Апоптоз

Апоптоз - Запрограмована загибель клітини у відповідь на зовнішні або внутрішні сигнали. Апоптоз відбувається під час нормального розвитку, але може бути результатом раку, ВІЛ, хвороби Альцгеймера.

Поширеність у природі

Під час нормального розвитку організму апоптоз виникає в клітинах при формуванні форми або структури органу. Наприклад при утворенні кінцівки миші деякі клітини піддаються апоптозу і утворюються пальці.

Апоптоз під час нормального розвитку кінцівки миші. Клітини що зазнали апоптозу (ліворуч) мечени жовтим. Та ж кінцівку (праворуч) через один день. [Alberts]

Цікаво, що деякі птахи, такі як качка, мають перетинки між пальцями, тоді як у інших птахів, таких як курка, перетинок немає. У ранньому ембріогенезі і курки і качки мають перетинки між пальцями. Специфічний білок BMP4 утворюється в клітинах між пальцями, запускаючи клітинну смерть цих клітин. Інший білок BMP (gremlin) утворюється навколо пальців у обох птахів і тільки у качок утворюється також і в клітинах перетинок, запобігаючи запуск апоптозу в них.

Якщо додавати білок gremlin в перетинку ембріонів курки, то вона не піддається апоптозу і зберігається.

Зліва лапка курки після додавання в перетинку білка Gremlin (перетинка збереглася), праворуч контрольний експеримент без додавання білка (перетинка піддалася апоптозу).

Іншим прикладом апоптозу у нормальному розвитку є метаморфоз пуголовка жаби. Під впливом тиреоїдного гормону при метаморфозу пуголовка жаби, запускається апоптоз і хвіст пуголовка зникає. [Alberts, 4th edition]

Шляхи апоптозу в клітці

Існують два основні шляхи апоптозу в клітці: мітохондріальний шлях і шлях через рецептори апоптозу (смерті).

1. Рецептори апоптозу - сімейства білків CD95 (Apo-1 або Fas) і TNF-R (фактор пухлинного некрозу). TNF-альфа високо цитотоксичних молекула, використовувалася як ліки проти раку. TNF-R1 рецептор широко поширений і тому не може бути виборчим. Інші представники цього сімейства (не всі) мають домен клітинної смерті (DD) - домен білок-білкового взаємодії зв'язується з білком адаптори, таким як FADD. Активація рецепторів апоптозу лігандами (наприклад, CD-95L і TNF-альфа призводить до активації каспаз-8, запускаючи каскад реакцій що ведуть до апоптозу.

2. Мітохондріальний шлях. Мітохондрії виконують центральну роль у апоптозу, при цьому спостерігається збільшення проникності мітохондріальної мембрани. Баланс між про-та анти-апоптозних членів сімейства Bcl-2 регулює вихід про-апоптозних речовин з мітохондрій, що ведуть до запуску апоптозу, таких як AIF, ендонуклеаза G, Smac/DIABLO і цитохром C. Витік цитохрому-С з мітохондрії призводить до утворення апоптосоми в цитоплазмі, яка активує каспаз-9 і запускає клітинну смерть.

Обидва шляху призводять до активації каспаз і запуску каскаду реакцій призводять до загибелі клітини.

каспаз

каспаз (caspase) - ферменти розщеплюють білки по залишках аспартату. Вони містять цистеїнових залишки на своїх активних центрах. Багато ізоформи каспаз ведуть до апоптозу. Вони можуть бути активовані двома шляхами: через рецептори апоптозу та мітохондрії.

Перша відкрита каспаз - Ced-3 (Cell Death-3), виявлена у нематоди C. elegans. Мутація Ced-3 запобігала загибель 131 клітини в процесі нормального розвитку нематоди. Гомолог Ced-3 у ссавців - інтерлейкін-1альфа-перетворює фермент (ICE) і був пізніше названий інгібітор каспаз-1.

Каскад активації каспаз

Відомо 14 каспаз, які поділяються на ініціатори, Ефектори та стимулятори. Ініціатори (каспаз-8 і -9) розщеплюють і активують каспаз Ефектори (каспаз-3). Ефектори розщеплюють різні білки, що веде до загибелі клітини. Активація каспаз веде до запуску протеолітичної каскаду реакцій що ведуть до загибелі клітини. При цьому одні каспаз активують інші - ампліфікація сигналу.

каспаз являє собою тетрамер, що складається з двох великих (~ 20kDa) і двох малих субодиниць (~ 10kDa). Велика і мала субодиниці утворюється в результаті розщеплення прокаспази. Каспаз містять два активних центру QACXG. Інгібуючий домен (DED або CARD) може бути вирізаний з каспаз.

ефекторні каспаз активуються іншими каспаз (трансактівація). Ініціаторние каспаз активуються автоактіваціей, яка відбувається при взаємодії декількох прокаспаз (наприклад, прокаспаза-8 і DISC). Рецептор апоптозу сам по собі не володіє протеазной активністю.

Активація каспаз веде до різних наслідків:

каспаз-9 руйнує ядерні пори, що призводить до проникнення в ядро каспаз-3 і -7. Каспаз-3 розщеплює інгібуючу субодиницю ICAD в двох місцях. Випуск CAD призводить до розщеплення ДНК між Нуклеосома.

каспаз ведуть до реорганізації цитоскелету і розпаду клітини на апаптозние тільця.

каспаз - Сімейство цистеїнових протеїназ, головні Ефектори апоптозу, існують у клітині як неактивні проформи і зімогени, які розщеплюються на активні форми ферментів, активуючи апоптоз.

Ліганд -> рецептор смерті -> активація ініціаторів каспаз (каспаз-8, -10) -> каскад активації інших каспаз> активація каспаз-3, -6 -> інактивація клітинних структур.

Руйнування клітинних структур при апоптозу

Фрагментація хромосомної ДНК неактивний фермент CAD в комплексі з ICAD (інгібітор CAD-фактор фрагментації ДНК) розщеплюється каспаз-3 вивільняючи CAD, кіт розрізає ДНК м-у Нуклеосома

Інактивація ферментів залучених до репарацію ДНК - фермент полі (ADF-ribose) полімераза, або PARP-перше білок виявлений як субстрат для каспаз. PARP залучається до репарацію ДНК і каталізує синтез (ADF-ribose) і закріплює на ланцюгу ДНК ламаючи і змінюючи ядерні білки. Здатність PARP репаріровать руйнування ДНК запобігає подальшим розщепленням PARP каспаз-3

Інактивація білків залучених до реплікацію. Каспаз можуть інактивувати ДНК топоізомеразу II, сприяючи руйнування ДНК.

Руйнування структурних ядерних білків. Каспаз-6 руйнує ламіни руйнуючи ядро, що призводить до конденсації хромосом.

Чутливість клітин до стимулів змінюється в залежності від експресії про-і анти-апоптозних білків (Bcl-2 білок інгібітора), серйозності стумулов та стадії клітинного циклу

Розпад клітини на везикули, перехід фосфатидилсерин з внутрішнього монослоя цитоплазматичної мембрани в зовнішній монослой, зменшення об'єму клітини, зморщування цитоплазматичної мембрани, конденсація ядра (апоптозние бичка), фагоцитуючі макрофагами і клітинами-сусідами.

Ініціатори апоптозу

Зовнішні сигнали (скріплення ліганда індукують смерть рецептором на клітинній пов-ти), швидкий варіант а гранзім B може доставлятися в клітини цитотоксичними T лімфоцитами, коли вони дізнаються інфіковану клітину, активує каспаз-3, 7, 8 і 10.

Клітинний стрес - радіація, хімікалії, вірусна інфекції, недолік чинника зростання, ox стрес | кількість bcl-2 білків визначає кількість стресу необхідного для запуску а. Якщо мітохондрії не справляються з видаленням активних форм O2, останні ініціюють відкриття пір у зовн. м-ні і вихід в цитозолі білка, відповідального за каскад реакцій, що ведуть до синтезу протеаз, Нуклеази

Мітохондрія може бути ключовим регулятором каспазного каскаду та апоптозу - позбавлення цитохрому С в мітохондрії може вести до активації каспаз 9 і потім каспаз 3. Цей ефект досягається через освіту апоптосоми - мультіпротеінового комплексу включає цитохром C, Apaf-1, прокаспазу 9 і АТФ

Апоптосома

Цитохром C звільняється з мітохондрій, зв'язуючись з цитозольних білком Apaf-1. Це взаємодія змінює конформацію Apaf-1 яка стабілізується зв'язуванням ATP дозволяючи молекул Apaf-1 асоціювати один з одним у колесоподобний комплекс складається з 7 молекул. Apaf-1, цитохром C і ATP - апоптосома, приєднуються 7 молекул прокаспаз-9. Можливі механізми:

1. Apaf-1, цитохром C і прокаспаза-9 - комплекс може активувати цитозольних прокаспазу-9 входить до апоптосому.

2. Дві апоптосоми взаємодіють один з одним активуючи прокаспазу-9.

Оксид азоту NO пригнічує апоптоз в лейкоцитах, гепатоцитах, трофобласта та ендотеліальних клітинах. Ефект може бути викликаний через нітрозілірованіе і інактивацію каспаз-3, -1, -8. NO взаємодіє з гемом гуанілати ціклази -> синтез сGMP -> активація cGMP-залежної протеїнкінази -> експресія протівоапоптозних білків.

bcl-2 - Сімейство білків

bcl-2 - Сімейство білків регулятори апоптозу (bc-2, bcl-XL - протівоапоптозние), (Bad, Bax - проапоптозние) | чутливість клітин до апоптозним стимулам може залежати від балансу протидії і проапоптозних bc-2 білків | стрес? проапоптозние bc-2 білки переміщаються на пов-ть мітох, інактівіруя антіапоптозние білки, що приводить до образ пір в мітох і випуск цитохрому с і др про-апоптозних молекул з межм-ного пр-ва -> формується апоптосома -> активація каспазового каскаду.

Проапоптозние члени Bcl-2 збільшують проникність мітохондріальної мембрани, що веде до попаданню проапоптозних білків в цитоплазму. Протівоапоптозние представники сімейства - зменшують проникність.

Bcl-2 поділяється на три субсемейства.

Bcl-2 субсемейство включає Bcl-2, Bcl-xL та Bcl-w, є протівоапоптознимі.

Bax субсемейство включає Bax, Bak і BAD, що є проапоптознимі білками. Їх послідовності гомологічних регіонах Bcl-2 субсемейства - BH1, BH2 і BH3, але НЕ регіону BH4.

BH3 субсемейство з єдиним представником - Bid, у якого гомологічен тільки BH3 регіон.У Bid так само відсутній трансмембранний домен.

Є кілька моделей, що Bcl-2 можуть регулювати проникність мітохондріальної мембрани.

Члени Bcl-2 родини здатні формувати гомо-і гетеродімери. Гетеродімерізація між про-і протидії апоптознимі представниками Bcl-2 інгібує про-апоптозний білок.

Bcl-2 білки також здатні утворювати іонні канали (Bcl-xL, Bcl-2 і Bax).

За іншого механізму Bcl-2 утворюють пори в мітохондріальної мембрани, що здійснюють неспецифічний транспорт невеликих молекул менше 1.5kDa, що порушує синтез ATP і веде до клітинної смерті. Так само цитохром-С і AIF можуть виходити в цитоплазму і утворювати апоптосомуt. Bax і Bak - індукують вихід цитохрому-С і AIF із мітохондрій.

Скорочення.

DD - death domain

Caspases - (cysteinyl aspartate-specific proteases)

ICE - interleicin converting enzime

Список літератури

E. Broker, Frank A.E. Kruyt and Giuseppe Giaccone Cell

Death Independent of Caspases: A Review

Для підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://www.cellbiol.ru/