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

możłiwość 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

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

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

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 komórkachzachodzi 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

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

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

wewnątrzkomórkow

ej

p53/p73

uszkodzenia

funkcji komórki

Apaf-1kaspaza-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

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

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 cyplazmazmy

kaspazy niszczą wiązanie polipeptydowe w sekwencji DXXD

Tworzenie aktywnego układu apoptosomu

aktywny
apoptosom

pro-kaspaza 3 kaspaza 3

kaspaza 2
kaspaza 6
kaspaza 8
kaspaza 10

kaspazy „egzekucyjne”

kaspazy „inicjujące”

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)

uszkodzenia

genomu

sygnał o śmierci

głodzenie

punkt kontrolny

Point

of

no

return

Pro-apoptotyczne

Anty-apoptotyczne

prodomain p17 p12

pro-kaspaza

substraty

kaspaz

p17 p12

p12p17

BCL-2

BAX

PTPC



m

Cyt C

Apaf-1

ROS

aktywna
kaspaza

nieaktywna

toksyny