Természet adta hírközlési útvonalak alkalmazása vészhelyzetekben
Apoptózis útvonalak
description
Transcript of Apoptózis útvonalak
Az orvosi biotechnológiai mesterképzés megfeleltetéseaz Európai Unió új társadalmi kihívásainaka Pécsi Tudományegyetemen és a Debreceni EgyetemenAzonosító szám: TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011
APOPTÓZIS ÚTVONALAK
Az orvosi biotechnológiai mesterképzés megfeleltetéseaz Európai Unió új társadalmi kihívásainaka Pécsi Tudományegyetemen és a Debreceni EgyetemenAzonosító szám: TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011
Berki Tímea és Boldizsár FerencJelátvitel
TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011
„A természetes sejthalál”• Az „apoptosis” kifejezést a görögök a fák leveleinek,
a virágszirmok hullásának megnevezésére használják
• Professzor James Cormack, az Aberdeeni egyetem görög tanszékének vezetője javasolta ezt a kifejezést a programozott sejthalál folyamatára 1972-ben
TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011
Az apoptózis szerepe• Apoptózis, általánosságban előnyt jelent egy
szervezet életében: megfelelő válasz egy olyan jelre, amely egy adott sejt –az egész a szervezet számára szükséges és előnyös– pusztulását eredményezi
• Naponta 50 - 70 ezer milliárd (billió, 1012) sejt pusztul el naponta apoptózissal egy átlagos felnőtt emberben
• A programozott sejthalál a genomban kódolt folyamat
• Apoptózishoz nem szükséges új transzkripció vagy transzláció, amely azt jelzi, hogy a sejthalálhoz szükséges molekuláris komponensek a sejtben jelen vannak, csak megfelelő aktivációra várnak.
TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011
Mikor előnyös a szervezet számára? • Az egyedfejlődés, embriogenezis, metamorfózis és
szöveti atrófia során, amikor a szervek-szövetek formálása történik
• A szervezet össz-sejtszámának szabályozása során • A szervezet védelme, a nem kívánt vagy veszélyes
sejtek eltávolítása: tumorsejtek, vírussal fertőzött sejtek, valamint az immunválasz során felszaporodott effektor limfociták eltávolítása
• Az immunrendszer érése során szükséges az autoreaktív vagy felesleges limfociták eltávolítása
TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011
A sejthalál morfológiai lépései • A sejtmag kondenzálódása és
feldarabolódása • A citoplazma kondenzálódása és
fragmentálódása membránnal határolt apoptotikus testekké
• A kromoszómák feldarabolódása nukleoszómákra (nukleoszóma létra)
TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011
Apoptózist elindító jelekExtracelluláris: • Hormonok, pl. a tiroxin, amely az ebihal farkának apoptózisát
eredményezi • Túlélési szignálok hiánya, pl. hiányzó növekedési faktorok• Sejt-sejt kontaktus szomszédos sejtekkel• Toxinok, nitrogén-oxidok, citokinek• Megnövekedett intracelluláris kálcium → calpain termelés
(kálcium-kötő proteáz)Intracelluláris: • Ionizáló sugárzás, hő, tápanyag-megvonás • Vírus fertőzés • Oxidatív sérülés szabadgyököktől és hypoxia miatt • Glükokortikoidok
TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011
Az apoptózis mechanizmusa: kaszpázok• Egy kaszpáz nevű proteáz fehérje család (emberben
kb. 10) jelenléte szükséges a programozott sejthalálhoz
• Kaszpázok: caspase - cys containing-asp specific protease
• Endoproteázok, aktív Cys (C) kötőhellyel, amelyek az Aszparagin (asp) N-terminális végénél hasítanak
• Ezek a proteázok inaktív állapotban vannak a sejtben és limitált proteolízissel aktiválódnak
• A kaszpázok kaszkádot alkotnak• Inaktív formában pro-kaszpázokként termelődnek
TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011
Iniciátor kaszpázok• Az iniciátor kaszpáz aggregálódik, a kritikus
koncentrációt elérve aktiválódik• Az iniciátor kaszpáz prodoménje CARD
domént (pl. a kaszpáz-2 és -9) vagy death domént (DED) (kaszpáz-8 és -10) tartalmaz, amely lehetővé teszi az aktivációjukat szabályozó molekulákkal való interakciót
• Az aktiválódott iniciátor kaszpáz aktiválja az effektor kaszpázokat
TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011
A kaszpáz kaszkád aktivátorai • Granzyme B: szerin proteáz (citotoxikus T-
limfociták és NK sejtek termelik), amely aktiválja a kaszpáz-3-at és -7-et
• Halál receptorok: Fas, TRAIL receptorok és TNF receptorok, amelyek a kaszpáz-8-at és -10-et aktiválják
• Apoptoszóma: citokróm-c és a Bcl-2 fehérjecsalád szabályozza, a kaszpáz-9-et aktiválja
TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011
A fő apoptózis útvonalak összefoglalása
Halál ligandok(FasL, TRAIL, TNF)
Stimulus(Citokin hiány, vírusfertőzés,
DNS-károsodás, irradiáció, sejtes stressz)
Pro-Kaszpáz-8
FADD
Kaszpáz-9
Cytc
Apaf-1
Smac
FLIP
AktívKaszpáz-8
EffektorKaszpázok
Bax Bak
BH3 onlymolekulák
Anti-apoptotikusBcl-2 család tagjai
Halál receptorok(FasL, TRAIL, TNF)
Mitokondrium
Apoptoszóma
DISC
IAPs
Apoptózis
INTRINSZIKEXTRINSZIK
XIAPcIAP-1cIAP-2
Survivin
Kináz
Foszfatáz
Enzim
Ciklin, pro-apoptotikus
Túlélést serkentő
GTP-áz
GAP/GEF
Kaszpáz
Transzkripciós faktor
TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011
Intracelluláris (intrinszik) apoptózis útvonal• A mitokondrium központi szerepe: csatornák
kinyílása, ezeket aspecifikus belső membrán permeábilitási tranzíciós pórusnak hívjuk
• A belső membrán sérülése az elektrokémiai potenciál összeomlását eredményezi
• Citokróm-c, Smac/DIABLO, Omi/HtrA2, AIF és endonukleáz-G áramlik ki a membránok közti térbe, ahol a citoplazmatikus Apaf-1 (apoptotic protease activating factor-1) fehérjéhez kötődnek
• Az Apaf-1 aktiválja az iniciátor kaszpáz-9-et a citoplazmában
TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011
Mitokondriális apoptózis útvonal
Cytc
Bcl-2Bcl-2
Bcl-2Bad
BaxBax
Bcl-2Bax
Kaszpáz-9
Cytc Apaf-1 Apoptoszóma
Mitokondrium
BadP
PP
Bad
Kaszpáz kaszkád
Apoptotikus jel
PT Pórus
PP
P
TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011
Permeábilitási tranzíciós pórus • Külső membrán protein (porin, a voltage-gated anion
channel - VDAC) és • Belső membrán fehérje (adenine nucleotide
translocator – ant) alkotja• Ezen a csatornán át bármely, MW 1500-nál kisebb
molekula szabadon kiáramlik • Ez a protongrádiens összeomlását okozza, amely
szétkapcsolja az oxidációt és foszforilációt a mitokondriumban
TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011
Apoptoszóma
Apaf-1Apaf-1
Apaf
-11 Apaf-1
Apaf-1
Apaf-1
Apaf-1
CytcCytc
Cytc
Cytc
CytcCytc
Cytc
Apoptoszóma kialakulása Pro-kaszpáz-9 toborzása
Kaszpáz aktiváció
Pro-kaszpáz -9
TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011
Bcl-család
Anti-apoptotikusBH4 BH3 BH1 BH2
BH4 BH3 BH1 BH2 TM Bcl-2, Bcl-XL
BH3 BH1 BH2 TM Bax, Bak
BH4 BH3 BH1 BH2 TM Diva
BH4 BH3 TM Bcl-Xs
BH3 TM Bik, Bim
BH3 Bad, Bid, Egl-1
Pro-apoptotikus
Mcl1, CED9A1, Bfl-1
TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011
Mi okozza a változásokat a mitokondriumban? • Besugárzás vagy másodlagos messengerek, pl. ceramid
hatására az oxidatív foszforiláció és az elektron transzport összeomlása
• A sejt redox potenciáljában beállt változások és reaktív oxigén termékek (reactive oxygen speciesek - ROS) képződése
• Sugárzás vagy ROS okozta DNS sérülés p53 fehérje expressziót indukál, ez a sejtosztódás gátlásához vagy apoptózishoz vezet megakadályozva a sérült sejt tumorsejtté alakulását. A p53 így tumor szuppresszor gén; a vizsgált humán tumorok kb. 50%-ában mutáció következtében inaktiválódik. A p53 mutációja kb. 14 különböző gén expresszióját indukálhatja. Ezen gének termékeit a sejt többnyire az oxidatív stressz vagy az arra történő válasznál használja. A sejtek oxidatív sérülése p53 apoptózist okoz.
• Jelátviteli folyamatok miatt emelkedett intracelluláris kálcium ion koncentráció
TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011
Apoptózis útvonalak aktivált T-sejtekben
T-sejt alcsoport Útvonal
Bulk aktivált T sejtek Fas/FasL
Th1 Fas/FasL
Th2 Granzyme B
Th17 Fas/FasL?
Tc1 Fas/FasL/Granzyme B
Tc2 ?
Treg, gdT sejtek, NK, NKT ?
TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011Extracelluláris (extrinszik) apoptózis útvonal: halál receptorok• Aktiváció után pár nappal az aktivált immunsejtek
Fas-t (CD95) kezdenek el expresszálni, amely eltávolításukat célozza
• Stressz hatására bizonyos sejtek Fas és Fas-ligand (CD95L) expressziója egyaránt megindul, a sejtek önmagukat pusztítják el
• A legtöbb sejt expresszál Fas-t ; ligandja azonban főként az aktivált T-sejteken jelenik meg
TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011
A halál-receptorok szerepe: FasFAS receptor (más néven Apo-1 vagy CD95):• FADD (Fas-asszociált halál-domén) a CD95 aggregált
citoplazmatikus doménjéhez kötődik (az un. halál-doménhez)
• majd az inaktív kaszpáz-8 és 10 toborzását végzi → death-inducing signaling complex (DISC)
TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011
TNF receptor közvetítette apoptózis I.
FADD TRADD
FasL TNF-a
Fas/CD95
TNFR-1 TNFR2
TNF-a
ASK1RIP Kaszpáz-8,-10
Daxx
RAIDDTRAF2
RIPFADD
ASK1
DAPK c-IAP1/2 TRAF2
Kaszpáz-8,-10
FADDTRADD
APO-3L/TWEAK APO-2L/TRAIL
DR4/5
Kaszpáz-8,-10
DR3APO-3
FADDTRAF2
RIPKaszpáz-8,-10
TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011
TNF receptor közvetítette apoptózis II.
TRADD FADDFADD TRADD
FasL TNF-a APO-3L/TWEAK APO-2L/TRAIL
Fas/CD95
TNFR-1 TNFR2 DR3APO-3
DR4/5
TNF-a
FADDASK1
DAPKRAIDDTRAF2
RIP TRAF2RIP
NIK
Kaszpáz-8,-10 Kaszpáz-8,-10
Daxx
FADD
Kaszpáz-6Kaszpáz-9
Kaszpáz-7
MKK7
IKK
Lamin A Actin Gas2Fodrin Rock-1 ICAD
CAD
Acinus PARP
Cytc
NF-kB
Sejt zsugorodásMembrán kitüremkedés
DNSfragmentáció
Kromatinkondenzáció
DNS repair
FLIPs
Kaszpáz független sejthalál
Bcl-2
tBid
Bid
Apaf-1
Kaszpáz-3
FLIP
lkBNF-kB
ASK1
TRAF2
Apoptózis
Bcl-2
HtrA2
Smac
xIAPs
UBUBRIP
JNK
c-IAP1/2
TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011
TNFR jelátvitelTNF-R1 a legtöbb szövetben expresszálódik →
szolubilis és membrán kötött TNF TNF-R2 csak immunsejtekben expresszálódik →
kizárólag membrán kötött TNFHatások:• IKK → IkB → NFkB → A sejt túlélésében és
osztódásában, illetve gyulladásban szerepet játszó és anti-apoptotikus fehérjék transzkripciója
• MKK7 → JNK → AP-1→ Sejt differenciáció, proliferáció, pro-apoptotikus
• Kaszpáz-8 → Kaszpáz-3 → Apoptózis indukció• Kaszpáz-8 → Bid → Apoptózis indukció
TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011
Apoptózis szabályozása• Apoptózis inhibitorok: Bcl-2 és Bcl-X• Hidrofób farokrészükkel a mitokondrium, a sejtmag vagy
az endoplazmatikus retikulum külső felszínéhez kötődnek • Bcl-2 kötődik az Apaf-1-hez is, és így gátolja az iniciátor
kaszpáz-9 aktivációját• A Bcl-2 overexpressziója a sejt tumoros átalakulását
okozza. Bizonyos vírusok IAP-k (inhibitors of apoptosis) termelődését indítják el
• Bcl-xL gátolja a Bax, Bak, Bid és cardiolipin által kialakított szuper-molekuláris lyukak kialakulását
• A család más tagjai, mint a Bax és Bad a mitokondriumhoz kötődve serkenti az apoptózist citokróm-c felszabadulást okozva
TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011BID – híd az extracelluláris és mitokondriális apoptózis útvonalak között• Az aktivált kaszpáz-8 a citoszolikus Bid fehérje amino
terminális részének hasítását okozza, a keletkező t-Bid transzlokálódik a mitokondriumba az apoptózis során
• Bid (BH3 interacting domain death agonist) pro-apoptotikus tagja a Bcl-2 fehérjecsaládnak
• Bid kapcsolódik a Bax-hoz, amely ennek hatására a külső mitokondriális membránba ágyazódik
• A Bax ezen kívül kapcsolódik a mitokondriális voltage-dependens anion csatornához (VDAC) és indukálja annak kinyílását
• Az anti-apoptotikus Bcl-2 fehérjék gátolhatják az apoptózist a BID szequesztrálásával, amely csökkent Bax aktivációhoz vezet
TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011
Effektor molekulák1. Kaszpáz aktiváció → DNS endonukleáz aktiváció →
DNS károsítás2. Kaszpáz-3 bontja a gelsolint → bontja az aktin
filamentumokat → membrán változásokhoz vezet3. Apoptózis alatt a normál állapotban a sejtek amúgy
a sejtmembrán belső felszínén található foszfatidilszerin molekulái kikerülnek a sejtmembrán külső felszínére → ezt felismerik és kötik a fagocita sejtek receptorai
4. Kaszpáz-3 aktiválja a p21-aktivált kináz-2-t (PAK-2) → amely apopotikus testek képződéséhez vezet
TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011
Membrán lipid transzport „scramblázokkal”• A scramblázok tagjai a flippáz nevű transzmembrán
lipid transzporter családnak, amelyek a negatív töltésű foszfolipideket átemelik a belső membrán felszínéről a külsőre és fordítva
• Foszfatidilszerin (PS) transzlokálódik a külső membránba, amely fagocita szignál a makrofágoknak az apoptotikus sejtek eltakarítására
TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011
PS jelölés Annexin-V-el
Annexin V
Normál sejt
Citoplazmamembrán
Foszfatidilszerin
Apoptózis
Apoptotikus sejt
Annexin V kötődésCa2+ Ca2+ Ca2+
Ca2+
TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011
Efferocitózis• Az efferocitózis hatására az elpusztult sejtek
felvételre kerülnek, mielőtt a membrán integritásuk sérülne, így a sejt tartalma nem jut ki a környező szövetekbe
• Ez megakadályozza, hogy a szövetekbe toxikus enzimek, oxidánsok és más intracelluláris komponensek, pl. proteázok és kaszpázok kijussanak
• Makrofágok, dendritikus sejtek, fibroblasztok és epitél sejtek végzik
TÁMOP-4.1.2-08/1/A-2009-0011
Sejtfelszíni jelenségek is gátolhatnak apoptózist • Túlélési faktorok kötődése (mint növekedési faktorok)
a sejt felszíni receptorokhoz leállíthatják a apoptózis útvonalakat a sejtben
• Ezek PI-3-kináz (foszfoinozitol-3-kináz) kapcsoltak a G- fehérje ras (p21) molekulán keresztül → PI-3,4-P2 és PI-3,4,5-P3 termelődik, amely aktiválja az Akt-ot, egy Ser/Thr protein kinázt → ez foszforilálja a pro-apoptotikus Bad fehérjét, amely így inaktiválódik
• Az aktív Akt prokaszpázt foszforilál → nem tud a citokróm-c-hez kapcsolódni, így gátolva az apoptózist.