Jest to odmienny od martwicy typ śmierci komórki, chociaż oba procesy nieraz na siebie zachodzą i mają część cech wspólnych. Nazwa pochodzi od greckich słów określających spadanie liści z drzewa, co ma odzwierciedlać fakt, iż apoptoza jest „cichą” śmiercią komórek nie wywołującą reakcji zapalnej. Apoptoza polega na uruchomieniu maszynerii komórkowej prowadzącej do samodestrukcji. Apoptoza występuje w bardzo różnych procesach fizjologicznych i patologicznych:
- programowana śmierć komórek w embriogenezie;
- hormono-zależna inwolucja tkanek (zanik prostaty po kastracji, inwolucja gruczołu mlecznego sutka po ustaniu karmienia, cykl miesiączkowy) ;
- apoptoza komórek proliferujących (np. w krypcie jelita);
- apoptoza komórek nowotworowych;
- apoptoza „zużytych” neutrofilów w zapaleniu ostrym;
- ubytek komórek immunologicznych (np. przy braku cytokin);
- apoptoza wywołana przez limfocyty cytotoksyczne (np. w reakcji odrzucenia przeszczepu);
- atrofia narządu po zatkaniu dróg wyprowadzających (ślinianki, nerki, trzustka, etc);
- apoptoza komórek w chorobach wirusowych;
- śmierć komórek pod wpływem czynników uszkadzających, jednak zbyt słabych do wywołania martwicy.
Morfologicznie najbardziej widoczne jest obkurczanie się komórek apoptotycznych, kondensacja chromatyny jądrowej, rozpad jądra i cytoplazmy z tworzeniem ciałek apoptotycznych i fagocytoza ciałek apoptotycznych przez makrofagi i komórki otoczenia bez wywoływania reakcji zapalnej. Najlepiej ciałka apoptotyczne sfagocytowane przez makrofagi może zobaczyć w preparacie histologicznym normalnego węzła chłonnego w centrach odczynowych (tzw. tingible bodies). Całe pola apoptotycznych limfocytów widać w rzadkiej chorobie węzłów chłonnych – chorobie Rosai-Dorfmana. Doskonale komórki apoptotyczne widać w ciałkach Hassala w grasicy. We fluorescencji bezpośredniej mającej na celu wykazanie złogów immunoglobulin w skórze nieraz widzimy, w toczniu i innych chorobach skóry, liczne apoptotyczne komórki nabłonka chłonące znaczne ilości IgM. W apoptozie błony komórkowe pozostają stosunkowo długo zachowane, aż do fragmentacji komórek na ciałka apoptotyczne.
Biochemicznie u podstaw tworzenia ciałek apoptotycznych leżą dwa procesy. Pierwszy to rozkład białek przez proteazy cysteinowe „tnące” białka przy resztach kwasu asparaginowego (kaspazy). Hydrolizują one białka macierzy jądra komórkowego i cytoszkieletu. Wtórnie aktywuje to endonukleazy. Drugi mechanizm to tworzenie wiązań między białkami przez transglutaminazy. Prowadzi to do tworzenia całych kompleksów białkowych wypełniających wraz z pofragmentowanym jądrem ciałka apoptotyczne. Dla apoptozy charakterystyczny jest międzynukleosomalny rozkład DNA. Okazuje się jednak, że ten typ rozkładu DNA może zdarzyć się i w martwicy.
Mechanizmy apoptozy
Istnieje wiele dróg prowadzących do apoptozy. W badaniach nad apoptozą spostrzeżono u Caenorhabditis elegans (Nematodes) istnienie genu apoptozy, którego, być może, odpowiednikiem u ssaków jest gen Bcl-2. Apoptoza jest procesem energo-zależnym jawiącym się jako kaskada zdarzeń molekularnych. Wyróżnia się fazę sygnałów wstępnych, fazę koordynacji sygnałów i ostatecznego podjęcia decyzji, fazę wykonawczą i fazę fagocytozy komórek apoptotycznych (ciałek apoptotycznych).
Faza sygnałów wstępnych. Wstępnym sygnałem może być (a) brak hormonu, lub czynników wzrostu czyli brak stymulacji koniecznej do przeżycia. Innym sygnałem wstępnym może być (b) uszkodzenie komórek (wolne rodniki, napromienianie, toksyny). Uszkodzenie może być wynikiem działania (c) cytotoksycznych limfocytów T. Wreszcie może to być stymulacja poprzez (d) przyłączenie TNF-a (tumor necrosis factor-a) do odpowiedniego receptora. Poza tymi najczęstszymi sygnałami wstępnymi, do apoptozy może doprowadzić przyłączenie glukokortykoidu do receptora jądrowego, infekcja wirusowa, itp.
W fazie kontrolno–decyzyjnej następuje (dzięki odpowiednim białkom) ostateczna decyzja o podjęciu lub odłożeniu decyzji samounicestwiającej komórkę. Jedna możliwość to transmisja sygnału apoptotycznego przez odpowiednie białko przełącznikowe (adapter protein with death domains) uczynniające kaspazy wykonawcze. Druga możliwość istnieje dzięki białkom z rodziny Bcl-2, wpływających na apoptozę głównie poprzez regulację czynności mitochondriów. Proapoptotyczne czynniki mogą zahamować produkcję ATP poprzez zredukowanie potencjału błonowego wewnętrznej błony mitochondrialnej (mitochondrial permeability transition). Drugi sposób to zwiększenie przepuszczalności zewnętrznej błony mitochondrialnej z ucieczką cytochromu c do cytosolu, co poprzedza apoptozę. Bcl-2 hamuje uwalnianie cytochromu c do cytosolu. Z rodziny białek Bcl-2 proapoptotycznie działają m.in. Bax i Bad, a antyapoptotycznie Bcl-2, Bcl-XL. Stosunek czynników pro- i anty- decyduje o ostatecznym efekcie. Aby sytuacja była bardziej złożona, w niektórych komórkach Bcl-2 może wiązać białka (Apaf-1) i kaspazy inicjujące (kaspaza 8 i 9). Być może cytochrom c uwolniony z mitochondriów aktywuje kaspazy inicjujące rozpoczynając fazę wykonawczą apoptozy, a Bcl-2 zapobiega również temu. Rola białka p53 będzie omówiona później.
Faza wykonawcza zachodzi głównie dzięki pracy kaspaz wykonawczych. Kaspazy istnieją normalnie w formie zymogenu i wymagają uczynnienia. Potem, po uczynnieniu, kaskadowo rozkładają cytoszkielet komórki i macierz jądra komórkowego. Wśród innych efektów uczynniają także (kaspaza 3) DNAzę cytoplazmatyczną odpowiedzialną za międzynukleosomalny rozkład DNA.
Faza uprzątania to po prostu fagocytowanie komórek apoptotycznych i pofragmentowanych ciałek apoptotycznych. Komórki apoptotyczne rozpoznawane są przez makrofagi, gdyż wykazują obecność fosfatydyloseryny w zewnętrznej powierzchni błon komórkowych. Dzieje się tak (normalnie fosfatydyloseryna jest tylko w wenętrznej powierzchni błony) wskutek narastającego bałaganu w komórce ulegającej apoptozie. Część ciałek apoptotycznych wykazuje na powierzchni obecność glikoproteiny adhezyjnej trombospondyny. To też jest sygnał rozpoznawczy dla makrofagów. Dzięki temu makrofagi i inne komórki o zdolności żernej szybko i sprawnie uprzątają komórki apoptotyczne „bez hałasu” i reakcji zapalnej.
Niektóre przykłady apoptozy
Niedobór czynników wzrostu. Niektóre komórki wymagają dla swego wzrostu obecności cytokin i czynników wzrostu. Np. w błonie śluzowej żołądka w zapaleniu wywołanym przez bakterię Helicobacter pylori pojawiają się, a czasem proliferują limfocyty B, wymagające stałego wsparcia przez aktywowane limfocyty pomocnicze T. Po zniszczeniu bakterii w czasie leczenia następuje brak stymulacji limfocytów T, co w efekcie pozbawia bodźca wzrostowego proliferujące limfocyty B i ich klon ulega regresji poprzez apoptozę. Także komórki nerwowe wymagają stałej obecności czynnika wzrostu nerwów. Przyjmuje się, iż brak czynnika wzrostu powoduje przemieszczenie części czynników proapoptotycznych z rodziny Bcl-2 do mitochondrium. Zwiększa się przepuszczalność zewnętrznej błony mitochondrialnej, następuje ucieczka cytochromu c do cytoplazmy, co jest sygnałem rozpoczęcia fazy wykonawczej apoptozy.
Czynniki uszkadzające DNA. Napromienianie lub chemioterapeutyki mogą uszkodzić DNA (genotoxic stress). Komórka „usiłuje” naprawić błędy DNA. Pomaga w tym białko p53 zatrzymujące komórkę w fazie G1. Jest to normalny mechanizm wzrostu zabezpieczający przed powieleniem błędów DNA. Jeśli jednak sygnał proliferacyjny jest nieudany, to białko p53 kieruje komórkę na drogę apoptozy. Jeśli jednak w wyniku mutacji brakuje białka p53 albo jest ono zmienione, to komórka kontynuuje cykl komórkowy bez zatrzymania dla naprawy DNA. Tak dzieje się w niektórych nowotworach i przyczynia się do kumulowania błędów DNA (a tym samym do progresji nowotworu).
Apoptoza wywołana przez cytotoksyczne limfocyty T. Limfocyty cytotoksyczne T rozpoznając komórki z obcym (np. po infekcji) antygenem na powierzchni wykazują ekspresję ligandu Fas, dochodzi więc do połączenie z receptorem Fas komórki zabijanej, co uruchamia kaspazy rozpoznawcze (kaspaza 8) i przez autokatalityczną aktywację kaspaz wiedzie do apoptozy. Alternatywnie limfocyt T produkuje perforynę atakującą błonę komórkową komórki docelowej. Poprzez pory dochodzi do przekazania komórce docelowej proteazy serynowej, granzymu B, który aktywuje kaspazy (działa przy resztach asparaginowych) i doprowadza do apoptozy.
Apoptoza poprzez rodzinę receptorów TNF. TNF-a (cytokina, ważny mediator w zapaleniach) działa na komórki poprzez receptor. Receptor ulega asocjacji z białkiem przekaźnikowym (TRADD – mającym tzw. domenę śmierci) i FADD, co aktywuje kaspazy efektorowe. Receptor Fas (ta sama rodzina receptorów) obecny na powierzchni komórek układu immunologicznego wiąże się z Fas na powierzchni limfocytów T. Poprzez białko przekaźnikowe FADD aktywuje kaspazy efektorowe prowadząc do apoptozy. Tak eliminuje się niektóre limfocyty T (ważny mechanizm np. w tolerancji immunologicznej).
W sumie apoptoza jest odrębnym typem śmierci komórki ważnym w organogenezie, reakcjach immunologicznych, wzroście tkanki, mającym też znaczenie w patologii. Możemy mówić o przypadkach zahamowania apoptozy i wydłużeniu życia komórek. Może to być jedną z przyczyn powstawania nowotworów. Dzieje się tak zwłaszcza przy braku (lub mutacji) białka p53. Tak jest szczególnie w rakach hormono-zależnych (rak sutka, prostaty, jajników). Tak jest też w chorobach autoimmunologicznych, w których brak tolerancji powstaje w wyniku braku eliminacji limfocytów T. Mogą też być zaburzenia związane z nadmierną apoptozą i nadmierną śmiercią komórek. Tak dzieje się z limfocytami pomocniczymi T w AIDS. Procesy takie mają też miejsce w niektórych chorobach neurodegeneracyjnych.
Skomentuj jako pierwszy!