Molekularne mechanizmy śmierci i starzenia.
Cykl komórkowy, cykl podziału komórki – seria zdarzeń, które zachodzą w komórce eukariotycznej, prowadząc do jej podziału. Ogólnie zdarzenia te można podzielić na 2, zazwyczaj niezbyt długie, okresy: interfazę - w trakcie której komórka wzrasta, gromadząc składniki odżywcze niezbędne do cytokinezy i podziału swojego materiału genetycznego (DNA), czyli kariokinezy; fazę podziału (M) - podczas której komórka dzieli się na 2 oddzielne komórki, zwane komórkami potomnymi, jeśli podział ma charakter mitotyczny, w przypadku prakomórek rozrodczych faza M oznacza wejście w proces podziału mejotycznego, którego skutkiem jest powstanie czterech komórek o zredukowanej liczbie chromosomów. Cykl komórkowy jest procesem życiowym, który umożliwia jednokomórkowej zygocie rozwinąć się w dojrzały organizm, jak również procesem, dzięki któremu skóra, włosy, komórki krwi i niektóre inne narządy wewnętrzne ulegają odnowie.
Cykl komórkowy składa się z 4 oddzielnych faz: fazy G1, fazy S, fazy G2 (zwanych łącznie interfazą) oraz fazy M. Faza M składa się z kolei z 2 ściśle połączonych ze sobą procesów: mitozy, w czasie której chromosomy komórki zostają rozdzielone pomiędzy 2 przyszłe komórki potomne i cytokinezy, w czasie której dochodzi do podziału cytoplazmy z uformowaniem odrębnych komórek. Aktywacja każdej fazy jest zależna od właściwego postępu i ukończenia poprzedzającej ją fazy. O komórce, która czasowo i w sposób odwracalny zatrzymała swoje podziały, mówi się, że weszła w fazę spoczynkową, zwaną fazą G0.
Relatywnie krótka faza M obejmuje podział jądra (kariokinezę) i podział cytoplazmy (cytokinezę). U roślin i glonów cytokinezie towarzyszy wytworzenie ściany komórkowej. Jest to faza, w której następuje podział komórki. Literka M relatywnie może oznaczać nazwę podziału komórki: mitozy lub mejozy.
Po fazie M każda z komórek potomnych zaczyna interfazę nowego cyklu komórkowego. Chociaż różne etapy interfazy zwykle nie są morfologicznie rozróżnialne, to każda z nich posiada odrębny zestaw wyspecjalizowanych procesów biochemicznych, który przygotowuje komórkę do podziału.
Pierwsza faza interfazy, która zaczyna się od końca fazy M poprzedniego cyklu i trwa do początku syntezy DNA, nazywa się fazą G1 (G - z ang. gap - przerwa (między fazą M i S). Podczas tej fazy procesy biosyntezy w komórce, które uległy znacznemu zwolnieniu w fazie M, zostają podjęte na nowo i w większym stopniu. W fazie tej dochodzi do syntezy różnych enzymów potrzebnych głównie do replikacji DNA w fazie S. Czas trwania fazy G1 jest znacznie zróżnicowany, nawet pomiędzy różnymi komórkami tego samego gatunku.
Kolejna faza S (z ang. synthesis - synteza) rozpoczyna się wraz z rozpoczęciem syntezy DNA, natomiast kiedy kończy się, wszystkie chromosomy są zreplikowane, tzn. każdy chromosom ma 2 siostrzane chromatydy. Dlatego też podczas tej fazy ilość DNA w komórce zostaje podwojona, mimo że ploidalność komórki pozostaje ta sama. Tempo syntezy RNA i białek w tej fazie jest niskie. Wyjątek stanowi produkcja histonów, która w większości odbywa się w fazie S. Czas trwania tej fazy jest zazwyczaj względnie stały w komórkach tego samego gatunku.
Komórka wchodzi następnie w fazę G2, która trwa, dopóki komórka nie rozpocznie mitozy. Ponownie w tej fazie znacząco zwiększa się synteza białek, głównie tubuliny, celem wytworzenia mikrotubul - składnika wrzeciona podziałowego niezbędnego w procesie mitozy. Zahamowanie syntezy białka w fazie G2 uniemożliwia komórce odbycie mitozy.
Termin "postmitotyczny" odnosi się niekiedy zarówno do komórek w fazie spoczynku, jak i komórek starzejących się. Niedzielące się komórki u wielokomórkowych organizmów eukariotycznych generalnie wchodzą w fazę G0 z fazy G1 i mogą pozostawać w tej fazie spoczynkowej przez długi okres, możliwe że i na zawsze, jak to często bywa w przypadku neuronów. Jest to bardzo powszechne wśród komórek, które są w pełni zróżnicowane. Starzenie się komórki jest stanem, który występuje w odpowiedzi na uszkodzenie lub zniszczenie DNA, które mogłoby uczynić potomstwo komórki niezdolnym do życia. Jest to często biochemiczna alternatywa dla samozniszczenia tak uszkodzonej komórki przez apoptozę. Niektóre typy komórek w dojrzałym organizmie, np. komórki parenchymalne (miąższowe) wątroby i nerek, wchodzą w fazę G0 w sposób na wpół trwały i mogą zostać pobudzone do ponownych podziałów tylko w bardzo szczególnych okolicznościach. Inne komórki, np. komórki nabłonkowe, kontynuują dzielenie się przez okres całego życia organizmu.
Regulacja cyklu komórkowego obejmuje kluczowe dla komórki elementy, w tym wykrywanie i naprawę materiału genetycznego, różne systemy nadzoru zapobiegające niekontrolowanym podziałom komórkowym. Procesy molekularne, które sterują cyklem komórkowym są uporządkowane i ukierunkowane, co oznacza, że każdy proces następuje w sposób sekwencyjny i niemożliwe jest "odwrócenie" cyklu.
Aktywność dwóch klas cząsteczek regulatorowych, tj. cyklin i kinaz zależnych od cyklin (CDKs), determinuje postęp cyklu komórkowego. Wiele genów kodujących cykliny i CDKs jest bardzo konserwatywna u organizmów eukariotycznych, jednak ogólnie rzecz biorąc bardziej złożone organizmy mają bardziej wyszukane systemy kontroli cyklu komórkowego, które zawierają bardziej zindywidualizowane składniki.
Wiele istotnych genów było początkowo zidentyfikowanych u drożdży, zwłaszcza Saccharomyces cerevisiae; nomenklatura genetyczna u drożdży nadała tym genom nieoficjalną nazwę cdc (z ang. cell division cycle - cykl podziałowy komórki) z kolejnym numerem identyfikacyjnym, np. cdc25. Cykliny i CDKs formują razem aktywny heterodimer, przy czym cykliny tworzą jednostkę regulatorową, a CDKs pełnią funkcję katalityczną w obrębie heterodimeru. Cykliny nie mają żadnej aktywności katalitycznej, zaś CDKs są nieaktywne przy braku obecności partnera cyklinowego. CDKs po związaniu się z cyklinami ulegają aktywacji i przeprowadzają reakcje fosforylacji białek docelowych, które przez to zostają zaktywowane lub inaktywowane. Powoduje to skoordynowane wejście komórki w następną fazę cyklu. Różne kombinacje cyklina-CDK decydują o tym, które z białek docelowych ulegną fosforylacji. CDKs podlegają konstytutywnej ekspresji w komórce, podczas gdy cykliny są syntetyzowane w określonych fazach cyklu komórkowego w odpowiedzi na różne sygnały molekularne.
Po otrzymaniu zewnątrzkomórkowego sygnału pobudzającego do mitozy, kompleksy cyklina-CDK fazy G1 stają się aktywne i przygotowują komórkę do przejścia w fazę S, sprzyjając ekspresji czynników transkrypcyjnych, które z kolei promują ekspresję cyklin fazy S i enzymów potrzebnych do replikacji DNA. Kompleksy cyklina-CDK fazy G1 sprzyjają również degradacji cząsteczek, które są inhibitorami fazy S, przez naznaczenie ich do ubikwitynacji. Kiedy białko ulegnie ubikwitynacji (tj. przyłączeniu do niego ubikwityny), jest przeznaczone do proteolitycznego rozkładu w tzw. proteasomach. Aktywne kompleksy cyklina-CDK fazy S fosforylują białka, które stanowią tzw. kompleksy prereplikacyjne przyłączające się w fazie G1 do sekwencji DNA, od których rozpoczyna się replikacja (z ang. replication origins). Fosforylacja ta służy dwóm celom: po pierwsze, aby uaktywnić już przyłączone do DNA kompleksy prereplikacyjne oraz po drugie, aby zapobiec tworzeniu nowych kompleksów. Działanie takie zapewnia, że każda część genomu komórki ulegnie replikacji tylko jeden raz. Powód zapobiegania przerwom w replikacji jest raczej oczywisty, ponieważ komórki potomne, które są pozbawione wszystkich lub części kluczowych genów, umrą. Z drugiej zaś strony, w kontekście liczby kopii genu w indywidualnym genomie, posiadanie dodatkowych kopii pewnych genów miałoby także szkodliwy wpływ na komórki potomne. Kompleksy mitotyczne cyklina-CDK, które są syntetyzowane, ale nieaktywne w fazach S i G2 sprzyjają rozpoczęciu mitozy przez stymulację kolejnych białek zaangażowanych w kondensację chromatyny i formowanie wrzeciona podziałowego. Kluczowym kompleksem aktywowanym w czasie tego procesu jest ligaza ubikwityny, zwana także kompleksem sprzyjającym anafazie (APC - z ang. anaphase-promoting complex), która kieruje degradacją białek strukturalnych chromosomalnego kinetochoru. APC wyznacza również cykliny mitotyczne, które mają ulec degradacji, zapewniając postęp telofazy i cytokinezy.
Cyklina D jest pierwszą cykliną wytwarzaną w przebiegu cyklu komórkowego w odpowiedzi na bodźce zewnątrzkomórkowe (np. czynniki wzrostowe). Wiąże się ona z CDK4 tworząc aktywny kompleks cyklina D-CDK4, który z kolei fosforyluje białko RB. Ufosforylowane białko RB oddysocjowuje z kompleksu E2F/DP1/RB, który pozostawał związany z genem E2F zapobiegając jego transkrypcji. Rozpad kompleksu E2F/DP1/RB powoduje aktywację genu E2F, co skutkuje transkrypcją różnych genów, jak geny dla cykliny E, cykliny A, polimerazy DNA, kinazy tymidynowej itd. Wytworzona w ten sposób cyklina E wiąże się z CDK2 tworząc kompleks cyklina E-CDK2, co powoduje przejście komórki z fazy G1 do fazy S (przejście G1/S). Cyklina A razem z CDK2 tworzy kompleks cyklina A-CDK2, który inicjuje przejście G2/M. Aktywacja kompleksu cyklina B-CDK1 powoduje rozpad błony jądrowej i rozpoczęcie profazy, a następowa jego inaktywacja powoduje wyjście komórki z mitozy.
Cykl komórkowy obejmuje replikację materiału genetycznego oraz podział jądra komórkowego, po którym następuje podział cytoplazmy oraz interfaza. Poprawny przebieg cyklu komórkowego w komórce jest zapewniany przez złożony układ kontroli. We właściwym czasie układ ten uaktywnia enzymy i inne białka uczestniczące w kolejnych etapach cyklu, a po ich zakończeniu składniki te dezaktywuje. W cyklu większości komórek eukariotycznych wyróżnia się 4 stadia - fazy.
· Faza G1 - trwa od kilku do kilkunastu godzin, pomiędzy końcem cytokinezy a rozpoczęciem syntezy DNA.
· Faza S (synthesis) - u ssaków trwa 7 godzin. W ciągu tej fazy odbywa się replikacja DNA oraz synteza histonów.
· Faza G2 - trwa od końca syntezy białek aż do początku mitozy. W tej fazie następuje synteza tubuliny - składnika wrzeciona podziałowego.
· Następnie rozpoczyna się mitoza, która trwa ok. 1 godziny. Cykl komórkowy może być zakończony podziałem redukcyjnym – mejozą.
Apoptoza to jeden z rodzajów śmierci komórkowej. Jej nazwa pochodzi z języka greckiego i oznacza opadanie płatków kwiatów, bądź liści. Pierwsza część wyrazu – „apo” nawiązuje do pozornego wyciekania komórek do przestrzeni międzykomórkowej, natomiast „ptosis” dotyczy usunięcia komórek z tkanki.
Rys. 1. Rodzaje śmierci komórkowej
Apoptoza jest niezbędna do zachowania homeostazy tkankowej. Jej biologiczna rola polega na eliminowaniu zużytych i uszkodzonych komórek, które mogłyby być szkodliwe dla organizmu. Do samobójczej śmierci zdolna jest większość komórek, jednak łatwość z jaką wchodzą one na drogę apoptozy zależy od ich typu i stopnia rozwoju. Proces ten zaobserwowano zarówno podczas embriogenezy (kształtowanie układu nerwowego ssaków, tworzenie komórek soczewki oka) jak i u organizmów dorosłych (np. segregacja dojrzewających limfocytów T w grasicy).
Zmiany zachodzące w komórce podczas apoptozy
ü Zmiany morfologiczne:
zmiana symetrii błony komórkowej przy zachowaniu jej integralności;
odwodnienie i zmiana kształtu komórki;
kondensacja chromatyny oraz jej agregacja przy nukleoplazmie;
tworzenie się pęcherzyków poprzez otoczanie błoną komórkową fragmentującej cytoplazmy (ang. blebbing);
odpączkowywanie ciałek apoptotycznych (odrywanych od komórki macierzystej pęcherzyków).
ü Zmiany biochemiczne:
translokacja fosfatydyloseryny PS do zewnętrznej warstwy błony komórkowej;
aktywacja fosfataz i kinaz białkowych;
wydzielenie cytochromu c i czynnika AIF (ang. apoptosis inducing factor) z mitochondriów;
aktywacja kaskady kaspaz;
cięcie DNA na mono- i oligonukleosomy (powstaje drabinka nukleosomowa) przez endonukleazę CAD (ang. caspase-activated deoxyribonuclease);
zużycie energii zgromadzonej w ATP.
Odpowiedź tkankowa indukowana jest przez:
a) zmiany fizjologiczne (w dopływie hormonów do komórki, spadek poziomu czynników troficznych i wzrostowych);
b) działanie toksyn (zewnętrznych czynników uszkadzających i toksyn komórkowych: wolnych rodników, ekscytotoksyn, jonów wapnia);
zachodzi w pojedynczych komórkach rozsianych w prawidłowej tkance;
fagocytoza przez rezydujące komórki żerne oraz wędrujące makrofagi;
nie wywołuje odpowiedzi zapalnej.
Aktywacja fizjologicznej śmierci komórki może zachodzić pod wpływem wielu różnych czynników:
• biologicznych, takich jak zakażenia (np. Helicobacter pylori, wirusami), niedobór czynników wzrostu, sygnały śmierci wysyłane przez inne komórki, produkty limfocytów Tc (np. cytokiny, perforyny);
• chemicznych, czyli stresu oksydacyjnego wywołanego obecnością reaktywnych form tlenu, chemoterapeutyków stosowanych w terapii przeciwnowotworowej;
• fizycznych, to jest promieniowania jonizującego, szoku termicznego.
Apoptoza to aktywny, zaprogramowanym przez komórkę proces. Związany jest on z aktywacją specyficznych genów, które pozwalają na zachowanie równowagi między procesami proliferacji i śmierci komórek. Ekspresję genów zaangażowanych w proces samobójczej śmierci reguluje m.in. czynnik transkrypcyjny NFкB.
Typowym przykładem genów aktywowanych nie tylko podczas procesu apoptozy są protoonkogeny będące czynnikami transkrypcyjnymi, np. c-myc, c-fos, c-jun. W odpowiedzi komórkowej uczestniczą również geny niektórych cyklin i kinaz cyklinozależnych oraz geny takie jak Rb oraz „strażnik genomu”, czyli gen p53. Wydłuża on fazę G1 cyklu komórkowego umożliwiając w ten sposób naprawę uszkodzonego DNA i dzięki czemu zapobiega przekazywaniu komórkom potomnym zaburzeń genetycznych. W przypadku zbyt dużych uszkodzeń DNA gen ten indukuje proces apoptozy.
Enzymy biorące udział w procesie apoptozy:
• Kaspazy (ang. cysteine-dependent aspartate specific protease) - proteinazy cysteinowe, enzymy trawiące białka jądrowe i cytoplazmatyczne. Ich charakterystyczną cechą jest to, że tną swoje substraty zawsze w miejscach zlokalizowanych obok reszty asparaginianowej. Kaspazy składają się z dwóch różniących się wielkością podjednostek. W mniejszej z nich zlokalizowane są reszty aminokwasowe tworzące centrum aktywne enzymu. W większej znajduje się reszta cysteinowa, której kaspazy zawdzięczają swoją nazwę. Proteinazy cysteinowe produkowane są przez komórkę w formie nieaktywnych zymogenów. Obie podjednostki rozdzielone są w nich domeną o charakterze regulatorowymi, a do N-końca dołączona jest dodatkowa prodomena. Ulegająca proteolitycznemu cięciu prokaspaza tworzy dwa fragmenty: duży (17-20 kDa) i mały (10-12 kDa), które następnie łączą się ze sobą w formę aktywną enzymu. Aktywacja kaspaz zachodzi w sposób schierarchizowany (tzw. „kaskada kaspaz”), na drodze proteolizy i oligomeryzacji. Jako pierwsze aktywowane zastają kaspazy inicjatorowe (-2, -8, -9, -10). Ich rola polega na aktywacji tzw. kaspaz efektorowych ...
mariz.tbg