artyku┬│ o apoptozie(1).pdf

co nowego w biologii

–śmierć

niezbędna do życia

Myślę, że można powiedzieć, iż biologia to nauka o zależnościach

między wieloma, często przeciwstawnymi procesami. Bez wątpienia

najważniejszą jest równowaga życia i śmierci. Myślę, że poniższy artykuł

pomoże Państwu zrozumieć, jak programowana śmierć komórki

kształtuje złożone organizmy, w tym również nas. Gorąco namawiam

do lektury artykułu Pani dr Anny Bielak-Żmijewskiej. Naprawdę warto!

ANNA BIELAK-ŻMIJEWSKA

Apoptoza – programowana śmierć

komórki

Śmierć, nawet jeśli dotyczy tylko komór-

ki, kojarzy się z czymś negatywnym. Wbrew

tym odczuciom jest ona niezbędnym ele-

mentem prawidłowego rozwoju i utrzyma-

nia homeostazy w organizmie wielokomór-

kowym. Jest więc procesem fizjologicznym.

Między innymi dzięki niemu organizm nie

jest bezbronny wobec niebezpiecznych

zmian powstających w pojedynczych komór-

kach. Najczęstszym sposobem eliminacji ko-

mórek jest apoptoza, czyli śmierć progra-

mowana. Termin pochodzi od greckiego

słowa apoptosis oznaczającego opadanie

liści. Został użyty po raz pierwszy w roku

1972 przez J.F.R. Kerr, A.H. Wyllie

i A.R. Currie. Opisali oni śmierć komórki

jako podstawowe zjawisko biologiczne

oróżnorodnej funkcji i uniwersalności. Zja-

wisko apoptozy opisano w roku 1972, a już

po 30 latach, w roku 2002, S. Brenner,

R. Horvitz i J.E. Sulston otrzymali Nagrodę

Nobla w dziedzinie fizjologii i medycyny

za odkrycia dotyczące genetycznej regulacji

rozwoju organów i programowanej śmierci

komórki. Obiektem badawczym wyżej wy-

mienionych noblistów był mały nicień gle-

bowy Caenorhabditis elegans. Jest on ideal-

nym organizmem do badania apoptozy, po-

nieważ prezentuje niezmienny wzór śmierci

programowanej. Dorosły Caenorhabditis

elegans zbudowany jest z 959 komórek. Pod-

czas rozwoju zarodkowego, z 1090 komórek

zawsze umiera 131. Można u niego prześle-

dzić los poszczególnych komórek i dokład-

nie przewidzieć, która z nich umrze. Proce-

sy apoptozy zbadane na tym organizmie

modelowym są uniwersalne, a ich mecha-

nizm wspólny dla różnych komórek organi-

zmów wielokomórkowych.

Potencjalnie każda komórka ma zdol-

ność realizacji programu apoptozy i wypo-

sażona jest w maszynerię niezbędną do od-

powiedzi na sygnał uruchamiający procesy

powodujące jej śmierć. Apoptoza towarzy-

szy najwcześniejszym etapom rozwoju

zarodkowego. Gdyby nie była wpisana

wprogram rozwojowy, nie doszłoby do pra-

widłowego rozwoju zarodka i organogene-

zy. Podczas formowania organizmu, pewne

komórki, a czasem nawet całe organy prze-

stają być potrzebne i muszą zniknąć. I tu

z pomocą przychodzi apoptoza. Przykłado-

wo masową eliminację komórek obserwuje

się w linii żeńskich komórek rozrodczych

ssaków. U człowieka ok. 99,9% oocytów gi-

nie przez apoptozę. Z 7 milionów, które za-

4/2007

co nowego w biologii

siedlały jajnik w okresie prenatalnym,

wmomencie narodzin pozostaje już tyl-

ko 1–2 miliony, adozakończenia okresu

rozrodczego dotrwa jedynie 400 i tylko one

będą owulowane. Apoptoza odgrywa też

niebagatelną rolę w tworzeniu właściwych

połączeń neuronalnych podczas rozwoju

mózgu. Około 50% lub więcej neuronów

jest eliminowanych jeszcze w okresie prena-

talnym. Świetnym przykładem niezbędno-

ści apoptozy jest rozwój układu odporno-

ściowego. Apoptoza eliminuje około 98%

niedojrzałych limfocytów T w grasicy. Ta-

kich, które nie spełniają wymogów zapew-

niających prawidłowe działanie układu od-

pornościowego. Innym przykładem jest,

powszechny w różnych narządach, proces

odnawiania nabłonków. Przy udziale apop-

tozy usuwane są zużyte i zbędne komórki.

Na drodze apoptozy odbywa się również

eliminacja komórek zainfekowanych wiru-

sem, w której pośredniczą limfocyty cyto-

toksyczne. Limfocyty rozpoznają zarażoną

komórkę i poprzez jej receptory błonowe

uruchamiają program śmierci. Na drodze

śmierci programowanej usuwane są też ko-

mórki uszkodzone, które mogłyby dać po-

czątek komórkom nowotworowym. Ko-

mórka bardzo często sama potrafi

rozpoznać, że jest uszkodzona i umierając,

„poświęca się” dla dobra całego organizmu.

Działa tu zasada „lepiej umrzeć niż szko-

dzić”. Lepiej wyeliminować jedną komórkę

(grupę komórek) niż ryzykować zagrożenie

całego organizmu. Z tego też powodu

apoptoza jest nazywana śmiercią samobój-

czą lub altruistyczną. Powtórzmy jeszcze

raz, apoptoza jest zjawiskiem fizjologicz-

nym, niezbędnym do prawidłowego funk-

cjonowania organizmu. Ciało człowieka

zbudowane jest z około 10 14 komórek.

W dorosłym organizmie każdego dnia bilio-

ny z nich umierają. Około 1 g komórek

dziennie ulega apoptozie, aby zapewnić ho-

meostazę organizmu.

ATP), ale i syntezy nowych białek, nie-

zbędnych dla tego procesu, a nawet akty-

wacji nowych genów. Badania nicienia Ca-

enorhabditis elegans , muszki Drosophila

melanogaster oraz komórek ssaków wyka-

zały, że molekularny mechanizm prowa-

dzący do apoptozy jest wszędzie podobny

(czyli silnie konserwowany ewolucyjnie).

Wkomórce, która otrzymała sygnał

do apoptozy zachodzi szereg charaktery-

stycznych zmian zarówno morfologicznych,

jak i biochemicznych, takich jak: obkurcza-

nie cytoplazmy na skutek utraty wody, kon-

densacja chromatyny, fragmentacja DNA

i wreszcie rozpad komórki na tzw. ciałka

apoptotyczne. Podczas apoptozy nie do-

chodzi do uszkodzenia organelli komór-

kowych, które są rozdzielane do ciałek

apoptotycznych, a integralność błony ko-

mórkowej zachowana jest bardzo długo.

Ciałka apoptotyczne, zawierające m. in.

pofragmentowany DNA, są następnie usu-

wane przez komórki żerne, takie jak ma-

krofagi. Po uszkodzonej komórce nie zo-

staje nawet ślad i dzięki temu nie rozwija

się stan zapalny. Inaczej odbywa się to pod-

czas śmierci nekrotycznej. Do nekrozy do-

chodzi na skutek nagłych i bardzo drastycz-

nych zmian w komórce, wywołanych np.

mechanicznie, silnymi toksynami lub pro-

mieniowaniem jonizującym. Nekroza to

zniszczenie komórki i jej organelli, z wyla-

niem się zawartości cytoplazmy (na skutek

pęcznienia komórki) do środowiska mię-

dzykomórkowego. Efektem nekrozy jest

stan zapalny.

Białka biorące udział w apoptozie

Kaspazy

Głównymi białkami zaangażowanymi

wrealizację apoptozy u wszystkich organi-

zmów są proteazy cysteinowe zwane ka-

spazami . Termin ten użyty został po raz

pierwszy w 1998 przez N.A. Thornberry i Y.

Lazebnika. Od tego czasu kaspazy są nie-

rozłącznie kojarzone z apoptozą. Działanie

ich jest hierarchiczne, to znaczy, że są akty-

wowane w ściśle określonej kolejności. Ich

aktywacja jest regulowana wielostopniowo

Zmiany towarzyszące apoptozie

Apoptoza jest procesem aktywnym, wy-

magającym nie tylko energii (czyli udziału

biologia w szkole

co nowego w biologii

ibardzo precyzyjnie w celu uniknięcia przy-

padkowego uruchomienia programu śmier-

ci. Kaspazy są syntetyzowane w postaci nie-

aktywnego proenzymu (prokaspazy,

zymogenu) i w takiej właśnie formie wystę-

pują we wszystkich komórkach somatycz-

nych. Aktywacja kaspaz zachodzi na skutek

proteolizy (cięcia) przez inne kaspazy (cza-

sem autoprotolizy) i/lub ich oligomeryzacji.

Znanych jest 13 kaspaz, ale najistotniejszą

rolę odgrywają kaspazy 8, 9 i 3. Kaspazy

dzielimy umownie na inicjatorowe, rozpo-

czynające proces apoptozy (są to kaspa-

zy 8, 9 i 10) oraz aktywowane przez nie ka-

spazy efektorowe, wykonawcze (do tej

grupy należą kaspazy 3, 6 i 7). Substratami

kaspaz są różne białka cytozolowe i jądro-

we. Poznano ich ok. 200. Na skutek działa-

Rys. 1. Porównanie śmierci komórki na drodze apoptozy i nekrozy (rys. mgr Dariusz Maluchnik)

4/2007

co nowego w biologii

nia kaspaz niektóre białka są aktywowane,

inne zaś ulegają inaktywacji. Do substratów

kaspaz należą m.in. laminy jądrowe, histony,

polimeraza PARP [poli (ADP-rybozo) poli-

meraza], białka cytoszkieletu, endonukleaza

odpowiedzialna za fragmentację DNA

(DFF40/CAD) oraz białka z rodziny Bcl-2.

iwewnętrzną drogą przekazywania sygnału

do apoptozy (patrz akapit „Indukcja i szla-

ki przekazywania sygnału do apoptozy”).

Białko Bax z kolei tworzy kanały (samo lub

w towarzystwie innych białek) w zewnętrz-

nej błonie mitochondrialnej, dzięki czemu

jeden z elementów maszynerii apoptotycz-

nej, a mianowicie cytochrom c, jest uwal-

niany z mitochondriów do cytoplazmy.

Białka antyapoptotyczne chronią komórkę

przed rozpoczęciem apoptozy. Często od-

działują z białkami proapoptotycznymi,

maskując ich właściwości wspierające apop-

tozę. Aby komórka mogła umrzeć, musi

dojść do zahamowania aktywności białek

chroniących przed apoptozą.

Endonukleazy odpowiedzialne za

fragmentację DNA

Jedną z cech charakterystycznych apop-

tozy jest specyficzna fragmentacja DNA .

Proces cięcia DNA przebiega w ściśle okre-

ślony sposób. Najpierw DNA cięty jest

na odcinki o długości 50–300 tysięcy par

zasad, a następnie na odcinki niskoczą-

steczkowe, tzw. oligonukleosomowe,

o wielkości 180–200 par zasad (lub wielo-

krotność tej wartości). Za fragmentację oli-

gonukleosomową odpowiedzialna jest en-

donukleaza DFF40/CAD (ang. D NA

f ragmentation f actor 40/ c aspase a ctivated

D Nase). W żywej komórce ta endonukle-

aza znajduje się na terenie cytoplazmy

i jest związana z cząsteczką inhibitora.

Pod wpływem kaspazy 3 cząsteczka inhibi-

tora zostaje odłączona, a DFF40/CAD ule-

ga oligomeryzacji i przechodzi do jądra,

gdzie działa jako aktywna endonukleaza.

Inną endonukleazą odpowiedzialną

za fragmentację DNA na krótkie odcinki

jest endonukleaza G, która w żywej komór-

ce znajduje się w przestrzeni międzybłono-

wej mitochondriów i uwalniana jest pod

wpływem bodźca apoptotycznego.

Inhibitory apoptozy

Wkażdej prawidłowej komórce obecne

są inhibitory apoptozy. Zapobiegają one

przypadkowej i nieuzasadnionej indukcji

śmierci. Należą do nich: białka FLIP – inhi-

bitor kaspazy 8 i białka z rodziny IAP (IA-

P1 i 2 i surwiwina), inhibitory kaspaz 9 i 3

(zapobiegają oligomeryzacji lub proteolizie

prokaspazy). Poza nimi w komórce istnieją

także inhibitory inhibitorów apoptozy, któ-

re w komórce nieapoptotycznej znajdują się

wprzestrzeni międzybłonowej mitochon-

driów. Po uruchomieniu programu apopto-

zy wydostają się do cytoplazmy i działają ja-

ko inhibitory białek IAP i FLIP. Są to

białka Omi/HtrA2 i SMAC/DIABLO.

Indukcja apoptozy i szlaki przekazywania

sygnału do śmierci

Apoptoza może być wpisana w program

rozwojowy komórki, a może też być skut-

kiem działania bodźców płynących ze środo-

wiska zewnętrznego lub z wnętrza komórki.

Indukcja apoptozy wpisanej w program roz-

wojowy i apoptozy eliminującej uszkodzone

komórki zachodzi w różny sposób, ale z wy-

korzystaniem tych samych elementów ko-

mórkowych. Program rozwojowy jest ściśle

związany z uruchamianiem kolejnych ge-

nów (to one decydują, która komórka musi

umrzeć). Istotnym elementem związanym

zprogramem rozwojowym jest również od-

Białka z rodziny Bcl-2

Istotną rolę w apoptozie odgrywają biał-

ka z rodziny Bcl-2. W obrębie tej rodziny

wyróżniamy dwie grupy – białka proapop-

totyczne (czyli sprzyjające apoptozie) oraz

antyapoptotyczne (chroniące przed apop-

tozą). Przykładami białek proapoptotycz-

nych są białka Bid, Bax i Bad, a antyapop-

totycznych – Bcl-2 i Bcl-Xl. Białka

proapoptotyczne są aktywowane po rozpo-

częciu procesu apoptozy na skutek ich de-

fosforylacji lub homooligomeryzacji. Białko

Bid jest łącznikiem pomiędzy zewnętrzną

biologia w szkole

Rys. 2. Drogi przekazywania sygnału powodującego apoptozę.

Droga wewnętrzna jest ściśle związana z udziałem mitochondriów. W odpowiedzi na bodziec apoptotyczny dochodzi do uwolnienia cytochromu c. Dzieje się to w wyniku utwo-

rzenia kanałów w zewnętrznej błonie mitochondrialnej, w skład których wchodzą białka proapoptotyczne z rodziny Bcl 2 takie jak np. Bax. Cytochrom c wraz z cytoplazmatycznym

białkiem Apaf1 tworzy apoptosom, dzieki któremu aktywowana jest kaspaza 9 (kaspaza inicjatorowa). Ona z kolei aktywuje kaspazę 3, główną kaspazę wykonawczą. W drogę ze-

wnętrzną zaangażowane są receptory błonowe zwane receptorami śmierci. Przykładem jest tutaj receptor Fas, który po połączeniu z ligandem (Fas L) umożliwia aktywację kaspa-

zy 8 (kaspaza inicjatorowa). Kaspaza 8 aktywuje następnie kaspazę 3. Białko proapoptotyczne Bid pełni role łącznika miedzy drogą zewnętrzną i wewnętrzną i dzięki niemu docho-

dzi do wzmocnienia sygnału do śmierci poprzez dodatkowe uruchomienie drogi mitochondrialnej

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: