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
		dotyczy zwykle pojedynczych komórek Zmniejszenie objętości komórki i pofałdowanie błony komórkowej Kondensacja chromatyny, fragmentacj jądra zamknicie organelli w ciałkach apoptotycznych ciągłoś błony komorkowej zachwana aż do momentu sfagocytowania ciałek apoptotycznych brak zapalenia, hamowanie reakcji zapalnej fagocytoza przez sąsiednie komórki i makrofagi	najczęściej dotyczy grup komorek zwiększenie objętości i pęcznienie komórki brak kondensacji chromatyny, liza jądra pęcznienie i rozpad organelli perforacja błony, zawartoś komorek wydpstaje się do przestrzeni pozakomórekowej odczyn zapalny ze strony otoczenia 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

---