Apoptos

Apoptos
Apoptos
	En etoposidbehandlad DU145 prostatacancercell som exploderar i en kaskad av apoptotiska kroppar. Underbilderna extraherades från en 61-timmars time-lapse mikroskopivideo, skapad med kvantitativ faskontrastmikroskopi . Den optiska tjockleken är färgkodad. Med ökande tjocklek ändras färgen från grått till gult, rött, lila och slutligen svart. ; Se videon på The Cell: An Image Library
Identifiers
Maska	D017209
	Anatomisk terminologi [ redigera på Wikidata ]

Apoptos (från antikgrekiska : ἀπόπτωσις , romaniserad : apóptōsis , lit. ''falla av'') är en form av programmerad celldöd som inträffar i flercelliga organismer . Biokemiska händelser leder till karakteristiska cellförändringar ( morfologi ) och död. Dessa förändringar inkluderar blebbing , cellkrympning , kärnfragmentering , kromatinkondensering , DNA-fragmentering och mRNA- sönderfall. En genomsnittlig vuxen människa förlorar mellan 50 och 70 miljarder celler varje dag på grund av apoptos. För ett genomsnittligt mänskligt barn mellan åtta och fjorton år dör cirka tjugo till trettio miljarder celler per dag.

I motsats till nekros , som är en form av traumatisk celldöd som är ett resultat av akut cellulär skada, är apoptos en mycket reglerad och kontrollerad process som ger fördelar under en organisms livscykel. Till exempel sker separationen av fingrar och tår i ett växande mänskligt embryo eftersom celler mellan siffrorna genomgår apoptos. Till skillnad från nekros producerar apoptos cellfragment som kallas apoptotiska kroppar som fagocyter kan uppsluka och ta bort innan innehållet i cellen kan spilla ut på omgivande celler och orsaka skada på dem.

Eftersom apoptos inte kan sluta när den väl har börjat är det en mycket reglerad process. Apoptos kan initieras genom en av två vägar. I den inre vägen dödar cellen sig själv eftersom den känner av cellstress , medan den i den yttre vägen dödar sig själv på grund av signaler från andra celler. Svaga externa signaler kan också aktivera den inneboende vägen för apoptos. Båda vägarna inducerar celldöd genom att aktivera kaspaser , som är proteaser , eller enzymer som bryter ned proteiner. De två vägarna aktiverar båda initiatorkaspaser, som sedan aktiverar bödelkaspaser, som sedan dödar cellen genom att urskilja proteiner.

Förutom dess betydelse som ett biologiskt fenomen har defekta apoptotiska processer varit inblandade i en mängd olika sjukdomar. Överdriven apoptos orsakar atrofi , medan en otillräcklig mängd leder till okontrollerad cellproliferation, såsom cancer . Vissa faktorer som Fas-receptorer och kaspaser främjar apoptos, medan vissa medlemmar av Bcl-2-familjen av proteiner hämmar apoptos.

Upptäckt och etymologi

Den tyske vetenskapsmannen Carl Vogt var den första som beskrev principen om apoptos 1842. 1885 levererade anatomen Walther Flemming en mer exakt beskrivning av processen med programmerad celldöd. Men det var inte förrän 1965 som ämnet återuppstod. Medan han studerade vävnader med elektronmikroskopi kunde John Kerr vid University of Queensland skilja apoptos från traumatisk celldöd. Efter publiceringen av ett papper som beskrev fenomenet, blev Kerr inbjuden att ansluta sig till Alastair Currie , såväl som Andrew Wyllie , som var Curries doktorand, vid University of Aberdeen . 1972 publicerade trion en framstående artikel i British Journal of Cancer . Kerr hade till en början använt termen programmerad cellnekros, men i artikeln kallades processen för naturlig celldöd apoptos . Kerr, Wyllie och Currie krediterade James Cormack, en professor i grekiska språket vid University of Aberdeen, med att föreslå termen apoptos. Kerr fick Paul Ehrlich och Ludwig Darmstaedter-priset den 14 mars 2000 för sin beskrivning av apoptos. Han delade priset med Boston-biologen H. Robert Horvitz .

Under många år var varken "apoptos" eller "programmerad celldöd" en mycket citerad term. Två upptäckter förde celldöd från dunkel till ett stort forskningsområde: identifiering av den första komponenten av celldödskontroll och effektormekanismer, och koppling av abnormiteter i celldöd till mänskliga sjukdomar, särskilt cancer. Detta inträffade 1988 när det visades att BCL2, genen ansvarig för follikulärt lymfom, kodade för ett protein som hämmade celldöd.

2002 års Nobelpris i medicin tilldelades Sydney Brenner , H. Robert Horvitz och John Sulston för deras arbete med att identifiera gener som kontrollerar apoptos. Generna identifierades genom studier i nematoden C. elegans och homologer av dessa gener fungerar i människor för att reglera apoptos.

John Sulston vann Nobelpriset i medicin 2002 för sin banbrytande forskning om apoptos.

På grekiska betyder apoptos att löv från ett träd "faller av". Cormack, professor i grekiskt språk, återinförde termen för medicinsk användning eftersom den hade en medicinsk betydelse för grekerna över två tusen år tidigare. Hippokrates använde termen för att betyda "att falla av benen". Galen utvidgade dess betydelse till att "tappa av sårskorpor". Cormack var utan tvekan medveten om denna användning när han föreslog namnet. Debatten fortsätter om det korrekta uttalet, med åsikten delad mellan ett uttal med det andra p tyst ( / æ p ə ˈ t oʊ s ɪ s / ap-ə- TOH -sis ) och det andra p uttalas ( / eɪ p ə p ˈ t oʊ s ɪ s / ). På engelska p av det grekiska -pt- konsonantklustret typiskt tyst i början av ett ord (t.ex. pterodactyl , Ptolemaios ), men artikulerat när det används i kombination av former som föregås av en vokal, som i helikopter eller insektsordningar: diptera , lepidoptera , etc.

I originalet av Kerr, Wyllie & Currie finns en fotnot angående uttalet:

Vi är mycket tacksamma mot professor James Cormack vid Institutionen för grekiska, University of Aberdeen, för att han föreslagit denna term. Ordet "apoptos" ( ἀπόπτωσις ) används på grekiska för att beskriva att kronblad från blommor eller löv från träd "släpps av" eller "faller av". För att tydligt visa härledningen föreslår vi att betoningen ska ligga på den näst sista stavelsen, den andra hälften av ordet uttalas som "ptosis" (med "p" tyst), som kommer från samma rot "att falla", och används redan för att beskriva det övre ögonlockets hängande.

Aktiveringsmekanismer

Kontroll av de apoptotiska mekanismerna

Initieringen av apoptos är hårt reglerad av aktiveringsmekanismer, eftersom när apoptos väl har börjat leder det oundvikligen till cellens död. De två bäst förstådda aktiveringsmekanismerna är den inre vägen (även kallad mitokondriella vägen) och den yttre vägen. Den inneboende vägen aktiveras av intracellulära signaler som genereras när celler är stressade och beror på frisättningen av proteiner från mitokondriernas intermembranutrymme. Den yttre vägen aktiveras av extracellulära ligander som binder till cellytans dödsreceptorer, vilket leder till bildandet av det dödsinducerande signalkomplexet (DISC).

En cell initierar intracellulär apoptotisk signalering som svar på en stress, som kan orsaka cellsjälvmord. Bindningen av nukleära receptorer av glukokortikoider , värme, strålning, näringsbrist, virusinfektion, hypoxi , ökad intracellulär koncentration av fria fettsyror och ökad intracellulär kalciumkoncentration , till exempel genom skada på membranet, kan alla utlösa frisättningen av intracellulär apoptotik signaler från en skadad cell. Ett antal cellulära komponenter, såsom poly ADP-ribospolymeras , kan också hjälpa till att reglera apoptos. Encellsfluktuationer har observerats i experimentella studier av stressinducerad apoptos.

Innan själva processen för celldöd utfälls av enzymer, måste apoptotiska signaler få regulatoriska proteiner att initiera apoptosvägen. Detta steg tillåter dessa signaler att orsaka celldöd, eller att processen stoppas, om cellen inte längre behöver dö. Flera proteiner är inblandade, men två huvudmetoder för reglering har identifierats: inriktning av mitokondrierfunktionalitet eller direkt omvandling av signalen via adapterproteiner till de apoptotiska mekanismerna. En yttre väg för initiering som identifierats i flera toxinstudier är en ökning av kalciumkoncentrationen i en cell orsakad av läkemedelsaktivitet, vilket också kan orsaka apoptos via ett kalciumbindande proteas calpain .

Inneboende väg

Den inneboende vägen är också känd som den mitokondriella vägen. Mitokondrier är viktiga för flercelliga liv. Utan dem slutar en cell att andas aerobt och dör snabbt. Detta faktum utgör grunden för vissa apoptotiska vägar. Apoptotiska proteiner som riktar sig mot mitokondrier påverkar dem på olika sätt. De kan orsaka mitokondriell svullnad genom bildandet av membranporer, eller så kan de öka permeabiliteten hos mitokondriella membranet och få apoptotiska effektorer att läcka ut. De är mycket nära besläktade med den inre vägen, och tumörer uppstår oftare genom den inre vägen än den yttre vägen på grund av känslighet. Det finns också en växande mängd bevis som indikerar att kväveoxid kan inducera apoptos genom att hjälpa till att skingra membranpotentialen hos mitokondrier och därför göra den mer permeabel. Kväveoxid har varit inblandad i att initiera och hämma apoptos genom dess möjliga verkan som en signalmolekyl av efterföljande vägar som aktiverar apoptos.

Under apoptos frisätts cytokrom c från mitokondrier genom inverkan av proteinerna Bax och Bak . Mekanismen för denna frisättning är gåtfull, men verkar härröra från en mängd Bax/Bak-homo- och heterodimerer av Bax/Bak som infogats i det yttre membranet. När cytokrom c väl frisätts binder det till apoptotisk proteasaktiverande faktor – 1 ( Apaf-1 ) och ATP , som sedan binder till pro-kaspas-9 för att skapa ett proteinkomplex som kallas en apoptosom . Apoptosomen klyver pro-kaspas till dess aktiva form av kaspas-9 , som i sin tur klyver och aktiverar pro-kaspas till effektorn kaspas-3 .

Mitokondrier frisätter också proteiner som kallas SMACs (andra mitokondrierhärledd aktivator av kaspaser ) i cellens cytosol efter ökningen av permeabiliteten hos mitokondriernas membran. SMAC binder till proteiner som hämmar apoptos (IAP) och därigenom deaktiverar dem och förhindrar IAP från att stoppa processen och därför tillåter apoptos att fortsätta. IAP undertrycker också normalt aktiviteten hos en grupp cysteinproteaser som kallas kaspaser , som utför nedbrytningen av cellen. Därför kan de faktiska nedbrytningsenzymerna ses vara indirekt reglerade av mitokondriell permeabilitet.

Extrinsisk väg

Översikt över signaltransduktionsvägar

Översikt över TNF (vänster) och Fas (höger) signalering i apoptos, ett exempel på direkt signaltransduktion

Två teorier om direkt initiering av apoptotiska mekanismer hos däggdjur har föreslagits: den TNF-inducerade ( tumörnekrosfaktor ) modellen och den Fas -Fas- ligandmedierade modellen, båda involverar receptorer från TNF-receptorfamiljen (TNFR) kopplade till yttre signaler .

TNF-väg

TNF-alfa är ett cytokin som huvudsakligen produceras av aktiverade makrofager och är den huvudsakliga yttre mediatorn för apoptos. De flesta celler i människokroppen har två receptorer för TNF-alfa: TNFR1 och TNFR2 . Bindningen av TNF-alfa till TNFR1 har visat sig initiera vägen som leder till kaspasaktivering via de mellanliggande membranproteinerna TNF-receptorassocierad dödsdomän (TRADD) och Fas-associerad dödsdomänprotein ( FADD ). cIAP1 /2 kan hämma TNF-a-signalering genom att binda till TRAF2 . FLIP hämmar aktiveringen av kaspas-8. Bindning av denna receptor kan också indirekt leda till aktivering av transkriptionsfaktorer involverade i cellöverlevnad och inflammatoriska svar. Emellertid kan signalering genom TNFR1 också inducera apoptos på ett kaspasoberoende sätt. Kopplingen mellan TNF-alfa och apoptos visar varför en onormal produktion av TNF-alfa spelar en grundläggande roll i flera mänskliga sjukdomar, speciellt vid autoimmuna sjukdomar . TNF -alfa-receptorsuperfamiljen inkluderar också dödsreceptorer (DR), såsom DR4 och DR5 . Dessa receptorer binder till proteinet TRAIL och medierar apoptos. Apoptos är känt för att vara en av de primära mekanismerna för riktad cancerterapi. Luminescerande iridiumkomplex-peptidhybrider (IPH) har nyligen designats, som efterliknar TRAIL och binder till dödsreceptorer på cancerceller, och därigenom inducerar deras apoptos.

Fas väg

Fas -receptorn (första apoptossignalen) – (även känd som Apo-1 eller CD95 ) är ett transmembranprotein från TNF-familjen som binder Fas-liganden (FasL). Interaktionen mellan Fas och FasL resulterar i bildandet av det dödsinducerande signalkomplexet (DISC), som innehåller FADD, kaspas-8 och kaspas-10. I vissa typer av celler (typ I), aktiverar bearbetat kaspas-8 direkt andra medlemmar av kaspasfamiljen och utlöser utförandet av apoptos i cellen. I andra typer av celler (typ II) Fas -DISC en återkopplingsslinga som spiralerar in i ökande frisättning av proapoptotiska faktorer från mitokondrier och den förstärkta aktiveringen av kaspas-8.

Vanliga komponenter

Efter TNF-R1- och Fas -aktivering i däggdjursceller ^{[ citat behövs ]} etableras en balans mellan proapoptotiska ( BAX , BID , BAK eller BAD ) och anti-apoptotiska ( Bcl-Xl och Bcl-2 ) medlemmar av Bcl-2- familjen . Denna balans är andelen proapoptotiska homodimerer som bildas i mitokondriets yttre membran. De proapoptotiska homodimererna krävs för att göra det mitokondriella membranet permeabelt för frisättning av kaspasaktivatorer såsom cytokrom c och SMAC. Kontroll av proapoptotiska proteiner under normala cellförhållanden för icke-apoptotiska celler är ofullständigt förstådd, men i allmänhet aktiveras Bax eller Bak genom aktivering av BH3-bara proteiner, en del av Bcl-2- familjen .

Caspases

Kaspaser spelar den centrala rollen i transduktionen av ER-apoptotiska signaler. Kaspaser är proteiner som är mycket konserverade, cysteinberoende aspartatspecifika proteaser. Det finns två typer av kaspaser: initiatorkaspaser, kaspaser 2,8,9,10,11,12 och effektorkaspaser, kaspaser 3,6,7. Aktiveringen av initiatorkaspaser kräver bindning till specifikt oligomert aktivatorprotein . Effektorkaspaser aktiveras sedan av dessa aktiva initiatorkaspaser genom proteolytisk klyvning. De aktiva effektorkaspaserna bryter sedan proteolytiskt ned en mängd intracellulära proteiner för att genomföra celldödsprogrammet.

Caspas-oberoende apoptotisk väg

Det finns också en kaspasoberoende apoptotisk väg som förmedlas av AIF ( apoptosinducerande faktor) .

Apoptosmodell hos amfibier

Amfibiegrodan Xenopus laevis fungerar som ett idealiskt modellsystem för studiet av mekanismerna för apoptos. Faktum är att jod och tyroxin också stimulerar den spektakulära apoptosen av cellerna i larvgälarna, svansen och fenorna i groddjurens metamorfos, och stimulerar utvecklingen av deras nervsystem och förvandlar den vattenlevande, vegetariska grodyngeln till den marklevande, köttätande grodan .

Negativa regulatorer av apoptos

Negativ reglering av apoptos hämmar signalvägar för celldöd, hjälper tumörer att undvika celldöd och utvecklar läkemedelsresistens . Förhållandet mellan anti-apoptotiska (Bcl-2) och pro-apoptotiska (Bax) proteiner avgör om en cell lever eller dör. Många familjer av proteiner fungerar som negativa regulatorer kategoriserade i antingen antiapoptotiska faktorer, såsom IAPs och Bcl-2- proteiner eller prosurvival-faktorer som cFLIP , BNIP3 , FADD , Akt och NF-KB .

Proteolytisk kaspaskaskad: Dödar cellen

Många vägar och signaler leder till apoptos, men dessa konvergerar på en enda mekanism som faktiskt orsakar cellens död. Efter att en cell fått stimulans genomgår den organiserad nedbrytning av cellulära organeller av aktiverade proteolytiska kaspaser . Förutom förstörelsen av cellulära organeller, bryts mRNA snabbt och globalt ned av en mekanism som ännu inte är helt karakteriserad. mRNA-sönderfall utlöses mycket tidigt i apoptos.

En cell som genomgår apoptos visar en serie karakteristiska morfologiska förändringar. Tidiga ändringar inkluderar:

Cellkrympning och avrundning sker på grund av retraktionslamellipodia och nedbrytningen av det proteinhaltiga cytoskelettet av kaspaser.
Cytoplasman verkar tät, och organellerna verkar tätt packade.
Kromatin genomgår kondensation till kompakta fläckar mot kärnhöljet (även känt som det perinukleära höljet) i en process som kallas pyknosis , ett kännetecken för apoptos.
Kärnhöljet blir diskontinuerligt och DNA inuti det fragmenteras i en process som kallas karyorrhexis . Kärnan bryts upp i flera diskreta kromatinkroppar eller nukleosomala enheter på grund av nedbrytningen av DNA.

Apoptos fortskrider snabbt och dess produkter tas snabbt bort, vilket gör det svårt att upptäcka eller visualisera på klassiska histologiska sektioner. Under karyorrhexis endonukleasaktivering korta DNA-fragment, regelbundet åtskilda i storlek. Dessa ger ett karakteristiskt "stege" utseende på agargel efter elektrofores . Tester för DNA-trappning skiljer apoptos från ischemisk eller toxisk celldöd.

Apoptotisk celldemontering

Olika steg i demontering av apoptotisk cell

Innan den apoptotiska cellen kasseras sker en demonteringsprocess. Det finns tre erkända steg i demontering av apoptotisk cell:

Membranblåsning: Cellmembranet visar oregelbundna knoppar som kallas blebs . Till en början är dessa mindre ytblebbar. Senare kan dessa växa till större så kallade dynamiska membranblåsor. En viktig regulator av apoptotisk cellmembran-blebbing är ROCK1 (rho-associerad coiled-coil-innehållande proteinkinas 1).
Bildning av membranutsprång: Vissa celltyper kan under specifika förhållanden utveckla olika typer av långa, tunna förlängningar av cellmembranet som kallas membranutsprång. Tre typer har beskrivits: mikrotubuli spikar, apoptopodia ( dödens fötter ) och pärlformad apoptopodia (den senare har ett utseende som pärlor-på-en-sträng). Pannexin 1 är en viktig komponent i membrankanaler involverade i bildandet av apoptopodia och pärlformade apoptopodier.
Fragmentering : Cellen bryts isär i flera vesiklar som kallas apoptotiska kroppar , som genomgår fagocytos . Plasmamembranets utsprång kan hjälpa till att föra apoptotiska kroppar närmare fagocyter.

Avlägsnande av döda celler

Avlägsnandet av döda celler av närliggande fagocytiska celler har kallats efferocytos . Döende celler som genomgår de sista stadierna av apoptos visar fagocytotiska molekyler, såsom fosfatidylserin , på sin cellyta. Fosfatidylserin finns normalt på den inre broschyrytan av plasmamembranet, men omfördelas under apoptos till den extracellulära ytan av ett protein som kallas scramblase . Dessa molekyler markerar cellen för fagocytos av celler som har lämpliga receptorer, såsom makrofager. Avlägsnandet av döende celler av fagocyter sker på ett ordnat sätt utan att framkalla ett inflammatoriskt svar . Under apoptos separeras cellulärt RNA och DNA från varandra och sorteras till olika apoptotiska kroppar; separation av RNA initieras som nukleolär segregation.

Pathway knock-outs

Många knock-outs har gjorts i apoptosvägarna för att testa funktionen hos vart och ett av proteinerna. Flera kaspaser, förutom APAF1 och FADD , har muterats för att bestämma den nya fenotypen. För att skapa en knockout av tumörnekrosfaktor (TNF) togs en exon som innehöll nukleotiderna 3704–5364 bort från genen [ ^{citat behövs ]} . Denna exon kodar för en del av den mogna TNF-domänen, såväl som ledarsekvensen, som är en mycket konserverad region som är nödvändig för korrekt intracellulär bearbetning. TNF-/- möss utvecklas normalt och har inga grova strukturella eller morfologiska abnormiteter. Vid immunisering med SRBC (röda blodkroppar från får) visade dessa möss emellertid en brist i mognad av ett antikroppssvar; de kunde generera normala nivåer av IgM, men kunde inte utveckla specifika IgG-nivåer [ ^{citat behövs ]} . Apaf-1 är proteinet som sätter på kaspas 9 genom klyvning för att påbörja kaspaskaskaden som leder till apoptos [ ^{citat behövs ]} . Eftersom en -/- mutation i APAF-1-genen är embryonal dödlig, användes en genfällningsstrategi för att generera en APAF-1 -/- mus. Denna analys används för att störa genfunktionen genom att skapa en intragen genfusion. När en APAF-1-genfälla introduceras i celler uppstår många morfologiska förändringar, såsom ryggmärgsbråck, beständigheten av interdigitala nät och öppen hjärna [ ^{citat behövs ]} . Dessutom, efter embryonal dag 12.5, visade embryonas hjärna flera strukturella förändringar. APAF-1-celler är skyddade från apoptosstimuli såsom bestrålning. En BAX-1 knock-out mus uppvisar normal framhjärnsbildning och en minskad programmerad celldöd i vissa neuronala populationer och i ryggmärgen, vilket leder till en ökning av motorneuroner [ ^{citat behövs ]} .

Kaspasproteinerna är integrerade delar av apoptosvägen, så det följer att knock-outs som gjorts har olika skadliga resultat. En kaspas 9-knock-out leder till en allvarlig hjärnmissbildning [ ^{citat behövs ]} . En kaspas 8-knock-out leder till hjärtsvikt och därmed embryonal dödlighet [ ^{citat behövs ]} . Men med användning av cre-lox-teknologi har en kaspas 8-knock-out skapats som uppvisar en ökning av perifera T-celler, ett försämrat T-cellssvar och en defekt i neuralrörsförslutningen [ ^{citat behövs ]} . Dessa möss visade sig vara resistenta mot apoptos medierad av CD95, TNFR, etc. men inte resistenta mot apoptos orsakad av UV-bestrålning, kemoterapeutiska läkemedel och andra stimuli. Slutligen kännetecknades en kaspas 3-knock-out av ektopiska cellmassor i hjärnan och onormala apoptotiska egenskaper såsom membranblåsning eller kärnfragmentering [ ^{citat behövs ]} . En anmärkningsvärd egenskap hos dessa KO-möss är att de har en mycket begränsad fenotyp: Casp3, 9, APAF-1 KO-möss har deformationer av neural vävnad och FADD och Casp 8 KO visade defekt hjärtutveckling, dock i båda typerna av KO andra organ utvecklades normalt och vissa celltyper var fortfarande känsliga för apoptotiska stimuli, vilket tyder på att okända proapoptotiska vägar existerar.

Metoder för att skilja apoptotiska från nekrotiska celler

Långsiktig levande cellavbildning (12 timmar) av multinukleerade mus-pre-adipocyter som försöker genomgå mitos. På grund av överskottet av genetiskt material misslyckas cellen att replikera och dör av apoptos.

Etikettfri levande cellavbildning , time-lapse-mikroskopi , flödesfluorocytometri och transmissionselektronmikroskopi kan användas för att jämföra apoptotiska och nekrotiska celler. Det finns också olika biokemiska tekniker för analys av cellytmarkörer (fosfatidylserinexponering kontra cellpermeabilitet genom flödescytometri ), cellulära markörer såsom DNA-fragmentering (flödescytometri), kaspasaktivering, bidklyvning och cytokrom c-frisättning ( Western blotting ). Supernatantscreening för frisättning av kaspaser, HMGB1 och cytokeratin 18 kan identifiera primära från sekundära nekrotiska celler. Emellertid har inga distinkta yta eller biokemiska markörer för nekrotisk celldöd identifierats ännu, och endast negativa markörer är tillgängliga. Dessa inkluderar frånvaro av apoptotiska markörer (kaspasaktivering, cytokrom c-frisättning och oligonukleosomal DNA-fragmentering) och differentiell kinetik för celldödsmarkörer (fosfatidylserinexponering och cellmembranpermeabilisering). Ett urval av tekniker som kan användas för att skilja apoptos från nekroptotiska celler kan hittas i dessa referenser.

Implikation i sjukdom

En sektion av muslever som visar flera apoptotiska celler, indikerade med pilar

En sektion av muslever färgad för att visa celler som genomgår apoptos (orange)

Neonatala kardiomyocyter ultrastrukturerar efter anoxi-reoxygenation

Defekta vägar

De många olika typerna av apoptotiska vägar innehåller en mängd olika biokemiska komponenter, många av dem är ännu inte förstått. Eftersom en väg är mer eller mindre sekventiell till sin natur, leder borttagning eller modifiering av en komponent till en effekt i en annan. I en levande organism kan detta få katastrofala effekter, ofta i form av sjukdom eller störning. En diskussion om varje sjukdom som orsakas av modifiering av de olika apoptotiska vägarna skulle vara opraktisk, men konceptet som ligger över var och en är detsamma: Vägens normala funktion har störts på ett sådant sätt att det försämrar cellens förmåga att genomgå normal apoptos. Detta resulterar i en cell som lever efter sitt "förbrukningsdatum" och som kan replikera och föra över alla felaktiga maskiner till sin avkomma, vilket ökar sannolikheten för att cellen blir cancerös eller sjuk.

Ett nyligen beskrivet exempel på detta koncept i praktiken kan ses i utvecklingen av en lungcancer som kallas NCI-H460 . Den X-kopplade hämmaren av apoptosprotein ( XIAP ) överuttrycks i celler i H460- cellinjen . XIAP binder till den bearbetade formen av kaspas-9 och undertrycker aktiviteten av apoptotisk aktivator cytokrom c , därför leder överuttryck till en minskning av antalet proapoptotiska agonister. Som en konsekvens rubbas balansen mellan anti-apoptotiska och proapoptotiska effektorer till förmån för de förstnämnda, och de skadade cellerna fortsätter att replikera trots att de hänvisas till att dö. Defekter i reglering av apoptos i cancerceller förekommer ofta på nivån för kontroll av transkriptionsfaktorer. Som ett särskilt exempel ändrar defekter i molekyler som kontrollerar transkriptionsfaktor NF-KB i cancer sättet för transkriptionell reglering och svaret på apoptotiska signaler, för att minska beroendet av den vävnad som cellen tillhör. Denna grad av oberoende från externa överlevnadssignaler kan möjliggöra cancermetastaser.

Dysregulation av p53

Tumörsuppressorproteinet p53 ackumuleras när DNA skadas på grund av en kedja av biokemiska faktorer. En del av denna väg inkluderar alfa- interferon och beta-interferon, som inducerar transkription av p53 -genen, vilket resulterar i en ökning av p53-proteinnivån och förstärkning av cancercellapoptos. p53 förhindrar cellen från att replikera genom att stoppa cellcykeln vid G1, eller interfas, för att ge cellen tid att reparera, men det kommer att inducera apoptos om skadan är omfattande och reparationsansträngningarna misslyckas. Varje störning av regleringen av p53- eller interferongenerna kommer att resultera i försämrad apoptos och möjlig bildning av tumörer.

Hämning

Hämning av apoptos kan resultera i ett antal cancerformer, inflammatoriska sjukdomar och virusinfektioner. Man trodde ursprungligen att den associerade ansamlingen av celler berodde på en ökning av cellproliferation, men det är nu känt att det också beror på en minskning av celldöd. Den vanligaste av dessa sjukdomar är cancer, sjukdomen med överdriven cellulär proliferation, som ofta kännetecknas av ett överuttryck av IAP -familjemedlemmar. Som ett resultat upplever de maligna cellerna ett onormalt svar på apoptosinduktion: Cykelreglerande gener (som p53, ras eller c-myc) muteras eller inaktiveras i sjuka celler, och ytterligare gener (som bcl-2) modifieras också deras uttryck i tumörer. Vissa apoptotiska faktorer är avgörande under mitokondriell andning, t.ex. cytokrom C. Patologisk inaktivering av apoptos i cancerceller är korrelerad med frekventa respiratoriska metaboliska förändringar mot glykolys (en observation som kallas "Warburg-hypotesen".

HeLa-cell

Apoptos i HeLa -celler hämmas av proteiner som produceras av cellen; dessa hämmande proteiner riktar sig mot retinoblastomtumörhämmande proteiner. Dessa tumörhämmande proteiner reglerar cellcykeln, men görs inaktiva när de binds till ett hämmande protein. HPV E6 och E7 är hämmande proteiner som uttrycks av det humana papillomviruset, varvid HPV är ansvarigt för bildandet av den livmoderhalstumör från vilken HeLa-celler härrör. HPV E6 gör att p53, som reglerar cellcykeln, blir inaktivt. HPV E7 binder till retinoblastomtumörhämmande proteiner och begränsar dess förmåga att kontrollera celldelning. Dessa två hämmande proteiner är delvis ansvariga för HeLa-cellers odödlighet genom att hämma apoptos.

Behandlingar

Den huvudsakliga behandlingsmetoden för potentiell död till följd av signalrelaterade sjukdomar innebär att antingen öka eller minska känsligheten för apoptos i sjuka celler, beroende på om sjukdomen orsakas av antingen hämning eller överskott av apoptos. Till exempel syftar behandlingar till att återställa apoptos för att behandla sjukdomar med bristfällig celldöd och att öka den apoptotiska tröskeln för att behandla sjukdomar involverade med överdriven celldöd. För att stimulera apoptos kan man öka antalet dödsreceptorligander (som TNF eller TRAIL), antagonisera den anti-apoptotiska Bcl-2-vägen eller introducera Smac-mimetika för att hämma hämmaren (IAP). Tillägget av medel som Herceptin, Iressa eller Gleevec verkar för att stoppa celler från att cykla och orsakar apoptosaktivering genom att blockera tillväxt och överlevnadssignalering längre uppströms. Slutligen, tillsats av p53- MDM2 -komplex förskjuter p53 och aktiverar p53-vägen, vilket leder till cellcykelstopp och apoptos. Många olika metoder kan användas antingen för att stimulera eller hämma apoptos på olika ställen längs dödssignaleringsvägen.

Apoptos är ett multi-steg, multi-pathway cell-död program som är inneboende i varje cell i kroppen. Vid cancer förändras förhållandet mellan apoptosceller och celler. Cancerbehandling med kemoterapi och bestrålning dödar målceller främst genom att inducera apoptos.

Hyperaktiv apoptos

Å andra sidan kan förlust av kontroll över celldöd (som resulterar i överdriven apoptos) leda till neurodegenerativa sjukdomar, hematologiska sjukdomar och vävnadsskada. Det är av intresse att notera att neuroner som är beroende av mitokondriell andning genomgår apoptos vid neurodegenerativa sjukdomar som Alzheimers och Parkinsons. (en observation känd som "Inverse Warburg-hypotesen"). Dessutom finns det en omvänd epidemiologisk komorbiditet mellan neurodegenerativa sjukdomar och cancer. Utvecklingen av HIV är direkt kopplad till överdriven, oreglerad apoptos. Hos en frisk individ är antalet CD4+-lymfocyter i balans med de celler som genereras av benmärgen; hos HIV-positiva patienter går dock denna balans förlorad på grund av benmärgens oförmåga att regenerera CD4+-celler. I fallet med HIV dör CD4+-lymfocyter i en accelererad hastighet genom okontrollerad apoptos, när de stimuleras. På molekylär nivå kan hyperaktiv apoptos orsakas av defekter i signalvägar som reglerar Bcl-2-familjens proteiner. Ökat uttryck av apoptotiska proteiner såsom BIM, eller deras minskade proteolys, leder till celldöd och kan orsaka ett antal patologier, beroende på cellerna där överdriven aktivitet av BIM förekommer. Cancerceller kan undkomma apoptos genom mekanismer som undertrycker BIM-uttryck eller genom ökad proteolys av BIM. ^{[ citat behövs ]}

Behandlingar

Behandlingar som syftar till att hämma verkar för att blockera specifika kaspaser. Slutligen främjar Akt-proteinkinaset cellöverlevnad genom två vägar. Akt fosforylerar och hämmar Bad (en Bcl-2-familjemedlem), vilket gör att Bad interagerar med 14-3-3 -ställningen, vilket resulterar i Bcl-dissociation och därmed cellöverlevnad. Akt aktiverar även IKKα, vilket leder till NF-KB-aktivering och cellöverlevnad. Aktivt NF-KB inducerar uttrycket av anti-apoptotiska gener såsom Bcl-2, vilket resulterar i hämning av apoptos. NF-KB har visat sig spela både en antiapoptotisk roll och en proapoptotisk roll beroende på de stimuli som används och celltypen.

HIV-progression

Utvecklingen av den humana immunbristvirusinfektionen till AIDS beror främst på utarmningen av CD4+ T-hjälparlymfocyter på ett sätt som är för snabbt för att kroppens benmärg ska kunna fylla på cellerna, vilket leder till ett nedsatt immunförsvar. En av mekanismerna genom vilka T-hjälparceller utarmas är apoptos, som är resultatet av en serie biokemiska vägar:

HIV-enzymer deaktiverar anti-apoptotisk Bcl-2 . Detta orsakar inte direkt celldöd men förbereder cellen för apoptos om lämplig signal tas emot. Parallellt aktiverar dessa enzymer proapoptotisk procaspase-8 , som direkt aktiverar mitokondriella händelser av apoptos.
HIV kan öka nivån av cellulära proteiner som föranleder Fas-medierad apoptos.
HIV-proteiner minskar mängden CD4- glykoproteinmarkör som finns på cellmembranet.
Frigjorda viruspartiklar och proteiner som finns i extracellulär vätska kan inducera apoptos i närliggande "åskådare" T-hjälparceller.
HIV minskar produktionen av molekyler som är involverade i att markera cellen för apoptos, vilket ger viruset tid att replikera och fortsätta att frigöra apoptotiska medel och virioner i den omgivande vävnaden.
Den infekterade CD4+-cellen kan också ta emot dödssignalen från en cytotoxisk T-cell.

Celler kan också dö som direkta följder av virusinfektioner. HIV-1-uttryck inducerar tubulär cell G2/M-stopp och apoptos. Progressionen från HIV till AIDS är inte omedelbar eller ens nödvändigt snabb; HIVs cytotoxiska aktivitet mot CD4+-lymfocyter klassificeras som AIDS när en given patients CD4+-cellantal faller under 200.

Forskare från Kumamoto University i Japan har utvecklat en ny metod för att utrota HIV i virala reservoarceller, kallad "Lock-in och apoptos". Genom att använda den syntetiserade föreningen Heptanoylphosphatidyl L-Inositol Pentakisphophate (eller L-Hippo) för att binda starkt till HIV-proteinet PR55Gag, kunde de undertrycka viral spirande. Genom att undertrycka viral spirande kunde forskarna fånga HIV-viruset i cellen och låta cellen genomgå apoptos (naturlig celldöd). Docent Mikako Fujita har uttalat att tillvägagångssättet ännu inte är tillgängligt för HIV-patienter eftersom forskargruppen måste bedriva ytterligare forskning om att kombinera den läkemedelsterapi som för närvarande finns med denna "Lock-in och apoptos"-metod för att leda till fullständig återhämtning från HIV .

Virusinfektion

Viral induktion av apoptos inträffar när en eller flera celler i en levande organism är infekterade med ett virus , vilket leder till celldöd. Celldöd i organismer är nödvändig för normal utveckling av celler och mognad i cellcykeln. Det är också viktigt för att upprätthålla cellers regelbundna funktioner och aktiviteter.

Virus kan utlösa apoptos av infekterade celler via en rad mekanismer inklusive:

Receptorbindning
Aktivering av proteinkinas R (PKR)
Interaktion med p53
Uttryck av virala proteiner kopplade till MHC-proteiner på ytan av den infekterade cellen, vilket möjliggör igenkänning av celler av immunsystemet (såsom Natural Killer och cytotoxiska T-celler ) som sedan inducerar den infekterade cellen att genomgå apoptos.

Canine distemper virus (CDV) är känt för att orsaka apoptos i centrala nervsystemet och lymfoidvävnad hos infekterade hundar in vivo och in vitro. Apoptos orsakad av CDV induceras vanligtvis via den yttre vägen , vilket aktiverar kaspaser som stör cellulär funktion och så småningom leder till celldöd. I normala celler aktiverar CDV först kaspas-8, som fungerar som initiatorprotein följt av bödelproteinet kaspas-3. Emellertid involverar apoptos inducerad av CDV i HeLa-celler inte initiatorproteinet kaspas-8. HeLa-cellapoptos orsakad av CDV följer en annan mekanism än den i verocellinjer. Denna förändring i kaspaskaskaden antyder att CDV inducerar apoptos via den inneboende vägen , exklusive behovet av initiatorn kaspas-8. Bödelproteinet aktiveras istället av de interna stimuli som orsakas av virusinfektion, inte en kaspaskaskad.

Oropouche -viruset (OROV) finns i familjen Bunyaviridae . Studien av apoptos orsakad av Bunyaviridae inleddes 1996, när det observerades att apoptos inducerades av La Crosse-viruset in i njurcellerna hos babyhamstrar och in i hjärnan hos babymöss.

OROV är en sjukdom som överförs mellan människor av den bitande myggen ( Culicoides paraensis ) . Det kallas ett zoonotiskt arbovirus och orsakar febersjukdom, som kännetecknas av uppkomsten av plötslig feber känd som Oropouche-feber.

Oropouche-viruset orsakar också störningar i odlade celler - celler som odlas under distinkta och specifika förhållanden. Ett exempel på detta kan ses i HeLa-celler , varvid cellerna börjar degenerera kort efter att de blivit infekterade.

Med användning av gelelektrofores kan det observeras att OROV orsakar DNA- fragmentering i HeLa-celler. Det kan tolkas genom att räkna, mäta och analysera cellerna i Sub/G1-cellpopulationen. När HeLA-celler infekteras med OROV cytokrom C från mitokondriernas membran, in i cellernas cytosol. Denna typ av interaktion visar att apoptos aktiveras via en inneboende väg.

För att apoptos ska uppstå inom OROV är viral uncoating, viral internalisering, tillsammans med replikering av celler nödvändig. Apoptos i vissa virus aktiveras av extracellulära stimuli. Studier har dock visat att OROV-infektionen gör att apoptos aktiveras genom intracellulära stimuli och involverar mitokondrierna.

Många virus kodar för proteiner som kan hämma apoptos. Flera virus kodar för virala homologer av Bcl-2. Dessa homologer kan hämma proapoptotiska proteiner såsom BAX och BAK, vilka är väsentliga för aktiveringen av apoptos. Exempel på virala Bcl-2-proteiner inkluderar Epstein-Barr-virus- BHRF1-proteinet och adenovirus -E1B 19K-proteinet. Vissa virus uttrycker kaspasinhibitorer som hämmar kaspasaktivitet och ett exempel är CrmA-proteinet från kokoppsvirus. Medan ett antal virus kan blockera effekterna av TNF och Fas. Till exempel kan M-T2-proteinet från myxomvirus binda TNF och hindra det från att binda TNF-receptorn och inducera ett svar. Vidare uttrycker många virus p53-hämmare som kan binda p53 och hämma dess transkriptionella transaktiveringsaktivitet. Som en konsekvens kan inte p53 inducera apoptos, eftersom det inte kan inducera uttrycket av proapoptotiska proteiner. Adenoviruset E1B-55K-proteinet och hepatit B-viruset HBx-proteinet är exempel på virala proteiner som kan utföra en sådan funktion.

Virus kan förbli intakta från apoptos, särskilt i de senare stadierna av infektion. De kan exporteras till de apoptotiska kropparna som nyper av från ytan av den döende cellen, och det faktum att de uppslukas av fagocyter förhindrar initieringen av ett värdsvar. Detta gynnar spridningen av viruset.

Växter

Programmerad celldöd i växter har ett antal molekylära likheter med djurapoptos, men det har också skillnader, anmärkningsvärda är närvaron av en cellvägg och avsaknaden av ett immunsystem som tar bort bitarna av den döda cellen. Istället för ett immunsvar syntetiserar den döende cellen ämnen för att bryta ner sig själv och placerar dem i en vakuol som spricker när cellen dör. Dessutom innehåller växter inte fagocytiska celler, som är väsentliga i processen att bryta ner och ta bort apoptotiska kroppar. Huruvida hela denna process liknar djurapoptos tillräckligt nära för att motivera användningen av namnet apoptos (i motsats till den mer generella programmerade celldöden ) är oklart.

Kaspasoberoende apoptos

Karakteriseringen av kaspaserna möjliggjorde utvecklingen av kaspasinhibitorer, som kan användas för att avgöra om en cellulär process involverar aktiva kaspaser. Genom att använda dessa inhibitorer upptäcktes att celler kan dö samtidigt som de uppvisar en morfologi som liknar apoptos utan kaspasaktivering. Senare studier kopplade detta fenomen till frisättningen av AIF ( apoptosinducerande faktor ) från mitokondrierna och dess translokation till kärnan förmedlad av dess NLS (nukleär lokaliseringssignal). Inuti mitokondrierna är AIF förankrad till det inre membranet. För att frigöras klyvs proteinet av ett kalciumberoende kalpainproteas .

Se även

Anoikis
Apaf-1
Apo2.7
Apoptotisk DNA-fragmentering
Atromentin inducerar apoptos i humana leukemi U937-celler .
Autolys
Autofagi
Cisplatin
Cytotoxicitet
Entos
Ferroptos
Homeostas
Immunologi
Nekrobios
Nekros
Nekrotaxi
Nemosis
Mitotisk katastrof
p53
Paraptos
Pseudoapoptos
PI3K/AKT/mTOR-väg

Förklarande fotnoter

Citat

Allmän bibliografi

Alberts B, Johnson A, Lewis J, Raff M, Roberts K, Walter P (2015). Molecular Biology of the Cell (6:e upplagan). Garland Science. sid. 2. ISBN 978-0815344322 .