APOPTOZA

Apoptoza (gr.”apoptosis”-caderea frunzelor) este un process de moarte celulalara

programata, umata de modificari citologice caracteristice (markeri apoptotici) si

mecanisme moleculare de semnalizare ; este o forma de moarte celulara, urmata de

micsorarea dimensiunilor celulei, condensarea si fragmentarea cromatinei, formarea de

vezicule cu organite celulare fara sa fie eliberata citoplasma extracelular.

Termenul a fost introdus pentru prima data in 1972 de John Foxton Kerr in urma

unor studii de microscopie electronica, la inceput fiind cunoscuta ca “necroza celulara

programata”.

Apoptoza poate sa apara cand o celula este deteriorata in urma unor defecte ale

reparatiei, in urma unor infectii cu virusuri, sau in timpul unui stress. De asemenea

apoptoza poate fi indusa in urma unor defecte ale materialului genetic in urma radiatiei

ionizante (raze X, radiatii gamma s.a.) sau in urma actiunii unor substante chimice care

impreuna actioneaza asupra genei de supresie al tumorii (gena p53). Declansarea apotozei

poate fi data si de caile de semnalizare intracelulare sau de la tesuturile alaturate cu

implicarea sistemului imunitar. In acest sens apoptoza indeplineste un rol important in

echilibrul homeostazic al celulelor, astfel eliminandu-se celulele care nu mai sunt

functionale sau care au acumulat multe substante toxice ; in infectiile virale apoptoza

impiedica raspandirea infectiei in celulele invecinate( celula intrata in apoptoza este

digerata de macrofage, astfel se elimina toate resturile celulare inclusiv celula infectata cu

virus).

Apoptoza indeplineste un rol important si in prevenirea cancerului. De exemplu:

daca o celula este incapabila sa intre in apoptoza in urma unei mutatii, ori o inhibare a

unei cai metabolice, poate duce la o continua diviziune si dezvoltarea tumorii. O gena a

visusului papiloma interfereaza cu gena p53, gena cu o importanta mare in declansarea

apoptozei, astfel ca celula nu poate declansa apoptoza si incepe sa se divida necontrolat

dand nastere la cancerul de col uterin.

In cazul infectiei cu virusul HIV 1, deletia de limfocite este rezultatul unui proces

complex, in care legarea glicoproteinei gp120 de antigenul CD4 limfocitelor T. CD4 face

1

celula sensibila la apoptoza, la a doua stimulare. Tinand cont de acest aspect, SIDA poate

fi privit ca un dezechilibru intre viteza mortii celulelor limfocitare T CD4 si procesul de

reinoire a acestor celule.

1.1. Homeostaza

Apoptoza joaca un rol important in homeostaza celulelor (pastrarea unui numar

relativ constant a celulelor corpului). Celulele care sunt alterate sau functioneaza

defectuos trebuie sa fie distruse, urmand generarea noilor celule cu o functionare buna,

aceasta fiind urmata de un echilibru intre celulele moarte si cele noi generate prin

proliferare. Unii cercetatori propun un alt termen: “homeodinamie”, acesta fiind mai

apropiat de functia echilibrului celular. Daca acest echilibru celular este incalcat

organismul poate acea 2 situatii: (wikipedia)

1. Celulele se divid mai repede decat mor → apare tumoarea

2. Celulele se divid mai incet decat mor → pierderi celulare

De aceea organismul trebuie sa detina un complex de procese de pastrare a

homeostaziei. Astfel celula foloseste diferite cai de semnalizare celulara pentru

mentinerea echilibrului celular. Perturbarea acestor cai de semnalizare duce la

dezechilibrul homeostaziei si la dezvoltarea diferitelor boli.

1.2. Morfologia:

In urma cailor in cascada de semnalizare in inducerea apoptozei urmata de

degradarea proteolitica a caspazelor, celula isi schimba forma si morfologia, fiind usor de

recunoscut la microscopul electronic:

1. celula se micsoreaza in dimensiuni si formeaza exvaginari rotunde ale

membranei celulare in urma degradarii citoscheletului de catre caspaze;

2. citoplasma devine densa si organitele apar condensate;

3. cromatina se condenseaza indepartandu-se de anvelopa nucleara (picnoliza);

4. anvelopa nucleara este strangulata si ADN-ul din interiorul nucleului este

fragmentat (in fragmente de pana la 200pb)-cariorrhesis. Nucleul este

2

fragmentat in bucati mai mici – “corpuri cromatinice”(chromatin bodies).

Fragmentarea ADN-ului este aproximativ de aceleasi dimensiuni;

5. membrana celulara este iregulata, pierzandu-si forma, formand exvaginari

cunoscute de ‘curgeri”;

6. celula este distrusa, formand asa-numitele corpuri apoptosomice, care vor fi

fagocitate de catre macrofage.

Celulele intrate in ultimele stadii ale apoptozei prezinta pe suprafata membranei

celulare molecule semnal de recunoastere a macrofagelor pentru digestia acestora. O

molecula semnal care declanseaza fagocitarea celulei intrata in apoptoza este

fosfatidilserina, care in mod normal este gasita pe partea citosolica a membranei celulare,

dar din moment ce celula a intrat in apoptoza o enzima (ipotetic este considerata ca fiind

scramblaza) transfera fosfatidilserina pe fata externa a membranei celulare. Dupa ce a

fost recunoscut receptorul specific, macrofagul va digera celula.

1.3. Embriogeneza

Moartea programata a celulei joaca un rol important in dezvoltarea embrionara a

plantelor si animalelor. Genele implicate in dezvoltarea ontogenetica sunt implicate in

apoptoza diferentiata a organelor in dezvoltare si a diferentierii celulare. Spre deosebire

de necroza, apoptoza este determinata de contractarea si fragmentarea celulei fara

varsarea continutului celular in afara celulei, aceasta faciliteaza fagocitarea de catre

macrofagi (wikipedia), iar arhitectura tisulara si celulara adiacenta este pastrata intacta si

ea umple spatiile lasate goale de catre celula apoptotica

Afectarea genelor implicate in declansarea specifica a apoptozei poate da nastere la

diferite malformatii ale dezvoltarii diferitelor organe. De exemplu: perturbarea apoptozei

specifice in dezvoltarea degetelor la om poate provoca sindactilie.

3

Dezvoltarea celulelor limfocitare B si T sunt controlate de sortarea celulara in

maduva osoasa respectiv timus pentru maturare si indeplinirea functiei pe care trebuie sa

o indeplineasca. Maturarea incompleta a acestor celule declanseaza intracelular cai de

semnalizare care duc la apotoza celulelor incompetente de indeplinirea functiei date ( de

exemplu sinteza de anticorpi).

Celulele citotoxice-T sunt capabile sa interactioneze direct cu membrana celulara a

celulelor tinta eliberand substante care induc apoptoza in celula infectata cu un virus sau

care nu este capabila de functionarea normala. Formarea porilor de interactiune cu

celulele tinta este data de cercetarea perforinelor si de granule care contin granzima B,

proteaze serinice care impreuna activeaza o varietate mare de cai de semnalizare cu

implicarea caspazelor cu o actiune de taiere a proteinelor la nivelul asparaginei.

1.4. Mecanismul de actiune

Procesul de apoptoza este controlat de diverse cai de semnalizare celulara, care au

origine extracelulara si intracelulara.

Semnalele extracelulare includ diferite toxine, hormoni, factori de crestere, oxid de

azot sau citokine care trebuie sa traverseze membrana sau sa transduca semnalul prin cai

intermediare de semnalizare pentru producerea efectului. Aceste semnale pot fi pozitive

sau negative in declansarea apoptozei. Legarea receptorilor specifici sau inducerea

semnalelor apoptotice sunt cai pozitive de activare a apoptozei, iar represarea activa

declansata de o molecula este o cale negativa de semnalizare.

Semnalizarile apoptotice intracelulare sunt date de un raspuns intracelular ca un

raspuns al celulei la stress, urmata de sinuciderea celulei. Factorii declansatori ai

apoptozei indusa intracelular pot fi: receptori de nucleari ai glucocorticoizilor,

temperatura, radiatii, infectiile virale, hipoxie si cresterea intracelulara a ionilor de calciu

4

(in cazul afectarii membranei celulare). Apoptoza poate fi controlata si de polimeraza

ribozomica poli ADP.

Procesul de apoptoza se desfasoara in trei timpi

1. in faza initiala, celulele individuale, enclavate in tesutul normal, pierd

legaturile cu celulele vecine, cromatina nucleara se condenseaza, rezultand

fragmentarea ADN-ului celular; celulele se retracta din cauza pierderii de

continut citoplasmic si a condensarii proteinei citoplasmatice; cele mai

multe organite citoplasmatice raman intacte;

2. in faza a doua, membrana celulara se zbarceste, se gaureste si se

fragmenteaza, formandu-se corpi apoptotici care contin resturi nucleare;

3. in faza finala, celulele vecine si macrofagele fagociteaza aceste fragmente

pana la completa lor degradare.

1.5. Reglarea mitocondriala

Mitocondria indeplineste un rol esential in organismele multicelulare. Fara

mitocondrii celula inceteaza sa respire aerob si moare repede. Proteinele implicate in

declansarea apoptozei se leaga specific de mitocondrie si o distruge partial eliberand

diferite molecule care declanseaza moartea programata a celulei. Aceste molecule pot

declansa o umflare a membranei si eliberarea anumitor componente intramitocondriale.

Oxidul de azot este capabil de a disipa potentialul membranar al mitocondriei, astfel

membrana este mai permeabila pentru anumite componente.

Proteinele membranare SMAC (second mitochondia-derived activator of caspases)

sunt eliberate in citosol in urma permeabilitatii membranei. Aceste proteine se leaga

specific de IAPs (Inhibitor of Apoptosis Proteins) ,le dezactiveaza ,astfel incat inhibarea

apoptozei este distrusa si celula nu mai poate supravietui si este declansata apoptoza.

IAPs de asemenea activeaza protezele cisteinice cunoscute sub numele generic de

Caspaze care declanseaza degradarea celulei.

Prin afectarea membranei mitocondriale de asemenea se elibereaza Citocromul C

prin intermediul canalelor MAC (mitochondrial apoptosis-induced chanel). Citocromul C

5

eliberat din mitocondrie leaga specific proteina Apaf1 si ATP care impreuna cu pro-

caspaza 9 formeaza un complex proteic care este apoptosoma. Apoptosoma taie pro-

caspaza 9 rezultand caspaza 9, care la randul ei activeaza caspaza 3.

Fig.2.Activarea apoptosomei de catre citocrom C si pro-caspaza 9

1.6. Degradarea cromatinei

Un criteriu important in apoptoza il are degradarea cromatinei cromozomale in

unitati nucleosomice. Un rol important in degradarea cromatinei il joaca caspazele.

Degradarea cromatinei este o reactie in cascada care activeaza DN-azele, sunt declansate

de catre CAD(caspase activated DN-ase), in celula normala exista o forma a CAD-ului

inactiva (ICAD), in timpul apoptozei ICAD-ul este digerat de catre caspaza 3 astfel

activeaza CAD, digerand ADN-ul; inhiba enzimele de reparare a ADN-ului (polimeraza

poli-ADP-riboza-care este prima proteina pe care o digera caspaza) si degradarea

proteinelor nuceului(degradarea laminei nucleului de catre caspaza 6 in urma caruia se

observa condensarile cromatidice).

6

Fig.3.Reactiile ce declanseaza degradarea cromatinei cromozomiale in nucleosomi

si electroforegrama unui ADN fragmentat in procesul de apoptoza

1.7. Calea directa de transducere

Sunt cunoscute doua cai majore de inducere a apoptozei: inductorul TNF (tumor

necrosis factor) si ligandul Fas-Fas, ambele cai de semnalizare folosesc receptorii pentru

TNF. La majoritatea oamenilor exista doua clase de receptori pentru TNF: TNF R1 si

TNF R2. Legarea a moleculei de TNF cu TNF R1 duce la activarea cascadei de caspaze

prin intermediul proteinelor intermediare. Legatura dintre TNF si apoptoza arata ca

producerea gresita de TNF joaca un rol important in producerea de boli autoimunitare.

Receptorii Fas (mai sunt cunoscuti sub denumirea de Apo-1 sau CD95) este o

proteina transmembranara care leaga un ligand FasL formeaza un complex de

semnalizare a inducerii mortii celulare (DISC-death-induced signaling complex) care

contine FADD caspaza-8 si caspaza-10, si in acest caz este declansata reactia in cascada a

caspazei ce duce la degradarea celulei.

7