Апоптоз: Внутрішні та Зовнішні Шляхи

Зовнішній шлях: Сигнали про смерть ззовні

Зовнішній шлях ініціюється, коли специфічна сигнальна молекула, найчастіше Fas-ліганд або фактор некрозу тромбоцитів альфа (ФНТА), зв’язується з відповідним рецептором смерті, вбудованим у плазматичну мембрану цільової клітини. Ці рецептори смерті, включаючи Fas, також відомий як CD95, та рецептор ФНТА, мають спільний структурний елемент у цитоплазмічному хвостові – домен смерті. Коли рецептор активується зв’язуванням з лігандом, він об'єднується та залучає адаптерні білки через взаємодії домену смерті, формуючи багатопротеїновий комплекс, який називається комплексом, що ініціює загибель (DISC). У цьому комплексі молекули неактивного ферменту – прокаспази-8 – приводяться в надзвичайно близьке сусідство, а це само по собі часто достатньо для їх активації механізмом, що називається автокаталітичним впливом простого наближення, тобто сусідні молекули прокаспази-8 розщеплюють та активують одна одну лише тому, що вони щільно упаковані. Після активації каспаза-8 може безпосередньо розщеплювати та активувати наступні виконавчі каспази, забезпечуючи швидкий та прямий шлях до клітинної загибелі. Однак у багатьох клітинах цей прямий сигнал сам по собі занадто слабкий для завершення роботи, і каспаза-8 замість цього розщеплює білок під назвою Bid на обрізану, активну форму – tBid, який подорожує до мітохондрій та безпосередньо взаємодіє з внутрішнім шляхом як етап посилення, таким чином дозволяючи зовнішньому шляху позичити потужнішу машину внутрішнього шляху для завершення того, що було розпочато.

Внутрішній шлях: Підрахунок у мітохондріях

Внутрішній шлерш механізм регулюється сімейством білків, відомим як сімейство Bcl-2. Воно включає як провиживальні компоненти, такі як Bcl-2 та Bcl-xL, так і промітові – Bax, Bak, а також групу менших сенсорних білків, що називають BH3-only білками. За нормальних умов провиживальні компоненти підтримують цілісність зовнішньої мембрани мітохондрій, стримуючи Bax та Bak. Клітинні стресові сигнали, включаючи пошкодження ДНК, виявлені туморним пригнічувальним білком p53, відсутність факторів росту або серйозний оксидативний стрес, активують BH3-only білки. Ці білки можуть безпосередньо активувати Bax та Bak, нейтралізувати стримуючі провиживальні білки або обидва процеси. Це можна розглядати як молекутний підрахунок: відносна кількість і активність провиживальних проти промітових членів сімейства Bcl-2 на поверхні мітохондрій безперервно інтегрують багато різних стресових сигналів, і лише тоді, коли вплив промітевих переважує вплив провиживальних, Bax та Bak збираються в великі пори зовнішньої мембрани мітохондрій. Цей процес, відомий як проникність зовнішньої мембрани мітохондрій, широко вважається точкою неповернення для внутрішнього шляху апоптозу. Після того, як мембрана порушена, цитохром c, разом з кількома іншими проапоптичними факторами, що зазвичай знаходяться між мембранами мітохондрій, заливають цитоплазму. Там цитохром c зв'язується з білком під назвою Apaf-1, і разом із прокаспазою 9 вони утворюють вісімгранний семилопатевий комплекс, відомий як апоптосом, який активує каспазу-9 та передає сигнал смерті тим самим виконавчим каспазам, які використовуються у зовнішньому шляху.

Підвищення каскаду каталаз та точка без повернення

Обидва шляхи в кінцевому підсумку активують виконавчих каталазів, зокрема каталазу-3, каталазу-6 та каталазу-7, і саме ця спільна кінцева стадія здійснює фактичне розкладання клітини. Каталази є незвичними ферментами, які зазвичай існують у неактивних зимогенах, званих прокаталазами, що потребують протеолітичного розщеплення попереднім, або ініціатором, каталазом. Важливо те, що після активації виконавчі каталази можуть самі по собі розрізати та активувати додаткові прокаталази, а також посилювати сигналізацію шляхом розрізання білків, які ще більше дестабілізують мітохондрії, створюючи потужні позитивні зворотні зв’язки, що перетворюють скромний ініціальний сигнал на переважну реакцію в усій клітині протягом кількох хвилин. Це посилення пояснює, чому апоптоз, після досягнення певної межі, відбувається як суто незворотне, перемикання, а не поступове зниження; клітина фактично повністю зобов’язується, коли активність каталаз перевищує критичний рівень. Виконавчі каталази потім починають працювати з сотнями різних субстратних білків у клітині: вони розрізають ядерні ламіни, викликаючи руйнування ядерної оболонки, вони розрізають інгібіторний білок, який зазвичай обмежує фермент розщеплення ДНК, звільняючи цей фермент для розриву хроматин на характерний ланцюжок фрагментів, а також розрізають цитоскелетні білки, що викликає стиснення клітини, ущільнення та відшарування невеликих мембранно-оклюдованих фрагментів, які називаються апоптотичними тілами. Протягом цього процесу плазматична мембрана дивовижно залишається цілою, запобігаючи витіканню вмісту клітини та викликанню запальної відповіді, яка супроводжує неконтрольоване клітинне смерть, або некроз.

Апоптоз при Раку та Аутоімунних Захворюваннях

Оскільки апоптоз є фундаментальним механізмом безпеки, який усуває пошкоджені, інфіковані або в іншому випадку небезпечні клітини, його порушення лежить в основі широкого спектру людських захворювань. Ракові клітини часто розвивають механізми для послаблення внутрішнього шляху, найчастіше переекспресуючи про-виживальні білки сімейства Bcl-2 або втрачаючи функціональний p53 – тумoропригнічувач, який би інформував про пошкодження ДНК від мутацій і запускав апоптотичний знищення небезпечної клітини. Ця стійкість до апоптозу зараз визнається одним із визначальних маркерів раку та безпосередньо пояснює, чому багато хіміотерапевтичних препаратів та променевої терапії, які в основному працюють завдяки нанесенню достатньої шкоди ДНК для запуску апоптозу в швидкодібних клітинах, поступово стають менш ефективними, коли пухлина накопичує додаткові мутації, що уникають апоптозу. Ця сама біологія була перетворена на терапевтичну стратегію: клас препаратів під назвою BH3-міметики, включаючи венотоклакс, працює шляхом безпосереднього блокування про-виживальних білків Bcl-2, повертаючи мітохондріальний баланс у бік смерті в пухлинних клітинах, які сильно покладаються на ці виживальні белки. На протилежному кінці спектру, дефекти екстраінтралюмінального шляху системи рецептора Fas можуть викликати синдром аутоімунної лімфопроліферації, стан, при якому імунні клітини, які повинні бути знищені апоптозом після інфекції, замість цього продовжують існувати та накопичуються, сприяючи аутоімунним захворюванням та аномальному наростанню лімфоцитів. Надмірна апоптоз також шкідлива в протилежному напрямку, сприяючи нейрону втраті при інсульті та непомірній смерті T-клітин у деяких формах імунодефіциту, що підкреслює, що здоров’я залежить не від того, щоб апоптоз просто був увімкнений або вимкнений, а від його точного налаштування правильних клітин у потрібний час.

Приклад застосування: Як клітина приймає рішення

Розглянемо клітину, яка зазнала впливу інтенсивного імпульсу ультрафіолетового випромінювання, достатнього для пошкодження її ДНК в кількох місцях. У ядрі білкові сенсори виявляють пошкодження та стабілізують p53, рівень якого різко зростає, оскільки його звичайне швидке деградація призупинено. Підвищений рівень p53 діє як транскрипційний фактор, вмикаючи гени кількох білів BH3-only, зокрема Puma та Noxa, які починають накопичуватися в цитоплазмі та мігрувати на поверхню мітохондрій. Спочатку існуючий запас про-виживальних Bcl-2 та Bcl-xL нейтралізує цей новий про-смертний сигнал, утримуючи білки BH3-only та стримуючи Bax та Bak, що не призводить до видимих змін. Однак, якщо пошкодження ДНК надто значні для швидкого відновлення, p53 продовжує стимулювати виробництво білків BH3-only, і зрештою про-смертний сигнал перевищує можливості існуючого запасу про-виживальних білків. У цей момент вільні білки BH3-only безпосередньо активують Bax, який зазнає конформаційного переходу, інтегрується в зовнішню мембрану мітохондрій та олігомерізується з Bak для утворення пори. Вивільнення цитомбіоку відбувається протягом декількох хвилин, формується апоптосом, активується caspase-9, яка активує caspase-3, і фаза виконання завершується за менше години від цього моменту переломлення, хоча весь процес прийняття рішень – від початкового пошкодження ДНК до незворотного мітохондріального зобов’язання – міг поступово розгортатися протягом кількох годин, коли p53 повільно нарощував свій про-смертний сигнал. Цей приклад ілюструє основну логіку внутрішньої шляху: поступове інтегрування стресових сигналів, що призводить до різкого, перемикання типу зобов’язання після досягнення певного порогу.

Часті запитання

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте Apoptosis: Intrinsic vs Extrinsic Pathway Simulator і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.