Απόπτωση

Η απόπτωση είναι μια διεργασία προγραμματισμένου κυτταρικού θανάτου. Κατά τη διάρκεια της απόπτωσης το κύτταρο συρρικνώνεται, το ίδιο και η χρωματίνη, η μιτοχονδριακή μεμβράνη διαρρηγνύεται και το κύτταρο αποδομείται και σχηματίζει αποπτωτικά σώματα, τα οποία φαγοκυτταρώνονται, χωρίς φλεγμονή. Κατά τη διάρκεια της απόπτωσης έχουμε πρωτεϊνοσύνθεση. Η διαδικασία της απόπτωσης είναι καταστροφική και αυτοενισχυόμενη και μη αντιστρεπτή.
Η απόπτωση προκαλείται από πολλούς εξωκυτταρικούς και ενδοκυτταρικούς παράγοντες. Αποπτωτικοί παράγοντες είναι οι ιοι, η ακτινοβολία και η κόπωση ή και η αδυναμία επιδιόρθωσης του DNA. Επίσης, όταν τα κύτταρα του επιθηλιακού ιστού απομακρυνθούν από τον βασικό υμένα πεθαίνουν με απόπτωση. Η απόπτωση αποτελεί μέρος της ανοσοποιητικής απόκρισης. 
Η απόπτωση είναι εξαιρετικά σημαντική διαδικασία και λαμβάνει μέρος τόσο σε ενήλικα όσο και εμβρυικά κύτταρα. Στα έμβρυα τα κύτταρα πεθαίνουν όταν η δομή που σχηματίζουν δεν είναι πλέον απαραίτητη, όπως στην ουρά του γυρίνου ή στα δάκτυλα των άκρων. Άλλοτε, ο κυτταρικός θάνατος είναι απαραίτητος για τη ρύθμιση του κυτταρικού αριθμού. Τα καρκινικά κύτταρα ανθίστανται στην απόπτωση με αποτέλεσμα ο αριθμός τους να μεγαλώνει. Όμως και η αυξημένη απόπτωση είναι επιβλαβής επειδή οδηγεί σε εκφυλιστικές ασθένειες.

Διαδικασία

Πριν η πραγματική διαδικασία απόπτωσης λάβει χώρα, αποπτωτικά σήματα πρέπει να ωθήσουν τις ρυθμιστικές πρωτεΐνες να αρχίσουν το αποπτωτικό μονοπάτι. Αυτό το στάδιο επιτρέπει τα αποπτωτικά σήματα να προκαλέσουν το κυτταρικό θάνατο ή η διαδικασία να σταματήσει αν το κύτταρο δε χρειάζεται να πεθάνει. Πολλές πρωτεΐνες συμμετέχουν στην απόπτωση, αλλά έχουν αναγνωριστεί δύο κύριες μέθοδοι ρύθμισης, η στόχευση της λειτουργικότητας των μιτοχονδρίων (μονοπάτι εκ των έσω) ή άμεση με τη μεταβίβαση του σήματος μέσω πρωτεϊνών προσαρμογέων. Ένα άλλο εξωγενές μονοπάτι ενεργοποίησης που έχει μελετηθεί είναι η αύξηση της συγκέντρωσης ασβεστίου μέσα στο κύτταρο, που προκαλεί απόπτωση μέσω μιας πρωτεΐνης που προσδένει ασβέστιο, την καλπαΐνη (calpain).

Μιτοχονδριακή ρύθμιση

Τα μιτοχόνδρια είναι το μέρος όπου πραγματοποείται η αερόβιος αναπνοή. Χωρίς μιτοχονδρία, ένα κύτταρο πεθαίνει γρήγορα, ένα γεγονός που αξιοποιείται από κάποιες αποπτωτικές οδούς. Οι πρωτεΐνες της απόπτωσης που δρουν στα μιτοχόνδρια τα επηρεάζουν με ποικίλους τρόπους. Μπορεί να προκαλέσουν την διόγκωση του μιτοχονδρίου με το σχηματισμό μεμβρανικών πόρων ή μπορούν να αυξήσουν τη διαπερατότητα της μιτοχονδριακής μεμβράνης με αποτέλεσμα να προκληθεί απελευθέρωση ρυθμιστών της απόπτωσης. heat, radiation, Αυτά αποτελούν μέρος του εσωτερικού μονοπατιού ρύθμισης της απόπτωσης.
Μιτοχονδριακές πρωτεΐνες γνωστές ως SMACs (small mitochondria-derived activator of caspases) απελευθερώνονται στο κυτταρόπλασμα ως αποτέλεσμα της αύξησης στη διαπερατότητα. Οι SMAC προσδένουν σε πρωτεΐνες αναστολείς της απόπτωσης (ΙΑΡ, inhibitor of apoptosis proteins) και τις απενεργοποιούν, με αποτέλεσμα οι ΙΑΡ να αδυνατούν να σταματήσουν τη διαδικασία της απόπτωσης. Οι ΙΑΡ  επίσης καταστέλλουν μια οικογένεια άλλων πρωτεϊνών που ονομάζονται κασπάσες, που πραγματοποιούν την αποδόμηση του κυττάρου, άρα η διαπερατότητα των μιτοχονδρίων μπορεί να ρυθμίσει έμμεσα τη δράση των κασπασών.
Επίσης απελευθερώνεται από τα μιτοχόνδρια το κυτόχρωμα c, εξαιτίας του σχηματισμού ενός διαύλου, γνωστού ως MAC (mitochondrial apoptosis-induced channel), στην εξωτερική μιτοχονδριακή μεμβράνη και έχει ρυθμιστική δράση καθώς προάγει δράσεις σχετικές με την απόπτωση. Μόλις το κυτόχρωμα c απελευθερωθεί, προσδένεται στην πρωτεΐνη ενεργοποίησης της απόπτωσης 1 (APAF-1) και σε ATP, και στη συνέχεια προσδένεται στην προκασπάση-9 με αποτέλεσμα τη δημιουργία ενός πρωτεϊνικού συμπλόκου γνωστού ως αποπτώσωμα. Στο αποπτώσωμα η προκασπάση μεταπίπτει στην ενεργή μορφή της, την κασπάση-9, η οποία με τη σειρά της ενεργοποιεί την πρωτεΐνη καθοριστή κασπάση-3.
Οι πόροι MAC ρυθμίζονται από διάφορες πρωτεΐνες, όπως αυτές που κωδικοποιούνται από την οικογένεια αντιαποπτωτικών γονιδίων Bcl-2, που είναι ομόλογα με το γονίδιο ced-9 που αναγνωρίστηκε στο Caenorhabditis elegans. Οι πρωτεΐνες Bcl-2 είναι ικανές να προάγουν ή να καταστείλουν την απόπτωση δρώντας άμεσα πάνω στο MAC. Οι πρωτεΐνες Bax ή/και Bak σχηματίζουν το δίαυλο, ενώ οι πρωτεΐνες Bcl-2, Bcl-xL ή Mcl-1 εμποδίζουν το σχηματισμό του.

Άμεση σηματοδοτική οδός

Δύο θεωρίες σχετικά με την άμεση εκκίνηση των αποπτωτικών μηχανισμών στα θηλαστικά έχουν προταθεί: το μοντέλο που θεωρεί ότι η απόπτωση προκαλείται από τον παράγοντα TNF (παράγοντας νέκρωσης όγκων) και το μοντέλο σύνδεσης Fas-συνδέτη Fas. Και τα δύο μοντέλα περιλαμβάνουν τους υποδοχείς TNF (TNFR) να συνδέονται με εξωγενή σήματα.

Μονοπάτι του TNF

Ο TNF είναι μια κυτοκίνη παράγεται κυρίως από ενεργοποιημένα μακροφάγα και είναι το κύριο εξωκυττάριο ενδιάμεσο της απόπτωσης. Τα περισσότερα ανθρώπινα σωματικά κύτταρα έχουν δύο υποδοχείς TNF: TNF-R1 και TNF-R2. Η πρόσδεση του TNF στον TNF-R1 έχει αποδειχθεί ότι εκκινεί ένα μονοπάτι που οδηγεί στην ενεργοποίηση των κασπασών μέσω των πρωτεϊνών περιοχή θανάτου που σχετίζεται με τον υποδοχέα TNF (TNF receptor-associated death domain ή TRADD) και της πρωτεΐνης περιοχής θανάτου που σχετίζεται με το FAS (Fas-associated death domain protein ή FADD).  Η πρόσδεση αυτού το υποδοχέα μπορεί επίσης να οδηγήσει έμμεσα στην ενεργοποίηση μεταγραφικών παραγόντων που σχετίζονται με την κυτταρική επιβίωση και την αντίδραση σε φλεγμονές.

Μονοπάτι του Fas

Ο υποδοχέας Fas (γνωστός ως Apo-1 ή CD95) προσδένει τον συνδέτη Fas (FasL), μια διαμεμβρανική πρωτεΐνη που ανήκει στην οικογένεια TNF.  Η αλληλεπίδραση Fas και FasL έχει ως αποτέλεσμα το σχηματισμό του συμπλόκου DISC, το οποίο περιλαμβάνει το FADD, την κασπάση-8 και την κασπάση-10. Σε κάποιους τύπους κυττάρων (τύπου Ι), η κασπάση-8 ενεργοποιεί άμεσα άλλες κασπάσες και πυροδοτεί την εκτέλεση της απόπτωσης. Σε άλλους τύπους κυττάρων (τύπου ΙΙ), το Fas-DISC ξεκινά μια διαδικασία που έχει ως αποτέλεσμα την απελευθέρωση προαποπτωτικών παραγόντων από τα μιτοχόνδρια και την ενεργοποίηση της κασπάσης-8.

Κοινά στοιχεία

Μετά την ενεργοποίηση των TNF-R1 και Fas στα κύτταρα των θηλαστικών, εγκαθιδρύεται μια ισορροπία μεταξύ προαποπτωτικών και αντιαποπτωτικών παραγόντων. Αυτή η ισορροπία είναι η αναλογία προαποπτωτικών ομοδιμερών που σχηματίζονται στην εξώτερη μεμβράνη του μιτοχονδρίου. Τα προαποπτωτικά διμερή απαιτούνται για να γίνει διαπερατή η μιτοχονδριακή μεμβράνη σε ενεργοποιητές των κασπασών, όπως το κυτόχρωμα c και οι SMAC. Ο έλεγχος των προαποπτωτικών πρωτεϊνών σε κύτταρα που δεν βρίσκονται σε διαδικασία απόπτωσης δεν είναι καθόλου κατανοητός, αλλά γενικά, οι Bax και Bak ενεργοποιούνται από τις πρωτεΐνες BH3 που ανήκουν στην οικογένεια Bcl-2.

Κασπάσες

Οι κασπάσες παίζουν κεντρικό ρόλο στη μεταβίβαση των αποπτωτικών σημάτων. Οι κασπάσες είναι πρωτεΐνες που έχουν ρόλο πρωτεασών. Υπάρχουν δύο είδη κασπασών: οι εναρκτήριες κασπάσες, οι κασπάσες 8,9,10 και 2 και οι κασπάσες καθοριστές 3,6 και 7. Η ενεργοποίηση των εναρκτήριων κασπασών απαιτεί πρόσδεση με συγκεκριμένες μικρές πρωτεΐνες προσαρμογείς. Οι κασπάσες καθοριστές τότε ενεργοποιούνται από τις εναρκτήριες πρωτεΐνες με πρωτεολυτικές διαδικασίες. Οι ενεργές πρωτεΐνες καθοριστές τότε ενεργοποιούν άλλες ενδοκυττάριες πρωτεΐνες που φέρουν εις πέρας το αποπτωτικό πρόγραμμα.

Απομάκρυνση νεκρών κυττάρων

Η απομάκρυνση των νεκρών κυττάρων γίνεται από γειτονικά φαγοκύτταρα. Τα ετοιμοθάνατα κύτταρα που υπόκεινται τα τελευταία στάδια της απόπτωσης παρουσιάζουν στην επιφάνειά τους μόρια που αναγνωρίζονται από τα φαγοκύτταρα. Αυτά τα κύτταρα σηματοδοτούν τα κύτταρα για φαγοκυττάρωση από κύτταρα που κατέχουν κατάλληλους υποδοχείς, όπως τα μακροφάγα. Μετά την αναγνώριση, το φαγοκύτταρο αναδιοργανώνει τον κυτταροσκελετό του ώστε να ενδοκυτταρώσει το κύτταρο. Η απομάκρυνση των νεκρών κυττάρων από τα φαγοκύτταρα συμβαίνει χωρίς να προκληθεί φλεγμονώδης αντίδραση.