Wyklad-9-apoptoza, Biologia UWr, III rok, MOK
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Apoptoza a programowana śmierć komórki
- definicje
Apoptoza
•
Apoptoza
–morfologiczny opis śmierci komórki, inny niż
nekroza
,
czyli przypadkowa śmierć pod wpływem czynników zewnętrznych
•
Programowana śmierć komórki
(programmedcelldeath) –
opisuje proces, który indukuje śmierć pojedynczej komórki
podczas rozwoju organizmu w ściśle określonym miejscu i w ściśle
określonym czasie
Wykład 9
•
Terminy te często używa się wymiennie, bo prawie każda
programowana śmierć komórki odbywa się na drodze apoptozy,
ale np. śmierć komórki w wyniku uszkodzeń DNA odbywa się na
drodze apoptozy, która nie była z góry zaprogramowana i bez
uszkodzenia DNA śmierć by nie nastąpiła
Przebieg nekrozy (martwicy)
Przebieg apoptozy
• Apoptoza może być inicjowana przez brak
czynników wzrostu, hormony i cytokiny (TNF-
alfa i TGF-beta) poprzez aktywację
receptorów błonowych oraz przez czynniki
cytotoksyczne (chemioterapeutyki) i fizyczne
(promieniowanie UV i gamma: uszkodzenia
DNA), które indukują kaskadę zmian
morfologicznych i biochemicznych
• Zmiany morfologiczne obejmują zaburzenie
asymetrii błony komórkowej, obkurczanie
cytoplazmy i organelli, kondensację a potem
fragmentaryzację chromatyny oraz
uwypuklanie błony komórkowej, które tworzą
pęcherzyki zawierające fragmenty
cytoplazmy i jądra
• łe w ten sposób ciałka apoptotyczne
fagocytowane są przez sąsiadujące komórki
lub makrofagi, co nie wywołuje odczynu
zapalnego
•
Niekorzystne czynniki zewnętrzne w
krótkim czasie (minuty) powodują
zaburzenia homeostazy grupy komórek:
następuje utrata selektywnej
przepuszczalności błony, co powoduje
napływ wody i jonów (głównie wapnia i
sodu)
•
W wyniku napływu wody następuje
pęcznienie cytoplazmy i organelli, a wysoki
poziom jonów wapnia indukuje nukleazy
•
Dochodzi do chaotycznego cięcia DNA, a
pęcznienie komórki prowadzi do
przerwania ciągłości błony komórkowej, a z
pękających lizosomów wydostają się
hydrolazy, które degradują białka, RNA i
DNA
•
Rozpad komórek wywołuje odpowiedź
układu immunologicznego i rozwinięcie
procesu zapalnego
Klasyfikacja typów śmierci komórki
Porównanie apoptozy i nekrozy
•
Nekroza
(przypadkowa i bierna śmierć spowodowana przez niszczące czynniki
zewnętrzne: fizyczne, chemiczne, biologiczne)
APOPTOZA
NEKROZA
•
Apoptoza
(ściśle regulowany aktywny proces fizjologiczny o
charakterystycznych cechach morfologicznych, w wyniku którego usuwane są
niepotrzebne lub niewykorzystane komórki podczas embriogenezy i rozwoju
organów oraz uszkodzone, nieprawidłowo umiejscowione, zmutowane lub
zainfekowane komórki, co stanowi mechanizm obronny organizmu; brak apoptozy
prowadzić może do nowotworów i chorób autoimmunologicznych, a zbyt
intensywna apoptoza może powodować choroby neurodegeneracyjne np. chorobę
Alzheimera)
1.
Proces aktywny zależny od ATP
1.
Proces pasywny, niezależny od ATP
2.
Utrata homeostazy jonów
2.
Proces regulowany i enzymatyczny
3.
Obkurczanie komórki
3.
Pęcznienie komórki
4.
Asymetria błony komórkowej przy zachowaniu
integralności
4.
Utrata integralności, zwiększona
przepuszczalność
5.
Obkurczanie cytoplazmy, organelle nie pękają
5.
Pęcznienie cytoplazmy, dezintegracja organelli
6.
Kondensacja chromatyny, specyficzna
fragmentacja DNA
6.
Dezintegracja jądra, niespecyficzna
degradacja DNA
7.
Pęcznienie mitochondriów, spadek potencjału
błon mitochondrialnych
7.
Pęcznienie i pękanie mitochondriów,
mitochondria niefunkcjonalne
•
Programowana śmierć komórki podobna do apoptozy
(kondensacja chromatyny w
stopniu słabym, zwykle niezależna od kaspaz)
8.
Rozpad komórki na ciałka apoptotyczne
8.
Liza komórki Brak ciałek apoptotycznych
•
Programowana śmierć komórki podobna do nekrozy
(brak kondensacji
chromatyny)
9.
Fagocytoza przez komórki sąsiadujące i
makrofagi
9.
Fagocytoza resztek komórki przez makrofagi i
komórki żerne
10.
Brak odczynu zapalnego
10.
Odczyn zapalny
•
Autofagia
(samotrawienie)
11.
Obejmuje pojedyncze komórki
11.
Obejmuje całe grupy komórek
•
Mitotyczna katastrofa
(defektywne punkty kontrolne cyklu komórkowego po
uszkodzeniach DNA, co prowadzi do aneuploidalnych komórek)
C. elegans– modelowy organizm do badań
nad programowaną śmiercią komórek
Porównanie mechanizmu programowanej
śmierci komórek u C. elegansi ssaków
•
C. elegansposiada przeźroczyste ciało zbudowane
tylko z 1090 komórek somatycznych, z których
dokładnie 131 ulega zaprogramowanej śmierci w
trakcie rozwoju tego robaka
Ssaki
Błona
mitochond.
•
Poszukiwanie genów odpowiedzialnych za ten
proces zaowocowało na początku lat 90-tych
odkryciem molekularnego mechanizmu
programowanej śmierci komórki, w której
kluczową rolę pełnią proteazy zwane kaspazami
Błona
komórkowa
Przyłącza się
i aktywuje Ced-3
Aktywacja transkrypcji
przez sygnały śmierci
Trawienie
substratów
i śmierć
Przyłącza się
i inhibuje Ced-9
Represja
transkrypcji
Przyłącza się
Kaspaza
Kaspazy to proteazy które inicjują apoptozę i
warunkują nieodwracalność tego procesu
Szlaki sygnalizacyjne apoptozy
• Proteazy: hydrolazy peptydowe, które przecinają wiązanie peptydowe; egzo- i endopeptydazy
• y ą dzielone według biorącego udział w katalizie aminokwasu z centrum
aktywnego enzymu
Szlak zewnętrzny zależny
od błonowych receptorów śmierci
Szlak wewnętrzny zależny
od mitochondriów
Mitochondrium
Przyłączony ligand
Receptor śmierci
Błona komórkowa
•
Kaspaza jest proteazą cysteinową, która specyficznie przecina wiązanie peptydowe od strony
karbosylowej reszty kwasu asparaginowego (
caspase
:
c
ysteine-dependent
asp
artate specific
prote
ase
)
Permealizacja
błony mitochondrialnej
Wyciek
cytochromu c
Białko adaptorowe
i przyłączenie
prokaspazy
Aktywacja
efektorowych kaspaz
Utworzenie
apoptosomu i
aktywacja kaspaz
inicjujących
Aktywacja
inicjujących
kaspaz
Struktura kaspazy
Substraty kaspaz
Prokaspaza 1
•
y ą syntetyzowane jako nieaktywne prekursory
–zymogeny(prokaskazy)
Asp
Cys
Asp
Asp
Arg341
•Rozkład struktur komórkowych: laminy (prowadzi to do
kondensacji chromatyny), gelzolina (aktywna forma po cięciu
rozkłada filamenty aktynowe)
• Inaktywacja białek związanych z naprawą DNA (PARP, DNA-PK),
replikacją (RFC), splicingiem, regulacją cyklu komórkowego i
transkrypcji
• Prekursory kaspaz wykonawczych: prokaspaza 3, 6, 7
•Białka proapoptotyczne: Bid
•Białka, które hamują apoptozę: Bcl-2, Bcl-xL, ICAD (inhibitor
CAD – nukleaza aktywowana przez kaspazy)
•
y ą aktywowane przez proteolityczne cięcie za
specyficznymi resztami kwasu asparaginowego w
wyniku autoproteolizy lub przez inne kaspazy; w wyniku
cięcia powstaje duża (p20) i mała podjednostka (p10),
które w wyniku tetrameryzacji tworzą centrum
aktywne proteazy
Prodomena
Domena duża
Mała
Cięcie proteolityczne
Cys
•
Kaspazy inicjujące: kaspaza 8, 9 i 10
Prodomena
Domena duża
Mała
•
Kaspazy efektorowe: kaspaza 3, 6 i 7
•
Kaspazy nieapoptotyczne – aktywatory cytokin: kaspaza
1, 4, 5, 11, 12, 13, 14
Tetrameryzacja
•
a że być bardzo krótka lub zawierać
motywy DED (death effector domain) lub CARD
(caspase recruitment domain), które biorą udział w
interakcjach z białkami adaptorowymi oraz między
prokaspazami oraz w aktywacji prokaspaz
Kaspaza 1
Centrum aktywne:
Arg179 His237 Cys285 Arg341
•
Mechanizm aktywacji: zbliżenie monomerów przez
indukujące apoptozę kofaktory i utworzenie
homodimeru, co indukuje autoproteolizę albo kofaktory
indukują zmiany konformacyjne w prekursorach kaspaz,
co indukuję autokatalizę
Homologi kaspaz odkryto także u organizmów
jednokomórkowych: bakterii, pierwotniaków i grzybów,
ale ich funkcja oraz możliwość wystąpienia u nich
samobójczej śmierci jest dyskusyjna i bardzo
kontrowersyjna.
Szlaki sygnalizacyjne apoptozy
Szlak zewnętrzny zależny
od błonowych receptorów śmierci
Szlak wewnętrzny zależny
od mitochondriów
Mitochondrium
Przyłączony ligand
Receptor śmierci
Błona komórkowa
Permealizacja
błony mitochondrialnej
Wyciek
cytochromu c
Białko adaptorowe
i przyłączenie
prokaspazy
Aktywacja
efektorowych kaspaz
Utworzenie
apoptosomu i
aktywacja kaspaz
inicjujących
Aktywacja
inicjujących
kaspaz
Szlaki sygnalizacyjne apoptozy – szlak
zewnętrzny indukowany przez receptory śmierci
Szlak wewnętrzny – mitochondrialny
apoptozy
•
Receptory śmierci należą do rodziny receptorów
czynnika nekrozy TNF; składają się z
zewnątrzkomórkowej domeny bogatej w cysteiny
oraz wewnątrzkomórkowej domeny śmierci (DD –
death domain)
•
Aktywowany jest przez promieniowanie,
czynniki uszkadzające DNA, związki
cytotoksyczne, szok termiczny, wzrost
stężenia reaktywnych form tlenu oraz przez
brak czynników wzrostu
•
łączenie do receptora odpowiedniego ligandu
indukuje trimeryzację receptora
AIF
EndoG
•
Receptory zaktywowane przyłączają w
cytoplazmie białka adaptorowe: FADD (Fas
associated death domain) lub TRADD (TNFR1-
associated death domain) poprzez interakcję
między domenami śmierci DD; powstały kompleks
nazywamy DISC (death inducing signaling
complex)
•
W wyniku nie do końca poznanego mechanizmu
dochodzi do uwolnienia cytochromu c
niezbędnego do utworzenia apoptosomu i
aktywacji inicjującej prokaspazy 9 oraz
szeregu innych białek: Smac/Diablo i
HtrA2/Omi, które znoszą działanie
inhibicyjne w kierunku kaspaz białka XIAP
oraz endonukleazy G i czynnika indukującego
apoptozę AIF, które kierują się do jądra i w
sposób pośredni lub bezpośredni przyczyniają
się do degradacji DNA niezależnie od kaspaz
Omi/Htr2
•
TRADD przyłącza jeszcze FADD
•
FADD zawiera jeszcze inną domenę DED (death
effector domain) poprzez którą przyłącza i
aktywuje kaspazy inicjujące (kaspaza 8)
zawierające również domenę DED
•
Szlak ten ma znaczenie dla homeostazy układu
immunologicznego, eliminacji komórek
Współdziałanie szlaku zewnętrznego i
wewnętrznego apoptozy
Tworzenie apoptosomu i aktywacja
prokaspazy 9
• Uwolniony cytochrom c z mitochondrium
do cytoplazmy przyłącza się do C-
końcowej domeny WD40 białka Apaf-1,
co indukuje zmianę konformacji i
odsłonięcie miejsca przyłączenia dATP
w białku Apaf-1
• łączenie dATP do Apaf-1 indukuje
oligomeryzację siedmiu cząsteczek
białka Apaf-1 poprzez N-końcowe
domeny CARD, co w efekcie daje
kompleks apoptosomu
•
Do apoptosomu poprzez domenę CARD
mogą się teraz przyłączać prokaspazy
9, co inicjuje ich autokatalizę i
aktywację
Podrodziny białek typu Bcl-2
zawierające
d
omeny
BH
:
B
cl-2
H
omology domain
Antyapoptotyczne białko Bcl-2
• W 1986 r. wykryto, że komórki białaczkowe mają często translokację
t(14,18), w wyniku której onkogen Bcl-2 (B-cell leukemia/lymphona)
zostaje przeniesiony z chrom. 14 na 18, gdzie podlega silniejszej
aktywacji eskpresji
• W 1988 r. stwierdzono, że białko Bcl-2 inhibuje apoptozę i posiada
domenę transbłonową, która lokalizuje to białko w zewnętrznej błonie
mitochondrialnej
• W 1993 roku pokazano, że Bcl-2 tworzy heterodimery z białkami z tej
samej rodziny, ale o działaniu pro-apoptotycznym
•M ch zm d łania Bcl-2: inhibicja białek proapoptotycznych np. Bax,
przyłączanie i inaktywacja Apaf-1, inhibicja syntezy reaktywnych form
tlenu oraz hamowanie wypływu cytochromu c z mitochondrium do
cytoplazmy
BH3 only: Bim, Bid, Bad, Puma, Noxa (brak domeny transbłonowej)
Bcl-2 family: Bcl-2, Bcl-xL, Mcl-1
[ Pobierz całość w formacie PDF ]