HÜCRE ÖLÜM MEKANİZMALARI
Apopitoz, Otofaji, Nekroz, vd...
Dr. Nuran Türkçapar Ankara Üniversitesi Tıp Fakültesi İç Hastalıkları - Romatoloji Bilim Dalı Mayıs-2012
Hücre Ömrü • Vücudumuzdaki Hücre Tipleri -Yaklaşık 210 tip • Ömür -Doğum -Farklılaşma -Fonksiyon -Ölüm; İnsanlarda günde ~5x1011 hücre
programlanmış hücre ölümü =apoptoz ile yok edilir
Hücre Ömrü • Nötrofil
-6-7 saat (dolaşımda) -4 gün (dokuda) •RBC
-120 gün •Beyin nöron -50-100 yıl
İçerik •Hücre ölümünün terminoloji / sınıflaması •Apopitoz •Otofaji •Nekroz •Hücre ölüm mekanizmaları arasında geçiş •Apoptotik/Nekrotik hücrenin temizlenmesi •Hücre ölümünün immün sisteme etkileri •Hücre ölümünün önlenmesi •Diğer hücre ölüm mekanizmaları
Three Pathways of Cell Death
Hotchkiss R et al. N Engl J Med 2009;361:1570-1583
Nomenclature Committee on Cell Death (NCCD)
• NCCD-1973…………Heterofaji, otofaji, apoptoz • NCCD-2005 • NCCD-2009 • NCCD-2012 Apoptoz, otofaji, nekroz, nekroptoz, mitotik katastrofi,
pyroptosis, paraptosis, entosis ve anoikis gibi
Cell Death and Differentiation (2011), 1–14 www.nature.com/cdd
•Apoptoz ilk kez 1972 yılında Kerr, Wyllie ve Currie tarafından tanımlanmış • -Hücrelerin küçük veziküllere ayrılarak ölümleri yaprak dökümüne benzetilmiş
•Nekroz? •Apoptoz?
Yaralanmayla Ölüm X İntiharla Ölüm Nekroz X Apoptoz
ÖZELLİK NEKROZ APOPTOZ
Yol açan nedenler İskemi Hipertermi Hipoksi Litik viral enfeksiyon Toksik maddelerin yüksek konsantrasyonları Şiddetli oksidatif stres
Kemoterapi?
Büyüme faktörü eksikliği Hücre yaşlanması HIV Kanser ilaçları Radyasyon Yüksek doz glukokortikoid Fas veya TNFR–1 reseptörlerinin aktivasyonu Sitotoksik T lenfositler Çok şiddetli olmayan oksidatif stres
ÖZELLİK NEKROZ APOPTOZ
Morfolojik özellikler
Hücre membran bütünlüğünün kaybı Hücre şişmesi Organellerin parçalanması Endoplazmik retikulumun dilatasyonu Büyük vakuollerin oluşumu Hücre lizisi
İntakt hücre membranı Hücre küçülmesi Organellerde parçalanma yok Hücrenin intakt mitokondri, ribozom, nükleus parçaları ve diğer organeleri içeren membranla kaplı apoptotik cisimciklere parçalanması
ÖZELLİK NEKROZ APOPİTOZ
Biyokimyasal özellikler
Bozulmuş iyon hemostazı ATP gerekmez (pasif süreç) +4 C°’de gerçekleşebilir DNA rastgele parçalanır (agaroz jel elektroforezisinde ‘smear’ görüntüsü) Postlitik DNA fragmentasyonu
(ölümün geç safhasında)
İyi kontrollü, bazı aktivasyonların ve enzimatik basamakların olması ATP gereklidir (aktif süreç) +4 C°’de gerçekleşmez DNA internuklezomal alanlarda 180 kb çiftinin katları olacak şekilde kırılır agaroz jel elektroforezisinde merdiven görüntüsü Prelitik DNA fragmentasyonu ( erken evrede gerçekleşir)
ÖZELLİK NEKROZ APOPİTOZ Gösterme
metodu M65 ELISA assay (nekroz+apoptoz) LDH tayini Cyt C salınımı
M30 ELISA assay Caspaz-3 aktivasyon Flow sitometride Sub G1 piki
Pathways of Cellular Apoptosis
Hotchkiss R et al. N Engl J Med 2009;361:1570-1583
Mitokondriyal yaralanma veya hasarda salınan proteazlar (sistein-aspartik asit proteazlar)
Kaspazlar
-Normalde inaktive prokaspaz formunda
I. Enflamatuar Kaspazlar: 1(IL-1β), 4, 5, 11, 12,13 ve 14 II. Apoptozla ilgili kaspazlar -Başlatıcı Kaspazlar: 2, 8, 9, ve 10 (multimerik, apoptozom ve DISC) -Yürütücü Kaspazlar 3,6 ve 7 (Dimerik, başlatıcı kaspazlar ve Granzim B)
Scandinavian Journal of Immunology, 2011;73:401-7.
Apoptozun ekstrensek yolu DR: TNF-R1, CD95/Fas Ligandlar: TRAIL-R1/DR4, TRAIL-R2/DR5, FasL
DISC
MOMP
Apoptozom
Apoptozun intrensek yolu
Scandinavian Journal of Immunology, 2011;73:401-7.
•Antiapoptotik Bcl–2 üyeleri, aminoasit sıraları en az üç dört bölgede Bcl-2’ye benzerlik gösterir. •Proapoptotik Bcl-2’lerin hepsinde sadece BH3 bölgesi vardır. (BH3-only)
Apoptozu baskılayan genler
Apoptozu indükleyen genler (Proapoptotik)
A1 Bcl-2 Bcl-xL Bcl-W Mcl-1 Nr-13 Ced-9
BAX BAK BOK Bcl-xs BAD BIK BID BIM NOXA BMF PUMA
Bcl-2 Ailesi: MOMP’un düzenlenmesi
Proapoptotik ve Antiapoptotik Proteinler Arasındaki Özgün Bağlanma
• BIM, BID ve PUMA: Tüm anti-apoptotik proteinlere bağlanır • BAD: BcL2, BcL-W ve BcL-XL’ bağlanır • NOXA: MCL-1’ e spesifik
• BAX ve BAK -mitokondriyal membranda por oluşumu -cyt-c salınımı -apoptozom oluşumu
Kaspaz 9 Kaspaz 3,6,7
Apoptozun Evreleri Sağlıklı hücre
ÖLÜM SİNYALİ (ekstrensek veya intrensek)
Ölüme gidiş (reversibl)
YÜRÜTÜCÜ (irreversibl)
Ölü hücre
YUTULMA (makrofajlar, komşu hücreler)
PARÇALANMA
Hücreler yaşam ve ölüm arasında dengelenir
HASAR Fizyolojik ölüm sinyaller
ÖLÜM SİNYALİ
PROAPOPTOTİK PROTEİNLER
ANİIAPOPTOTİK PROTEİNLER
ÖLÜM
APOPTOZ: embriyogenezdeki önemi
Morfogenez (aşırı hücrelerin yok edilmesi):
Seleksiyon (fonksiyonu olmayan hücrelerin yok edilmesi):
APOPTOZ: embriyogenezdeki önemi
İmmünite (self reaktif hücrelerin yok edilmesi):
Self antijeni tanıyan hücrelerl
Organ büyüklüğü (fazla hücrelerin yok edilmesi):
APOPTOZ: yetişkindeki önemi Doku remodeling (artık gerekli olmayan hücrelerin yok edilmesi):
meme glandı gebelik, laktasyon küçülme (gebelik ve laktasyon yoksa)
Apoptoz
Apoptoz - Testosterone
Prostat gland
APOPTOZ: yetişkindeki önemi Doku remodeling (artık gerekli olmayan hücrelerin eliminasyonu):
İstirahatteki lenfositler + antijen (enfeksiyon gibi) - Antijen (yenilenme, vs)
Apoptoz
APOPTOZ: yetişkindeki önemi Organ ölçüsü ve fonksiyonunun sağlanması:
Apoptoz + hücre bölünmesi
Apoptozla yok olan hücreler bölünmeyle replase edilir
X
OPTIMAL FONKSİYON (SAĞLIKTA)
APOPTOZ
APOPTOZ
YAŞLANMA
Nörodejenerasyon, kanser, …..
Apoptoz: Hastalıkta • Kanser: -TP53 geni: PUMA, NOVA, BAX gibi proapoptotik proteinlerin
sentezini uyarır -Imatinib: proapoptotik BIM ve BID’yi artırarak KML tedavisinde -ABT-737; antiapoptotik hücrelere bağlanarak fonks bozar • İmmün sistem: tolerans (BH3-only protein BIM, fas) ve otoimmünite • Nörolojik hastalıklar (YD’da hipoksik beyin hasarı) • Hepatit; HCV (kaspaz inh IDN-6556 ile ALT ve AST’de azalma) • Kardiyovasküler Hastalıklar • Sepsis
Otofaji
• “kendini yeme” • Fizyolojik: -Ölümcül olmayan strese adaptif yanıt -Metabolizmanın düzenlenmesi, morfogenez, hücre farklılaşması,
yaşlanma, hücre ölümü ve hücre içi patojenlerin yok edilmesi • Patolojik: -Kontrolsüz otofaji kritik proteinlerin tüketilmesi kaspaz
bağımsız hücre ölümü Otofagazom sayısında artış olmasına rağmen ölen hücrelerde:
Kompanzasyon? / Otofajiyiye bağlı ölüm?
Otofaji
Otofajinin Klinik Etkileri • Otofagazomun düzenlenmesi: -PI3K -Beclin (BH3-only) -Rapamisin analogları (mTOR’u baskılayarak otofajiyi uyarır) • Nörodejeneratif hastalıklar (Huntington hastalığı) • Kanser: onkogenler (PI3K, AKT, BCL2 ve mTOR gibi)otofajiyi
baskıladığı, tümör süpressör genler (PTEN, TSC2 ve HIF1A gibi) ise otofajiyi uyarır
• Otofaji ilişkılı gen kaybı farelerde GIS tm ve lenfoma; insanlarda hepatoselluler CA ve İB Ca
• Hidroksiklorakin, intralizozomal pH artırarak otofajiyi engeller ancak ölüme gidişi kolaylaştırır
Nekroz
• Yunanca, • Nekroz=ceset
Nekrozun Mediatörleri • ROS • Ca+2 • PARP (poli-ADP-Riboz Polimeraz) • Calpain’ler (kalsiyumla aktive nonlizozomal proteazlar)
Apoptotik/Nekrotik Hücrelerin Uzaklaştırılması • CD31-, CD47- ve CD46- ; fagositoz (+)
Apoptoz/Nekroz Klirens ve İmmün Sistem • Apoptotik hücrelerin fagositozu= Anti-inflamatuar sitokinleri uyarırken
(IL-10, TGFβ, PGE2), proinflamatuar (IL-1β, IL-8, TNFα ve LT-B4)sitokinleri baskılar; tolerans
• Nekrotik hücrelerin fagositlerle etkileşimi TLR aracılı NF-κB aktive eder; proinflamasyon, T hücre aracılı otoreaktif B hücre akt; otoimmünite
• Nekrotik hücrelerden DAMP’lar; özellikle nükleer DNA bağlayıcı proteinlerden HMGB1; TLR-2, TLR-4 ve TLR-9 ile etkileşir; makrofaj ve DC’de proinflamatuar ve antijen sunma özelliklerini artırır;otoimmünite
• DNA’nın uygun parçalanması ve DAMP’ın inaktivasyonu; tolerans • Apoptozun eksik yürütülmesi, apoptotik hücrelerin verimsiz yutulması
ve sindirimi; otoimmünite • Makrofaj ve DC’lerin TLR aracılı uyarılmasında, nükleik asitler ko-sit etki
ile apoptoza bağlı toleransı kırdığı, T hücre aracılı otoreaktif B hücrelerinde akt; otoimmünite
Nekroz Programlanma mı yoksa Regülasyon mu? = Nekroptoz
• Sanıldığından daha düzenli • DAMP (HMGB1 gibi) molekülleri dolaşıma girip doğal immün sistemi
uyarabilir; nöbetçi görev • Belli hücre yüzey reseptörleri ile başlatılabilir -TNF (yüksek konsantrasyonlarda hepatositlerde nekroz) • Nekroz engellenebilir -Serpinin (proteaz inh), nekrozu engelleyerek programlayabilir • Alkilleyici DNA hasarı, toksinler veya DR’lerinin ligasyonuyla başlayan
ve nekroza doğru giden basamaklarda; genetik/farmakolojik müdahale, kaspazların baskılanması,özellikle kaspaz 8)RIP 1 ve RIP3’ün yıkılamaması; nekroz sonlanamaz
Apoptoz/Nekroz Klirens ve İmmün Sistem
• Opsonizasyon Bozukluğu; otoimmünite -C1q eks; SLE -MFG-E8-farelerde; anti-DNA ve APL ab ile lupus benzeri
hastalık • Sindirim aşamasında DNA yıkımı önemlidir -CAD ve DNAaz eks, lizozomlarda biriken DNA fagositlerde
proinflamasyon; otoimmünite -CAD- farelerde yüksek otoab düzeyli SLE benzeri hastalık
Hücre ölümünün immünmodülatuar etkileri
• Apoptotik Hücreler: anerji veya immünsüpresyon
• Nekrotik Hücreler: enflamasyon
Apoptotik hücre Parazitemi ve peritonite bağlı ölüm
Parazitemide azalma ve canlı
DAMP (HMGB1)
Farklı Hücre Ölüm Modları Arasında Geçiş
Hücre Ölümünün Önlenmesi
• Teknik olarak zor • Genellikle birden fazla ölüme neden olan uyarıların
koordinasyonuyla eş zamanlı oluşur • İskemi-reperfüzyon, ROS, aşırı Ca+2, proteazların
aktivasyonu • Nekrozdan sorumlu güçlü proteazlardan; calpein ve
cathepsin inh. hayvan modellerinde nekrozu azaltmıştır • Nicorandil (mitokondriyal ATP’ye duyarlı K+ kanalları üzerine
etkili, kardiyoprotektif);by-pass cerrahisine giden hastalarda operasyon sonrası serum troponin T seviyelerini düşürmektedir
• Huntington hastalığı, Parkinson, Alzheimer ve ALS’de antiapoptotik ve otofajiyi artıran ilaçlar araştırılmaktadır
Nekroptoz
Nekroptoz • RIPK-1 (Receptor-interacting protein kinase 1) ve RIPK-3 -İskemi-reperfüzyon hasarı -Pankreatit -Fotoreseptör hücre kaybı -İntestinal hücre kaybı -Enfeksiyonlarda RIPK-1 ve RIPK-3 aktivitesi artar
Mitotik Katastrofi • Anormal mitoza bağlı hücre ölümü; anormal veya eşit olmayan
kromozomlar • Kanser hücrelerinde • Mikrotübülleri de-stabilize eden veya DNA hasarına neden olan ilaçlar • Hücre ölümü gn metafaz veya hemen öncesinde olur
Pyroptosis • ‘pyro’ = ateş • Kaspaz 1 ile kontrol edilen enflamasyona bağlı hücre ölümüdür • Doğal immünite; PAMP, PRR ve DAMPs • İnflamazom oluşumu • IL-1β ve IL-18 • DNA yıkılımıyla oluşan yapısal değişimler, sitokin aktivasyonuna bağlı
mabranlarda porlar oluşur • L. pneumophilia, Salmonella ve Shigella/otoinflamatuar hastalıklar ve IBD gibi
Paraptosis
• Nörodejeneratif hastalıklarda
• Sitoplazmada aşırı vakuolizasyon, mitokondri ve ER’da şişme
• Nukleer kromatin kompakt hale gelir ve parçalanır
• Non-apoptotik • ILGF-1 ve Peptit
Nörotransmitter madde P gibi faktörler ile uyarılır
• Nur77 ve arrestin 2 gibi proteinkinaz ile düzenlenir
Entosis
• Memeli epitel hücrelerinde sık • Hücre matriks yapısından ayrılır • Non-apoptotik • Fagositik olmayan
mekanizmalarla (Ro GTPaz ve Rock), bir hücre diğerinin içine girer
• Non-otofajik mekanizmayla girdiği hücrenin lizozomuyla parçalanır
• Metastaik kanser hastalarının plevral sıvı örneklerinde
Anoikis
•Yunan dilinde evsiz anlamında
•Hücre onu destekleyen matriks yapısından ayrılır ve diğer hücrelerle teması kaybolur
•Apoptotik bir hücre ölümüdür
Cornification • Sitoplazmada organellerin kaybı • Plazma membranı modifiye olur • Stratum granulozumda keratohiyalin
granülleri içinde lipid birikimi • Ekstrasellüler alana lipidlerin extrusion • proteaz aktivasyonu ile desquamasyon
(corneocytes’lerin kaybı) • Cornification veya ‘keratinizasyon’
bariyer fonksiyonu oluşturmak üzere cilde özel bir durumdur.
• Bazal epidermal tabakada yaralanmayla (UV, radyasyon vs) apoptoz uyarılabilr; ancak kornifikasyon, üst tabakalarda daha fazladır (granüler tabaka ve stratum corneum).
• Kaspaz-14 ile epitelial kornifikasyon
Özetle
• Niçin nöronlar gibi bazı hücreler iskemik hücre ölümüne diğerlerinden daha hassas?
• Hücre belli bir ölüm tipini nasıl seçer? • Hücre ölümü birinden diğerine nasıl geçer? • Hücrenin ölüm yolunu belirleyen kriterler nelerdir? • Ne zaman hücrede ölüm geri dönülmez olur?
Apoptotic Cells in Thymus, Liver, and Intestine
Hotchkiss R et al. N Engl J Med 2009;361:1570-1583
Apoptotic and Necrotic Cell Death
Hotchkiss R et al. N Engl J Med 2009;361:1570-1583
Electron-Microscopical Detection of Autophagic and Necrotic Cell Death
Hotchkiss R et al. N Engl J Med 2009;361:1570-1583