Korte opmerkingen over de dood van geprogrammeerde cellen
Geprogrammeerde celdood is een geïnduceerd en geordend proces waarbij de cel actief deelneemt aan het tot stand brengen van zijn eigen dood.
Geprogrammeerde celdood is een kritieke factor voor het handhaven van homeostatische regulatie van vele celtypen. Voor elke cel is er een tijd om te leven en een tijd om te sterven. Elke dag worden miljoenen leukocyten geproduceerd en afgegeven uit het beenmerg in de bloedbaan. De leukocyten hebben een halfwaardetijd van slechts enkele dagen. Na enkele dagen sterven de leukocyten door geprogrammeerde celdood. Als de leukocyten niet sterven, zal er accumulatie van leukocyten in bloed zijn, die de vloeibare aard van bloed kunnen verstoren.
De Nobelprijs voor de Fysiologie of Geneeskunde 2002 werd gezamenlijk toegekend aan drie wetenschappers, Sydney Brenner, Robert Horvitz en John Sulston voor hun ontdekkingen betreffende "genetische regulatie van orgaanontwikkeling en geprogrammeerde celdood". Ze gebruikten de nematode "Caenorhabditis elegans" als een model en identificeerden de sleutelgenen die geprogrammeerde celdood regelden. C. elegans is een kleine transparante worm met een korte generatietijd, die helpt de celdeling direct onder de microscoop te volgen. Geprogrammeerde celdood of apoptose is een evolutionair geconserveerd proces. De gewervelde dieren hebben de volledige genfamilies ontwikkeld die lijken op nematode-celdoodgenen.
Er zijn twee redenen voor cellen om geprogrammeerde celdood of apoptose te ondergaan:
1. Geprogrammeerde celdood is nodig voor een goede ontwikkeling van het organisme.
ik. Apoptose veroorzaakt resorptie van de staart van het kikkervisje op het moment van zijn metamorfose tot een kikker.
ii. Apoptische dood van cellen leidt tot het verwijderen van weefsels tussen de vingers en tenen van de foetus.
iii. Het afsterven van het baarmoederslijmvlies (de binnenwand van de baarmoeder) aan het begin van de menstruatie vindt plaats door apoptodis.
2. Geprogrammeerde celdood is nodig om gastheercellen te elimineren, wat een bedreiging voor de gastheer kan zijn.
ik. Cellen die zijn geïnfecteerd met virussen moeten uit het lichaam worden verwijderd. Cytotoxische T-lymfocyten (CTL's) induceren de apoptische dood van met virus geïnfecteerde cellen via het enzym granzyme.
ii. Na een gewenste periode van celgemedieerde immuunrespons zouden de CTL's moeten worden geëlimineerd. Anders kunnen de CTL's schadelijk zijn voor de host. De CTL's induceren apoptose onder elkaar. Verder kan een CTL op zichzelf apoptose induceren.
De cellen die geprogrammeerde celdood ondergaan, vertonen veel morfologische veranderingen, die apoptose worden genoemd.
De volgende morfologische veranderingen worden waargenomen in een cel die een apoptotische dood ondergaat:
ik. Verlaag het celvolume.
ii. Modificaties in het cytoskelet, met membraanbobbels tot gevolg.
iii. Condensatie van het chromatine en afbraak van het DNA in kleine fragmenten.
De apoptische cel werpt vele membraangebonden apoptische lichamen die intacte organellen bevatten. De apoptotische lichamen worden gefagocyteerd door macrofagen. Tijdens apoptische dood, wordt de inhoud van de vervende cel niet vrijgegeven aan de buitenkant (als ze aan de buitenkant worden vrijgegeven, zullen ze naburige cellen beïnvloeden en een ontstekingsreactie induceren). De inhoud van de apoptische cel wordt vrijgegeven als aan membraan gebonden apoptische lichamen en de apoptische lichamen worden gefagocyteerd door de macrofagen.
De kenmerken van een cel die sterft als gevolg van trauma (bekend als necrose) verschillen van de kenmerken van een cel die sterft als gevolg van apoptose. De proteasen die vrijkomen uit een necrotische cel kunnen de naburige cellen beschadigen en de materialen die vrijkomen uit de necrotische cel stimuleren een ontstekingsreactie, wat leidt tot de uitnodiging van ontstekingscellen naar de plaats van de necrotische cel. Terwijl de lekkage van cellulaire inhoud uit een apoptische cel tot een minimum wordt beperkt, zodat de naburige cellen niet worden beïnvloed en ontstekingsreacties niet worden geïnduceerd.
De stimulus of het signaal voor apoptose kan afkomstig zijn van buiten de cellen (extrinsiek) of van binnenuit de cellen (intrinsiek of mitochondriaal).
ik. De extrinsieke signalen induceren apoptose door (a) binding van de extrinsieke dood-inducerende liganden aan celoppervlakreceptoren en (b) door de werking van enzymgranzyme dat wordt uitgescheiden door cytotoxische T-cellen. Granzyme induceert apoptische dood van virale geïnfecteerde cellen en neoplastische cellen.
ii. Na stress voor de cellen (zoals blootstelling aan straling of chemicaliën of virale infecties) worden de intrinsieke signalen geïnitieerd. Over het algemeen initiëren de intrinsieke signalen apoptose via de betrokkenheid van mitochondriën.
caspasen:
Caspasen zijn cytoplasmatische proteasen. Caspasen verschillen van andere proteasen doordat de caspasen een essentiële cysteïne in hun actieve sites hebben. Ook splitsen de caspasen de doeleiwitten op bepaalde asparate residuen. Caspasen zijn aanwezig in het cytoplasma in een inactieve voorlopervorm, de zogenaamde procaspases. Procaspases worden gespleten om de actieve caspasen vrij te maken. De procaspasen in het cytoplasma worden geactiveerd door vele intracellulaire en extracellulaire signalen. Tot dusver zijn meer dan 10 menselijke caspases geïdentificeerd.
Tijdens apoptose wordt het chromosomale DNA gesplitst in kleine nucleosomale eenheden. De cytoplasmische enzymen caspasen veroorzaken nucleaire afbraak door verschillende mechanismen.
ik. Een enzym, caspase-geactiveerde DNase (CAD) veroorzaakt fragmentatie van DNA in nucleosomale eenheden (zoals te zien in DNA-ladderingstesten). Normaal bestaat CAD als een inactief complex met ICAD (remmer van CAD; DNA-fragmentatiefactor 45). Caspasen, waaronder caspase-3, splitsen ICAD af en geven CAD af, wat op zijn beurt zorgt voor snelle fragmentatie van nucleair DNA.
ii. Het enzym poly (ADP-ribose) polymerase (PARP) is betrokken bij de reparatie van beschadigd DNA. Caspase-3 splitst PARP en voorkomt de DNA-reparerende functies van PARP.
iii. Caspasen inactiveren het nucleaire enzym DNA-topoisomerase II, dat essentieel is voor replicatie en reparatie van DNA.
iv. Caspasen breken de structurele eiwitten van de nucleaire matrix en het cytoskelet af en leiden tot de ineenstorting van de kern en het cytoplasma. Laminen zijn intranucleaire eiwitten die de vorm van de kern behouden en die interacties tussen chromatine en het kernmembraan bewerkstelligen. Caspase-6 degradeert de laminen resulterend in de chromatine condensatie en nucleaire fragmentatie.
v. Caspasen breken de eiwitten af die nodig zijn voor cel-celadhesie, wat resulteert in de afgifte van apoptische cellen uit naburige cellen.
vi. Een aantal signaalmoleculen, regulatoren van de celcyclus en transcriptiefactoren worden door caspasen afgebroken.
De caspasen functioneren op een cascade-achtige manier, zoals de cascade-activering van complementcomponenten tijdens complementactivatie. Er zijn een aantal mechanismen waarmee de caspase-cascade kan worden geactiveerd.
1. Doodinducerende liganden binden aan de celoppervlakreceptoren.
↓
Initiator-caspasen, zoals caspase-8 of caspase-10, worden geactiveerd.
↓
De initiator-caspases activeren andere caspasen in een cascade.
↓
Deze cascade leidt uiteindelijk tot de activering van effector-caspases, zoals caspase-3 en caspase-6. Deze effector-caspasen zijn verantwoordelijk voor de splitsing van de belangrijkste cellulaire eiwitten die leiden tot de morfologische veranderingen in cellen die apoptose ondergaan.
2. Cytotoxische T-cellen scheiden enzymen, perforinen en granzym af.
↓
De enzymperforines slaan kleine gaten in het celmembraan van de doelwitcel (zoals een met virus geïnfecteerde cel).
↓
Enzymgranzyme komt de cel binnen via de porie en activeert de caspases 3, 7, 8 en 10. De daaropvolgende gebeurtenissen leiden tot de kernschade van de cel.
3. Mitochondria zijn ook belangrijke regulatoren van de caspase-cascade en apoptose.
Cytochroom c vrijgemaakt uit mitochondria bindt aan het cytosolische eiwit Apaf-1.
↓
De bovengenoemde interactie wordt gestabiliseerd door ATP en leidt tot de vorming van een wielachtige structuur bestaande uit 7 moleculen elk van Apaf-1, cytochroom c en ATP. Deze wielachtige structuur genaamd apoptosoom maakt de rekrutering mogelijk van 7 procaspase-9 moleculen naar het complex.
↓
Procapase-9 wordt geactiveerd voor caspase-9 (het exacte mechanisme van activering van procaspase-9 tot caspase-9 is niet bekend).
Bcl-2-eiwitten en apoptose:
Het gen Bcl-2 (B-cel-lymfoom-2) codeert voor eiwitten die apoptose remmen. Aanvankelijk werd het Bcl-2-gen ontdekt in kankerachtige B-cellen die B-cel lymfomen worden genoemd. Bcl-2-gen (in B-cel-lymfoom) bevindt zich op het breekpunt van een chromosomale translocatie. Het Bcl-2-gen wordt verplaatst naar een locus van een zware keten van immunoglobuline resulterend in een transcriptionele activering van het Bcl-2-gen.
Dientengevolge is er een overproductie van Bcl-2-eiwit. Verhoogd niveau van Bcl-2-eiwitten remmen normale apoptotische celsignalen en voorkomen apoptose (er wordt aangenomen dat de hogere niveaus van Bcl-2-eiwit in de getransformeerde B-cel de getransformeerde cellen helpen om kankercellen te worden door de apoptische signalen te remmen).
Apoptose via mitochondriale routes wordt geregeld door een familie van eiwitten die verwant is aan het humane oncoproteïne Bcl-2. De meeste Bcl-2-eiwitten zijn integrale membraaneiwitten van cytoplasmatische organellen, zoals endoplasmatisch reticulum, buitenste nucleaire envelop, inwendig plasmamembraan en mitochondriën.
Interessant is dat de proteïnen van de Bcl-2-familie in twee groepen vallen met biologisch tegengestelde effecten. Sommige van de eiwitten bevorderen apoptose (zoals Bad en Bax), terwijl andere (zoals Bcl-2 en BcIX L ) apoptose remmen. De uitkomst van een apoptisch signaal in een cel kan afhangen van de balans van pro-apoptische en anti-apoptische Bcl-2-eiwitten. Excesses van pro-apoptische eiwitten kunnen leiden tot celdood, terwijl excessen van anti-apoptische eiwitten celdood kunnen voorkomen. Er wordt gesuggereerd dat de pro-apoptische acties van Bax en Bad worden voorkomen door Bcl-2 en BclX L.
Mitochondriën en apoptose:
Mitochondria spelen een belangrijke sleutelrol bij de regulatie van geprogrammeerde celdood. Het mechanisme waardoor het Bax-eiwit in apoptose werkt, is niet bekend.
Er wordt gesuggereerd dat Bax-eiwitten poriën vormen in het mitochondriale buitenmembraan
↓
De mitochondriale cytochroom c en apoptose inducerende factor (AIF) ontsnappen door de poriën naar het cytoplasma.
↓
Cytochroom c vormt het apoptosoom (met Apaf-1 en ATP) en activeert caspase-9.
Van Bcl-2 en BcIXl wordt aangenomen dat ze de porievorming door Bat en Bax op het mitochondriale membraan voorkomen.
Dodenreceptoren en apoptose:
Doodreceptoren zijn receptoren die aanwezig zijn op het oppervlak van cellen. Na binding aan specifieke liganden zenden de doodreceptoren de apoptische signalen de cel in. De doodreceptoren behoren tot de gen-superfamilie van de tumornecrosefactor (TNF). Afgezien van apoptose induceren de doodreceptoren ook veel andere functies.
De bekendste doodreceptoren zijn:
ik. Fas (CD95)
ii. TNFRl (TNF-receptor 1)
iii. TRAIL (TNF-gerelateerd apoptose inducerend ligand)
Apoptose door Fas-moleculen:
De transmembraan-receptor Fas-moleculen zijn aanwezig op het oppervlak van de cellen. De cytoplasmatische delen van Fas hebben de doodsdomeinen (DD).
↓
Cytotoxische T-lymfocyten (CTL's) brengen FasL op hun oppervlak tot expressie. FasL (Fas-ligand) is een trimeer. Associatie van Fas-moleculen (op het oppervlak van de doelwitcel) met FasL (op CTL) bevordert de trimerisatie van Fas-moleculen.
↓
Na trimerisatie van Fas-moleculen clusteren de intracellulaire doodsdomeinen van Fas samen.
↓
Een adaptoreiwit genaamd FADD (Fas-associated death domain) associeert met de doodsdomeinen van Fas.
↓
FADD heeft een domein met de naam death effector domain (DED). Het dood-effectordomein maakt binding van procaspases-8 (ook bekend als FLICE) aan het CD95-FADD-complex mogelijk [Het complex van eiwitten CD95-FADD en procaspase-8 is bekend als DISC (doodinducerend signaleringscomplex)].
↓
Procaspase-8 wordt gesplitst en caspase-8 wordt gevormd. Caspase-8 activeert de actie van uitvoerings-caspases, zoals caspase-9.
Fas Moleculen spelen belangrijke apoptische rollen in drie situaties:
1. Cytotoxisch doden van met virus geïnfecteerde cellen wordt gemedieerd door de interacties van Fas (op met virus geïnfecteerde cellen) met FasL op het oppervlak van CTL's.
2. Fas-moleculen op het oppervlak van geactiveerde CTL's binden met FasL (op dezelfde cel) en leiden tot apoptose van CTL's. Fas-gemedieerde eliminatie van geactiveerde CTL's is een van de mechanismen die verantwoordelijk zijn voor de verwijdering van geactiveerde CTL's wanneer de cel-gemedieerde immuunrespons niet langer door de gastheer wordt vereist.
3. Cellen in de immuun bevoorrechte plaatsen (zoals de voorkamer van het oog en de teelballen) worden voorgesteld om hoge niveaus van FasL op hun oppervlak uit te drukken. De FasL op deze cellen associëren met Fas-moleculen op de ontstekingscellen (die de bevoorrechte plaatsen kunnen binnendringen) en leiden tot de eliminatie van ontstekingscellen. Dientengevolge ontsnappen de cellen in de immuun-geprivilegieerde sites uit de ontstekingsaanval en overleven ze. FasL-moleculen op het oppervlak van cellen in de immuun-geprivilegieerde sites worden verondersteld verantwoordelijk te zijn voor de bevoorrechte aard van deze cellen.
Apoptose via TNFR1:
Tumornecrosefactor (TNF) wordt geproduceerd door T-cellen en geactiveerde macrofagen. TNF bindt aan TNF-receptor 1 (TNFRI) en initieert verschillende effecten in de cel.
ik. TNF-TNFR1-binding kan leiden tot de activering van NF-KB en AP-1, die op hun beurt leiden tot de inductie van een aantal pro-inflammatoire en immunomodulerende genen.
ii. TNF-TNFR1-binding kan tot apoptose leiden.
TNF-TNFR1-binding leidt tot de trimerisatie van TNFR1 en clustering van intracellulaire doodsdomeinen van TNFR1.
↓
Een adaptormolecuul dat TRADD wordt genoemd (TNFR-geassocieerd sterftedomein) bindt zich aan het doodsdomein van TNFRI.
↓
TRADD kan een aantal verschillende eiwitten aan de geactiveerde TNFRl1 rekruteren.
↓
Rekrutering van TRAF2 (TNFR-geassocieerde factor 2) leidt tot de activering van NF-kB en de JNK / AF-1-signaleringsroute.
1. Rekruteren van FADD leidt tot inductie van apoptose, via de rekrutering en splitsing van procaspase-8.
2. Een ander adapter-eiwit genaamd RAIDD kan in verband worden gebracht met TNFRI, wat leidt tot de rekrutering van caspase-2. Dientengevolge wordt apoptose geïnduceerd.
Inductie van apoptose door TRAIL (TNF-gerelateerde apoptose inducerende ligand):
De inductie van apoptose door TRAIL lijkt op vele manieren op inductie van apoptose door Fas. TRAIL bindt aan receptoren DR4 of DR5 op celoppervlakken en induceert apoptose. De exacte mechanismen zijn echter nog niet bekend.
Er zijn eiwitten die valse eiwitten worden genoemd (DCR1 en CCR2), die concurreren met DR4- en DR5-receptoren voor binding aan TRAIL. Deze lokreceptoren voorkomen apoptose.
p53 en apoptose:
p53, een DNA-bindend eiwit is een transcriptionele activator. Wanneer DNA wordt beschadigd, verhogen de beschadigde cellen hun p53-eiwitproductie. p53 is een krachtige inductor van apoptose. Er wordt aangenomen dat p53 fungeert als een sensor voor DNA-schade en de "bewaker van het genoom" wordt genoemd.
Mutaties in gen p53 kunnen interfereren met de apoptische dood van een cel. Gemuteerd p53-gen dat een defect p53-eiwit produceert, wordt vaak gevonden in veel soorten kankercellen.
Virussen en apoptose:
Sommige virussen manipuleren het apoptische mechanisme in hun voordeel en verzekeren hun overleving door de apoptische dood van de cel waarin zij leven te voorkomen.
Kanker en apoptose:
Er wordt gesuggereerd dat het apoptotische mechanisme wordt geremd in de kankercellen. Bijgevolg sterven de kankercellen niet door apoptose.
HIV en apoptose:
Het aantal CD4 + T-cellen neemt geleidelijk af bij HIV-geïnfecteerde personen. De mechanismen achter de afname van CD4 + T-cellen bij HIV-geïnfecteerde personen zijn niet duidelijk bekend. Apoptische sterfte van CD4 + T-cellen wordt voorgesteld als een van de mogelijke mechanismen. HIV-geïnfecteerde en HIV-geïnfecteerde CD4 + -T-cellen brengen Fas-moleculen tot expressie op hun oppervlak. HIV-geïnfecteerde CD4 + T-cellen brengen ook hoge niveaus van FasL op hun oppervlak tot expressie. De FasL op HIV-geïnfecteerde CD4 + T-cellen binden aan Fas-moleculen op niet-geïnfecteerde CD4 + T-cellen en induceren apoptose in de niet-geïnfecteerde cellen resulterend in een afname van het aantal CD4 + T-cellen. Er wordt aangenomen dat het ne / gen van het HIV verantwoordelijk is voor het hoge niveau van FasL-expressie op met HIV geïnfecteerde CD4 + T-cellen.
Stikstofmonoxide en apoptose:
Stikstofmonoxide (NO) is een belangrijk signaalmolecuul. NO is betrokken bij de regulatie van verschillende processen zoals vasodilatatie, neuronale functie, ontsteking en immuunfunctie. NO is in staat om apoptose te induceren en het kan ook een cel tegen apoptose beschermen. De diverse effecten van NO hangen af van de dosis NO, de betrokken cellen en vele andere factoren.
Er is aangetoond dat NO apoptose remt in leukocyten, hepatocyten, endotheelcellen en trofoblasten.
Er zijn veel mechanismen waardoor NO als een anti-apoptisch signaal werkt:
ik. Nitrosylatie van caspasen, zoals caspase 1, 3 en 8, resulteert in inactivatie van caspasen.
ii. NO reguleert warmteschok-eiwit 70 niet op en blokkeert bijgevolg de rekrutering van procaspase-9 naar apoptosoom.
iii. NO reguleert Bcl-2 en BcIX L niet en dientengevolge wordt cytochrome c-afgifte uit mitochondria geremd.
