Определение апоптоза
Апоптоз – это процесс, который происходит в многоклеточный когда клетка намеренно «решает» умереть. Это часто происходит во благо всего организм Например, когда ДНК клетки повреждена и может стать раковой.
Апоптоз называют «запрограммированной» гибелью клетки, потому что это происходит из-за биохимических инструкций в ДНК клетки; это противоположно процессу «некроза», когда клетка умирает из-за травмы или депривации извне.
Как и многие другие сложные клеточные процессы, апоптоз запускается сигнальными молекулами, которые сообщают клетке, что пора совершать клеточное «самоубийство».
Два основных типа путей апоптоза – это «внутренние пути», когда клетка получает сигнал разрушить себя от одного из своих собственных генов или белков из-за обнаружения повреждения ДНК; и «внешние пути», где клетка получает сигнал о начале апоптоза от других клеток организма. Внешний путь может быть запущен, когда организм осознает, что клетка изжила себя или перестала быть хорошей инвестицией для организма.
Апоптоз играет роль в возникновении и предотвращении некоторых важных медицинских процессов. У людей апоптоз играет важную роль в предотвращении рака, заставляя клетки с поврежденной ДНК совершать «самоубийство», прежде чем они могут стать злокачественными. Это также играет роль в атрофия мышц, когда тело решает, что больше не стоит тратить калории на поддержание мускул клетки, если клетки не используются регулярно.
Поскольку апоптоз может предотвращать рак и поскольку проблемы с апоптозом могут приводить к некоторым заболеваниям, апоптоз интенсивно изучался учеными с 1990-х годов.
Функция апоптоза
Апоптоз является важным эволюционным приспособление потому что это позволяет организмам разрушать свои собственные клетки. На первый взгляд это может звучать как ужасная идея. Зачем тебе уничтожать часть себя?
Ну, возможно, если бы эта часть вас стала опасной для остальных, как в случае клеток с поврежденной ДНК, которые могли стать злокачественными. Апоптоз является основным убийцей предраковых клеток, и люди с мутациями, которые препятствуют правильному функционированию апоптоза, гораздо чаще заболевают раком.
Многоклеточные организмы могут также хотеть потерять клетки, которые больше не полезны для организма. Ниже мы приведем несколько действительно впечатляющих примеров, когда гибель клеток – это хорошо.
Примеры апоптоза
От головастика до лягушки
Захватывающий пример этого можно найти у головастиков лягушек, которые разрушают и повторно поглощают все структуры тела в процессе превращения в лягушек.
Клетки из жабр, плавников и хвоста головастика «приказывают» погибать от сигналов апоптоза по мере созревания головастика. Сырье этих разбитых клеток становится строительным материалом и пищей для их новых растущих конечностей.
Развитие нервной системы человека
Во время раннего развития человека нервная система огромное количество клеток погибает в результате апоптоза. Почему так должно быть?
Правда в том, что ученые не совсем уверены, почему в развивающейся нервной системе происходит столько запрограммированной гибели клеток. Некоторые думают, что это потому, что формирование правильных связей является сложным и потенциально трудным процессом для молодых нейронов; и потому, что максимальная эффективность нервной системы определенно отвечает интересам организма.
Нервы требуют огромного количества энергии для функционирования – фактически, нервная система потребляет около 20-25% всех калорий, потребляемых в организме человека!
Нейроны также должны найти путь к очень точным целям. В начале развития нейроны растут из яростно делящихся «родителей» стволовых клеток и следуют химическим сигналам, чтобы попытаться найти правильные клетки-мишени для соединения. Соединения должны быть сформированы между головной мозг а также кожа между мозгом и мышцами, между нейронами в мозге и клетками палочек и колбочек в сетчатке и т. д.
Чтобы создать это невероятно сложное нацеливание, развивающаяся нервная система просто выращивает слишком много клеток. Те, которые эффективно соединяются с правильными целями, часто используются, и они сохраняются. Но те, которые не вступают в контакт эффективно и не используются, часто отмирают в результате апоптоза.
Возможно, эта теория о том, почему нейроны умирают во время развития, верна; может также случиться так, что ученые сделают важные открытия, о которых мы даже не мечтали, что объяснит, почему в развивающейся нервной системе так много апоптоза. Больше исследований, безусловно, необходимо!
Мышь Ноги
Во время эмбрионального развития ноги мышей начинаются как плоские вещи в форме лопаты. По мере развития ступни разделяются на пять отдельных пальцев в результате процесса – как вы уже догадались – апоптоза! Клетки, соединяющие пальцы ног, отмирают, чтобы создать четкие промежутки между ними.
Это пример того, как запрограммированная гибель клеток может использоваться для формирования полезных структур и создания полезных функций в дополнение к избавлению от ненужных.
Апоптоз и рак
Одной из основных функций апоптоза является уничтожение клеток, которые опасны для остального организма. Распространенной причиной апоптоза является то, что клетка распознает, что ее ДНК была сильно повреждена. В этих случаях повреждение ДНК запускает пути апоптоза, гарантируя, что клетка не может стать злокачественным раком.
Однако ясно, что этот процесс иногда терпит неудачу. Все случаи рака, по-видимому, являются случаями, когда поврежденная клетка не совершала апоптоз, а вместо этого становилась все более самостоятельной.
Апоптоз может не произойти, если необходимые ему гены входят в число поврежденных. Тем не менее, некоторые врачи и ученые интенсивно изучают апоптоз в надежде, что им удастся научиться запускать его конкретно в раковых клетках, используя новые лекарства или другие методы лечения.
Как и в случае со всеми лекарственными средствами, предназначенными для уничтожения раковых клеток, проблема, связанная с лекарственными средствами, предназначенными для индукции апоптоза, заключается в обеспечении того, чтобы эти лекарства воздействовали только на раковые клетки. Препарат, который заставляет здоровые клетки, а также раковые клетки совершать запрограммированную гибель клеток, может быть очень опасным.
Картина также может быть не такой простой, как «рак возникает при неудачном апоптозе». Исследования показали, что некоторые виды рака могут возникать в клеточных популяциях, где апоптоз происходит легче, чем должен; возможно, эти клетки были вынуждены «учиться» игнорировать чрезмерно восторженные сигналы апоптоза и впоследствии не совершать апоптоз, даже если они получили серьезные повреждения.
Другое исследование показало, что раковые клетки, которые умирают из-за эффектов лекарств, часто умирают от апоптоза, что позволяет предположить, что раки, которые особенно устойчивы к апоптозу, также могут быть особенно устойчивыми к лечению.
Требуется гораздо больше исследований в области лечения рака, и понимание путей апоптоза является одним из самых многообещающих путей для новых прорывов!
Путь апоптоза
Существует два основных типа путей апоптоза, каждый из которых иллюстрирует важный момент о том, как апоптоз запускается и почему он полезен.
Оба основных пути проиллюстрированы на графике ниже. Шаги более подробно обсуждаются в следующих списках:
Внешний путь
При «внешнем» пути к апоптозу извне клетки поступает сигнал, инструктирующий ее совершить запрограммированную гибель клетки. Это может произойти, если клетка больше не нужна, или если она больна.
Подобно многим путям для достижения сложных изменений в клетке, внешний путь к апоптозу включает в себя много шагов, каждый из которых может быть «усилен» или «понижен» ген экспрессия или другими молекулами:
Шаг 1:
Как и большинство сигналов между клетками, внешний путь апоптоза начинается с сигнала молекула привязка к рецептор на внешней стороне клеточная мембрана.
Два распространенных типа химических мессенджеров, которые запускают внешний путь к апоптозу, – это FAS и TRAIL. Эти молекулы могут выделяться соседними клетками, если клетка повреждена или больше не нужна.
Рецепторы, которые связываются с FAS и TRAIL, называются «FASR» для «FAS Receptor» или «TRAILR» для «TRAIL Receptor».
Как и в случае большинства рецепторных белков, когда FASR и TRAILR сталкиваются с их сигнальной молекулой, иногда называемой «лиганд «Они привязаны к этому.
Процесс связывания вызывает изменения внутриклеточного рецептора домен.
Шаг 2:
В ответ на изменения во внутриклеточном домене TRAILR или FASR также изменяется белок внутри клетки, называемый FADD.
Название FADD либо забавно, либо ужасно: оно обозначает белок «FAS-Associated Death Domain».
Как только FADD активируется изменениями рецептора, он взаимодействует с двумя дополнительными белками, которые начинают процесс гибели клеток.
Шаг 3:
Прокаспаза-8 и прокаспаза-10 являются неактивными белками, пока они не взаимодействуют с активированной FADD. Но если две из этих молекул сталкиваются с активированной FADD, части белков, которые удерживают их в неактивном состоянии, «расщепляются» или «отрезаются».
Прокаспазы затем превращаются в каспазу-8 и каспазу-10, которые ученые романтически называют «началом конца» из-за их роли в начале апоптоза.
Каспазы-8 и -10 расходятся через цитоплазма и запускают изменения в нескольких других молекулах по всей клетке, включая мессенджеры, которые начинают расщепление ДНК после активации каспаз.
Шаг 4:
Другая неактивная молекула, называемая BID, превращается в tBID, когда активированные каспазы отщепляют часть BID, которая сохраняет молекулу неактивной.
После того, как BID преобразован в tBID, tBID перемещается в митохондрии, tBID активирует молекулы BAX и BAK.
Активация BAX и BAK являются первыми шагами, которые разделяют как внешние, так и внутренние пути апоптоза.
Шаги 1-4, перечисленные здесь, являются уникальными для внешнего пути. Но после активации BAX и BAK последующие шаги одинаковы для обоих путей.
Таким образом, шаги 3-7 внутреннего пути, перечисленные ниже, также являются шагами 5-9 внешнего пути!
Внутренний Путь
Шаг 1:
Внутренний путь к апоптозу запускается стрессом или повреждением клетки. Типы стресса и повреждения, которые могут привести к апоптозу клетки, включают повреждение ее ДНК, недостаток кислорода и другие стрессы, которые ухудшают способность клетки функционировать.
В ответ на эти повреждения или стрессы клетка «решает», что ее дальнейшее существование может быть опасным или дорогостоящим для организма в целом. Затем он активирует набор белков, называемых «белками только BH3».
Шаг 2:
Белки, содержащие только BH3, представляют собой класс белков, включающий несколько про- и антиапоптозных белков. Апоптоз может быть поощрен или обескуражен, в зависимости от того, какие белки BH3 активированы или экспрессированы.
Проапоптотические BH3-only белки активируют BAX и BAK – те же самые белки, которые активируются tBID после того, как он создан внешним путем к апоптозу.
Шаг 3:
Активированные BAX и BAK вызывают состояние, известное как «MOMP». MOMP означает «проницаемость внешней мембраны митохондрий».
MOMP считается «точкой невозврата» для апоптоза. Ступени, ведущие к MOMP, могут быть остановлены молекулами-ингибиторами, но как только MOMP будет достигнут, клетка завершит процесс гибели.
MOMP играет свою ключевую роль в апоптозе, позволяя выпускать цитохром С в цитоплазму.
Шаг 4:
В обычных условиях цитохром С играет ключевую роль в митохондриальной цепь переноса электронов, Однако во время MOMP цитохром С может выходить из митохондрий и действовать как сигнальная молекула в цитоплазме клетки.
Цитохром-С в цитоплазме клетки вызывает образование зловещей «апоптосомы» – комплекса белков, который выполняет последний шаг к началу клеточного распада.
Шаг 5:
Апоптосома, как только она сформирована, превращает прокаспазу-9 в каспазу-9.
Как и в случае активации каспаз-8 и -10 на внешнем пути апоптоза, каспаза-9 способна вызывать дальнейшие изменения во всей клетке.
Шаг 6:
Каспаза-9 выполняет несколько функций, способствующих апоптозу. Среди наиболее важных является активация каспаз-3 и -7.
Шаг 7:
После активации каспазы-3 и -7 начинают расщепление клеточных материалов. Каспаза-3 конденсирует и расщепляет ДНК клетки.
Когда происходит апоптоз?
Апоптоз возникает, когда существование клетки больше не полезно для организма. Это может произойти по нескольким причинам.
Если клетка подверглась сильному стрессу или повреждению, она может совершить апоптоз, чтобы не стать опасной для организма в целом. Например, клетки с повреждением ДНК могут стать злокачественными, поэтому для них лучше совершить апоптоз, прежде чем это произойдет.
Другие клеточные стрессы, такие как недостаток кислорода, могут также заставить клетку «решить», что это опасно или дорого для хозяина. Клетки, которые не могут функционировать должным образом, могут инициировать апоптоз, так же как клетки, которые испытали повреждение ДНК.
В третьем сценарии клетки могут совершать апоптоз, потому что организму они больше не нужны из-за его естественного развития.
Одним из известных примеров является пример головастика, чьи жаберные, плавниковые и хвостовые клетки совершают апоптоз как метаморфозы головастика в лягушку. Эти структуры необходимы, когда головастик живет в воде, но становятся дорогостоящими и вредными, когда он перемещается на сушу.
викторина
1. Что из нижеперечисленного НЕ должно вызывать апоптоз?A. Повреждение ДНК клеткиB. Долгосрочная кислородная недостаточностьC. Организм движется к новой стадии своего жизненного цикла, что делает некоторые клетки устаревшимиD. Ни один из вышеперечисленных
Ответ на вопрос № 1
D верно. Все вышеперечисленное является потенциальным триггером апоптоза.
2. Что из следующего может произойти, если мутация сделал апоптоз невозможным?A. Нервная система может развиваться неправильноB. Рак может стать гораздо более вероятнымC. Возможно, насекомое не сможет подвергнуться метаморфозамD. Все вышеперечисленное
Ответ на вопрос № 2
D верно. Все возможные последствия для организма, чьи клетки не могут вызвать апоптоз.
3. В чем разница между внешним и внутренним путями апоптоза?A. Внешний путь запускается сигналом извне клетки, в то время как внутренний путь запускается событиями внутри клетки.B. Внешний путь имеет больше шагов, потому что сигнал должен передаваться с клеточной мембраны.C. Внешний путь активирует BAK и BAX, в то время как внутренний путь не активирует.D. А и Б
Ответ на вопрос № 3
D верно. И А и В верны. Тем не менее, C не соответствует действительности – и внутренние, и внешние пути апоптоза должны активировать BAK и BAX для успешного завершения апоптоза.
Ссылки
- Wilson, J. H. & Hunt, T. (2002). Молекулярная биология клетки, 4-е издание: проблемный подход. Нью-Йорк: Гарленд Наука.
- Lowe S.W. (2000). Апоптоз при раке. Канцерогенез, 21 (3), 485-495. DOI: 10,1093 / carcin / 21.3.485