Η διαδικασία με την οποία ένα κύτταρο μπορεί να αυτοκτονήσει ονομάζεται προγραμματισμένος κυτταρικός θάνατος (PCD). Ο μηχανισμός αυτός έχει πολλές ποικιλίες και παίζει σημαντικό ρόλο στη φυσιολογία διαφόρων οργανισμών, ιδιαίτερα των πολυκύτταρων. Η πιο κοινή και καλά μελετημένη μορφή CHF είναι η απόπτωση.
Τι είναι η απόπτωση
Η απόπτωση είναι μια ελεγχόμενη φυσιολογική διαδικασία αυτοκαταστροφής των κυττάρων, που χαρακτηρίζεται από τη σταδιακή καταστροφή και κατακερματισμό του περιεχομένου του με το σχηματισμό μεμβρανικών κυστιδίων (αποπτωτικά σώματα), τα οποία στη συνέχεια απορροφώνται από τα φαγοκύτταρα. Αυτός ο γενετικός μηχανισμός ενεργοποιείται υπό την επίδραση ορισμένων εσωτερικών ή εξωτερικών παραγόντων.
Με αυτήν την παραλλαγή θανάτου, το περιεχόμενο των κυττάρων δεν υπερβαίνει τη μεμβράνη και δεν προκαλεί φλεγμονή. Η απορρύθμιση της απόπτωσης οδηγεί σε σοβαρές παθολογίες όπως η ανεξέλεγκτη κυτταρική διαίρεση ή ο εκφυλισμός των ιστών.
Η απόπτωση είναι μόνο μία από τις πολλές μορφές προγραμματισμένου κυτταρικού θανάτου (PCD), επομένως είναι λάθος να προσδιορίσουμε αυτές τις έννοιες. Στους διάσημουςΟι τύποι κυτταρικής αυτοκαταστροφής περιλαμβάνουν επίσης τη μιτωτική καταστροφή, την αυτοφαγία και την προγραμματισμένη νέκρωση. Άλλοι μηχανισμοί της PCG δεν έχουν ακόμη μελετηθεί.
Αιτίες κυτταρικής απόπτωσης
Ο λόγος για την ενεργοποίηση του μηχανισμού του προγραμματισμένου κυτταρικού θανάτου μπορεί να είναι τόσο φυσικές φυσιολογικές διεργασίες όσο και παθολογικές αλλαγές που προκαλούνται από εσωτερικά ελαττώματα ή έκθεση σε εξωτερικούς δυσμενείς παράγοντες.
Κανονικά, η απόπτωση εξισορροπεί τη διαδικασία της κυτταρικής διαίρεσης, ρυθμίζοντας τον αριθμό τους και προάγοντας την ανανέωση των ιστών. Σε αυτή την περίπτωση, η αιτία της HGC είναι ορισμένα σήματα που αποτελούν μέρος του συστήματος ελέγχου της ομοιόστασης. Με τη βοήθεια της απόπτωσης καταστρέφονται κύτταρα μιας χρήσης ή κύτταρα που έχουν εκπληρώσει τη λειτουργία τους. Έτσι, η αυξημένη περιεκτικότητα σε λευκοκύτταρα, ουδετερόφιλα και άλλα στοιχεία της κυτταρικής ανοσίας μετά το τέλος της καταπολέμησης της μόλυνσης εξαλείφεται ακριβώς λόγω της απόπτωσης.
Ο προγραμματισμένος θάνατος είναι μέρος του φυσιολογικού κύκλου των αναπαραγωγικών συστημάτων. Η απόπτωση εμπλέκεται στη διαδικασία της ωογένεσης και επίσης συμβάλλει στον θάνατο του ωαρίου απουσία γονιμοποίησης.
Ένα κλασικό παράδειγμα της εμπλοκής της κυτταρικής απόπτωσης στον κύκλο ζωής των βλαστικών συστημάτων είναι η πτώση των φύλλων του φθινοπώρου. Ο ίδιος ο όρος προέρχεται από την ελληνική λέξη απόπτωση, που κυριολεκτικά μεταφράζεται ως "πτώση".
Η απόπτωση παίζει σημαντικό ρόλο στην εμβρυογένεση και την οντογένεση, όταν οι ιστοί αλλάζουν στο σώμα και ορισμένα όργανα ατροφούν. Ένα παράδειγμα είναι η εξαφάνιση των μεμβρανών μεταξύ των δακτύλων των άκρων ορισμένων θηλαστικών ή ο θάνατος της ουράς κατά τη μεταμόρφωση.βατράχια.
Η απόπτωση μπορεί να προκληθεί από τη συσσώρευση ελαττωματικών αλλαγών στο κύτταρο που προκύπτουν από μεταλλάξεις, γήρανση ή μιτωτικά σφάλματα. Ένα δυσμενές περιβάλλον (έλλειψη θρεπτικών ουσιών, ανεπάρκεια οξυγόνου) και παθολογικές εξωτερικές επιδράσεις που προκαλούνται από ιούς, βακτήρια, τοξίνες κ.λπ. έχουν χρόνο να πραγματοποιήσουν τον μηχανισμό της απόπτωσης και ως αποτέλεσμα πεθαίνει. ανάπτυξη της παθολογικής διαδικασίας - νέκρωση.
Μορφολογικές και δομικές-βιοχημικές αλλαγές στο κύτταρο κατά την απόπτωση
Η διαδικασία της απόπτωσης χαρακτηρίζεται από ένα συγκεκριμένο σύνολο μορφολογικών αλλαγών, οι οποίες μπορούν να παρατηρηθούν με μικροσκόπηση σε ένα παρασκεύασμα ιστού in vitro.
Τα κύρια χαρακτηριστικά γνωρίσματα της κυτταρικής απόπτωσης περιλαμβάνουν:
- αναδημιουργία του κυτταροσκελετού;
- περιεχόμενο κυττάρων σφραγίδας;
- συμπύκνωση χρωματίνης;
- κατακερματισμός πυρήνα;
- μείωση όγκου κελιών;
- ζάρες του περιγράμματος της μεμβράνης;
- σχηματισμός φυσαλίδων στην επιφάνεια του κυττάρου,
- καταστροφή οργανιδίων.
Στα ζώα, αυτές οι διεργασίες καταλήγουν στο σχηματισμό αποπτοκυττάρων, τα οποία μπορούν να καταπιαστούν τόσο από μακροφάγα όσο και από γειτονικά κύτταρα ιστών. Στα φυτά, ο σχηματισμός αποπτωτικών σωμάτων δεν συμβαίνει και μετά την αποικοδόμηση του πρωτοπλάστη, ο σκελετός παραμένει σεκυτταρικό τοίχωμα.
Εκτός από τις μορφολογικές αλλαγές, η απόπτωση συνοδεύεται από μια σειρά από αναδιατάξεις σε μοριακό επίπεδο. Υπάρχει μια αύξηση στις δραστηριότητες λιπάσης και νουκλεάσης, που συνεπάγεται τον κατακερματισμό της χρωματίνης και πολλών πρωτεϊνών. Το περιεχόμενο του cAMP αυξάνεται απότομα, η δομή της κυτταρικής μεμβράνης αλλάζει. Στα φυτικά κύτταρα, παρατηρείται ο σχηματισμός γιγάντων κενοτοπίων.
Πώς διαφέρει η απόπτωση από τη νέκρωση
Η κύρια διαφορά μεταξύ απόπτωσης και νέκρωσης έγκειται στην αιτία της κυτταρικής αποικοδόμησης. Στην πρώτη περίπτωση, η πηγή καταστροφής είναι τα μοριακά εργαλεία του ίδιου του κυττάρου, τα οποία λειτουργούν υπό αυστηρό έλεγχο και απαιτούν τη δαπάνη ενέργειας ATP. Με τη νέκρωση, συμβαίνει παθητική διακοπή της ζωής λόγω εξωτερικών επιβλαβών επιπτώσεων.
Η απόπτωση είναι μια φυσική φυσιολογική διαδικασία σχεδιασμένη με τέτοιο τρόπο ώστε να μην βλάπτει τα γύρω κύτταρα. Η νέκρωση είναι ένα ανεξέλεγκτο παθολογικό φαινόμενο που εμφανίζεται ως αποτέλεσμα κρίσιμων τραυματισμών. Επομένως, δεν αποτελεί έκπληξη το γεγονός ότι ο μηχανισμός, η μορφολογία και οι συνέπειες της απόπτωσης και της νέκρωσης είναι από πολλές απόψεις αντίθετες. Ωστόσο, υπάρχουν και κοινά σημεία.
| χαρακτηριστικό διαδικασίας | απόπτωση | νέκρωση |
| τόμος κελιού | μειώνεται | αύξηση |
| ακεραιότητα μεμβράνης | maintained | παραβιάστηκε |
| φλεγμονώδη διαδικασία | λείπει | αναπτύσσεται |
| ενέργεια ATP | expending | δεν χρησιμοποιείται |
| θρυμματισμός χρωματίνης | διαθέσιμο | παρόν |
| απότομη πτώση της συγκέντρωσης ATP | είναι | είναι |
| αποτέλεσμα της διαδικασίας | φαγοκυττάρωση | απελευθέρωση περιεχομένου στον μεσοκυττάριο χώρο |
Σε περίπτωση βλάβης, τα κύτταρα ενεργοποιούν τον μηχανισμό του προγραμματισμένου θανάτου, μεταξύ άλλων για την πρόληψη της νεκρωτικής ανάπτυξης. Ωστόσο, πρόσφατες μελέτες έχουν δείξει ότι υπάρχει μια άλλη μη παθολογική μορφή νέκρωσης, η οποία αναφέρεται επίσης ως PCD.
Βιολογική σημασία της απόπτωσης
Παρά το γεγονός ότι η απόπτωση οδηγεί σε κυτταρικό θάνατο, ο ρόλος της στη διατήρηση της φυσιολογικής λειτουργίας ολόκληρου του οργανισμού είναι πολύ μεγάλος. Οι ακόλουθες φυσιολογικές λειτουργίες πραγματοποιούνται λόγω του μηχανισμού της PCG:
- διατήρηση μιας ισορροπίας μεταξύ του πολλαπλασιασμού των κυττάρων και του θανάτου;
- ενημέρωση ιστών και οργάνων;
- εξάλειψη ελαττωματικών και "παλιών" κυττάρων;
- προστασία από την ανάπτυξη παθογόνου νέκρωσης;
- αλλαγή ιστών και οργάνων κατά την εμβρυογένεση και την οντογένεση;
- αφαίρεση περιττών στοιχείων που έχουν εκπληρώσει τη λειτουργία τους;
- αποβολή κυττάρων που είναι ανεπιθύμητα ή επικίνδυνα για τον οργανισμό (μετάλλαγμα, όγκος, μολυσμένο από ιό)
- πρόληψη μόλυνσης.
Έτσι, η απόπτωση είναι ένας από τους τρόπους διατήρησης της ομοιόστασης του κυτταρικού ιστού.
Στα φυτάη απόπτωση συχνά πυροδοτείται για να εμποδίσει την εξάπλωση παρασιτικών αγροβακτηρίων που μολύνουν ιστούς.
Στάδια κυτταρικού θανάτου
Αυτό που συμβαίνει σε ένα κύτταρο κατά την απόπτωση είναι το αποτέλεσμα μιας πολύπλοκης αλυσίδας μοριακών αλληλεπιδράσεων μεταξύ διαφορετικών ενζύμων. Οι αντιδράσεις προχωρούν ως καταρράκτης, όταν ορισμένες πρωτεΐνες ενεργοποιούν άλλες, συμβάλλοντας στη σταδιακή ανάπτυξη του σεναρίου θανάτου. Αυτή η διαδικασία μπορεί να χωριστεί σε διάφορα στάδια:
- Induction.
- Ενεργοποίηση προαποπτωτικών πρωτεϊνών.
- Ενεργοποίηση κασπάσης.
- Καταστροφή και αναδόμηση κυτταρικών οργανιδίων.
- Σχηματισμός αποπτοκυττάρων.
- Προετοιμασία κυτταρικών θραυσμάτων για φαγοκυττάρωση.
Η σύνθεση όλων των συστατικών που είναι απαραίτητα για την εκτόξευση, την εφαρμογή και τον έλεγχο κάθε σταδίου βασίζεται γενετικά, γι' αυτό και η απόπτωση ονομάζεται προγραμματισμένος κυτταρικός θάνατος. Η ενεργοποίηση αυτής της διαδικασίας τελεί υπό τον αυστηρό έλεγχο των ρυθμιστικών συστημάτων, συμπεριλαμβανομένων των διαφόρων αναστολέων της CHG.
Μοριακοί μηχανισμοί κυτταρικής απόπτωσης
Η ανάπτυξη της απόπτωσης καθορίζεται από τη συνδυασμένη δράση δύο μοριακών συστημάτων: της επαγωγής και του τελεστή. Το πρώτο μπλοκ είναι υπεύθυνο για την ελεγχόμενη εκτόξευση του ZGK. Περιλαμβάνει τους λεγόμενους υποδοχείς θανάτου, τις πρωτεάσες Cys-Asp (κασπάσες), έναν αριθμό μιτοχονδριακών συστατικών και προ-αποπτωτικές πρωτεΐνες. Όλα τα στοιχεία της φάσης επαγωγής μπορούν να χωριστούν σε ενεργοποιητές (συμμετέχουν στην επαγωγή) και διαμορφωτές που παρέχουν μεταγωγή του σήματος θανάτου.
Το σύστημα τελεστών αποτελείται από μοριακά εργαλεία που διασφαλίζουν την υποβάθμιση και την αναδόμηση των κυτταρικών συστατικών. Η μετάβαση μεταξύ της πρώτης και της δεύτερης φάσης συμβαίνει στο στάδιο του καταρράκτη πρωτεολυτικών κασπασών. Ο κυτταρικός θάνατος οφείλεται στα συστατικά του μπλοκ τελεστή κατά την απόπτωση.
παράγοντες απόπτωσης
Οι δομικές-μορφολογικές και βιοχημικές αλλαγές κατά την απόπτωση πραγματοποιούνται από ένα συγκεκριμένο σύνολο εξειδικευμένων κυτταρικών εργαλείων, μεταξύ των οποίων τα σημαντικότερα είναι οι κασπάσες, οι νουκλεάσες και οι τροποποιητές της μεμβράνης.
Οι κασπάσες είναι μια ομάδα ενζύμων που κόβουν τους πεπτιδικούς δεσμούς στα υπολείμματα ασπαραγίνης, κατακερματίζοντας τις πρωτεΐνες σε μεγάλα πεπτίδια. Πριν από την έναρξη της απόπτωσης, βρίσκονται στο κύτταρο σε ανενεργή κατάσταση λόγω αναστολέων. Οι κύριοι στόχοι των κασπασών είναι οι πυρηνικές πρωτεΐνες.
Οι νουκλεάσες είναι υπεύθυνες για την κοπή των μορίων του DNA. Ιδιαίτερα σημαντική στην ανάπτυξη της απόπτωσης είναι η ενεργή ενδονουκλεάση CAD, η οποία διασπά τις περιοχές της χρωματίνης στις περιοχές των αλληλουχιών συνδετήρων. Ως αποτέλεσμα, σχηματίζονται θραύσματα μήκους 120-180 ζευγών νουκλεοτιδίων. Η πολύπλοκη επίδραση των πρωτεολυτικών κασπασών και νουκλεασών οδηγεί σε παραμόρφωση και κατακερματισμό του πυρήνα.
Τροποποιητές κυτταρικής μεμβράνης - σπάστε την ασυμμετρία της στοιβάδας των διλιπιδίων, μετατρέποντάς την σε στόχο για τα φαγοκυτταρικά κύτταρα.
Ο βασικός ρόλος στην ανάπτυξη της απόπτωσης ανήκει στις κασπάσες, οι οποίες σταδιακά ενεργοποιούν όλους τους επόμενους μηχανισμούς αποδόμησης και μορφολογικής αναδιάταξης.
Ο ρόλος της κασπάσης στα κυτταρικάθάνατος
Η οικογένεια των κασπασών περιλαμβάνει 14 πρωτεΐνες. Ορισμένες από αυτές δεν εμπλέκονται στην απόπτωση, ενώ οι υπόλοιπες χωρίζονται σε 2 ομάδες: τις αρχικές (2, 8, 9, 10, 12) και τις τελεστές (3, 6 και 7), οι οποίες αλλιώς ονομάζονται κασπάσεις δεύτερης βαθμίδας. Όλες αυτές οι πρωτεΐνες συντίθενται ως πρόδρομες ουσίες - προκασπάσες, που ενεργοποιούνται με πρωτεολυτική διάσπαση, η ουσία της οποίας είναι η αποκόλληση της Ν-τερματικής περιοχής και η διαίρεση του εναπομείναντος μορίου σε δύο μέρη, που στη συνέχεια συνδέονται σε διμερή και τετραμερή.
Οι κασπάσεις εκκίνησης απαιτούνται για την ενεργοποίηση μιας ομάδας τελεστή που εμφανίζει πρωτεολυτική δράση έναντι διαφόρων ζωτικών κυτταρικών πρωτεϊνών. Τα υποστρώματα κασπάσης δεύτερης βαθμίδας περιλαμβάνουν:
- ένζυμα επιδιόρθωσης DNA;
- p-53 αναστολέας πρωτεΐνης;
- πολυ-(ADP-ριβόζη)-πολυμεράση;
- αναστολέας της DNase DFF (η καταστροφή αυτής της πρωτεΐνης οδηγεί σε ενεργοποίηση της CAD ενδονουκλεάσης) κ.λπ.
Ο συνολικός αριθμός στόχων για τελεστές κασπάσες είναι περισσότερες από 60 πρωτεΐνες.
Η αναστολή της κυτταρικής απόπτωσης είναι ακόμα δυνατή στο στάδιο της ενεργοποίησης των προκασπασών εκκινητή. Μόλις ενεργοποιηθούν οι κασπάσες τελεστών, η διαδικασία καθίσταται μη αναστρέψιμη.
Οδοί ενεργοποίησης απόπτωσης
Η μετάδοση του σήματος για την έναρξη της κυτταρικής απόπτωσης μπορεί να πραγματοποιηθεί με δύο τρόπους: υποδοχέα (ή εξωτερικό) και μιτοχονδριακό. Στην πρώτη περίπτωση, η διαδικασία ενεργοποιείται μέσω συγκεκριμένων υποδοχέων θανάτου που αντιλαμβάνονται εξωτερικά σήματα, οι οποίοι είναι πρωτεΐνες της οικογένειας TNF (παράγοντας νέκρωσης όγκου) ή συνδέτες Fas που βρίσκονται στην επιφάνειαT-killers.
Ο υποδοχέας περιλαμβάνει 2 λειτουργικές περιοχές: μια διαμεμβρανική (σχεδιασμένη για δέσμευση στον συνδέτη) και μια "περιοχή θανάτου" προσανατολισμένη στο εσωτερικό του κυττάρου, η οποία προκαλεί απόπτωση. Ο μηχανισμός της οδού του υποδοχέα βασίζεται στον σχηματισμό ενός συμπλέγματος DISC που ενεργοποιεί τις κασπάσες εκκίνησης 8 ή 10.
Η συναρμολόγηση ξεκινά με την αλληλεπίδραση της περιοχής θανάτου με τις ενδοκυτταρικές πρωτεΐνες προσαρμογής, οι οποίες με τη σειρά τους δεσμεύουν τις προκασπάσες εκκινητή. Ως μέρος του συμπλέγματος, οι τελευταίες μετατρέπονται σε λειτουργικά ενεργές κασπάσες και πυροδοτούν έναν περαιτέρω αποπτωτικό καταρράκτη.
Ο μηχανισμός της εσωτερικής οδού βασίζεται στην ενεργοποίηση του πρωτεολυτικού καταρράκτη από συγκεκριμένες μιτοχονδριακές πρωτεΐνες, η απελευθέρωση των οποίων ελέγχεται από ενδοκυτταρικά σήματα. Η απελευθέρωση των συστατικών των οργανιδίων πραγματοποιείται μέσω του σχηματισμού τεράστιων πόρων.
Το κυτόχρωμα c παίζει ιδιαίτερο ρόλο στην εκτόξευση. Μόλις εισέλθει στο κυτταρόπλασμα, αυτό το συστατικό της αλυσίδας ηλεκτρομεταφοράς συνδέεται με την πρωτεΐνη Apaf1 (ένας παράγοντας ενεργοποίησης της αποπτωτικής πρωτεάσης), η οποία οδηγεί στην ενεργοποίηση της τελευταίας. Στη συνέχεια, το Apaf1 δεσμεύεται από τις προκάσπες εκκίνησης 9, οι οποίες πυροδοτούν την απόπτωση μέσω ενός μηχανισμού καταρράκτη.
Ο έλεγχος της εσωτερικής οδού πραγματοποιείται από μια ειδική ομάδα πρωτεϊνών της οικογένειας Bcl12, οι οποίες ρυθμίζουν την απελευθέρωση διαμεμβρανικών συστατικών των μιτοχονδρίων στο κυτταρόπλασμα. Η οικογένεια περιέχει τόσο προ-αποπτωτικές όσο και αντι-αποπτωτικές πρωτεΐνες, η ισορροπία μεταξύ των οποίων καθορίζει εάν θα ξεκινήσει η διαδικασία.
Ένας από τους ισχυρούς παράγοντες που πυροδοτούν την απόπτωση μέσω του μιτοχονδριακού μηχανισμού είναι αντιδραστικόςμορφές οξυγόνου. Ένας άλλος σημαντικός επαγωγέας είναι η πρωτεΐνη p53, η οποία ενεργοποιεί τη μιτοχονδριακή οδό παρουσία βλάβης στο DNA.
Μερικές φορές η έναρξη της κυτταρικής απόπτωσης συνδυάζει δύο τρόπους ταυτόχρονα: εξωτερικούς και εσωτερικούς. Το τελευταίο συνήθως χρησιμεύει για την ενίσχυση της ενεργοποίησης των υποδοχέων.
