Apoptóza buniek: prečo to vždy nefunguje? Morfologické prejavy apoptózy Význam apoptózy
Stránka poskytuje základné informácie len na informačné účely. Diagnostika a liečba chorôb sa musí vykonávať pod dohľadom špecialistu. Všetky lieky majú kontraindikácie. Vyžaduje sa odborná konzultácia!
Čo je apoptóza?
Apoptóza- fyziologická bunková smrť, čo je druh geneticky naprogramovaného sebazničenia.Výraz „apoptóza“ v preklade z gréčtiny znamená „pád“. Takýto názov dali autori termínu procesu programovanej bunkovej smrti, pretože práve s ním sa spája jesenný opad zvädnutých listov. Okrem toho samotný názov charakterizuje proces ako fyziologický, postupný a absolútne bezbolestný.
U zvierat je najvýraznejším príkladom apoptózy spravidla zmiznutie chvosta u žaby počas metamorfózy z pulca na dospelého jedinca.
Ako žaba rastie, jej chvost úplne zmizne, pretože jej bunky prechádzajú postupnou apoptózou - programovanou smrťou a absorpciou zničených prvkov inými bunkami.
Fenomén geneticky naprogramovanej bunkovej smrti sa vyskytuje u všetkých eukaryotov (organizmov, ktorých bunky majú jadro). Prokaryoty (baktérie) majú akýsi analóg apoptózy. Môžeme povedať, že tento jav je charakteristický pre všetky živé veci, s výnimkou takých špeciálnych predbunkových foriem života, ako sú vírusy.
Ako jednotlivé bunky (zvyčajne defektné), tak celé konglomeráty môžu podstúpiť apoptózu. Ten je charakteristický najmä pre embryogenézu. Experimenty výskumníkov napríklad ukázali, že v dôsledku apoptózy počas embryogenézy miznú membrány medzi prstami na nohách kurčiat.
Vedci tvrdia, že u ľudí sa vrodené anomálie, ako sú zrastené prsty na rukách a nohách, vyskytujú aj v dôsledku narušenia normálnej apoptózy v skorých štádiách embryogenézy.
História objavu teórie apoptózy
Štúdium mechanizmov a významu geneticky naprogramovanej bunkovej smrti sa začalo v šesťdesiatych rokoch minulého storočia. Vedcov zaujímalo, že bunkové zloženie väčšiny orgánov počas celého života organizmu je prakticky rovnaké, no životný cyklus rôznych typov buniek je výrazne odlišný. V tomto prípade dochádza k neustálej výmene mnohých buniek.Relatívna stálosť bunkového zloženia všetkých organizmov je teda udržiavaná dynamickou rovnováhou dvoch protikladných procesov – bunkovej proliferácie (delenia a rastu) a fyziologickej smrti zastaraných buniek.
Autorstvo termínu patrí britským vedcom - J. Kerrovi, E. Wileymu a A. Kerrymu, ktorí ako prví predložili a zdôvodnili koncepciu zásadného rozdielu medzi fyziologickou smrťou buniek (apoptózou) a ich patologickou smrťou. (nekróza).
V roku 2002 dostali vedci z Cambridgeského laboratória, biológovia S. Brenner, J. Sulston a R. Horwitz Nobelovu cenu za fyziológiu a medicínu za odhalenie hlavných mechanizmov genetickej regulácie vývoja orgánov a štúdium programovanej bunkovej smrti. .
Teórii apoptózy sa dnes venujú desiatky tisíc vedeckých prác, ktoré odhaľujú hlavné mechanizmy jej vývoja na fyziologickej, genetickej a biochemickej úrovni. Prebieha aktívne vyhľadávanie jeho regulátorov.
Obzvlášť zaujímavé sú štúdie, ktoré umožňujú praktickú aplikáciu regulácie apoptózy pri liečbe onkologických, autoimunitných a neurodystrofických ochorení.
Mechanizmus
Mechanizmus vývoja apoptózy nie je dodnes úplne objasnený. Bolo dokázané, že proces je možné vyvolať nízkymi koncentráciami väčšiny látok, ktoré spôsobujú nekrózu.Vo väčšine prípadov však geneticky naprogramovaná bunková smrť nastáva, keď sú prijaté signály z molekúl - bunkových regulátorov, ako sú:
- hormóny;
- antigény;
- monoklonálne protilátky atď.
Je charakteristické, že signálom pre rozvoj apoptózy môže byť tak prítomnosť aktivačných látok, ako aj absencia niektorých zlúčenín, ktoré bránia rozvoju programovanej bunkovej smrti.
Reakcia bunky na signál závisí nielen od jej sily, ale aj od celkového počiatočného stavu bunky, morfologických znakov jej diferenciácie a štádia životného cyklu.
Jedným zo základných mechanizmov apoptózy v štádiu jej realizácie je degradácia DNA, ktorej výsledkom je jadrová fragmentácia. V reakcii na poškodenie DNA sa spúšťajú obranné reakcie na jej opravu.
Neúspešné pokusy o obnovu DNA vedú k úplnému energetickému vyčerpaniu bunky, čo sa stáva bezprostrednou príčinou jej smrti.
Mechanizmus apoptózy - video
Fázy a etapy
Existujú tri fyziologické fázy apoptózy:1. Signál (aktivácia špecializovaných receptorov).
2. Efektor (vznik jedinej dráhy apoptózy z heterogénnych efektorových signálov a spustenie kaskády komplexných biochemických reakcií).
3. Dehydratácia (dosl. dehydratácia - bunková smrť).
Okrem toho sa morfologicky rozlišujú dve fázy procesu:
1.
Prvé štádium - preapoptóza... V tomto štádiu sa veľkosť bunky zmenšuje jej zmršťovaním, v jadre nastávajú reverzibilné zmeny (zhutnenie chromatínu a jeho hromadenie pozdĺž periférie jadra). V prípade vystavenia niektorým špecifickým regulátorom môže byť apoptóza zastavená a bunka obnoví svoj normálny život.
2.
Druhým štádiom je vlastne apoptóza. Vo vnútri bunky dochádza k veľkým zmenám vo všetkých jej organelách, ale najvýznamnejšie premeny sa vyvíjajú v jadre a na povrchu jej vonkajšej membrány. Bunková membrána stráca klky a zvyčajné skladanie, na jej povrchu sa vytvárajú bubliny - bunka akoby vrie a v dôsledku toho sa rozpadá na takzvané apoptotické telieska, ktoré sú absorbované tkanivovými makrofágmi a / alebo susednými bunkami.
Morfologicky určený proces apoptózy zvyčajne trvá jednu až tri hodiny.
Bunková nekróza a apoptóza. Podobnosti a rozdiely
Termíny nekróza a apoptóza označujú úplné zastavenie bunkovej aktivity. Apoptóza však znamená fyziologickú smrť a nekróza znamená jej patologickú smrť.Apoptóza je geneticky naprogramované ukončenie existencie, to znamená, že podľa definície má vnútornú príčinu vývoja, zatiaľ čo k nekróze dochádza v dôsledku vplyvu supersilných vonkajších faktorov vo vzťahu k bunke:
- nedostatok živín;
- otravy toxínmi atď.
Okrem toho sa bunková smrť počas procesov nekrózy a apoptózy morfologicky líši - prvá je charakterizovaná jej opuchom a druhá sa bunka zmenšuje a jej membrány sú zhutnené.
Pri apoptóze odumierajú bunkové organely, membrána však zostáva neporušená, takže vznikajú takzvané apoptotické telieska, ktoré sú následne pohlcované špecializovanými bunkami – makrofágmi alebo susednými bunkami.
Pri nekróze dochádza k prasknutiu bunkovej membrány a obsah bunky sa uvoľňuje von. Začína zápalová reakcia.
Ak dôjde k nekróze dostatočne veľkého počtu buniek, zápal sa prejaví charakteristickými klinickými príznakmi známymi z dávnych čias, ako sú:
- bolesť;
- začervenanie (vazodilatácia v postihnutej oblasti);
- opuch (zápalový edém);
- lokálne a niekedy všeobecné zvýšenie teploty;
- viac či menej výrazná dysfunkcia orgánu, v ktorom sa vyskytla nekróza.
Biologický význam
Biologický význam apoptózy je nasledujúci:
1. Implementácia normálneho vývoja tela počas embryogenézy.
2. Prevencia proliferácie mutovaných buniek.
3.
Regulácia imunitného systému.
4.
Prevencia predčasného starnutia organizmu.
Tento proces hrá vedúcu úlohu v embryogenéze, pretože mnohé orgány a tkanivá prechádzajú počas embryonálneho vývoja významnými transformáciami. Mnohé vrodené chyby sú výsledkom neadekvátnej apoptózy.
Ako naprogramovaná sebadeštrukcia defektných buniek je tento proces silnou prirodzenou obranou proti rakovine. Napríklad ľudský papilomavírus blokuje bunkové receptory zodpovedné za apoptózu, a tak vedie k rozvoju rakoviny krčka maternice a niektorých ďalších orgánov.
Vďaka tomuto procesu dochádza k fyziologickej regulácii klonov T-lymfocytov, ktoré sú zodpovedné za bunkovú imunitu organizmu. Bunky, ktoré nie sú schopné rozpoznať proteíny vlastného tela (a asi 97 % z nich celkovo dozrieva), prechádzajú apoptózou.
Nedostatok apoptózy vedie k závažným autoimunitným ochoreniam, pričom pri imunodeficientných stavoch je možné jej zosilnenie. Napríklad závažnosť priebehu AIDS koreluje s intenzifikáciou tohto procesu v T-lymfocytoch.
Okrem toho má tento mechanizmus veľký význam pre fungovanie nervového systému: je zodpovedný za normálnu tvorbu neurónov a môže spôsobiť aj skorú deštrukciu nervových buniek pri Alzheimerovej chorobe.
Jednou z teórií starnutia organizmu je teória apoptózy. Už bolo dokázané, že práve on je základom predčasného starnutia tkanív, kde bunková smrť zostáva nenapraviteľná (nervové tkanivo, bunky myokardu). Na druhej strane nedostatočná apoptóza môže prispieť k hromadeniu starnúcich buniek v tele, ktoré za normálnych okolností fyziologicky odumierajú a sú nahradené novými (predčasné starnutie spojivového tkaniva).
Úloha teórie apoptózy v medicíne
Úloha teórie apoptózy v medicíne spočíva v možnosti hľadania spôsobov regulácie tohto procesu na liečbu a prevenciu mnohých patologických stavov spôsobených oslabením alebo naopak zvýšením apopoptózy.Výskum prebieha súčasne v mnohých smeroch. V prvom rade treba poznamenať vedecký výskum v takej dôležitej oblasti medicíny, akou je onkológia. Keďže nádorový rast je spôsobený defektom geneticky naprogramovanej smrti zmutovaných buniek, skúma sa možnosť špecifickej regulácie apoptózy so zvýšením jej aktivity v nádorových bunkách.
Účinok niektorých chemoterapeutických liečiv široko používaných v onkológii je založený na zintenzívnení procesov apoptózy. Keďže nádorové bunky sú na tento proces náchylnejšie, vyberie sa dávka látky, ktorá postačuje na smrť patologických buniek, ale pre normálne bunky je relatívne neškodná.
Pre medicínu je tiež mimoriadne dôležité študovať úlohu apoptózy pri degenerácii tkaniva srdcového svalu pod vplyvom zlyhania obehu. Skupina čínskych vedcov (Lv X, Wan J, Yang J, Cheng H, Li Y, Ao Y, Peng R) zverejnila nové experimentálne údaje, ktoré dokazujú možnosť umelého zníženia apoptózy v kardiomyocytoch zavedením určitých inhibičných látok.
Ak sa teoretické štúdie o laboratórnych zariadeniach podarí aplikovať v klinickej praxi, bude to veľký krok vpred v boji proti koronárnej chorobe srdca. Táto patológia je na prvom mieste medzi príčinami smrti vo všetkých vysoko rozvinutých krajinách, takže prechod od teórie k praxi by bolo ťažké preceňovať.
Ďalším veľmi sľubným smerom je vývoj metód na reguláciu tohto procesu na spomalenie starnutia organizmu. Teoretické štúdie sa uskutočňujú v smere vytvorenia programu, ktorý kombinuje zvýšenie aktivity apoptózy senescentných buniek a súčasné zvýšenie proliferácie mladých bunkových prvkov. Určité pokroky sa tu dosiahli na teoretickej úrovni, ale od teórie k praktickým riešeniam je ešte dlhá cesta.
Okrem toho sa vykonáva rozsiahly vedecký výskum v týchto oblastiach:
- alergológia;
- imunológia;
- terapia infekčných chorôb;
- transplantológia;
Naše bunky sú samovražedné
Navyše môžu spáchať samovraždu z toho najmenšieho dôvodu: prehriatie, radiácia, hypoxia... Majú dokonca svoje vlastné antidepresíva!
Bunky neustále dostávajú signál od iných buniek: „ži-ži-ži“ a jeho prerušenie okamžite vedie k smrti.
Ale niekedy príde úplne iná správa od „susedov“.
Bunky sa navzájom pozorne sledujú a v prípade nevhodného správania vysielajú signál apoptózy – naprogramovanej smrti.
Biologická bunka je zložitý a mimoriadne zaujímavý objekt, v podstate je to celý organizmus, ktorý sa rodí, dýcha, kŕmi, množí sa a umiera.
To však nie je prekvapujúce, pretože veľkú časť živých vecí na našej planéte tvorí iba jedna bunka.
Stojí za to rozlišovať medzi apoptózou a nekrózou, čo je bunková smrť v dôsledku poranenia a poškodenia.
Hlavný rozdiel je v tom, že pri apoptóze, ku ktorej nedochádza náhodou, sa zo zvyškov buniek tvoria apoptotické telieska, ktoré sú požierané na to povolanými fagocytmi, čím sa zabráni zápalu a otrave susedných buniek a pri nekróze odumretie dochádza k bunkám a celým tkanivám, sprevádzané ťažkým zápalom.
Zaujímavosťou je, že výraz „apoptóza“ znamenal opadávanie okvetných lístkov a listov v rastlinách (staroveká gréčtina ἀπόπτωσις – padajúce listy).
Bežne sa dajú rozlíšiť tri štádiá apoptózy: iniciácia alebo príjem signálu, efektorové štádium, v ktorom sa spúšťajú degradačné procesy a v skutočnosti proces deštrukcie a degradácie – tvorba apoptotických teliesok, po ktorých nasleduje požieranie makrofágmi.
Existujú 2 spôsoby iniciácie: mitochondriálny a externý signál
Mitochondrie sú energetické stanice nášho tela, kde vlastne prebieha proces bunkového dýchania s premenou kyslíka na vodu.
V školských učebniciach boli mitochondrie zobrazené ako také predĺžené ovály roztrúsené po celej bunke. Ale nie je to tak.
Ak sa pozriete na časť bunky, potom skutočne uvidíte takýto obrázok, ale pri trojrozmernej rekonštrukcii buniek pomocou týchto tenkých rezov vedci zistili, že v bunke je iba jedno mitochondririum, ale má komplex zakrivená štruktúra, takže na rezoch vidíme jej rôzne výrastky.
Mitochondrie sú obklopené dvoma bunkovými membránami a medzi nimi sú proteíny apoptózy alebo apoptotické proteíny, ktoré sa uvoľnia, keď sa vonkajšia membrána pretrhne alebo sa v nej vytvoria póry.
V skutočnosti ide o kľúčovú fázu nástupu apoptózy.
Uvoľnené proteíny sériou biochemických reakcií aktivujú kaspázy – enzýmy, ktoré ničia iné proteíny.
Kaspázy začnú ničiť všetko okolo mňa, ničia všetky základné bunkové štruktúry.
V procese deštrukcie mitochondriálnej membrány sa uvoľňujú nielen proteíny, ale do mitochondrií začína aktívne vstupovať aj voda, čo spôsobuje jej opuch.
Druhou cestou nástupu apoptózy je signalizácia.
Na povrchu buniek sa nachádzajú receptory bunkovej smrti, špeciálne ligandy produkované inými bunkami (niektoré z nich sú aktivované makrofágy, ktoré neskôr zvyšky požierajú), viažu sa na tieto ligandy a aktivujú ich.
Receptory sú veľká molekula, ktorá sedí v bunkovej membráne a vyčnieva z oboch strán: do bunky aj von.
Z vonkajšej strany sa ligand posadí a signál sa prenesie do vnútra receptora cez receptor.
V druhom štádiu apoptózy – efektor, už nie je také dôležité, ako bunka signál prijala.
V tejto fáze sa vnútri začína skutočná apokalypsa a hlavnú úlohu v nej hrajú kaspázy.
Druhým dôležitým prvkom tohto štádia je flavoproteín AIF, ktorý opúšťa mitochondrie a aktivuje endonukleázy – proteíny, ktoré ničia DNA bunky.
V skutočnosti je po tejto stanici bunka mestom po jadrovom bombardovaní.
Pri deštrukcii mitochondriálnej membrány sa tiež uvoľňuje celý energetický komplex, ktorý vyvoláva tvorbu reaktívnych foriem kyslíka vo vnútri bunky.
Voľné radikály spúšťajú reťazové reakcie, ktoré ničia obsah bunky.
V tomto bode ich už nemôžu obsahovať antioxidanty.
Potom začína tretia a posledná etapa - degradácia.
Bunka stráca svoj tvar a zmršťuje sa v dôsledku deštrukcie bunkového skeletu.
Makrofágy sú už v službe okolo umierajúcej bunky, pripravené vrhnúť sa na zvyšky.
V procese bunky sa na povrchu membrány objavujú signálne proteíny, ktoré priťahujú hladné makrofágy a teraz už absorbujú pozostatky mŕtveho príbuzného.
Ale bunky majú aj antidepresíva, ktoré udržujú tieto procesy pod kontrolou a bránia im reagovať na najmenší stres – sú to inhibítory apoptotických proteínov.
Ale akonáhle mitochondriálna membrána začne uvoľňovať prekurzory apokalypsy, uvoľní sa aj proteín SMAC, čo deaktivuje tieto inhibítory a stanú sa neužitočnými.
Po tomto štádiu je ťažké zastaviť apoptózu.
Nemyslite si, že apoptóza je výlučne pochmúrny negatívny jav nášho tela.
Pomocou apoptózy sa udržiava správny počet a pomer rôznych buniek v tele
Apoptóza hrá dôležitú úlohu v našom vývoji: napríklad oddelenie prstov na rukách a nohách je dôsledkom programovanej bunkovej smrti.
Keď sa u detí prereže, ešte skôr, ako sa objaví zub, začína proces odumierania ďasien, takže zub môže ľahko vyjsť.
Chvost pulca tiež neopadáva vzhľadom na nohy, ale degraduje pomocou rovnakého javu.
Apoptóza je nevyhnutná pri prevencii rozvoja rakovinových nádorov.
Počas nášho bežného života prejde obrovské množstvo buniek v tele patologickými zmenami a znovu sa zrodia na potenciálne rakovinové bunky.
Susedné bunky, podobne ako babky na lavičkách pri vchode, pozorne sledujú svojich susedov a v prípade neadekvátneho správania vyšlú bunke signál apoptózy ešte skôr, ako sa premnoží a stane sa nebezpečnou.
Z tohto dôvodu sa za posledných 20 rokov výrazne zvýšil záujem o apoptózu ako prostriedok prevencie a boja proti malígnym nádorom.
Je to prirodzený proces v tele. Zahŕňa riadený sled udalostí, pri ktorých bunka signalizuje sebazničenie. Apoptóza pomáha kontrolovať prirodzený proces bunkového delenia.
Prečo bunky podliehajú apoptóze?
Existuje niekoľko prípadov, keď sa bunky potrebujú zničiť. Napríklad prirodzený proces menštruácie zahŕňa rozpad a odstránenie tkaniva z maternice. Bunky môžu tiež podstúpiť poškodenie alebo nejaký typ infekcie. Jedným zo spôsobov, ako odstrániť tieto bunky bez poškodenia zdravých buniek, je apoptóza.
Čo sa deje počas apoptózy?
Apoptóza je zložitý proces, ktorý zahŕňa mnoho udalostí. Počas apoptózy bunka spúšťa zvnútra proces, ktorý jej umožňuje spáchať samovraždu. Keď bunka zažije nejaký typ významného stresu, ako je poškodenie DNA, uvoľnia sa signály, ktoré aktivujú uvoľnenie proteínov indukujúcich apoptózu.
Výsledkom je, že bunka podlieha zmenšeniu veľkosti, pretože jej bunkové zložky sa rozkladajú a kondenzujú. Na povrchu sa objavujú bubliny, ktoré zvyšujú jeho priepustnosť. Bunka sa potom rozdelí na menšie fragmenty nazývané apoptotické telá. Tieto fragmenty sú uzavreté v membránach, aby nepoškodili susedné bunky.
Potom fagocytujúce bunky, ako napríklad, pohltia a zničia apoptotické telá bez toho, aby spôsobili zápalovú reakciu. Apoptózu môžu spustiť aj externe chemikálie, ktoré sa viažu na špecifické receptory na povrchu bunky. Toto je cesta, ktorú používajú niektoré biele krvinky na aktiváciu apoptózy v infikovaných bunkách.
Apoptóza a rakovina
Niektoré rakoviny pretrvávajú v dôsledku neschopnosti bunky podstúpiť apoptózu. Nádorové vírusy menia bunky integráciou ich genetického materiálu s DNA hostiteľskej bunky. Tieto vírusy iniciujú produkciu proteínov, ktoré zastavujú proces apoptózy. Príkladom toho môžu byť papilomavírusy, ktoré sú spojené s rakovinou krčka maternice. Rakovinové bunky, ktoré sa nevyvinú z vírusovej infekcie, môžu tiež produkovať látky, ktoré inhibujú apoptózu a podporujú nekontrolovaný rast. Radiačná a chemická terapia sa používa na vyvolanie apoptózy u niektorých druhov rakoviny.
Programovaná bunková smrť je neoddeliteľnou súčasťou života každého organizmu. Ak dôjde k porušeniu tohto procesu, vzniká množstvo závažných ochorení.
Čo je apoptóza?
Apoptóza je bunková smrť, ku ktorej dochádza v dôsledku naprogramovaných procesov prebiehajúcich v bunke na molekulárnej úrovni. Počas apoptózy sa bunka rozdelí na niekoľko častí obklopených bunkovou membránou, potom sú bunkové fragmenty niekoľko minút (zvyčajne až 90 minút) trávené špeciálnymi bunkami makrofágmi.
Fenomén programovanej bunkovej smrti je charakteristický pre všetky živé bytosti, vrátane ľudí. Denne v ľudskom tele odumiera niekoľko desiatok miliárd buniek. Zničené bunky sú následne nahradené novými bunkami vytvorenými bunkovým delením (mitózou).
Aká je úloha apoptózy?
Samoeliminácia buniek nepotrebných pre telo je mimoriadne dôležitý proces pre normálne fungovanie akéhokoľvek organizmu. Jednou z hlavných funkcií apoptózy je udržiavať stálosť bunkovej populácie. Keď sa vytvorí nová bunková populácia (napríklad niektoré imunitné bunky), treba vziať do úvahy, že množstvo buniek bude nevyhnutne defektných. To znamená, že telo potrebuje vykonať výber buniek, aby zachovalo iba tie bunky, ktoré sa plne vyrovnajú s ich funkciami. Vo zvyšku, chybných článkoch, sa spustí samodeštrukčný program.
Apoptóza tiež hrá dôležitú úlohu pri infekcii infekčnými agensmi, najmä vírusovými. Keď sa vírus dostane do bunky, začne sa rýchlo množiť, potom bunka praskne a milióny vírusových častíc napadnú iné bunky. V priebehu evolúcie sa živé organizmy naučili s takýmto javom zaobchádzať. Takže množstvo vírusov spôsobuje v bunke množstvo zmien, ktoré sú vnímané ako signál na sebazničenie. Tým, že telo zničí infikovanú bunku, nedovolí, aby sa vírus šíril.
Keď apoptóza nefunguje
Na regulácii apoptózy sa podieľa množstvo molekulárnych procesov, ktorých koordinované pôsobenie vedie k telu „nechcenému“ odumieraniu buniek. Z určitých, zatiaľ nie celkom jasných dôvodov však dochádza k porušovaniu apoptotickej regulácie. Nedostatočná syntéza apoptotických proteínov a enzýmov, ako aj pôsobenie špecifických látok, vedúce k zníženiu apoptotickej aktivity bunky, môže viesť k zlyhaniu systému.
Doteraz je známe, že jedným z regulátorov apoptózy je proteín p53. V prítomnosti množstva defektov v bunke, najmä rozpadov genetického materiálu, proteín p53 spúšťa reťazec molekulárnych procesov vedúcich k rozvoju apoptózy. Mutácia proteínu p53 znemožňuje vykonávať jeho hlavnú funkciu – spúšťanie bunkovej smrti.
Vírusy môžu tiež zabrániť programovanej bunkovej smrti. Napríklad v genetické materiál niektorých vírusov môže byť kódovaný špecifickými proteínmi, ktoré inhibujú bunkovú apoptózu. V iných prípadoch vírusová infekcia stimuluje produkciu antiapoptotických proteínov v samotnej bunke. Vírus tak vypne program bunkovej apoptózy a môže sa nekontrolovateľne množiť.
Existuje niekoľko variantov porúch apoptózy:
- Nadmerná apoptóza je patologický jav, ktorý vedie k nadmernej smrti bunkovej populácie. Tento jav sa pozoruje pri infekcii HIV, niektorých formách hepatitídy, chronickej ischémii myokardu, neurodegeneratívnych a iných ochoreniach.
- Nedostatočná apoptóza, pri ktorej je počet odumierajúcich buniek zreteľne nižší ako počet novovytvorených buniek.
- Neúplná apoptóza, pri ktorej nedochádza k deštrukcii apoptotických fragmentov bunkami imunitného systému.
K čomu vedie narušenie apoptózy?
Aktivovaný proteín C môže inhibovať apoptózu
Regulácia procesov programovanej bunkovej smrti môže byť kľúčom k vytvoreniu novej účinnej liečby mŕtvice.
Americkí vedci úspešne otestovali na myšiach látku, ktorá už našla uplatnenie v
Dnes je známe, že narušená regulácia apoptózy môže viesť k množstvu imunologických a nádorových ochorení. Za normálnych podmienok prebieha v ľudskom tele prísna selekcia novovytvorených imunitných buniek, pretože niektoré z nich môžu byť reaktívne vzhľadom na bunky vlastného tela. Ak dôjde k narušeniu procesu sebadeštrukcie takýchto imunitných buniek, potom sa vyvinú choroby.
Dysregulácia apoptózy v bunkových populáciách vedie k rozvoju množstva nádorových procesov. Predovšetkým bolo dokázané, že mutácia proteínu p53 alebo narušenie jeho syntézy v tele môže viesť k rozvoju hormonálne závislého karcinómu prsníka, vaječníkov a prostaty. Podobné poruchy boli tiež identifikované pri vývoji lymfómov.
Možnosť ovplyvnenia apoptotického systému je jedným zo smerov pri hľadaní liekov na rakovinu. V niektorých prípadoch je však stimulácia apoptotickej aktivity organizmu naopak škodlivá. V tejto súvislosti vedci a lekári aktívne študujú povahu tohto javu a dúfajú, že v budúcnosti získajú nástroj, pomocou ktorého by bolo možné kontrolovať apoptózu.
Alebo zabránenie programovanej bunkovej smrti nádorových buniek je najdôležitejšou vlastnosťou malígneho fenotypu.
Bežne je apoptotický program prítomný v latentnej forme vo všetkých bunkách tela, keďže je celkom zrejmé, že v organizme neustále dochádza k poškodeniu DNA vplyvom rôznych faktorov pri prechode bunky bunkovým cyklom, t.j. dochádza k mutáciám.
Je známe, že počas života sa v ľudskom tele vyskytuje 10 16 bunkových delení. Spontánne mutácie sa vyskytujú s frekvenciou 106 na gén na bunkový cyklus.
Takže počas života človeka môže každý gén prejsť mutáciou asi 10 miliárd krát (10 16 x 10 6 = 10 10) a každý deň sa v tele vyskytne až 1 milión somatických mutácií.
A medzi nimi nepochybne existuje možnosť vedúce k rakovine. Z tohto pohľadu nie je problém s rakovinou ani tak v tom, prečo sa vyskytuje, ale v tom, prečo sa vyskytuje tak zriedkavo.
A rakovina sa vyskytuje, napriek neustálemu pôsobeniu karcinogénnych faktorov, pomerne zriedkavo, pretože telo má obranné mechanizmy zamerané na udržanie normálneho genotypu bunky. Treba poznamenať, že osud buniek s určitým genetickým poškodením môže byť odlišný.
Niektoré z mutovaných buniek odumierajú v dôsledku životne dôležitého poškodenia ich genómu, niektoré sú obnovené, niektoré sú zničené samotným telom prostredníctvom apoptózy a nakoniec niektoré z mutovaných buniek prežijú a v procese reprodukcie sa môžu stať zdrojom hromadenie potenciálne onkogénnych mutácií a rozvoj rakoviny.
Bežne je genetický fond bunky, napriek svojej krehkosti, chránený výkonným enzymatickým aparátom, ktorý často zaisťuje rozpoznanie zmutovaných a zmenených oblastí DNA a ich obnovu.
Oprava DNA spočíva vo vyrezaní mutovaných nukleotidov pomocou endo- a exonukleáz, syntéze normálnej oblasti DNA za účasti DNA polymerázy a vložení obnovenej oblasti do reťazca DNA pôsobením enzýmu ligázy. Takto sa znovu vytvorí pôvodná geneticky naprogramovaná nukleotidová sekvencia poškodeného vlákna (obr. 3.12).
Obrázok 3.12. Schéma reparácie poškodenia DNA a tvorby mutácií [Novik AL, 2004].
Ak je aktivita opravno-obnovovacích systémov nedostatočná a poškodenie DNA pretrváva, potom je v takýchto bunkách indukovaná programovaná bunková smrť, ktorá vedie k deštrukcii, vrátane mutantných buniek schopných malígnej transformácie.
Apoptóza (z gréc. apoptóza – prelievanie) – programovaná bunková smrť alebo „smrť bunky v dôsledku sebadeštrukcie“ – aktívny, geneticky riadený proces. Termín navrhli Kerr J. a kol. (1972) na označenie zmien vyskytujúcich sa v bunke počas jej fyziologickej smrti a vedúcich k zníženiu počtu buniek, na rozdiel od mitózy, ktorá zabezpečuje zvýšenie ich počtu.
Biologický význam apoptózy
Biologický význam apoptózy je v tom, že ide o kľúčový mechanizmus udržiavania genetickej homeostázy, ktorý telo používa na odstránenie buniek, ktorých prežitie je nežiaduce: cudzie, defektné s poruchami v genóme; mutantné alebo infikované vírusom; s nedostatočnou špecifickosťou receptorov pre rôzne regulátory vitálnej aktivity atď.V tele v každej časovej jednotke dokončia svoj cyklus milióny buniek, odpracujú svoj „vek“. Aby sa zabránilo „zanášaniu“ organizmu od „vybitých“, „opotrebovaných“ buniek, ktoré stihli plniť svoju funkciu, bol v priebehu evolúcie vyvinutý špeciálny mechanizmus ich eliminácie – apoptóza.
Schopnosť spustiť sebadeštrukciu (apoptózu) je základnou vlastnosťou buniek udržiavať homeostázu tkanív udržiavaním určitej rovnováhy medzi proliferáciou (mitózou) a smrťou.
Apoptóza hrá mimoriadne dôležitú úlohu v embryogenéze, najmä pri regulácii množstva mezodermálneho tkaniva pri tvorbe orgánov a kostry. Apoptotický mechanizmus je tiež základom deštrukcie cudzích buniek imunitnými bunkami.
Bunková smrť podľa typu apoptózy sa vyskytuje v mnohých fyziologických procesoch: vekom podmienená involúcia orgánov (týmus), atrofia (prostatickej žľazy po kastrácii), regresia hyperplázie, normálne fungovanie vaječníkov a semenníkov a napokon zničenie mutantných buniek.
Mechanizmus aktivácie apoptózy
Zrelé diferencované bunky vo svojom normálnom stave sú odolné voči indukcii apoptózy, ale po svojej aktivácii sa na ňu stanú citlivé. Táto aktivácia je spôsobená rôznymi vonkajšími vplyvmi prostredníctvom špecifických receptorov a intracelulárnych signálov spôsobených expresiou niektorých protoonkogénov.Môžu byť fyziologické – aktivácia špeciálnych zabíjačských cytokínov, zmeny hormonálneho stavu (cyklické zmeny v endometriu a pod.), a nefyziologické – vnútrobunkové poškodenie alebo nepriaznivé podmienky (nedostatok rastových faktorov, poškodenie DNA, hypoxia a pod.) .
V mechanizmoch aktivácie apoptózy sa rozlišujú dve hlavné etapy: indukčná fáza (rozhodovanie) a fáza vykonávania (výkon trestu). V prvej fáze senzorový systém apoptózy monitoruje odchýlky od normy v intra- a extracelulárnom prostredí a určuje ďalší osud bunky: žiť alebo zomrieť.
Triedou senzorov sú receptory bunkového povrchu, ktoré viažu signály na prežitie alebo smrť. Ako takéto signály pôsobia rôzne cytokíny.
Pri zistení abnormalít (napríklad poškodenie DNA, nedostatok rastových faktorov, hypoxia a pod.) sa pomocou senzorických regulátorov spustí druhá fáza apoptózy, výkon trestu. Začína sa aktiváciou kaspáz + enzýmov z rodiny cysteínových proteináz (takzvané exekučné kaspázy).
Pre aktiváciu kaspázy existujú dve zásadne odlišné cesty. Jeden z nich sa spúšťa v reakcii na aktívny signál smrti prenášaný špecifickými zabíjačskými cytokínmi skupiny TNF (tumor necrosis factor) na zodpovedajúce receptory (najviac študované Fas), nazývané receptory smrti.
Apoptóza spôsobená aktivovanými receptormi smrti sa nazýva inštruktívna apoptóza. V druhej dráhe aktivácie kaspázy zohrávajú kľúčovú úlohu mitochondrie – mitochondriálna apoptóza.
Súčasne rôzne škodlivé účinky spôsobujú zvýšenie permeability mitochondriálnej membrány a uvoľnenie mitochondriálnych proteínov (hlavne cytochrómu C) do cytoplazmy, ktoré aktivujú kaspázy prostredníctvom zodpovedajúcej kaskády reakcií.
Proteíny z rodiny bcl-2, ktoré majú buď proapoptotické alebo antiapoptotické aktivity, hrajú kľúčovú úlohu v regulácii permeability mitochondriálnej membrány pre cytochróm C.
V reakcii na poškodenie v ľudských bunkách teda existujú dva mechanizmy, ktoré spúšťajú apoptózu: inštruktívny, spôsobený receptormi smrti, a mitochondriálny, spôsobený zvýšenou permeabilitou membrán. Existuje medzi nimi vzájomná regulácia, ktorá umožňuje spoľahlivejšie dosiahnuť výsledný efekt.
Výsledkom je, že kaspázy aktivované tým či oným spôsobom proteolyticky štiepia kľúčové štrukturálne zložky bunky, čo vedie k fragmentácii DNA a deštrukcii bunky. V tomto prípade sú cytoplazmatické a jadrové kostry zničené, chromozómy sú degradované, jadro je fragmentované, ale bez pretrhnutia bunkovej membrány.
Preto môže byť takáto bunka využitá fagocytmi a susednými bunkami a ani ich masívna smrť nevedie k žiadnym patologickým procesom. Proces proteolýzy trvá 30-120 minút, potom je scvrknutá bunka absorbovaná makrofágmi a zvyčajne do 24 hodín zmizne (obr. 3.13).
Ryža. 3.13. Fagocytóza apoptotickej bunky makrofágom [Filchenkov AA, Stoika RS, 1999]. 1 - fragmentované jadro; 2 - fragmenty cytoplazmy (apoptotické telieska); 3 - fragmenty apoptotickej bunky sú zachytené makrofágom.
Úlohou apoptózy je zužitkovať bunkové fragmenty, kým sa ich obsah nedostane do extracelulárneho prostredia a nespôsobí zápalový proces. Vonkajšie morfologické prejavy apoptotickej bunkovej smrti vo forme karyopyknózy (zmenšovanie jadra), karyorexie (dezintegrácia jadra na časti), kondenzácie (stlačenia) bunky a pod. ukázalo sa, že ide o čiastočné prejavy apoptózy. Okolo buniek, ktoré prešli apoptózou, sa nevyskytuje žiadny zápalový proces.
Bunková smrť podľa typu apoptózy by sa mala odlíšiť od nekrózy - inej formy bunkovej smrti v tele. Nekróza je iniciovaná nefyziologickými činidlami a apoptóza je iniciovaná fyziologickými aj nefyziologickými. Na rozdiel od nekrózy sa apoptóza vyskytuje nielen v patologicky zmenených tkanivách, ale aj v normálnych tkanivách.
Nekróza nastáva, keď sú bunky vystavené extrémnym faktorom, a preto ju možno nazvať patologickou smrťou. Pri nekróze začínajú morfologické zmeny ako reakcia na letálne poškodenie buniek takmer vždy poškodením plazmatickej membrány, ku ktorému pri apoptóze nedochádza.
V dôsledku prasknutia membrány sa molekuly vody a ióny dostávajú do bunky z extracelulárneho priestoru a spôsobujú opuch štruktúr. Súčasne vniknutie obsahu cytoplazmy (vrátane lyzozomálnych enzýmov) do extracelulárneho priestoru spôsobuje poškodenie tkaniva a rozvoj výrazného zápalového procesu, ktorý sa nevyskytuje počas apoptózy.
Okrem toho jednotlivé bunky odumierajú počas apoptózy a ich skupiny odumierajú počas nekrózy. Deštrukcia buniek apoptózou v porovnaní s nekrózou poskytuje minimálne poškodenie tkaniva. Medzi týmito procesmi sú aj iné rozdiely. Obrázok 3.14 schematicky znázorňuje dve formy bunkovej smrti.
Ryža. 3.14. Schematické znázornenie dvoch foriem bunkovej smrti [podľa Wyllle A. et al., 1998].
Podobne ako iné fyziologické procesy, aj apoptózu reguluje veľké množstvo génov. Kľúčovú úlohu pri iniciácii programu apoptózy má podporný gén p53. Pre svoj osobitný význam bol p53 označený za genóm 20. storočia. p53 udržuje stabilitu genetického aparátu a riadi bunkový cyklus.
Normálne pri poškodení štruktúry DNA alebo iných formách genotoxického stresu je zaznamenaná rýchla aktivácia p53. Jeho proteín blokuje bunkový cyklus vo fáze G1 až do duplikácie a mitózy DNA, iniciuje a zúčastňuje sa procesov opravy DNA. To umožňuje bunke opraviť poškodenú časť DNA, čo zabraňuje výskytu mutantných buniek.
Pri ťažkom nenapraviteľnom poškodení p53 spúšťa program apoptózy a tým zabraňuje patologickej proliferácii. Je dôležité zdôrazniť, že apoptóza závislá od p53 vylučuje z tela nielen poškodené bunky, ale aj tie bunky, v ktorých je pozorovaná neregulovaná stimulácia proliferácie.
Ak je p53 zmutovaný, je inaktivovaný a prestane spúšťať apoptotickú kaskádu, ktorá umožňuje bunkám s poškodenou DNA prežiť počas mitózy, čo následne vedie k prežitiu buniek, ktoré prešli nádorovou transformáciou (obrázok 3.15).
Ryža. 3.15. Regulačný účinok anti-onkogénu p53. Poškodenie génov vytvára podmienky pre abnormálnu bunkovú proliferáciu.
Predpokladá sa, že nárast výskytu neoplázií s vekom nie je spojený s akumuláciou mutácií v bunkovom genóme, ale s poruchami systému opravy DNA súvisiacimi s vekom.
Prirodzene, apoptóza sa považuje za silnú protinádorovú obranu. Inhibícia procesu výrazne uľahčuje transformáciu normálnej bunky na rakovinovú, pretože rôzne mutácie sa ľahko akumulujú v bunkách neschopných apoptózy.
Takéto mutantné bunky sa napriek poškodeniu DNA budú naďalej aktívne množiť. Akumulácia kritického počtu mutácií nevyhnutne povedie k objaveniu sa novopastickej bunky a vzniku malígneho nádoru (obr. 3.16).
Ryža. 3.16. Porušenie procesov proliferácie (P) a apoptózy (A) buniek počas onkogenézy [Filchenkov AA, Stoika RS, 1999].
Získaná rezistencia voči apoptóze je charakteristickým znakom väčšiny, ak nie všetkých nádorových klonov. Vyhýbanie sa apoptóze dramaticky zvyšuje životaschopnosť neoplastickej bunky, čím sa stáva menej citlivou na protinádorové imunitné faktory a terapeutické účinky. Nádorové bunky získavajú rezistenciu voči apoptóze rôznymi spôsobmi.
Doteraz sa zistilo, že strata expresie receptora smrti Fas na bunkovom povrchu môže viesť k oslabeniu indukcie apoptózy; porušenie apoptogénneho vedenia signálu do mitochondrií a inhibícia permeability mitochondriálnej membrány pre cytochróm C; blokovanie aktivácie a/alebo prudké zníženie životnosti vykonávajúcich kaspáz.
Je zrejmé, že spolu s proteínmi, ktoré zapínajú apoptózu, existujú proteíny, ktoré jej bránia, a medzi nimi je krehká rovnováha. Gény podporujúce apoptózu patria medzi supresorové gény (okrem p53, BAC, PML atď.). Gény, ktoré blokujú prácu tohto obranného mechanizmu – na protoonkogény (BCL1, BCL2 atď.).
Ten, keď je aktivovaný, neutralizuje apoptotickú aktivitu a prudko zvýši výskyt neustále sa množiacich mutantných bunkových klonov a následne pravdepodobnosť následného vývoja malígnych nádorov z nich.
Predpokladá sa, že pomer počtu rôznych foriem onkoproteínov BCL a p53 určuje reostat bunkového života a smrti. V tejto súvislosti je potrebné poznamenať, že v dôsledku existencie mechanizmu apoptózy je zásadne nemožné dosiahnuť nesmrteľnosť organizmu.
Postupom času dochádza k atrofii buniek orgánov, regulátorov životných funkcií tela a vyvíja sa množstvo chorôb, ktoré spája spoločný názov -