Na ostrzu noża









initAd();



































  Biochemia
  Biotechnologia
  Fizjologia
  Genetyka
  Medycyna
  Mikrobiologia
  Inne








   Biologii komórki
   Biologii molekularnej
   Medycyny molekularnej
   Histologii
   Botaniki
  
Leksykon medyczny
   Testy








   Botanika
   Budowa komórki
   Ewolucja
   Genetyka
   Medycyna
   Terminologia
   Zoologia








   A 
   B 
   C 
   D 
   E 
   F 
   G
   H 
   I 
   J 
   K 
   L 
   Ł 
   M
   N 
   O 
   P 
   R 
   S 
   Ś 
   T
   U 
   W 
   Z 
   Ż 
  Cała lista 








   Apoptoza
   PDB
   Biochemia
   Biotechnologia
   Czasopisma
   Książki
   Uczelnie
   Uniwersytety
   Zdjęcia

















 O nas
           Tu jesteś:  
Biologia.pl < Artykuły




















Grzegorz Nalpa, Ewa Żukowska-Szczechowska

Na ostrzu noża

Kaspazy to enzymy, które kontrolują samobójczą śmierć komórek.
Dokładne poznanie mechanizmu ich działania pozwoli naukowcom na opracowanie nowych metod leczenia wielu chorób

1. Kaspazy - główne białka apoptozy

Apoptoza odgrywa w rozwoju i życiu organizmu ludzkiego tak ważną rolę, jak mnożenie się komórek. Dlaczego komórki czasem muszą same się zabijać? Do czynników, które kierują komórki na drogę programowanej śmierci, należą między innymi: uszkodzenia DNA; pobudzenie niektórych receptorów błonowych albo wewnątrzkomórkowych; pozbawienie komórek kontaktu z macierzą zewnątrzkomórkową i atak limfocytów T - komórek układu odpornościowego, które są odpowiedzialne za niszczenie chorych albo uszkodzonych komórek somatycznych.
Uruchomienie programu apoptozy ma związek z aktywowaniem lub zniszczeniem wielu białek komórki. Dokładny zestaw genów i białek uczestniczących w apoptozie może być nieco inny w zależności od typu komórki i bodźców prowadzących do samobójstwa. Jednak bez udziału pewnej szczególnej grupy białek apoptoza najprawdopodobniej w ogóle nie mogłaby zachodzić. Tymi białkami są kaspazy.
Kaspazy, wewnątrzkomórkowe enzymy proteolityczne, przecinają różne cząsteczki białek. Między innymi trawią nieaktywne proenzymy innych kaspaz. Dlatego kaspazy działają na zasadzie reakcji łańcuchowej: aktywowanie jednej cząsteczki kaspazy prowadzi do uruchomienia wielu innych i nieodwracalnego skierowania komórki na drogę apoptozy.
Do tej pory naukowcy zidentyfikowali ponad 10 ludzkich białek należących do rodziny kaspaz. Większość tych białek uczestniczy w apoptozie, ale są też takie, które mają w komórkach inne zadania (np. ICE, enzym wytwarzający aktywną formę pewnej cytokiny). Poszczególne kaspazy różnią się od siebie sposobem uruchamiania oraz - w niewielkim stopniu - specyficznością substratową, co decyduje o roli, jaką odgrywają w procesie samobójstwa komórki.

2. Jak komórki decydują o wejściu na drogę apoptozy?

2.1 Białka Fas i TNF...

Kaspazy można uruchomić za pośrednictwem niektórych receptorów błony komórkowej. Umożliwiają to m.in. receptory Fas i TNF, które należą do rodziny receptorów czynnika martwicy nowotworów.
Cytotoksyczne limfocyty T, które mają na powierzchni białka FasL, potrafią wykorzystać cząsteczki białka Fas atakowanej przez siebie komórki do uruchomiania programu apoptozy w komórkach zakażonych przez wirusy i komórkach rakowych.
Białka Fas, do których przyłączą się cząsteczki FasL, łączą się ze sobą tworząc większe kompleksy. Cytoplazmatyczne "ogonki" Fas w połączeniu z kilkoma innymi białkami przyciągają do siebie nieaktywne cząsteczki kaspazy-8, które w tych warunkach wzajemnie się aktywują. W ten sposób dochodzi do uruchomienia kaskady innych kaspaz i skazania komórki na śmierć.
Ciekawe jest to, że uszkodzone komórki mogą jednocześnie wytwarzać białka FasL i receptory Fas. Połączenie tych dwóch rodzajów białek w błonie plazmatycznej tej samej komórki również włącza w tej komórce program molekularnego samobójstwa.
Niektóre komórki nowotworowe próbują bronić się przed apoptozą zależną od białka Fas, wytwarzając specjalne białko, które blokuje cząsteczki FasL na limfocytach. Oprócz tego w komórkach rakowych często dochodzi do mutacji genu Fas albo obniżenia poziomu jego ekspresji.
Podobnie wygląda mechanizm działania TNF. Różnica polega głównie na tym, że czynnik martwicy nowotworów (w przeciwieństwie do FasL) nie jest białkiem błonowym, ale rozpuszczalnym białkiem wydzielanym przez komórki układu odpornościowego.

2.2 ...perforyny i granzymy...

Limfocyty cytotoksyczne mogą jeszcze inaczej zabijać podejrzane komórki. Po przyłączeniu się do takiej komórki, limfocyt wydziela cząsteczki białka perforyny, które w błonie niszczonej komórki tworzą kanały błonowe. Przez takie kanały do cytoplazmy atakowanej komórki przedostają się inne białka uwalniane przez limfocyty - tzw. granzymy. A granzymy to proteazy przecinające dokładnie takie same białka, jak kaspazy. Dlatego granzymy też mogą inicjować program samobójczej śmierci w komórce, w której się znajdą.

2.3 ...białka Bcl i Bax...

Kaskadę kaspaz można również uruchomić, zwiększając przepuszczalność błon otaczających mitochondrium. W regulacji przepuszczalności tych błon uczestniczą białka błonowe należące do rodziny Bcl. Niektóre (np. Bcl-2) zwiększają prawdopodobieństwo przeżycia komórki, inne (np. Bak i Bax) zmuszają komórkę do apoptozy. Naukowcy udowodnili, że cząsteczki Bax i Bak razem z białkami VDAC (Voltage-Dependent Anion Channel) tworzą duże kanały błonowe, przez które z mitochondrium do cytoplazmy uciekają cząsteczki cytochromu c. Podstawowym zadaniem cytochromu c jest przekazywanie elektronów przez łańcuch oddechowy, ale po przedostaniu się do cytoplazmy cytochrom c łączy się z białkiem Apaf-1 oraz proenzymem kaspazy-9. Utworzenie takiego kompleksu prowadzi do aktywacji kaspazy-9, uruchomienia kaskady kaspaz i apoptozy.

3. Jakie białka są trawione przez kaspazy?

Zwiększenie aktywności kaspaz prowadzi do cięcia wybranych białek. Niektóre z tych białek są w ten sposób niszczone i inaktywowane, a inne przeciwnie: w wyniku proteolizy stają się aktywne. Apoptoza bezpośrednio wynika z tego zjawiska.
Do substratów kaspaz należy wiele ważnych białek komórki. Większość tych białek uczestniczy w procesach molekularnych związanych z cyklem komórkowym i apoptozą. Kaspazy trawią między innymi takie białka, jak:
- podjednostka kinazy DNA-PK (DNA-Activated Protein Kinase). Kinaza DNA-PK uczestniczący w wykrywaniu uszkodzeń jądrowego DNA komórki: aktywność enzymatyczna DNA-PK zwiększa się, kiedy materiał genetyczny ulegnie rozległym zniszczeniom. DNA-PK fosforyluje dużo różnych białek, między innymi słynne białko P53, które zatrzymuje cykl komórkowy i aktywuje białka uczestniczące w naprawie uszkodzeń DNA;
- białko PARP, które również może brać udział w rozpoznawaniu uszkodzeń i naprawie DNA;
- białko ICAD (Inhibitor of Caspase-Activated DNAse), które w żywych komórkach wiąże się z białkiem CAD (Caspase-Activated DNAse) i hamuje jego aktywność. Proteoliza białka ICAD pozwala na uruchomienie białka CAD, którego zadaniem jest cięcie DNA umierającej komórki na fragmenty;
- białko RB, które kontroluje przechodzenie komórki przez kolejne fazy cyklu komórkowego;
- białko MDM2, które wiąże się z białkiem P53 i reguluje jego stabilność: zwiększenie produkcji MDM2 prowadzi do przyspieszonego niszczenia P53;
- Acinus (Apoptotic Chromatin Condensation Inducer in the Nucleus) - niedawno odkryte białko odpowiedzialne za kondensację chromatyny jądrowej, która podczas apoptozy przybiera postać zbitych grudek gromadzących się przy obrzeżach jądra komórkowego;
- niektóre białka szkieletu komórki, np. laminy (białka wyścielające wewnętrzną powierzchnię otoczki jądrowej), aktyna i fodryna;
- inne cząsteczki kaspaz.

4. Dlaczego kaspazy zabijają komórki?

Odpowiedź na to pytanie jest stosunkowo łatwa, jeśli się pamięta, jakie białka ulegają proteolizie pod wpływem działania kaspaz.
Zniszczenie białka ICAD stymuluje aktywność białka CAD, które tnie jądrowy DNA na krótkie fragmenty (prawdopodobnie jest to mechanizm chroniący inne komórki przed niepożądaną transfekcją materiałem genetycznym ginącej komórki); właśnie te odcinki DNA podczas elektroforezy żelowej tworzą charakterystyczną "drabinkę apoptotyczną".
Rozległe uszkodzenia DNA spowodowane działaniem CAD w innej sytuacji spowodowałyby uruchomienie szlaków molekularnych, których zadaniem jest naprawa materiału genetycznego, ale w komórce, która powinna umrzeć, próby usunięcia zniszczeń DNA są zbędne, a nawet szkodliwe (opóźniałyby moment śmierci), więc kaspazy trawią białka odpowiedzialne za rozpoznawanie uszkodzeń i naprawę DNA (DNA-PK, PARP, P53). W ten sposób komórka ulegająca apoptozie jest pozbawiana zdolności reagowania na zniszczenia materiału genetycznego. Jednocześnie przecięcie cząsteczek białek RB, P53 i MDM2 rozregulowuje cykl komórkowy, a trawienie białek cytoszkieletu (np. aktyny i lamin) zmienia strukturę komórki, co doprowadza do rozpadu jądra komórkowego na fragmenty ograniczone częściami otoczki i podziału komórki na pęcherzyki apoptotyczne, które są następnie pożerane przez inne komórki.

5. Kaspazy w medycynie

Zaburzenia przebiegu apoptozy są bezpośrednią albo pośrednią przyczyną wielu chorób. Na przykład komórki nowotworowe często ignorują sygnały kierujące je na drogę apoptozy. Czy komórki rakowe mogą wyłączać kaspazy np. na drodze mutacji, żeby uniknąć samobójczej śmierci? Prawdopodobnie tak jest. Udowodniono, że fibroblasty nie wytwarzające kaspazy-9 i białka Apaf-1 są niewrażliwe na pewne bodźce (takie jak niedotlenienie i niedobór czynników wzrostowych), które w prawidłowych warunkach uruchamiają program samobójczej śmierci komórki. Może uszkodzenie genów kodujących inne kaspazy (na przykład kaspazę-8, która jako pierwsza ulega aktywacji wskutek przyłączenia ligandów do receptorów Fas i TNF) także zmniejsza wrażliwość komórek na czynniki prowadzące do apoptozy?
Jeśli tak naprawdę jest, naukowcy będą mogli wykorzystać te informacje do opracowania nowych metod leczenia raka. Prawdopodobnie w przyszłości specjaliści od terapii genowej spróbują wprowadzić aktywne geny kodujące kaspazy do komórek nowotworowych. Można też pomyśleć o stworzeniu innych leków zmieniających aktywność tych enzymów w komórkach nowotworowych.
Kaspazy mogą też uczestniczyć w patogenezie innych chorób. Zaburzenia procesu apoptozy są związane m.in. z chorobą Alzheimera, pląsawicą Huntingtona, zawałem i zapaleniem mięśnia sercowego, udarem mózgu oraz niektórymi zakażeniami. W przypadku tych schorzeń nieprawidłowości w przebiegu programowanej śmierci mają odwrotny charakter: zbyt wiele komórek umiera wskutek apoptozy. Dlatego tutaj naukowcy chcieliby osiągnąć inny cel - zmniejszyć aktywność kaspaz.
Szczególnie ciekawie wygląda rola apoptozy w przebiegu infekcji wirusem HIV, która jest przyczyną AIDS. U ludzi chorych na AIDS zniszczeniu ulegają również te limfocyty pomocnicze T, które nie zostały zakażone wirusem HIV. Dzieje się tak dlatego, że niektóre białka kodowane przez geny HIV zmuszają komórki ludzkiego układu odpornościowego do zwiększenia produkcji białek Fas i FasL, a to zwiększa prawdopodobieństwo uruchomienia apoptozy również w tych limfocytach, które wcale nie zostały zaatakowane przez HIV.
Może zahamowanie programowanej śmierci limfocytów u ludzi zakażonych wirusem HIV mogłoby zdecydowanie opóźnić moment pojawienia się klinicznych objawów AIDS i zwiększyć skuteczność działania zwykłych leków przeciwwirusowych?

6. Podsumowanie

Dokładniejsze zbadanie mechanizmów molekularnych regulujących apoptozę komórek ludzkich, między innymi tych, w których uczestniczą kaspazy, jest jednym z najważniejszych zadań współczesnej nauki. Uzyskane w ten sposób wiadomości mogą pozwolić na skuteczniejsze leczenie wielu chorób, między innymi nowotworów złośliwych i AIDS.

Prof. dr hab. n. med. Ewa Żukowska-Szczechowska (specjalista nefrolog) jest zastępcą kierownika Kliniki Chorób Wewnętrznych i Diabetologii Śląskiej Akademii Medycznej w Katowicach.

Bibliografia


Anderson C.: DNA damage and the DNA-activated protein kinase. TiBS 18, 433-437 (1993).
Imai Y., Kimura T., Murakami A., Yajima N., Sakamaki K., Yonehara S. The CED-4 homologous protein FLASH is involved in Fas-mediated activation of caspase-8 during apoptosis. Nature 398, 777-785 (1999).
Lane D., Hall P.: MDM2 - arbiter of p53´s destruction. TiBS 22, 372-374 (1997).
Lockshin R., Zakeri Z.: When cells die. 1998 Wiley-Liss, New York.
Pitti R., Marsters S., Lawrence D. i wsp: Genomic amplification of a decoy receptor for Fas ligand in lung and colon cancer. Nature 396, 699-702 (1998).
Raff M.: Cell suicide for beginners. Nature 396, 119-122 (1998).
Ruoslahti E., Reed J.: New way to activate caspases. Nature 397, 479-480 (1999).
Sahara S., Aoto M., Eguchi Y., Imamoto N., Yoneda Y., Tsujimoto Y.: Acinus is a caspase-3-activated protein required for apoptotic chromatin condensation. Nature 401, 168-173 (1999).
Sakahira H., Enari M., Nagata S.: Cleavage of CAD inhibitor in CAD activation and DNA degradation during apoptosis. Nature 391, 96-99 (1998).
Shimizu S., Narita M., Tsujimoto Y.: Bcl-2 family proteins regulate the release of apoptogenic cytochrome c by the mitochondrial channel VDAC. Nature 399, 483-487 (1999).
Soengas M., Alarcon R., Yoshida H. i wsp.: Apaf-1 and caspase-9 in p53-dependent apoptosis and tumor inhibition. Science 284, 156-159 (1999).
Twyman R.: Advanced molecular biology. 1998 Springer-Verlag, New York.
Villa P., Kaufmann S., Earnshaw W.: Caspases and caspase inhibitors. TiBS 22, 388-393 (1997).




















CZWARTEK13 września 2001



Sponsor serwisu:











Jak szukać?
 
Znajdź






Zobacz także:




Leksykon medyczny



Kurs histologii






Wiedza i Życie 





Świat Nauki 





dlaczego.pl 





gimnazjum.pl 





liceum.pl 






mapaPolski.pl 






pilot.pl 
















Serwis nominowany do 'Złotej witryny' konkursu Webfestival 2001.

standard HTML 4.0Copyright © 1996 - 2001Prószyński i S-ka SAemail: [e-mail]