Buněčná smrt
- seminář
Kateřina Straková
k.strakova@med.muni.cz
Identifikujte typy buněčné smrti:
1.
2.
ch - chromatin
3.A. 1. Apoptóza
2. Autofagie
3. Nekróza
B. 1. Nekróza
2. Autofagie
3. Apoptóza
C. 1. Autofagie
2. Nekróza
3. Apoptóza
D. 1. Autofagie
2. Apoptóza
3. Nekróza
E. 1. Apoptóza
2. Nekróza
3. Autofagie
Identifikujte typy buněčné smrti:
1.
2.
01:11
Not Voted:31
(31,0%)ch - chromatin
3.A. 1. Apoptóza
2. Autofagie
3. Nekróza
B. 1. Nekróza
2. Autofagie
3. Apoptóza
C. 1. Autofagie
2. Nekróza
3. Apoptóza
D. 1. Autofagie
2. Apoptóza
3. Nekróza
E. 1. Apoptóza
2. Nekróza
3. Autofagie
Různé typy buněčné smrti
...a mnoho dalších
Buněčná smrt
Nekróza Apoptóza Autofagie
Nekróza
- chápána převážně jako
nefyziologický proces způsobený
patologickými vnějšími vlivy
- bobtnání buňky a následné
vylití obsahu do okolí
- ztráta integrity membrány
- vede k zánětu, který poškozuje
okolní tkáň
Apoptóza
- řízený proces - zmenšení a
zakulacení buňky, fragmentace DNA
a organel, tvorba membránových
blebů (vychlípenin membrány),
disociace na apoptotická tělíska
- integrita membrány zachována
- odstranění fagocytózou
- nevede k zánětu
Autofagie (autofagocytóza)
- často v případě nedostatku
energie nebo kyslíku; také
recyklace starých organel
- řízený proces - cílové organely
se uzavírají do autofagozomů,
které následně fúzují s lyzozomy
- může vést k buněčné smrti
nebo k přežití, nevede k zánětu
Apoptóza může být spuštěna:
A. Když buňka pevné tkáně ztratí
kontakt se svým okolím
B. V buňkách napadených virem
C. Po poškození DNA
D. Při embryonálním vývoji
orgánů
E. Při absenci růstových faktorů
F. Když buňka obdrží signál
ligandu Fas nebo TNF-α
G. Když je aktivovaný protein
Bcl-2
H. Při uvolnění jednoho z
proteinů elektronového
transportního řetězce z
mitochondrií
Apoptóza může být spuštěna:
Not Voted:32
(32,0%)
01:34
A. Když buňka pevné tkáně ztratí
kontakt se svým okolím
B. V buňkách napadených virem
C. Po poškození DNA
D. Při embryonálním vývoji
orgánů
E. Při absenci růstových faktorů
F. Když buňka obdrží signál
ligandu Fas nebo TNF-α
G. Když je aktivovaný protein
Bcl-2
H. Při uvolnění jednoho z
proteinů elektronového
transportního řetězce z
mitochondrií
https://www.youtube.com/watch?v=NlT1VYqMzgc
Apoptóza může být spuštěna v opotřebovaných buňkách
odloučených z epitelů - anoikis
střevní kmenové buňky
panethovy buňky
progenitory
pohárkové buňky
entero-endokrinní buňky
enterocyty
dutina střeva
klk
(villus)
klk
(villus)
efektorový cytotoxický T lymfocyt
infikovaná cílová buňka
sestavený
perforinový
kanál granzymy
apoptotická
cílová buňka
molekuly
perforinu
molekuly
granzymu
prokaspáza
aktivní
kaspáza
kaskáda kaspáz
Apoptóza může být spuštěna v buňkách napadených
virem (nebo jiným patogenem)
...ale i v buňkách imunitního systému, které už nejsou potřeba
Tc
zmnožení konkrétního
klonu T lymfocytů po
kontaktu s antigenem
většina efektorových T
lymfocytů je po skončení
infekce odstraněna
apoptózou
Apoptóza může být spuštěna po poškození DNA
poškození DNA
zástava
buněčného
cyklu
oprava DNA
selhání
opravy DNA
apoptóza
hromadění p53
p53
Apoptóza může být spuštěna při embryonálním vývoji
orgánů
Odstranění tkání
Tvarování orgánů
apoptotická buňka
Apoptóza může být spuštěna při embryonálním vývoji
orgánů, například díky nedostatku růstových faktorů
Při vývoji mozku dochází k nadprodukci buněk, které jsou potom v pozdějších fázích vývoje
podrobovány selekci apoptózou. Během tzv. period programované buněčné smrti mají
buňky implicitně nastaveno, že zemřou programovanou buněčnou smrtí. Pouze pokud
obdrží dostatek signálů k přežití, je programovaná buněčná smrt odvrácena a buňky přežijí.
Růstové faktory → signály pro dělení buněk, pro diferenciaci a pro přežití
(např. NGF – nerve growth factor)
nervové buňky
apoptotické
nervové buňky
tělo
nervové
buňky
axon
nervové
buňky
cílové buňky
BUNĚČNÁ SMRT
PŘIZPŮSOBÍ POČET
NERVOVÝCH BUNĚK
VELIKOSTI CÍLOVÉ
TKÁNĚ
signál pro přežití produkovaný
cílovými buňkami
Apoptóza – regulace
Taylor et al., Nat Rev
Mol Cell Biol, 2008
Co se děje během apoptózy:
A. Aktinová, tubulinová a
intermediární filamenta jsou
štěpena činností kaspáz
B. Jádro, endoplazmatické
retikulum a Golgiho aparát
fragmentují
C. Jaderná DNA kondenzuje a je
štěpena kaspázami
D. Kaspázy štěpí transkripční
faktory a ribozomální proteiny
E. Hladina ATP v buňce klesá
F. Buňka vysílá signály, aby byla
rozpoznána a pohlcena fagocyty
Co se děje během apoptózy: 01:42
Not Voted:27
(27,0%)
A. Aktinová, tubulinová a
intermediární filamenta jsou
štěpena činností kaspáz
B. Jádro, endoplazmatické
retikulum a Golgiho aparát
fragmentují
C. Jaderná DNA kondenzuje a je
štěpena kaspázami
D. Kaspázy štěpí transkripční
faktory a ribozomální proteiny
E. Hladina ATP v buňce klesá
F. Buňka vysílá signály, aby byla
rozpoznána a pohlcena fagocyty
MLC – lehký řetězec
myozinu (myosin light
chain)
CAD – endonukleáza
aktivovaná kaspázou
(caspase-activated
DNase)
eIFs – translační
iniciační faktory
Taylor et al., Nat Rev
Mol Cell Biol, 2008
- štěpí stovky
buněčných
proteinů a zajišťují
tak všeobecný
rozpad buněčných
struktur
„death by a
thousand cuts“
Kaspázy
Kaspázy
- proteázy, které po aktivaci specificky štěpí své proteinové substráty:
- komponenty cytoskeletu a jaderného skeletu (např. aktin, myozin,
tubulin, spektrin, jaderné laminy, ROCK – aktivace kinázy štěpením
způsobí fosforylaci MLC a kontrakci aktinu/myozinu – aktivní tvorba
blebů, fragmentace jádra)
- komponenty mezibuněčných spojů a spojů s extracelulární matrix
(např. kadheriny)
- transkripční faktory, translační iniciační faktory, ribozomální proteiny
- endonukleázu CAD (odštěpením části proteinu se tato nukleáza
vymaní z vazby s inhibičním proteinem ICAD a může zahájit štěpení DNA)
- kinázu MST1 (odštěpením části proteinu se tato kináza aktivuje,
translokuje do jádra, kde fosforyluje histony a tím zajišťuje kondenzaci
DNA)
- proteiny organizující endoplazmatické retikulum a Golgiho aparát
- proteiny, které po štěpení zajistí signalizaci fagocytujícím buňkám
- metabolické enzymy
- proteazom
Apoptóza – mechanismus
Oslabení klíčových buněčných struktur
• rozpad buněčných adhezí
• rozpad jádra a cytoskeletu
Zastavení základních životních funkcí
• kondenzace a degradace DNA
• zástava syntézy proteinů a dalšího metabolismu
• zástava výroby energie
Odstranění buňky a recyklace materiálu
• signalizace k upoutání pozornosti fagocytujících buněk
PROČ?
• může být spuštěna zvnějšku nebo zevnitř buňky
• je přísně regulovaná na mnoha úrovních, aby v organismu probíhala pouze v
buňkách, ve kterých má probíhat a se správným načasováním
• zahrnuje mnoho procesů, které mají za úkol zajistit, že:
• se „nebezpečné“ buňky nebudou dále dělit (a to i v tom případě, kdyby se
jim ještě po zahájení apoptózy nakonec podařilo buněčné smrti vyhnout)
• např. u buněk infikovaných virem může degradace jaderné DNA a zastavení
genové exprese sloužit jako obrana proti šíření infekce
• budou velké buňky fragmentovány, a tím pádem snadněji odstraněny po
malých kouskách (apoptotická tělíska)
• buněčná smrt nevyvolá zánětlivou odpověď
Apoptóza – shrnutí
• apoptóza je fyziologická programovaná
buněčná smrt – slouží k eliminaci
nadbytečných, starých, poškozených,
infikovaných nebo jinak „nebezpečných“
buněk mnohobuněčného organismu
zdravá bílá krvinka apoptotická bílá krvinka
Apoptóza a souvislost s některými
onemocněními
NORMÁLNÍ TKÁŇ CHOROBY S PORUCHAMI BUNĚČNÉ SMRTI
Nové
buňky
Buněčná
smrt
Nové
buňky
Nové
buňky
Buněčná
smrt
Buněčná
smrt
Která onemocnění souvisí s
nedostatečnou apoptózou buněk?
A. Autoimunitní choroby
B. Amyotrofická laterální skleróza
C. Cévní mozková příhoda
D. Parkinsonova nemoc
E. Rakovina
F. Alzheimerova nemoc
G. Huntingtonova choroba
Která onemocnění souvisí s
nedostatečnou apoptózou buněk?
00:11
Not Voted:26
(26,0%)
A. Autoimunitní choroby
B. Amyotrofická laterální skleróza
C. Cévní mozková příhoda
D. Parkinsonova nemoc
E. Rakovina
F. Alzheimerova nemoc
G. Huntingtonova choroba
D. Hanahan, & Weinberg, R.A. (2000) The
Hallmarks of Cancer, Cell, Vol. 100, pp. 57-70.
Rakovina
Více v přednáškách o nádorové transformaci
únik apoptóze
soběstačnost v produkci
mitogenních signálů
necitlivost k inhibici
buněčného dělení
zvýšení invazivity
a tvorba metastáz
aktivace tvorby
nových cév
neomezený
replikační potenciál
poškození
DNA
zástava
buněčného
cyklu
oprava
DNA
selhání
opravy
DNA
apoptóza
hromadění
p53
p53
Huntingtonova choroba
• mutace v genu kódujícím protein huntingtin
(exprese v neuronech) – expanze trinukleotidů
– obrovský protein, který buňka (neuron)
neumí degradovat a odumírá apoptózou
• projevuje se nekoordinovanými pohyby těla
(“tanec sv. Víta“), mentální schopnosti se
progresivně zhoršují až do stadia demence
• většinou se začíná projevovat po 30.-50. roku
věku (záleží na počtu tripletů)
• Současná léčba je čistě symptomatická
• odumírání dopaminergních
neuronů v oblasti substantia nigra
• Lewyho tělíska (akumulace
agregátů α-synucleinu)
• postupné zhoršování motorických
funkcí (ale i kognitivních a
smyslových)
Parkinsonova choroba
Amyotrofická laterální skleróza
Jednou z příčin (cca 2% případů) je mutace v genu pro Cu-Zn superoxid dismutázu (SOD1
– antioxidant metabolizující volné radikály vznikající v mitochondriích) – poškození
neuronů volnými radikály a následná apoptóza.
Různé mutace SOD1 vyvolávají různě agresivní formy choroby.
Onemocnění, při kterém odumírají motorické neurony kontrolující kosterní svalovinu.
Většina pacientů nakonec umírá na respirační selhání.
• neurodegenerativní
onemocnění mozku nejčastější
typ demence
• Hromadění betaamyloidu
v mozkové
tkáni vedoucí k
odumírání neuronů,
snížení signalizace na
synapsích
• příčina vzniku není
přesně známa
• Klíčová úloha kaspáz,
potenciální cíl
molekulární terapie
• Další strategie cílené
léčby – blokování
inhibitorů
neurotransmiterů
Alzheimerova choroba
Cévní mozková příhoda
Poškození mozku vznikající v důsledku ucpání nebo prasknutí mozkové cévy
– výsledkem je odumírání mozkových buněk.
Odumírají postižené buňky
nekroticky nebo apoptoticky?
V centru postižení buňky
odumírají hlavně nekrózou,
tím se ale do tkáně dostávají
prozánětlivé a proapoptotické
molekuly (např. TNFα), které v
sousedních oblastech indukují
apoptózu (a další formy
buněčné smrti).
ischemická penumbra (gradient
nekrotické smrti, apoptózy a přežití buněk)
ischemické
jádro (nekróza)
• příčinou je nejčastěji mutace v genech kódujících FAS receptor nebo FAS ligand
– poruchy spouštění apoptózy přes receptor smrti
→ defekt apoptózy aktivovaných efektorových T lymfocytů
Autoimunitní lymfoproliferativní syndrom
• autoimunitní choroba
• zmnožení T lymfocytů, zvětšená
slezina a játra
• různé autoimunitní symptomy
• celoživotně zvýšené riziko vzniku
Hodgkinova a non-Hodgkinova
lymfomu
přežití aktivovaných
efektorových T lymfocytů
Apoptóza
aktivovaných
efektorových
lymfocytů
Apoptóza nemůže
proběhnout
b) mutovaný
receptor
smrti Fas
a) standardní
receptor smrti Fas
• nedostatečná apoptóza
zánětlivých buněk (obzvláště
makrofágů) v kloubech
vedoucí k destrukci kosti a
chrupavky (jeden z možných
patofyziologických
mechanismů)
• přesná příčina vzniku není
dosud známa
• souhra genetických,
environmentálních,
hormonálních a infekčních
(Borelie? EBV?) příčin u
predisponovaného jedince
Autoimunitní choroba - revmatoidní artritida
Apoptóza a souvislost s některými
onemocněními
Homeostáza
Cévní mozková příhoda
Parkinsonova choroba
Alzheimerova choroba
Huntingtonova choroba
Amyotrofická laterální skleróza
Rakovina
Autoimunitní choroby?
NORMÁLNÍ TKÁŇ CHOROBY S PORUCHAMI BUNĚČNÉ SMRTI
Nové
buňky
Buněčná
smrt
Nové
buňky
Nové
buňky
Buněčná
smrt
Buněčná
smrt
Deregulace buněčné smrti je u mnoha zmíněných nemocí spíše
průvodní jev, nikoli příčina
...přesto může inhibice/aktivace apoptózy přispět k léčbě
ischemická penumbra (gradient
nekrotické smrti, apoptózy a přežití buněk)
ischemické
jádro (nekróza)
Cílem mnoha typů protinádorové terapie je
selektivně indukovat apoptózu nádorových buněk
bez současného poškození okolní zdravé tkáně
organismu
Protinádorová terapie cílící na apoptózu
Jak můžeme v nádorových
buňkách vyvolat apoptózu?
A. Blokování kaspáz
B. Poškození DNA
nádorových buněk
C. Blokování antiapoptotických
proteinů
D. Blokování FAS receptoru
E. Spuštění apoptózy
nádorových buněk zvenčí
(přes receptory smrti)
Jak můžeme v nádorových
buňkách vyvolat apoptózu?
00:41
Not Voted:33
(33,0%)
A. Blokování kaspáz
B. Poškození DNA
nádorových buněk
C. Blokování antiapoptotických
proteinů
D. Blokování FAS receptoru
E. Spuštění apoptózy
nádorových buněk zvenčí
(přes receptory smrti)
Cíle protinádorové terapie spouštějící apoptózu nádorových buněk
Blokování anti-
apoptotických
proteinů
Bcl-2 inhibitors
Spuštění apoptózy
přes receptory smrti
poškození DNA, ... →
vnitrobuněčný stres
spouští apoptózu zevnitř
(skrze změny propustnosti
mitochondriální membrány)
Specifické zablokování anti-apoptotického Bcl-2 proteinu
(venetoclax)
Specifické spuštění
apoptózy nádorových
buněk přes receptory smrti
Isaac Asimov:
„Life is pleasant. Death is peaceful.
It‘s the transition that‘s troublesome.“