Apoptóza

Apoptóza (z řečtiny αποπτωδις apo = z a ptosis = padání) (apoptotická nekróza) je jeden z hlavních (nejčastějších) typů programované bunečné smrti (buněčné suicidium) (programmed cell death, PCD) buňky. Je to proces úmyslné sebevraždy nechtěné buňky v mnohobunečném organismu.

Tento termín (anglicky: apoptosis) používaný v biologii použili poprvé roku 1972 Kerr, Wyllie & Currie (Brit J. Cancer 26:239) pro zřetelně morfologicky odlišnou formu buněčné smrti.

Na rozdíl od nekrózy, což je akutní patologický proces tkáně, apoptóza se uskutečňuje v řízeném procesu, který dává organismu během jeho životního cyklu různé výhody. U apoptózy chybí makroskopické znaky, není zánětlivá reakce a nemění se propustnost plazmatické membrány.

[editovat] Rozdělení

Starší schéma různých cest, které vedou k nekróze:

živá buňka
   |
   +--> onkóza ----->--+
   |                   +---> nekróza
   +--> apoptóza --->--+

Novější rozdělení: (Rozdělení je umělé a proto vždy záleží na používání co nejpřesnější terminologie).

• buněčná smrt
  • programovaná buněčná smrt (PCD)
    • apoptotická nekróza = apoptóza
    • autofagická nekróza
  • onkotická nekróza
  • další neprozkoumané formy buněčné smrti

[editovat] Kdy probíhá apoptóza

• spontální homeostatický systém regulace
  • např. zánik nadbytečných buněk v prenatálním období (u embrya, u plodu)
    • např. v prenatálním období se orgány zakládají jako shluky buněk a duté orgány vznikají tak, že vnitřní buňky zaniknou apoptózou
    • např. diferenciace lidkých prstů při vývoji embrya vyžaduje jejich oddělení a tudíž, aby proběhla mezi prsty apoptóza
  • např. zánik buněk ve tkáních - např. zánik červených krvinek po přibližně 80 dnech.
• indukovaný děj např. po poškození DNA, které již neumí buňka opravit

Nadměrná nebo nedostatečná apoptóza způsobuje některé významné choroby. Nadměrná apoptóza způsobuje:

• AIDS
• aplastická anémie
• degenrativní neurologické poruchy: Alzheimerova choroba, Huntingtonova choroba, Parkinsonova choroba
• diabetes mellitus typu I
• Hashimotova struma
• chronická neutropenie
• ischemie
• Lupus erythematodes
• myelodysplastický syndrom
• roztroušená mozkomíšní skleróza
• selhání jater
• spinální svalová atrofie
• ulcerózní kolitis
• vývojové vady
• Wilsonova choroba

Nedostatečná apoptóza způsobuje:

• buňky dále přežívají a může dojít ke vzniku nádorů nebo autoimunitních chorob (revmatoidní artritida [1])

• autoimunitní lymfoproliferativní syndrom (Canale-Smithův syndrom)
• diabetes mellitus typu I
• Gravesova choroba
• hypereosinofilní syndrom
• Hashimotova struma
• leukémie
• Lupus erythematodes
• lymfomy
• osteoporóza
• solidní nádory, neoplasie
• vývojové vady

[editovat] Průběh apoptózy

Průběh apoptózy.
1) Vlevo: zdravá buňka. Vpravo: buňka podléhající apoptóze.
2) Apoptotická buňka se zmenšuje.
3) Apoptotická buňka se rozpadá na apoptotická tělíska a je fagocytována.
4) Apoptotická buňka je rozložena.

Hlavním smyslem apoptózy je zlikvidovat poškozenou buňku, aby se nemohla již dále množit. Důležité procesy tedy směřují k rozkladu jádra, ve kterém je DNA. Dochází k tzv. jaderné smrti. U apoptźy dojde vždy nejdříve ke fragmentaci DNA a pak se projeví morfologické změny.

Od iniciálního stimulu po apotickou smrt buňky to trvá 12 až 24 hodin. Apoptóza jedné buňky trvá asi půl hodiny. Fagocytóza makrofágy trvá několik hodin.

[editovat] Fáze apoptózy

• začátek iniciace apoptózy
• aktivace signálních cest
• aktivace genové transkripce
  • působení systémů zachycujících apoptický signál, např. protein p53 (vytváří ho antionkogen p53)
• vlastní systém apoptózy
  • proteiny se zesíťují transglutaminázami
  • aktivují se cysteinové proteasy (kaspázy) (působení skupiny cysteinových proteáz)
    • interleukin cleaving enzyme a jeho substrát apopain a apoppain má zase jako substrát poly(ADP-ribosa)polymerasa
  • aktivují se jaderné endonukleasy
    • fragmentace DNA je internukleozomální, tzn. že DNA je rozštěpena v internukleozomálních oblastech na dvouvláknové molekuly o velikosti asi 185 párů bází případně větší části.
• smrt buňky

[editovat] Morfologické změny

• Cytoplazma kondenzuje.
• Buňka se zmenší (shrinkage necrosis).
• Ztráta mezibuněčného kontaktu.
• Jádro se svraští (změní se na pyknotické jádro, pyknóza, karyopyknóza).
• Jadérko se kondenzuje, kondenzace chromatinu.
• Rozpad chromatinu, rozpad jádra (karyorexe, karyorhexe).
• Buňka je fagocytována. Fagocytóza apoptických buněk je konstantní. Provádějí ji makrofágy. Lysozomální apoptické tělísko je fagocytováno histiocyty.
• Nebo: Na buněčné membráně vzniknou buněčné zářezy --> rozpad buňky na apoptotická tělíska (apoptosomy), která jsou potom fagocytována.

[editovat] Apoptózu podporují (proapoptické faktory)

charakteristické rysy indukující apoptózu:

• vývoj organismu
• genetická kontrola

vnější vlivy schopné způsobit (vyvolávající) apoptózu:

• stres: tepelný šok (hypertermie), nefyziologická vlhkost, hypoxie
• poškození DNA a buňky
• volné radikály
• chemoterapie
• toxiny a toxické látky, např. H₂O₂, azid sodný
• NO
• hormony (steroidy)
• cytostaika (TNFα, TGF beta)
• (Fas-L, Reaper) (??? asi také patří mezi cytostatika)
• ozáření (radiace), např. rentgenové záření, ionizující záření
• virová infekce, bakteriální infekce
• interakce buněk
  • ztráta kontaktu s okolními buňkami
  • různé imunitní pochody: interakce s cytotoxickými buňkami (T_C lymfocyt) (když se naváže povrchový receptor s příslušným ligandem z jedné buňky na druhou)

• růstové faktory (hormony a další regulační faktory), apoptózu indukuje jejich nadbytek i nedostatek
  • glukokortikoidy
  • cytokiny (cytokiny aktivují sfingomyelinový cyklus, produktem je ceramid, který blokuje buněčný cyklus a podporuje apoptózu)

vnitřní faktory podporující apoptózu

• Ca²⁺
• specifické molekuly, které se vážou na určité receptory
  • TNF receptor
  • např. cytokin (v tomto případě obecně FAS-ligand (FASL)) se naváže na trimer FAS receptoru. Trimer FAS se spojí s FADD (= Fas-associated death domain), FADD způsobí změnu procaspázy na caspázu.

geny:

• podrodina Bax:
  • onkogen bax (= bcl-2 associated X protein)
  • gen bak (= bcl-2 homologous anthagonist/killer)
  • gen bok/Mtd
• podrodina BH3:
  • gen bik (= bcl-2 interacting killer) /Blk/Nbk
  • gen hrk/DP5
  • BNIP3
  • gen bim_L/Bod
  • gen bad
  • gen bid
  • gen Egl-1

• gen bag, bag-1 (= bcl-2 associated athanogene-1)
• protein Bcl-G
• protein Bfk
• protein Bmf
• onkogen bcl-x_S
• gen Diva
• gen p53
• gen c-jun
• protein Noxa
• protein Puma/Bbc3

[editovat] Apoptózu blokují (antiapoptické faktory)

• uplatňují se geny genové rodiny bcl-2, podrodina Bcl-2:
  • onkogen bcl-2 (= B cell lymphomal leukemia-2) - produkuje protein BCL-2, který ve vniřní membráně mitochondrií pravděpodobně omezuje vliv volných radikálů (detoxikuje volné radikály). V endoplazmatickém retikulu omezuje uvolňování Ca²⁺.
  • onkogen bcl-x_L
  • protein Bcl-w
  • gen Mcl-1 (= myeloid cell leukemia-1)
  • gen A 1/bfl-1
  • NR-13
  • BHRF1 (virus Epsteina a Barrové)
  • LMW5-HL (african swine fewer virus)
  • ORF16
  • KS-bcl-2
  • adenovirus protein E1B19kD^[1]
  • ced-9 (hlístice Caenorhabditis elegans)
• gen Rb (= retinoblastoma gene product)
• gen brag-1
• gen boo
• protein Sonic hedgehog (SSH) - význam ve vývoji struny hřbetní (chorda dorsalis)

[editovat] Jak makrofágy najdou apoptotickou buňku

Vyhledání apoptotických buněk makrofágy je velmi rychlé a efektivní. Apoptotická buňka má totiž na vnější straně specifické proteiny, které makrofág najde a buňku zfagocytuje.

Proteiny (Eat-me signals) na apoptotické buňce (Lauber K. et al.):

• Fosfatidylserin se z vnitřní strany cytoplazmatické membrány přesmykne na vnější stranu a na něj se vážou některé z těchto proteinů.
• ABC1 = ATP binding-cassette-transporter 1
• AnxI = Annexin I
• β2-GPI = β2-glycoprotein-I
• C1q = complement protein C1q
• C3b/bi = complement protein C3b/bi
• Gas6 = growth arrest-specific 6
• ICAM-3 = intercellular adhesion molecule 3
• MBL = mannose binding lectin
• MFG-E8 = milk-fat-globule-EGF-factor 8
• OxLDL = oxidized low-density lipoprotein particle
• SP-A/D = lung surfactant protein A or D
• TSP-1 = thrombospondin-1
• vitronektin (vitronectin, S-protein, protein S, zkratka: Prot S)^[2]

Receptory na makrofágu:

• CD14 = lipopolysaccharide receptor CD14
• CD91 = calreticulin/heat shock protein receptor; (CRT = calreticulin)
• CR3 = complement receptor 3
• CR4 = complement receptor 4
• LOX1 = lectin-like oxidized low-density lipoprotein particle receptor 1
• Mer = receptor-tyrosin-kinase (exprimuje se v monocytech a ve tkáních epiteliálního a rozmnožovacího původu)
• SR-A = class A macrophage scavenger receptor
• předpokládal se význam PS-receptor = phosphatidylserine receptor^[3], ale normální apoptóza funguje i bez PS-receptoru^[4]

(Snadnou fagocytózu dále způsobuje asi tohle: z povrchových glykoproteinů se ztratí (?) sialová kyselina.)

[editovat] Apoptóza u hlístice

• Apoptóza byla nejdříve prozkoumána na modelovém orgranismu hlístice Caenorhabditis elegans. Geny se u této hlístice uplatňují v tomto pořadí:
  • geny ced (= Caenorhabditis elegans cell death genes)
    • regulační geny
      • ced-9
    • iniciační geny
      • ced-3
      • ced-4
      • ced-1, ced-2, ced-5, ced-6, ced-7, ced-8, ced-10
  • geny nuc - nuclease genes
    • nuc-1 - gen kódující nukleasu způsobující degradaci DNA.

Těmto genům odpovídají u savců na základě sekvenční homologie jiné geny. Např. genu ced-9 odpovídá gen bcl-2.

[editovat] Další podrobnosti

• DNA je pravděpodobně štěpena nějakou Ca²⁺-Mg²⁺dependentní endonukleázou. Proti tomuto štěpení působí ionty zinku.

[editovat] Metody detekce apoptózy

• Nejspolehlivější metodou detekce apoptózy je pozorování fragmentace DNA pomocí elektronového mikroskopu.
• TUNEL (TdT-mediated dUTP-biotin nick end labelling, TUNEL assay) - enzymem terminální deoxynukleotidyl-transferasa (TdT) se naváže na 3'OH konce DNA označený dUTP. (Biotinylovaný dUTP se detekuje pomocí streptavidin-peroxidasy a zvizualizuje pomocí DAB. Když je dUTP označený fluoresceinem, detekuje se pomocí konjugátu alkalické fosfatázy a antifluoresceionové protilátky a zvizualizuje pomocí NBT/BCIP.) Metoda značí buňky na začátku a ve střední fázi apoptózy. Detekuje ale také nekrotické buňky. Používá se na tkáňové řezy.
• ISNTA (in situ nick translation assay) - syntetizuje DNA v místech zlomů pomocí DNA-polymerasy. Takto syntetizované úseky se označí pomocí biotinylovaného dUTP. Metoda označuje buňky v pozdní fázi apoptózy a čím pozdější fáze (čím více zlomů), tím je buňka označena intenzivněji. Používá se na tkáňové řezy i na buněčné kultury.
• Detekce kaspázy.

[editovat] Výzkum apoptózy v současnosti

• Apoptóza je v současnosti velmi internzivně zkoumána. Počet publikací o apoptóze roste geometrickou řadou [2] a roku 2005 je o apoptóze více než 100 000 vědeckých článků.
• Roku 2002 dostali Sydney Brenner, H. Robert Horvitz a John E. Sulston Nobelovu cenu za fyzilogii a lékařství za výzkum v oblasti genetická regulace vývoje orgánů a programovaná bunečná smrt.

[editovat] Další termíny související s apoptózou

(Seznam zkratek a termínů, které nejsou uvedené v textu.)

• AIF = apoptosis inducing factor
• Apaf = apoptosis protease activating factor
• CAD = Caspase - activated DNase
• cdc2 = p34^cdc2 protein kinase
• cdk = cyclin-dependent kinase
• crm = cytokine response modifier
• crm A = cytokine response modifier A
• Daxx = death domain associated protein
• DcR1 = decoy receptor 1
• DD = death domain
• DED = death effector domain
• DISC = death inducing signaling complex
• DR = death receptor
• FAP-1 = Fas-associated phosphatase-1
• FLICE = FADD-like ICE/MORT-1 associated Ced3 homologue
• FLIP = FLICE-inhibitory protein
• GADD = growth arrest and DNA damage inducible
• HIAP = human inhibitor of apoptosis protein
• ICAD = inhibitor od CAD
• ICE = interleukin-1β converting enzyme
• Ich-1 = Ice, Ced-3 homolog-1
• JNK = jun N-terminal kinase
• Mch-2 = mammalian Ced-3 homologue-2
• mdm2 = murine double minute-2
• Nedd2 = neural precursor cell-expressed, developmentaly down-regulated gene 2
• NF-κB = nuclear factor kappa B
• NGFR = nerve growth factor receptor
• PARP = poly ADP-ribose polymerase
• PCNA = proliferating cell nuclear antigen
• RAIDD = RIP associated ICH-1/CED-3 homologous protein with a death domain
• RIP = receptor interacting protein
• sFAS = soluble Fas
• TNFR = tumor necrosis factor receptor
• TRADD = TNFR1-associated death domain protein
• TRAF = TNF receptor associated factor
• TRAF2 = TNF receptor associated factor 2
• TRAIL = TNF-related apoptosis inducing ligand

[editovat] Reference

• Adams, J. M. & Cory, S. (1998) The Bcl-2 protein family: arbiters of cell survival. Science, 281: 1322-1326.
• Chaloupka J. (1996) Programovaná smrt buňky. - Biologické listy, 61(3-4): 2479-271.
• Kohlíková E. et al. (2003) Cytopatologie, patobiochemie a patofyziologie. - Praha, (strany 31-33).
• Kolář, Z (1997) Úvod do molekulární patologie a onkologie. - Vydavatelství Univerzity Palackého, Olomouc, 61 pp.
• Lauber, K., Blumenthal, S.G., Waibel, M., Wesselborg, S. (2004) Clearance of apoptotic cells: Getting rid of the corpses. - Molecular Cell, 14(3): 277-287.
• Saikumar, P., Dong, Z., Mikhailov, V., Denton, M., Weinberg, J.M. & Venkatachalam, M.A. (1999) Apoptosis: definition, mechanisms, and relevance to disease. - Am. J. Med., 107(5): 489-506.
• * říjen 2005 apoptóza na stránkách firmy Roche - v levém menu např.: signální dráhy.

[editovat] Reference odkazované v článku

1. ↑ Huang, D.C.S., Cory, S., Strasser, A.: Bcl-2, Bcl-xL and adenovirus protein E1B19kD are functionally equivalent in their ability to inhibit cell death. (1997) Oncogene, 14 pp. 405-414
2. ↑ http://www.promega.com/tbs/9pig538/9pig538.html
3. ↑ http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?cmd=Retrieve&db=pubmed&dopt=Abstract&list_uids=14645835
4. ↑ http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?cmd=Retrieve&db=pubmed&dopt=Abstract&list_uids=15345036&query_hl=22

[editovat] Externí odkazy

• Kušíková E.: Co je to apoptóza a proč nás zajímá?
• Topinková E.: Apoptóza - programovaná buněčná smrt a stárnutí. - Sanquis, 2002/20.

anglické odkazy:

• obecné informace (anglicky)
• signální dráhy tematicky roztříděné na jednotlivých slidech (anglicky)
• signální dráhy (anglicky) (nefunguje ve Firefox)
• distributor chemikálií (anglicky) - kliknout v levém menu na „apoptosis“

Nobelova cena

• Nobelova cena za medicínu 2002 (anglicky)