0208; 22.04.2009, wykład nr 8., - Apoptoza; Paul Esz

Fizjologiczna śmierć komórki (śmierć programowana) synonim apoptoza (apoptosis, od greckiego słowa – opadania 
liści, płatków kwiatu – Kerr w 1972 roku) Jest konsekwencją samobójczego programu genetycznego, uruchomianego w 
odpowiedzi na złożone oddziaływanie z innymi komórkami.

Najczęściej następuje naruszenie integralności 1 z 4 systemów wewnątrzkomórkowych

–

oddychania tlenowego

–

funkcjonowania błon komórkowych

–

enzymów i białek strukturalnych

–

naprawy aparatu genetycznego

Apoptoza Caenorhabditis elegans
Dorosły osobnik jest hermafrodytą i składa się z 959 komórek somatycznych.
Liczba komórek powstających – 1090.

W wyniku apoptozy ginie 131

–

131 umiera podczas embriogenezy

–

18 podczas dorosłego życia

Geny proapoptotyczne

–

ced-3 (ICE)

–

ced-4 (Apaf-1)

Feny antyapoptotyczne → brak apoptozy

–

ced-9 (bcl-2)

Genetyczne kontrola apoptozy

–

„ced” (cell death) geny śmierci są dobrze zachowane w procesie ewolucji

–

ekspresja genów ced-3 i ced-4 odpowiada za molekularne procesy apoptozy

–

„ced-9” (u ludzi bcl-2) – ekspresja w komórkach stymulowanych do proliferacji (między innymi limfocyty 
prawidłowe, komórki nowotworowe)

Różnice morfologiczne pomiędzy apoptozą, a martwicą

Apotoza

Martwica

1. dotyczy zwykle pojedynczych komórek
2. Zmniejszenie objętości  komórki  i  pofałdowanie 

błony komórkowej

3. Kondensacja chromatyny, fragmentacj jądra
4. zamknicie organelli w ciałkach apoptotycznych
5. ciągłoś   błony   komorkowej   zachwana   aż   do 

momentu sfagocytowania ciałek apoptotycznych

6. brak zapalenia, hamowanie reakcji zapalnej
7. fagocytoza przez sąsiednie komórki i makrofagi

1. najczęściej dotyczy grup komorek
2. zwiększenie objętości i pęcznienie komórki

3. brak kondensacji chromatyny, liza jądra
4. pęcznienie i rozpad organelli
5. perforacja   błony,   zawartoś   komorek   wydpstaje 

się do przestrzeni pozakomórekowej

6. odczyn zapalny ze strony otoczenia
7. agocytoza przez fagocyty

Zmiany biochemiczne

Materiał genetyczny

Apoptoza

Martwica

aktywacja

 

specyficznych 

endonukleaz,

 

fragmentacja, 

utworzenie odcinków o długości 200-
300kb, 20-50 kb, 200-300 bp

aktywacja   niespecyficznych   nukleaz, 
fragmentacja   na   odcinki   o 
przypadkowej długości

Rozdział elektroforetyczny

Obraz drabinki Dna

Obraz smugi (smear)

Aktywacja enzymów

kinaz białkowych (np. kinazy MAP) i 
fosfataz, nukleaz, kaspaz, kalpain

niespecyficzna degradacja

Białka regulacyjne

Apoptoza;; białka rodziny Bel-2 (pro- 
i   anty-   apoptotyczne),   inhibitory 
apoptozy   (białka   IAP),   inhibitory 
kaspaz

W  niektórych   przypadkach   ekspresja 
Bel-2

Wymagania energetyczne

Proces aktywny, zależny od ATP

Proces bierny, niezależny od ATP

Substraty

Białka enzymatyczne o strukturalne

Przypadkowe białka

Inne

Synteza poli(ADP-rybozy), synteza de 
novo mRNA i białek

Brak syntezy białek

Czynniki wywołujące apoptozę

–

hormony i cytokiny

–

deficyt czynników wzrostowych i troficznych

–

czynniki cytotoksyczne

–

czynniki fizyczne

Szlaki sygnałowe apoptozy
W zależności od rodzaju komórki i czynnika indukującego proces apoptozy może przebiega, rożnymi ścieżkami

Do najlepiej poznanych należą

–

szlak związany z błoną komórkową tzw. zewnętrzny

–

szlak wewnętrzny zwany mitochondrialnym

–

szlak angażujący perforyny i granzym B, czyli pseudoreceptorowy

Apoptoza może również odbywać się z udziałem szlaku sfingomielinowo-ceramidowego oraz indukowanego stresem.

Szlak zewnętrznych

–

pobudzenie receptorów śmierci należących do nadrodziny receptorów TNF np. Fas/CD95/Apol, TRAIL-R1 i 
R2/Apo2

–

receptory śmierci posiadają wewnątrzkomórkową domenę śmierci DD

–

po związaniu się odpowiedniego liganda z receptorem błonowym (TNF-alfa, FasL, TRAIL/Apo2L) dochodzi 
do oligomeryzacji receptora, a następnie powstaje kompleks DISC (death inducin singnaling caomplex)

–

kompleks ten powstaje poprzez połączenie domen śmierci z białkiem adaptorowym FADD oraz z prokaspazą 8

–

następuje aktywacja prokaspazy 8 (powstaje kaspaza 8), która jest bezpośrednim aktywatorem  kaspazy 3 
(kaspazy wykonawczej)

Szlak wewnętrzny
inicjowany poprzez

–

zmiany potencjału mitochondrialnego

–

mutacje DNA

–

inne zaburzenia metabolizmu komórkowego

Szlak ten może łączy się ze ścieżką receptorową zewnętrzną poprzez białko Bid, które ulega proteolizie – powstaje tBid 
(truncated Bid) – posta ta wpływa na uwalnianie cytochromu c – aktywacja szlaku mitochondrialnego

–

istotnym etapem jest uwolnienie cytochromu c z przestrzeni międzybłonowej poprzez specjalne kanały

–

kanały te tworzone są poprzez białka z rodziny Bel-2 (bax, bak) z bialekiem VDAC (voltage Dependent Anion 
Channel)

–

przez kanały mitochondrium do cytoplazmy dostaje się cytochrom c

–

wypływ cytochromu c jest sygnałem do tworzenia kompleksu zwanego apoptosomem

–

apoptosom skalda się z cytochromu c, prokaspazy 9, bialka Apaf-1 (ATP)

–

kompleks ten potrzebny jest do autoproteolizy kaspazy 9 , która następnie aktywuje kaspazę 3

–

podczas   apoptozy   z   mitochondrium   uwalniane   są   także   białka   Smac/Diablo   o   Omi/HTR   A2   są   one 
antagonistami inhibitorów apoptozy (IAP)

Szlak pseudoreceptorowy – indukowany przez cytotoksyczne limfocyty T oraz komorki NK – będzie jeszcze 
potem

Właściwości kaspaz – (będzie na ćwiczeniach jeszcze)

–

są to proteazy cysteinowe, substraty ich zawierają kwas asparaginowy w pozycji P1 (proteoliza w miejscu 
reszty Asp)

–

syntetyzowane są jako nieaktywne zymogeny

–

dotychczas zidentyfikowano 14 kaspaz
–

kaspozy inicjatorowe 2,8,9,10

–

kaspazy wykonawcze 3,6,7

–

kaspazy inicjatorowe posiadają „domeny śmierci” CARD i DED

–

kaspazy wykonawcze aktywują enzymy prowadzące do destrukcji komórek

Białka trawione przez kaspazy

–

większość tych białek uczestniczy w procesach molekularnych związanych z cyklem komórkowym i apoptozą

–

do proteolizy białek dochodzi przy udziale tylko kaspaz 3,6,7

Śmierć komórki niezależna od kaspaz

–

proteaza aktywowana wapniem kalpaina (kapalina), prawdopodobnie pełni autonomiczną rolę w apoptozie

–

ostatnie doniesienia wskazują na jej rolę w procesie aktywacji i unieczynnienia kaspaz 3,7,9, i ostatnio 12

Apoptoza w stanach patologicznych
Ograniczenie apoptozy prowadzi do powstania nowotworów i autoagresji komórek układu odpornościowego. Wzrost 
apoptozy jest charakterystyczny dla chorób zwyrodnieniowych: choroby Alzheimera, Parkinsona, AIDS, zawału serca 
czy udaru mózgu

Schemat