Korte noter om død af programmeret celle
Programmeret celledød er en induceret og bestilt proces, hvor cellen aktivt deltager i at skabe sin egen død.
Programmeret celledød er en kritisk faktor for vedligeholdelsen af homeostatisk regulering af mange celletyper. For hver celle er der en tid til at leve og en tid til at dø. Hver dag produceres millioner af leukocytter og frigives fra knoglemarv til omsætning. Leukocytterne har kun halveringstid på få dage. Efter få dage dør leukocytterne af programmeret celledød. Hvis leukocytterne ikke dør, ophobes leukocytter i blodet, hvilket kan blande blodets væskeform.
Nobelprisen i fysiologi eller medicin 2002 blev tildelt til tre forskere, Sydney Brenner, Robert Horvitz og John Sulston for deres opdagelser vedrørende "genetisk regulering af organudvikling og programmeret celledød". De brugte nematoden "Caenorhabditis elegans" som en model og identificerede de vigtigste gener, der regulerer programmeret celledød. C. elegans er en lille gennemsigtig orm med kort generationstid, som hjælper med at følge celledeling direkte under mikroskopet. Programmeret celledød eller apoptose er en evolutionært konserveret proces. Hvirveldyrene har udviklet hele genfamilierne, der ligner nematodecelledødgener.
Der er to grunde til, at cellerne undergår programmeret celledød eller apoptose:
1. Programmeret celledød er nødvendig for en ordentlig udvikling af organismen.
jeg. Apoptose forårsager resorption af tadpole halen på tidspunktet for dens metamorfose i en frø.
ii. Apoptisk død af celler fører til fjernelse af væv mellem fingrene og tæerne af fosteret.
iii. Sløret ud af endometrium (livmoderens indre foring) ved menstruationstiden sker ved apoptodis.
2. Programmeret celledød er nødvendig for at eliminere værtsceller, hvilket kan være en trussel for værten.
jeg. Celler inficeret med virus skal fjernes fra kroppen. Cytotoksiske T-lymfocytter (CTL'er) inducerer den apoptiske død af virusinficerede celler gennem enzymet granzym.
ii. Efter en ønsket periode med cellemedieret immunrespons bør CTL'erne fjernes. Ellers kan CTL'erne forårsage skade på værten. CTL'erne inducerer apoptose indbyrdes. Desuden kan en CTL inducere apoptose i sig selv.
Cellerne, der gennemgår programmeret celledød, udviser mange morfologiske forandringer, der betegnes som apoptose.
Følgende morfologiske ændringer observeres i en celle under apoptotisk død:
jeg. Fald i cellevolumen.
ii. Modifikationer i cytoskelet, hvilket resulterer i membranblødning.
iii. Kondensation af chromatinet og nedbrydning af DNA'et i små fragmenter.
Den apoptiske celle kaster mange membranbundne apoptiske kroppe indeholdende intakte organeller. De apoptotiske legemer fagocytteres af makrofager. Under apoptisk død frigøres indholdet af farvningscellen ikke udadtil (hvis de frigives til det ydre, vil de påvirke nærliggende celler og fremkalde inflammatorisk respons). Indholdet af den apoptiske celle frigives som membranbundne apoptiske legemer, og de apoptiske kroppe er fagocytosed af makrofagerne.
Funktionerne i en celle, der dør som følge af traumer (kendt som nekrose) adskiller sig fra funktionerne i en celle, der dør som følge af apoptose. Proteaserne frigivet fra en nekrotisk celle kan beskadige de nærliggende celler, og materialerne frigivet fra den nekrotiske celle stimulerer en inflammatorisk reaktion, hvilket fører til invitation fra inflammatoriske celler til stedet for nekrotisk celle. Lækage af cellulære indhold fra en apoptisk celle minimeres således, at de nærliggende celler ikke påvirkes, og inflammatoriske responser induceres ikke.
Stimulus eller signal for apoptose kan komme udefra cellerne (ekstrinsic) eller indefra cellerne (indre eller mitokondrie).
jeg. De ekstrinsiske signaler inducerer apoptose ved (a) binding af de extrinsiske dødsinducerende ligander til celleoverfladereceptorer og (b) ved virkningen af enzymgranzyme udskilt af cytotoksiske T-celler. Granzyme inducerer apoptisk død af virusinficerede celler og neoplastiske celler.
ii. Efter en stress på cellerne (såsom eksponering for stråling eller kemikalier eller virale infektioner), initieres de indre signaler. I almindelighed initierer de indre signaler apoptose via involvering af mitokondrier.
caspaser:
Caspaser er cytoplasmatiske proteaser. Caspaser adskiller sig fra andre proteaser, idet caspaserne har et essentielt cystein i deres aktive steder. Caspaserne spalter også målproteinerne ved bestemte asparatrester. Caspaser er til stede i cytoplasmaet i en inaktiv forstadieformer kaldet procaspaser. Procaspaser spaltes for at befri de aktive caspaser. Procaspaserne i cytoplasma aktiveres af mange intracellulære og ekstracellulære signaler. Hidtil er der blevet identificeret mere end 10 humane casper.
Under apoptose spaltes det kromosomale DNA i små nukleosomale enheder. De cytoplasmatiske enzymer caspaser forårsager nuklear nedbrydning gennem forskellige mekanismer.
jeg. Et enzym, caspaseaktiveret DNase (CAD) forårsager fragmentering af DNA i nukleosomale enheder (som set i DNA-ladningstest). Normalt eksisterer CAD som et inaktivt kompleks med ICAD (hæmmer af CAD; DNA-fragmenteringsfaktor 45). Caspaser, herunder caspase-3, spalter ICAD og frigiver CAD, hvilket igen forårsager hurtig fragmentering af nukleært DNA.
ii. Enzympoly (ADP-ribose) polymerasen (PARP) er involveret i reparationen af beskadiget DNA. Caspase-3 spalter PARP og forhindrer DNA-reparationsfunktionerne i PARP.
iii. Caspaser inaktiverer DNA-topoisomerase II, som er essentiel for replikation og reparation af DNA.
iv. Caspaser bryder ned de strukturelle proteiner i den nukleare matrix og cytoskelet og fører til kollaps af kernen og cytoplasma. Laminer er intranukleære proteiner, som opretholder kernens form og formidler interaktioner mellem chromatin og nuklearmembranen. Caspase-6 nedbryder laminerne, hvilket resulterer i kromatinkondensation og nuklear fragmentering.
v. Caspaser bryder ned de proteiner, der er nødvendige for cellecelleadhæsion, hvilket resulterer i frigivelsen af apoptiske celler fra tilstødende celler.
vi. Et antal signalmolekyler, cellecyklusregulatorer og transkriptionsfaktorer nedbrydes af caspaser.
Caspaserne fungerer i en kaskade som mode, som kaskadeaktivering af komplementkomponenter under komplementaktivering. Der er en række mekanismer, hvormed caspaskaskaden kan aktiveres.
1. Dødsinducerende ligander binder til celleoverfladereceptorerne.
↓
Initiator caspaser, såsom caspase-8 eller caspase-10, aktiveres.
↓
Initiator caspasen aktiverer andre caspaser i en kaskade.
↓
Denne kaskade fører til sidst til aktivering af effektor caspaser, såsom caspase-3 og caspase-6. Disse effektor caspaser er ansvarlige for spaltningen af de nøglecellulære proteiner, der fører til de morfologiske forandringer i celler, der gennemgår apoptose.
2. Cytotoksiske T-celler udskiller enzymer perforiner og granzym.
↓
Enzymeperforinerne punch små huller i cellemembranen i målcellen (såsom en virusinficeret celle).
↓
Enzymgranzyme træder ind i cellen gennem poren og aktiverer caspaser 3, 7, 8 og 10. De efterfølgende hændelser fører til cellens nukleare skade.
3. Mitokondrier er også nøgleregulatorer af caspas-kaskade og apoptose.
Cytochrom c frigivet fra mitokondrier binder til det cytosoliske protein Apaf-1.
↓
Ovennævnte interaktion stabiliseres af ATP og fører til dannelsen af en hjullignende struktur bestående af 7 molekyler hver af Apaf-1, cytochrom c og ATP. Denne hjullignende struktur kaldet apoptosom tillader rekruttering af 7 molekyler procaspase-9 til komplekset.
↓
Procapase-9 aktiveres til caspase-9 (Den nøjagtige aktiveringsmekanisme for procaspas-9 til caspase-9 er ikke kendt).
Bcl-2 Proteiner og Apoptose:
Genet Bcl-2 (B-celle-lymfom-2) koder for proteiner, der hæmmer apoptose. I første omgang blev Bcl-2-genet opdaget i cancerøse B-celler kaldet B-celle lymfomer. Bcl-2-genet (i B-celle lymfom) er ved brydpunktet for en kromosomal translokation. Bcl-2-genet bevæges ind i et immunoglobulin tungkæde-locus, der resulterer i en transkriptionel aktivering af Bcl-2-genet.
Følgelig er der overproduktion af Bcl-2-protein. Øget niveau af Bcl-2-proteiner hæmmer normale apoptotiske celle signaler og forhindrer apoptose (Det antages, at de højere niveauer af Bcl-2 protein i den transformerede B-celle hjælper de transformerede celler til at blive cancerceller ved at hæmme de apoptiske signaler).
Apoptose gennem mitokondriale veje styres af en familie af proteiner relateret til humant oncoprotein Bcl-2. De fleste af Bcl-2 proteinerne er integrerede membranproteiner af cytoplasmatiske organeller, såsom endoplasmatisk retikulum, ydre nuklearhylster, indre plasmamembran og mitokondrier.
Interessant nok falder Bcl-2-familieproteinerne i to grupper med biologisk modsatte virkninger. Nogle af proteinerne fremmer apoptose (såsom Bad og Bax), mens andre (såsom Bcl-2 og BcIX L ) hæmmer apoptose. Resultatet af et apoptisk signal i en celle kan afhænge af resten af pro-apoptiske og anti-apoptiske Bcl-2 proteiner. Overskud af pro-apoptiske proteiner kan føre til celledød, hvorimod overskud af anti-apoptiske proteiner kan forhindre celledød. Det foreslås, at de pro-apoptiske virkninger af Bax og Bad forhindres af Bcl-2 og BclX L.
Mitokondrier og apoptose:
Mitokondrier spiller vigtige nøgleroller i reguleringen af programmeret celledød. Den mekanisme, gennem hvilken Bax-protein virker ved apoptose, er ikke kendt.
Det foreslås, at Bax-proteiner danner porerne i den mitokondrie ydre membran
↓
Den mitokondrie cytokrom c og apoptose inducerende faktor (AIF) undslipper gennem porerne i cytoplasma.
↓
Cytochrom c danner apoptosomet (med Apaf-1 og ATP) og aktiverer caspase-9.
Bcl-2 og BcIXl antages at forhindre porøsannelsen af Bat og Bax på mitochondriel membran.
Dødsreceptorer og apoptose:
Død receptorer er receptorer til stede på overfladen af celler. Ved binding med specifikke ligander overfører dødsreceptorerne de apoptiske signaler til cellen. Dødsreceptorerne tilhører tumor nekrosefaktor (TNF) gen super familie. Bortset fra apoptose inducerer dødsreceptorerne også mange andre funktioner.
De bedst kendte dødsreceptorer er:
jeg. Fas (CD95)
ii. TNFR1 (TNF receptor 1)
iii. TRAIL (TNF-relateret apoptose-inducerende ligand)
Apoptose gennem Fas-molekyler:
Modemmolekylerne af transmembrondød receptor er til stede på overfladen af cellerne. De cytoplasmiske dele af Fas har dødsdomeiner (DD).
↓
Cytotoksiske T-lymfocytter (CTL'er) udtrykker FasL på deres overflade. FasL (Fas ligand) er en trimer. Foreningen af Fas-molekyler (på målcelleoverfladen) med FasL (på CTL) fremmer trimeriseringen af Fas-molekyler.
↓
Ved trimerisering af Fas-molekyler kolliderer de intracellulære døddomæner af Fas sammen.
↓
Et adapterprotein kaldet FADD (Fas-associeret døddomæne) associerer med dødsdomæner af Fas.
↓
FADD har et domæne kaldet death effector domain (DED). Death effector-domænet tillader binding af procaspaser-8 (også kendt som FLICE) til CD95-FADD-komplekset [Komplekset af proteiner CD95-FADD og procaspase-8 er kendt som DISC (dødsinducerende signalkompleks)].
↓
Procaspase-8 spaltes og caspase-8 dannes. Caspase-8 udløser virkningen af eksekverings caspaser, såsom caspase-9.
Fas-molekyler Spil vigtige apoptiske roller i tre situationer:
1. Cytotoksisk drab af virusinficerede celler medieres gennem interaktioner af Fas (på virusinficerede celler) med FasL på overfladen af CTL'er.
2. Fas-molekyler på overfladen af aktiverede CTL'er binder med FasL (på samme celle) og fører til apoptose af CTL'er. Fas-medieret eliminering af aktiverede CTL'er er en af de mekanismer, der er ansvarlige for fjernelsen af aktiverede CTL'er, når den celleformidlede immunrespons ikke længere er nødvendig af værten.
3. Celler i immunprivilegierede steder (som forreste kammer i øjet og testikler) foreslås at udtrykke høje niveauer af FasL på deres overflade. FasL på disse celler associerer med Fas-molekyler på de inflammatoriske celler (som kan gå ind i de privilegerede steder) og føre til eliminering af inflammatoriske celler. Følgelig undgår cellerne i de immune privilegerede steder fra det inflammatoriske angreb og overlever. FasL molekyler på overfladen af celler i de immunprivilegerede steder antages at være ansvarlige for disse cellers privilegerede karakter.
Apoptose gennem TNFR1:
Tumor nekrosefaktor (TNF) fremstilles af T-celler og aktiverede makrofager. TNF binder til TNF receptor 1 (TNFRI) og initierer flere virkninger i cellen.
jeg. TNF-TNFR1-binding kan føre til aktiveringen af NF-kB og AP-1, hvilket igen fører til induktion af et antal proinflammatoriske og immunmodulerende gener.
ii. TNF-TNFR1-binding kan føre til apoptose.
TNF-TNFR1-binding fører til trimeriseringen af TNFR1 og clustering af intracellulære døddomæner af TNFR1.
↓
Et adaptermolekyle, der hedder TRADD (TNFR-associeret døddomæne) binder til dødsdomænet af TNFRI.
↓
TRADD kan rekruttere et antal forskellige proteiner til den aktiverede TNFRl1.
↓
Rekruttering af TRAF2 (TNFR-associeret faktor 2) fører til aktiveringen af NF-kB og JNK / AF-1 signalvejen.
1. Rekruttering af FADD fører til induktion af apoptose via rekruttering og spaltning af procaspase-8.
2. Et andet adapterprotein kaldet RAIDD kan associeres med TNFRI, hvilket fører til rekruttering af caspase-2. Følgelig induceres apoptose.
Apoptoseinduktion af TRAIL (TNF-relateret apoptoseinducerende ligand):
Induktionen af apoptose med TRAIL ligner induktion af apoptose gennem Fas på mange måder. TRAIL binder til receptorer DR4 eller DR5 på celleoverflader og inducerer apoptose. Imidlertid er de nøjagtige mekanismer endnu ikke kendt.
Der er proteiner kaldet decoy proteiner (DCR1 og CCR2), som konkurrerer med DR4 og DR5 receptorer til binding til TRAIL. Disse dekoderreceptorer forhindrer apoptose.
p53 og apoptose:
p53 er et DNA-bindende protein en transkriptionsaktivator. Når DNA er beskadiget, øger de beskadigede celler deres p53 proteinproduktion. p53 er en potent inducer af apoptose. Det antages, at p53 fungere som en sensor for DNA-beskadigelse og er blevet kaldt "genets vogter".
Mutationer i gen p53 kan interferere med den apoptiske død af en celle. Muteret p53-gen, der producerer et defekt p53-protein, findes ofte i mange kræftcelletyper.
Virus og apoptose:
Nogle vira manipulerer den apoptiske mekanisme til deres fordel og sikrer deres overlevelse ved at forhindre den apoptiske død af cellen, hvori de lever.
Kræft og apoptose:
Det foreslås, at den apoptotiske mekanisme hæmmes i kræftcellerne. Derfor dør kræftcellerne ikke ved apoptose.
HIV og apoptose:
CD4 + T-celle nummer falder gradvist i HIV-inficerede individer. Mekanismerne bag faldet i CD4 + T-celler hos HIV-inficerede individer er ikke klart kendt. Apoptisk død af CD4 + T-celler foreslås som en af de mulige mekanismer. HIV-inficerede og HIV-inficerede CD4 + T-celler udtrykker Fas-molekyler på deres overflade. HIV-inficerede CD4 + T-celler udtrykker også høje niveauer af FasL på deres overflade. FasL på HIV-inficerede CD4 + T-celler binder til Fas-molekyler på uinficerede CD4 + T-celler og inducerer apoptose i de uinficerede celler, hvilket resulterer i et fald i antallet af CD4 + T-celler. HIV / ne-genet antages at være ansvarlig for det høje niveau af FasL-ekspression på HIV-inficerede CD4 + T-celler.
Nitrogenoxid og apoptose:
Nitrogenoxid (NO) er et vigtigt signalmolekyle. NEJ er involveret i reguleringen af forskellige processer såsom vasodilatation, neuronal funktion, inflammation og immunfunktion. NEJ er i stand til at fremkalde apoptose, og det kan også beskytte en celle fra apoptose. De forskellige virkninger af NO afhænger af dosisen af NO, de involverede celler og mange andre faktorer.
NEJ har vist sig at hæmme apoptose i leukocytter, hepatocytter, endotelceller og trofoblaster.
Der er mange mekanismer, som ingen virker som et anti-apoptisk signal:
jeg. Nitrosylering af caspaser, såsom caspase 1, 3 og 8 resulterer i inaktivering af caspaser.
ii. NEJ opregulerer heat shock protein 70 og følgelig blokere rekruttering af procaspas-9 til apoptosom.
iii. NEJ opregulerer Bcl-2 og BcIX L og følgelig er cytokrom c-frigivelse fra mitokondrier hæmmet.
