Προγραμματισμένος κυτταρικός θάνατος Απόπτωση Προγραμματισμένος κυτταρικός θάνατος

Ο προγραμματισμένος κυτταρικός θάνατος: Αντισταθμίζει τον κυτταρικό πολλαπλασιασμό, με αποτέλεσμα τη διατήρηση σταθερού αριθμού κυττάρων στους ιστούς που βρίσκονται σε διαδικασία κυτταρικής ανανέωσης. Παρέχει έναν αμυντικό μηχανισμό με τον οποίο μπορούν να εξουδετερωθούν τα κύτταρα που έχουν υποστεί βλάβη και είναι δυνητικά επικίνδυνα για τον οργανισμό. Βλάβες του DNA επάγουν τον προγραμματισμένο κυτταρικό θάνατο

Όταν ένα κύτταρο δεχτεί ένα αποπτωτικό σήμα (α) αρχίζει να γίνεται κυκλικό (β) και το πυρηνικό DNA να συμπυκνώνεται (γ). Το DNA κατακερματίζεται και ο πυρήνας αρχίζει να σπάζει σε ξεχωριστά σώματα χρωματίνης (δ). Τελικά, το κύτταρο διαλύεται σε αρκετά κυστίδια (αποπτωτικά σώματα) (ε), τα οποία φαγοκυτταρώνονται από γειτονικά κύτταρα.

Φαγοκυττάρωση αποπτωτικών κυττάρων. Αναγνώριση και εγκόλπωση αποπτωτικών κυττάρων και τμημάτων κυττάρων από φαγοκύτταρα. Ένα από τα σήματα που αναγνωρίζεται από τα φαγοκύτταρα είναι η φωσφατιδυλοσερίνη στην κυτταρική επιφάνεια. Σε φυσιολογικά κύτταρα, η φωσφατιδυλοσερίνη περιορίζεται στην εσωτερική στιβάδα της κυτταροπλασμα

Οι κασπάσες χρησιμοποιούν ένα κατάλοιπο Cys στο ενεργό τους κέντρο και κόβουν το υπόστρωμα μετά από ένα κατάλοιπο Asp.

Η πρωτεολυτική επεξεργασία μιας ανενεργής προκασπάσης με αυτοπρωτεόλυση ή από άλλες κασπάσες, επάγει διάσπαση σε τρεις κοινές θέσεις των κασπασών (Asp119, Asp296, Asp316). Η Ν-τελική προ-περιοχή (pro-domain) απομακρύνεται και οι άλλες δυο υπομονάδες (α και β αλυσίδες) δημιουργούν την ενεργή κασπάση, η οποία είναι ένα τετραμερές με δυο ενεργές θέσεις. Για τη δημιουργία της ενεργούς θέσης συμμετέχουν κατάλοιπα και από τις δυο υπομονάδες, τα R179, H237 της μεγάλης υπομονάδας, και το R341 της μικρής.

Δομή της ενεργούς κασπάσης-3. Αποτελείται από 4 υπομονάδες: - δυο μεγάλες (p17) και δυο μικρές (p12). Στο σημείο όπου είναι το βέλος είναι το ενεργό κέντρο. Η τετραμερής κασπάση έχει δυο ενεργά κέντρα. Από Chang H., and Yang X., Proteases for cell suicide: functions and regulation of caspases, Microbiol. Molec. Biol. Reviews 2000, 64, 821-846.

Αναγνώριση υποστρώματος και μηχανισμός διάσπασης από τις κασπάσες. Για την κασπάση 3, τέσσερα συγκεκριμένα κατάλοιπα προς την Ν-τελική περιοχή της θέσης διάσπασης απαιτούνται για τη διάσπαση, εκτός από το απαραίτητο κατάλοιπο Asp. Στο πρώτο βήμα της αντίδρασης, ένας ομοιοπολικός θειάκυλο-ενδιάμεσος δεσμός σχηματίζεται μεταξύ του Ν-τελικού μέρους του υποστρώματος και της κασπάσης, ο οποίος σπάει υδρολυτικά στο δεύτερο βήμα.

Απενεργοποίηση πρωτεϊνών που προστατεύουν από την απόπτωση ICAD, αναστολέας DNAάσης (αναστολέας της DNAάσης που ενεργοποιείται από κασπάσες): Αναστολέας μιας DNAάσης που είναι υπεύθυνη για τον τεμαχισμό του DNA. Πρωτεΐνη Bcl-2: έχει μια κεντρική αντιαποπτωτική λειτουργία. Διάσπαση των κυτταρικών δομών Λαμίνες Αποδιάταξη κυτταροσκελετού: πηκτωλυματίνη, κινάση εστιακής προσκόλλησης (FAK), p21-ενεργοποιούμενη κινάση (PAK) Απενεργοποίηση της επιδιόρθωσης και σύνθεσης του DNA Πολυμεράση πολυ-ADP-ριβόζης Παράγοντας αντιγραφής C (RF-C) Πρωτεϊνική κινάση εξαρτώμενη από DNA

Caspase-activated DNase (CAD) είναι μια ενδονουκλεάση που συμμετέχει σε αποπτωτικά μονοπάτια στα κύτταρα. Απουσία αποπτωτικού σήματος, η CAD βρίσκεται σε κατάσταση αναστολής, συνδεδεμένη με τον ICAD (Inhibitor of Caspase Activated DNase). Κατά την απόπτωση, η κασπάση 3 τεμαχίζει τον ICAD, και κατά συνέπεια η ελεύθερη CAD τεμαχίζει το DNA σε τυχαία σημεία του συνδετικού DNA ανάμεσα στα νουκλεοσώματα. Οι περιοχές αυτές είναι οι μόνες περιοχές του DNA που είναι εκτεθειμένες όταν το DNA είναι συμπυκνωμένο σε χρωματίνη. Ο τεμαχισμός από την CAD δημιουργεί ποικίλα τμήματα DNA 180 bp: apoptotic DNA fragmentation.

Κασπάσες έναρξης και κασπάσες τελεστές στην απόπτωση. Ένα απαραίτητο μέρος του αποπτωτικού προγράμματος είναι ο καταρράκτης κασπασών. Η απόπτωση αρχίζει με πρωτεολυτική επεξεργασία μιας προκασπάσης έναρξης κάτω από την επίδραση μιας ποικιλίας σημάτων. Η ώριμη κασπάση έναρξης καταλύει την επεξεργασία μιας προκασπάσης τελεστή σε ενεργό ένζυμο, το οποίο διασπά συγκεκριμένα υποστρώματα και/ή ενεργοποιεί περαιτέρω προκασπάσες. Κατ’αυτόν τον τρόπο, οι κασπάσες μπορούν να ενεργοποιηθούν διαδοχικά σε έναν καταρράκτη πρωτεασών.

Ενεργοποίηση των κασπασών Η εναρκτήρια κασπάση 9 των θηλαστικών ενεργοποιείται στο αποπτώσωμα ως σύμπλοκο με την Apaf-1 και το κυτόχρωμα c. Στη συνέχεια, η κασπάση 9 πέπτει και ενεργοποιεί εκτελεστικές κασπάσες, όπως είναι η κασπάση 3.

Η οικογένεια πρωτεϊνών Bcl-2. Οι πρωτεΐνες της οικογένειας Bcl-2 χωρίζονται σε τρεις λειτουργικές ομάδες. Οι αντιαποπτωτικές πρωτεΐνες (π.χ. οι Bcl-2 και Bcl-xL) διαθέτουν τέσσερις επικράτειες ομόλογες με την Bcl-2 (τις BH1-BH4). Οι προαποπτωτικές πρωτεΐνες πολλαπλών επικρατειών (π.χ. οι Bax και Bak) φέρουν τρεις ομόλογες επικράτειες (τις BH1-BH3), ενώ οι προαποπτωτικές πρωτεΐνες BH3-μόνο (π.χ. οι Bid, Bad, Noxa, Puma και Bim) διαθέτουν μονάχα μία ομόλογη επικράτεια (την BH3)

Τα μέλη της οικογένειας των πρωτεϊνών Bcl-2 Τα μέλη της οικογένειας των πρωτεϊνών Bcl-2. ΤΜ είναι η υδρόφοβη περιοχή στο καρβοξυτελικό άκρο πολλών Bcl-2 πρωτεϊνών, που πιθανολογείται ότι είναι η διαμεμβρανική τους περιοχή. Δομή της Bcl-2. Η Bcl-2 αποτελείται από 8 α-έλικες. Η περιοχή ΒΗ1 (έλικες α4-α5) είναι χρωματισμένη μωβ, η ΒΗ2 (έλικες α7-α8) είναι κόκκινη, η ΒΗ3 (έλικα α2) είναι πράσινη και η ΒΗ4 (έλικα α1) είναι κίτρινη.

Ρυθμιστικές αλληλεπιδράσεις μεταξύ μελών της οικογένειας Bcl-2. Σε φυσιολογικά κύτταρα, οι προαποπτωτικές πρωτεΐνες BH3-μόνο είναι ανενεργές, ενώ οι προαποπτωτικές πρωτεΐνες πολλαπλών επικρατειών αναστέλλονται εξαιτίας των αλληλεπιδράσεών τους με αντιαποπτωτικές πρωτεΐνες. Οι πρωτεΐνες BH3-μόνο ενεργοποιούνται από σήματα κυτταρικού θανάτου και στη συνέχεια αλληλεπιδρούν με τις αντιαποπτωτικές πρωτεΐνες, τις οποίες καταστέλλουν. Με τον τρόπο αυτό, οι πρωτεΐνες BH3-μόνο προκαλούν την ενεργοποίηση των προαποπτωτικών πρωτεϊνών πολλαπλών επικρατειών, οδηγώντας στον κυτταρικό θάνατο

Το μονοπάτι της κινάσης PI 3 και η κυτταρική επιβίωση. Πολλοί αυξητικοί παράγοντες που επάγουν σήματα κυτταρικής επιβίωσης ενεργοποιούν υποδοχείς-πρωτεϊνικές κινάσες τυροσίνης, μέσω των οποίων προκαλούν την ενεργοποίηση της κινάσης PI 3. Η κινάση PI 3 καταλύει τον σχηματισμό της PIP3 και οδηγεί στην ενεργοποίηση της πρωτεϊνικής κινάσης Akt. Στη συνέχεια, η Akt φωσφορυλιώνει μια ομάδα πρωτεϊνών που συνεισφέρουν στην κυτταρική επιβίωση. Η φωσφορυλίωση της πρωτεΐνης BH3-μόνο Bad τη διατηρεί σε ανενεργή κατάσταση, όπως συμβαίνει και με τη φωσφορυλίωση των μεταγραφικών παραγόντων FOXO. Αν δεν ενεργοποιηθεί το σηματοδοτικό μονοπάτι της Akt, η Bad ενεργοποιείται και προωθεί την απόπτωση, ενώ η ενεργοποίηση των παραγόντων FOXO επάγει τη μεταγραφή μιας άλλης πρωτεΐνης BH3-μόνο, της Bim. Άλλοι στόχοι της Akt που εμπλέκονται στη ρύθμιση της απόπτωσης είναι η πρωτεϊνική κινάση GSK-3 και διάφοροι μεταγραφικοί παράγοντες, όπως ο p53 και ο NF-κB, οι οποίοι ρυθμίζονται με φωσφορυλίωση από τις κινάσες Akt και GSK-3. Η ρύθμιση της μετάφρασης από την GSK-3 και από το μονοπάτι mTOR (βλ. Εικόνα 15.33) μπορεί επίσης να επηρεάσει την κυτταρική επιβίωση.

αποπτώσωμα

Δημιουργία και ρύθμιση του συμπλόκου του αποπτωσώματος. Το κυτόχρωμα c που απελευθερώνεται από το μιτοχόνδριο συνδέεται στον Apaf-1, στην περιοχή WD-40, οδηγώντας στο ξεδίπλωμα του. Το ξεδίπλωμα του Apaf-1 εκθέτει τη θέση σύνδεσης νουκλεοτιδίων dATP/ATP. Αυτό οδηγεί σε μια επιπλέον αλλαγή διαμόρφωσης του Apaf-1, προκαλώντας τον ολιγομερισμό και το ξεδίπλωμα των περιοχών CARD, οι οποίες μπορούν πλέον να στρατολογήσουν την προ-κασπάση-9. Η στρατολόγηση αυτή ενεργοποιεί την προ-κασπάση-9, η οποία αυτοκαταλυτικά κόβεται και μετατρέπεται σε κασπάση-9, η οποία πλέον παραμένει στενά συνδεδεμένη στην περιοχή CARD του Apaf-1. Η σύνδεση της XIAP στην κασπάση-9 αναστέλλει τη δραστικότητά της. Η ΧΙΑΡ με τη σειρά της μπορεί να απομακρυνθεί από την κασπάση-9, μέσω της SMAC, η οποία επίσης απελευθερώνεται από το μιτοχόνδριο και συνδέεται πολύ ισχυρά στην ΧΙΑΡ. Η ενεργή και πάλι κασπάση-9 στρατολογεί στη συνέχεια κασπάσες τελεστές, ενεργοποιώντας τον καταρράκτη κινασών.