Procesu, kurā šūna var nogalināt pati, sauc par programmētu šūnu nāvi (PCD). Šim mehānismam ir vairākas šķirnes, un tam ir svarīga loma dažādu organismu, īpaši daudzšūnu, fizioloģijā. Visizplatītākā un labi izpētītā CHF forma ir apoptoze.
Kas ir apoptoze
Apoptoze ir kontrolēts fizioloģisks šūnu pašiznīcināšanās process, kam raksturīga pakāpeniska tā satura iznīcināšana un sadrumstalotība, veidojoties membrānas pūslīšiem (apoptotiskiem ķermeņiem), kurus pēc tam absorbē fagocīti. Šis ģenētiskais mehānisms tiek aktivizēts noteiktu iekšēju vai ārēju faktoru ietekmē.
Šajā nāves variantā šūnu saturs nepārsniedz membrānu un neizraisa iekaisumu. Apoptozes disregulācija izraisa nopietnas patoloģijas, piemēram, nekontrolētu šūnu dalīšanos vai audu deģenerāciju.
Apoptoze ir tikai viens no vairākiem programmētas šūnu nāves (PCD) veidiem, tāpēc ir kļūda identificēt šos jēdzienus. Uz slavenošūnu pašiznīcināšanās veidi ietver arī mitotisku katastrofu, autofagiju un ieprogrammētu nekrozi. Citi PCG mehānismi vēl nav pētīti.
Šūnu apoptozes cēloņi
Iemesls ieprogrammētās šūnu nāves mehānisma iedarbināšanai var būt gan dabiski fizioloģiski procesi, gan patoloģiskas izmaiņas, ko izraisa iekšējie defekti vai ārēju nelabvēlīgu faktoru iedarbība.
Parasti apoptoze līdzsvaro šūnu dalīšanās procesu, regulējot to skaitu un veicinot audu atjaunošanos. Šajā gadījumā HGC cēlonis ir noteikti signāli, kas ir daļa no homeostāzes kontroles sistēmas. Ar apoptozes palīdzību tiek iznīcinātas vienreizējās lietošanas šūnas vai šūnas, kas ir izpildījušas savu funkciju. Tādējādi palielinātais leikocītu, neitrofilu un citu šūnu imunitātes elementu saturs pēc infekcijas apkarošanas beigām tiek izvadīts tieši apoptozes dēļ.
Ieprogrammēta nāve ir daļa no reproduktīvo sistēmu fizioloģiskā cikla. Apoptoze ir iesaistīta oģenēzes procesā, kā arī veicina olšūnas nāvi, ja nav apaugļošanas.
Klasisks piemērs šūnu apoptozes iesaistīšanai veģetatīvo sistēmu dzīves ciklā ir rudens lapu krišana. Pats termins cēlies no grieķu vārda apoptosis, kas burtiski tulko kā "krišana".
Apoptozei ir liela nozīme embrioģenēzē un ontoģenēzē, kad organismā mainās audi un atrofējas atsevišķi orgāni. Piemērs ir membrānu izzušana starp dažu zīdītāju ekstremitāšu pirkstiem vai astes nāve metamorfozes laikā.vardes.
Apoptozi var izraisīt defektīvu izmaiņu uzkrāšanās šūnā, ko izraisa mutācijas, novecošanās vai mitotiskas kļūdas. CHC palaišanas cēlonis var būt nelabvēlīga vide (barības vielu trūkums, skābekļa deficīts) un patoloģiskas ārējās ietekmes, ko izraisa vīrusi, baktērijas, toksīni u.c.. Turklāt, ja kaitīgā iedarbība ir pārāk intensīva, šūna to nedara. paspēj veikt apoptozes mehānismu un rezultātā iet bojā.patoloģiskā procesa attīstība - nekroze.
Morfoloģiskās un strukturāli-bioķīmiskās izmaiņas šūnā apoptozes laikā
Apoptozes procesam raksturīgs noteikts morfoloģisko izmaiņu kopums, ko ar mikroskopiju var novērot audu preparātā in vitro.
Šūnu apoptozei raksturīgās galvenās iezīmes ir šādas:
- citoskeleta atjaunošana;
- zīmogu šūnas saturs;
- hromatīna kondensācija;
- kodola sadrumstalotība;
- šūnas skaļuma samazināšana;
- membrānas kontūras grumbuļainība;
- burbuļu veidošanās uz šūnu virsmas,
- organellu iznīcināšana.
Dzīvniekiem šie procesi beidzas ar apoptocītu veidošanos, ko var apņemt gan makrofāgi, gan blakus audu šūnas. Augos apoptotisku ķermeņu veidošanās nenotiek, un pēc protoplasta noārdīšanās skelets paliekšūnu siena.
Papildus morfoloģiskām izmaiņām apoptozi pavada vairākas pārkārtošanās molekulārā līmenī. Palielinās lipāzes un nukleāzes aktivitātes, kas izraisa hromatīna un daudzu proteīnu sadrumstalotību. Strauji palielinās cAMP saturs, mainās šūnu membrānas struktūra. Augu šūnās tiek novērota milzu vakuolu veidošanās.
Kā apoptoze atšķiras no nekrozes
Galvenā atšķirība starp apoptozi un nekrozi ir šūnu degradācijas cēlonis. Pirmajā gadījumā iznīcināšanas avots ir pašas šūnas molekulārie instrumenti, kas darbojas stingrā kontrolē un prasa ATP enerģijas patēriņu. Ar nekrozi ārējas kaitīgas iedarbības dēļ notiek pasīva dzīvības pārtraukšana.
Apoptoze ir dabisks fizioloģisks process, kas izveidots tā, lai nekaitētu apkārtējām šūnām. Nekroze ir nekontrolēta patoloģiska parādība, kas rodas kritisku traumu rezultātā. Tāpēc nav pārsteidzoši, ka apoptozes un nekrozes mehānisms, morfoloģija un sekas daudzējādā ziņā ir pretējas. Tomēr ir arī kopīgas iezīmes.
| Procesa raksturlielums | Apoptoze | Nekroze |
| šūnas skaļums | samazinās | pieaug |
| membrānas integritāte | uzturēts | pārkāpts |
| iekaisuma process | trūkst | attīstās |
| ATP enerģija | tēriņi | nav lietots |
| hromatīna sadrumstalotība | pieejams | klāt |
| straujš ATP koncentrācijas kritums | ir | ir |
| procesa rezultāts | fagocitoze | satura izlaišana starpšūnu telpā |
Bojājuma gadījumā šūnas iedarbina ieprogrammētas nāves mehānismu, tostarp, lai novērstu nekrotisko attīstību. Tomēr jaunākie pētījumi liecina, ka pastāv vēl viena nepatoloģiska nekrozes forma, ko dēvē arī par PCD.
Apoptozes bioloģiskā nozīme
Neskatoties uz to, ka apoptoze izraisa šūnu nāvi, tās loma visa organisma normālas darbības uzturēšanā ir ļoti liela. PCG mehānisma dēļ tiek veiktas šādas fizioloģiskās funkcijas:
- līdzsvara saglabāšana starp šūnu proliferāciju un nāvi;
- audu un orgānu atjaunināšana;
- bojāto un "veco" šūnu likvidēšana;
- aizsardzība pret patogēnas nekrozes attīstību;
- audu un orgānu izmaiņas embrioģenēzes un ontoģenēzes laikā;
- nevajadzīgo elementu noņemšana, kas pildījuši savu funkciju;
- organismam nevēlamu vai bīstamu šūnu (mutantu, audzēju, ar vīrusu inficētu) likvidēšana;
- infekcijas profilakse.
Tādējādi apoptoze ir viens no veidiem, kā uzturēt šūnu un audu homeostāzi.
Audosapoptoze bieži tiek aktivizēta, lai bloķētu audus inficējošo parazitāro agrobaktēriju izplatīšanos.
Šūnu nāves posmi
Tas, kas notiek ar šūnu apoptozes laikā, ir dažādu enzīmu sarežģītas molekulārās mijiedarbības ķēdes rezultāts. Reakcijas notiek kā kaskāde, kad daži proteīni aktivizē citus, veicinot pakāpenisku nāves scenārija attīstību. Šo procesu var iedalīt vairākos posmos:
- Indukcija.
- Proapoptotisko proteīnu aktivizēšana.
- Kaspāzes aktivizēšana.
- Šūnu organellu iznīcināšana un pārstrukturēšana.
- Apoptocītu veidošanās.
- Šūnu fragmentu sagatavošana fagocitozei.
Visu komponentu sintēze, kas nepieciešama katra posma palaišanai, ieviešanai un kontrolei, ir ģenētiski pamatota, tāpēc apoptozi sauc par ieprogrammētu šūnu nāvi. Šī procesa aktivizēšanu stingrā kontrolē regulējošās sistēmas, tostarp dažādi CHG inhibitori.
Šūnu apoptozes molekulārie mehānismi
Apoptozes attīstību nosaka divu molekulāro sistēmu apvienotā darbība: indukcijas un efektora. Pirmais bloks ir atbildīgs par kontrolētu ZGK palaišanu. Tas ietver tā sauktos nāves receptorus, Cys-Asp-proteāzes (kaspāzes), vairākus mitohondriju komponentus un proapoptotiskos proteīnus. Visus indukcijas fāzes elementus var iedalīt trigeros (piedalīties indukcijā) un modulatoros, kas nodrošina nāves signāla pārraidi.
Efektoru sistēma sastāv no molekulāriem instrumentiem, kas nodrošina šūnu komponentu degradāciju un pārstrukturēšanu. Pāreja starp pirmo un otro fāzi notiek proteolītiskās kaspāzes kaskādes stadijā. Pateicoties efektora bloka komponentiem, apoptozes laikā notiek šūnu nāve.
Apoptozes faktori
Strukturālās-morfoloģiskās un bioķīmiskās izmaiņas apoptozes laikā veic noteikts specializētu šūnu instrumentu komplekts, starp kuriem svarīgākās ir kaspāzes, nukleāzes un membrānas modifikatori.
Kaspāzes ir enzīmu grupa, kas sagriež peptīdu saites pie asparagīna atliekām, sadalot proteīnus lielos peptīdos. Pirms apoptozes sākuma tie atrodas šūnā neaktīvā stāvoklī inhibitoru dēļ. Galvenie kaspāžu mērķi ir kodolproteīni.
Nuklīzes ir atbildīgas par DNS molekulu sagriešanu. Īpaši svarīga apoptozes attīstībā ir aktīvā endonukleāze CAD, kas salauž hromatīna reģionus linkeru sekvenču reģionos. Rezultātā veidojas fragmenti, kuru garums ir 120-180 nukleotīdu pāri. Proteolītisko kaspāžu un nukleāžu kompleksā iedarbība izraisa kodola deformāciju un fragmentāciju.
Šūnu membrānas modifikatori - izjauc bilipīda slāņa asimetriju, pārvēršot to par fagocītu šūnu mērķi.
Apoptozes attīstībā galvenā loma ir kaspāzēm, kas pakāpeniski aktivizē visus turpmākos degradācijas un morfoloģiskās pārkārtošanās mehānismus.
Kaspāzes loma šūnāsnāve
Kaspāžu saimē ir 14 proteīni. Dažas no tām nav iesaistītas apoptozē, bet pārējās ir sadalītas 2 grupās: iniciatoriskajās (2, 8, 9, 10, 12) un efektorajās (3, 6 un 7), kuras citādi sauc par otrā līmeņa kaspāzēm. Visas šīs olb altumvielas tiek sintezētas kā prekursori - prokaspāzes, ko aktivizē proteolītiskā šķelšanās, kuras būtība ir N-gala domēna atdalīšana un atlikušās molekulas sadalīšana divās daļās, kas pēc tam tiek saistītas dimēros un tetramēros.
Iniciatora kaspāzes ir nepieciešamas, lai aktivizētu efektoru grupu, kas uzrāda proteolītisku aktivitāti pret dažādiem vitāli svarīgiem šūnu proteīniem. Otrā līmeņa kaspāzes substrāti ietver:
- DNS labošanas enzīmi;
- p-53 proteīna inhibitors;
- poli-(ADP-ribozes)-polimerāze;
- DNāzes DFF inhibitors (šī proteīna iznīcināšana izraisa CAD endonukleāzes aktivāciju) utt.
Kopējais efektoru kaspāžu mērķu skaits ir vairāk nekā 60 proteīnu.
Šūnu apoptozes inhibēšana joprojām ir iespējama iniciatora prokaspāžu aktivācijas stadijā. Kad efektoru kaspāzes ir aktivizētas, process kļūst neatgriezenisks.
Apoptozes aktivizēšanas ceļi
Signālu pārraidi, lai sāktu šūnu apoptozi, var veikt divos veidos: receptoru (vai ārējo) un mitohondriju. Pirmajā gadījumā process tiek aktivizēts caur specifiskiem nāves receptoriem, kas uztver ārējos signālus, kas ir TNF (audzēja nekrozes faktora) saimes proteīni vai Fas ligandi, kas atrodas uz virsmas. T-killers.
Receptors ietver 2 funkcionālos domēnus: transmembrānu (paredzēts, lai saistīties ar ligandu) un "nāves domēns", kas orientēts šūnas iekšienē, kas izraisa apoptozi. Receptoru ceļa mehānisms ir balstīts uz DISC kompleksa veidošanos, kas aktivizē iniciatora kaspāzes 8 vai 10.
Montāža sākas ar nāves domēna mijiedarbību ar intracelulāriem adaptera proteīniem, kas savukārt saista iniciatora prokaspāzes. Kā daļa no kompleksa pēdējie tiek pārvērsti funkcionāli aktīvās kaspāzēs un izraisa turpmāku apoptotisku kaskādi.
Iekšējā ceļa mehānisma pamatā ir proteolītiskās kaskādes aktivizēšana ar specifiskiem mitohondriju proteīniem, kuru izdalīšanos kontrolē intracelulāri signāli. Organellu komponentu izdalīšanās notiek, veidojot milzīgas poras.
Cytochrome c spēlē īpašu lomu palaišanā. Nokļūstot citoplazmā, šī elektrotransporta ķēdes sastāvdaļa saistās ar Apaf1 proteīnu (apoptotisko proteāzes aktivējošo faktoru), kas noved pie tā aktivizēšanas. Pēc tam Apaf1 saistās ar iniciatora prokaspāzēm 9, kas izraisa apoptozi ar kaskādes mehānismu.
Iekšējā ceļa kontroli veic īpaša Bcl12 saimes proteīnu grupa, kas regulē mitohondriju starpmembrānu komponentu izdalīšanos citoplazmā. Ģimene satur gan proapoptotiskas, gan antiapoptotiskas olb altumvielas, kuru līdzsvars nosaka, vai process tiks uzsākts.
Viens no spēcīgajiem faktoriem, kas izraisa mitohondriju mehānisma izraisītu apoptozi, ir reaktīvsskābekļa formas. Vēl viens nozīmīgs induktors ir p53 proteīns, kas aktivizē mitohondriju ceļu DNS bojājuma klātbūtnē.
Dažreiz šūnu apoptozes sākums apvieno divus veidus vienlaikus: gan ārējo, gan iekšējo. Pēdējais parasti kalpo, lai uzlabotu receptoru aktivāciju.
