Apoptóza: čo to je, mechanizmus, anatomická patológia, klinický význam

Čo je apoptóza?

Apoptóza Je to geneticky naprogramovaná smrť buniek závislá od ATP, enzýmom sprostredkovaná, odumierania buniek, ktoré už nie sú potrebné alebo predstavujú pre telo hrozbu. Apoptóza nastáva, keď dôjde k zničeniu cytoskeletu (proteázami) a DNA (endonukleázami). Obe sú sprostredkované kaspázami.

Anatomická patológia

Umierajúce bunky sa zmenšujú v dôsledku narušenia bunkového cytoskeletu, spôsobeného hlavne kaspázami. Bunky sa stávajú hlboko eozinofilnými. Bunka sa vzďaľuje svojim susedom so stratou kontaktu medzi bunkami. Jadro umierajúcej bunky sa stáva hlboko bazofilným.

Charakteristickým znakom apoptózy je pyknóza, pri ktorej jadrový chromatín kondenzuje za vzniku jednej alebo viacerých tmavých hmôt na pozadí jadrového obalu. Jadrová membrána sa rozpustí a endonukleáza rozreže DNA na krátke fragmenty, rovnomerne rozdelené podľa veľkosti (karyorrhexis). Táto kondenzovaná cytoplazma a jadro sa potom rozpadnú na fragmenty nazývané apoptotické telá, ktoré sa odtrhnú z bunky ako listy padajúce zo stromov. Makrofágy potom tieto apoptotické telieska odstránia v procese nazývanom eferocytóza. Bunková membrána zostáva neporušená bez zápalu, na rozdiel od nekrózy, pri ktorej je častý opuch a zápal buniek. Apoptotické bunky sú rýchlo odstránené makrofágmi, zatiaľ čo v okolitých tkanivách prakticky nedochádza k zápalu.

Biochemická a genetická patológia

Ako je popísané vyššie, keď bunka prijíma stresové signály z iných buniek, vstupuje do hry externá cesta.

- CESTA TNF.

TNF-alfa je cytokín produkovaný makrofágmi a je hlavným externým mediátorom apoptózy. Faktor nekrózy nádorov (TNF-alfa) sa viaže na svoj receptor TNFR1, čo vedie k aktivácii kaspáz.

- FAS PATH.

Receptor Fas je transmembránový proteín rodiny TNF, ktorý viaže ligand Fas (FasL). Táto interakcia medzi receptorom Fas a Fas L má za následok aktiváciu kaspázy.

Apoptóza napríklad odstráni aktivované T lymfocyty po odstránení infekcie. T bunky produkujú povrchový receptor FAS. Produkcia FAS sa počas infekcie zvýši a po niekoľkých dňoch začnú aktivované T lymfocyty produkovať ligand FAS. Väzba FAS na ligand FAS na rovnakých alebo rôznych bunkách spúšťa apoptózu aktiváciou kaspáz.

- Genetická regulácia mitochondriálnej apoptózy a úloha cytochrómu C.

Keď je bunka namáhaná zvnútra von, vstupuje do hry úloha proteínov rodiny Bcl-2, ktoré regulujú mitochondriálnu permeabilitu v reakcii na apoptotické signály.

- Rodina génov Bcl-2.

Tieto gény sa nachádzajú na chromozóme 18 a sú antiapoptotické, pretože produkujú proteín Bcl-2. Bcl-2 sa viaže na APAF-1 a inhibuje ho, čím bráni uvoľňovaniu cytochrómu c z mitochondrií. Cytochróm c je prítomný medzi vnútornou a vonkajšou membránou mitochondrií. Po uvoľnení sa viaže na APAF-1 a aktivuje prokaspázu 9.

- Supresorový gén TP53.

Tento gén kóduje proteín, ktorý reguluje bunkový cyklus a spôsobuje potlačenie nádoru. Ak je DNA poškodená, napríklad ionizujúcim žiarením, chemoterapeutickými látkami alebo hypoxiou, TP53 zastavuje bunku vo fáze G1 bunkového cyklu a zabraňuje proliferácii buniek s poškodenou DNA a Obnova DNA. Ak je však poškodenie DNA príliš veľké, bude podporovať apoptózu aktiváciou génov apoptózy BAX. Génové produkty BAX deaktivujú antiapoptotický gén BCL 2.

Mechanizmy

Vo všetkých normálnych tkanivách mnohobunkových organizmov je proliferácia buniek a smrť buniek vyrovnaná. Táto normálna bunková smrť, životne dôležitá pre normálny vývoj a zdravie buniek, sa nazýva apoptóza a zahŕňa nasledujúce cesty. Všetky cesty zahŕňajú aktiváciu kaspáz ako konečný nástroj.

- Vnútorná dráha (mitochondriálna dráha).

Aktivuje sa, keď je bunka namáhaná zvnútra von rôznymi faktormi, ako je poškodenie DNA röntgenovým žiarením alebo UV žiarením; chemoterapeutické činidlá; hypoxia; akumulácia nesprávne zložených bielkovín vo vnútri bunky, ako napríklad v Alzheimerova choroba, Parkinsonova choroba alebo Huntingtonova choroba; a oveľa viac. Keď je bunka vystavená stresu, cytochróm c uniká z medzimembránového priestoru mitochondrií do cytosolu, čo vedie k aktivácii kaspáz 9. Gény rodiny Bcl-2 a TP53 regulujú túto cestu.

- Externá cesta.

Táto cesta sa spustí, keď bunka dostane signály smrti od inej bunky (buniek). Vonkajšia dráha je spojená s receptorom a ligandy z iných buniek sa viažu na tieto receptory smrti na povrchu buniek, čo vedie k aktivácii apoptózy. To zahŕňa nasledujúce receptory na povrchu buniek a zodpovedajúce ligandy, ktoré v konečnom dôsledku vedú k aktivácii kaspázy 8:

• Receptor Fas (CD95) aktivovaný FasL (ligand Fas);
• TNFR aktivovaný cytokínom TNF.

- Cytotoxická dráha sprostredkovaná T bunkami CD8 +.

Bunky CD8 + T vylučujú perforíny, ktoré vytvárajú otvory v cieľových bunkách. CD8 + T bunky potom vylučujú granzymy, ktoré týmito otvormi vstupujú do cieľových buniek a aktivujú kaspázy.

- Caspas.

Kaspázy sú skupinou proteázových enzýmov. Sú to primárne efektory apoptotickej reakcie. Sú rozdelené do dvoch nasledujúcich typov:

Iniciátor kaspázy.

Iniciátorové kaspázy sú 2,8.9.10,11,12 a efektorové kaspázy sú — toto sú kaspázy 3,6,7. Kaspázy existujú v bunke v neaktívnej forme a vyžadujú proteolytické štiepenie na aktívnu formu.

Efektorové kaspázy.

Aktivované iniciátorové kaspázy spôsobujú aktiváciu efektorových kaspáz. Tieto aktívne efektorové kaspázy spôsobujú štiepenie niekoľkých proteínov v bunke, čo má za následok smrť bunky a v konečnom dôsledku fagocytózu a odstránenie bunkových zvyškov.

Zo všetkých kaspáz je najčastejšie aktivovaná kaspáza 3, ktorá katalyzuje štiepenie základných bunkových bielkovín a kondenzáciu chromatínu. Kaspáza tiež aktivuje enzýmy DNázy, ktoré spôsobujú fragmentáciu DNA, po ktorej nasleduje internukleozomálna fragmentácia.

Klinické a patologické korelácie

- Počas embryogenézy (pre normálny vývoj).

K tvorbe prstov počas embryogenézy u plodu dochádza apoptózou interdigitálnych tkanív.

Strata Müllerových štruktúr u mužského plodu pod vplyvom Müllerovho inhibičného faktora syntetizovaného Sertoliho bunkami.

- Počas menštruačného cyklu.

Oddelenie vnútornej výstelky maternice (endometria) po vysadení estrogénu a progesterónu menštruačný cyklus.

— Apoptóza potrebné na zničenie nebezpečných buniek (pre blaho tela).

• Bunky infikované vírusom: cytotoxické T bunky zabíjajú bunky infikované vírusom apoptózou.
• Bunky s poškodením DNA: bunky, ktorých DNA je poškodená ožiarením alebo chemoterapeutickými činidlami, sa vo fáze G1 bunkového cyklu oneskoria, aby sa obnovili aktiváciou p53. P53 je tumor supresorový gén. Mutácia P53 potláča apoptózu, ktorá vedie k prežitiu abnormálnych buniek a vzniku karcinómov.
• Autoreaktívne T bunky: Autoreaktívne T bunky v týmuse sú usmrtené apoptózou.

- Apoptóza je nevyhnutná pre zdravý imunitný systém.

Apoptóza je nevyhnutná pre vývoj a udržanie zdravého imunitného systému. Keď sa prvýkrát vytvoria B a T lymfocyty, testujú sa, či reagujú na niektorú z vlastných zložiek tela. Bunky, ktoré reagujú, odumierajú v dôsledku apoptózy. Ak tieto bunky neodstránite, do tela môžu vstúpiť samoreaktívne bunky, ktoré môžu napadnúť tkanivá a spôsobiť autoimunitné stavy.

Apoptóza je potrebná na vypnutie imunitného systému po vylúčení pôvodcu ochorenia z tela; napríklad odstránenie akútnych zápalových buniek, ako sú neutrofily, z liečivých miest.

Okrem toho deštrukcia B a T lymfocytov kortikosteroidy nastáva apoptózou.

- Odstránenie nesprávne zložených bielkovín.

K tomu dochádza prostredníctvom apoptózy; napríklad amyloid, proteíny pri ochoreniach spojených s priónom.

Klinický význam

Príliš malá alebo príliš veľká apoptóza môže mať vážne klinické dôsledky, ako napríklad:

- Tvorba nádoru.

Zníženie apoptózy vedie k zvýšeniu prežitia buniek, čo vedie k rozvoju rakoviny.

1. O folikulárny lymfóm dochádza k translokácii génov BCL 2 z chromozómu 18 na chromozóm 14. To vedie k nadmernej transkripcii zvýšených hladín BCL 2, čo spôsobuje nadmernú inhibíciu APAF-1 a tým inaktiváciu kaspáz a apoptózu, čo vedie k folikulárnemu lymfómu.
2. Mutácia alebo delécia génov p53 dramaticky zvyšuje pravdepodobnosť vzniku nádoru, pretože bunky s poškodenou DNA sa naďalej nekontrolovateľne delia. Chemikálie, žiarenie a vírusy môžu poškodiť P53. Pacienti s Li-Fraumeniho syndrómom majú iba jednu funkčnú kópiu p53, takže je u nich väčšia pravdepodobnosť vzniku nádoru v ranej dospelosti.

— Autoimunitné choroby.

Znížená apoptóza autoreaktívnych imunitných buniek môže viesť k rozvoju autoimunitné choroby, ako napr reumatoidná artritída, systémový lupus erythematosus (SLE), autoimunitný lymfoproliferatívny syndróm a ďalšie.

- Neurodegeneratívne choroby.

Bunková smrť je tiež zapojená do mnohých neurodegeneratívnych porúch. Nekróza aj apoptóza sa vyskytujú pri akútnych neurologických ochoreniach, ako je akútny ischemický syndróm. Pri chronických neurodegeneratívnych poruchách je smrť neurónových buniek hlavne v dôsledku apoptózy spojená s ochoreniami, ako napr Parkinsonova choroba, Alzheimerova choroba a Huntingtonova choroba.

- Infarkt myokardu.

Nekróza bola dlho považovaná za jedinú príčinu infarkt myokarduale nedávne štúdie ukázali, že apoptóza sa tiež vyskytuje hlavne počas reperfúznej fázy po akútnom infarkte, čo vedie k ďalšiemu poškodeniu myokardu.