II Przegląd morfologii i molekularnych zdarzeń apoptozy
apoptotyczną śmierć komórki można podzielić na cztery kolejne etapy: inicjację, decyzję o śmierci, egzekucję i pochłonięcie. Szereg naprężeń komórkowych może inicjować apoptozę poprzez aktywację wewnątrzkomórkowych szlaków sygnałowych lub uwalnianie drugich posłańców. Niektóre przykłady wyzwalaczy śmierci komórek są promieniowanie jonizujące, leki chemioterapeutyczne, hipertermia i deprywacja czynnika wzrostu., Cząsteczki przedstawione przez inne komórki, takie jak ligand Fas (FasL) i czynnik martwicy nowotworu (TNF), mogą również wywoływać apoptozę w komórkach posiadających odpowiednie receptory. Komórka może odbierać różne sygnały jednocześnie, w tym zarówno proliferację, jak i sygnały śmierci komórki. W odpowiedzi na te sygnały komórka musi ocenić swoją sytuację i zdecydować, czy popełnić samobójstwo przez apoptozę. Kluczowe cząsteczki regulacyjne na tym etapie należą do rodziny białek Bcl – 2 (White, 1996; Yang i Korsmeyer, 1996), chociaż mechanizm ich działania nie jest w pełni poznany., Gdy komórka podejmie decyzję o śmierci, aktywowane są cząsteczki, które działają jak katowie. We wszystkich badanych typach apoptozy, u różnych organizmów wielokomórkowych, wyróżnia się proteazy cytozolowe, z których większość należy do rodziny o nazwie caspases (Nicholson and Thornberry, 1997; Alnemri, 1997). Proteazy te atakują specyficzne białka komórkowe, powodując nieodwracalne niszczenie krytycznych procesów i struktur komórkowych., W końcowym etapie apoptozy pozostałości umierającej komórki są rozpoznawane, pochłaniane i degradowane przez sąsiadującą komórkę lub przez padającą makrofag.
zmiany morfologiczne związane z apoptozą są wyraźne i dobrze scharakteryzowane (Wyllie, 1987; Darzynkiewicz et al., 1997). Komórki poddawane apoptozie szybko kurczą się i kondensują, odrywając się od sąsiednich komórek. W wyniku utraty objętości cytoplazmatycznej błona osocza tworzy blebs i występy, nadając komórce pęcherzowy wygląd., Szybki wzrost wewnątrzkomórkowego stężenia jonów wapnia jest również powszechnie obserwowany (Schwartzman and Cidlowski, 1993). Błona jądrowa zaokrągla się, a chromatyna skrapla się i agreguje w gęste, półksiężycowe kształty w pobliżu błony jądrowej. Kondensacja chromatyny jest związana z dwuniciowym rozszczepieniem DNA przez jedną lub więcej endonukleaz jądrowych (Wyllie et al., Montague and Cidlowski, 1996) i degradacja blaszki jądrowej przez proteazy (Lazebnik et al., 1995).
degradacja DNA podczas apoptozy występuje w precyzyjnym, powtarzalnym wzorze (Wyllie et al.,, 1992; Montague i Cidlowski, 1996). Początkowo chromosomalne DNA jest rozszczepiane na duże segmenty około 50-300 kilobaz (Oberhammer et al., 1993). W większości przypadków, ale nie we wszystkich przypadkach, domeny te są następnie trawione na mniejsze fragmenty przez rozszczepienie między nukleosomami. Oddzielenie DNA od jąder apoptotycznych za pomocą elektroforezy w żelu agarozowym daje charakterystyczny wzór tych fragmentów mono-lub oligonukleosomalnych w wielokrotnościach 185-200 par zasad (bp), opisanych jako drabina DNA (Tilly i Hsueh, 1993)., Endonukleazy odpowiedzialne za fragmentację DNA nie zostały w przekonujący sposób zidentyfikowane, chociaż zaproponowano kilka kandydatów (Montague and Cidlowski, 1996). Niektóre badania sugerują rolę dla DNazy i lub II, ale enzymy te nie są normalnie zlokalizowane w jądrze. Być może lepszym kandydatem jest zależna od 18 kD endonukleaza Ca2 +/Mg2 +zwana NUC18, która została wyizolowana z apoptotycznych ekstraktów jądrowych i okazała się wysoce homologiczna do cyklofiliny A. NUC18 może być odpowiedzialny za rozszczepienie DNA na fragmenty 50 kD., Ponadto zidentyfikowano nową endonukleazę zależną od Ca2 +/Mg2 +o masie 95 kD aktywną podczas apoptozy (Pandey et al., 1997). Białko zwane czynnikiem fragmentacji DNA (DFF), które wydaje się aktywować endonukleazę apoptotyczną(s), zostało również wyizolowane z komórek HeLa (Liu et al., 1997).
zmiany w mitochondriach komórek apoptotycznych poprzedzają kondensację komórkową i rozpad jądrowy i mogą być istotnym wczesnym zdarzeniem w apoptozie (Petit et al., 1996; Kroemer, 1997). Mitochondria wykazują depolaryzację potencjału błonowego (Δψm) (Marchetti et al.,, 1996; Zamzami i in., 1995b; Zamzami i in., 1996), co wydaje się być spowodowane otwarciem porów mitochondrialnej przepuszczalności (MPT) (Zoratti i Szabo, 1995). Białka uwalniane z mitochondriów apoptotycznych do cytoplazmy albo tuż przed lub tuż po MPT są zdolne do indukowania kondensacji chromatyny i fragmentacji DNA (Liu et al., 1996; Susin et al., 1996; Zamzami i in., 1996).
umierająca komórka rozpada się na kilka okrągłych fragmentów zamkniętych błoną zwanych ciałami apoptotycznymi, które są fagocytowane i rozkładane przez komórki fagocytarne (Savill et al., 1993; Hart et al.,, 1996). Komórki nabłonkowe, komórki śródbłonka i fibroblasty przylegające do miejsc apoptozy mogą pochłonąć ciała apoptotyczne. Kilka badań wykazuje również, że „profesjonalne” makrofagi są rekrutowane do miejsc śmierci komórek i są odpowiedzialne za znaczną część fagocytozy ciał apoptotycznych (Hopkinson-Woolley et al., 1994; Camp i Martin, 1996). To pochłonięcie zapobiega reakcji zapalnej od wycieku resztek komórkowych do przestrzeni międzykomórkowych., Komórki apoptotyczne wykazują szereg sygnałów przyciągających fagocyty, w tym zmiany w cząsteczkach powierzchni komórek, takich jak cukry, lipidy i białka. Chociaż fagocytarne rozpoznawanie komórek apoptotycznych jest procesem Krytycznym i aktywnym polem badań, szczegóły tego końcowego zdarzenia w apoptozie wykraczają poza zakres niniejszego przeglądu.
komórkowe zdarzenia apoptozy kontrastują z tymi martwicy, chociaż oba ostatecznie doprowadzić do śmierci komórki (Darzynkiewicz et al., 1997)., Martwica, czyli przypadkowa śmierć komórki, charakteryzuje się szybką, niemal natychmiastową śmiercią komórki z powodu katastrofalnego urazu. Komórki martwicze puchną do dużej objętości, wykazując dramatyczny wzrost objętości mitochondrialnej. Błona osocza jest zakłócona i uwalniane są treści komórkowe, zazwyczaj wytwarzając odpowiedź zapalną, która uszkadza sąsiednie komórki. Degradacja DNA zdarza się czasami podczas martwicy; jednak miejsca rozszczepienia są losowe, co skutkuje pełnym zakresem rozmiarów fragmentów., Przypadki śmierci komórek często można wyraźnie odróżnić jako martwicze lub apoptotyczne, ale w niektórych przypadkach umierająca komórka wykazuje cechy obu procesów.
termin programowana śmierć komórki (PCD) jest powszechnie używany do opisania upadku komórek podczas normalnego rozwoju organizmu. W większości, ale nie we wszystkich przypadkach, PCD przebiega przez ten sam stereotypowy proces co apoptoza; dlatego terminy apoptosis i PCD są często używane zamiennie. Alternatywną praktyką jest zdefiniowanie terminu apoptoza jako opisowego jednego z mechanizmów PCD., W tym rozdziale używamy terminu apoptoza do opisania śmierci komórki wywołanej przez nienormalne naprężenia pozakomórkowe i terminu PCD do wskazania apoptotycznej śmierci komórki, która jest rozwojowo predestynowana i normalnie występująca.