Apoptóza

Z Wikipedie, otevřené encyklopedie

Apoptóza (z řečtiny αποπτωδις apo = z a ptosis = padání) (apoptotická nekróza) je jeden z hlavních (nejčastějších) typů programované bunečné smrti (buněčné suicidium) (programmed cell death, PCD) buňky. Je to proces úmyslné sebevraždy nechtěné buňky v mnohobunečném organismu.

Tento termín (anglicky: apoptosis) používaný v biologii použili poprvé roku 1972 Kerr, Wyllie & Currie (Brit J. Cancer 26:239) pro zřetelně morfologicky odlišnou formu buněčné smrti.

Na rozdíl od nekrózy, což je akutní patologický proces tkáně, apoptóza se uskutečňuje v řízeném procesu, který dává organismu během jeho životního cyklu různé výhody. U apoptózy chybí makroskopické znaky, není zánětlivá reakce a nemění se propustnost plazmatické membrány.

Obsah

1 Rozdělení
2 Kdy probíhá apoptóza
3 Průběh apoptózy
- 3.1 Fáze apoptózy
- 3.2 Morfologické změny
4 Apoptózu podporují (proapoptické faktory)
5 Apoptózu blokují (antiapoptické faktory)
6 Jak makrofágy najdou apoptotickou buňku
7 Apoptóza u hlístice
8 Další podrobnosti
9 Metody detekce apoptózy
10 Výzkum apoptózy v současnosti
11 Další termíny související s apoptózou
12 Reference
- 12.1 Reference odkazované v článku
13 Externí odkazy

[editovat] Rozdělení

Starší schéma různých cest, které vedou k nekróze:

živá buňka
   |
   +--> onkóza ----->--+
   |                   +---> nekróza
   +--> apoptóza --->--+

Novější rozdělení: (Rozdělení je umělé a proto vždy záleží na používání co nejpřesnější terminologie).

buněčná smrt
- programovaná buněčná smrt (PCD)
  - apoptotická nekróza = apoptóza
  - autofagická nekróza
- onkotická nekróza
- další neprozkoumané formy buněčné smrti

[editovat] Kdy probíhá apoptóza

spontální homeostatický systém regulace
- např. zánik nadbytečných buněk v prenatálním období (u embrya, u plodu)
  - např. v prenatálním období se orgány zakládají jako shluky buněk a duté orgány vznikají tak, že vnitřní buňky zaniknou apoptózou
  - např. diferenciace lidkých prstů při vývoji embrya vyžaduje jejich oddělení a tudíž, aby proběhla mezi prsty apoptóza
- např. zánik buněk ve tkáních - např. zánik červených krvinek po přibližně 80 dnech.
indukovaný děj např. po poškození DNA, které již neumí buňka opravit

Nadměrná nebo nedostatečná apoptóza způsobuje některé významné choroby. Nadměrná apoptóza způsobuje:

AIDS
aplastická anémie
degenrativní neurologické poruchy: Alzheimerova choroba, Huntingtonova choroba, Parkinsonova choroba
diabetes mellitus typu I
Hashimotova struma
chronická neutropenie
ischemie
Lupus erythematodes
myelodysplastický syndrom
roztroušená mozkomíšní skleróza
selhání jater
spinální svalová atrofie
ulcerózní kolitis
vývojové vady
Wilsonova choroba

Nedostatečná apoptóza způsobuje:

buňky dále přežívají a může dojít ke vzniku nádorů nebo autoimunitních chorob (revmatoidní artritida [1])

autoimunitní lymfoproliferativní syndrom (Canale-Smithův syndrom)
diabetes mellitus typu I
Gravesova choroba
hypereosinofilní syndrom
Hashimotova struma
leukémie
Lupus erythematodes
lymfomy
osteoporóza
solidní nádory, neoplasie
vývojové vady

[editovat] Průběh apoptózy

Průběh apoptózy.
1) Vlevo: zdravá buňka. Vpravo: buňka podléhající apoptóze.
2) Apoptotická buňka se zmenšuje.
3) Apoptotická buňka se rozpadá na apoptotická tělíska a je fagocytována.
4) Apoptotická buňka je rozložena.

Hlavním smyslem apoptózy je zlikvidovat poškozenou buňku, aby se nemohla již dále množit. Důležité procesy tedy směřují k rozkladu jádra, ve kterém je DNA. Dochází k tzv. jaderné smrti. U apoptźy dojde vždy nejdříve ke fragmentaci DNA a pak se projeví morfologické změny.

Od iniciálního stimulu po apotickou smrt buňky to trvá 12 až 24 hodin. Apoptóza jedné buňky trvá asi půl hodiny. Fagocytóza makrofágy trvá několik hodin.

[editovat] Fáze apoptózy

začátek iniciace apoptózy
aktivace signálních cest
aktivace genové transkripce
- působení systémů zachycujících apoptický signál, např. protein p53 (vytváří ho antionkogen p53)
vlastní systém apoptózy
- proteiny se zesíťují transglutaminázami
- aktivují se cysteinové proteasy (kaspázy) (působení skupiny cysteinových proteáz)
  - interleukin cleaving enzyme a jeho substrát apopain a apoppain má zase jako substrát poly(ADP-ribosa)polymerasa
- aktivují se jaderné endonukleasy
  - fragmentace DNA je internukleozomální, tzn. že DNA je rozštěpena v internukleozomálních oblastech na dvouvláknové molekuly o velikosti asi 185 párů bází případně větší části.
smrt buňky

[editovat] Morfologické změny

Cytoplazma kondenzuje.
Buňka se zmenší (shrinkage necrosis).
Ztráta mezibuněčného kontaktu.
Jádro se svraští (změní se na pyknotické jádro, pyknóza, karyopyknóza).
Jadérko se kondenzuje, kondenzace chromatinu.
Rozpad chromatinu, rozpad jádra (karyorexe, karyorhexe).
Buňka je fagocytována. Fagocytóza apoptických buněk je konstantní. Provádějí ji makrofágy. Lysozomální apoptické tělísko je fagocytováno histiocyty.
Nebo: Na buněčné membráně vzniknou buněčné zářezy --> rozpad buňky na apoptotická tělíska (apoptosomy), která jsou potom fagocytována.

[editovat] Apoptózu podporují (proapoptické faktory)

charakteristické rysy indukující apoptózu:

vývoj organismu
genetická kontrola

vnější vlivy schopné způsobit (vyvolávající) apoptózu:

stres: tepelný šok (hypertermie), nefyziologická vlhkost, hypoxie
poškození DNA a buňky
volné radikály
chemoterapie
toxiny a toxické látky, např. H₂O₂, azid sodný
NO
hormony (steroidy)
cytostaika (TNFα, TGF beta)
(Fas-L, Reaper) (??? asi také patří mezi cytostatika)
ozáření (radiace), např. rentgenové záření, ionizující záření
virová infekce, bakteriální infekce
interakce buněk
- ztráta kontaktu s okolními buňkami
- různé imunitní pochody: interakce s cytotoxickými buňkami (T_C lymfocyt) (když se naváže povrchový receptor s příslušným ligandem z jedné buňky na druhou)

růstové faktory (hormony a další regulační faktory), apoptózu indukuje jejich nadbytek i nedostatek
- glukokortikoidy
- cytokiny (cytokiny aktivují sfingomyelinový cyklus, produktem je ceramid, který blokuje buněčný cyklus a podporuje apoptózu)

vnitřní faktory podporující apoptózu

Ca²⁺
specifické molekuly, které se vážou na určité receptory
- TNF receptor
- např. cytokin (v tomto případě obecně FAS-ligand (FASL)) se naváže na trimer FAS receptoru. Trimer FAS se spojí s FADD (= Fas-associated death domain), FADD způsobí změnu procaspázy na caspázu.

geny:

podrodina Bax:
- onkogen bax (= bcl-2 associated X protein)
- gen bak (= bcl-2 homologous anthagonist/killer)
- gen bok/Mtd
podrodina BH3:
- gen bik (= bcl-2 interacting killer) /Blk/Nbk
- gen hrk/DP5
- BNIP3
- gen bim_L/Bod
- gen bad
- gen bid
- gen Egl-1

gen bag, bag-1 (= bcl-2 associated athanogene-1)
protein Bcl-G
protein Bfk
protein Bmf
onkogen bcl-x_S
gen Diva
gen p53
gen c-jun
protein Noxa
protein Puma/Bbc3

[editovat] Apoptózu blokují (antiapoptické faktory)

uplatňují se geny genové rodiny bcl-2, podrodina Bcl-2:
- onkogen bcl-2 (= B cell lymphomal leukemia-2) - produkuje protein BCL-2, který ve vniřní membráně mitochondrií pravděpodobně omezuje vliv volných radikálů (detoxikuje volné radikály). V endoplazmatickém retikulu omezuje uvolňování Ca²⁺.
- onkogen bcl-x_L
- protein Bcl-w
- gen Mcl-1 (= myeloid cell leukemia-1)
- gen A 1/bfl-1
- NR-13
- BHRF1 (virus Epsteina a Barrové)
- LMW5-HL (african swine fewer virus)
- ORF16
- KS-bcl-2
- adenovirus protein E1B19kD ^[1]
- ced-9 (hlístice Caenorhabditis elegans)
gen Rb (= retinoblastoma gene product)
gen brag-1
gen boo
protein Sonic hedgehog (SSH) - význam ve vývoji struny hřbetní (chorda dorsalis)

[editovat] Jak makrofágy najdou apoptotickou buňku

Vyhledání apoptotických buněk makrofágy je velmi rychlé a efektivní. Apoptotická buňka má totiž na vnější straně specifické proteiny, které makrofág najde a buňku zfagocytuje.

Proteiny (Eat-me signals) na apoptotické buňce (Lauber K. et al.):

Fosfatidylserin se z vnitřní strany cytoplazmatické membrány přesmykne na vnější stranu a na něj se vážou některé z těchto proteinů.
ABC1 = ATP binding-cassette-transporter 1
AnxI = Annexin I
β2-GPI = β2-glycoprotein-I
C1q = complement protein C1q
C3b/bi = complement protein C3b/bi
Gas6 = growth arrest-specific 6
ICAM-3 = intercellular adhesion molecule 3
MBL = mannose binding lectin
MFG-E8 = milk-fat-globule-EGF-factor 8
OxLDL = oxidized low-density lipoprotein particle
SP-A/D = lung surfactant protein A or D
TSP-1 = thrombospondin-1
vitronektin (vitronectin, S-protein, protein S, zkratka: Prot S) ^[2]

Receptory na makrofágu:

CD14 = lipopolysaccharide receptor CD14
CD91 = calreticulin/heat shock protein receptor; (CRT = calreticulin)
CR3 = complement receptor 3
CR4 = complement receptor 4
LOX1 = lectin-like oxidized low-density lipoprotein particle receptor 1
Mer = receptor-tyrosin-kinase (exprimuje se v monocytech a ve tkáních epiteliálního a rozmnožovacího původu)
SR-A = class A macrophage scavenger receptor
předpokládal se význam PS-receptor = phosphatidylserine receptor ^[3], ale normální apoptóza funguje i bez PS-receptoru ^[4]

(Snadnou fagocytózu dále způsobuje asi tohle: z povrchových glykoproteinů se ztratí (?) sialová kyselina.)

[editovat] Apoptóza u hlístice

Apoptóza byla nejdříve prozkoumána na modelovém orgranismu hlístice Caenorhabditis elegans. Geny se u této hlístice uplatňují v tomto pořadí:
- geny ced (= Caenorhabditis elegans cell death genes)
  - regulační geny
    - ced-9
  - iniciační geny
    - ced-3
    - ced-4
    - ced-1, ced-2, ced-5, ced-6, ced-7, ced-8, ced-10
- geny nuc - nuclease genes
  - nuc-1 - gen kódující nukleasu způsobující degradaci DNA.

Těmto genům odpovídají u savců na základě sekvenční homologie jiné geny. Např. genu ced-9 odpovídá gen bcl-2.

[editovat] Další podrobnosti

DNA je pravděpodobně štěpena nějakou Ca²⁺-Mg²⁺dependentní endonukleázou. Proti tomuto štěpení působí ionty zinku.

[editovat] Metody detekce apoptózy

Nejspolehlivější metodou detekce apoptózy je pozorování fragmentace DNA pomocí elektronového mikroskopu.
TUNEL (TdT-mediated dUTP-biotin nick end labelling, TUNEL assay) - enzymem terminální deoxynukleotidyl-transferasa (TdT) se naváže na 3'OH konce DNA označený dUTP. (Biotinylovaný dUTP se detekuje pomocí streptavidin-peroxidasy a zvizualizuje pomocí DAB. Když je dUTP označený fluoresceinem, detekuje se pomocí konjugátu alkalické fosfatázy a antifluoresceionové protilátky a zvizualizuje pomocí NBT/BCIP.) Metoda značí buňky na začátku a ve střední fázi apoptózy. Detekuje ale také nekrotické buňky. Používá se na tkáňové řezy.
ISNTA (in situ nick translation assay) - syntetizuje DNA v místech zlomů pomocí DNA-polymerasy. Takto syntetizované úseky se označí pomocí biotinylovaného dUTP. Metoda označuje buňky v pozdní fázi apoptózy a čím pozdější fáze (čím více zlomů), tím je buňka označena intenzivněji. Používá se na tkáňové řezy i na buněčné kultury.
Detekce kaspázy.

[editovat] Výzkum apoptózy v současnosti

Apoptóza je v současnosti velmi internzivně zkoumána. Počet publikací o apoptóze roste geometrickou řadou [2] a roku 2005 je o apoptóze více než 100 000 vědeckých článků.
Roku 2002 dostali Sydney Brenner, H. Robert Horvitz a John E. Sulston Nobelovu cenu za fyzilogii a lékařství za výzkum v oblasti genetická regulace vývoje orgánů a programovaná bunečná smrt.

[editovat] Další termíny související s apoptózou

(Seznam zkratek a termínů, které nejsou uvedené v textu.)

AIF = apoptosis inducing factor
Apaf = apoptosis protease activating factor
CAD = Caspase - activated DNase
cdc2 = p34^cdc2 protein kinase
cdk = cyclin-dependent kinase
crm = cytokine response modifier
crm A = cytokine response modifier A
Daxx = death domain associated protein
DcR1 = decoy receptor 1
DD = death domain
DED = death effector domain
DISC = death inducing signaling complex
DR = death receptor
FAP-1 = Fas-associated phosphatase-1
FLICE = FADD-like ICE/MORT-1 associated Ced3 homologue
FLIP = FLICE-inhibitory protein
GADD = growth arrest and DNA damage inducible
HIAP = human inhibitor of apoptosis protein
ICAD = inhibitor od CAD
ICE = interleukin-1β converting enzyme
Ich-1 = Ice, Ced-3 homolog-1
JNK = jun N-terminal kinase
Mch-2 = mammalian Ced-3 homologue-2
mdm2 = murine double minute-2
Nedd2 = neural precursor cell-expressed, developmentaly down-regulated gene 2
NF-κB = nuclear factor kappa B
NGFR = nerve growth factor receptor
PARP = poly ADP-ribose polymerase
PCNA = proliferating cell nuclear antigen
RAIDD = RIP associated ICH-1/CED-3 homologous protein with a death domain
RIP = receptor interacting protein
sFAS = soluble Fas
TNFR = tumor necrosis factor receptor
TRADD = TNFR1-associated death domain protein
TRAF = TNF receptor associated factor
TRAF2 = TNF receptor associated factor 2
TRAIL = TNF-related apoptosis inducing ligand

[editovat] Reference

Adams, J. M. & Cory, S. (1998) The Bcl-2 protein family: arbiters of cell survival. Science, 281: 1322-1326.
Chaloupka J. (1996) Programovaná smrt buňky. - Biologické listy, 61(3-4): 2479-271.
Kohlíková E. et al. (2003) Cytopatologie, patobiochemie a patofyziologie. - Praha, (strany 31-33).
Kolář, Z (1997) Úvod do molekulární patologie a onkologie. - Vydavatelství Univerzity Palackého, Olomouc, 61 pp.
Lauber, K., Blumenthal, S.G., Waibel, M., Wesselborg, S. (2004) Clearance of apoptotic cells: Getting rid of the corpses. - Molecular Cell, 14(3): 277-287.
Saikumar, P., Dong, Z., Mikhailov, V., Denton, M., Weinberg, J.M. & Venkatachalam, M.A. (1999) Apoptosis: definition, mechanisms, and relevance to disease. - Am. J. Med., 107(5): 489-506.
* říjen 2005 apoptóza na stránkách firmy Roche - v levém menu např.: signální dráhy.