Śmierć komórkowa czyli
jak może zmniejszać się ilość komórek
Life it seems, will fade away
Drifting further every day...
Dr. James Hetfield
rodzaje śmierci komórkowej
ze względu na czynnik ją wywołujący:
przypadkowa
programowana (genetycznie)
apoptoza
nekroza
śmierć programowana
cykl komórkowy:
związana z progresją cyklu komórkowego nie związana z progresją cyklu komórkowego
śmierć interfazalna
śmierć mitotyczna
śmierć post-mitotyczna
możliwość i sposób regulacji:
naturalna (fizjologiczna)
rozwój embrionalny,
usuwane niefunkcjonalych komórek
zanik komórek w wyniku obecności (braku) hormonów
„nienaturalna”
w wyniku działania stresu np. temperatury,
obecność toksyn, głodzenie, zmiany pH środowiska
reakcja z innymi komórkami:
wywołująca odpowiedź immunologiczną - nekroza
nie wywołująca odpowiedzi immunologicznej - apoptoza
Przykłady udziału śmierci komórkowej
w procesach morfogenezy
Segmentacja kończyn
Zanik ogona u żaby
Śmierć komórkowa
dostosowuje ilość komórek oddziałujących ze sobą
śmierć komórek dostosowuje liczbę komórek nerwowych
do liczby komórek docelowych
komórki martwe
komórki nerwowe
komórki docelowe
czynnik przeżycia
uwalniany przez
komórki docelowe
Rodzaj śmierci komórkowej
można określić na podstawie morfologii komórek
apoptoza
nekroza
wzrost przepuszczalności
błony cytoplazmatycznej
błona cytoplazmatyczna
w pełni funkcjonalna
obkurczanie się komórki,
kondensacja chromatyny
rozpad komórki na
ciałka apoptotyczne
wzrost objętości cytoplazmy
i mitochondriów
dezintegracja organelli
kompletny rozpad komórki
Różnice pomiędzy apoptozą i nekrozą - morfologia komórek
komórka normalna
zmiany w morfologii
mitochondriów
rozpad błony cytoplazmatycznej
brak zmian w strukturze chromatyny
rozpad komórki
komórka normalna
wtórna nekroza
fragmentacja
kondensacja
ciałka apoptotyczne
funkcjonalna
błona cytoplazmatyczna
funkcjonalne mitochondria
zmiany w strukturze jądra
fragmenty
DNA
Nekroza
Apoptoza
Rodzaj śmierci komórkowej
można określić na podstawie morfologii jądra
komórka normalna
komórka apoptotyczna
Komórka apoptotyczna obkurcza się
apoptoza
nekroza
utrata regulacji równowagi jonowej
ściśle regulowany proces,
w którym aktywowane są
specyficzne nukleazy i proteazy
proces zależny od energii
(wymaga ATP)
fragmentacja chromatyny na 50-300 kpz
internukleosomalna fragmentacja DNA
proces niezależny od energii
degradacja chromatyny
Różnice pomiędzy apoptozą i nekrozą
- zmiany biochemiczne
aktywacja kaskady kaspaz
uwolnienie czynników proapoptotycznych
z mitochondriów (cytochrom C, AIF)
zmiany w asymetrii błony cytoplazmatycznej
znaczenie fizjologiczne
apoptoza
nekroza
zachodzi w pojedynczych komórkach
zachodzi w grupach sąsiadujących
ze sobą komórek
wywoływana przez czynniki fizjologiczne
i niefizjologiczne
np. brak czynników wzrostowych,
zmiany w regulacji hormonalnej,
obecność leków
wywoływana przez czynniki niefizjologiczne
np.. wirusy lityczne, szok termiczny,
niedotlenienie, trucizny
umierające komórki są wchłaniane
(fagocytowane) przez sąsiadujące komórki
umierające komórki są wchłaniane
(fagocytowane) przez makrofagi
brak odpowiedzi immunologicznej
wywoływana jest odpowiedź immunologiczna
Rodzaj śmierci komórkowej można określić na podstawie
zmian biochemicznych w komórkach
C
Ap
N
fragmentacja DNA
degradacja białek
np. PARP
utrata asymetrii błony cytoplazmatycznej
całe białko
forma przecięta
Śmierć komórkowa
może być łatwo badana technikami mikroskopii fluorescencyjnej
zmiany w potencjale błony mitochondriów
barwnik JC-1
fluorescencja zielona – monomer
fluorescencja pomarańczowa – agregaty
zmiany w przepuszczalności
błony cytoplazmatycznej
barwnik homodimer bromku etydyny
fragmentacja DNA
test TUNEL
Modelem genetycznym dla badań m.in. nad śmiercią komórkową
jest nicień Caenorhabditis elegans
sygnał
egzekucja
wchłonięcie
degradacja
niektóre rodzaje
komórek
wszystkie umierające komórki
ces-2
ces-1
ced-9
egl-1
ced-3
ced-4
ced-1
ced-2
ced-5
ced-6
ced-7
ced-8
ced-10
nuc-1
dorosły osobnik składa się z 959 komórek
w procesie rozwoju umiera 131 komórek
mutacje w 14 genach wpływają na poszczególne fazy
procesu
śmierci komórkowej w C. elegans
0.2 m
The Two Major Apoptosis Pathways
Caspase 3, 6, 7
Apoptosis
Pro-apoptotic ligand
FADD
FLIP
DR5
DR4
Cell-extrinsic
pathway
Procaspase 8, 10
p53
p53
Caspase 9
Caspase 8, 10
p53
BAX, BAK
Mitochondria
SMAC/DIABL
O
Chemotherapy
Radiotherapy
DNA damage
PUMA, NOXA
APAF1
Cytochrome
c
DNA damage
BID
IAP
Cell-intrinsic
pathway
BCL2, BCLX
L
,
MCL1
Kaspazy
inicjacyjne
Czynniki pro-
apoptotyczne
Kaspazy efektorowe
Kaskada
kaspaz
Apoptoza wykonywana jest przez kaspazy
Apoptoz
a
Podczas uruchamiania procesu śmierci komórkowej
następuje aktywacja specyficznych proteaz (kaspaz)
aktywacja
cięciem proteolitycznym
nieaktywna
proteaza
(proenzym)
nieaktywny
fragment
białkowy
aktywna
proteaza
jedna cząsteczka aktywnej proteazy A
wiele cząsteczek aktywnej proteazy B
więcej cząsteczek aktywnej proteazy C
jeszcze więcej cząsteczek aktywnej proteazy D
itd.
proteoliza
jądrowej laminy
proteoliza
białek cytoplazmy
kaspazy niszczą wiązanie polipeptydowe w sekwencji DXXD
ATP/ADP
NAD(P)H
Ca+2
m
wolne
rodniki
ceramid
i pochodne
transkrypcja/translacja
białek bcl-2
modyfikacje
post-translacyjne
aktywacja kaspaz
inicjujących
kaskada kaspaz
egzekucyjnych
szlaki sygnalizacji
wewnątrzkomórkowej
p53/p73
uszkodzenia
funkcji komórki
Apaf-1 kaspaza-9
c
„apoptosom”
kompleks PTPC
Bcl-2
Bax
AIF
cytochrom c
m
it
o
c
h
o
n
d
ri
a
Mechanizmy śmierci komórkowej
w komórkach ssaków
Tworzenie aktywnego układu apoptosomu
aktywny
apoptosom
pro-kaspaza 3
kaspaza 3
kaspaza 2
kaspaza 6
kaspaza 8
kaspaza 10
kaspazy „egzekucyjne”
kaspazy „inicjujące”
The Extrinsic Apoptosis Pathway
Pro-apoptotic ligand
Caspase 3, 6, 7
Apoptosis
FADD
FLIP
DR5
DR4
Cell-extrinsic
pathway
Procaspase 8, 10
Caspase 8, 10
Pro-apoptotic Receptors (DR4 and/or DR5)
Recruit FADD
FADD
DR4
DR5
DR, death receptor; FADD, Fas-associated death domain.
DR4
DR5
FADD Recruits Initiator Caspase 8 and/or
10
to the DISC
Procaspase 8, 10
Procaspase 8, 10
DISC
DR, death receptor; DISC, death-inducing signaling complex.
Activated Caspase 8 and 10 are Released
Into the Cytoplasm
Caspase 8,10
Caspase 8,10
DR4
DR5
DR, death receptor.
Caspase 3, 6, and 7 are Activated
DR4
DR5
Caspase 3, 6, 7
Caspase 3, 6, 7
Caspase 8, 10
Caspase 8, 10
DR, death receptor.
nadprodukcja
wolnych rodników
NO
ATP
NAD(P)H
glutation
AIF
Ca
+2
ceramid
m
Bcl-2
kaspazy
Główny szlak sygnalizacyjny w procesie
śmierci komórkowej wiedzie przez mitochondria
Bax channel
Lipidic pore
or protein-lipid complex
Bax-VDAC channel
Formation of a cytochrome-c-conducting channel
Matrix swelling and rupture of the outer mitochondrial membrane
Water, solutes
VDAC closure
PTP opening
VDAC
ANT
Bax
cytochrome c
Aktywacja kaspaz prowadzi do uruchomienia
procesu dezintegracji komórki
substraty dla kaspaz
jądrowe
cytoplazmatyczne
PARP
lamina A, B1, B2, C
Rb
DNA-PKcs
hnRNPs
MDM2...
DFF
PKC
huntington
PAK2
fosfolipaza A2
fodryna
aktyna
gelsolina
Gas2
kinaza PITSLRE...
Proces śmierci komórkowej porównuje się czasami
do rozprawy sądowej zakończonej wykonaniem wyroku
Trzy fazy procesu śmierci
komórkowej
1) inicjacja
2) egzekucja
3) wchłonięcie (fagocytoza)