Apoptoza stanica: zašto ne radi uvijek? Morfološke manifestacije apoptoze Važnost apoptoze
Stranica pruža pozadinske informacije samo u informativne svrhe. Dijagnoza i liječenje bolesti moraju se provoditi pod nadzorom stručnjaka. Svi lijekovi imaju kontraindikacije. Potrebna je konzultacija sa specijalistom!
Što je apoptoza?
Apoptoza- fiziološka smrt stanica, što je svojevrsno genetski programirano samouništenje.Izraz "apoptoza" u prijevodu s grčkog znači "padanje". Autori pojma dali su takvo ime procesu programirane stanične smrti jer je uz njega povezano jesensko opadanje uvelog lišća. Osim toga, sam naziv karakterizira proces kao fiziološki, postupan i apsolutno bezbolan.
Kod životinja je najupečatljiviji primjer apoptoze, u pravilu, nestanak repa u žabi tijekom metamorfoze od punoglavca u odraslu osobu.
Kako žaba raste, njen rep potpuno nestaje, jer njezine stanice prolaze postupnu apoptozu - programiranu smrt i apsorpciju uništenih elemenata od strane drugih stanica.
Fenomen genetski programirane stanične smrti javlja se kod svih eukariota (organizama čije stanice imaju jezgru). Prokarioti (bakterije) imaju svojevrsni analog apoptoze. Možemo reći da je ovaj fenomen karakterističan za sva živa bića, s izuzetkom takvih posebnih predstaničnih oblika života kao što su virusi.
I pojedinačne stanice (obično defektne) i cijeli konglomerati mogu biti podvrgnuti apoptozi. Potonje je posebno karakteristično za embriogenezu. Primjerice, eksperimenti istraživača pokazali su da zbog apoptoze tijekom embriogeneze nestaju membrane između prstiju na nogama pilića.
Znanstvenici tvrde da se kod ljudi kongenitalne anomalije kao što su srasli prsti na rukama i nogama također javljaju kao posljedica poremećaja normalne apoptoze u ranim fazama embriogeneze.
Povijest otkrića teorije apoptoze
Proučavanje mehanizama i značaja genetski programirane stanične smrti započelo je šezdesetih godina prošlog stoljeća. Znanstvenike je zanimala činjenica da je stanični sastav većine organa tijekom cijelog života organizma praktički isti, ali se životni ciklus različitih tipova stanica bitno razlikuje. U tom slučaju dolazi do stalne zamjene mnogih stanica.Dakle, relativna postojanost staničnog sastava svih organizama održava se dinamičkom ravnotežom dvaju suprotnih procesa – proliferacije (diobe i rasta) stanica i fiziološke smrti zastarjelih stanica.
Autorstvo pojma pripada britanskim znanstvenicima - J. Kerru, E. Wileyju i A. Kerryju, koji su prvi iznijeli i potkrijepili koncept temeljne razlike između fiziološke smrti stanica (apoptoze) i njihove patološke smrti. (nekroza).
Godine 2002. znanstvenici iz Cambridge laboratorija, biolozi S. Brenner, J. Sulston i R. Horwitz, dobili su Nobelovu nagradu za fiziologiju ili medicinu za otkrivanje glavnih mehanizama genetske regulacije razvoja organa i proučavanje programirane stanične smrti .
Danas su deseci tisuća znanstvenih radova posvećeni teoriji apoptoze, otkrivajući glavne mehanizme njezina razvoja na fiziološkoj, genetskoj i biokemijskoj razini. U tijeku je aktivna potraga za njegovim regulatorima.
Posebno su zanimljive studije koje omogućuju praktičnu primjenu regulacije apoptoze u liječenju onkoloških, autoimunih i neurodistrofičnih bolesti.
Mehanizam
Mehanizam razvoja apoptoze do danas nije u potpunosti shvaćen. Dokazano je da se proces može potaknuti niskim koncentracijama većine tvari koje uzrokuju nekrozu.Međutim, u većini slučajeva genetski programirana stanična smrt se događa kada se signali primaju od molekula - staničnih regulatora, kao što su:
- hormoni;
- antigeni;
- monoklonska antitijela itd.
Karakteristično je da signal za razvoj apoptoze može biti kako prisutnost aktivacijskih tvari, tako i odsutnost nekih spojeva koji sprječavaju razvoj programirane stanične smrti.
Odgovor stanice na signal ne ovisi samo o njezinoj snazi, već io općem početnom stanju stanice, morfološkim značajkama njezine diferencijacije i stadiju životnog ciklusa.
Jedan od osnovnih mehanizama apoptoze u fazi njezine implementacije je degradacija DNK, što rezultira fragmentacijom jezgre. Kao odgovor na oštećenje DNK, pokreću se obrambene reakcije koje ga popravljaju.
Neuspješni pokušaji obnavljanja DNK dovode do potpunog energetskog iscrpljivanja stanice, što postaje neposredni uzrok njezine smrti.
Mehanizam apoptoze - video
Faze i faze
Postoje tri fiziološke faze apoptoze:1. Signal (aktivacija specijaliziranih receptora).
2. Efektor (formiranje jednog puta apoptoze iz heterogenih efektorskih signala i pokretanje kaskade složenih biokemijskih reakcija).
3. Dehidracija (doslov. dehidracija - stanična smrt).
Osim toga, morfološki se razlikuju dvije faze procesa:
1.
Prva razina - preapoptoza... U ovoj fazi smanjuje se veličina stanice zbog njenog skupljanja, dolazi do reverzibilnih promjena u jezgri (zbijanje kromatina i njegovo nakupljanje duž periferije jezgre). U slučaju izlaganja nekim specifičnim regulatorima, apoptoza se može zaustaviti, a stanica će nastaviti svoj normalan život.
2.
Druga faza je zapravo apoptoza. Unutar stanice dolazi do velikih promjena u svim njezinim organelama, ali najznačajnije se transformacije razvijaju u jezgri i na površini njezine vanjske membrane. Stanična membrana gubi resice i uobičajeno savijanje, na njezinoj površini se stvaraju mjehurići - stanica kao da vrije i kao rezultat se raspada na takozvana apoptotička tijela, koja apsorbiraju tkivni makrofagi i/ili susjedne stanice.
Morfološki određen proces apoptoze obično traje od jednog do tri sata.
Nekroza i apoptoza stanica. Sličnosti i razlike
Pojmovi nekroza i apoptoza označavaju potpuni prestanak aktivnosti stanice. Međutim, apoptoza znači fiziološku smrt, a nekroza njezinu patološku smrt.Apoptoza je genetski programirani prekid postojanja, odnosno po definiciji ima unutarnji uzrok razvoja, dok nekroza nastaje kao posljedica utjecaja superjakih vanjskih čimbenika u odnosu na stanicu:
- nedostatak hranjivih tvari;
- trovanja toksinima i sl.
Osim toga, stanična smrt tijekom procesa nekroze i apoptoze morfološki se razlikuje - prvi je karakteriziran oticanjem, a u drugom se stanica skuplja i membrane su zbijene.
Tijekom apoptoze stanične organele umiru, ali membrana ostaje netaknuta, tako da nastaju takozvana apoptotska tijela koja naknadno apsorbiraju specijalizirane stanice - makrofagi ili susjedne stanice.
Kod nekroze dolazi do pucanja stanične membrane, a sadržaj stanice se oslobađa van. Počinje upalna reakcija.
Ako je dovoljan broj stanica podvrgnut nekrozi, upala se očituje karakterističnim kliničkim simptomima poznatim od davnina, kao što su:
- bol;
- crvenilo (vazodilatacija u zahvaćenom području);
- oteklina (upalni edem);
- lokalni i ponekad opći porast temperature;
- manje ili više izražena disfunkcija organa u kojem je nastupila nekroza.
Biološki značaj
Biološki značaj apoptoze je sljedeći:
1. Provedba normalnog razvoja tijela tijekom embriogeneze.
2. Sprječavanje proliferacije mutiranih stanica.
3.
Regulacija imunološkog sustava.
4.
Prevencija preranog starenja tijela.
Ovaj proces ima vodeću ulogu u embriogenezi, budući da mnogi organi i tkiva prolaze kroz značajne transformacije tijekom embrionalnog razvoja. Mnoge urođene mane proizlaze iz neadekvatne apoptoze.
Kao programirano samouništenje defektnih stanica, ovaj proces je moćna prirodna obrana od raka. Tako, na primjer, ljudski papiloma virus blokira stanične receptore odgovorne za apoptozu i na taj način dovodi do razvoja raka vrata maternice i nekih drugih organa.
Zbog tog procesa dolazi do fiziološke regulacije klonova T-limfocita, koji su odgovorni za staničnu imunost organizma. Stanice koje nisu u stanju prepoznati proteine vlastitog tijela (a oko 97% njih ukupno sazrijeva) prolaze kroz apoptozu.
Nedostatak apoptoze dovodi do teških autoimunih bolesti, dok je njezino pojačanje moguće u imunodeficijalnim stanjima. Na primjer, težina tijeka AIDS-a korelira s intenziviranjem ovog procesa u T-limfocitima.
Osim toga, ovaj mehanizam je od velike važnosti za funkcioniranje živčanog sustava: odgovoran je za normalno stvaranje neurona, a može uzrokovati i rano uništavanje živčanih stanica kod Alzheimerove bolesti.
Jedna od teorija starenja organizma je teorija apoptoze. Već je dokazano da je upravo on temelj preranog starenja tkiva, gdje smrt stanica ostaje nepopravljiva (živčano tkivo, stanice miokarda). S druge strane, nedovoljna apoptoza može doprinijeti nakupljanju stanica koje stare u tijelu, koje inače fiziološki odumiru i zamjenjuju se novima (rano starenje vezivnog tkiva).
Uloga teorije apoptoze u medicini
Uloga teorije apoptoze u medicini leži u mogućnosti pronalaženja načina reguliranja ovog procesa za liječenje i prevenciju mnogih patoloških stanja uzrokovanih slabljenjem ili, obrnuto, povećanjem apopoptoze.Istraživanja se provode istovremeno u više smjerova. Prije svega, treba istaknuti znanstvena istraživanja u tako važnom području medicine kao što je onkologija. Budući da je rast tumora uzrokovan defektom u genetski programiranoj smrti mutiranih stanica, proučava se mogućnost specifične regulacije apoptoze, uz povećanje njezine aktivnosti u tumorskim stanicama.
Djelovanje nekih kemoterapijskih lijekova koji se široko koriste u onkologiji temelji se na intenziviranju procesa apoptoze. Budući da su tumorske stanice sklonije ovom procesu, odabire se doza tvari koja je dovoljna za smrt patoloških stanica, ali relativno bezopasna za normalne.
Za medicinu je također iznimno važno proučavanje uloge apoptoze u degeneraciji tkiva srčanog mišića pod utjecajem cirkulacijskog zatajenja. Skupina kineskih znanstvenika (Lv X, Wan J, Yang J, Cheng H, Li Y, Ao Y, Peng R) objavila je nove eksperimentalne podatke koji dokazuju mogućnost umjetnog smanjenja apoptoze u kardiomiocitima uvođenjem određenih inhibitornih tvari.
Ako se teorijske studije o laboratorijskim objektima mogu primijeniti u kliničkoj praksi, to će biti veliki korak naprijed u borbi protiv koronarne bolesti srca. Ova patologija zauzima prvo mjesto među uzrocima smrti u svim visokorazvijenim zemljama, pa bi bilo teško precijeniti prijelaz iz teorije u praksu.
Drugi vrlo obećavajući smjer je razvoj metoda za regulaciju ovog procesa za usporavanje starenja tijela. Teorijska istraživanja provode se u smjeru stvaranja programa koji kombinira povećanje aktivnosti apoptoze starih stanica i istovremeno povećanje proliferacije mladih staničnih elemenata. Određeni pomaci ovdje su napravljeni na teorijskoj razini, ali još je dug put od teorije do praktičnih rješenja.
Osim toga, velika znanstvena istraživanja provode se u sljedećim područjima:
- alergologija;
- imunologija;
- terapija zaraznih bolesti;
- transplantologija;
Naše stanice su samoubilačke
Štoviše, mogu počiniti samoubojstvo iz najmanjeg razloga: pregrijavanje, izloženost zračenju, hipoksija... Imaju čak i svoje antidepresive!
Stanice neprestano primaju signal od drugih stanica: "živi-živi-živi" i njegov prekid odmah vodi u smrt.
Ali ponekad sasvim druga poruka dolazi od "susjeda".
Stanice pomno prate jedna drugu, te u slučaju neprimjerenog ponašanja šalju signal apoptoze – programirane smrti.
Biološka stanica je složen i iznimno zanimljiv objekt, u biti je to cijeli organizam koji se rađa, diše, hrani, razmnožava i umire.
Ali to nije iznenađujuće, jer se ogroman dio živih bića na našem planetu sastoji od samo jedne ćelije.
Vrijedi razlikovati apoptozu i nekrozu, što je smrt stanice kao posljedica ozljede i oštećenja.
Glavna razlika je u tome što se tijekom apoptoze, koja se ne događa slučajno, iz ostataka stanica stvaraju apoptotska tijela koja jedu za to pozvani fagociti, čime se sprječava upala i trovanje susjednih stanica, a kod nekroze dolazi do odumiranja stanica i cijelih tkiva, popraćeno teškom upalom.
Zanimljiva je činjenica da je izraz "apoptoza" značio opadanje latica i lišća u biljkama (starogrčki ἀπόπτωσις - opadanje lišća).
Konvencionalno se mogu razlikovati tri stupnja apoptoze: inicijacija ili primanje signala, stadij efektora, u kojem se pokreću degradacijski procesi i, zapravo, proces destrukcije i degradacije - formiranje apoptotičkih tijela nakon čega slijedi jedenje makrofaga.
Postoje 2 načina inicijacije: mitohondrijski i vanjski signal
Mitohondriji su energetske stanice našeg tijela, gdje se zapravo odvija proces staničnog disanja uz pretvaranje kisika u vodu.
U školskim udžbenicima mitohondriji su bili prikazani kao takvi duguljasti ovali razasuti po stanici. Ali nije tako.
Ako pogledate dio stanice, tada ćete zaista vidjeti takvu sliku, ali trodimenzionalnom rekonstrukcijom stanica pomoću tih tankih dijelova, znanstvenici su otkrili da u stanici postoji samo jedan mitohondirij, ali on ima kompleks zakrivljene strukture, pa na presjecima vidimo njezine razne izrasline.
Mitohondrije su okružene s dvije stanične membrane i između njih su proteini apoptoze ili apoptotski proteini koji se oslobode kada se vanjska membrana pukne ili u njoj nastanu pore.
Zapravo, ovo je ključna faza početka apoptoze.
Oslobođeni proteini nizom biokemijskih reakcija aktiviraju kaspaze – enzime koji uništavaju druge proteine.
Kaspaze počinju uništavati sve oko mene, uništavajući sve osnovne stanične strukture.
U procesu uništavanja mitohondrijske membrane ne oslobađaju se samo proteini, već i voda počinje aktivno ulaziti u mitohondrije, što uzrokuje njihovo bubrenje.
Drugi put početka apoptoze je signalizacija.
Na površini stanica nalaze se receptori stanične smrti, posebni ligandi koje proizvode druge stanice (neki od njih su aktivirani makrofagi, koji kasnije pojedu ostatke), vežu se na te ligande i aktiviraju ih.
Receptori su velika molekula koja se nalazi u staničnoj membrani i strši s obje strane: u stanicu i van.
Izvana, ligand sjeda i signal se prenosi u unutrašnjost receptora kroz cijeli receptor.
U drugoj fazi apoptoze – efektoru, više nije toliko važno kako je stanica primila signal.
U ovoj fazi unutra počinje prava apokalipsa u kojoj glavnu ulogu igraju kaspaze.
Drugi važan element ove faze je flavoprotein AIF, koji napušta mitohondrije i aktivira endonukleaze – proteine koji uništavaju DNK stanice.
Zapravo, nakon ove stanice, ćelija je grad nakon nuklearnog bombardiranja.
Tijekom razaranja mitohondrijske membrane oslobađa se i cijeli energetski kompleks koji izaziva stvaranje reaktivnih kisikovih vrsta unutar stanice.
Slobodni radikali pokreću lančane reakcije koje uništavaju sadržaj stanice.
U ovom trenutku, antioksidansi ih više ne mogu obuzdati.
Nakon toga počinje treća i posljednja faza – degradacija.
Stanica gubi oblik i smanjuje se zbog razaranja staničnog skeleta.
Makrofagi već dežuraju oko umiruće stanice, spremni za napad na ostatke.
U procesu stanice na površini membrane pojavljuju se signalni proteini koji privlače gladne makrofage, a sada već upijaju ostatke mrtvog rođaka.
No stanice također imaju antidepresive koji te procese drže pod kontrolom, sprječavajući ih da odgovore na najmanji stres – to su inhibitori apoptotičkih proteina.
No, čim mitohondrijska membrana počne oslobađati prekursore apokalipse, oslobađa se i SMAC protein, što deaktivira te inhibitore i oni postaju beskorisni.
Nakon ove faze, apoptozu je teško zaustaviti.
Nemojte misliti da je apoptoza isključivo sumorna negativna pojava našeg tijela.
Uz pomoć apoptoze održava se ispravan broj i omjer različitih stanica u tijelu
Apoptoza igra važnu ulogu u našem razvoju: na primjer, razdvajanje prstiju na rukama i nogama posljedica je programirane smrti stanice.
Kada djeca niknu, i prije nego što se zub pojavi, počinje proces odumiranja stanica desni, tako da zub lako izlazi.
Punoglavcu rep također ne otpada s pojavom nogu, već degradira uz pomoć iste pojave.
Apoptoza je neophodna u sprječavanju razvoja kancerogenih tumora.
Tijekom našeg normalnog života, ogroman broj stanica u tijelu prolazi kroz patološke promjene i ponovno se rađaju u stanice potencijalno raka.
Susjedne stanice, poput baka na klupama kraj ulaza, pomno prate svoje susjede i u slučaju neadekvatnog ponašanja šalju stanici signal apoptoze i prije nego što se namnoži i postane opasna.
Iz tog razloga je tijekom posljednjih 20 godina uvelike porastao interes za apoptozu kao sredstvo prevencije i suzbijanja malignih tumora.
To je prirodan proces u tijelu. Uključuje kontrolirani slijed događaja u kojima stanica signalizira samouništenje. Apoptoza pomaže kontrolirati prirodni proces stanične diobe.
Zašto stanice prolaze kroz apoptozu?
Postoji nekoliko slučajeva kada se stanice moraju samouništeti. Na primjer, prirodni proces menstruacije uključuje razgradnju i uklanjanje tkiva iz maternice. Stanice također mogu biti oštećene ili neke vrste infekcije. Jedan od načina uklanjanja tih stanica bez oštećenja zdravih stanica je apoptoza.
Što se događa tijekom apoptoze?
Apoptoza je složen proces koji uključuje mnoge događaje. Tijekom apoptoze, stanica pokreće proces iznutra, što joj omogućuje samoubojstvo. Kada stanica doživi neku vrstu značajnog stresa, kao što je oštećenje DNK, oslobađaju se signali koji se aktiviraju za oslobađanje proteina koji induciraju apoptozu.
Kao rezultat toga, stanica prolazi kroz smanjenje veličine jer se njezine stanične komponente razgrađuju i kondenziraju. Na površini se pojavljuju mjehurići, povećavajući njegovu propusnost. Stanica se tada dijeli na manje fragmente zvane apoptotska tijela. Ti su fragmenti zatvoreni u membrane kako ne bi oštetili susjedne stanice.
Zatim fagocitne stanice, kao što su, gutaju i uništavaju apoptotska tijela bez izazivanja upalnog odgovora. Apoptoza također može biti potaknuta izvana kemikalijama koje se vežu na specifične receptore na površini stanice. Ovo je put kojim se neke bijele krvne stanice koriste za aktiviranje apoptoze u zaraženim stanicama.
Apoptoza i rak
Neki karcinomi perzistiraju kao rezultat nesposobnosti stanice da se podvrgne apoptozi. Tumorski virusi mijenjaju stanice integracijom svog genetskog materijala s DNK stanice domaćina. Ovi virusi pokreću proizvodnju proteina koji zaustavljaju proces apoptoze. Primjer za to može se vidjeti kod papiloma virusa, koji su povezani s rakom vrata maternice. Stanice raka koje se ne razvijaju iz virusne infekcije također mogu proizvoditi tvari koje inhibiraju apoptozu i potiču nekontrolirani rast. Zračenje i kemijska terapija koriste se za induciranje apoptoze kod nekih karcinoma.
Programirana stanična smrt sastavni je dio života svakog organizma. Ako se ovaj proces prekrši, razvijaju se brojne ozbiljne bolesti.
Što je apoptoza?
Apoptoza je smrt stanice koja se javlja kao rezultat programiranih procesa koji se odvijaju u stanici na molekularnoj razini. Tijekom apoptoze, stanica se dijeli na nekoliko dijelova okruženih staničnom membranom, nakon čega se stanični fragmenti probavljaju posebnim stanicama pomoću makrofaga nekoliko minuta (obično do 90 minuta).
Fenomen programirane stanične smrti karakterističan je za sva živa bića, pa tako i za ljude. Svaki dan u ljudskom tijelu umire nekoliko desetaka milijardi stanica. Uništene stanice se naknadno zamjenjuju novim stanicama koje nastaju diobom stanica (mitoza).
Koja je uloga apoptoze?
Samoeliminacija organizmu nepotrebnih stanica iznimno je važan proces za normalno funkcioniranje svakog organizma. Jedna od glavnih funkcija apoptoze je održavanje postojanosti stanične populacije. Kada se formira nova stanična populacija (na primjer, neke imunološke stanice), mora se uzeti u obzir da će određeni broj stanica nužno biti neispravan. To jest, tijelo treba izvršiti selekciju stanica kako bi sačuvalo samo one stanice koje će se u potpunosti nositi sa svojim funkcijama. U ostalim, neispravnim stanicama, počinje program samouništenja.
Apoptoza također igra važnu ulogu u infekciji infektivnim uzročnicima, posebice virusnim. Kada uđe u stanicu, virus se počinje ubrzano razmnožavati, nakon čega stanica puca i milijuni virusnih čestica napadaju druge stanice. Tijekom evolucije, živi organizmi su se naučili nositi s takvim fenomenom. Dakle, brojni virusi uzrokuju brojne promjene u stanici, koje se doživljavaju kao signal za samouništenje. Dakle, uništavanjem zaražene stanice tijelo ne dopušta širenje virusa.
Kad apoptoza ne djeluje
U regulaciju apoptoze sudjeluju mnogi molekularni procesi čije usklađeno djelovanje dovodi do smrti stanica koje su "neželjene" tijelu. Međutim, zbog određenih razloga, koji još nisu potpuno jasni, dolazi do kršenja apoptotičke regulacije. Nedovoljna sinteza apoptotičkih proteina i enzima, kao i djelovanje specifičnih tvari, što dovodi do smanjenja apoptotske aktivnosti stanice, može dovesti do kvara u sustavu.
Do danas je poznato da je jedan od regulatora apoptoze protein p53. U prisutnosti brojnih defekata u stanici, posebice kvarova genetskog materijala, protein p53 pokreće lanac molekularnih procesa koji dovode do razvoja apoptoze. Mutacija proteina p53 onemogućuje obavljanje njegove glavne funkcije – pokretanja stanične smrti.
Virusi također mogu spriječiti programiranu smrt stanica. Na primjer, u genetski materijal nekih virusa može biti kodiran specifičnim proteinima koji inhibiraju staničnu apoptozu. U drugim slučajevima, virusna infekcija potiče proizvodnju anti-apoptotičkih proteina u samoj stanici. Dakle, virus isključuje program stanične apoptoze i može se nekontrolirano razmnožavati.
Postoji nekoliko varijanti poremećaja apoptoze:
- Prekomjerna apoptoza je patološki fenomen koji dovodi do prekomjerne smrti stanične populacije. Ovaj fenomen se opaža kod HIV infekcije, nekih oblika hepatitisa, kronične ishemije miokarda, neurodegenerativnih i drugih bolesti.
- Nedovoljna apoptoza, u kojoj je broj umirućih stanica očito manji od broja novonastalih stanica.
- Nepotpuna apoptoza, u kojoj se ne događa uništavanje apoptotičkih fragmenata od strane stanica imunološkog sustava.
Do čega dovodi oštećenje apoptoze?
Aktivirani protein C može inhibirati apoptozu
Reguliranje procesa programirane stanične smrti može biti ključ za stvaranje novog učinkovitog liječenja moždanog udara.
Američki znanstvenici uspješno su testirali na miševima tvar koja je već našla primjenu
Danas je poznato da poremećena regulacija apoptoze može dovesti do niza imunoloških i tumorskih bolesti. U normalnim uvjetima, u ljudskom se tijelu odvija stroga selekcija novonastalih imunoloških stanica, budući da neke od njih mogu biti reaktivne u odnosu na vlastite stanice tijela. Ako je proces samouništenja takvih imunoloških stanica poremećen, tada se razvijaju bolesti.
Disregulacija apoptoze u staničnim populacijama dovodi do razvoja niza tumorskih procesa. Konkretno, dokazano je da mutacija proteina p53 ili kršenje njegove sinteze u tijelu može dovesti do razvoja hormonski ovisnog karcinoma dojke, jajnika i prostate. Slični poremećaji također su identificirani s razvojem limfoma.
Mogućnost utjecaja na apoptotički sustav jedan je od smjerova u potrazi za lijekovima za rak. Međutim, u nekim slučajevima, stimulacija apoptotske aktivnosti, naprotiv, štetna je za organizam. U tom smislu, znanstvenici i liječnici aktivno proučavaju prirodu ovog fenomena, nadajući se da će u budućnosti dobiti alat s kojim bi bilo moguće kontrolirati apoptozu.
Ili izbjegavanje programirane stanične smrti tumorskih stanica najvažnije je svojstvo malignog fenotipa.
Normalno, apoptotski program je prisutan u latentnom obliku u svim stanicama tijela, budući da je sasvim očito da se u tijelu pod utjecajem različitih čimbenika tijekom prolaska stanice kroz stanični ciklus, stalno događa oštećenje DNK, tj. javljaju se mutacije.
Poznato je da se u ljudskom tijelu tijekom života događa 10 16 staničnih dioba. Spontane mutacije javljaju se s učestalošću od 10 6 po genu po staničnom ciklusu.
Dakle, tijekom života osobe, svaki gen može pretrpjeti mutaciju oko 10 milijardi puta (10 16 x 10 6 = 10 10), a do 1 milijun somatskih mutacija događa se u tijelu svaki dan.
A među njima su nedvojbeno moguće da dovedu do raka. Iz ove perspektive, problem s rakom nije toliko zašto se javlja, već zašto se javlja tako rijetko.
A rak se javlja, unatoč stalnoj izloženosti kancerogenim čimbenicima, relativno rijetko jer tijelo ima obrambene mehanizme usmjerene na održavanje normalnog genotipa stanice. Treba napomenuti da sudbina stanica s određenim genetskim oštećenjem može biti različita.
Neke od mutiranih stanica umiru zbog vitalnog oštećenja njihovog genoma, neke se obnavljaju, neke tijelo uništava samo apoptozom, a na kraju neke od mutiranih stanica će preživjeti i u procesu razmnožavanja mogu postati izvor nakupljanje potencijalno onkogenih mutacija i razvoj raka.
Obično je genetski fond stanice, unatoč svojoj krhkosti, zaštićen snažnim enzimskim aparatom, koji često osigurava prepoznavanje mutiranih i izmijenjenih DNK regija i njihovu obnovu.
Popravak DNA sastoji se u izrezivanju mutiranih nukleotida pomoću endo- i egzonukleaza, sintetiziranju normalne regije DNA uz sudjelovanje DNA polimeraze i umetanju obnovljene regije u lanac DNA pod djelovanjem enzima ligaze. Tako se ponovno stvara izvorni genetski programirani nukleotidni slijed oštećenog lanca (slika 3.12).
Slika 3.12. Shema reparacije za oštećenje DNK i stvaranje mutacija [Novik AL, 2004].
Ako je aktivnost popravno-restauracijskih sustava nedovoljna i oštećenje DNK traje, tada se u takvim stanicama inducira programirana stanična smrt, što dovodi do uništenja, uključujući i mutirane stanice sposobne za malignu transformaciju.
Apoptoza (od grčkog apoptosis - izlijevanje) - programirana stanična smrt ili "smrt stanice kao rezultat samouništenja" - aktivan, genetski kontroliran proces. Termin su predložili Kerr J. i sur. (1972) za označavanje promjena koje se događaju u stanici tijekom njezine fiziološke smrti i dovode do smanjenja broja stanica, za razliku od mitoze, koja osigurava povećanje njihovog broja.
Biološki značaj apoptoze
Biološki značaj apoptoze je u tome što je ona ključni mehanizam za potporu genetske homeostaze, koju tijelo koristi za uklanjanje stanica čiji je opstanak nepoželjan: stranih, defektnih s kvarovima u genomu; mutant ili zaražen virusom; s neadekvatnom specifičnošću receptora za različite regulatore vitalne aktivnosti itd.U tijelu, u svakoj jedinici vremena, milijuni stanica završavaju svoj ciklus, odrađuju svoju "dob". Kako bi se spriječilo "začepljenje" organizma od "istrošenih", "istrošenih" stanica koje su uspjele ispuniti svoju funkciju, tijekom evolucije razvijen je poseban mehanizam njihova eliminacije - apoptoza.
Sposobnost pokretanja samouništenja (apoptoze) je bitno svojstvo stanica za održavanje homeostaze tkiva održavanjem određene ravnoteže između proliferacije (mitoze) i smrti.
Apoptoza ima iznimno važnu ulogu u embriogenezi, posebice u regulaciji količine mezodermalnog tkiva tijekom formiranja organa i skeleta. Mehanizam apoptoze također je u osnovi uništavanja stranih stanica od strane imunoloških stanica.
Stanična smrt po tipu apoptoze događa se u mnogim fiziološkim procesima: involuciji organa (timusa), atrofiji (prostatne žlijezde nakon kastracije), regresiji hiperplazije, normalnom funkcioniranju jajnika i testisa i, konačno, u uništavanje mutantnih stanica.
Mehanizam aktivacije apoptoze
Zrele diferencirane stanice u svom normalnom stanju otporne su na indukciju apoptoze, ali postaju osjetljive na nju nakon aktivacije. Ovu aktivaciju uzrokuju različiti vanjski utjecaji putem specifičnih receptora i unutarstaničnih signala uzrokovanih ekspresijom nekih protoonkogena.Mogu biti fiziološke - aktivacija posebnih citokina ubojica, promjene u hormonskom statusu (cikličke promjene endometrija i sl.), i nefiziološke - unutarstanična oštećenja ili nepovoljna stanja (nedostatak faktora rasta, oštećenje DNK, hipoksija itd.) .
U mehanizmima aktivacije apoptoze razlikuju se dvije glavne faze: faza indukcije (odlučivanje) i faza izvršenja (izvršenje kazne). U prvoj fazi, sustav senzora apoptoze prati odstupanja od norme u intra- i izvanstaničnom okruženju i određuje daljnju sudbinu stanice: živjeti ili umrijeti.
Klasa senzora su receptori stanične površine koji vežu signale za preživljavanje ili smrt. Kao takvi signali djeluju različiti citokini.
Kada se otkriju abnormalnosti (npr. oštećenje DNK, nedostatak faktora rasta, hipoksija itd.), pomoću senzorskih regulatora pokreće se druga faza apoptoze, izvršenje kazne. Počinje aktivacijom kaspaza + enzima iz obitelji cistein proteinaza (tzv. kaspaze izvršenja).
Postoje dva bitno različita puta za aktivaciju kaspaze. Jedan od njih se pokreće kao odgovor na aktivni signal smrti koji specifični citokini ubojice iz skupine TNF (faktor nekroze tumora) prenose na odgovarajuće receptore (najviše proučavani Fas), koji se nazivaju receptori smrti.
Apoptoza uzrokovana aktiviranim receptorima smrti naziva se instruktivna apoptoza. U drugom putu aktivacije kaspaze ključnu ulogu imaju mitohondriji – mitohondrijalna apoptoza.
Istodobno, različiti štetni učinci uzrokuju povećanje propusnosti mitohondrijske membrane i oslobađanje mitohondrijskih proteina (uglavnom citokroma C) u citoplazmu, koji aktiviraju kaspaze kroz odgovarajuću kaskadu reakcija.
Proteini iz obitelji bcl-2, koji imaju proapoptotičku ili antiapoptotičku aktivnost, igraju ključnu ulogu u regulaciji propusnosti mitohondrijske membrane za citokrom C.
Dakle, kao odgovor na oštećenja u ljudskim stanicama, postoje dva mehanizma koji pokreću apoptozu: instruktivni, uzrokovan receptorima smrti, i mitohondrijski, uzrokovan povećanom propusnošću membrane. Između njih postoji međusobna regulacija, što omogućuje pouzdanije postizanje konačnog učinka.
Kao rezultat toga, na ovaj ili onaj način aktivirane kaspaze proteolitički cijepaju ključne strukturne komponente stanice, što dovodi do fragmentacije DNA i destrukcije stanice. U tom slučaju citoplazmatski i nuklearni kostur su uništeni, kromosomi se razgrađuju, jezgra je fragmentirana, ali bez rupture stanične membrane.
Stoga takvu stanicu mogu iskoristiti fagociti i susjedne stanice, pa čak ni njihova masovna smrt ne dovodi do bilo kakvih patoloških procesa. Proces proteolize traje 30-120 minuta, zatim se smežurana stanica apsorbira od strane makrofaga i obično nestaje unutar 24 sata (slika 3.13).
Riža. 3.13. Fagocitoza apoptotske stanice makrofagom [Filchenkov AA, Stoika RS, 1999]. 1 - fragmentirana jezgra; 2 - fragmenti citoplazme (apoptotska tijela); 3 - fragmenti apoptotske stanice zarobljeni su makrofagom.
Zadaća apoptoze je iskoristiti stanične fragmente sve dok njezin sadržaj ne uđe u izvanstaničnu sredinu i izazove upalni proces. Vanjske morfološke manifestacije apoptotičke stanične smrti u obliku kariopiknoze (skupljanje jezgre), karioreksije (raspadanje jezgre na dijelove), kondenzacije (kompresije) stanice i dr. poznate su odavno i tek nedavno pokazalo se da su to djelomične manifestacije apoptoze. Oko stanica koje su podvrgnute apoptozi ne dolazi do upalnog procesa.
Smrt stanica po tipu apoptoze treba razlikovati od nekroze – drugog oblika stanične smrti u tijelu. Nekrozu pokreću nefiziološki agensi, a apoptozu i fiziološki i nefiziološki. Za razliku od nekroze, apoptoza se ne javlja samo u patološki promijenjenim tkivima, već iu normalnim tkivima.
Nekroza nastaje kada su stanice izložene ekstremnim čimbenicima i stoga se može nazvati patološkom smrću. Kod nekroze morfološke promjene kao reakcija na smrtonosno oštećenje stanica gotovo uvijek počinju oštećenjem plazma membrane, što se ne događa kod apoptoze.
Zbog puknuća membrane molekule vode i ioni ulaze u stanicu iz izvanstaničnog prostora i uzrokuju oticanje struktura. Istodobno, ulazak sadržaja citoplazme (uključujući lizosomske enzime) u izvanstanični prostor uzrokuje oštećenje tkiva i razvoj izraženog upalnog procesa, koji se ne događa tijekom apoptoze.
Osim toga, pojedinačne stanice odumiru tijekom apoptoze, a njihove skupine odumiru tijekom nekroze. Uništavanje stanica apoptozom, u usporedbi s nekrozom, osigurava minimalno oštećenje tkiva. Postoje i druge razlike između ovih procesa. Slika 3.14 prikazuje shematski dva oblika stanične smrti.
Riža. 3.14. Shematski prikaz dvaju oblika stanične smrti [prema Wylle A. et al., 1998.].
Poput drugih fizioloških procesa, apoptozu regulira veliki broj gena. Ključnu ulogu u pokretanju programa apoptoze ima potporni gen p53. Zbog svog posebnog značaja p53 je nazvan genomom 20. stoljeća. p53 održava stabilnost genetskog aparata i kontrolira stanični ciklus.
Normalno, s oštećenjem strukture DNK ili drugim oblicima genotoksičnog stresa, bilježi se brza aktivacija p53. Njegov protein blokira stanični ciklus u G1 fazi do umnožavanja DNK i mitoze, inicira i sudjeluje u procesima popravka DNK. To omogućuje stanici da popravi oštećeni dio DNK, što sprječava pojavu mutantnih stanica.
U teškim nepopravljivim oštećenjima, p53 pokreće program apoptoze i na taj način sprječava patološku proliferaciju. Važno je naglasiti da apoptoza ovisna o p53 eliminira iz tijela ne samo oštećene stanice, već i one stanice u kojima se opaža neregulirana stimulacija proliferacije.
Ako je p53 mutiran, on se inaktivira i prestaje pokretati apoptotičku kaskadu, što omogućuje stanicama s oštećenom DNA da prežive tijekom mitoze, što zauzvrat dovodi do preživljavanja stanica koje su podvrgnute transformaciji tumora (slika 3.15).
Riža. 3.15. Regulatorni učinak p53 anti-onkogena. Oštećenje gena stvara uvjete za abnormalnu proliferaciju stanica.
Pretpostavlja se da povećanje incidencije neoplazija s godinama nije povezano s nakupljanjem mutacija u staničnom genomu, već s poremećajima u sustavu popravka DNA vezanim uz starenje.
Naravno, apoptoza se smatra snažnom antitumornom obranom. Inhibicija procesa uvelike olakšava transformaciju normalne stanice u kancerogenu, jer će se razne mutacije lako nakupljati u stanicama nesposobnim za apoptozu.
Takve mutantne stanice, unatoč oštećenju DNK, nastavit će se aktivno razmnožavati. Nakupljanje kritičnog broja mutacija neminovno će dovesti do pojave neopastične stanice i nastanka malignog tumora (slika 3.16).
Riža. 3.16. Kršenje procesa proliferacije (P) i apoptoze (A) stanica tijekom onkogeneze [Filchenkov AA, Stoika RS, 1999].
Stečena otpornost na apoptozu obilježje je većine, ako ne i svih tumorskih klonova. Izbjegavanje apoptoze dramatično povećava održivost neoplastične stanice, čineći je manje osjetljivom na čimbenike antitumorske imunosti i terapijske učinke. Tumorske stanice na različite načine stječu otpornost na apoptozu.
Do danas je utvrđeno da gubitak ekspresije na staničnoj površini receptora smrti Fas može dovesti do slabljenja indukcije apoptoze; kršenje provođenja apoptogenog signala do mitohondrija i inhibicija propusnosti mitohondrijske membrane za citokrom C; blokiranje aktivacije i/ili oštro smanjenje životnog vijeka kaspaza koje se izvršavaju.
Očito, uz proteine koji pokreću apoptozu, postoje proteini koji je sprječavaju, a između njih postoji delikatna ravnoteža. Geni koji potiču apoptozu pripadaju genima supresora (osim p53, BAC, PML, itd.). Geni koji blokiraju rad ovog obrambenog mehanizma – do protoonkogena (BCL1, BCL2 itd.).
Potonji, kada se aktiviraju, neutraliziraju apoptotičku aktivnost i naglo će povećati pojavu mutiranih staničnih klonova koji se stalno razmnožavaju, a time i vjerojatnost naknadnog razvoja malignih tumora od njih.
Vjeruje se da omjer broja različitih oblika BCL i onkoproteina p53 određuje reostat života i smrti stanice. S tim u vezi, treba napomenuti da je zbog postojanja mehanizma apoptoze u osnovi nemoguće postići besmrtnost organizma.
S vremenom dolazi do atrofije stanica organa, regulatora vitalnih funkcija tijela i razvija se niz bolesti koje su objedinjene zajedničkim imenom -