Korte notater om død av programmert celle
Programmert celledød er en indusert og bestilt prosess der cellen aktivt deltar i å skape sin egen død.
Programmert celledød er en kritisk faktor for vedlikehold av homeostatisk regulering av mange celletyper. For hver celle er det en tid til å leve og en tid til å dø. Hver dag produseres millioner av leukocytter og frigjøres fra beinmargene til sirkulasjon. Leukocytter har en halveringstid på bare få dager. Etter noen dager dør leukocytene av programmert celledød. Hvis leukocytene ikke dør, vil det bli akkumulering av leukocytter i blod, noe som kan forstyrre blodets væskeform.
Nobelprisen i fysiologi eller medisin 2002 ble tildelt til tre forskere, Sydney Brenner, Robert Horvitz og John Sulston for deres funn om "genetisk regulering av organutvikling og programmert celledød". De brukte nematoden "Caenorhabditis elegans" som en modell og identifiserte nøkkelgenene som regulerer programmert celledød. C. elegans er en liten gjennomsiktig orm med kort generasjonstid, noe som bidrar til å følge celledeling direkte under mikroskopet. Programmert celledød eller apoptose er en evolusjonært konservert prosess. Vertebrater har utviklet hele genfamiliene som ligner på nematodecelledødgener.
Det er to grunner for at cellene skal gjennomgå programmert celledød eller apoptose:
1. Programmert celledød er nødvendig for riktig utvikling av organismen.
Jeg. Apoptose forårsaker resorption av tadpole halen på tidspunktet for dens metamorfose i en frosk.
ii. Apoptisk død av celler fører til fjerning av vev mellom fingrene og tærne av fosteret.
iii. Sløret av endometrium (livmorhinnen) i begynnelsen av menstruasjonen oppstår ved apoptodis.
2. Programmert celledød er nødvendig for å eliminere vertsceller, noe som kan være en trussel mot verten.
Jeg. Celler smittet med virus bør fjernes fra kroppen. Cytotoksiske T-lymfocytter (CTL'er) induserer den apoptiske død av virusinfiserte celler gjennom enzymet granzym.
ii. Etter en ønsket periode med cellemediert immunrespons, bør CTLene elimineres. Ellers kan CTLene forårsake skade på verten. CTLene induserer apoptose blant seg selv. Videre kan en CTL inducere apoptose i seg selv.
Cellene som gjennomgår programmert celledød, utviser mange morfologiske endringer, som refereres til som apoptose.
Følgende morfologiske endringer observeres i en celle som gjennomgår apoptotisk død:
Jeg. Reduksjon i cellevolum.
ii. Modifikasjoner i cytoskelet, som resulterer i membranblødning.
iii. Kondensasjon av kromatinet og nedbrytning av DNA i små fragmenter.
Den apoptiske celle kaster mange membranbundne apoptiske legemer som inneholder intakte organeller. De apoptotiske legemene er fagocytosed av makrofager. Under apoptisk død blir innholdet i fargingscellen ikke frigjort til utsiden (Hvis de slippes ut til utsiden, vil de påvirke nærliggende celler og fremkalle en inflammatorisk respons). Innholdet i den apoptiske celle frigjøres som membranbundne apoptiske legemer, og de apoptiske legemene blir fagocytosed av makrofager.
Funksjonene til en celle som dør på grunn av traumer (kjent som nekrose), er forskjellig fra egenskapene til en celle som dør på grunn av apoptose. Proteasene frigjort fra en nekrotisk celle kan skade nabostoffene og materialene som frigis fra den nekrotiske celle stimulerer en inflammatorisk respons, som fører til invitasjon av inflammatoriske celler til stedet for nekrotisk celle. Mens lekkasje av cellulær innhold fra en apoptisk celle er minimert slik at nabostoffene ikke blir påvirket og inflammatoriske responser ikke induceres.
Stimuleringen eller signalet for apoptose kan komme fra utsiden av cellene (ekstrinsic) eller inne i cellene (inneboende eller mitokondrielle).
Jeg. De ekstrinsiske signaler induserer apoptose ved (a) binding av de ekstrinsiske dødsinducerende ligander til celleoverflate-reseptorer og (b) ved virkningen av enzymgranzym utsatt av cytotoksiske T-celler. Granzyme induserer apoptisk død av virusinfiserte celler og neoplastiske celler.
ii. Etter et stress på cellene (som eksponering for stråling eller kjemikalier eller virusinfeksjoner), startes de inneboende signaler. Generelt innfører de indre signalene apoptose via involvering av mitokondrier.
kaspaser:
Caspaser er cytoplasmatiske proteaser. Caspaser adskiller seg fra andre proteaser ved at caspasene har et essensielt cystein i deres aktive steder. Også kaskasene spalter målproteiner ved bestemte asparate rester. Caspaser er tilstede i cytoplasmaet i en inaktiv forløperformer kalt procaspaser. Procaspaser blir spaltet for å frigjøre de aktive caspaser. Procaspasene i cytoplasma aktiveres av mange intracellulære og ekstracellulære signaler. Så langt har mer enn 10 humane kasser blitt identifisert.
Under apoptose spaltes det kromosomale DNA til små nukleosomale enheter. De cytoplasmatiske enzymer caspaser forårsaker kjernefysisk nedbrytning gjennom forskjellige mekanismer.
Jeg. Et enzym, kaspasaktivert DNase (CAD), forårsaker fragmentering av DNA i nukleosomale enheter (som sett i DNA-ladder-analyser). Normalt eksisterer CAD som et inaktivt kompleks med ICAD (inhibitor av CAD; DNA fragmenteringsfaktor 45). Caspaser, inkludert caspase-3, spalte ICAD og slippe CAD, noe som igjen forårsaker rask fragmentering av nukleært DNA.
ii. Enzymet poly (ADP-ribose) polymerase (PARP) er involvert i reparasjon av skadet DNA. Caspase-3 klipper PARP og forhindrer DNA-reparasjonsfunksjonene til PARP.
iii. Caspaser inaktiverer DNA-topoisomerase II, som er essensielt for replikasjon og reparasjon av DNA.
iv. Caspaser bryter ned strukturproteinene i nukleærmatriksen og cytoskeletet og fører til kollaps av kjernen og cytoplasma. Laminer er intranukleære proteiner som opprettholder formen av kjernen og formidler interaksjoner mellom kromatin og nukleærmembranen. Caspase-6 nedbryter lamellene som resulterer i kromatinkondensasjon og nukleær fragmentering.
v. Caspaser bryter ned proteinene som kreves for celle-adhesjon, noe som resulterer i frigjøring av apoptiske celler fra tilstøtende celler.
vi. Et antall signalmolekyler, celle syklusregulatorer og transkripsjonsfaktorer nedbrytes av caspaser.
Caspasene fungerer i en kaskade som mote, som kaskadeaktivering av komplementkomponenter under komplementaktivering. Det finnes en rekke mekanismer der Caspase-kaskaden kan aktiveres.
1. Dødsinducerende ligander binder til celleoverflate-reseptorene.
↓
Initiator caspaser, så som caspase-8 eller caspase-10, aktiveres.
↓
Initiator caspases aktiverer andre caspaser i en kaskade.
↓
Denne kaskade fører til slutt til aktivering av effektor caspaser, slik som caspase-3 og caspase-6. Disse effektor caspaser er ansvarlige for spaltningen av nøkkelcellulære proteiner som fører til de morfologiske forandringene i celler som gjennomgår apoptose.
2. Cytotoksiske T-celler utskiller enzymer perforiner og granzym.
↓
Enzymperforene punch små hull i cellemembranen til målcellen (som for eksempel en virusinfisert cell).
↓
Enzym granzym går inn i cellen gjennom porene og aktiverer caspases 3, 7, 8 og 10. De påfølgende hendelsene fører til at atomkjernen er skadet.
3. Mitokondrier er også sentrale regulatorer av caspasekaskaden og apoptosen.
Cytokrom c frigitt fra mitokondrier binder til det cytosoliske protein Apaf-1.
↓
Ovennevnte interaksjon er stabilisert av ATP og fører til dannelsen av en hjullignende struktur bestående av 7 molekyler hver av Apaf-1, cytokrom c og ATP. Denne hjullignende strukturen kalt apoptosom tillater rekruttering av 7 molekyler procaspas-9 til komplekset.
↓
Prokapase-9 aktiveres til caspase-9 (Den eksakte virkemekanismen for procaspas-9 til caspase-9 er ikke kjent).
Bcl-2 Proteiner og Apoptose:
Genet Bcl-2 (B-celle lymfom-2) koder for proteiner som hemmer apoptose. I utgangspunktet ble Bcl-2-genet oppdaget i kreft B-celler kalt B-celle lymfomer. Bcl-2-genet (i B-celle lymfom) er ved bruddpunktet for en kromosomal translokasjon. Bcl-2-genet blir flyttet inn i et immunoglobulin tungkjede-lokus som resulterer i en transkripsjonal aktivering av Bcl-2-genet.
Følgelig er det overproduksjon av Bcl-2 protein. Økt nivå av Bcl-2-proteiner hemmer normale apoptotiske celle signaler og forhindrer apoptose (Det antas at de høyere nivåene av Bcl-2 protein i den transformerte B-cellen hjelper de transformerte cellene til å bli kreftceller ved å hemme de apoptiske signaler).
Apoptose gjennom mitokondrielle veier styres av en familie av proteiner relatert til humant onkoprotein Bcl-2. De fleste Bcl-2 proteiner er integrerte membranproteiner av cytoplasmatiske organeller, som endoplasmatisk retikulum, ytre nukleær konvolutt, indre plasmamembran og mitokondrier.
Interessant, faller Bcl-2-familieproteinene i to grupper med biologisk motsatte effekter. Noen av proteinene fremmer apoptose (som Bad og Bax), mens andre (som Bcl-2 og BcIX L ) hemmer apoptose. Utfallet av et apoptisk signal i en celle kan avhenge av balansen mellom pro-apoptiske og anti-apoptiske Bcl-2 proteiner. Overskudd av pro-apoptiske proteiner kan føre til celledød, mens overskudd av anti-apoptiske proteiner kan forhindre celledød. Det foreslås at de pro-apoptiske virkemidlene til Bax og Bad forhindres av Bcl-2 og BclX L.
Mitokondrier og apoptose:
Mitokondrier spiller viktige nøkkelrolle i reguleringen av programmert celledød. Mekanismen gjennom hvilken Bax-protein virker i apoptose er ikke kjent.
Det foreslås at Bax-proteiner danner porene i den mitokondriale ytre membran
↓
Den mitokondrie cytokrom c og apoptose-inducerende faktor (AIF) rømmer gjennom porene inn i cytoplasma.
↓
Cytokrom c danner apoptosomet (med Apaf-1 og ATP) og aktiverer caspase-9.
Bcl-2 og BcIXl antas å forhindre porøsannelsen av Bat og Bax på mitokondriell membran.
Dødsreceptorer og apoptose:
Dødsreceptorer er reseptorer tilstede på overflaten av celler. Ved binding med spesifikke ligander overfører dødsreceptorene de apoptiske signaler til cellen. Dødsreceptorene tilhører tumor nekrosefaktor (TNF) gen superfamilien. Bortsett fra apoptose induserer også dødsreceptorene mange andre funksjoner.
De mest kjente dødsreceptorene er:
Jeg. Fas (CD95)
ii. TNFRl (TNF-reseptor 1)
iii. TRAIL (TNF-relatert apoptose-inducerende ligand)
Apoptose gjennom Fas-molekyler:
De transmembrane dødsreceptor-Fas-molekylene er tilstede på overflaten av cellene. De cytoplasmatiske delene av Fas har dødsdomener (DD).
↓
Cytotoksiske T-lymfocytter (CTL'er) uttrykker FasL på deres overflate. FasL (Fas ligand) er en trimer. Forening av Fas-molekyler (på målcelleoverflate) med FasL (på CTL) fremmer trimeriseringen av Fas-molekyler.
↓
Ved trimerisering av Fas-molekyler, sammenføyer de intracellulære dødsdomenene til Fas sammen.
↓
Et adapterprotein kalt FADD (Fas-assosiert døddomene) assosiert med dødsdomene til Fas.
↓
FADD har et domene kalt death effector domain (DED). Død effektor domenet tillater binding av procaspaser-8 (også kjent som FLICE) til CD95-FADD komplekset [Komplekset av proteiner CD95-FADD og procaspase-8 er kjent som DISC (dødsinducerende signalkompleks)].
↓
Procaspase-8 er spaltet og caspase-8 dannes. Caspase-8 utløser virkningen av utførelse caspaser, for eksempel caspase-9.
Fas-molekyler Spill viktige apoptiske roller i tre situasjoner:
1. Cytotoksisk drap av virusinfiserte celler formidles gjennom Fas-interaksjonene (på virusinfiserte celler) med FasL på overflaten av CTL.
2. Fas molekyler på overflaten av aktiverte CTL binder med FasL (i samme celle) og fører til apoptose av CTLs. Fas-mediert eliminering av aktiverte CTL er en av mekanismene som er ansvarlige for fjerning av aktiverte CTL når den celleformidlede immunrespons ikke lenger er nødvendig av verten.
3. Celler i immunforetrukne steder (som forreste kammer i øye og testikler) foreslås å uttrykke høye nivåer av FasL på overflaten. FasL på disse cellene forbinder med Fas-molekyler på de inflammatoriske cellene (som kan komme inn i de privilegerte områdene) og føre til eliminering av inflammatoriske celler. Følgelig unngår cellene i immunforetrukne steder fra det inflammatoriske angrepet og overlever. FasL-molekyler på overflaten av celler i immunforetrukne områder antas å være ansvarlige for den privilegerte naturen til disse cellene.
Apoptose gjennom TNFR1:
Tumor nekrosefaktor (TNF) produseres av T-celler og aktiverte makrofager. TNF binder til TNF-reseptor 1 (TNFRI) og initierer flere effekter i cellen.
Jeg. TNF-TNFR1-binding kan føre til aktivering av NF-kB og AP-1, som igjen fører til induksjon av et antall proinflammatoriske og immunmodulerende gener.
ii. TNF-TNFR1-binding kan føre til apoptose.
TNF-TNFR1-binding fører til trimeriseringen av TNFR1 og clustering av intracellulære dødsdomener av TNFR1.
↓
Et adaptermolekyle kalt TRADD (TNFR-assosiert døddomene) binder til dødsdomene til TNFRI.
↓
TRADD kan rekruttere et antall forskjellige proteiner til den aktiverte TNFRl1.
↓
Rekruttering av TRAF2 (TNFR-assosiert faktor 2) fører til aktiveringen av NF-kB og JNK / AF-1 signalveien.
1. Rekruttering av FADD fører til induksjon av apoptose, via rekruttering og spaltning av procaspase-8.
2. Et annet adapterprotein kalt RAIDD kan være assosiert med TNFRI, noe som fører til rekruttering av caspase-2. Følgelig induseres apoptose.
Apoptoseinduksjon av TRAIL (TNF-relatert apoptoseinducerende ligand):
Induksjonen av apoptose med TRAIL ligner på induksjon av apoptose gjennom Fas på mange måter. TRAIL binder til reseptorer DR4 eller DR5 på celleoverflater og induserer apoptose. De eksakte mekanismene er imidlertid ikke kjent ennå.
Det er proteiner kalt decoy proteiner (DCR1 og CCR2), som konkurrerer med DR4 og DR5 reseptorer for binding til TRAIL. Disse dekoderreseptorene forhindrer apoptose.
p53 og apoptose:
p53, et DNA-bindende protein er en transkripsjonal aktivator. Når DNA er skadet, øker de skadede cellene sin p53 proteinproduksjon. p53 er en potent induktor av apoptose. Det antas at p53 fungerer som en sensor for DNA-skade og har blitt kalt "beskytteren av genomet".
Mutasjoner i gen p53 kan forstyrre apoptisk død av en celle. Mutert p53-gen som produserer et defekt p53-protein, finnes ofte i mange kreftcelletyper.
Virus og apoptose:
Noen virus manipulerer den apoptiske mekanismen til deres favør og sikre overlevelse ved å forhindre den apoptiske død av cellen der de bor.
Kreft og apoptose:
Det foreslås at den apoptotiske mekanismen hemmer seg i kreftcellene. Følgelig dør kreftcellene ikke av apoptose.
HIV og apoptose:
CD4 + T-celle nummeret reduseres gradvis hos HIV-infiserte personer. Mekanismene bak nedgangen i CD4 + T-celler hos HIV-infiserte individer er ikke klart kjent. Apoptisk død av CD4 + T-celler foreslås som en av de mulige mekanismer. HIV-infiserte og HIV-infiserte CD4 + T-celler uttrykker Fas-molekyler på overflaten. HIV-infiserte CD4 + T-celler uttrykker også høye nivåer av FasL på overflaten. FasL på HIV-infiserte CD4 + T-celler binder til Fas-molekyler på uinfiserte CD4 + T-celler og induserer apoptose i de uinfiserte cellene, noe som resulterer i en reduksjon i antall CD4 + T-celler. HIV / ne-genet antas å være ansvarlig for det høye nivået av FasL-ekspresjon på HIV-infiserte CD4 + T-celler.
Nitroksyd og apoptose:
Nitrogenoksyd (NO) er et viktig signalmolekyl. NEI er involvert i regulering av ulike prosesser som vasodilatasjon, nevronfunksjon, betennelse og immunfunksjon. NEI er i stand til å indusere apoptose, og det kan også beskytte en celle fra apoptose. De forskjellige effektene av NO er avhengig av dosen av NO, de involverte cellene og mange andre faktorer.
NEI har vist seg å hemme apoptose i leukocytter, hepatocytter, endotelceller og trofoblaster.
Det er mange mekanismer der NO virker som et anti-apoptisk signal:
Jeg. Nitrosylering av casaser, slik som caspase 1, 3 og 8, resulterer i inaktivering av caspaser.
ii. NEI oppregulerer varmestokkprotein 70 og følgelig blokkerer rekruttering av procaspas-9 til apoptosom.
iii. NEI oppregulerer Bcl-2 og BcIX L og følgelig hemmes cytokrom c frigivelse fra mitokondrier.
