Genetska regulacija proliferacije ćelija. Mehanizmi diobe ćelija
Proliferativni procesi u akutnoj upali počinju nedugo nakon utjecaja flogogenog faktora na tkivo i izraženiji su duž periferije upalne zone. Jedan od uslova za optimalan tok proliferacije je slabljenje procesa alteracije i eksudacije.
Proliferacija
Fagociti također proizvode i izlučuju u međućelijsku tekućinu niz biološki aktivnih supstanci koje reguliraju razvoj bilo imuniteta, bilo alergija ili stanja tolerancije. Dakle, upala je direktno povezana sa formiranjem imuniteta ili imunopatološkim reakcijama u organizmu.
Proliferacija - komponenta upalnog procesa i njegova završna faza - karakteriše se povećanjem broja stromalnih i po pravilu parenhimskih ćelija, kao i stvaranjem međustanične supstance u žarištu upale.Ti procesi su usmjerena na regeneraciju izmijenjenih i/ili zamjenu uništenih elemenata tkiva. U ovoj fazi upale od velikog su značaja različite biološki aktivne supstance, posebno one koje stimulišu proliferaciju ćelija (mitogen).
Oblici i stepen proliferacije ćelija specifičnih za organ su različiti i određeni su prirodom ćelijskih populacija (pogledati članak „Ćelijska populacija“ u dodatku „Priručnik“).
U nekim organima i tkivima (na primjer, jetra, koža, gastrointestinalni trakt, respiratorni trakt) ćelije imaju visok proliferativni kapacitet dovoljan da eliminišu strukturne defekte u žarištu upale.
U drugim organima i tkivima ova sposobnost je vrlo ograničena (na primjer, u tkivima tetiva, hrskavice, ligamenata, bubrega itd.).
U brojnim organima i tkivima parenhimske stanice praktički nemaju proliferativnu aktivnost (na primjer, miociti srčanog mišića, neuroni). S tim u vezi, na kraju upalnog procesa u tkivima miokarda i nervnog sistema, ćelije strome, uglavnom fibroblasti, proliferiraju na mestu žarišta upale, koje takođe formiraju nećelijske strukture. Kao rezultat, formira se ožiljak vezivnog tkiva. Istovremeno, poznato je da parenhimske ćelije ovih tkiva imaju visok kapacitet za hipertrofiju i hiperplaziju subcelularnih struktura.
Aktivacija proliferativnih procesa je u korelaciji sa stvaranjem biološki aktivnih supstanci koje imaju protuupalni učinak (vrsta protuupalnih medijatora). Među najefikasnijim među njima su:
Inhibitori hidrolaza, posebno proteaze (npr. antitripsin), -mikroglobulin, plazmin ili faktori komplementa;
Antioksidansi (npr. ceruloplazmin, haptoglobin, peroksidaza, SOD);
Poliamini (npr. putrescin, spermin, kadaverin);
Glukokortikoidi;
Heparin (suzbijanje adhezije i agregacije leukocita, aktivnosti kinina, biogenih amina, faktora komplementa).
Zamjena mrtvih i oštećenih elemenata tkiva tijekom upale bilježi se nakon njihovog uništenja i eliminacije (ovaj proces se naziva čišćenje rane).
Reakcije proliferacije stromalnih i parenhimskih stanica regulirane su različitim faktorima. Među najznačajnijim među njima su:
Mnogi medijatori upale (na primjer, TNF, koji suzbija proliferaciju; leukotrieni, kinini, biogeni amini, koji stimuliraju diobu stanica).
Specifični metabolički produkti leukocita (na primjer, monokini, limfokini, IL, faktori rasta), kao i trombociti koji mogu aktivirati proliferaciju stanica.
Peptidi male molekularne težine koji se oslobađaju prilikom destrukcije tkiva, poliamini (putrescin, spermidin, spermin), kao i produkti razgradnje nukleinskih kiselina koji aktiviraju reprodukciju stanica.
Hormoni (GH, insulin, T 4 , kortikoidi, glukagon), od kojih su mnogi sposobni da aktiviraju i inhibiraju proliferaciju u zavisnosti od njihove koncentracije, aktivnosti, sinergijskih i antagonističkih interakcija; na primjer, glukokortikoidi u malim dozama inhibiraju, a mineralokortikoidi aktiviraju reakcije regeneracije.
Na procese proliferacije utiču i brojni drugi faktori, na primer enzimi (kolagenaza, hijaluronidaza), joni, neurotransmiteri i drugi.
. Poglavlje II
ćelijska reprodukcija. Problemi proliferacije ćelija u medicini.
2.1. Životni ciklus ćelije.
Ćelijska teorija kaže da ćelije nastaju iz ćelija dijeljenjem originala. Ova odredba isključuje stvaranje ćelija iz nećelijske supstance. Podjeli stanica prethodi reduplikacija njihovog hromozomskog aparata, sinteza DNK i u eukariotskim i u prokariotskim organizmima.
Vrijeme postojanja ćelije od diobe do diobe naziva se ćelija ili životni ciklus. Njegova vrijednost znatno varira: za bakterije je 20-30 minuta, za cipelu 1-2 puta dnevno, za amebu oko 1,5 dana. Višećelijske ćelije također imaju drugačiju sposobnost podjele. U ranoj embriogenezi često se dijele, au odraslom organizmu, uglavnom, gube tu sposobnost jer se specijaliziraju. Ali čak i u organizmu koji je dostigao potpuni razvoj, mnoge ćelije se moraju podijeliti kako bi zamijenile istrošene stanice koje se neprestano osipaju i, konačno, potrebne su nove stanice za zacjeljivanje rana.
Stoga, u nekim populacijama ćelija, podjela se mora dogoditi tokom cijelog života. S obzirom na to, sve ćelije se mogu podijeliti u tri kategorije:
1. Do rođenja djeteta nervne ćelije dostižu visoko specijalizirano stanje, gube sposobnost reprodukcije.U procesu ontogeneze njihov broj se kontinuirano smanjuje. Ova okolnost ima jednu dobru stranu; ako se nervne ćelije dijele, onda bi više nervne funkcije (pamćenje, mišljenje) bile poremećene.
2. Druga kategorija ćelija je također visoko specijalizirana, ali zbog njihove stalne deskvamacije zamjenjuju ih nove, a tu funkciju obavljaju ćelije iste linije, ali još nisu specijalizirane i nisu izgubile sposobnost dijeljenja. Ove ćelije se nazivaju obnavljajućim. Primjer su stanice crijevnog epitela koje se stalno obnavljaju, hematopoetske ćelije. Čak se i ćelije koštanog tkiva mogu formirati od nespecijalizovanih (ovo se može uočiti tokom reparativne regeneracije fraktura kostiju). Populacije nespecijaliziranih ćelija koje zadržavaju sposobnost dijeljenja obično se nazivaju matičnim stanicama.
3. Treća kategorija ćelija je izuzetak, kada visoko specijalizovane ćelije pod određenim uslovima mogu ući u mitotički ciklus. Riječ je o ćelijama koje se odlikuju dugim životnim vijekom i gdje nakon potpunog rasta rijetko dolazi do diobe ćelija. Primjer su hepatociti. Ali ako se eksperimentalnoj životinji ukloni 2/3 jetre, tada se za manje od dvije sedmice vraća na prethodnu veličinu. Kao i ćelije žlijezda koje proizvode hormone: u normalnim uvjetima, samo nekoliko njih je u stanju da se razmnožava, a pod promijenjenim uvjetima većina njih može početi da se dijeli.
Ćelijski ciklus znači ponovljeno ponavljanje uzastopnih događaja koji traju određeni vremenski period. Tipično, ciklički procesi su grafički prikazani kao krugovi.
Ćelijski ciklus je podeljen na dva dela: mitozu i interval između kraja jedne mitoze i početka sledeće - interfaze. Metoda autoradiografije omogućila je da se utvrdi da u interfazi stanica ne samo da obavlja svoje specijalizirane funkcije, već i sintetizira DNK. Ovaj period interfaze nazvan je sintetički (S). Počinje oko 8 sati nakon mitoze i završava se nakon 7-8 sati. Interval između S-perioda i mitoze nazivao se presintetičkim (G1 - 4 sata) nakon sintetičkog, prije same mitoze - postsintetičkim (G2). odvija se u toku oko sat vremena.
Dakle, razlikuju se četiri stupnja u ćelijskom ciklusu čelika; mitoza, G1-period, S-period, G2-period.
Utvrđivanje činjenice udvostručavanja u DNK interfazi znači da tokom nje ćelija ne može obavljati specijalizirane funkcije, zauzeta je izgradnjom staničnih struktura, sintetiziranjem građevinskih materijala koji osiguravaju rast ćelija kćeri, akumulacijom energije koja se troši tokom same mitoze, sintetiziranjem specifičnih enzimi za replikaciju DNK. Dakle, interfazne ćelije, da bi obavljale svoje funkcije koje su unapred određene genetskim programom (da bi postale visoko specijalizovane), moraju privremeno ili trajno napustiti ciklus u G0 periodu, ili ostati u produženom G1 (značajne razlike u stanju ćelija G0 i G1 perioda nisu zabeleženi, jer G0 može ćelije po ciklusu). Posebno treba napomenuti da je kod višećelijskih zrelih organizama poznato da je većina ćelija u G0 periodu.
Kao što je već spomenuto, do povećanja broja ćelija dolazi samo zbog diobe izvorne ćelije, kojoj prethodi faza tačne reprodukcije genetskog materijala, molekula DNK, hromozoma.
Mitotička podjela uključuje nova stanična stanja: interfazni, dekondenzirani i već reduplicirani hromozomi se pretvaraju u kompaktni oblik mitotičkih hromozoma, formira se akromatski mitotički aparat koji je uključen u prijenos hromozoma, hromozomi se divergiraju na suprotne polove i dolazi do citokineze. Proces indirektne podjele obično se dijeli na sljedeće glavne faze: profaza, metafaza, anafaza i telofaza. Podjela je uslovna, jer je mitoza kontinuiran proces i promjena faze se odvija postepeno. Jedina faza koja ima pravi početak je anafaza, u kojoj
hromozomi počinju da se razdvajaju. Trajanje pojedinih faza je različito (u prosjeku profaza i telofaza - 30-40", anafaza i metafaza - 7-15"). Do početka mitoze ljudska ćelija sadrži 46 hromozoma, od kojih se svaki sastoji od 2 identične polovice - hromatide (kromatida se naziva i S-hromozom, a hromozom koji se sastoji od 2 hromozoma je d-hromozom).
Jedan od najupečatljivijih fenomena uočenih u mitozi je formiranje fisijskog vretena. Osigurava poravnavanje d-hromozoma u jednoj ravni, u sredini ćelije, i pomeranje S-hromozoma do polova. Vreteno diobe formiraju centriole ćelijskog centra. Mikrotubule se formiraju u citoplazmi od proteina tubulina.
U G1-periodu svaka ćelija sadrži dva centriola, do trenutka prijelaza u G2-periodu, u blizini svakog centriola se formira kćerka centriol i ukupno se formiraju dva para.
U profazi, jedan par centriola počinje da se kreće na jedan pol, drugi na drugi.
Između parova centriola jedna prema drugoj počinje se formirati skup interpolarnih i kromosomskih mikrotubula.
Nukleolna ovojnica na kraju profaze se raspada, nukleolus prestaje da postoji, hromozomi (d) spiraliziraju se, vreteno diobe se pomiče u sredinu ćelije, a d-hromozomi se nalaze u prazninama između mikrotubula vretena.
Tokom profaze, D hromozomi se kondenzuju iz filamentoznih struktura u štapićaste strukture. Skraćivanje i zadebljanje (d-hromozomi se nastavljaju neko vreme u metafazi, usled čega metafazni d-hromozomi imaju dovoljnu gustoću. Centromera je jasno vidljiva u hromozomima, deli ih na jednake ili nejednake krake, koji se sastoje od 2 susedna S - hromozomi (hromatide). Na početku anafaze, S-hromozomi (hromatide) počinju da se kreću od ekvatorijalne ravni prema polovima. Anafaza počinje cepanjem centromernog regiona svakog od hromozoma, usled čega dva S-hromozoma svakog d-hromozoma su potpuno odvojena jedan od drugog. Zbog toga svaka ćelija kćerka dobija identičan set od 46 S hromozoma. Nakon razdvajanja centromera, jedna polovina od 92 S hromozoma počinje da se kreće prema jednom polu, druga polovina prema drugom.
Do danas nije precizno utvrđeno pod dejstvom kojih sila se vrši kretanje hromozoma do polova. Postoji nekoliko verzija:
1. U vretenu podjele postoje filamenti koji sadrže aktin (kao i drugi mišićni proteini), moguće je da se ova sila generiše na isti način kao u mišićnim ćelijama.
2. Kretanje hromozoma je posledica klizanja hromozomskih mikrotubula duž kontinualnih (interpolarnih) mikrotubula suprotnog polariteta (Mak-Itosh, 1969, Margolis, 1978).
3. Brzina kretanja hromozoma je regulisana kinetohorskim mikrotubulama kako bi se obezbedilo uredno razdvajanje hromatida. Najvjerovatnije svi gore navedeni mehanizmi za implementaciju matematički tačne distribucije nasljedne supstance među ćelijama kćeri sarađuju.
Do kraja anafaze i do početka telofaze, u sredini izdužene ćelije, počinje formiranje suženja, formira se takozvana drobišna brazda, koja, produbljujući, dijeli ćeliju na dvije kćerke. Aktinski filamenti učestvuju u formiranju brazde. Ali kako se brazda produbljuje, stanice su međusobno povezane snopom mikrotubula, koji se naziva srednje tijelo, čiji je ostatak također prisutan u interfazi neko vrijeme. Paralelno sa citokinezom, na svakom polu hromozomi se despiralizuju obrnutim redosledom od hromozomskog ka nukleosomskom nivou. Konačno, nasljedna tvar poprima oblik nakupina hromatina, bilo gusto zbijenih ili dekondenzovanih. Nukleolus, nuklearna membrana koja okružuje hromatin i karioplazmu, ponovo se formira. Dakle, kao rezultat mitotičke diobe ćelije, novoformirane kćeri ćelije su jedna drugoj identične i kopija su matične ćelije, što je važno za kasniji rast, razvoj i diferencijaciju ćelija i tkiva.
2.2. Mehanizam regulacije mitotičke aktivnosti
Održavanje broja ćelija na određenom, konstantnom nivou osigurava ukupnu homeostazu. Na primjer, broj eritrocita i leukocita u zdravom tijelu je relativno stabilan, unatoč činjenici da ove stanice odumiru, stalno se obnavljaju. Stoga se stopa formiranja novih ćelija mora regulisati tako da odgovara stopi ćelijske smrti.
Za održavanje homeostaze potrebno je da broj različitih specijalizovanih ćelija u telu i funkcije koje moraju da obavljaju budu pod kontrolom raznih regulatornih mehanizama koji sve to održavaju u stabilnom stanju.
U mnogim slučajevima ćelijama se daje signal da moraju povećati svoju funkcionalnu aktivnost, a to može zahtijevati povećanje broja ćelija. Na primjer, ako sadržaj Ca u krvi padne, tada stanice paratireoidne žlijezde povećavaju lučenje hormona, nivo kalcija dostiže normu. Ali ako u ishrani životinje nedostaje kalcijuma, onda dodatna proizvodnja hormona neće povećati sadržaj ovog elementa u krvi.U tom slučaju ćelije štitne žlezde počinju da se intenzivno dele, tako da povećanje njihovog broja dovodi do dalje povećanje sinteze hormona. Dakle, smanjenje jedne ili druge funkcije može dovesti do povećanja populacije stanica koje pružaju ove funkcije.
Kod ljudi koji ulaze u gorje, broj crvenih krvnih zrnaca se naglo povećava (na nadmorskoj visini manjoj od 02) kako bi se organizam opskrbio potrebnom količinom kisika. Stanice bubrega reaguju na smanjenje kisika i povećavaju lučenje eritropoetina, što pojačava hematopoezu. Nakon formiranja dovoljnog broja dodatnih eritrocita, hipoksija nestaje i stanice koje proizvode ovaj hormon smanjuju njegovo lučenje na uobičajeni nivo.
Ćelije koje su potpuno diferencirane ne mogu se dijeliti, ali se ipak mogu povećati matičnim stanicama iz kojih su izvedene. Nervne ćelije se ne mogu dijeliti ni pod kojim okolnostima, ali mogu povećati svoju funkciju povećanjem svojih procesa i umnožavanjem veza između njih.
Treba napomenuti da kod odraslih omjer ukupnih veličina različitih organa ostaje manje-više konstantan. Uz umjetno kršenje postojećeg omjera veličine organa, teži normalnom (uklanjanje jednog bubrega dovodi do povećanja drugog).
Jedan od koncepata koji objašnjava ovaj fenomen je da se proliferacija ćelija reguliše posebnim supstancama - kalonima. Pretpostavlja se da imaju specifičnost u odnosu na ćelije različitih tipova, tkiva organa. Vjeruje se da smanjenje broja kalona stimulira proliferaciju stanica, na primjer, tokom regeneracije. Trenutno, ovaj problem pažljivo proučavaju različiti stručnjaci. Dobijeni su podaci da su chaloni glikoproteini molekulske mase od 30.000 - 50.000.
2.3. Nepravilni tipovi ćelijske reprodukcije
Amitoza. Direktna podjela, ili amitoza, opisana je ranije od mitotske podjele, ali je mnogo rjeđa. Amitoza je dioba ćelije u kojoj je jezgro u interfaznom stanju. U ovom slučaju nema kondenzacije hromozoma i formiranja vretena diobe. Formalno, amitoza treba da dovede do pojave dve ćelije, ali najčešće dovodi do deobe jezgra i pojave dvo- ili višenuklearnih ćelija.
Amitotička podjela počinje fragmentacijom jezgrica, nakon čega slijedi dioba jezgra sužavanjem (ili invaginacijom). Može doći do višestruke podjele jezgra, obično nejednake veličine (kod patoloških procesa). Brojna zapažanja su pokazala da se amitoza gotovo uvijek javlja u stanicama koje su zastarjele, degenerirajuće i nesposobne da proizvode vrijedne elemente u budućnosti. Dakle, normalno, amitotička podjela se događa u embrionalnim membranama životinja, u folikularnim stanicama jajnika, u divovskim stanicama trofoblasta. Amitoza ima pozitivnu vrijednost u procesu regeneracije tkiva ili organa (regenerativna amitoza). Amitoza u senescentnim stanicama je praćena poremećajima u biosintetskim procesima, uključujući replikaciju, popravku DNK, kao i transkripciju i translaciju. Fizičko-hemijska svojstva hromatinskih proteina ćelijskih jezgara, sastav citoplazme, struktura i funkcije organela se menjaju, što povlači funkcionalne poremećaje na svim narednim nivoima - ćelijskom, tkivnom, organskom i organskom. Kako se uništavanje povećava i oporavak blijedi, dolazi do prirodne smrti ćelije. Često se amitoza javlja kod upalnih procesa i malignih neoplazmi (indukovana amitoza).
Endomitoza. Kada su ćelije izložene supstancama koje uništavaju mikrotubule vretena, podela se zaustavlja, a hromozomi će nastaviti svoj ciklus transformacija: replicirati, što će dovesti do postepenog formiranja poliploidnih ćelija - 4 p. 8 p., itd. Ovaj proces transformacije se inače naziva endoreprodukcija. Sposobnost ćelija za endomitozu koristi se u oplemenjivanju biljaka za dobijanje ćelija sa višestrukim setom hromozoma. Za to se koriste kolhicin, vinblastin, koji uništavaju niti ahromatinskog vretena. Poliploidne ćelije (a zatim i odrasle biljke) su velike, vegetativni organi iz takvih ćelija su veliki, sa velikim zalihama hranljivih materija. Kod ljudi, endoreprodukcija se javlja u nekim hepatocitima i kardiomiocitima.
Drugi, rjeđi rezultat endomitoze su politene ćelije. S politenijom u S-periodu, kao rezultat replikacije i nerazdvajanja lanaca hromozoma, formira se multifilamentna, politenska struktura. Razlikuju se od mitotičkih hromozoma po velikim veličinama (200 puta duže). Takve ćelije nalaze se u pljuvačnim žlijezdama insekata dvokrilaca, u makronukleusima cilijata. Na politenskim hromozomima vidljivi su otekline, nadimanja (mjesta transkripcije) - izraz aktivnosti gena. Ovi hromozomi su najvažniji predmet genetskog istraživanja.
2.4. Problemi proliferacije ćelija u medicini.
Kao što je poznato, tkiva sa visokom stopom obnavljanja ćelija su osetljivija na dejstvo različitih mutagena od tkiva u kojima se ćelije obnavljaju sporo. Međutim, na primjer, radijacijska oštećenja se možda neće pojaviti odmah i ne moraju nužno oslabiti s dubinom, ponekad čak oštećuju duboko ležeća tkiva mnogo više nego površinska. Kada se ćelije ozrači rendgenskim ili gama zracima, u životnom ciklusu ćelija dolazi do ozbiljnih poremećaja: mitotski hromozomi menjaju oblik, pucaju, praćeno nepravilnim povezivanjem fragmenata, ponekad pojedinačni delovi hromozoma potpuno nestaju. Može doći do anomalija vretena (u ćeliji se ne formiraju dva pola, već tri), što će dovesti do neravnomjernog razdvajanja hromatida. Ponekad je oštećenje ćelije (velike doze zračenja) toliko značajno da su svi pokušaji ćelije da započne mitozu neuspešni i deoba prestaje.
Sličan učinak zračenja dijelom objašnjava njegovu upotrebu u terapiji tumora. Svrha zračenja nije da ubije tumorske ćelije u interfazi, već da one izgube sposobnost mitoze, što će usporiti ili zaustaviti rast tumora. Zračenje u dozama koje nisu smrtonosne za ćelije mogu izazvati mutacije, koje dovode do pojačane proliferacije izmenjenih ćelija i dovode do malignog rasta, što se često dešavalo onima koji su radili sa rendgenskim zracima, ne znajući za njihovu opasnost.
Na proliferaciju ćelija utiču mnoge hemikalije, uključujući i lekove. Na primjer, alkaloid kolhicin (sadrže ga kolhikum) bio je prvi lijek koji je ublažio bolove u zglobovima od gihta. Ispostavilo se da ima i još jedan efekat - zaustavljanje diobe vezivanjem za proteine tubulina od kojih se formiraju mikrotubule. Dakle, kolhicin, kao i mnogi drugi lijekovi, blokira stvaranje fisijskog vretena.
Na osnovu toga, alkaloidi poput vinblastina i vinkristina koriste se za liječenje određenih vrsta malignih neoplazmi, ulazeći u arsenal modernih kemoterapeutskih antikancerogenih sredstava. Treba napomenuti da se sposobnost supstanci kao što je kolhicin da zaustave mitozu koristi kao metoda za naknadnu identifikaciju hromozoma u medicinskoj genetici.
Od velikog značaja za medicinu je sposobnost diferenciranih (štaviše, polnih) ćelija da održe svoj potencijal za proliferaciju, što ponekad dovodi do razvoja tumora u jajnicima na čijem se rezu vide slojevi ćelija, tkiva i organi, koji su "nered". Otkrivaju se komadići kože, folikuli dlake, dlake, deformisani zubi, komadići kostiju, hrskavice, nervnog tkiva, fragmenti oka itd., što zahteva hitnu hiruršku intervenciju.
2.5. Patologija reprodukcije ćelija
Anomalije mitotičkog ciklusa.. Mitotički ritam, obično adekvatan potrebi za obnavljanjem starenja, mrtvih ćelija, može se promeniti u patološkim stanjima. Usporavanje ritma se uočava kod starenja ili niskovaskularnih tkiva, pojačanje ritma se uočava u tkivima sa raznim vrstama upala, hormonskim uticajima, kod tumora itd.
REGULACIJA ĆELIČNOG CIKLUSA
Uvod
Aktivacija proliferacije
ćelijski ciklus
Regulacija ćelijskog ciklusa
Egzogeni regulatori proliferacije
Endogeni regulatori ćelijskog ciklusa
CDK regulacijski putevi
Regulacija G1 faze
Regulacija S faze
Regulacija G2 faze
Regulacija mitoze
Oštećenje DNK
Putevi popravke dvolančanog prekida DNK
Ćelijski odgovor na oštećenje DNK i njegova regulacija
Regeneracija tkiva
Regulacija regeneracije tkiva
Zaključak
Bibliografija
Uvod
Ćelija je osnovna jedinica svih živih bića. Izvan ćelije nema života. Reprodukcija ćelije se dešava samo deljenjem prvobitne ćelije, čemu prethodi reprodukcija njenog genetskog materijala. Aktivacija diobe ćelije nastaje zbog utjecaja vanjskih ili unutrašnjih faktora na nju. Proces diobe ćelije od trenutka njene aktivacije naziva se proliferacija. Drugim riječima, proliferacija je umnožavanje ćelija, tj. povećanje broja ćelija (u kulturi ili tkivu) koje se dešava mitotičkim deobama. Životni vijek ćelije kao takve, od diobe do diobe, obično se naziva ćelijski ciklus.
U tijelu odraslog čovjeka ćelije različitih tkiva i organa imaju nejednaku sposobnost podjele. Osim toga, sa starenjem se smanjuje intenzitet proliferacije stanica (tj. povećava se interval između mitoza). Postoje populacije ćelija koje su potpuno izgubile sposobnost dijeljenja. To su, u pravilu, stanice u terminalnoj fazi diferencijacije, na primjer, zreli neuroni, granulirani krvni leukociti, kardiomiociti. U tom smislu izuzetak su imunološke B- i T-memorijske ćelije, koje su u završnoj fazi diferencijacije, kada se u tijelu pojavi određeni stimulans u obliku prethodno naiđenog antigena, sposobne početi proliferirati. Tijelo ima tkiva koja se stalno obnavljaju - razne vrste epitela, hematopoetska tkiva. U takvim tkivima postoje ćelije koje se neprestano dijele, zamjenjujući istrošene ili umiruće tipove stanica (na primjer, ćelije crijevne kripte, stanice bazalnog sloja integumentarnog epitela, hematopoetske stanice koštane srži). Također u tijelu postoje ćelije koje se ne razmnožavaju u normalnim uvjetima, ali opet stiču ovo svojstvo pod određenim uvjetima, posebno kada je potrebno regenerirati tkiva i organe. Proces proliferacije ćelije je strogo reguliran kako samom stanicom (regulacija ćelijskog ciklusa, prestanak ili usporavanje sinteze autokrinih faktora rasta i njihovih receptora) tako i njenom mikrookruženjem (nedostatak stimulativnih kontakata sa susjednim stanicama i matriksom, prestanak sekrecije i/ili sinteze parakrinih faktora rasta). Kršenje regulacije proliferacije dovodi do neograničene diobe stanica, što zauzvrat pokreće razvoj onkološkog procesa u tijelu.
Aktivacija proliferacije
Glavnu funkciju povezanu s pokretanjem proliferacije preuzima plazma membrana stanice. Na njegovoj površini se događaju događaji koji su povezani s prijelazom stanica u mirovanju u aktivirano stanje koje prethodi diobi. Plazma membrana ćelija, zahvaljujući molekulima receptora koji se nalaze u njoj, percipira različite ekstracelularne mitogene signale i obezbeđuje transport u ćeliju neophodnih supstanci koje su uključene u inicijaciju proliferativnog odgovora. Mitogeni signali mogu biti kontakti između ćelija, između ćelije i matriksa, kao i interakcija ćelija sa različitim jedinjenjima koja stimulišu njihov ulazak u ćelijski ciklus, a koji se nazivaju faktori rasta. Ćelija koja je primila mitogeni signal za proliferaciju započinje proces diobe.
CELL CYCLE
Čitav ćelijski ciklus sastoji se od 4 faze: presintetski (G1), sintetički (S), postsintetski (G2) i sama mitoza (M). Osim toga, postoji takozvani G0-period, koji karakterizira stanje mirovanja ćelije. U G1 periodu ćelije imaju sadržaj diploidnog DNK po jezgru. U tom periodu počinje rast ćelije, uglavnom zbog akumulacije ćelijskih proteina, što je posledica povećanja količine RNK po ćeliji. Osim toga, počinju pripreme za sintezu DNK. U sljedećem S-periodu, količina DNK se udvostručuje i, shodno tome, udvostručuje se broj hromozoma. Postsintetička G2 faza se također naziva premitotičkom. U ovoj fazi dolazi do aktivne sinteze mRNA (messenger RNA). Nakon ove faze slijedi stvarna podjela ćelije na dva dijela ili mitoza.
Podjela svih eukariotskih stanica povezana je sa kondenzacijom dupliciranih (repliciranih) hromozoma. Kao rezultat diobe, ovi hromozomi se prenose u ćelije kćeri. Ova vrsta podjele eukariotskih stanica - mitoza (od grčkog mitos - niti) - jedini je potpuni način povećanja broja ćelija. Proces mitotičke diobe podijeljen je u nekoliko faza: profaza, prometafaza, metafaza, anafaza, telofaza.
REGULACIJA ĆELIČNOG CIKLUSA
Svrha regulatornih mehanizama ćelijskog ciklusa nije da regulišu prolazak ćelijskog ciklusa kao takvog, već da obezbede, u krajnjoj liniji, distribuciju naslednog materijala bez grešaka u procesu ćelijske reprodukcije. Regulacija ćelijske reprodukcije zasniva se na promjeni stanja aktivne proliferacije i proliferativnog organa. Regulatorni faktori koji kontroliraju ćelijsku reprodukciju mogu se podijeliti u dvije grupe: ekstracelularni (ili egzogeni) ili intracelularni (ili endogeni). Egzogeni faktori se nalaze u mikrookruženju ćelije i stupaju u interakciju sa površinom ćelije. Faktori koje sintetiše sama ćelija i deluju unutar nje nazivaju se endogeni faktori. Takva podjela je vrlo uslovna, jer neki faktori, koji su endogeni u odnosu na ćeliju koja ih proizvodi, mogu je napustiti i djelovati kao egzogeni regulatori na druge stanice. Ako regulatorni faktori stupaju u interakciju s istim stanicama koje ih proizvode, onda se ova vrsta kontrole naziva autokrina. Pod parakrinom kontrolom, sintezu regulatora provode druge ćelije.
REGULATORI EGZOGENE PROLIFERACIJE
U višećelijskim organizmima do regulacije proliferacije različitih tipova stanica dolazi zbog djelovanja ne bilo kojeg faktora rasta, već njihove kombinacije. Osim toga, neki faktori rasta, koji su stimulansi za neke tipove ćelija, ponašaju se kao inhibitori u odnosu na druge. Klasični faktori rasta su polipeptidi sa molekulskom težinom od 7-70 kDa. Do danas je poznato više od stotinu takvih faktora rasta. Međutim, ovdje ćemo razmotriti samo neke od njih.
Možda je najveća količina literature posvećena trombocitnom faktoru rasta (PDGF). Oslobođen nakon razaranja vaskularnog zida, PDGF je uključen u procese tromboze i zacjeljivanja rana. PDGF je snažan faktor rasta fibroblasta u mirovanju. Uz PDGF, ništa manje detaljno je proučavan epidermalni faktor rasta (EGF), koji također može stimulirati proliferaciju fibroblasta. Ali, osim toga, ima i stimulativni učinak na druge vrste stanica, posebno na hondrocite.
Veliku grupu faktora rasta čine citokini (interleukini, faktori tumorske nekroze, faktori stimulacije kolonija itd.). Svi citokini su polifunkcionalni. Oni mogu ili pojačati ili inhibirati proliferativne odgovore. Tako, na primjer, različite subpopulacije CD4+ T-limfocita, Th1 i Th2, koje proizvode različit spektar citokina, međusobno su antagonisti. Odnosno, Th1 citokini stimuliraju proliferaciju stanica koje ih proizvode, ali u isto vrijeme inhibiraju diobu Th2 stanica, i obrnuto. Tako se normalno u tijelu održava stalna ravnoteža ove dvije vrste T-limfocita. Interakcija faktora rasta sa njihovim receptorima na površini ćelije pokreće čitav niz događaja unutar ćelije. Kao rezultat, dolazi do aktivacije faktora transkripcije i ekspresije gena proliferativnog odgovora, što na kraju inicira replikaciju DNK i ulazak ćelije u mitozu.
REGULATORI ENDOGENOG ĆELIČNOG CIKLUSA
U normalnim eukariotskim ćelijama, prolazak ćelijskog ciklusa je strogo regulisan. Uzrok onkoloških bolesti je transformacija ćelija, obično povezana s kršenjem regulatornih mehanizama staničnog ciklusa. Jedan od glavnih rezultata defektnog ćelijskog ciklusa je genetska nestabilnost, jer ćelije sa defektnom kontrolom ćelijskog ciklusa gube sposobnost pravilnog umnožavanja i distribucije svog genoma između ćelija kćeri. Genetska nestabilnost dovodi do sticanja novih karakteristika koje su odgovorne za napredovanje tumora. Kinaze zavisne od ciklina (CDK) i njihove regulatorne podjedinice (ciklini) su glavni regulatori ćelijskog ciklusa. Prolaz ćelijskog ciklusa se postiže sekvencijalnom aktivacijom i deaktivacijom različitih ciklin-CDK kompleksa. Djelovanje ciklin-CDK kompleksa je da fosforiliše određeni broj ciljnih proteina u skladu sa fazom ćelijskog ciklusa u kojoj je aktivan jedan ili drugi kompleks ciklin-CDK. Na primjer, ciklin E-CDK2 je aktivan u kasnoj G1 fazi i fosforilira proteine neophodne za prolazak kroz kasnu G1 fazu i ulazak u S fazu. Ciklin A-CDK2 je aktivan u S i G2 fazi, osigurava prolazak S faze i ulazak u mitozu. Ciklin A i ciklin E su centralni regulatori replikacije DNK. Stoga, pogrešna regulacija ekspresije bilo kojeg od ovih ciklina dovodi do genetske nestabilnosti. Pokazalo se da do akumulacije nuklearnog ciklina A dolazi isključivo u trenutku kada stanica uđe u S fazu, tj. u vrijeme G1/S tranzicije. S druge strane, pokazalo se da se nivoi ciklina E povećavaju nakon prolaska takozvane granične tačke (R-tačka) u kasnoj G1 fazi, a zatim značajno opadaju kada je ćelija ušla u S fazu.
NAČINI REGULACIJE CDK
Aktivnost ciklin zavisnih kinaza (CDK) je strogo regulirana najmanje četiri mehanizma:
1) Glavni način regulacije CDK-a je vezivanje za ciklin, tj. u slobodnom obliku kinaza nije aktivna, a samo kompleks sa odgovarajućim ciklinom ima potrebne aktivnosti.
2) Aktivnost ciklin-CDK kompleksa je takođe regulisana reverzibilnom fosforilacijom. Da bi se stekla aktivnost, neophodna je fosforilacija CDK, koja se izvodi uz učešće CDK aktivirajućeg kompleksa (CAK), koji se sastoji od ciklina H, CDK7 i Mat1.
3) S druge strane, u molekulu CDK, u regionu odgovornom za vezivanje supstrata, postoje mesta čija fosforilacija dovodi do inhibicije aktivnosti ciklin-CDK kompleksa. Ova mjesta su fosforilirana grupom kinaza, uključujući Wee1 kinazu, i defosforilirana Cdc25 fosfatazama. Aktivnost ovih enzima (Wee1 i Cdc25) značajno varira kao odgovor na različite intracelularne događaje kao što je oštećenje DNK.
4) Na kraju, neki kompleksi ciklin-CDK mogu biti inhibirani zbog vezivanja za CDK inhibitore (CKI). CDK inhibitori se sastoje od dvije grupe proteina INK4 i CIP/KIP. Inhibitori INK4 (p15, p16, p18, p19) vezuju se i inaktiviraju CDK4 i CDK6, sprečavajući interakciju sa ciklinom D. CIP/KIP inhibitori (p21, p27, p57) se mogu vezati za ciklin-CDK komplekse koji sadrže CDK1, CDK2, CDK4 i CDK6. Važno je napomenuti da, pod određenim uslovima, inhibitori CIP/KIP mogu povećati aktivnost kinaze ciklin D-CDK4/6 kompleksa.
UREDBA G 1 FAZA
U G1 fazi, u takozvanoj tački ograničenja (restrikcije, R-tačka), ćelija odlučuje hoće li je podijeliti ili ne. Restrikciona tačka je tačka u ćelijskom ciklusu nakon koje ćelija postaje imuna na vanjske signale do kraja čitavog ćelijskog ciklusa. Tačka restrikcije dijeli G1 fazu na dva funkcionalno različita koraka: G1pm (postmitotički korak) i G1ps (presintetički korak). Tokom G1pm, ćelija procenjuje faktore rasta prisutne u njenom okruženju. Ako su potrebni faktori rasta prisutni u dovoljnim količinama, tada ćelija prelazi u G1ps. Ćelije koje su prešle u G1ps period nastavljaju normalan prolaz cijelog ćelijskog ciklusa čak i u odsustvu faktora rasta. Ako su neophodni faktori rasta odsutni u periodu G1pm, tada ćelija prelazi u stanje proliferativnog mirovanja (G0 faza).
Glavni rezultat kaskade signalnih događaja nastalih zbog vezivanja faktora rasta za receptor na površini ćelije je aktivacija kompleksa ciklin D-CDK4/6. Aktivnost ovog kompleksa značajno raste već u ranom periodu G1. Ovaj kompleks fosforiliše mete neophodne za prelazak u S fazu. Glavni supstrat ciklin D-CDK4/6 kompleksa je proizvod gena retinoblastoma (pRb). Nefosforilirani pRb se vezuje i na taj način inaktivira transkripcione faktore E2F grupe. Fosforilacija pRb kompleksima ciklina D-CDK4/6 rezultira oslobađanjem E2F, koji ulazi u jezgro i inicira translaciju proteinskih gena potrebnih za replikaciju DNK, posebno gena za ciklin E i ciklin A. Na kraju G1 fazi, dolazi do kratkotrajnog povećanja količine ciklina E, što nagoveštava akumulaciju ciklina A i prelazak u S fazu.
Zastoj ćelijskog ciklusa u G1 fazi može biti uzrokovan sljedećim faktorima: povećanje nivoa CDK inhibitora, deprivacija faktora rasta, oštećenje DNK, vanjski utjecaji, onkogena aktivacija
UREDBA S FAZE
S faza je faza ćelijskog ciklusa kada dolazi do sinteze DNK. Svaka od dvije kćerke ćelije koje se formiraju na kraju ćelijskog ciklusa mora dobiti tačnu kopiju DNK matične ćelije. Svaku bazu molekula DNK koje čine 46 hromozoma ljudske ćelije potrebno je samo jednom kopirati. Zbog toga je sinteza DNK izuzetno strogo regulirana.
Pokazalo se da se samo DNK ćelija u G1 ili S fazi može replicirati. Ovo sugerira da DNK mora biti<лицензирована>da se replicira i da deo DNK koji je dupliciran to izgubi<лицензию>. Replikacija DNK počinje na mjestu vezivanja proteina zvanom ORC (Origin of replicating complex). Nekoliko komponenti potrebnih za sintezu DNK vežu se za ORC u kasnoj M ili ranoj G1 fazi, formirajući pre-replikacijski kompleks, koji zapravo daje<лицензию>DNK za replikaciju. U fazi G1/S tranzicije, više proteina neophodnih za replikaciju DNK se dodaje u prerepletivni kompleks, formirajući tako inicijacijski kompleks. Kada započne proces replikacije i formira se viljuška replikacije, mnoge komponente se odvajaju od inicijacionog kompleksa, a samo komponente postreplikacijskog kompleksa ostaju na mjestu inicijacije replikacije.
Mnoge studije su pokazale da je aktivnost ciklina A-CDK2 potrebna za normalno funkcionisanje inicijacionog kompleksa. Osim toga, za uspješan završetak S faze potrebna je i aktivnost ciklin A-CDK2 kompleksa, koji je, zapravo, glavni regulatorni mehanizam koji osigurava uspješan završetak sinteze DNK. Zadržavanje u S fazi može biti izazvano oštećenjem DNK.
UREDBA G 2 FAZA
G2 faza je faza ćelijskog ciklusa koja počinje nakon što je sinteza DNK završena, ali prije početka kondenzacije. Glavni regulator prolaska G2 faze je ciklin B-CDK2 kompleks. Do zaustavljanja ćelijskog ciklusa u G2 fazi dolazi zbog inaktivacije ciklin B-CDK2 kompleksa. G2/M tranziciju reguliše ciklin B-CDK1 kompleks, a njegova fosforilacija/defosforilacija reguliše ulazak u M fazu. Oštećenje DNK ili prisustvo nerepliciranih regiona sprečava prelazak u M fazu.
Cellular proliferacija- povećanje broja ćelija mitozom,
što dovodi do rasta tkiva, za razliku od drugog načina da se on poveća
mase (npr. edem). Nervne ćelije se ne razmnožavaju.
U odraslom organizmu, razvojni procesi povezani sa
sa diobom i specijalizacijom ćelija. Ovi procesi mogu biti oba
mali fiziološki, a usmjeren je na obnavljanje or-
ganizma zbog narušavanja njegovog integriteta.
Značaj proliferacije u medicini određen je sposobnošću ćelija
struja različitih tkiva do diobe. Proces ozdravljenja povezan je s diobom stanica.
zacjeljivanje rana i popravak tkiva nakon hirurških operacija.
Proliferacija ćelija je u osnovi regeneracije (oporavka)
izgubljeni delovi. Problem regeneracije je od interesa
lijekovi za rekonstruktivnu hirurgiju. Razlikovati fiziološke
reparativna i patološka regeneracija.
fiziološki- prirodna obnova ćelija i tkiva u
ontogenija. Na primjer, promjena crvenih krvnih stanica, epitelnih stanica kože.
Reparativni- oporavak nakon oštećenja ili smrti ljepila
struja i tkiva.
Patološki- proliferacija tkiva koje nije identično zdravim tkivima
yum. Na primjer, rast ožiljnog tkiva na mjestu opekotine, hrskavice - na
mjesto prijeloma, umnožavanje ćelija vezivnog tkiva na mjestu našeg
cervikalno tkivo srca, kancerogeni tumor.
Nedavno je uobičajeno dijeliti ćelije životinjskog tkiva prema
sposobnost podjele u 3 grupe: labilne, stabilne i statične.
To labilan uključuju ćelije koje se brzo i lako ažuriraju
tokom života organizma (krvne ćelije, epitel, sluz
zaustaviti gastrointestinalni trakt, epidermu itd.).
To stabilan uključuju ćelije iz organa kao što su jetra, gušterača
žlijezde, pljuvačne žlijezde itd., koje otkrivaju ograničeno
nova sposobnost podjele.
To statički uključuju ćelije miokarda i nervnog tkiva, koje
raž, prema većini istraživača, ne dijele.
Proučavanje fiziologije ćelije je neophodno za njeno razumevanje.
genetski nivo organizacije života i mehanizmi samoregulacije
ćelije koje osiguravaju holističko funkcioniranje cijelog organizma.
Poglavlje 6
GENETIKA KAKO NAUKA. REGULARITIKE
NASLJEĐIVANJE ZNAKOVI
6.1 Predmet, zadaci i metode genetike
Nasljednost i varijabilnost su osnovna svojstva
živih bića, budući da su karakteristični za živa bića bilo kojeg nivoa organizacije
snižavanje. Nauka koja proučava obrasce naslijeđa i promjene
vosti, zove se genetika.
Genetika kao nauka proučava nasljednost i nasljednost
volatilnost, naime, bavi se co sljedeći probleme:
1) skladištenje genetskih informacija;
2) prenos genetskih informacija;
3) implementacija genetske informacije (njena upotreba u specifičnom
znakovi organizma u razvoju pod utjecajem vanjskog okruženja);
4) promjena genetskih informacija (vrste i uzroci promjena,
mehanizmi).
Prva faza u razvoju genetike - 1900–1912 Od 1900 - ponovo
pokrivajući zakone G. Mendela od strane naučnika H. De Vriesa, K. Corrensa, E. Cher-
mak. Prepoznavanje G. Mendelovih zakona.
Druga faza 1912–1925 - stvaranje hromozomske teorije T. Mor-
Gana. Treća faza 1925–1940 - otkriće umjetne mutageneze i
genetski procesi evolucije.
Četvrta faza 1940–1953 - istraživanje kontrole gena
fiziološke i biohemijske procese.
Peta faza od 1953. do danas je razvoj molekularnog
biologija.
Poznate su posebne informacije o nasljeđivanju osobina
veoma dugo, međutim, naučna osnova za prenošenje znakova bila je prva
izložio G. Mendel 1865. u djelu: “Ogledi na biljci
hibridi." To su bile napredne ideje, ali savremenici nisu dali
značaj njegovog otkrića. Koncept "gena" tada još nije postojao, a G. Men-
del je govorio o "nasljednim sklonostima" sadržanim u polnim ćelijama
kah, ali njihova priroda je bila nepoznata.
Godine 1900., nezavisno jedan od drugog, H. De Vries, E. Chermak i K. Kor-
Rens je ponovo otkrio zakone G. Mendela. Ova godina se smatra godinom rođenja
genetike kao nauke. Godine 1902. T. Boveri, E. Wilson i D. Setton su napravili
Lali je predložio vezu nasljednih faktora sa hromozomima.
1906. W. Betson je uveo termin "genetika", a 1909. W. Johansen -
"gen". Godine 1911. T. Morgan i kolege formulirali su glavne principe
zheniya hromozomska teorija nasljeđa. Oni su dokazali da geni
locirani u određenim lokusima hromozoma u linearnom redu,
određeni znak.
Glavne metode genetike: hibridološka, citološka i
matematički. Genetika aktivno koristi metode drugih srodnih
nauke: hemija, biohemija, imunologija, fizika, mikrobiologija itd.
Ćelijski ciklus je period života ćelije od jedne deobe do druge, ili od deobe do smrti. Ćelijski ciklus se sastoji od interfaze (period izvan diobe) i same diobe ćelije.
Na kraju G1 perioda, uobičajeno je razlikovati poseban trenutak koji se zove R-tačka (restrikciona tačka, R-tačka), nakon čega ćelija nužno ulazi u S period u roku od nekoliko sati (obično 1-2). Vremenski period između tačke R i početka S perioda može se smatrati pripremnim za prelazak u S period.
Najvažniji proces koji se odvija u S periodu je udvostručenje ili reduplikacija DNK. Sve ostale reakcije koje se dešavaju u ovom trenutku u ćeliji imaju za cilj osiguranje sinteze DNK. Takvi pomoćni procesi uključuju sintezu histonskih proteina, sintezu enzima koji reguliraju i osiguravaju sintezu nukleotida i formiranje novih lanaca DNK.
Prolaz ćelije kroz sve periode ćelijskog ciklusa je strogo kontrolisan. Kada se ćelije kreću kroz ćelijski ciklus, u njima se pojavljuju i nestaju, aktiviraju se i inhibiraju posebni regulatorni molekuli, koji obezbeđuju: 1) prolazak ćelije kroz određeni period ćelijskog ciklusa i 2 prelazak iz jednog perioda u drugi. Štaviše, prolazak kroz svaki period, kao i prelazak iz jednog perioda u drugi, kontrolišu različite supstance. Sada ćemo pokušati saznati koje su to tvari i čemu služe.
Opšta situacija izgleda ovako. Ćelija stalno sadrži posebne enzimske proteine koji fosforilacijom drugih proteina (ostatcima serina, tirozina ili treonina u polipeptidnom lancu) regulišu aktivnost gena odgovornih za prolazak ćelije kroz određeni period ćelijskog ciklusa. Ovi enzimski proteini se nazivaju ciklin zavisne protein kinaze (cdc). Ima ih nekoliko varijanti, ali svi imaju slična svojstva. Iako broj ovih ciklin zavisnih protein kinaza može varirati u različitim periodima ćelijskog ciklusa, one su prisutne u ćeliji stalno, bez obzira na period ćelijskog ciklusa, odnosno prisutne su u višku. Drugim riječima, njihova sinteza ili količina ne ograničavaju niti regulišu prolazak ćelija kroz ćelijski ciklus. Međutim, u patologiji, ako je njihova sinteza poremećena, njihov broj je smanjen ili postoje mutantni oblici s promijenjenim svojstvima, onda to, naravno, može utjecati na tijek staničnog ciklusa.
Zašto takve protein kinaze zavisne od ciklina same po sebi nisu u stanju da regulišu prolazak ćelija kroz periode ćelijskog ciklusa. Ispostavilo se da su u ćelijama u neaktivnom stanju, a da bi se aktivirale i počele raditi, potrebni su posebni aktivatori. Oni su ciklini. Ima ih i mnogo različitih vrsta, ali nisu uvijek prisutne u ćelijama: pojavljuju se i nestaju. U različitim fazama ćelijskog ciklusa nastaju različiti ciklini, koji vezivanjem za Cdk formiraju različite komplekse Cdk-ciklin. Ovi kompleksi regulišu različite faze ćelijskog ciklusa i stoga se nazivaju G1-, G1/S-, S- i M-Cdk (Slika sa mojih slika ciklini). Na primjer, prolazak ćelije kroz G1 period ćelijskog ciklusa osigurava kompleks ciklin zavisne protein kinaze-2 (cdk2) i ciklina D1, ciklin zavisne protein kinaze-5 (cdk5) i ciklina D3. Prolaz kroz specijalnu restrikcionu tačku (R-tačku) G1 perioda kontroliše kompleks cdc2 i ciklina C. Prelazak ćelije iz G1 perioda ćelijskog ciklusa u S period kontroliše kompleks cdk2 i ciklin E. Prelazak ćelije iz S perioda u G2 period zahteva cdk2 kompleks i ciklin A. Protein kinaza-2 (cdc2) zavisna od ciklina (cdc2) i ciklin B su uključeni u prelazak ćelije iz G2 perioda u mitoza (M period). Ciklin H u sprezi sa cdk7 je neophodan za fosforilaciju i aktivaciju cdc2 u kompleksu sa ciklinom B.
Ciklini su nova klasa proteina koju je otkrio Tim Hunt i koji igraju ključnu ulogu u kontroli diobe stanica. Naziv "ciklini" pojavio se zbog činjenice da se koncentracija proteina ove klase periodično mijenja u skladu sa fazama ćelijskog ciklusa (na primjer, pada prije početka diobe ćelije).
Prvi ciklin otkrio je Hunt ranih 1980-ih dok je eksperimentirao sa jajima žaba i morskog ježa. Kasnije su ciklini pronađeni i kod drugih živih bića.
Pokazalo se da su se ovi proteini malo promijenili tokom evolucije, kao i mehanizam kontrole ćelijskog ciklusa, koji je od jednostavnih ćelija kvasca došao do ljudi u "konzerviranom" obliku.
Timothy Hunt (R. Timothy Hunt), zajedno sa kolegom Englezom Paulom M. Nurseom i Amerikancem Lelandom H. Hartwellom, dobio je Nobelovu nagradu za fiziologiju ili medicinu 2001. godine za otkriće genetskih i molekularnih mehanizama regulacije ćelijskog ciklusa – procesa koja je neophodna za rast, razvoj i samo postojanje živih organizama
Kontrolne tačke ćelijskog ciklusa
1. Tačka izlaska iz G1-faze, nazvana Start - kod sisara i tačka restrikcije kod kvasca. Nakon prolaska kroz restrikcijsku tačku R na kraju G1, početak S postaje nepovratan, tj. pokreću se procesi koji vode do sljedeće diobe ćelije.
2. Tačka S - provjera tačnosti replikacije.
3. Tačka G2/M-prijelaz - provjera završetka replikacije.
4. Prijelaz iz metafaze u anafazu mitoze.
Regulacija replikacije
Prije početka replikacije Sc, ORC kompleks (kompleks za prepoznavanje porijekla) nalazi se na ori, poreklu replikacije. Cdc6 je prisutan tokom ćelijskog ciklusa, ali se njegova koncentracija povećava na početku G1, gde se vezuje za ORC kompleks, kojem se zatim pridružuju Mcm proteini kako bi formirali pre-replikacijski kompleks (pre-RC). Nakon pre-RC montaže, ćelija je spremna za replikaciju.
Da bi pokrenuo replikaciju, S-Cdk se vezuje za protein kinazu (?), koja fosforilira pre-RC. Istovremeno, Cdc6 se odvaja od ORC-a nakon početka replikacije i fosforilira se, nakon čega je ubikvitiniran od strane SCF-a i degradiran. Promjene pre-RC sprječavaju ponovno pokretanje replikacije. S-Cdk također fosforilira neke Mcm proteinske komplekse, što pokreće njihov izvoz iz jezgra. Naknadna defosforilacija proteina će ponovo pokrenuti proces pre-RC formiranja.
Ciklini su Cdk aktivatori. Ciklini, kao i Cdks, su uključeni u različite procese osim kontrole ćelijskog ciklusa. Ciklini su podijeljeni u 4 klase ovisno o vremenu djelovanja u ćelijskom ciklusu: G1/S, S, M i G1 ciklini.
G1/S ciklini (Cln1 i Cln2 u S. cerevisiae, ciklin E kod kičmenjaka) dostižu vrhunac u kasnoj G1 fazi i padaju u S fazi.
G1/S ciklin-Cdk kompleks pokreće početak replikacije DNK isključujući različite sisteme koji inhibiraju S-fazu Cdk u G1-fazi.G1/S ciklini također iniciraju duplikaciju centrosoma kod kičmenjaka i formiranje tijela vretena kod kvasca. Pad nivoa G1/S praćen je povećanjem koncentracije S ciklina (Clb5, Clb6 u Sc i ciklin A kod kičmenjaka), koji formira S ciklin-Cdk kompleks, koji direktno stimuliše replikaciju DNK. Nivo S ciklina ostaje visok tokom S, G2 faza i početka mitoze, gdje pomaže u pokretanju mitoze u nekim ćelijama.
M-ciklini (Clb1,2,3 i 4 u Sc, ciklin B kod kičmenjaka) se pojavljuju posljednji. Njegova koncentracija se povećava kada stanica krene u mitozu i dosegne svoj maksimum u metafazi. M-cyclin-Cdk kompleks uključuje sklop vretena i poravnanje sestrinske hromatide. Njegovo uništenje u anafazi dovodi do izlaska iz mitoze i citokineze. G1 ciklini (Cln3 u Sc i ciklin D kod kičmenjaka) pomažu u koordinaciji rasta ćelija s ulaskom u novi ćelijski ciklus. Oni su neobični jer se njihova koncentracija ne mijenja s fazom ćelijskog ciklusa, već se mijenja kao odgovor na vanjske regulatorne signale rasta.
Programirana ćelijska smrt
Godine 1972, Kerr et al. objavio je članak u kojem su autori iznijeli morfološke dokaze o postojanju posebne vrste stanične smrti koja se razlikuje od nekroze, koju su nazvali "apoptoza". Autori su objavili da strukturne promjene u ćelijama tokom apoptoze prolaze kroz dvije faze:
1. - formiranje apoptotičkih tijela,
2. - njihova fagocitoza i uništavanje od strane drugih ćelija.
Uzroci smrti, procesi morfološke i biohemijske prirode razvoja stanične smrti mogu biti različiti. Međutim, mogu se jasno podijeliti u dvije kategorije:
1. Nekroza (od grčkog pekrosis - nekroza) i
2. Apoptoza (iz grčkih korijena, što znači „otpadanje“ ili „dezintegracija“), koja se često naziva programirana ćelijska smrt (PCD) ili čak ćelijsko samoubistvo (Sl. 354).
Dva puta ćelijske smrti
a – apoptoza (izražena ćelijska smrt): / – specifična kontrakcija ćelije i kondenzacija hromatina, 2 – fragmentacija jezgra, 3 – fragmentacija ćelijskog tela na više apoptotičkih tela; b - nekroza: / - oticanje ćelije, vakuolne komponente, kondenzacija hromatina (karioreksa), 2 - dalje oticanje membranskih organela, liza nuklearnog hromatina (karioliza), 3 - ruptura membranskih komponenti ćelije - liza ćelije
N. je najčešći nespecifični oblik ćelijske smrti. Može biti uzrokovano teškim oštećenjem stanice kao rezultatom direktne traume, zračenja, izloženosti toksičnim agensima zbog hipoksije, komplementom posredovane stanične lize itd.
Nekrotični proces prolazi kroz nekoliko faza:
1) paranekroza - slična nekrotičnim, ali reverzibilnim promjenama;
2) nekrobioza - ireverzibilne distrofične promjene, koje karakterizira prevlast kataboličkih reakcija nad anaboličkim;
3) ćelijska smrt čije je vreme nastanka teško utvrditi;
4) autoliza - razgradnja mrtvog supstrata pod dejstvom hidrolitičkih enzima mrtvih ćelija i makrofaga. U morfološkom smislu, nekroza je ekvivalentna autolizi.
Uprkos ogromnom broju radova, ne postoji usaglašena i precizna definicija pojma „apoptoza“.
Aloptoza se obično karakteriše kao poseban oblik ćelijske smrti, koji se razlikuje od nekroze po morfološkim, biohemijskim, molekularno genetskim i drugim karakteristikama.
A. je ćelijska smrt uzrokovana unutrašnjim ili vanjskim signalima, koji sami po sebi nisu toksični ili destruktivni. A. je aktivan proces koji zahtijeva energiju, transkripciju gena i sintezu denovo proteina.
Pronađen je značajan broj agenasa koji uzrokuju apoptozu ovih ćelija, pored zračenja i glukokortikoida:
Ca2+ jonofori
adenozin
Cyclic AMP
Tributiltin
hipertermija
Studija kinetike razgradnje DNK u limfoidnim ćelijama in vivo i in vitro pokazala je:
Prvi izraziti znaci propadanja pojavljuju se u pravilu više od 1 sata nakon izlaganja, češće do kraja 2. sata.
Internukleosomalna fragmentacija traje nekoliko sati i završava uglavnom za 6, rjeđe 12 sati nakon izlaganja.
Neposredno nakon početka degradacije, analiza otkriva veliki broj malih fragmenata DNK, a odnos između velikih i malih fragmenata se ne mijenja značajno tokom apoptoze.
Upotreba inhibitora sinteze ATP-a, proteina i transkripcije gena usporava proces apoptoze. Ne postoji takva zavisnost u slučaju N.
Kao što se može vidjeti iz poređenja definicija nekroze i apoptoze, postoje i sličnosti i značajne razlike između dva tipa ćelijske smrti.
| Karakteristično | Nekroza | apoptoza |
| funkcionalno | nepovratni prekid njenog života; | |
| morfološki | kršenje integriteta membrana, promjene u jezgru (piknoza, reksis, liza), citoplazma (edem), uništavanje stanica; | gubitak mikroresica i međustaničnih kontakata, kondenzacija hromatina i citoplazme, smanjenje volumena ćelije (skupljanje), formiranje vezikula iz plazma membrane, fragmentacija ćelija i formiranje apoptotičkih tijela; |
| biohemijski | kršenje proizvodnje energije, koagulacije, hidrolitičkog cijepanja proteina, nukleinskih kiselina, lipida; | hidroliza citoplazmatskih proteina i internukleosomska razgradnja DNK; |
| genetski | - gubitak genetskih informacija; i kulminira njegovom autolizom ili heterolizom sa inflamatornom reakcijom. | strukturno i funkcionalno preuređenje genetskog aparata i kulminira njegovom apsorpcijom od strane makrofaga i (ili) drugih stanica bez upalne reakcije. |
Smrt stanica regulirana je međućelijskim interakcijama na različite načine. Mnogim ćelijama u višećelijskom organizmu potrebni su signali da bi preživjeli. U nedostatku takvih signala ili trofičkih faktora, ćelije razvijaju program "samoubistva" ili programirane smrti. Na primjer, ćelije kulture neurona umiru u odsustvu neuronskog faktora rasta (NGF), ćelije prostate umiru u odsustvu androgena testisa, ćelije dojke umiru kada nivo hormona progesterona padne, itd. U isto vrijeme, stanice mogu primiti signale koji pokreću procese u ciljnim stanicama koji dovode do smrti apoptozom. Dakle, hidrokortizon uzrokuje smrt limfocita, a glutamat uzrokuje odumiranje nervnih ćelija u kulturi tkiva, faktor tumorske nekroze (TNF) uzrokuje smrt raznih ćelija. Tiroksin (hormon štitnjače) uzrokuje apoptozu stanica repa punoglavca. Osim toga, postoje situacije kada je apoptotička smrt stanica uzrokovana vanjskim faktorima, kao što je zračenje.
Koncept "apoptoze" uveden je u proučavanje smrti nekih ćelija jetre sa nepotpunom ligacijom portalne vene. U ovom slučaju uočava se neobična slika ćelijske smrti, koja zahvaća samo pojedinačne stanice u parenhima jetre.
Proces počinje činjenicom da susjedne stanice gube kontakte, izgleda da se smanjuju (prvobitni naziv za ovaj oblik smrti je shrinkagenecrosis - nekroza kompresijom stanica), dolazi do specifične kondenzacije kromatina u jezgrama duž njihove periferije, zatim jezgra. se fragmentira na zasebne dijelove, nakon čega se i sama ćelija fragmentira na pojedinačna tijela, omeđena plazma membranom, - apoptotska tijela.
Apoptoza je proces koji ne vodi do lize, ne do raspadanja ćelije, već do njene fragmentacije, dezintegracije. Sudbina apoptotičkih tijela je također neobična: fagocitiraju ih makrofagi ili čak normalne susjedne stanice. U tom slučaju se ne razvija upalna reakcija.
Važno je napomenuti da je u svim slučajevima apoptoze, bilo tokom embrionalnog razvoja, bilo u odraslom organizmu, u normalnim ili patološkim procesima, morfologija procesa ćelijske smrti vrlo slična. To može ukazivati na zajedništvo procesa apoptoze u različitim organizmima iu različitim organima.
Istraživanja na različitim objektima su pokazala da je apoptoza rezultat implementacije genetski programirane smrti ćelije. Prvi dokaz o prisutnosti genetskog programa za ćelijsku smrt (PCD) dobijen je proučavanjem razvoja nematode Caenorhabditiselegans. Ovaj crv se razvija za samo tri dana, a njegova mala veličina omogućava da se prati sudbina svih njegovih ćelija, od ranih faza cijepanja do spolno zrelog organizma.
Pokazalo se da se tokom razvoja Caenorhabditiselegana formira samo 1090 ćelija, od kojih dio nervnih ćelija u količini od 131 komad spontano umire apoptozom, a 959 ćelija ostaje u organizmu. Pronađeni su mutanti kod kojih je poremećen proces eliminacije 131 ćelije. Identifikovana su dva gena ced-3 i ced-4, čiji proizvodi izazivaju apoptozu u 131 ćeliji. Ako su ovi geni odsutni ili izmijenjeni kod mutantnih Caenorhabditiselegans, tada ne dolazi do apoptoze i odrasli organizam se sastoji od 1090 ćelija. Nađen je i drugi gen, ced-9, koji je supresor apoptoze: kada je ced-9 mutiran, svih 1090 ćelija umire. Analog ovog gena pronađen je kod ljudi: gen bcl-2 je također supresor apoptoze u različitim stanicama. Pokazalo se da oba proteina kodirana ovim genima, Ced-9 i Bc1-2, imaju jednu transmembransku domenu i lokalizirana su u vanjskoj membrani mitohondrija, jezgara i endoplazmatskog retikuluma.
Pokazalo se da je sistem razvoja apoptoze vrlo sličan kod nematoda i kralježnjaka, sastoji se od tri karike: regulatora, adaptera i efektora. Kod Caenorhabditiselegansa, regulator je Ced-9, koji blokira adapterski protein Ced-4, koji zauzvrat ne aktivira efektorski protein Ced-3, proteazu koja djeluje na citoskeletne i nuklearne proteine (Tablica 16).
Tab. 16. Razvoj programirane ćelijske smrti (apoptoza)
Znak ──┤ - inhibicija procesa, znak ─→ - stimulacija procesa
Kod kičmenjaka, PCD sistem je složeniji. Ovde je regulator protein Bc1–2, koji inhibira adapterski protein Apaf-1, koji stimuliše aktivacionu kaskadu posebnih proteinaza, kaspaza.
Enzimi - učesnici u procesu apoptoze
Na ovaj način,
Jednom započeta u ćeliji, takva degradacija se brzo odvija "do kraja";
Ne ulaze sve ćelije u apoptozu odjednom ili u kratkom vremenskom periodu, već postepeno;
Do prekida DNK dolazi duž povezivača (internukleosomalne) DNK;
Degradaciju provode endo-, ali ne i egzonukleaze, a te endonukleaze se aktiviraju ili dobijaju pristup DNK ne kao rezultat direktne interakcije sa agensom koji indukuje apoptozu, već indirektno, jer od trenutka kada ćelije prođe dosta vremena dolaze u kontakt sa takvim agensom do početka degradacije, pa stoga fragmentacija DNK nije prvi karakterističan "apoptotski" odgovor ćelije na molekularnom nivou. Zaista, ako bi degradacija bila pokrenuta direktnom interakcijom endonukleaza ili kromatina sa agensom, tada bi se, na primjer, u slučaju djelovanja jonizujućeg zračenja, apoptoza dogodila brzo i istovremeno u gotovo svim stanicama.
Na osnovu ovih zaključaka, dešifrovanje molekularnog mehanizma razvoja apoptoze "fokusirano" je na identifikaciju endonukleaze(e) koje provode fragmentaciju DNK i mehanizama koji aktiviraju endonukleaze.
Endonukleaze
1. Degradaciju vrši DNaza I. Proces se aktivira Ca2+ i Mg2+ i inhibira Zn2+.
Međutim, postoje činjenice koje svjedoče protiv učešća DNaze I u procesu fragmentacije DNK. Dakle, poznato je da ovog enzima nema u jezgri, međutim, ovaj argument nije previše težak, budući da relativno mala veličina njegovih molekula, 31 kDa, u slučaju narušavanja permeabilnosti nuklearne membrane čini učešće DNaze I u degradaciji DNK je sasvim realno. Druga stvar je da tokom in vitro obrade hromatina, DNaza I izaziva lomove ne samo u linker delu, već iu nukleosomalnoj DNK.
2. Još jedna endonukleaza koja se smatra glavnim enzimom razgradnje DNK je endonukleaza II [Barry 1993]. Ova nukleaza, prilikom obrade jezgara i kromatina, vrši internukleosomalnu fragmentaciju DNK. Unatoč činjenici da njegova aktivnost ne ovisi o jonima dvovalentnih metala, pitanje sudjelovanja endonukleaze II u razgradnji DNK do sada nije riješeno, budući da se enzim ne nalazi samo u lizosomima, već se i oslobađa iz jezgara stanice.
3. endonukleaza molekulske težine 18 kDa. Ovaj enzim je izolovan iz jezgara timocita štakora koji su umirali apoptozom [Gaido, 1991]. Nije ga bilo u normalnim timocitima. Aktivnost enzima se manifestuje u neutralnom okruženju i zavisi od Ca2+ i Mg2+.
4. γ-nukleaza molekulske težine 31 kDa, koja ima "klasičnu" zavisnost od Ca, Mg i Zn jona. Aktivnost ovog enzima povećana je u jezgrima timocita pacova tretiranih glukokortikoidima.
5. endonukleaza molekulske mase 22,7 kDa enzim čija se aktivnost ispoljava u jezgrama timocita štakora tek nakon djelovanja glukokortikoida i potiskuje se istim inhibitorima kao i internukleosomalna degradacija DNK.
Kaspaze su cisteinske proteaze koje cijepaju proteine asparaginskom kiselinom. U ćeliji se kaspaze sintetiziraju u obliku latentnih prekursora, prokaspaza. Postoje inicijalne i efektorske kaspaze. Pokretanje kaspaza aktivira latentne oblike efektorskih kaspaza. Više od 60 različitih proteina služe kao supstrati za djelovanje aktiviranih kaspaza. Ovo je, na primjer, kinaza fokalnih adhezivnih struktura, čija inaktivacija dovodi do odvajanja apoptotičkih stanica od njihovih susjeda; to su lamini, koji se rastavljaju pod djelovanjem kaspaza; to su proteini citoskeleta (intermedijarni filamenti, aktin, gelsolin), čija inaktivacija dovodi do promjene oblika ćelije i pojave mjehurića na njenoj površini, što dovodi do apoptotičkih tijela; to je aktivirana CAD proteaza koja cijepa DNK na oligonukleotidne nukleosomske fragmente; to su enzimi za popravku DNK, čije suzbijanje onemogućava obnovu strukture DNK, i mnogi drugi.
Jedan primjer odvijanja apoptotičkog odgovora bio bi odgovor ćelije na odsustvo signala potrebnog trofičkog faktora, kao što je faktor rasta nerava (NGF) ili androgen.
U citoplazmi ćelija u prisustvu trofičkih faktora, drugi učesnik u reakciji, fosforilisani Bad protein, je u neaktivnom obliku. U nedostatku trofičkog faktora, ovaj protein je defosforiliran i vezuje se za Bc1-2 protein na vanjskoj mitohondrijskoj membrani, čime se inhibira njegova antiapoptotička svojstva. Nakon toga se aktivira membranski proapoptotički protein Bax, otvarajući put ionima koji ulaze u mitohondrije. Istovremeno, citokrom c se oslobađa iz mitohondrija kroz pore formirane u membrani u citoplazmu, koja se vezuje za adapterski protein Apaf-1, koji zauzvrat aktivira prokapazu 9. Aktivirana kaspaza 9 pokreće kaskadu drugih pro-kaspaze, uključujući kaspazu 3, koja, kao proteinaze, počinje probavljati miješane proteine (lamine, proteine citoskeleta itd.), što uzrokuje apoptotičku smrt stanice, njenu dezintegraciju na dijelove, u apoptotska tijela.
Apoptotična tijela, okružena plazma membranom uništene stanice, privlače pojedinačne makrofage, koji ih gutaju i probavljaju svojim lizosomima. Makrofagi ne reagiraju na susjedne normalne stanice, ali prepoznaju apoptotične. To je zbog činjenice da se tijekom apoptoze poremeti asimetrija plazma membrane i na njenoj površini se pojavljuje fosfatidilserin, negativno nabijeni fosfolipid, koji se inače nalazi u citosolnom dijelu bilipidne plazma membrane. Dakle, selektivnom fagocitozom tkiva se takoreći očišćena od mrtvih apoptotičkih ćelija.
Kao što je već spomenuto, apoptozu mogu uzrokovati brojni vanjski faktori, kao što su zračenje, djelovanje određenih toksina i inhibitori ćelijskog metabolizma. Nepovratno oštećenje DNK uzrokuje apoptozu. To je zbog činjenice da akumulirajući faktor transkripcije, protein p53, ne samo da aktivira protein p21, koji inhibira ciklin zavisnu kinazu i zaustavlja ćelijski ciklus u G1 ili G2 fazi, već također aktivira ekspresiju bax gen, čiji proizvod pokreće apoptozu.
Prisustvo kontrolnih tačaka u ćelijskom ciklusu je neophodno za određivanje završetka svake faze. Do zastoja ćelijskog ciklusa dolazi kada je DNK oštećena u G1 periodu, kada se DNK nepotpuno replicira u S fazi, kada je DNK oštećena u G2 periodu i kada je poremećena veza diobenog vretena sa hromozomima.
Jedna od kontrolnih tačaka u ćelijskom ciklusu je sama mitoza, koja ne prelazi u anafazu ako vreteno nije pravilno sastavljeno i u odsustvu potpunih veza između mikrotubula i kinetohora. U ovom slučaju nema aktivacije APC kompleksa, nema degradacije kohezina koji povezuju sestrinske hromatide, niti degradacije mitotičkih ciklina, što je neophodno za prelazak u anafazu.
Oštećenje DNK sprečava ćelije da uđu u S-period ili mitozu. Ako ta oštećenja nisu katastrofalna i mogu se obnoviti reparativnom sintezom DNK, tada se uklanja blok ćelijskog ciklusa i ciklus dolazi do kraja. Ako je oštećenje DNK značajno, onda na neki način dolazi do stabilizacije i akumulacije proteina p53, čija je koncentracija inače vrlo niska zbog njegove nestabilnosti. Protein p53 je jedan od faktora transkripcije koji stimuliše sintezu proteina p21, koji je inhibitor CDK-ciklin kompleksa. Ovo uzrokuje zaustavljanje ćelijskog ciklusa u fazi G1 ili G2. Prilikom blokade u G1 periodu, ćelija sa oštećenjem DNK ne ulazi u S-fazu, jer to može dovesti do pojave mutantnih ćelija, među kojima mogu biti i tumorske ćelije. Blokada u G2 periodu takođe sprečava proces mitoze ćelija sa oštećenjem DNK. Takve ćelije, sa blokiranim ćelijskim ciklusom, kasnije umiru apoptozom, programiranom ćelijskom smrću (Sl. 353).
Kod mutacija koje dovode do gubitka gena p53 proteina, ili njihovim promjenama, ne dolazi do blokade ćelijskog ciklusa, stanice ulaze u mitozu, što dovodi do pojave mutantnih stanica, od kojih većina nije održiva, dok druge izazivaju maligne ćelije.
Selektivno oštećenje mitohondrija, u kojem se citokrom c oslobađa u citoplazmu, također je čest uzrok apoptoze. Mitohondrije i druge ćelijske komponente su posebno pogođene stvaranjem toksičnih reaktivnih kisikovih vrsta (ATC), pod čijom se djelovanjem formiraju nespecifični kanali visoke ionske permeabilnosti u unutrašnjoj mitohondrijalnoj membrani, uslijed čega mitohondrijski matriks bubri i rupture vanjske membrane. Istovremeno, proteini rastvoreni u intermembranskom prostoru, zajedno sa citokromom c, ulaze u citoplazmu. Među oslobođenim proteinima su faktori koji aktiviraju apoptozu i prokapaza 9.
Mnogi toksini (ricin, toksin difterije, itd.), kao i antimetaboliti, mogu uzrokovati smrt stanica apoptozom. Kada je poremećena sinteza proteina u endoplazmatskom retikulumu, tamo lokalizovana prokapaza 12 je uključena u razvoj apoptoze, koja aktivira niz drugih kaspaza, uključujući kaspazu 3.
Eliminacija - uklanjanje pojedinačnih ćelija apoptozom, takođe se primećuje kod biljaka. Ovdje apoptoza uključuje, kao u životinjskim stanicama, fazu indukcije, fazu efektora i fazu degradacije. Morfologija smrti biljnih stanica slična je promjenama u životinjskim stanicama: kondenzacija kromatina i fragmentacija jezgre, degradacija DNK oligonukleotida, kontrakcija protoplasta, njegova fragmentacija u vezikule, ruptura plazmodezma itd. Međutim, protoplastne vezikule uništavaju hidrolaze same vezikule, budući da biljke nemaju ćelije analogne fagocitima. Dakle, PCD se javlja tokom rasta ćelija kapice korena, tokom formiranja perforacija u listovima i tokom formiranja ksilema i floema. Opadanje listova povezano je sa selektivnom smrću stanica na određenom području reznice.
Biološka uloga apoptoze, ili programirane ćelijske smrti, je veoma velika: to je uklanjanje ćelija koje su radile na svom putu ili koje su nepotrebne u datoj fazi razvoja, kao i uklanjanje izmenjenih ili patoloških ćelija, posebno mutantnih ili zaražen virusima.
Dakle, da bi ćelije postojale u višećelijskom organizmu, potrebni su signali za njihov opstanak - trofički faktori, signalni molekuli. Ovi signali se mogu prenositi na daljinu i uhvatiti ih odgovarajućim receptorskim molekulima na ciljnim stanicama (hormonska, endokrina signalizacija), može biti parakrina veza kada se signal prenosi na susjednu ćeliju (na primjer, prijenos neurotransmitera). U nedostatku takvih trofičnih faktora, sprovodi se program apoptoze. U isto vrijeme, apoptoza se može inducirati signalnim molekulima, na primjer, tijekom resorpcije repa punoglavaca pod djelovanjem tiroksina. Osim toga, djelovanje brojnih toksina koji utječu na pojedinačne karike staničnog metabolizma također može uzrokovati smrt stanice putem apoptoze.
Apoptoza u patogenezi bolesti
1. U imunološkom sistemu
2. ONKOLOŠKE BOLESTI
3. VIRUSNA INFEKCIJA (induciranje apoptoze: c. humana imunodeficijencija c. anemija pilića; inhibiranje apoptoze: citomegalovirus c. Epstein-Barr c. herpes)
4. A. i NEURONI MOŽDANE KORE
PRINCIPI KOREKCIJE STANIČNE APOPTOZE
Otkriće reguliranog procesa ćelijske smrti - apoptoze - omogućilo je da se na određeni način utiče na njegove pojedinačne faze kako bi se regulisalo ili ispravilo.
Biohemijski procesi razvoja apoptoze mogu se hipotetički podijeliti u nekoliko faza:
Djelovanje faktora koji uzrokuje apoptozu;
Prijenos signala od molekula receptora do ćelijskog jezgra;
Aktivacija gena specifičnih za apoptozu;
Sinteza proteina specifičnih za apoptozu
Aktivacija endonukleaza
Fragmentacija DNK (slika 2.4).
Trenutno se vjeruje da ako stanica umire apoptozom, onda se podrazumijeva mogućnost terapijske intervencije, ako je zbog nekroze takva intervencija nemoguća. Na osnovu poznavanja regulacije programirane ćelijske smrti, širok spektar lijekova se koristi da utječu na ovaj proces u različitim tipovima ćelija.
Dakle, informacije o receptorski posredovanoj regulaciji apoptoze ćelije uzimaju se u obzir u liječenju hormonski zavisnih tumora.
Terapija blokadom androgena propisana je za rak prostate.
Rak dojke često regresira upotrebom antagonista estrogenskih receptora.
Informacije o putevima regulacije apoptoze koji prenose biohemijski signal omogućavaju efikasnu upotrebu antioksidantne terapije, lekova koji regulišu koncentraciju kalcijuma, aktivatora ili inhibitora različitih protein kinaza itd. za korekciju apoptoze u različitim tipovima ćelija.
Svijest o ulozi apoptoze u smrti stanica intenzivirala je potragu za farmakološkim efektima koji štite stanice od apoptoze.
Inhibitori specifičnih proteaza se aktivno proučavaju kao farmakološki agensi. To su, po pravilu, tri- ili tetrapeptidi koji sadrže asparaginsku kiselinu (Asp). Upotreba takvih proteaza u terapeutske svrhe ograničena je njihovom slabom sposobnošću da prodre u ćeliju. Međutim, uprkos tome, Z-VAD-FMK, inhibitor širokog spektra proteaza sličnih ICE, uspješno je korišten u in vivo eksperimentima za smanjenje područja infarkta u modelu moždanog udara.
U narednim godinama možemo očekivati pojavu novih lijekova za liječenje i prevenciju različitih bolesti, čija će osnova biti princip regulacije procesa apoptoze.
Najefikasniji pristupi za korekciju apoptoze su oni povezani sa regulacijom gena specifičnih za apoptozu. Ovi pristupi čine osnovu genske terapije, jednog od obećavajućih područja liječenja pacijenata sa bolestima uzrokovanim oštećenjem funkcionisanja pojedinih gena.
Principi genske terapije uključuju sljedeće korake:
Identifikacija DNK sekvence koja se tretira;
Određivanje vrste ćelija u kojima će se vršiti tretman;
Zaštita DNK od hidrolize endonukleazama;
Transport DNK u ćeliju (nukleus).
Pristupi genske terapije dozvoljavaju
Poboljšati rad pojedinačnih gena (transformacija gena koji inhibiraju apoptozu, kao što je bcl-2 gen),
Oslabi njihov izraz. Za selektivnu inhibiciju ekspresije gena trenutno se koristi tehnika antisens oligonukleotida (antisense). Upotreba antisens-a smanjuje sintezu određenih proteina, što utiče na regulaciju procesa apoptoze.
Mehanizam djelovanja antisensa se aktivno proučava. U nekim slučajevima, kratki (13-17 baza) antisens oligonukleotidi, koji imaju sekvence komplementarne nukleotidnim sekvencama RNK (mRNA) pojedinačnih proteina, mogu efikasno blokirati genetske informacije u fazi prije transkripcije (slika 2.5). Ovi oligonukleotidi, vezujući se za DNK, formiraju trostruku spiralnu strukturu. Takvo vezivanje može biti ireverzibilno ili uzrokovati selektivno cijepanje triplet kompleksa, što u konačnici dovodi do inhibicije ekspresije gena i smrti stanice. U drugim slučajevima dolazi do komplementarnog vezivanja antisensa za mRNA, što uzrokuje kršenje translacije i smanjenje koncentracije odgovarajućeg proteina.
triplet kompleks
Rice. Regulacija ekspresije gena antisens oligonukleotidima.
Sada se uvjerljivo pokazalo da je antisens tehnologija od velike važnosti za regulaciju pojedinačnih gena u ćelijskoj kulturi. Uspješno potiskivanje bcl-2 gena u eksperimentima sa ćelijskom kulturom budi nadu za buduću upotrebu antisensa za liječenje pacijenata oboljelih od raka. Mnogi in vitro eksperimenti su pokazali da antisensi uzrokuju inhibiciju proliferacije i diferencijacije stanica. Ovaj rezultat potvrđuje izglede za terapeutsku upotrebu ove tehnologije.