat i Bax na błonie mitochondrialnej.
Receptory śmierci i apoptoza:
Receptory śmierci to receptory obecne na powierzchni komórek. Po związaniu ze specyficznymi ligandami receptory śmierci przekazują sygnały apoptyczne do komórki. Receptory śmierci należą do super rodziny genu martwicy nowotworów (TNF). Oprócz apoptozy receptory śmierci wywołują wiele innych funkcji.
Najbardziej znanymi receptorami śmierci są:
ja. Fas (CD95)
ii. TNFR1 (receptor 1 TNF)
iii. TRAIL (ligand indukujący apoptozę związany z TNF)
Apoptoza przez Fas Molecules:
Cząsteczki fasonu transmembranowego receptora śmierci znajdują się na powierzchni komórek. Fragmenty cytoplazmatyczne Fas mają domeny śmierci (DD).
↓
Cytotoksyczne limfocyty T (CTL) eksprymują FasL na swojej powierzchni. FasL (ligand Fas) jest trimerem. Skojarzenie cząsteczek Fas (na powierzchni komórki docelowej) z FasL (na CTL) sprzyja trimeryzacji cząsteczek Fas.
↓
Po trimeryzacji cząsteczek Fas wewnątrzkomórkowe domeny śmierci Fas skupiają się razem.
↓
Białko adaptorowe zwane FADD (domena śmierci związana z Fas) wiąże się z domenami śmierci Fas.
↓
FADD ma domenę zwaną dziedziną efektorów śmierci (DED). Domena efektora śmierci umożliwia wiązanie proaspaz-8 (znanej również jako FLICE) do kompleksu CD95-FADD [Kompleks białek CD95-FADD i prokaspazy-8 jest znany jako DISC (kompleks sygnalizacji śmierci)].
↓
Procaspaza-8 jest cięta i powstaje kaspaza-8. Caspase-8 uruchamia działanie kaspaz wykonawczych, takich jak kaspaza-9.
Fas Molecules Zagraj w ważne role apoptyczne w trzech sytuacjach:
1. Cytotoksyczne zabijanie komórek zainfekowanych wirusem zachodzi za pośrednictwem interakcji Fas (na komórkach zainfekowanych wirusem) z FasL na powierzchni CTL.
2. Cząsteczki Fas na powierzchni aktywowanych CTL wiążą się z FasL (na tej samej komórce) i prowadzą do apoptozy CTL. Fas eliminacja aktywowanych CTL jest jednym z mechanizmów odpowiedzialnych za usuwanie aktywowanych CTL, gdy komórkowa odpowiedź immunologiczna nie jest już wymagana przez gospodarza.
3. Sugeruje się, że komórki w miejscach uprzywilejowanych immunologicznie (takich jak przednia komora oka i jądra) wyrażają wysokie poziomy FasL na swojej powierzchni. FasL na tych komórkach wiąże się z cząsteczkami Fas na komórkach zapalnych (które mogą wejść do uprzywilejowanych miejsc) i prowadzą do eliminacji komórek zapalnych. W konsekwencji komórki w miejscach uprzywilejowanych immunologicznie uciekają przed atakiem zapalnym i przeżywają. Uważa się, że cząsteczki FasL na powierzchni komórek w miejscach uprzywilejowanych immunologicznie odpowiadają za uprzywilejowaną naturę tych komórek.
Apoptoza przez TNFR1:
Czynnik martwicy nowotworów (TNF) jest wytwarzany przez limfocyty T i aktywowane makrofagi. TNF wiąże się z receptorem 1 TNF (TNFRI) i inicjuje szereg efektów w komórce.
ja. Wiązanie TNF-TNFR1 może prowadzić do aktywacji NF-kB i AP-1, co z kolei prowadzi do indukcji szeregu genów prozapalnych i immunomodulujących.
ii. Wiązanie TNF-TNFR1 może prowadzić do apoptozy.
Wiązanie TNF-TNFR1 prowadzi do trimeryzacji TNFR1 i grupowania wewnątrzkomórkowych domen śmierci TNFR1.
↓
Cząsteczka adaptacyjna zwana TRADD (domena śmierci związana z TNFR) wiąże się z domeną śmierci TNFRI.
↓
TRADD może rekrutować wiele różnych białek do aktywowanego TNFR1.
↓
Rekrutacja TRAF2 (czynnik 2 związany z TNFR) prowadzi do aktywacji NF-kB i szlaku sygnałowego JNK / AF-1.
1. Rekrutacja FADD prowadzi do indukcji apoptozy poprzez rekrutację i rozszczepienie prokaspazy-8.
2. Kolejne białko adaptacyjne o nazwie RAIDD może być związane z TNFRI, co prowadzi do rekrutacji kaspazy-2. W konsekwencji indukowana jest apoptoza.
Indukcja apoptozy za pomocą TRAIL (TNF-induktowany Ligand apoptozy):
Indukcja apoptozy przez TRAIL jest podobna do indukcji apoptozy przez Fas pod wieloma względami. TRAIL wiąże się z receptorami DR4 lub DR5 na powierzchni komórek i indukuje apoptozę. Dokładne mechanizmy nie są jeszcze znane.
Istnieją białka zwane białkami przynętowymi (DCR1 i CCR2), które współzawodniczą z receptorami DR4 i DR5 o wiązanie z TRAIL. Te receptory wabików zapobiegają apoptozie.
p53 i apoptoza:
p53, białko wiążące DNA jest aktywatorem transkrypcji. Kiedy DNA ulega uszkodzeniu, uszkodzone komórki zwiększają produkcję białka p53. p53 jest silnym induktorem apoptozy. Uważa się, że p53 działa jako czujnik uszkodzeń DNA i został nazwany "strażnikiem genomu".
Mutacje w genie p53 mogą zakłócać apoptyczną śmierć komórki. Zmutowany gen p53 wytwarzający wadliwe białko p53 jest często spotykany w wielu typach komórek nowotworowych.
Wirusy i apoptoza:
Niektóre wirusy manipulują mechanizmem apoptycznym na swoją korzyść i zapewniają przetrwanie, zapobiegając apoptycznej śmierci komórki, w której żyją.
Rak i apoptoza:
Sugeruje się, że mechanizm apoptotyczny jest hamowany w komórkach rakowych. W konsekwencji komórki rakowe nie umierają w wyniku apoptozy.
HIV i apoptoza:
Liczba limfocytów T CD4 + stopniowo zmniejsza się u osób zakażonych wirusem HIV. Mechanizmy stojące za zmniejszeniem liczby limfocytów T CD4 + u osób zakażonych HIV nie są dokładnie znane. Apoptyczna śmierć limfocytów T CD4 + sugerowana jest jako jeden z możliwych mechanizmów. Zakażone HIV i niezakażone HIV komórki T CD4 + eksprymują cząsteczki Fas na swojej powierzchni. Komórki T CD4 + zakażone HIV także eksprymują wysokie poziomy FasL na swojej powierzchni. FasL na zakażonych HIV komórkach T CD4 + wiąże się z cząsteczkami Fas na niezakażonych komórkach T CD4 + i indukuje apoptozę w niezakażonych komórkach, powodując zmniejszenie liczby limfocytów T CD4 + . Uważa się, że ne / gen HIV odpowiada za wysoki poziom ekspresji FasL na komórkach T CD4 + zakażonych HIV.
Tlenek azotu i apoptoza:
Tlenek azotu (NO) jest ważną cząsteczką sygnałową. NO bierze udział w regulacji różnych procesów, takich jak rozszerzenie naczyń, czynność neuronów, stan zapalny i funkcje immunologiczne. NO jest zdolny do indukowania apoptozy i może również chronić komórkę przed apoptozą. Różnorodne efekty NO zależą od dawki NO, zaangażowanych komórek i wielu innych czynników.
Wykazano, że NO hamuje apoptozę w leukocytach, hepatocytach, komórkach śródbłonka i trofoblastach.
Istnieje wiele mechanizmów, przez które NIE działa jako sygnał antyapoptyczny:
ja. Nitrosylacja kaspaz, takich jak kaspaza 1, 3 i 8, powoduje dezaktywację kaspaz.
ii. NO reguluje białko szoku cieplnego 70 iw konsekwencji blokuje rekrutację prokaspazy-9 do apoptosomu.
iii. NO reguluje Bcl-2 i BcIX L iw konsekwencji hamowane jest uwalnianie cytochromu c z mitochondriów.
