Brevi note sulla morte della cellula programmata
La morte cellulare programmata è un processo indotto e ordinato in cui la cellula partecipa attivamente a provocare la propria morte.
La morte cellulare programmata è un fattore critico per il mantenimento della regolazione omeostatica di molti tipi di cellule. Per ogni cellula c'è un tempo per vivere e un tempo per morire. Ogni giorno, milioni di leucociti vengono prodotti e rilasciati dal midollo osseo in circolazione. I leucociti hanno un'emivita di pochi giorni soltanto. Dopo pochi giorni i leucociti muoiono per morte cellulare programmata. Se i leucociti non muoiono, si verificherà un accumulo di leucociti nel sangue, che potrebbe interferire con la natura fluida del sangue.
Il premio Nobel in Fisiologia o Medicina 2002 è stato assegnato congiuntamente a tre scienziati, Sydney Brenner, Robert Horvitz e John Sulston per le loro scoperte riguardanti "la regolazione genetica dello sviluppo di organi e la morte cellulare programmata". Hanno usato il nematode "Caenorhabditis elegans" come modello e identificato i geni chiave che regolano la morte cellulare programmata. C. elegans è un piccolo verme trasparente con breve tempo di generazione, che aiuta a seguire la divisione cellulare direttamente sotto il microscopio. La morte cellulare programmata o l'apoptosi è un processo evolutivamente conservato. I vertebrati hanno sviluppato l'intera famiglia di geni simili ai geni di morte delle cellule nematode.
Ci sono due ragioni per cui le cellule devono essere sottoposte a morte cellulare programmata o apoptosi:
1. La morte cellulare programmata è necessaria per il corretto sviluppo dell'organismo.
io. L'apoptosi provoca il riassorbimento della coda del girino al momento della sua metamorfosi in una rana.
ii. La morte apoptica delle cellule porta alla rimozione dei tessuti tra le dita delle mani e dei piedi del feto.
iii. L'espulsione dell'endometrio (il rivestimento interno dell'utero) all'inizio delle mestruazioni avviene per apoptodis.
2. La morte cellulare programmata è necessaria per eliminare le cellule ospiti, che possono essere una minaccia per l'ospite.
io. Le cellule infette da virus dovrebbero essere rimosse dal corpo. I linfociti T citotossici (CTL) inducono la morte apoptica delle cellule infettate da virus attraverso l'enzima granzyme.
ii. Dopo un periodo desiderato di risposta immunitaria mediata dalle cellule, i CTL devono essere eliminati. Altrimenti i CTL potrebbero causare danni all'host. I CTL inducono l'apoptosi tra di loro. Inoltre, un CTL può indurre l'apoptosi di per sé.
Le cellule sottoposte a morte cellulare programmata presentano molti cambiamenti morfologici, che sono indicati come apoptosi.
I seguenti cambiamenti morfologici sono stati osservati in una cellula sottoposta a morte apoptotica:
io. Diminuzione del volume della cella.
ii. Modifiche nel citoscheletro, con conseguente blebbing della membrana.
iii. Condensazione della cromatina e degradazione del DNA in piccoli frammenti.
La cellula apoptica getta molti corpi apopticali legati alla membrana contenenti organelli intatti. I corpi apoptotici sono fagocitati da macrofagi. Durante la morte apoptica, il contenuto della cellula di tintura non viene rilasciato all'esterno (se vengono rilasciati all'esterno influiscono sulle cellule vicine e inducono una risposta infiammatoria). I contenuti della cellula apoptica vengono rilasciati come corpi apoptic legati alla membrana e i corpi apoptici sono fagocitati dai macrofagi.
Le caratteristiche di una cellula che muore a causa di un trauma (noto come necrosi) differiscono dalle caratteristiche di una cellula che muore a causa dell'apoptosi. Le proteasi rilasciate da una cellula necrotica possono danneggiare le cellule vicine e i materiali rilasciati dalle cellule necrotiche stimolano una risposta infiammatoria, portando all'invito di cellule infiammatorie nel sito delle cellule necrotiche. Considerando che, la perdita di contenuto cellulare da una cellula apoptica sono ridotti al minimo in modo che le cellule vicine non siano affette e le risposte infiammatorie non siano indotte.
Lo stimolo o il segnale per l'apoptosi può provenire dall'esterno delle cellule (estrinseche) o dall'interno delle cellule (intrinseche o mitocondriali).
io. I segnali estrinseci inducono l'apoptosi mediante (a) legame dei ligandi estrinseci alla morte e recettori della superficie cellulare e (b) dall'azione dell'enzima granzima secreto dalle cellule T citotossiche. Il granzyme induce la morte apoptica di cellule infette da virus e cellule neoplastiche.
ii. A seguito di uno stress alle cellule (come l'esposizione a radiazioni o sostanze chimiche o infezioni virali), vengono avviati i segnali intrinseci. In generale, i segnali intrinseci iniziano l'apoptosi attraverso il coinvolgimento dei mitocondri.
caspases:
Le caspasi sono proteasi citoplasmatiche. Le caspasi differiscono dalle altre proteasi in quanto le caspasi hanno una cisteina essenziale nei loro siti attivi. Anche le caspasi scindono le proteine bersaglio in particolari residui di asparato. Le caspasi sono presenti nel citoplasma in forme precursori inattive chiamate procaspasi. Le proteasi sono clivate per liberare le caspasi attive. Le procaspasi nel citoplasma sono attivate da molti segnali intracellulari ed extracellulari. Finora sono state identificate più di 10 caspasi umane.
Durante l'apoptosi, il DNA cromosomico viene scisso in piccole unità nucleosomali. Gli enzimi citoplasmatici caspasi causano la degradazione nucleare attraverso meccanismi diversi.
io. Un enzima, la DNasi attivata dalla caspasi (CAD) provoca la frammentazione del DNA in unità nucleosomali (come osservato nei saggi di DNA laddering). Normalmente il CAD esiste come un complesso inattivo con ICAD (inibitore del CAD, fattore di frammentazione del DNA 45). Le caspasi, inclusa la caspasi-3, scindono l'ICAD e rilasciano il CAD, che a sua volta causa una rapida frammentazione del DNA nucleare.
ii. L'enzima poli (ADP-ribosio) polimerasi (PARP) è coinvolto nella riparazione del DNA danneggiato. Caspase-3 fende PARP e impedisce al DNA di riparare le funzioni di PARP.
iii. Le caspasi inattivano l'enzima nucleare DNA topoisomerasi II, che è essenziale per la replicazione e la riparazione del DNA.
iv. Le caspasi distruggono le proteine strutturali della matrice nucleare e del citoscheletro e portano al collasso del nucleo e del citoplasma. Le lamelle sono proteine intranucleari che mantengono la forma del nucleo e mediano le interazioni tra la cromatina e la membrana nucleare. La caspasi 6 degrada le lamelle con conseguente condensazione della cromatina e frammentazione nucleare.
v. Le caspasi analizzano le proteine necessarie per l'adesione delle cellule cellulari, con il conseguente rilascio di cellule apoptiche dalle cellule adiacenti.
VI. Un certo numero di molecole di segnalazione, regolatori del ciclo cellulare e fattori di trascrizione sono degradati dalle caspasi.
Le caspasi funzionano in modo simile a cascata, come l'attivazione a cascata dei componenti del complemento durante l'attivazione del complemento. Esistono numerosi meccanismi attraverso i quali è possibile attivare la cascata della caspasi.
1. I ligandi che inducono la morte si legano ai recettori della superficie cellulare.
↓
Caspasi dell'iniziatore, come caspase-8 o caspase-10 sono attivati.
↓
Le caspasi dell'iniziatore attivano altre caspasi in cascata.
↓
Questa cascata porta infine all'attivazione di caspasi effettrici, come la caspasi-3 e la caspasi-6. Queste caspasi effettrici sono responsabili della scissione delle proteine cellulari chiave che portano ai cambiamenti morfologici nelle cellule sottoposte all'apoptosi.
2. Le cellule T citotossiche secernono enzimi perforine e granzyme.
↓
Gli enzimi perforano piccoli fori nella membrana cellulare della cellula bersaglio (come una cellula infetta virale).
↓
Enzima granzyme entra nella cellula attraverso il poro e attiva le caspasi 3, 7, 8 e 10. Gli eventi successivi portano al danno nucleare della cellula.
3. I mitocondri sono anche i principali regolatori della cascata della caspasi e dell'apoptosi.
Il citocromo c rilasciato dai mitocondri si lega alla proteina citosolica Apaf-1.
↓
L'interazione di cui sopra è stabilizzata dall'ATP e porta alla formazione di una struttura simile a una ruota costituita da 7 molecole ciascuna di Apaf-1, citocromo c e ATP. Questa struttura a forma di ruota chiamata apoptosoma consente il reclutamento di 7 molecole di procaspase-9 nel complesso.
↓
Procapase-9 è attivato per caspase-9 (l'esatto meccanismo di attivazione di procaspase-9 alla caspasi-9 non è noto).
Bcl-2 Proteine e apoptosi:
Il gene Bcl-2 (linfoma a cellule B-2) codifica per proteine che inibiscono l'apoptosi. Inizialmente, il gene Bcl-2 è stato scoperto in cellule B cancerose chiamate linfomi a cellule B. Il gene Bcl-2 (nel linfoma a cellule B) si trova nel punto di interruzione di una traslocazione cromosomica. Il gene Bcl-2 viene trasferito in un locus della catena pesante delle immunoglobuline con conseguente attivazione trascrizionale del gene Bcl-2.
Di conseguenza, c'è una produzione eccessiva di proteina Bcl-2. Un aumento del livello delle proteine Bcl-2 inibisce i normali segnali delle cellule apoptotiche e previene l'apoptosi (si ritiene che i più alti livelli di proteina Bcl-2 nelle cellule B trasformate aiutino le cellule trasformate a diventare cellule cancerogene inibendo i segnali apoptici).
L'apoptosi attraverso le vie mitocondriali è controllata da una famiglia di proteine correlate alla oncoproteina umana Bcl-2. La maggior parte delle proteine Bcl-2 sono proteine di membrana integrale di organelli citoplasmatici, come reticolo endoplasmatico, involucro nucleare esterno, membrana plasmatica interna e mitocondri.
È interessante notare che le proteine della famiglia Bcl-2 si dividono in due gruppi con effetti biologicamente opposti. Alcune proteine promuovono l'apoptosi (come Bad e Bax), mentre altre (come Bcl-2 e BcIX L ) inibiscono l'apoptosi. L'esito di un segnale apoptico in una cellula può dipendere dall'equilibrio delle proteine pro-apoptiche e anti-apoptiche di Bcl-2. Eccessi di proteine pro-apoptiche possono portare alla morte delle cellule, mentre gli eccessi di proteine anti-apoptiche possono prevenire la morte cellulare. Si suggerisce che le azioni pro-apoptiche di Bax e Bad siano prevenute da Bcl-2 e BclX L.
Mitocondri e apoptosi:
I mitocondri svolgono importanti ruoli chiave nella regolazione della morte cellulare programmata. Il meccanismo attraverso il quale la proteina Bax agisce nell'apoptosi non è noto.
Si suggerisce che le proteine Bax formino i pori nella membrana esterna mitocondriale
↓
Il citocromo mitocondriale c e il fattore di induzione dell'apoptosi (AIF) sfuggono attraverso i pori nel citoplasma.
↓
Il citocromo c forma l'apoptosoma (con Apaf-1 e ATP) e attiva la caspasi-9.
Si pensa che Bcl-2 e BcIXl impediscano la formazione di pori da parte di Bat e Bax sulla membrana mitocondriale.
Recettori della morte e apoptosi:
I recettori della morte sono recettori presenti sulla superficie delle cellule. In seguito al legame con specifici ligandi, i recettori della morte trasmettono i segnali apoptici nella cellula. I recettori della morte appartengono al super gene del gene del fattore di necrosi tumorale (TNF). Oltre all'apoptosi, anche i recettori della morte inducono molte altre funzioni.
I recettori della morte più noti sono:
io. Fas (CD95)
ii. TNFRl (recettore TNF 1)
iii. TRAIL (apoptosi correlata al TNF che induce il ligando)
Apoptosi attraverso Fas molecole:
Le molecole di Fas del recettore della morte transmembrana sono presenti sulla superficie delle cellule. Le porzioni citoplasmatiche di Fas hanno domini di morte (DD).
↓
I linfociti T citotossici (CTL) esprimono FasL sulla loro superficie. FasL (Fas ligand) è un trimero. L'associazione delle molecole di Fas (sulla superficie della cellula bersaglio) con FasL (su CTL) promuove la trimerizzazione delle molecole di Fas.
↓
Dopo la trimerizzazione delle molecole di Fas, i domini di morte intracellulare di Fas si raggruppano insieme.
↓
Una proteina adattatrice chiamata FADD (dominio di morte associato a Fas) si associa ai domini di morte di Fas.
↓
FADD ha un dominio chiamato death effector domain (DED). Il dominio degli effettori della morte consente il legame delle procaspasi-8 (noto anche come FLICE) al complesso CD95-FADD [Il complesso delle proteine CD95-FADD e procaspase-8 è noto come DISC (complesso induttivo di segnalazione della morte)].
↓
L'apastasi-8 viene scisso e si forma la caspasi-8. Caspase-8 innesca l'azione delle caspasi di esecuzione, come la caspase-9.
Fas Molecules gioca importanti ruoli apoptici in tre situazioni:
1. L'uccisione citotossica delle cellule infette da virus è mediata dalle interazioni di Fas (sulle cellule infette da virus) con FasL sulla superficie dei CTL.
2. Le molecole di Fas sulla superficie dei CTL attivati si legano con FasL (sulla stessa cellula) e conducono all'apoptosi dei CTL. L'eliminazione mediata dei CTL attivati da Fas è uno dei meccanismi responsabili della rimozione dei CTL attivati quando la risposta immunitaria mediata dalle cellule non è più richiesta dall'ospite.
3. Le cellule nei siti immunitari privilegiati (come la camera anteriore degli occhi e dei testicoli) sono suggerite per esprimere alti livelli di FasL sulla loro superficie. Il FasL su queste cellule si associa alle molecole di Fas sulle cellule infiammatorie (che possono entrare nei siti privilegiati) e portare all'eliminazione delle cellule infiammatorie. Di conseguenza, le cellule nei siti immunitari privilegiati sfuggono all'attacco infiammatorio e sopravvivono. Si ritiene che le molecole di FasL sulla superficie delle cellule nei siti immunizzati privilegiati siano responsabili della natura privilegiata di queste cellule.
Apoptosi attraverso TNFR1:
Il fattore di necrosi tumorale (TNF) è prodotto da cellule T e macrofagi attivati. Il TNF si lega al recettore TNF 1 (TNFRI) e inizia diversi effetti nella cellula.
io. Il legame TNF-TNFR1 può portare all'attivazione di NF-kB e AP-1, che a loro volta portano all'induzione di un certo numero di geni proinfiammatori e immunomodulatori.
ii. Il legame TNF-TNFR1 può portare all'apoptosi.
Il legame TNF-TNFR1 porta alla trimerizzazione del TNFR1 e al clustering dei domini di morte intracellulare del TNFR1.
↓
Una molecola dell'adattatore denominata TRADD (dominio di morte associato al TNFR) si lega al dominio della morte del TNFRI.
↓
TRADD può assumere un numero di proteine diverse per il TNFR1 attivato.
↓
L'assunzione di TRAF2 (fattore associato al TNFR 2) porta all'attivazione di NF-kB e della via di segnalazione JNK / AF-1.
1. L'assunzione di FADD porta all'induzione dell'apoptosi, attraverso il reclutamento e la scissione di procaspase-8.
2. Un'altra proteina adattatore chiamata RAIDD può essere associata al TNFRI, che porta al reclutamento della caspasi-2. Di conseguenza, l'apoptosi è indotta.
Induzione di apoptosi da parte di TRAIL (ligando che induce l'apoptosi correlata al TNF):
L'induzione dell'apoptosi da parte di TRAIL è simile all'induzione dell'apoptosi attraverso Fas in molti modi. TRAIL si lega ai recettori DR4 o DR5 sulle superfici cellulari e induce l'apoptosi. Tuttavia, i meccanismi esatti non sono ancora noti.
Ci sono proteine chiamate proteine decoy (DCR1 e CCR2), che competono con i recettori DR4 e DR5 per legarsi a TRAIL. Questi recettori per l'esca impediscono l'apoptosi.
p53 e apoptosi:
p53, una proteina legante il DNA è un attivatore trascrizionale. Quando il DNA è danneggiato, le cellule danneggiate aumentano la produzione di proteina p53. p53 è un potente induttore dell'apoptosi. Si ritiene che la p53 funzioni come un sensore del danno al DNA ed è stata definita "guardiana del genoma".
Le mutazioni nel gene p53 possono interferire con la morte apoptica di una cellula. Il gene mutato di p53 che produce una proteina p53 difettosa si trova spesso in molti tipi di cellule tumorali.
Virus e apoptosi:
Alcuni virus manipolano il meccanismo apoptico a loro favore e assicurano la loro sopravvivenza prevenendo la morte apoptica della cellula in cui vivono.
Cancro e apoptosi:
Si suggerisce che il meccanismo apoptotico sia inibito nelle cellule tumorali. Di conseguenza, le cellule tumorali non muoiono per apoptosi.
HIV e apoptosi:
Il numero di cellule T CD4 diminuisce gradualmente negli individui con infezione da HIV. I meccanismi alla base della diminuzione delle cellule T CD4 + negli individui infetti da HIV non sono chiaramente noti. La morte apoptica delle cellule T CD4 + è suggerita come uno dei possibili meccanismi. Le cellule T CD4 + infette da HIV e HIV non infette esprimono molecole di Fas sulla loro superficie. Le cellule T CD4 + infettate dall'HIV esprimono anche alti livelli di FasL sulla loro superficie. Il FasL sulle cellule T CD4 + infette da HIV si lega alle molecole di Fas su cellule CD4 + non infette e induce apoptosi nelle cellule non infette con conseguente diminuzione del numero di cellule T CD4 + . Si ritiene che il ne / gene dell'HIV sia responsabile dell'alto livello di espressione di FasL sulle cellule T CD4 + infette da HIV.
Ossido nitrico e apoptosi:
L'ossido nitrico (NO) è un'importante molecola di segnalazione. NO è coinvolto nella regolazione di vari processi come la vasodilatazione, la funzione neuronale, l'infiammazione e la funzione immunitaria. NO è in grado di indurre l'apoptosi e può anche proteggere una cellula dall'apoptosi. I diversi effetti dell'NO dipendono dalla dose di NO, dalle cellule coinvolte e da molti altri fattori.
NO ha dimostrato di inibire l'apoptosi nei leucociti, epatociti, cellule endoteliali e trofoblasti.
Esistono molti meccanismi attraverso i quali l'NO agisce come un segnale anti-apoptico:
io. La nitrosilazione delle caspasi, come la caspasi 1, 3 e 8, provoca l'inattivazione delle caspasi.
ii. NO sovraregge la proteina di shock termico 70 e, di conseguenza, blocca il reclutamento di procaspasi-9 in apoptosoma.
iii. NO sovraccarica Bcl-2 e BcIX L e, di conseguenza, il rilascio di citocromo c dai mitocondri è inibito.
