88. Apoptóza

Apoptóza
je někdy označována jako sebevražda buňky. Termín apoptóza byl zaveden v roce 1972 a za její výzkum byla udělena v roce 2002 Nobelova cena za fyziologii a lékařství (Sydney Brenner, H. Robert Horvitz, John E. Sulston).
Biologickým smyslem apoptózy je eliminace nežádoucích buněk jak v průběhu embryogeneze, tak v průběhu některých fyziologických procesů a udržování správného počtu buněk v organismu.
Vyskytuje se nejen u živočichů, ale i mnohobuněčných rostlin (např. tvorba xylenu, opadávání listů) a uplatňuje se i ve vývoji jednobuněčných eukaryont a prokaryont (např. autolýza sporangiálních buněk při sporulaci bacilů). Z toho plyne, že mechanismy apoptózy jsou evolučně velmi staré a konzervativní.

Buňka, která je eliminována apoptózou, prodělává charakteristické morfologické změny:
nejprve dochází ke kondenzaci chromatinu pod jadernou membránou, jádro pak fragmentuje, buňka se svrašťuje za současné tvorby cytoplazmatických výběžků (tzv. blebbing), které se postupně odškrcují jako tzv. apoptotická tělíska, která jsou nakonec fagocytována okolními buňkami. Během celého procesu, který trvá desítky minut až několik hodin je buněčná membrána zachována a je funkční, takže se do okolí neuvolňuje žádný buněčný obsah. To zamezuje vzniku zánětu. Na rozdíl od nekrózy podléhají apoptóze spíše jen jednotlivé buňky.

Současně s morfologickými změnami probíhají i charakteristické biochemické procesy – dochází ke:
• spuštění proteolytické kaskády - vznikají cysteinové proteolytické enzymy, které štěpí substrát v místě kyseliny asparagové, od toho název caspázy; v buňkách se produkují inaktivní prokaspázy, které se aktivují proteolytickým štěpením na aktivní kaspázy; konečné „exekuční“ kaspázy (kaspáza 3) pak štěpí významné buněčné proteiny (lamin, aktin, reparační enzymy, proteinkinázy aj.), proto je tato reakce nevratná

• poškození mitochondrií – vlivem různých externích i interních faktorů (virová infekce, poškození DNA, tvorba kyslíkových radiálů, xenobiotika, ztráta koordinace energetického metabolismu) dochází ke změnám membránového potenciálu vnitřní mitochondriální membrány, což se projeví přechodným zvýšením propustnosti této membrány pro cytochrom c a uvolňuje se řada dalších proapoptotických faktorů, které se spolupodílejí na aktivaci kaskády kaspáz.

Konečným důsledkem všech změn při apoptóze je aktivace endonukleáz, které fragmentují jadernou DNA v místě H1 histonů, tj. mezi nukleosomy, proto vznikají fragmenty dlouhé 180 - 200 párů bazí a jejich násobky. Po elektroforéze v agarózo-vém gelu vzniká obraz „DNA žebříčku“.
Modelový objekt, na kterém byla apoptóza studována, je hlístice Coenorhabditis elegans. Je to průhledný, malinký, jen několik mm dlouhý živočich, jehož tělo je tvořeno celkem 1030 somatickými buňkami. Vědci zjistili, že za definovaných podmínek v určitém okamžiku z nich zaniká 131 jinak zdravých buněk apoptózou. Dále zjistili, že tento proces je geneticky řízen řadou genů – geny ced-3 a ced-4 odpovídají za aktivaci apoptózy, naopak geny ced-2 a ced-9 za její inhibici. Homologické geny s podobnou funkcí byly objeveny i u savců včetně člověka – jedná se asi o 10 genů z rodiny Bcl-2.
Hlavním inhibitorem apoptózy je produkt genu Bcl-2, který je analogem genu ced-9. Nadprodukce proteinu bcl-2 chrání buňky před apoptotickými signály a prodlužuje přežívání buněk. Gen je exprimován hlavně u dlouhožijících nebo životně důležitých buněk, např. neuronů, bazálních keratinocytů, bb. žlázového epitelu, střevních krypt, zralých B lymfocytů i prekurzorů hematopoetických buněk. Je zde integrálním proteinem vnější mitochondriální membrány, membrány ER i jaderné membrány. Na druhou stranu tkáně s vyšší produkcí proteinu bcl-2 vykazují také vyšší výskyt nádorů (např. kůže, tlusté střevo, prs, prostata).
Induktory či stimulátory apoptózy jsou produkty genů Bax a Bcl-xs, respektive jejich nadprodukce, která vede k tvorbě převážně homodimerů Bax-Bax, zatímco při nižší produkci Bax proteinů se vytvářejí heterodimery Bax-Bcl-2, které naopak buňku před apoptózou chrání. Dalším genem zúčastněným v indukci apoptózy je gen p53, který přímo aktivuje gen Bax a naopak snižuje expresi genu Bcl-2. Říká se mu také strážce integrity genomu. V případě poškození DNA tento gen nejprve vyvolá v buňce zastavení buněčného cyklu, aby mohla být poškozená DNA opravena. Pokud poškození je příliš velké a neopravitelné, aktivace tohoto genu donutí buňku ke smrti. Na stimulaci apoptózy se podílejí také geny Ras a Myc, neboť podmínkou pro indukci apoptózy je exprese Myc genu, proto podlehnout této formě smrti mohou jen proliferující buňky (v necyklujících buňkách se Myc protein nevyskytuje).
Apoptóza sama se může podílet na řadě patologických pochodů v organismu – např. zvýšená apoptóza a tím úhyn buněk se může uplatňovat u Alzheimerovy či Parkinsonovy choroby, ischemické choroby srdeční, AIDS i vývojových vad. Naopak v důsledku snížené schopnosti hynutí buněk apoptózou mohou vznikat nádorové, autoimunitní či virové choroby. Apoptóza se účastní i regulace imunitních pochodů v orga-nismu a je také cílem při léčbě nádorů cytostatiky nebo ozařováním.
Druhý typ programované smrti buněk - lysozomální smrt je typická pro buňky epiteliální tkáně, např. mléčné žlázy a metamorfozující tkáně hmyzu a obojživelníků. V tomto případě se v buňkách zvětšuje počet lysozomů a postupně se tvoří v cytoplazmě velké autofagické vakuoly. Teprve později dochází ke kondenzaci chromatinu, rozpadu jádra a štěpení DNA, zatímco proteosyntéza a syntéza ATP probíhá téměř do konce tohoto typu buněčné smrti.