Den apoptose (eller programmeret celledød ) er den proces, hvorved celler udløser deres selvdestruktion som respons på et signal. Det er en af de mulige veje for celledød , som er fysiologisk , genetisk programmeret, nødvendig for overlevelse af flercellede organismer . Det er i konstant ligevægt med celleproliferation. I modsætning til nekrose forårsager det ikke betændelse : plasmamembranerne ødelægges ikke, i det mindste indledningsvis, og cellen udsender signaler (især udviser den på det ydre lag af plasmamembranen fra phosphatidylserinen , et phospholipid, der normalt udgør dets indre lag ), som tillader dets fagocytose af hvide blodlegemer , især makrofager .
Apoptose (fra græsk: apo , "i det fjerne" og ptosis , "fald") blev først demonstreret i 1972 af John Kerr, Andrew Wyllie og Alastair Currie, da de studerede væv ved elektronmikroskopi .
De valgte dette ord apoptose for at beskrive fænomenet naturlig celledød. Dette ord kommer fra en græsk sætning, der henviser til "bladfald". Det var allerede blevet anvendt medicinsk af Hippokrates fra Kos (460-377 f.Kr.) i hans afhandling The Instruments of Reduction for at beskrive nedbrydning af væv efter døden ("knoglefald").
Apoptose spiller en rolle i dannelsen af en organisms krop, for eksempel fremkomsten af fingre. I begyndelsen af dannelsen ligner hånden en vante (eller en palme), så forsvinder cellerne mellem de fremtidige fingre. Ligeledes skyldes forsvinden af det kaudale tillæg hos det menneskelige foster dette fænomen med apoptose. Regressionen af halen i haletudser under deres metamorfose til en frø skyldes også apoptose.
Det spiller en rolle i hjernedannelsen : meget tidligt i embryogenesen gennemgår hjernen en apoptotisk bølge, der omformer den. Derefter de neuroner danner tilfældige synaptiske bindinger med hinanden , og en anden bølge af apoptose eliminerer dem, der ikke har etableret nyttige bindinger.
Det kan også have en motorisk rolle, hvor tilbagetrækning af døde celler fører til mobilisering af nabovæv. Denne mekanisme er især beskrevet i Drosophila embryoet.
Som reaktion på forekomsten af et antigen, der er fremmed for kroppen, begynder B-cellerne at producere hvert enkelt antistof, der specifikt rekombinerer deres gener af immunglobuliner ( VDJ-rekombination ). De, der producerer inaktive eller autoimmune antistoffer , elimineres ved apoptose. I tilfælde af virusinfektion producerer cytotoksiske T-lymfocytter molekyler, der er toksiske for inficerede celler; de ødelægges af apoptose, når infektionen bringes under kontrol. Dette er tilfældet ved hiv-infektion , men denne rute fører efterfølgende til skadelige virkninger, fordi LT4 ødelagt i store mængder ikke længere kan udskille interleukinerne ved selektionens oprindelse og klonforstærkning.
Tarmcellerne er i konstant fornyelse (med en levetid på kun få dage) og migrerer fra bunden af krypterne til toppen af tarmens villi i tyndtarmen, hvor de udfører deres funktion af at absorbere næringsstoffer . I sidste ende løsner de og udløser et bestemt apoptotisk fænomen kaldet anoikose på grund af tabet af celle-celle eller celle- ekstracellulær matrixkontakt .
Den acini fra mælkekirtler efter amning periode, og i fravær af vedligeholdelsen af proliferation / differentiering signal på grund af prolactin , vil reabsorberes, og miste et stort antal epitelceller ved en fremgangsmåde af apoptose.
Apoptose manifesterer sig i disse isolerede (ikke-grupperede) celler. Komprimering og udstødelse af nukleare chromatin ( pycnosis ) samt foldning af cytoplasmatiske og nukleare membraner og kondensering af cytoplasma er observeret i de pågældende celler .
Integriteten af membranerne bevares under den apoptotiske proces, hvorved enhver inflammatorisk reaktion undgås. De apoptotiske kroppe er beskyttet af en membranhylster, der er resultatet af membranernes sammenfald.
Ved induktion af apoptose eksternt (aktiveret af transmembrane receptorer ) eller iboende (via mitokondrier ), kan den døende celle danne buler eller blæser eller bobler på overfladen af kroppens celle, en proces kendt som nedbrydningen af en apoptotisk membran. Udrensning af apoptotisk membran betragtes som det første trin (trin 1) i adskillelsen af apoptotiske celler, som kan fremstå som små overfladebobler i de tidlige stadier af apoptose eller store dynamiske membranbobler i senere stadier. Dannelsen af store, dynamiske membranbobler kunne lette fragmentering af organeller, såsom kernen under progressionen af apoptose. Blødning fra apoptotiske membraner reguleres af et antal molekylære faktorer, især faktorproteinkinase 1 associeret med Rho-familien af små GTPaser indeholdende en spiralformet spole ( ROCK1 (en) ) aktiveret af caspase .
Trin 2: dannelse af apoptotiske membranfremspringEfter at den apoptotiske membran flyder over, kan en celle gennemgå yderligere morfologiske ændringer for at generere en række forskellige tynde apoptotiske membranfremspring, inklusive mikrotubuli- pigge , "apoptopoder" og "beadede apoptopoder". Dannelsen af disse apoptotiske membranfremspring afhænger ofte af celletypen og repræsenterer det andet trin (trin 2) i adskillelsen af apoptotiske celler (figur 1). For eksempel er mikrotubuli pigge blevet observeret på apoptotiske pladeepitelceller . Mekanisk afhænger dannelsen af mikrotubuli-pigge af polymeriseringen af mikrotubuli og etableringen af mikrotubuli-netværket. Dannelsen af mikrotubuli pigge forekommer for at lette adskillelsen af membranboblerne samt fordelingen af nukleart indhold i membranboblerne. For nylig er en anden type mindre stiv, strenglignende apoptotisk membranfremspring kaldet "apoptopoder" ("dødsfødder") blevet identificeret på apoptotiske T-celler , thymocytter og fibroblaster . Ligesom mikrotubuli pigge, kan dannelsen af apoptopoder inducere bleb adskillelse fra membranen. Derudover kan apoptotiske monocytter generere en anden type apoptotisk membranfremspring, kaldet en perle-apoptopod, der ligner en "perle på en kæde". Dannelsen af perle-apoptopoder begynder med dannelsen og forlængelsen af et apoptopod-lignende fremspring, der segmenterer og tager form af en perlekæde. I øjeblikket aktiveres den eneste kendte molekylære regulator af træning med beaded apoptopodes og apoptopodes membrankanalen af caspase PANX1 (en) (pannexin 1).
Trin 3: cellefragmenteringEndelig repræsenterer frigivelsen af individuelle apoptotiske kroppe bundet til membranen (generelt betragtes som en diameter på ca. 1 til 5 mikron) det sidste trin (trin 3) i adskillelsen af de apoptotiske celler. Selvom mekanismen bag den endelige fragmenteringsproces ikke er veldefineret, kan dissociationen af apoptotiske kroppe fra forskellige typer apoptotiske membranfremspring kræve forskydningsspænding eller måske endda interaktion med naboceller. Det skal bemærkes, at ud over apoptotiske kroppe frigives også membranvesikler med en diameter på mindre end 1 mikrometer under apoptose.
Frigivelsen af apoptotiske kroppe fra den døende celle er blevet foreslået for at lette kommunikation mellem celler gennem proteiner , mikroRNA'er og DNA til stede på / i apoptotiske kroppe. Det er også blevet foreslået, at adskillelse af apoptotiske celler kan lette fjernelsen af døde celler, da det kan være mere effektivt for en fagocytisk celle at opsluge mindre cellefragmenter (dvs. kroppe apoptotiske) snarere end en apoptotisk celle som helhed.
Mekanismen for apoptose styres af to hovedveje for aktivering:
Disse to veje fører til aktivering af såkaldte effektorcysteinproteaser ( caspaser ). Disse er ansvarlige for spaltning af flere molekyler, såsom visse strukturelle proteiner, hvilket resulterer i karakteristiske morfologiske og biokemiske fænomener, der ender i nedtagning af cellen: eksponering af phosphatidylserin til overfladen af cellemembranen , standsning af replikationen , kernefragmentering og cytoskelet, hvilket resulterer i dannelsen af apoptotiske kroppe fagocytoseret af celler, der omgiver.
Som navnet antyder, udløses den ydre vej til apoptose af et signal uden for cellen. For eksempel tages denne vej, når en cytotoksisk T-lymfocyt udløser døden af en uønsket celle. I dette tilfælde inducerer immuncellen ved en simpel kontakt mellem membran og membran aktivering af Fas-receptorer og apoptose af målcellen. Mekanismerne induceret af FasR kan udvides til at omfatte andre dødsreceptorer, såsom DR4 / TRAIL-R1 og DR5 / TRAIL-R2. Aktivering af FasR med dets ligand inducerer rekruttering af et kompleks kaldet DISC (Death-Inducing Signaling Complex) sammensat af adaptermolekyler FADD (Fas Associated Death Domain) og initiatoren proaspaserer -8 og -10. FADD binder sig gennem sit eget dødsdomæne (DD) til DD'er fra Fas-receptorer ved homotypiske elektrostatiske bindinger. FADD indeholder også et Death Effector Domain (DED), som ved hydrofobe homotypiske bindinger tillader rekruttering af initiatorkaspaser. Dannelsen af dette kompleks fører ved en nærhedseffekt til autocleavage af caspaser -8 og -10, som derefter frigives i cytosolen i en aktiv dimer form. Dette giver mulighed for den sekventielle aktivering af effektor- caspaser , herunder caspase-3. Initiatorens caspaser -8 og -10 kan aktivere den indre vej via spaltningen af Bid- proteinet og således forstærke det apoptotiske signal. I tilfælde af såkaldte "type 1" -celler er udløsningen af apoptose ikke afhængig af den indre vej. Omvendt er aktivering af den indre vej i såkaldte "type 2" -celler nødvendig for apoptose, og dens blokering resulterer i cellemodstand mod Fas.
I modsætning til den ydre sti induceres den indre sti (eller mitokondriale sti) af apoptose normalt af signaler, der er interne i cellen. For eksempel udløses denne vej ved aktivering af p53 under omfattende DNA-beskadigelse. Aktivering af denne vej afhænger hovedsageligt af dannelsen af permeabilitetsovergangsporer i den mitokondriale membran ved åbningen af PTPC (Permeability Transition Pore Complex), et multiproteinkompleks af den mitokondrie indre membran . Disse porer er oligo-proteinkanaler dannet på niveauet af den ydre membran af porinen (eller VDAC: Voltage Dependent Anion Channel) og på den indre membran af ANT (Adenine Nucleotide Translocator). Denne aktiveringsfase ledsages af et fald i mitokondrie-transmembranpotentialet (Delta Psi m) efterfulgt af hævelse af mitokondrie-matrixen , en afbrydelse i aerob energimetabolisme og oxidativ stress . Ifølge modellerne er der brud eller åbning af mitokondrierne, hvilket tillader frigivelse i cytosolen af pro-apoptotiske molekyler, som normalt er mitokondrie, såsom cytochrom c , Smac / DIABLO, OMI / HtrA2, endonuklease-G samt Apoptose Inducing Factor (AIF). Den mitokondrielle membranpermeabiliseringsfase er endnu ikke helt forstået. Ikke desto mindre er dette beskrevet for at være under kontrol af komplekse og dynamiske interaktioner mellem de pro- og anti-apoptotiske medlemmer af Bcl-2-familien . De anti-apoptotiske medlemmer ( Bcl-2 , Bcl-xL, Mcl-1) danner heterodimerer med de pro-apoptotiske medlemmer Bax og Bak, modvirker deres aktivitet og tillader stabiliteten af mitokondrier. Når mitokondrierne aktiveres, for eksempel under en aktivering af FasR og gennem Bid , interagerer sidstnævnte og aktiverer direkte Bax og Bak. Dette inducerer tabet af interaktion mellem Bax, Bak og de anti-apoptotiske medlemmer af Bcl-2-familien, deres oligomerisering, dannelse af porer og frigivelse af mitokondrieproteiner. Når de er blevet cytosoliske, vil mitokondrie pro-apoptotiske faktorer have specifikke mål og effekter. Den cytochrom c cytosoliske slutter APAF1 og procaspase-9 til at danne et kompleks kaldet apoptosome . Caspase-9 er aktiveret inden for dette kompleks og er igen i stand til at aktivere effektor caspases såsom caspase-3. Procaspase-9 har mere affinitet for apoptosomet end aktiv caspase-9, som muliggør rotation / aktivering af procaspases-9 inden for det samme apoptosom. Smac / DIABLO og OMI / HtrA2 målretter og inhiberer proteiner fra IAP- familien (Inhibitor of apoptosis) og fremmer således aktiviteten af caspaser. AIF-faktoren omdistribueres til cytosolen og derefter til cellekernen for at inducere død ved apoptose, som har det særlige at være uafhængig af caspaser og ikke kræver nogen anden formidler.
Under apoptose fordøjes DNA meget specifikt i fragmenter, der er multipler af 180 basepar i størrelse , hvilket forårsager en meget karakteristisk fordeling af DNA-fragmenter "stigen", når de adskilles af elektroforese i henhold til deres størrelse. Denne størrelse er indikativ for afstanden mellem to på hinanden følgende nukleosomer. Denne fordøjelse tilvejebringes af CAD (Caspase Activated DNase) proteiner, som normalt findes i inaktiv form i forbindelse med en ICAD (Inhibitor of Caspase Activated DNase). Denne ICAD skjuler NLS-sekvensen af CAD, og spaltning af denne association ved hjælp af en caspase tillader CAD-proteinet at komme ind i kernen, som vil spille sin rolle som DNase-spaltende DNA. DNA-fragmentering bruges til at detektere celler i apoptose i et væv ved hjælp af TUNEL-teknikken (Terminal Transferase dUTP Nick End Labeling).
En af mekanismerne for apoptose i post- iskæmiske hjerteceller ser ud til at bestå af nitrering af cellulære proteiner med et overskud af peroxynitritter . Disse peroxynitritter inducerer også apoptose i monocytter og T-lymfocytter.
For eksempel når celler ikke konstant modtager beskeder fra deres naboer, der hæmmer deres selvødelæggelse, forsvinder de spontant.
Cancer celler er normalt celler, hvor denne mekanisme ikke længere virker. De overlever og formerer sig på trods af genetiske abnormiteter, der forekommer i løbet af cellens levetid, når de normalt skulle være blevet ødelagt af apoptose.
Reaktivering af apoptosemekanismen er imidlertid opnået i rottekræftceller.
Nogle patogener forhindrer induktion af apoptose, såsom HHV8 ( herpesvirus ansvarlig for Kaposis sarkom ), som koder for v-FLIP-proteinet, hvilket forhindrer apoptose induceret af dødsreceptorer.
Visse neurodegenerative sygdomme, såsom tauopatier, er også sygdomme, hvor apoptotiske mekanismer er involveret, hvilket fører til overlevelsen af det patogene tau-protein, som derefter kan akkumulere unormalt, indtil nervecellens død. Dette er tilfældet med progressiv supranuklear parese , Alzheimers sygdom osv.
Nyere forskning ser ud til at vise, at udviklingen af AIDS som en sygdom er knyttet til utidig udløsning af apoptose i lymfocytter, der styrer immunresponset, hvilket muliggør udvikling af passende sygdomme og infektioner. Dette sætter ikke spørgsmålstegn ved HIV-virussens aktive rolle som den egentlige årsag til denne sygdom, skønt den detekteres og dræbes godt af lymfocytter.
Blokering af virussen af antistofferne, der produceres af lymfocytterne, vil imidlertid føre til, at virussen inden dets fuldstændige destruktion frembringer et kemisk forsvarsrespons beregnet til at forårsage massiv apoptose af alle de omkringliggende lymfocytter eller endda produceres af makrofagerne (hvilket ville absorbere den virus, der er neutraliseret af antistofferne på samme tid som den kemiske besked, der forårsager deres apoptose) dette kemiske respons, som "fjernt" ville forårsage selvmord hos mange andre nærliggende lymfocytter, selvom de aldrig har været i direkte kontakt med HIV. Med andre ord ville HIV fremkalde et forværret immunsystemrespons mod sig selv. Det er så en "snebold" -effekt, hvor et morfologisk system afledes fra dets funktioner ved et ukontrolleret svar, der ligner andre selvinducerede fænomener såsom allergier (også knyttet til en ekstern udløsende faktor).
Ved at forårsage denne reaktion ville en del af kopierne af HIV således undslippe virkningen af T-lymfocytter, hvoraf et stort antal apoptose efter kun få af dem har neutraliseret adskillige nabovirus. Dette ville også forklare, hvorfor immunsystemets samlede udryddelse af virussen ikke er mulig uden ekstern hjælp, der ikke er følsom over for fænomenet apoptose (hjælp fra antiretrovirale lægemidler, der specifikt angriber HIV for at undgå, at lymfocytterne tager sig af det ved aktivering af apoptosen hos deres naboer ved den efterfølgende handling for at eliminere makrofager).
Forståelse af de kemiske mekanismer ved apoptose kunne således overvinde immunsystemets iboende skrøbelighed og muliggør derfor udvikling af en bestemt type vaccine, der ikke er beregnet til at aktivere immunresponset mod HIV (da det finder sted). Naturligt og producerer mange antistoffer), men for at blokere for tidlig initiering af apoptose af CD4 T-lymfocytter, der er ansvarlige for deres neutralisering (og neutralisering af andre infektionskilder). I tilfælde af AIDS ved vi ikke nøjagtigt, hvilken lymfocyt der har denne skrøbelighed (kun farligt for andre typer celler, men ikke for sig selv direkte), men vi kan tro, at den er placeret på det niveau af makrofager, der er ansvarlige for at eliminere vira, der er neutraliseret af antistoffer.
Denne utidige opførsel af de samme makrofager (kroppens affaldsdåser, der kan generere dynger af giftige produkter og kemiske stoffer, der er vanskelige at eliminere isoleret ved deres handling) er også involveret i andre typer forværrede reaktioner i kroppen, såsom visse allergier (hvor dette reaktion, meget stort set selvbærende, er rettet mod andre typer celler end immunlymfocytter) og mistænkes også i andre typer degenerative sygdomme (som også har en ekstern udløsende faktor, ikke nødvendigvis af en smitsom) eller visse forværrede reaktioner på stress (f.eks. forlængelse af forbrændinger).
I angiospermer er apoptose en vigtig proces med planteimmunitet, den observeres som reaktion på abiotiske belastninger , og den betragtes som en vigtig del af udviklingen af gametofyt .