Apoptoosi — solun ohjelmoitu kuolema, mekanismit ja merkitys
Tutustu apoptoosiin — solun ohjelmoitu kuolema, mekanismit, säätely ja merkitys kehityksessä sekä sairauksissa.
Apoptoosi on solun hallittu kuolema, joka on välttämätön osa elimistön kehitystä, ylläpitoa ja puolustusta. Se auttaa muotoilemaan kudoksia ja poistamaan vahingoittuneita tai ei-toivottuja soluja. Esimerkiksi sikiön raajojen kehityksen aikana apoptoosi mahdollistaa sormien ja varpaiden erottumisen toisistaan. Prosessi on aktiivinen koko elämän ajan, erityisesti kehityksen ja murrosiän aikana. Apoptoosi on tarkasti säädelty prosessi, ja sen nopeus on tasapainossa mitoosin avulla tapahtuvan solutuotannon kanssa, mikä ylläpitää kudosten homeostaasia.
Miten apoptoosi tapahtuu (pääkohdat)
Apoptoosi etenee yleensä vaiheittain ja siihen liittyy tunnusomaisia biokemiallisia ja morfologisia muutoksia. Keskeisiä tekijöitä ovat kaspaatit (proteolyytit), mitokondriasta vapautuva cytochrome c, sekä erilaiset säätelyproteiinit, kuten Bcl-2-perheen jäsenet.
- Heräte: Solu saa signaalin joko ulkoa (esim. kuolemanreseptorien aktivaatio) tai sisältä (esim. DNA-vaurio, solun stressi).
- Signaalireitit:
- Eksogeeninen reitti (ulkoiset signaalit): kuolemanreseptorit kuten Fas ja TNF-reseptori aktivoivat kaspaaseja.
- Endogeeninen reitti (mitokondriaalinen): solustressi johtaa mitokondrioista cytochrome c -vapautumiseen, apoptosomin muodostumiseen ja kaspaasien aktivaatioon.
- Effektorikaspaasit: Aktivoidut kaspaasit pilkkovat solun proteiineja, mikä johtaa solun hajotukseen hallitusti.
- Apoptoottiset kappaleet: Solu kutistuu, tumakromatiini tiivistyy ja solusta muodostuu pieniä kalvon ympäröimiä kappaleita, jotka immuunijärjestelmä (esim. makrofagit) siivoaa ilman voimakasta tulehdusreaktiota.
Morfologiset piirteet
- Solun kutistuminen ja tiivistyminen
- Chromatin condensation (tumakromatiinin tiivistyminen)
- Membrane blebbing (kalvon pullistumat)
- Tuman fragmentaatio ja DNA:n säikeiden katkeaminen
- Apoptoottisten kappaleiden muodostuminen ja fagosytoosi
Säätely
Apoptoosia säätelevät lukuisat proteiinit ja signaalireitit. Tärkeitä säätelijöitä ovat:
- Bcl-2-perhe: sisältää pro-apoptottisia (esim. Bax, Bak) ja anti-apoptottisia (esim. Bcl-2, Bcl-xL) jäseniä, jotka vaikuttavat mitokondrion kalvon läpäisevyyteen.
- p53: tunnistaa DNA-vaurioita ja voi ohjata solun apoptoosiin estääkseen vaurioituneen perimän siirtymisen eteenpäin.
- IAP-proteiinit (inhibitor of apoptosis proteins): estävät kaspaasien toimintaa ja siten apoptoosia.
- Ekto- ja endogeeniset signaalit: tulehdusmediattorit, kasvutekijät ja hormonit voivat joko estää tai edistää apoptoosia.
Fysiologinen merkitys
- Kehitys: muotoilun, kuten sormien ja varpaiden erottumisen, mahdollistaminen.
- Immuunijärjestelmä: virheellisten tai liiallisen aktivoituneiden immuunisolujen poistaminen ja tappajasolujen toiminnan rajoittaminen infektion jälkeen.
- Kudosten ylläpito: vanhojen tai vaurioituneiden solujen korvaaminen uusilla säilyttäen kudoksen toiminnan.
Liittyvät sairaudet ja terapeuttiset näkökulmat
Apoptoosin häiriöt liittyvät moniin sairauksiin:
- Liiallinen apoptoosi: voi edistää neurodegeneratiivisia sairauksia (esim. Alzheimerin ja Parkinsonin taudit) sekä kudoskatkoksia iskemian jälkeen.
- Vähentynyt apoptoosi: mahdollistaa syöpäsolujen selviytymisen ja leviämisen; monet syöpäsolut ylikorostavat anti-apoptottisia proteiineja.
- Autoimmuunitaudit: epäonnistunut poistomekanismi voi johtaa autoreaktiivisten solujen säilymiseen.
Terapeuttisesti apoptoosia pyritään joko aktivoimaan (esim. syöpähoidoissa) tai estämään (esim. neuroprotektiiviset hoidot, estämään liiallista solukuolemaa). Moni hoito kohdistuu kaspaaseihin, Bcl-2-proteiineihin tai kuolemanreseptoreihin.
Tutkimus ja tunnistus
Apoptoosin havaitsemiseen käytetään useita menetelmiä:
- TUNEL-testi: mittaa DNA:n katkokset apoptootissa.
- Annexin V -vasta-ainevärjäys: tunnistaa solukalvon fosfatidyliseriinin ulospääsyn varhaisessa apoptoosissa.
- Kaspasa-aktiivisuusmittaukset ja proteiinien ilmentymisanalyysit (esim. Western blot).
- Morfologinen arvio elektronimikroskopialla tai fluoresenssimikroskopialla.
Yhteenveto
Apoptoosi on keskeinen ja tarkoin säädelty mekanismi, joka mahdollistaa elimistön normaalin kehityksen, kudosten ylläpidon ja vieraan materiaalin poiston ilman voimakasta tulehdusta. Häiriöt apoptoosissa vaikuttavat laajasti terveydentilaan ja ovat sekä taustalla että kohteena monissa nykyhoidoissa.
Discovery
Carl Vogt kuvasi ohjelmoidun solukuoleman ilmiön ensimmäisen kerran vuonna 1842. Vuonna 1885 anatomi Walther Flemming antoi prosessista tarkemman kuvauksen.
Keskimääräinen aikuinen ihminen menettää päivittäin 50-70 miljardia solua apoptoosin vuoksi. Keskimääräisellä aikuisella ihmisellä on yli 13 biljoonaa solua, joista korkeintaan 70 miljardia kuolee joka päivä. Toisin sanoen noin 5 solua tuhannesta (0,5 %) kuolee päivittäin apoptoosin vuoksi. Keskiverto 8-14-vuotiaalla ihmislapsella kuolee noin 20-30 miljardia solua päivässä.
Apoptoosin tapahtumaketju
Kun solu kuolee apoptoosin avulla, ympäröivä kudos ei vahingoitu.
1. Entsyymit hajottavat solun sytoskelettiä
. 2. Sytoplasma muuttuu tiiviiksi, ja organellit pakkautuvat tiiviisti.
3. Solun pintakalvo muodostaa "läiskiä".
4. Kromatiini tiivistyy ja ydinkuori rikkoutuu. DNA hajoaa fragmenteiksi.
5. Solu hajoaa vesikkeleiksi, jotka fagosytoosi ottaa vastaan.
Solusyklin hallinta
Apoptoosi on solun elämän normaali päättyminen. Milloin tahansa yhdellä alueella voi olla liikaa soluja, jolloin apoptoosia koodaava DNA aktivoituu joissakin soluissa ja ne kuolevat turvallisesti. Tämä on tärkeää elimistön yleisen toiminnan kannalta. Jos esimerkiksi maksasolujen valmistus kiihtyisi, eivätkä ne koskaan kuolisi, maksa ei enää toimisi kunnolla. Maksasolut ottaisivat lopulta vallan elimistössä. Apoptoosi tapahtuu lysosomien avulla. Lysosomit repeävät, kun solu on vanha tai vaurioitunut, jolloin se päästää ruoansulatusentsyymejä kaikkialle soluun ja sulattaa sen, jolloin solu kuolee.
Syöpä
Syöpäsolut eivät käy läpi apoptoosia, minkä vuoksi ne ovat niin suuri ongelma. Ne lisääntyvät jatkuvasti, kunnes isäntäelin tai elimistö ei enää pysty toimimaan. Tämä johtuu siitä, että apoptoosin koodaus on mutaantunut ja samoin muu koodaus. Tämä aiheuttaa ei-toivottujen solujen nopean mitoottisen jakautumisen. Kyseessä on syöpäkasvain.
Nobel-palkinto
Vuoden 2002 fysiologian tai lääketieteen Nobel-palkinto myönnettiin yhdessä Sydney Brennerille, H. Robert Horvitzille ja John E. Sulstonille "elinten kehityksen ja ohjelmoidun solukuoleman geneettistä säätelyä koskevista löydöksistä"." Sydney Brenner, Sir John Sulston ja Robert Horvitz saivat Nobel-palkinnon Caenorhabditis elegans -pyörömaton perimää ja soluja koskevasta työstään. C. elegans oli ensimmäinen eläin, jonka koko genomi oli sekvensoitu.
Aiheeseen liittyvät sivut
- Hayflick-raja
Kysymyksiä ja vastauksia
K: Mikä on apoptoosi?
V: Apoptoosi on solun hallittu kuolema.
K: Mikä rooli apoptoosilla on kudosten kehityksessä?
V: Apoptoosilla on tärkeä rooli kudosten kehityksessä, kuten siinä, että sikiön raajojen kehittyessä sormet voivat erottua toisistaan.
K: Milloin apoptoosia esiintyy useimmiten?
V: Apoptoosia esiintyy useimmiten murrosiän alkuun asti.
K: Onko apoptoosi säännelty prosessi?
V: Kyllä, apoptoosi on säännelty ja hallittu prosessi, joka toimii koko organismin elinkaaren ajan.
K: Miten apoptoosin nopeus on tasapainossa?
V: Apoptoosin nopeus tasapainottuu mitoosin avulla tapahtuvan solutuotannon nopeudella.
K: Tapahtuuko apoptoosia vain tietyissä elämänvaiheissa?
V: Ei, apoptoosia tapahtuu koko organismin elinkaaren ajan.
Etsiä