APOPTOZA

Fizjologiczna śmierć komórki

(śmierć zaprogramowana) synonim

apoptoza

(apoptosis, od greckiego

słowa – opadanie liści, płatków

kwiatu- Kerr w 1972 r)

Jest konsekwencją samobójczego

programu genetycznego,

uruchomianego w odpowiedzi na

złożone oddziaływanie z innymi

komórkami

Najczęściej następuje naruszenie

integralności

1 z 4 systemów

wewnątrzkomórkowych

• oddychania tlenowego
• funkcjonowania błon

komórkowych

• enzymów i białek strukturalnych
• naprawy aparatu genetycznego

Nagroda Nobla

Rok 2002

Sydney

Brenner

Sir John

Sulston

Robert H.

Horvitz

Apoptoza Caenorhabditis elegans

Dorosły osobnik jest hermafrodytą i
składa się z 959 komórek somatycznych
Liczba komórek powstających – 1090
W wyniku apoptozy ginie 131

- 113 umiera podczas embriogenezy
- 18 podczas dorosłego życia

Geny proapoptotyczne Fenotyp

ced-3 (ICE)

apoptoza 131 komórek

ced-4 (Apaf-1)

Geny antyapoptotyczne

ced-9 (bcl-2) brak apoptozy

Genetyczna kontrola apoptozy

• „ced” (cell death) geny śmierci są

dobrze zachowane w procesie ewolucji

• ekspresja genów ced-3 i ced-4

odpowiada za molekularne procesy
apoptozy

• ced-9 (u ludzi bcl-2) – ekspresja w

komórkach stymulowanych do proliferacji
(m. in. limfocyty prawidłowe, kom.
nowotworowe)

Zdrowa komórka

Komórka obkurcza się i
oddziela od komórek
sąsiednich

Powstawanie pęcherzyków
(uwypuklenie) kondensacja
chromatyny i cytoplazmy

Marginacja
skondensowanej
chromatyny

Fragmentacja
jądra i
komórki

Ciałka apoptotyczne

Fagocytoz
a

Różnice morfologiczne pomiędzy apoptozą
a martwicą

Apoptoza

Martwica

1. Dotyczy zwykle

pojedynczych komórek
2. Zmniejszenie objętości

komórki i pofałdowanie błony

komórkowej
3. Kondensacja chromatyny,

fragmentacja jądra
4. Zamknięcie organelli w

ciałkach apoptotycznych
5. Ciągłość błony kom.

zachowana aż do momentu

sfagocytowania ciałek

apoptotycznych
6. Brak zapalenia, hamowanie

reakcji zapalnej
7. Fagocytoza przez sąsiednie

komórki i makrofagi

1. Najczęściej dotyczy grup

komórek

2. Zwiększenie objętości i

pęcznienie komórki

3. Brak kondensacji

chromatyny, liza jądra

4. Pęcznienie i rozpad

organelli

5. Perforacja błony,

zawartość komórek

wydostaje się do

przestrzeni

pozakomórkowej

6. Odczyn zapalny ze strony

otoczenia

7. Fagocytoza przez fagocyty

Zmiany biochemiczne

Materiał
genetyczny

Apoptoza

Martwica

aktywacja
specyficznych
endonukleaz,

fragmentacja,
utworzenie
odcinków o
długości 200-300

kb, 20-50 kb, 200-
300 bp

aktywacja
niespecyficznych
nukleaz,

fragmentacja na
odcinki o
przypadkowej

długości

Rozdział
elektroforetyczn
y DNA

obraz drabinki
DNA

Obraz smugi
(smear)

Aktywacja
enzymów

kinaz białkowych
(np. kinazy MAP) i
fosfataz, nukleaz,
kaspaz, kalpain

niespecyficzna
degradacja

Białka
regulacyjne

Apoptoza

Martwica

białka rodziny Bcl-

2 (pro- i anty-

apoptotyczne),

inhibitory

apoptozy
(białka IAP),
inhibitory kaspaz

w niektórych

przypadkach
ekspresja Bcl-2

Wymagania
energetyczne

proces aktywny,

zależny od ATP

Proces bierny,

niezależny od ATP

Substraty

białka
enzymatyczne i

strukturalne

przypadkowe
białka

Inne

synteza poli(ADP-

rybozy), synteza
de novo mRNA i
białek

brak syntezy
białek

Czynniki wywołujące

apoptozę

 Hormony i cytokiny
 Deficyt czynników wzrostowych

i troficznych

 Czynniki cytotoksyczne
 Czynniki fizyczne

Szlaki sygnałowe apoptozy

W zależności od rodzaju komórki i

czynnika indukującego proces apoptozy

może przebiegać różnymi ścieżkami

Do najlepiej poznanych należą:
- szlak związany z błoną komórkową tzw.

zewnętrzny

- szlak wewnętrzny zwany

mitochondrialnym

- szlak angażujący perforyny i granzym B,

czyli pseudoreceptorowy

Apoptoza może również odbywać się z

udziałem szlaku sfingomielinowo-

ceramidowego oraz indukowanego

stresem

Szlak zewnętrzny

- pobudzenie receptorów śmierci

należących do nadrodziny receptorów

TNF np. Fas/CD95/Apo1, TRAIL-R1 i

R2/Apo2

- receptory śmierci posiadają

wewnątrzkomórkową domenę śmierci DD

- po związaniu się odpowiedniego liganda

z receptorem błonowym (TNF-α, FasL,

TRAIL/Apo2L) dochodzi do oligomeryzacji

receptora, a następnie powstaje

kompleks DISC (death inducing

signaling complex)

- kompleks ten powstaje poprzez

połączenie domen śmierci z
białkiem adaptorowym FADD oraz
z prokaspazą 8

- następuje aktywacja prokaspazy

8, która jest bezpośrednim
aktywatorem kaspazy 3
(kaspazy wykonawczej)

Szlak wewnętrzny

inicjowany jest poprzez:
• zmiany potencjału mitochondrialnego
• mutacje DNA
• inne zaburzenia metabolizmu

komórkowego

Szlak ten może łączyć się ze ścieżką

receptorową zewnętrzną poprzez białko

Bid, które ulega proteolizie - powstaje tBid

(truncated Bid) – postać ta wpływa na

uwalnianie cytochromu c - aktywacja sz.

mitochondrialnego

Szlak wewnętrzny

- istotnym etapem jest uwolnienie cytochromu c

z przestrzeni międzybłonowej poprzez specjalne
kanały

- kanały te tworzone są poprzez białka z rodziny

Bcl-2 (bax, bak) z białkiem VDAC (Voltage
Dependent Anion Channel)

- przez kanały z mitochondrium do cytoplazmy

dostaje się cytochrom c

- wypływ cytochromu c jest sygnałem do

tworzenia kompleksu zwanego apoptosomem

- apoptosom składa się z cytochromu

c, prokaspazy 9, białka Apaf-1

(ATP)

- kompleks ten potrzebny jest do

autoproteolizy kaspazy 9, która

następnie aktywuje kaspazę 3

- podczas apoptozy z mitochondrium

uwalniane są także białka

Smac/Diablo i Omi/HTR A2 są one

antagonistami inhibitorów apoptozy

(IAP)

Dwa zasadnicze szlaki indukcji

apoptozy

Ligand
śmierci

receptor

DD (domena
śmierci)

(swoiste białko śmierci)

APOPTOZA

Bi

d

Szlak pseudoreceptorowy – indukowany

przez cytotoksyczne limfocyty T oraz

komórki NK

 Limfocyt w kontakcie z komórką

docelową uwalnia perforyny

 Cząsteczki perforyny tworzą w błonie

komórki docelowej kanały

 Przez kanały wnikają granzymy B do

komórki docelowej aktywujące szlak
kaspaz

 Wraz z granzymami uwalniają się jony

Ca 2+ wpływające stymulująco na
proces apoptozy

Właściwości kaspaz

Proteazy cysteinowe, substraty

ich zawierają kwas
asparaginowy w pozycji P1
(proteoliza w miejscu reszty
Asp)

Syntetyzowane są jako

nieaktywne zymogeny

Dotychczas zidentyfikowano 14

kaspaz

• Kaspazy inicjatorowe -8, -9; również -2, -10
• Kaspazy wykonawcze -3, -6, -7

Kaspazy inicjatorowe posiadają

„ domeny śmierci” CARD i DED

Kaspazy wykonawcze aktywują

enzymy prowadzące do destrukcji
komórek

Białka trawione przez kaspazy

Większość tych białek

uczestniczy w procesach
molekularnych związanych z
cyklem komórkowym

i apoptozą

Do proteolizy białek dochodzi

tylko przy udziale kaspaz -3, -6
i -7

Trawione są między innymi

białka

•

Białko PARP- bierze udział w

rozpoznaniu i naprawie DNA

• Białko ICAD- (inhibitor of Caspase-

Activated DNA)

• Białko Rb- kontroluje przechodzenie

komórki przez kolejne fazy cyklu

komórkowego

• Białko MDM2- wiąże się z białkiem

p53 i je stabilizuje

• Niektóre białka szkieletu komórki

np.. Laminy, aktyna, fodryna

• Inne cząsteczki kaspaz

Śmierć komórki niezależna od

Kaspaz

Proteaza aktywowana wapniem

kalpaina, prawdopodobnie pełni
autonomiczną rolę w apoptozie

• Ostatnie doniesienia wskazują na jej

rolę w procesie aktywacji i
unieczynnienia kaspazy -3, -7, -9 i
ostatnio -12

Proteazy serynowe: jedna z nich

AP24 zaangażowana jest we
fragmentację DNA

Katepsyna D, proteaza lizosomalna,

zaangażowana w zewnątrzpochodną
drogę aktywacji apoptozy

Także inne katepsyny mogą

uczestniczyć w regulacji apoptozy

Białka pro-apoptotyczne np.Bax,

Bad, Bak, Bik, Bid, Bcl-xs zmuszają
komórkę do apoptozy

Białka anty-apoptotyczne np. Bcl-2,

Bcl-Xl, Mcl-1 zwiększają
prawdopodobieństwo przeżycia
komórki

Rodzina białek Bcl-2

Rodzina białek Bcl-2

 Pełnią funkcję regulatorów apoptozy

przez oddziaływanie na wiele istotnych
procesów komórkowych, jak:

• Kontrola komórkowego poziomu jonów

(Ca

2+

,H

+

,K

+

,Cl

-

) – tworzą kanały

wbudowywane między innymi w błony
mitochondrialne

• Nadzór nad stanem redoks
• Regulacja wypływu z mitochondriów

cytochromu C i AIF (apoptotic inducing
factor)

• Aktywacja enzymów kaspaz i DN-az

Tworzą homo- i heterodimery

• Stosunek homodimerów

antyapoptotycznych do
proapoptotycznych decyduje o śmierci
bądź przeżyciu komórki

• Połączenie się białek w heterodimery o

przeciwstawnym charakterze powoduje
inhibicję biologicznej ich aktywności

Rodzina białek Bcl-2

Fizjologiczne znaczenie

apoptozy

Apoptoza jest procesem

przeciwstawnym do mitozy i
wspólnie z nią decyduje o
liczbie komórek w każdej
populacji

Ma ogromne znaczenie w

embriogenezie, wzroście i
rozwoju

Przykłady apoptozy w rozwoju

kręgowców

• Śmierć komórek ogona kijanki w procesie

metamorfozy

• Śmierć blisko połowy neuronów

powstających w trakcie embriogenezy w

rozwoju układu nerwowego

• Śmierć komórek soczewki oka w czasie jej

kształtowania

• Zanik błony pławnej między palcami u

zarodka ludzkiego

• W życiu postnatalnym: apoptoza

keratynocytów skóry, krypt jelitowych,

komórek endometrium macicy itd.

Apoptoza w stanach

patologicznych

Ograniczenie apoptozy prowadzi do

powstania:

• Nowotworów
• Autoagresji komórek układu

odpornościowego

Wzrost apoptozy jest

charakterystyczny dla chorób

zwyrodnieniowych: choroby

Alzheimera, Parkinsona, AIDS,

zawału serca czy udaru mózgu