Procesas, kurio metu ląstelė gali nusižudyti, vadinamas užprogramuota ląstelių mirtimi (PCD). Šis mechanizmas turi keletą atmainų ir atlieka svarbų vaidmenį įvairių organizmų, ypač daugialąsčių, fiziologijoje. Dažniausia ir gerai ištirta ŠN forma yra apoptozė.
Kas yra apoptozė
Apoptozė yra kontroliuojamas fiziologinis ląstelių savęs naikinimo procesas, kuriam būdingas laipsniškas jos turinio sunaikinimas ir suskaidymas, kai susidaro membraninės pūslelės (apoptoziniai kūnai), kurias vėliau absorbuoja fagocitai. Šis genetinis mechanizmas aktyvuojamas veikiant tam tikriems vidiniams ar išoriniams veiksniams.
Su šiuo mirties variantu ląstelės turinys neperžengia membranos ir nesukelia uždegimo. Apoptozės reguliavimo sutrikimas sukelia rimtų patologijų, tokių kaip nekontroliuojamas ląstelių dalijimasis arba audinių degeneracija.
Apoptozė yra tik viena iš kelių užprogramuotos ląstelių mirties (PCD) formų, todėl identifikuoti šias sąvokas yra klaida. Prie garsiųjųląstelių savęs naikinimo tipai taip pat apima mitozinę katastrofą, autofagiją ir užprogramuotą nekrozę. Kiti PCG mechanizmai dar neištirti.
Ląstelių apoptozės priežastys
Užprogramuotos ląstelių mirties mechanizmo suaktyvinimo priežastis gali būti tiek natūralūs fiziologiniai procesai, tiek patologiniai pokyčiai, kuriuos sukelia vidiniai defektai arba išorinių neigiamų veiksnių poveikis.
Paprastai apoptozė subalansuoja ląstelių dalijimosi procesą, reguliuoja jų skaičių ir skatina audinių atsinaujinimą. Šiuo atveju HGC priežastis yra tam tikri signalai, kurie yra homeostazės valdymo sistemos dalis. Apoptozės pagalba sunaikinamos vienkartinės arba savo funkciją atlikusios ląstelės. Taigi, pasibaigus kovai su infekcija, padidėjęs leukocitų, neutrofilų ir kitų ląstelinio imuniteto elementų kiekis pašalinamas būtent dėl apoptozės.
Užprogramuota mirtis yra reprodukcinių sistemų fiziologinio ciklo dalis. Apoptozė dalyvauja ovogenezės procese ir taip pat prisideda prie kiaušialąstės mirties, kai nėra apvaisinimo.
Klasikinis ląstelių apoptozės įtraukimo į vegetatyvinių sistemų gyvavimo ciklą pavyzdys yra rudens lapų kritimas. Pats terminas kilęs iš graikų kalbos žodžio apoptosis, kuris pažodžiui verčiamas kaip „kritimas“.
Apoptozė vaidina svarbų vaidmenį embriogenezėje ir ontogenezėje, kai organizme keičiasi audiniai ir atrofuojasi tam tikri organai. Pavyzdys – kai kurių žinduolių galūnių tarp pirštų esančių membranų išnykimas arba uodegos mirtis metamorfozės metu.varlės.
Apoptozę gali sukelti ląstelėje susikaupę defektiniai pokyčiai, atsirandantys dėl mutacijų, senėjimo ar mitozinių klaidų. CHC paleidimo priežastimi gali būti nepalanki aplinka (maistinių medžiagų trūkumas, deguonies trūkumas) ir patologinis išorinis poveikis, kurį sukelia virusai, bakterijos, toksinai ir kt.. Be to, jei žalingas poveikis yra per stiprus, ląstelė neveikia. turi laiko atlikti apoptozės mechanizmą ir dėl to miršta.patologinio proceso vystymasis – nekrozė.
Morfologiniai ir struktūriniai-biocheminiai ląstelės pokyčiai apoptozės metu
Apoptozės procesui būdingi tam tikri morfologiniai pokyčiai, kuriuos galima stebėti mikroskopu audinių preparate in vitro.
Pagrindinės ląstelių apoptozei būdingos savybės yra šios:
- citoskeleto atstatymas;
- antspauduokite langelio turinį;
- chromatino kondensacija;
- pagrindinis suskaidymas;
- ląstelių tūrio sumažinimas;
- membranos kontūro susiraukšlėjimas;
- burbuliukų susidarymas ląstelės paviršiuje,
- organelių sunaikinimas.
Gyvūnams šie procesai baigiasi apoptocitų susidarymu, kuriuos gali sugerti ir makrofagai, ir gretimų audinių ląstelės. Augaluose apoptozinių kūnų susidarymas nevyksta, o po protoplasto irimo skeletas liekaląstelės sienelė.
Be morfologinių pokyčių, apoptozę lydi daugybė pertvarkymų molekuliniame lygmenyje. Padidėja lipazės ir nukleazės aktyvumas, dėl kurio suskaidomas chromatinas ir daugelis b altymų. Staigiai padidėja cAMP kiekis, keičiasi ląstelės membranos struktūra. Augalų ląstelėse stebimas milžiniškų vakuolių susidarymas.
Kuo apoptozė skiriasi nuo nekrozės
Pagrindinis skirtumas tarp apoptozės ir nekrozės yra ląstelių skilimo priežastis. Pirmuoju atveju naikinimo š altinis yra pačios ląstelės molekuliniai įrankiai, kurie veikia griežtai kontroliuojami ir reikalauja ATP energijos sąnaudų. Sergant nekroze, pasyviai nutrūksta gyvybė dėl išorinio žalingo poveikio.
Apoptozė yra natūralus fiziologinis procesas, sukurtas taip, kad nepakenktų aplinkinėms ląstelėms. Nekrozė yra nekontroliuojamas patologinis reiškinys, atsirandantis dėl kritinių sužalojimų. Todėl nenuostabu, kad apoptozės ir nekrozės mechanizmas, morfologija ir pasekmės daugeliu atžvilgių yra priešingi. Tačiau yra ir bendrų bruožų.
| Proceso charakteristika | Apoptozė | Nekrozė |
| ląstelės garsumas | mažėja | didėja |
| membranos vientisumas | prižiūrėta | pažeistas |
| uždegiminis procesas | trūksta | plėtojasi |
| ATP energija | išlaidavimas | nenaudota |
| chromatino suskaidymas | prieinamas | dabar |
| staigus ATP koncentracijos sumažėjimas | yra | yra |
| proceso rezultatas | fagocitozė | turinio išleidimas į tarpląstelinę erdvę |
Pažeidimo atveju ląstelės suaktyvina užprogramuotos mirties mechanizmą, taip pat siekiant užkirsti kelią nekroziniam vystymuisi. Tačiau naujausi tyrimai parodė, kad yra ir kita nepatologinė nekrozės forma, kuri dar vadinama PCD.
Biologinė apoptozės reikšmė
Nepaisant to, kad apoptozė sukelia ląstelių mirtį, jos vaidmuo palaikant normalų viso organizmo funkcionavimą yra labai didelis. Dėl PCG mechanizmo atliekamos šios fiziologinės funkcijos:
- išlaikyti pusiausvyrą tarp ląstelių dauginimosi ir mirties;
- audinių ir organų atnaujinimas;
- defektuotų ir "senų" elementų pašalinimas;
- apsauga nuo patogeninės nekrozės išsivystymo;
- audinių ir organų pasikeitimas embriogenezės ir ontogenezės metu;
- pašalinti nereikalingus elementus, kurie atliko savo funkciją;
- nepageidaujamų ar pavojingų organizmui ląstelių (mutantų, auglių, užkrėstų virusu) pašalinimas;
- infekcijos prevencija.
Taigi, apoptozė yra vienas iš būdų palaikyti ląstelių ir audinių homeostazę.
Augaluoseapoptozė dažnai sukeliama siekiant blokuoti audinius infekuojančių parazitinių agrobakterijų plitimą.
Ląstelių mirties etapai
Kas nutinka ląstelei apoptozės metu, yra sudėtingos skirtingų fermentų molekulinės sąveikos grandinės rezultatas. Reakcijos vyksta kaip kaskados, kai vieni b altymai aktyvuoja kitus, prisidedant prie laipsniško mirties scenarijaus vystymosi. Šį procesą galima suskirstyti į kelis etapus:
- Indukcija.
- Proapoptotinių b altymų aktyvinimas.
- Kaspazės aktyvinimas.
- Ląstelių organelių sunaikinimas ir restruktūrizavimas.
- Apoptocitų susidarymas.
- Ląstelių fragmentų paruošimas fagocitozei.
Visų komponentų, reikalingų kiekvienam etapui pradėti, įgyvendinti ir kontroliuoti, sintezė yra genetiškai pagrįsta, todėl apoptozė vadinama užprogramuota ląstelių mirtimi. Šio proceso aktyvinimas yra griežtai kontroliuojamas reguliavimo sistemų, įskaitant įvairius CHG inhibitorius.
Ląstelių apoptozės molekuliniai mechanizmai
Apoptozės vystymąsi lemia dviejų molekulinių sistemų – indukcijos ir efektoriaus – bendras veikimas. Pirmasis blokas yra atsakingas už kontroliuojamą ZGK paleidimą. Tai apima vadinamuosius mirties receptorius, Cys-Asp-proteazes (kaspazes), daugybę mitochondrijų komponentų ir proapoptotinius b altymus. Visus indukcijos fazės elementus galima suskirstyti į trigerius (dalyvauja indukcijoje) ir moduliatorius, kurie užtikrina mirties signalo perdavimą.
Efektorių sistemą sudaro molekuliniai įrankiai, užtikrinantys ląstelių komponentų degradaciją ir restruktūrizavimą. Perėjimas tarp pirmosios ir antrosios fazės vyksta proteolitinės kaspazės kaskados stadijoje. Dėl efektorinio bloko komponentų apoptozės metu ląstelės miršta.
Apoptozės veiksniai
Struktūrinius-morfologinius ir biocheminius pokyčius apoptozės metu atlieka tam tikras specializuotų ląstelių įrankių rinkinys, tarp kurių svarbiausios yra kaspazės, nukleazės ir membranos modifikatoriai.
Kaspazės – tai grupė fermentų, kurie pertraukia peptidinius ryšius ties asparagino liekanomis, suskaidydami b altymus į didelius peptidus. Prieš prasidedant apoptozei, jie ląstelėje yra neaktyvios būsenos dėl inhibitorių. Pagrindiniai kaspazių taikiniai yra branduoliniai b altymai.
Nukleazės yra atsakingos už DNR molekulių pjaustymą. Ypač svarbi apoptozės vystymuisi yra aktyvi endonukleazė CAD, kuri suardo chromatino sritis linkerių sekų srityse. Dėl to susidaro 120–180 nukleotidų porų ilgio fragmentai. Sudėtingas proteolitinių kaspazių ir nukleazių poveikis sukelia branduolio deformaciją ir suskaidymą.
Ląstelių membranos modifikatoriai – suardo bilipidinio sluoksnio asimetriją ir paverčia jį fagocitinių ląstelių taikiniu.
Pagrindinį vaidmenį vystant apoptozę turi kaspazės, kurios palaipsniui aktyvuoja visus vėlesnius skilimo ir morfologinio persitvarkymo mechanizmus.
Kaspazės vaidmuo ląstelėsemirtis
Kaspazių šeimą sudaro 14 b altymų. Kai kurie iš jų nedalyvauja apoptozėje, o likusieji skirstomi į 2 grupes: iniciacines (2, 8, 9, 10, 12) ir efektorines (3, 6 ir 7), kurios kitaip vadinamos antros pakopos kaspazėmis. Visi šie b altymai yra sintetinami kaip pirmtakai – prokaspazės, aktyvuojamos proteolitiniu skilimu, kurio esmė yra N-galinio domeno atsiskyrimas ir likusios molekulės padalijimas į dvi dalis, vėliau susiejamos į dimerus ir tetramerus.
Iniciatorių kaspazės reikalingos, kad aktyvuotų efektorių grupę, kuri pasižymi proteolitiniu aktyvumu prieš įvairius gyvybiškai svarbius ląstelių b altymus. Antros pakopos kaspazės substratai apima:
- DNR taisymo fermentai;
- p-53 b altymų inhibitorius;
- poli-(ADP-ribozės)-polimerazė;
- DNazės DFF inhibitorius (šio b altymo sunaikinimas suaktyvina CAD endonukleazę) ir kt.
Bendras efektorinių kaspazių taikinių skaičius yra daugiau nei 60 b altymų.
Ląstelių apoptozės slopinimas vis dar įmanomas iniciatorių prokaspazių aktyvavimo stadijoje. Suaktyvinus efektorines kaspazes, procesas tampa negrįžtamas.
Apoptozės aktyvinimo būdai
Signalas, norint pradėti ląstelių apoptozę, gali būti perduodamas dviem būdais: receptoriniu (arba išoriniu) ir mitochondriniu. Pirmuoju atveju procesas suaktyvinamas per specifinius mirties receptorius, kurie suvokia išorinius signalus, kurie yra TNF (naviko nekrozės faktoriaus) šeimos b altymai arba paviršiuje esantys Fas ligandai. T-žudikai.
Receptorius apima 2 funkcinius domenus: transmembraninį (skirtą prisijungti prie ligando) ir „mirties domeną“, orientuotą į ląstelės vidų, kuris sukelia apoptozę. Receptoriaus kelio mechanizmas pagrįstas DISC komplekso, kuris aktyvuoja 8 arba 10 iniciatorių kaspazes, susidarymu.
Surinkimas prasideda mirties domeno sąveika su ląstelėje esančiais adapterio b altymais, kurie savo ruožtu suriša iniciatorius prokaspazes. Kaip komplekso dalis, pastarosios paverčiamos funkciškai aktyviomis kaspazėmis ir sukelia tolesnę apoptotinę kaskadą.
Vidinio kelio mechanizmas pagrįstas proteolitinės kaskados aktyvavimu specifiniais mitochondrijų b altymais, kurių išsiskyrimą kontroliuoja viduląsteliniai signalai. Organelių komponentai išsiskiria susidarant didžiulėms poroms.
Citochromas c vaidina ypatingą vaidmenį paleidžiant. Patekęs į citoplazmą, šis elektrotransporto grandinės komponentas jungiasi prie Apaf1 b altymo (apoptotinę proteazę aktyvinančio faktoriaus), o tai lemia pastarojo aktyvavimą. Tada Apaf1 yra surištas su iniciatorių prokaspazėmis 9, kurios kaskadiniu mechanizmu sukelia apoptozę.
Vidinio kelio kontrolę vykdo speciali Bcl12 šeimos b altymų grupė, kuri reguliuoja tarpmembraninių mitochondrijų komponentų išsiskyrimą į citoplazmą. Šeimoje yra ir proapoptotinių, ir antiapoptotinių b altymų, kurių pusiausvyra lemia, ar procesas bus pradėtas.
Vienas iš galingų veiksnių, sukeliančių mitochondrijų mechanizmą apoptozę, yra reaktyvūsdeguonies formos. Kitas svarbus induktorius yra p53 b altymas, kuris suaktyvina mitochondrijų kelią esant DNR pažeidimui.
Kartais ląstelių apoptozės pradžia sujungia du būdus vienu metu: ir išorinį, ir vidinį. Pastarasis paprastai padeda sustiprinti receptorių aktyvavimą.
