Apoptoza. mehanizmi apoptoze

Definicija apoptoze. Apoptoza je fenomen nasljedno programirane stanične smrti. Svaka je stanica pri svom rođenju, takoreći, programirana za samouništenje. Uvjet njezina života je blokiranje ovog samoubilačkog programa.

Apoptoza se događa u stanicama:

Stari koji su nadživjeli svoju korisnost;

Stanice s poremećenom diferencijacijom;

Stanice s genetskim poremećajima;

Stanice zaražene virusima.

Morfološki znakovi apoptoze.

Skupljanje stanica;

Kondenzacija i fragmentacija jezgre;

Uništavanje citoskeleta;

Bulozna protruzija stanične membrane.

Značajke apoptoze - apoptoza ne uzrokuje upalu u okolnim tkivima.Razlog je očuvanje membrane i → izolacija štetnih čimbenika u citoplazmi do završetka procesa (O 2 -, H 2 O 2, lizosomski enzimi). Ovo je svojstvo važno pozitivno svojstvo apoptoze, za razliku od nekroze. Kod nekroze, membrana se odmah ošteti (ili pukne). Stoga se tijekom nekroze oslobađa sadržaj citoplazme (O 2 -, H 2 O 2, lizosomski enzimi). Dolazi do oštećenja susjednih stanica i upalnog procesa. Važna značajka apoptoze je uklanjanje umirućih stanica bez razvoja upale.

Proces apoptoze - može se podijeliti u 2 (dvije) faze:

1. Formiranje i provođenje apoptotskih signala – faza odlučivanja.

2. Demontaža staničnih struktura - efektorska faza.

1. faza – donošenje odluka (=formiranje i prihvaćanje apoptotskih signala). Ovo je faza prihvaćanja podražaja za apoptozu. Ovisno o prirodi podražaja, mogu postojati dvije (2) vrste signalnih putova:

1) oštećenje DNK kao posljedica zračenja, djelovanja toksičnih tvari, glukokortikoida i dr.

2) aktivacija receptora “regije stanične smrti”.. Receptori područja stanične smrti su skupina receptora na membranama bilo koje stanice koji percipiraju proapoptotske podražaje. Ako se broj i aktivnost takvih receptora povećava, povećava se i broj stanica koje umiru apoptički. Receptori “regije stanične smrti” uključuju: a) TNF-R (veže se na čimbenik nekroze tumora i aktivira apoptozu); b) Fas-R (k); c) CD45-R (veže se na antitijela i aktivira apoptozu).

Ovisno o vrsti signala, postoje 2 (dva) glavna načina apoptoze: a) kao rezultat oštećenja DNA;

b) kao rezultat neovisne aktivacije receptora "regije stanične smrti" bez oštećenja DNA.

2. faza – efektor (= razgradnja staničnih struktura. Glavni sudionici u efektor fazi:

Cistein proteaze (kaspaze);

endonukleaze;

Serinske i lizosomalne proteaze;

Ca++ aktivirane proteaze (kalpein)

Ali! Među njima, glavni efektori razgradnje staničnih struktura su kaspaze.

Klasifikacija kaspaza - 3 (tri) grupe:

Efektorske kaspaze - kaspaze 3, 6, 7.

Induktori aktivacije efektorskih kaspaza – kaspaze 2, 8, 9, 10. = aktivatori citokina – kaspaze 1, 4, 5, 13.

Efektorske kaspaze su kaspaze 3, 6, 7. One su izravni izvršitelji apoptoze. Te su kaspaze u stanici u neaktivnom stanju. Aktivirane efektorske kaspaze započinju lanac proteolitičkih događaja, čija je svrha "rastaviti" stanicu. Aktiviraju ih induktori aktivacije efektorskih kaspaza.

Induktori aktivacije efektorskih kaspaza – kaspaze 2, 8, 9, 10. Glavni induktori su kaspaze 8 i 9. Oni aktiviraju efektorske kaspaze. Mehanizam je cijepanje asparaginskih baza nakon čega slijedi dimerizacija aktivnih podjedinica. Ove kaspaze su normalno neaktivne u stanicama i postoje u obliku prokaspaza.

Aktivacija pojedinih induktora ovisi o vrsti signalnog puta:

1. Kada dođe do oštećenja DNK, aktivira se signalni put br. 1, aktivira se kaspaza br. 9.

2. Kada se aktiviraju receptori stanične smrti, uključuje se signalni put br. 2, aktivira se kaspaza br. 8.

Signalni put br. 1 (povezan s oštećenjem DNA)

oštećenje DNK

Aktivacija gena p53 i proizvodnja odgovarajućeg proteina

Aktivacija proapoptotskih gena obitelji BCL-2 (BAX i BID)

Stvaranje proteina ovih gena

Aktivacija kaspaze 9

Aktivacija kaspaze 3

Signalni put br. 2

(povezano s aktivacijom "regije stanične smrti")

Ligand + receptori “regije stanične smrti”

Aktivacija kaspaze broj 8

Samostalna aktivacija kaspaze broj 3

Aktivacija drugih kaspaza i proteaza

Regulacija apoptoze. Istraživanja posljednjih godina dovela su do stvaranja modela apoptoze. Prema ovom modelu, svaka je stanica pri svom rođenju programirana na samouništenje. Stoga je uvjet njezina života da blokira ovaj samoubilački program. Glavni zadatak regulacije apoptoze je zadržati efektorske kaspaze u neaktivnom stanju, ali ih brzo pretvoriti u aktivni oblik kao odgovor na minimalno djelovanje odgovarajućih induktora.

Otuda koncept inhibitora i aktivatora apoptoze.

Inhibitori apoptoze (=anti-apoptotski faktori). Najozbiljniji inhibitori apoptoze su faktori rasta. Ostalo: neutralne aminokiseline, cink, estrogeni, androgeni, neki proteini.

Primjer: proteini obitelji IAP suzbijaju aktivnost kaspaza 3 i 9. Zapamtite: jedan od ovih proteina (Survin) nalazi se u tumorskim stanicama. Povezan je s otpornošću tumorskih stanica na kemoterapiju

Aktivatori apoptoze (=proapoptotski čimbenici). To su proapoptotski geni i njihovi produkti: a) geni obitelji BCL-2 (BAX i BID); b) Geni Rb i P53 (pokreću apoptozu ako je stanica zadržana mehanizmom kontrolne točke.

Sažetak. Patogeneza mnogih bolesti, uključujući tumore, povezana je sa smanjenjem sposobnosti stanica da se podvrgnu apoptozi. Otuda dolazi do nakupljanja oštećenih stanica i stvaranja tumora.

PATOFIZIOLOGIJA STANIČNE DIOBE

Glavna razlika između diobe zdrave i tumorske stanice:

Dioba zdrave stanice regulirana je na parakrini i endokrini način. Stanica se pokorava tim signalima i dijeli se samo ako je tijelu potrebno formiranje novih stanica određene vrste.

Dioba tumorskih stanica regulirana je na autokrini način. Sama tumorska stanica proizvodi mitogene stimulanse i pod njihovim utjecajem se sama dijeli. Ne reagira na parakrine i endokrine podražaje.

Postoje 2 (dva) mehanizma transformacije tumorskih stanica:

1. Aktivacija onkogena.

2. Inaktivacija supresorskih gena.

AKTIVACIJA ONKOGENA

Prije svega, 2 (dva) glavna pojma: = protoonkogeni;

Onkogeni.

Protoonkogeni su normalni, netaknuti geni koji kontroliraju diobu zdravih stanica.

Protoonkogeni uključuju gene koji kontroliraju obrazovanje i rad:

1. Čimbenici rasta.

2. Membranski receptori za faktore rasta, na primjer receptori tirozin kinaze.

3. Ras proteini.

4. MAP kinaze, sudionici kaskade MAP kinaza.

5. Transkripcijski faktori AP-1.

Onkogeni su oštećeni protoonkogeni. Proces oštećenja protoonkogena i njegove transformacije u onkogen naziva se aktivacija onkogena.

Mehanizmi aktivacije onkogena.

1. Uključivanje (umetanje) promotora. Promotor je regija DNA na koju se veže protoonkogen RNA polimeraza. Nužan uvjet je da promotor mora biti u neposrednoj blizini protoonkogena. Otuda opcije: a) promotor - kopija DNK onkornavirusa; b) "skakući geni" - dijelovi DNK koji se mogu kretati i integrirati u različite dijelove genoma stanice.

2. Amplifikacija – povećanje broja protoonkogena ili pojava kopija protoonkogena. Protoonkogeni obično imaju malu aktivnost. S povećanjem broja ili pojave kopija, njihova ukupna aktivnost se značajno povećava i to može dovesti do tumorske transformacije stanice.

3. Translokacija protoonkogena. Ovo je kretanje protoonkogena do mjesta s funkcionalnim promotorom.

4. Mutacije protoonkogena.

Proizvodnja onkogena. Onkogeni stvaraju vlastite proteine. Ti se proteini nazivaju "onkoproteini".

Sinteza onkoproteina naziva se "ekspresija aktivnih staničnih onkogena".

Onkoproteini su u osnovi analozi protoonkogenih proteina: faktori rasta, Ras proteini, MAP kinaze, transkripcijski faktori. Ali postoje kvantitativne i kvalitativne razlike između onkogena i protoonkogenih proteina.

Razlike između onkoproteina i normalne proizvodnje protoonkogena:

1. Povećana sinteza onkoproteina u usporedbi sa sintezom protoonkogenih proteina.

2. Onkoproteini imaju strukturne razlike od protoonkogenih proteina.

Mehanizam djelovanja onkoproteina.

1. Onkoproteini se vežu na receptore za čimbenike rasta i tvore komplekse koji neprestano generiraju signale za diobu stanica.

2. Onkoproteini povećavaju osjetljivost receptora na faktore rasta ili smanjuju osjetljivost na inhibitore rasta.

3. Onkoproteini sami mogu djelovati kao faktori rasta.

INAKTIVACIJA SUPRESORSKIH GENA

Supresorski geni: Rb I p53.

Njihovi proizvodi su odgovarajući proteini.

Inaktivacija supresorskih gena (nasljednih ili stečenih) dovodi do prelaska stanica s oštećenom DNA u mitozu, razmnožavanja i nakupljanja tih stanica. To je mogući razlog za nastanak tumora.

RAST TUMORA: DEFINICIJA, UZROCI PORASTA BROJA MALIGNIH BOLESTI

Tumor je patološka izraslina koja se od ostalih patoloških izraslina razlikuje po nasljedno utvrđenoj sposobnosti neograničenog nekontroliranog rasta.

Ostale patološke izrasline su hiperplazija, hipertrofija, regeneracija nakon oštećenja.

Razlozi povećanja broja malignih bolesti u stanovništvu:

1. Produženi životni vijek.

2. Poboljšanje kvalitete dijagnostike → povećanje otkrivanja raka.

3. Pogoršanje stanja okoliša, povećanje sadržaja kancerogenih čimbenika u okolišu.

BENIGNI I MALIGNI TUMORI

Jedinstvena klasifikacija tumora još nije stvorena. Uzrok:

1. Veliki izbor znakova karakterističnih za različite tumore.

2. Nedovoljno poznavanje njihove etiologije i patogeneze.

Suvremene klasifikacije temelje se na glavnim morfološkim i kliničkim znakovima tumora.

Prema kliničkim karakteristikama svi tumori se dijele na benigne i maligne.

Dobroćudni tumori:

1. Tumorske stanice su morfološki identične ili slične normalnim progenitorskim stanicama.

2. Stupanj diferencijacije tumorskih stanica je prilično visok.

3. Stopa rasta je spora, tijekom mnogo godina.

4. Priroda rasta je ekspanzivna, t.j. Tijekom rasta tumora, susjedna tkiva su razmaknuta, ponekad stisnuta, ali obično nisu oštećena.

5. Razgraničenje od okolnih tkiva je jasno.

6. Sposobnost metastaziranja je odsutna.

7. Nema izraženih štetnih učinaka na tijelo. Iznimka: tumori smješteni u blizini vitalnih centara. Primjer: tumor na mozgu koji komprimira živčane centre.

Maligni tumori.

1. Tumorske stanice se morfološki razlikuju od normalnih progenitorskih stanica (često do neprepoznatljivosti).

2. Nizak je stupanj diferencijacije tumorskih stanica.

3. Stopa rasta je brza.

4. Priroda rasta je invazivna, t.j. tumor urasta u susjedne strukture. Faktori koji doprinose:

Tumorske stanice stječu sposobnost da se odvoje od tumorskog čvora i aktivno se kreću;

Sposobnost tumorskih stanica da proizvode "karcinoagresine". To su proteini koji prodiru u okolno normalno tkivo i potiču kemotaksu tumorskih stanica.

Smanjene sile prianjanja stanica. To olakšava odvajanje tumorskih stanica od primarnog čvora i njihovo kasnije kretanje.

Smanjenje kontaktnog kočenja.

5. Demarkacija od okolnih tkiva – br.

6. Sposobnost metastaziranja je izražena.

7. Učinak na tijelo je nepovoljan, generaliziran.

Apoptoza- programirana stanična smrt kao odgovor na vanjske ili unutarnje signale. Apoptoza se događa tijekom normalnog razvoja, ali može biti posljedica raka, HIV-a i Alzheimerove bolesti.

Rasprostranjenost u prirodi

Tijekom normalnog razvoja tijela, apoptoza se događa u stanicama pri formiranju oblika ili strukture organa. Na primjer, kada se formira mišji ud, neke stanice prolaze kroz apoptozu i formiraju se prsti.

Apoptoza tijekom normalnog razvoja mišjih ekstremiteta. Stanice koje prolaze kroz apoptozu (lijevo) označene su žutom bojom. Isti ekstremitet (desni) dan kasnije.

Zanimljivo je da neke ptice, poput patke, imaju isprepletene nožne prste, dok druge ptice, poput kokoši, nemaju. U ranoj embriogenezi, i kokoši i patke imaju membrane između prstiju. Specifični protein, BMP4, proizvodi se u stanicama između prstiju, izazivajući staničnu smrt tih stanica. Drugi protein, BMP (gremlin), stvara se oko prstiju obiju ptica, a samo kod pataka također se stvara u stanicama membrane, sprječavajući početak apoptoze u njima.

Dodate li protein gremlin u membranu pilećih embrija, ona ne prolazi kroz apoptozu i ostaje očuvana.

Lijevo je kokošja noga nakon dodavanja Gremlin proteina na membranu (membrana je sačuvana), desno je kontrolni eksperiment bez dodavanja proteina (membrana je prošla apoptozu).

Drugi primjer apoptoze u normalnom razvoju je metamorfoza punoglavca žabe. Pod utjecajem hormona štitnjače tijekom metamorfoze punoglavca žabe pokreće se apoptoza i rep punoglavca nestaje.

Putovi apoptoze u stanici

Dva su glavna puta apoptoze u stanicama: mitohondrijski put i put kroz receptore apoptoze (smrti).
1. Receptori apoptoze- obitelj proteina CD95 (Apo-1 ili Fas) i TNF-R (faktor nekroze tumora). TNF-alfa je visoko citotoksična molekula koja se koristi kao lijek protiv raka. TNF-R1 receptor je široko rasprostranjen i stoga možda nije selektivan. Ostali članovi ove obitelji (ne svi) imaju domenu stanične smrti (DD), domenu protein-protein interakcije koja se veže na adapterski protein kao što je FADD. Aktivacija receptora apoptoze ligandima (na primjer, CD-95L i TNF-alfa dovodi do aktivacije kaspaze-8, pokrećući kaskadu reakcija koje vode do apoptoze.
2. Mitohondrijski put. Mitohondriji imaju središnju ulogu u apoptozi, a uočeno je povećanje propusnosti mitohondrijske membrane. Ravnoteža između pro- i anti-apoptotskih članova obitelji Bcl-2 regulira otpuštanje pro-apoptotskih tvari iz mitohondrija što dovodi do inicijacije apoptoze, kao što su AIF, endonukleaza G, Smac/DIABLO i citokrom C. Istjecanje citokroma -C iz mitohondrija dovodi do stvaranja apoptosoma u citoplazmi, koji aktiviraju kaspazu-9 i pokreću smrt stanice.
Oba puta dovode do aktivacije kaspaza i pokretanja kaskade reakcija koje dovode do stanične smrti.

Kaspaze

Kaspaze(kaspaza) – enzimi koji razgrađuju proteine ​​na ostacima aspartata. Oni sadrže ostatke cisteina na svojim aktivnim mjestima. Mnoge izoforme kaspaze dovode do apoptoze. Mogu se aktivirati na dva načina: preko receptora apoptoze i mitohondrija.
Prva otkrivena kaspaza bila je Ced-3 (Cell Death-3), otkrivena u nematodi C. elegans. Mutacija Ced-3 spriječila je smrt 131 stanice tijekom normalnog razvoja nematoda. Homolog Ced-3 kod sisavaca je enzim koji pretvara interleukin-1alfa (ICE) i kasnije je nazvan inhibitor kaspaze-1.

Kaskada aktivacije kaspaze

Poznato je 14 kaspaza koje se dijele na inicijatore, efektore i stimulatore. Inicijatori (kaspaza-8 i -9) cijepaju i aktiviraju efektore kaspaze (kaspaza-3). Efektori razgrađuju različite proteine, što dovodi do stanične smrti. Aktivacija kaspaza dovodi do pokretanja proteolitičke kaskade reakcija koje vode do stanične smrti. U ovom slučaju, neke kaspaze aktiviraju druge - pojačanje signala.

Kaspaza je tetramer koji se sastoji od dvije velike (~20kDa) i dvije male podjedinice (~10kDa). Velika i mala podjedinica nastaju kao rezultat cijepanja prokaspaze. Kaspaze sadrže dva aktivna mjesta QACXG. Inhibicijska domena (DED ili CARD) može se izrezati iz kaspaze.
Efektorske kaspaze aktiviraju druge kaspaze (transaktivacija). Inicijatorske kaspaze se aktiviraju autoaktivacijom, koja se događa kroz interakciju nekoliko prokaspaza (na primjer, prokaspaza-8 i DISC). Sam receptor apoptoze nema aktivnost proteaze.
Aktivacija kaspaza dovodi do raznih posljedica:
kaspaza-9 uništava nuklearne pore, što dovodi do ulaska kaspaza-3 i -7 u jezgru. Kaspaza-3 cijepa inhibicijsku podjedinicu ICAD na dva mjesta. Otpuštanje CAD rezultira cijepanjem DNA između nukleosoma.
Kaspaze dovode do reorganizacije citoskeleta i razgradnje stanica u apoptotička tijela.

Kaspaze- obitelj cisteinskih proteinaza, glavnih efektora apoptoze, postoji u stanici kao neaktivne proforme i zimogeni, koji se cijepaju u aktivne oblike enzima, aktivirajući apoptozu.
Ligand-->receptor smrti-->aktivacija inicijatora kaspaze (kaspaza-8, -10)-->kaskada aktivacije drugih kaspaza>aktivacija kaspaze-3, -6-->inaktivacija staničnih struktura.
Uništavanje staničnih struktura tijekom apoptoze
Fragmentacija kromosomske DNA neaktivnog enzima CAD u kompleksu s ICAD (inhibitorom CAD faktora fragmentacije DNA) cijepa se kaspazom-3 ​​oslobađajući CAD, koji reže DNA s nukleosomima
Inaktivacija enzima uključenih u popravak DNK - enzim poli(ADF-riboza) polimeraza ili PARP - bio je prvi protein otkriven kao supstrat za kaspaze. PARP je uključen u popravak DNA i katalizira sintezu (ADF-riboze) i pričvršćuje se na lanac DNA, razbijajući i mijenjajući nuklearne proteine. Sposobnost PARP-a da popravi oštećenje DNK spriječena je naknadnim cijepanjem PARP-a kaspazom-3
Inaktivacija proteina uključenih u replikaciju. Kaspaze mogu inaktivirati DNK topoizomerazu II, potičući razgradnju DNK.
Uništavanje strukturnih nuklearnih proteina. Kaspaza-6 uništava lamine uništavajući jezgru, što dovodi do kondenzacije kromosoma.
Osjetljivost stanica na podražaje varira ovisno o ekspresiji pro- i anti-apoptotskih proteina (protein inhibitor Bcl-2), jačini podražaja i fazi staničnog ciklusa
Razgradnja stanice u vezikule, prijelaz fosfatidilserina iz unutarnjeg monosloja citoplazmatske membrane u vanjski monosloj, smanjenje volumena stanice, nabiranje citoplazmatske membrane, kondenzacija jezgre (apoptotička tjelešca), fagocitiraju makrofagi i susjedne stanice.
Inicijatori apoptoze
vanjski signali (vezivanje liganda koji izaziva smrt za receptor na površini stanice), brza opcija a
granzim B se može dostaviti u stanice pomoću citotoksičnih T limfocita kada prepoznaju zaraženu stanicu, aktivirajući kaspaze 3, 7, 8 i 10.

stanični stres– zračenje, kemikalije, virusne infekcije, nedostatak faktora rasta, stres | Broj bcl-2 proteina određuje količinu stresa potrebnu za pokretanje a. Ako se mitohondriji ne mogu nositi s uklanjanjem aktivnih oblika O2, potonji iniciraju otvaranje pora prema van. m-not i oslobađanje u citosol proteina odgovornog za kaskadu reakcija koje dovode do sinteze proteaza i nukleaza
Mitohondriji mogu biti ključni regulator kaskade kaspaze i apoptoze - odlaganje citokroma C u mitohondrije može dovesti do aktivacije kaspaze 9, a potom i kaspaze 3. Taj se učinak postiže stvaranjem apoptosoma - multiproteinskog kompleksa koji uključuje citokrom C, Apaf -1, prokaspaza 9 i ATP

Apoptosom

Citokrom C se oslobađa iz mitohondrija vezanjem na citosolni protein Apaf-1. Ova interakcija mijenja konformaciju Apaf-1, koja se stabilizira vezanjem ATP-a što omogućuje da se molekule Apaf-1 međusobno povežu u kompleks poput kotača koji se sastoji od 7 molekula. Apaf-1, citokrom C i ATP - apoptosom koji veže 7 molekula prokaspaze-9. Mogući mehanizmi:
1. Apaf-1, citokrom C i prokaspaza-9 – kompleks može aktivirati citosolnu prokaspazu-9 koja ulazi u apoptosom.
2. Dva apoptosoma međusobno djeluju, aktivirajući prokaspazu-9.

Dušikov oksid NO inhibira apoptozu u leukocitima, hepatocitima, trofoblastima i endotelnim stanicama. Učinak se može izazvati nitrozilacijom i inaktivacijom kaspaza-3, -1, -8. NO stupa u interakciju s hem gvanilat ciklazom-->sinteza cGMP-->aktivacija cGMP-ovisne protein kinaze-->ekspresija anti-apoptotskih proteina.
bcl-2 - obitelj proteina

bcl-2 - obitelj proteina koji reguliraju apoptozu (bc-2, bcl-XL – anti-apoptotic), (Bad, Bax – pro-apoptotic) | Osjetljivost stanica na apoptotske podražaje može ovisiti o ravnoteži anti- i proapoptotskih bc-2 proteina | stres? proapoptotski bc-2 proteini kreću se prema površini mitoha, deaktiviraju antiapoptotičke proteine, što dovodi do stvaranja pora u mitohu i oslobađanja citokroma c i drugih proapoptotskih molekula iz intermitentne regije- ->nastaje apoptosom--> aktivacija kaskade kaspaze.
Proapoptotski članovi Bcl-2 povećavaju propusnost mitohondrijske membrane, što dovodi do ulaska proapoptotskih proteina u citoplazmu. Antiapoptotični članovi obitelji - smanjuju propusnost.
Bcl-2 je podijeljen u tri podfamilije.
Podfamilija Bcl-2 uključuje Bcl-2, Bcl-xL i Bcl-w, koji su anti-apoptotični.
Podfamilija Bax uključuje Bax, Bak i BAD, koji su proapoptotski proteini. Njihove sekvence su homologne Bcl-2 podfamiliji regija BH1, BH2 i BH3, ali ne i regiji BH4.
BH3 podfamilija s jednim predstavnikom - Bid, u kojoj je samo BH3 regija homologna.Bid također nema transmembransku domenu.
Postoji nekoliko modela kako Bcl-2 može regulirati propusnost mitohondrijske membrane.
Članovi obitelji Bcl-2 sposobni su tvoriti homo- i heterodimere. Heterodimerizacija između pro- i anti-apoptotskih članova Bcl-2 inhibira pro-apoptotski protein.
Bcl-2 proteini su također sposobni formirati ionske kanale (Bcl-xL, Bcl-2 i Bax).
Prema drugom mehanizmu, Bcl-2 stvara pore u membrani mitohondrija, koje provode nespecifični transport malih molekula manjih od 1,5 kDa, što remeti sintezu ATP-a i dovodi do stanične smrti. Također, citokrom-C i AIF mogu ući u citoplazmu i formirati apoptosom. Bax i Bak – induciraju otpuštanje citokroma C i AIF iz mitohondrija.

Kratice.

DD - domena smrti
Kaspaze - (proteaze specifične za cisteinil aspartat)
ICE - enzim koji pretvara interleicin

Apoptoza - fenomen programirane stanične smrti, praćen skupom karakterističnih citoloških znakova (markera apoptoze) i molekularnih procesa koji se razlikuju u jednostaničnih i višestaničnih organizama.

Apoptoza- oblik stanične smrti, koji se očituje u smanjenju njegove veličine, kondenzaciji i fragmentaciji kromatina, zbijanju vanjske i citoplazmatske membrane bez oslobađanja sadržaja stanice u okoliš.

Regulacija apoptoze

Apoptoza je genetski kontrolirana smrt stanica.

Apoptoza se može regulirati:

vanjski faktori;

autonomni mehanizmi.

Utjecaj vanjskih čimbenika. Apoptozu mogu regulirati mnogi vanjski čimbenici koji dovode do oštećenja DNA. Kada se DNK nepopravljivo ošteti apoptozom, stanice koje su potencijalno opasne za tijelo se eliminiraju. Gen p53 za suzbijanje tumora igra važnu ulogu u ovom procesu. Virusne infekcije, disregulacija rasta stanica, oštećenje stanica i gubitak kontakta s okolnim ili temeljnim tkivnim tvarima također dovode do aktivacije apoptoze. Apoptoza je obrana organizma od postojanosti oštećenih stanica, što može biti potencijalno opasno za višestanični organizam.

Autonomni mehanizam apoptoze. Tijekom embrionalnog razvoja postoje tri kategorije autonomne apoptoze: morfogenetska, histogenetička i filogenetska.

Morfogenetska apoptoza sudjeluje u razaranju raznih tkivnih primordija. Primjeri su: razaranje stanica u interdigitalnim prostorima;

Smrt stanica dovodi do uništenja viška epitela na mjestu spajanja nepčanih nastavaka, kada se formira tvrdo nepce.

smrt stanica u dorzalnom dijelu neuralne cijevi tijekom zatvaranja, što je neophodno da bi se postiglo jedinstvo epitela dviju strana neuralne cijevi i pripadajućeg mezoderma. Poremećaj morfogenetske apoptoze na ove tri lokalizacije dovodi do razvoja sindaktilije, rascjepa nepca i spine bifide.

Histogenetička apoptoza promatrana tijekom diferencijacije tkiva i organa, koja se opaža, na primjer, tijekom hormonski ovisne diferencijacije genitalnih organa iz tkivnih primordija. Tako kod muškaraca Sertolijeve stanice u fetalnim testisima sintetiziraju hormon koji apoptozom uzrokuje regresiju Müllerovih kanalića (od kojih kod žena nastaju jajovodi, maternica i gornji dio rodnice).

Filogenetska apoptoza sudjeluje u uklanjanju rudimentarnih struktura u embriju, na primjer, pronefros.

49. Pojam karcinogeneze. Suvremene predodžbe o onkogenima i njihovoj ulozi u tumorskom procesu.

Karcinogeneza- složeni patofiziološki proces nastanka i razvoja tumora.

Onkogen je gen koji kodira protein koji, ako je disreguliran, može uzrokovati nastanak malignog tumora. Mutacije koje aktiviraju onkogene povećavaju mogućnost da stanica postane stanica raka. Vjeruje se da tumor supresorski geni (TSG) štite stanice od kancerogene degeneracije, pa se tako rak javlja ili kada su tumor supresorski geni poremećeni ili kada se pojave onkogeni (kao rezultat mutacije ili povećane aktivnosti protoonkogena, vidi dolje).

Mnoge stanice, kada se u njima pojave mutacije, ulaze u apoptozu, ali u prisutnosti aktivnog onkogena mogu lažno preživjeti i razmnožavati se. Za malignu degeneraciju stanice pod utjecajem mnogih onkogena potrebna je dodatna faza, na primjer, mutacija u drugom genu, čimbenici okoliša (na primjer, virusne infekcije).

Svi geni koji mogu biti odgovorni za nastanak tumora dijele se na: mutatorski geni, virusni onkogeni, Protoonkogeni je uobičajeni gen koji može postati onkogen zbog mutacija ili povećane ekspresije. Supresori tumora.

Točkaste mutacije, amplifikacija– umnožavanje broja primjeraka.

Papova virusi (cirkularna DNA) ne invadiraju. Retrovirusi (RNA lanac).

Inicijacija apoptoze može se dogoditi vanjskim ili unutarstaničnim čimbenicima. Na primjer, kao rezultat hipoksije, hiperoksije, subnekrotičnog oštećenja kemijskim ili fizičkim agensima, unakrsnog povezivanja odgovarajućih receptora, poremećaja signala staničnog ciklusa, uklanjanja čimbenika rasta i metabolizma, itd. Unatoč raznolikosti čimbenika pokretanja, dva razlikuju se glavni putovi prijenosa signala apoptoze: signalni put ovisan o receptoru koji uključuje receptore stanične smrti i mitohondrijski put.

Signalni put ovisan o receptoru

Dijagram signalizacije apoptoze kroz receptore smrti CD95, TNFR1 i DR3

Proces apoptoze često počinje interakcijom specifičnih izvanstaničnih liganada s receptorima stanične smrti izraženim na površini stanične membrane. Receptori koji osjećaju apoptotski signal pripadaju superobitelji TNF receptora. Najviše proučavani receptori smrti, za koje je opisana i određena uloga u apoptozi, su CD95 i TNFR1. Dodatni uključuju CARI, DR3, DR4 i DR5.

Svi receptori smrti su transmembranski proteini koje karakterizira zajednički niz od 80 aminokiselina u citoplazmatskoj domeni. Taj se slijed naziva domena smrti i neophodan je za prijenos apoptotskog signala. Izvanstanična mjesta receptora smrti stupaju u interakciju s trimerima liganda. Trimeri liganada trimeriziraju receptore smrti kao rezultat interakcije. Ovako aktivirani receptor stupa u interakciju s odgovarajućim unutarstaničnim adapterom. Za CD95 receptor, adapter je FADD. Za TNFR1 i DR3 receptore, adapter je TRADD.

Adapter povezan s receptorom smrti stupa u interakciju s efektorima - još uvijek neaktivnim prekursorima proteaza iz obitelji inicirajućih kaspaza - s prokaspazama. Kao rezultat lanca interakcije "ligand-receptor-adapter-efektor" nastaju agregati u kojima dolazi do aktivacije kaspaze. Ti se agregati nazivaju apoptosomi, apoptotski šaperoni ili signalni kompleksi koji izazivaju smrt. Primjer apoptosoma je kompleks FasL-Fas-FADD-procaspase-8, u kojem se aktivira kaspaza-8.

Receptori smrti, adapteri i efektori međusobno djeluju kroz strukturno slične domene: DD, DED, CARD. DD je uključen u interakciju Fas receptora s FADD adapterom i u interakciju TNFR1 ili DR3 receptora s TRADD adapterom. DED domena je u interakciji s FADD adapterom i procaspases -8 i -10. CARD domena uključena je u interakciju RAIDD adaptera s procaspase-2.

Tri inicijacijske kaspaze mogu se aktivirati putem receptora smrti: −2; −8 i −10. Aktivirane inicijatorske kaspaze dalje sudjeluju u aktivaciji efektorskih kaspaza.

Mitohondrijski signalni put

Mitohondrijski signalni put apoptoze ostvaruje se kao rezultat otpuštanja apoptogenih proteina iz intermembranskog prostora mitohondrija u staničnu citoplazmu. Otpuštanje apoptogenih proteina može se vjerojatno dogoditi na dva načina: pucanjem mitohondrijske membrane ili otvaranjem visoko propusnih kanala na vanjskoj mitohondrijskoj membrani.

Model formiranja apoptosoma “Cytochrome c Apaf-1 CARD procaspase-9.” Tako aktivirana kaspaza-9 regrutira prokaspazu-3, koja se zatim aktivira u kaspazu-3

Puknuće vanjske membrane mitohondrija objašnjava se povećanjem volumena matriksa mitohondrija. Taj je proces povezan s otvaranjem pora mitohondrijske membrane, što dovodi do smanjenja membranskog potencijala i bubrenja mitohondrija velike amplitude zbog osmotske neravnoteže. Pore ​​promjera 2,6-2,9 nm sposobne su propuštati niskomolekularne tvari težine do 1,5 kDa. Otvaranje pora potiču sljedeći čimbenici: anorganski fosfat; kaspaze; SH reagensi; iscrpljivanje stanica sa smanjenim glutationom; stvaranje reaktivnih spojeva kisika; odvajanje oksidativne fosforilacije protonofornim spojevima; povećanje sadržaja Ca u citoplazmi; izloženost ceramidu; iscrpljivanje mitohondrijskog ATP fonda itd.

Kao alternativni način oslobađanja apoptogenih proteina iz međumembranskog prostora mitohondrija razmatra se stvaranje proteinskog kanala u vanjskoj membrani mitohondrija. Na ovaj ili onaj način, u citoplazmu se otpuštaju: protein citokroma c s molekulskom težinom od 15 kDa; prokaspaze -2, -3 i -9; AIF flavoprotein molekulske mase 57 kDa.

Citokrom c u staničnoj citoplazmi sudjeluje u stvaranju apoptosoma zajedno s proteinom Apaf-1. Prethodno je Apaf-1 podvrgnut konformacijskim promjenama kao rezultat reakcije koja se događa s trošenjem ATP energije. Pretpostavlja se da transformirani Apaf-1 stječe sposobnost vezanja citokroma c. Osim toga, Apaf-1 CARD domena postaje dostupna procaspase-9. Kao rezultat, dolazi do oligomerizacije najmanje 8 podjedinica transformiranog proteina Apaf-1 uz sudjelovanje citokroma c i prokaspaze-9. Time se formira apoptosom koji aktivira kaspazu-9. Zrela kaspaza-9 veže se i aktivira prokaspazu-3 da bi nastala efektorska kaspaza-3. Flavoprotein AIF, koji se oslobađa iz intermembranskog prostora mitohondrija, je efektor apoptoze koji djeluje neovisno o kaspazama.

Drugi putovi indukcije apoptoze

Vrijedno je napomenuti da se apoptoza može dogoditi kao rezultat kombiniranog djelovanja dvaju glavnih signalnih putova: ovisnih o receptorima i mitohondrijskih. Osim toga, postoji niz manje uobičajenih mehanizama za pokretanje apoptoze. Na primjer, zbog aktivacije prokaspaze-12, lokalizirane u endoplazmatskom retikulumu. Oslobađanje i aktivacija prokaspaze-12 uzrokovano je poremećajima u unutarstaničnoj homeostazi iona kalcija. Aktivacija apoptoze također može biti povezana s oslabljenom staničnom adhezijom.

Drugi čimbenik indukcije apoptoze je napad inficiranih stanica od strane citotoksičnih T limfocita, koji su, osim što aktiviraju Fas receptor, sposobni lučiti perforin u blizini membrane inficirane stanice. Perforin, polimerizirajući, formira transmembranske kanale kroz koje limfotoksin-alfa i mješavina serinskih proteaza ulaze u stanicu. Zatim, granzim B aktivira kaspazu-3 i kaskada kaspaze se pokreće.

Stanična smrt može biti inicirana otpuštanjem lizosomalnih proteaza i katepsina. Na primjer, kaspaza-8 uzrokuje otpuštanje aktivnog katepsina B iz lizosoma, koji zatim cijepa regulatorni protein Bid. Kao rezultat toga nastaje aktivni protein t-Bid, koji zatim aktivira proapoptotski protein Bax.

Opća shema "klasične" apoptoze sisavaca

Faza efektora

Tijekom efektorske faze, različiti inicijacijski putovi pretvaraju se u jedan zajednički apoptotski put. U pravilu se aktivira kaskada efektorskih proteina i modulatorskih proteina koji ih reguliraju. Glavni efektori apoptoze su kaspaze. Tijekom aktivacije pokreću kaskadu kaspaza: složeno isprepletene lance interakcija između početnih i efektorskih kaspaza.

Kaspazna kaskada

Kaspaze su cisteinske proteaze koje cijepaju sekvence aminokiselina nakon ostatka asparaginske kiseline. Kaspaze nastaju aktivacijom prokaspaza koje sadrže 3 domene: regulatornu N-terminalnu domenu, veliku i malu podjedinicu. Aktivacija se događa kroz proteolitičku obradu: sve tri domene se cijepaju, prodomena se odvaja, a preostale velike i male podjedinice udružuju se u heterodimer. Dva heterodimera zatim formiraju tetramer, potpunu kaspazu s dva katalitička mjesta.

Kaspaze se nalaze u većini živih organizama. U sisavaca je identificirano 13 kaspaza. Neki od njih nisu uključeni u apoptozu. Ostale kaspaze koje sudjeluju u apoptozi dijele se na inicijatorske i efektorske. Inicijatorske kaspaze aktiviraju efektorske kaspaze, koje zauzvrat izazivaju i izravno sudjeluju u transformaciji stanica. Kao rezultat, morfološke i biokemijske promjene dovode do stanične smrti apoptozom.

Jedna od glavnih funkcija efektorskih kaspaza je izravno i neizravno uništavanje staničnih struktura. Proteini jezgrene lamine podliježu hidrolizi, citoskelet se uništava, a proteini koji reguliraju staničnu adheziju se razgrađuju. Druga važna funkcija efektorskih kaspaza je inaktivacija proteina koji blokiraju apoptozu. Konkretno, DFF inhibitor, koji sprječava aktivaciju apoptotičke DNaze CAD, se cijepa. Također se uništavaju antiapoptotski proteini iz obitelji Bcl-2. Konačno, kao rezultat djelovanja efektorskih kaspaza, regulatorna i efektorska domena uključena u popravak DNA, spajanje mRNA i replikaciju DNA se odvajaju.

Dodatni efektori apoptoze

Osim kaspaza, postoje i drugi efektori apoptoze. Na primjer, flavoprotein AIF, otpušten iz mitohondrijskog intermembranskog prostora, djeluje kroz put neovisan o kaspazi. Jednom u staničnoj jezgri, AIF uzrokuje kondenzaciju kromatina i aktivira endonukleaze koje su uključene u fragmentaciju DNA. Na temelju eksperimentalnih podataka utvrđeno je da apoptozu koja se javlja u prisutnosti AIF-a ne sprječava inhibitor kaspaze. Kalpaini, članovi obitelji citosolnih Ca-aktiviranih cisteinskih proteaza, također se smatraju efektorima apoptoze. Njihova uloga u apoptozi je još uvijek slabo opisana.

Faza degradacije

Rezultat programirane stanične smrti, bez obzira na početni inicijacijski učinak, je stanična degradacija kroz fragmentaciju u pojedinačna apoptotička tijela ograničena na plazma membranu. Fragmente mrtve stanice obično vrlo brzo fagocitiraju makrofagi ili susjedne stanice, zaobilazeći razvoj upalne reakcije.

Morfološke promjene

Konvencionalno, razgradnja umiruće stanice može se podijeliti u tri uzastopne faze: oslobađanje, stvaranje mjehurića i kondenzacija. Degradacija većine stanica počinje otpuštanjem pripoja izvanstaničnog matriksa i reorganizacijom žarišne adhezije. Unutar umiruće stanice dolazi do depolimerizacije mikrotubula citoskeleta. Unutarstanični mikrofilamenti aktina reorganiziraju se u membranski vezane periferne kružne snopove. Kao rezultat, stanica dobiva zaobljeni oblik. Nakon oslobađanja, stadij mjehurića karakterizira kontrakcija perifernih aktinskih prstenova. Kao rezultat kontrakcija, stanična membrana stvara otekline, a stanica kao da "kuha". Proces mjehurića ovisi o energiji i zahtijeva veliku količinu ATP-a. Faza mjehurića u normalnim uvjetima završava za oko sat vremena. Kao rezultat toga, stanica se fragmentira u mala apoptotička tijela ili se potpuno kondenzira, zaokružujući se i smanjujući se u veličini.

Biokemijske promjene

Na molekularnoj razini, jedna od posljedica apoptoze je fragmentacija DNA uz sudjelovanje nukleaza. U početku se formiraju veliki fragmenti s 30.000-700.000 parova baza, koji se kasnije cijepaju u internukleosomskom području u segmente od 180-190 parova baza ili višekratnike tih vrijednosti. Fragmentacija DNA je karakterističan, ali ne i obavezan znak apoptoze, budući da postoje opažanja u kojima se proces fragmentacije jezgre dogodio bez popratne fragmentacije DNA.

Druga značajna posljedica apoptoze je ekspresija na vanjskoj strani plazma membrane specifičnih molekularnih markera koje prepoznaju fagocitne stanice: trombospondin; fosfatidilserin i drugi fosfolipidi koji sadrže fosfoserin.

Pojam "apoptoza" treba shvatiti kao fiziološki proces stanične smrti, koji se pokreće kao odgovor na fiziološke signale ili je osiguran uključivanjem posebnog genetskog programa. Morfološki, ovaj proces karakterizira zbijanje kromatina, dijeljenje DNA na fragmente i promjene u strukturi stanične membrane. Kao rezultat, stanica se uništava i fagocitira bez znakova upale, što praktički ne utječe na okolna tkiva.

Biološka uloga

Programirana stanična smrt iznimno je važna za normalno funkcioniranje organizma.

Programirana stanična smrt igra važnu ulogu u normalnom funkcioniranju živih organizama, osigurava:

• razvoj tijekom embriogeneze;
• regulacija broja stanica i njihova sastava u zrelom organizmu;
• diferencijacija stanica;
• uništavanje starih stanica koje prestaju obavljati svoje funkcije;
• hormonske promjene;
• suzbijanje rasta tumora;
• uništavanje stanica s genetskim defektima;
• eliminacija stranih agenasa (virusi, bakterije, gljivice, itd.).

Disregulacija stanične smrti dovodi do razvoja:

• virusne infekcije;
• neurodegenerativne bolesti (,);
• patologije krvi (,).

Treba napomenuti da je kod nekih od njih funkcija apoptoze smanjena, dok je kod drugih, naprotiv, povećana.

• Vjeruje se da je inhibicija apoptoze važna za napredovanje tumora. Stanice raka mogu postati otporne na njega zbog povećane ekspresije anti-apoptotskih čimbenika ili kao rezultat mutacije u genima.
• Smanjenje apoptoze opaženo je u autoimunim procesima, kada imunološki sustav ne uništi autoagresivne T stanice. To dovodi do oštećenja vlastitih tkiva tijela.
• Povećana apoptoza također negativno utječe na ljudsko zdravlje. To može biti povezano s povećanom smrću stanica prekursora koštane srži crvene i bijele hematopoetske loze, što rezultira aplastičnom anemijom.

Dakle, apoptoza djeluje kao opći mehanizam stanične smrti, kako tijekom fizioloških tako i patoloških procesa.

Mehanizmi razvoja

Programirana stanična smrt odvija se u nizu od 3 faze:

1. Induktor.
2. Učinkovito.
3. Degradacija.

U prvoj fazi dolazi do prijema signala i početnih faza njegovog prijenosa. To se provodi pomoću receptorskog mehanizma pod utjecajem vanjskih čimbenika ili unutarnjom aktivacijom.

Receptori koji pokreću apoptozu nazivaju se receptori smrti. Unutar sebe imaju posebne domene čija interakcija inducira posebne unutarstanične signale.

Unutarnji put aktivacije ovog procesa povezan je s promjenama koje se događaju u mitohondrijima. Osjetljiv je na nedostatke faktora rasta, hormona ili citokina. Na njega također mogu utjecati:

• hipoksija;
• hipotermija;
• invazija virusa;
• zračenje;
• slobodni radikali.

Svi ti čimbenici mogu uzrokovati restrukturiranje unutarnje mitohondrijske membrane, uslijed čega se otvaraju pore i oslobađaju proapoptotičke tvari. Po svojoj strukturi to su proteini koji pokreću put apoptoze ovisan o kaspazi i induciraju diobu DNA na fragmente uz kondenzaciju perifernih kromatinskih regija.

Tijekom efektorskog stadija aktiviraju se glavni apoptotski enzimi, kaspaze. Imaju proteolitičku aktivnost i razgrađuju proteine ​​na asparaginskom ostatku. Kao rezultat njihove aktivnosti, u stanici dolazi do masovnog uništenja proteina i razvoja nepovratnih promjena.

U posljednjoj fazi ostvaruju se osnovni mehanizmi stanične smrti. Time se aktiviraju endonukleaze čija aktivnost dovodi do razgradnje DNA. Nakon toga dolazi do reorganizacije citoskeleta i transformacije stanice u apoptotička tjelešca na čijoj se površini pojavljuju markeri za fagocitozu. U posljednjoj fazi takve stanice apsorbiraju makrofagi.

Regulacija apoptoze

Poremećena apoptoza jedan je od čimbenika koji povećava rizik od razvoja AIDS-a.

Svaki od mehanizama apoptoze ima svoju regulaciju:

• Mitohondrijski put reguliran je proteinima iz obitelji Bcl-2. Oni utječu na propusnost mitohondrijske membrane i mogu oslabiti ili stimulirati apoptozu. To se postiže kontroliranjem otpuštanja citokroma C.
• Regulacija mehanizma receptora stanične smrti odvija se kontrolom aktivnosti kaspaza.

Apoptoza omogućuje tijelu održavanje fiziološke ravnoteže i otpornost na različite vanjske utjecaje. Tako svaki dan u ljudskom tijelu odumiru deseci milijardi stanica kao posljedica programirane smrti, ali se ti gubici brzo nadoknađuju proliferacijom stanica. Ukupna masa stanica koje se godišnje unište apoptozom jednaka je težini ljudskog tijela.