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.
[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
- programovaná buněčná smrt (PCD)
[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.
- např. zánik nadbytečných buněk v prenatálním období (u embrya, u plodu)
- 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
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 (TC 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 bimL/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-xS
- 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-xL
- 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
- regulační geny
- geny nuc - nuclease genes
- nuc-1 - gen kódující nukleasu způsobující degradaci DNA.
- geny ced (= Caenorhabditis elegans cell death genes)
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 = p34cdc2 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.
[editovat] Reference odkazované v článku
- ↑ Huang, D.C.S., Cory, S., Strasser, A.: Bcl-2, Bcl-xL and adenovirus protein E1B19kD are functionally equivalent in their ability to inhibit cell death. (1997) Oncogene, 14 pp. 405-414
- ↑ http://www.promega.com/tbs/9pig538/9pig538.html
- ↑ http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?cmd=Retrieve&db=pubmed&dopt=Abstract&list_uids=14645835
- ↑ http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?cmd=Retrieve&db=pubmed&dopt=Abstract&list_uids=15345036&query_hl=22
[editovat] Externí odkazy
- Kušíková E.: Co je to apoptóza a proč nás zajímá?
- Topinková E.: Apoptóza - programovaná buněčná smrt a stárnutí. - Sanquis, 2002/20.
anglické odkazy:
- obecné informace (anglicky)
- signální dráhy tématicky roztříděné na jednotlivých slidech (anglicky)
- signální dráhy (anglicky) (nefunguje ve Firefox)
- distributor chemikálií (anglicky) - kliknout v levém menu na „apoptosis“
Nobelova cena
- Nobelova cena za medicínu 2002 (anglicky)