Apoptozis

APOPTOZİS,
PROGRAMLANMIŞ HÜCRE ÖLÜMÜ
Prof. Dr. Süleyman DAŞDAĞ
D.Ü. Tıp Fakültesi Biyofizik Anabilim Dalı, Diyarbakır
Not: Bu sunum, U.Ü. Tıp Fakültesi Biyokimya
Anabilim DalıÖğretim üyesi Doç. Dr. Engin Ulukaya’
nın APOPTOZİS DERS NOTLARI ve bu sunumda
belirtilen kaynaklardan yararlanılarak hazırlanmıştır.
Apoptozis terimi,
ilk kez İskoçyalı araştırmacılar olan Kerr,
Wyllie ve Currie tarafından 1972 yılında
kullanılmıştır.
Ökaryotik organizmadaki hücreler doğarlar,
belirli bir süre yaşarlar ve sonra ölürler.
(Bowen, 1998)
Ökaryotik hücre: nükleusu bir membran ile çevrili olan hücreler
Yaşam süresi,
hücre tipine göre değişmektedir.
Örneğin,
barsak hücreleri 3-5 günlük,
derinin epidermal hücreleri 20-25 günlük
bir yaşam süresi sonunda ölmektedirler.
Miyokard kası hücreleri veya nöronlar ömür
boyu yaşarlar.
Fakat buna rağmen,
miyositlerimizin veya nöronlarımızın kabaca
%10-15’ini ömrümüzün sonuna doğru
kaybetmekteyiz.
Nöronların çok sayıda ölmesi, ancak
sinapsların tam olarak oluşmadığı dönemden
önce olur.
Bu dönemde,
doğumda aşırı sayıda olan nöronların
sayısı uygun sinaptik ağın sağlanabilmesi
için azalır.
Optimum sayıda nöronun, optimum sayıda
sinaptik bağlantı içinde olabilmesi için,
nöron kayıpları gereklidir.
Bahsedilen bu hücre ölümleri apoptozisle
gerçekleşir.
Zamanı gelince ölen hücreler, daha
önceden programlanmış bir şekilde ölürler
(programmed cell death).
Programlanmış ölüm
Tüm bu ölümler,
fizyolojik şartlarda meydana geldiği için,
bu ölüm şekli fizyolojik hücre ölümü
(“physiological cell death”) olarak da
adlandırılır.
DNA
DNA
Doku homeostazisi için, hücreler ortamdan
ölerek kaybolurlar.
(cell deletion)
Apoptozisle eş anlamlı olarak kullanılabilen tanımlar
• Programlanmış hücre ölümü,
• Fizyolojik hücre ölümü,
• Hücre intiharı,
• Hücre kaybı
Apoptotik hücreler,
organizmanın bazı dokularında ve
hücrelerinde sürekli oluşur
ve
bu oluşum ömür boyu devam eder.
Ölüm (apoptozis) ve yeniden yapım (mitozis)
dokularda doku homeostazisini oluşturmak
üzere dinamik bir denge halinde sürer.
http://www.med.yale.edu/obgyn/reproimmuno/presentations/FasLsystem/ppframe.htm
Normal apoptotik hücre ölümü ve yerine
yeni hücre yapımının (tissue remodelling)
günde yaklaşık 1x1011 hücreyi bulduğu
hesaplanmaktadır.
Hücre ölümü ve yeniden yapımı,
yetişkin bir insanın vücut ağırlığının
her 18-24 ayda bir yeniden yapım ve
yıkımı anlamına gelmektedir.
DNA hasarı oluşmuş hücreler, sıklıkla
apoptozisle kendilerini öldürürler.
Apoptozise gidemeyen ve genetik olarak
değişmiş hücreler, ileride kanser gelişimine
neden olabilirler.
http://www.med.yale.edu/obgyn/reproimmuno/presentations/FasLsystem/ppframe.htm
http://www.med.yale.edu/obgyn/reproimmuno/presentations/FasLsystem/ppframe.htm
İnsan embriyosunun el parmakları arasında
bulunan perdelerin, buradaki hücrelerin
apoptozisle ölmesi sonucu kaybolduğu
düşünülmektedir.
Apoptozisin bozulduğu hastalıklar
 Viral infeksiyonlar
 Nörodejeneratif hastalıklar
 Organ transplantasyonları
 İnsüline bağımlı tip diabet
 AIDS
 Malign hastalıklar
Bcl-2 bir apoptozis inhibitörüdür
İnhibitör: yavaşlatıcı
p53 güçlü bir apoptozis indükleyicidir.
İndüklemek: Başlatmak, Teşvik etmek
Vücudun immün sistemi, viral enfeksiyonlarla
savaşır.
Sitotoksik
“killer” T
lenfositleri
apoptozisi indükler
virüsle
enfekte
olmuş
Hücre
ölür
Nöronlar,
sinaptik bağlantılar uygun şekilde
kurulduktan sonra, bir daha bölünemeyen
yani çoğalamayan hücrelerdir.
Kalp kası gibi.
Nöronlar, yenilenemediklerinden ömür boyunca
yaşarlar.
Son yıllarda ise,
Alzheimer, Parkinson, Hutchinson gibi
hastalıklarda, nedeni henüz bilinmeyen
bir şekilde, apoptozisin indüklenerek
nöronların öldüğü düşünülmektedir.
Daha
uzun
süre
yaşar
Hücre
Potansiyel
malin
hücre
genomlarda
mutasyon
birikimi
Her saniyede, yaklaşık bir milyon hücremiz
apoptozisle vücudumuzdan uzaklaştırılmaktadır.
Bunların yerine yenileri yapılmaktadır.
Yapım (mitozis) ile yıkım (apoptozis) arasında
kontrollu bir denge vardır.
Terazi Resimleri:http://www.hukuki.net/simge/resim/folderview.asp?folder=terazi
Dengenin apoptozisin lehine veya aleyhine
bozulması birçok önemli hastalığın
patogenezine katkıda bulunur.
Terazi Resimleri:http://www.hukuki.net/simge/resim/folderview.asp?folder=terazi
Apoptozis, organizmada doğru bir şekilde işlemelidir.
Olmaması
gerekirken
gerçekleşen
apoptozis
Hızlanmış
apoptozis
Yavaşlamış
apoptozis
Organizma için tehlikelidir
Olmaması
gerekirken
gerçekleşen
apoptozis
AIDS
Nörodejeneratif hastalıklar
İnsüline bağımlı tip diyabet
Hepatit C infeksiyonu
Hızlanmış
apoptozis
Miyokard enfarktüsü
Ateroskleroz
Yavaşlamış
apoptozis
Otoimmün
hastalıklar
Kanser
Apoptozis ≠ Nekrozis
Nekrozis, klasik hücre ölüm şekli olarak bilinir
Nekrozis, fizyolojik bir ölüm şekli değildir
Apoptozis, hem fizyolojik hem de patolojik
şartlar altında meydana gelebilir.
Nekrotik
hücrenin
plazma membranı
bütünlüğünü kaybeder
ve hücre içinden
dışına hücre içi
materyallerinin
çıkışı
gerçekleşir.
Apoptotik hücre
membranı intaktır
ve üzerinde
küçük cepcikler
“membrane blebs”
oluşur.
Nekrotik
hücre lizise
uğrar.
Apoptotik hücre
küçük cisimciklere
(apoptotik bodies)
parçalanır.
Apoptotik cisimcikler membranla kaplıdır ve
değişen miktarlarda nukleus, veya diğer
hücre içi yapılar içerirler.
Nekroziste, hücre içeriğinin dış ortama
salıverilmesi sonucu inflamasyon oluşur.
Apoptozisde, apoptotik hücre veya cisimcikler
plazma membranları zarar görmeden, komşu
hücreler veya makrofajlar tarafından fagosite
edildiklerinden inflamasyon oluşmaz.
Apoptozis çok sayıda ve çeşitte mediatör
tarafından düzenlenir. Bunlar;
Bazı iyonlar (kalsiyum),
Moleküller (seramid),
Genler (c-myc),
Proteinler (p53),
Organeller (mitokondri) dir.
Apoptotik
süreç
boyunca,
hücre
içine
sürekli
kalsiyum
girişi
olur.
Ca
Ca
Ca Ca
Ca
Ca
Ca
Ca
Ca
Ca
Ca
Ca
Ca
Ca
Apoptotik
süreçteki
hücre
Ca
Ca
Ca Ca
Ca
Ca
Ca
Ca
Ca Ca
Ca
Ca
Ca
Ca Ca
Ca
Bcl-2 ailesi
Apoptozisi indükleyen
Bax, Bad, Bid, Bcl-Xs
Apoptozis inhibe eden
Bcl-2, Bcl-Xl
Bcl-2 ailesinin görev dağılımı
Pro-apoptotik
Anti-apoptotik
Mitokondriyi etkilerler
Sitokrom c
sitoplazmaya
salıverilir
Sitokrom
c’nin
sitoplazmaya
salıverilmesi
baskılanır
Pro ve anti-apoptotik Bcl-2 üyelerin dengesi,
yaşam ile ölüm arasındaki seçeneği belirler.
Proapoptotik Bcl-2
Antipoptotik Bcl-2
Pro-apoptotik Bcl-2 ailesi üyelerinin
en iyi bilinenleri
Bax
Bcl-Xs
Bad
Bim
Bak
Bok
Bid
Anti-apoptotik Bcl-2 ailesi üyelerinin
en iyi bilinenleri
bcl-2,
bcl-Xl,
Mcl-1
Bcl-2’nin mitokondri ile olan ilişkisinden dolayı,
antioksidan bir etkiye sahip olduğu
ve
böylece oksidan stresin neden olduğu apoptozisi,
baskılayabildiği bulunmuştur.
Bcl-2 geni, ilk olarak insan B hücreli foliküler lenfomada
tanımlanmıştır.
Bu lenfoma
tipinde, Bcl-2
normalden uzun
yaşam
sürelerine neden
olur.
Böylece malignite
oluşumuna zemin
hazırlamaktadır.
Bcl-2, özellikle mitokondri dış membranında
bulunmakta ve iyon transportunu
düzenlemektedir.
Bax sitozolde bulunur.
Apoptotik
uyarı alınması
halinde mitokondri
membranına
bağlanır.
Sonuçta
sitokrom c ve
apoptozis-indükleyici
faktör olarak bilinen
AIF’ün mitokondriden
sitozole çıkmasını
sağlar.
Burada
küçük
delikçikler
“pore”
oluşumunu
indükler.
Böylece selektif iyon
permeabilitesi kaybolur.
Seramid,
membrana bağlı
asid sfingomyelinaz
aktivasyonunun
bir ürünüdür.
Plasma membran
hasarına karşı
bir sinyal olduğu
düşünülmektedir.
Radyasyon
veya
Kemoterapi
Vb.
Hücreye,
DNA’sını
tamir
edebilmesi
için zaman
kazandırır.
Hücre
P53,
hücre
siklusunu
G1
fazında
durdurur
DNA hasarı
(tek veya çift
bağ kırılması,
nükleotid
eksikliği)
oluştuğunda
Eğer hasar
onarılabilecek
düzeyde ise
Bax
ekspresyonunu
artırır
Bcl-2/Bax
oranı
değişir
p53
apoptozisi
indükler
Sitokrom c, mitokondri iç membranında
bulunan, bir elektron transport zinciri
proteinidir.
Bu yüzden de sitokrom c’nin mitokondriden
sitoplazmaya salıverilmesi, apoptozis yoluna
girmiş bir hücrede irreversibl bir döneme
girildiğini işaret eder.
mitokondriler
http://tr.wikipedia.org/wiki/Resim:Animal_cell_structure.svg
Sitokrom c,
mitokondriden
apoptozisindükleyici
faktör (AIF)
ile birlikte
sitoplazmaya
salınır.
AIF
AIF
AIF
AIF
AIF
AIF
AIF
AIF
Sitokrom c
Apoptozom
+
ATP’nin de
katılımıyla
Apaf-1
Sitokrom c,
Apaf-1 i
Aktive eder
Apaf-1 (apoptotic protease activating factor-1) : Sitoplazmik bir proteindir
Apoptozom
ICAD’ünün
bağladığı
kaspazlaaktifleşen
deoksiribonükleaz
serbestleşir
Kaspazla
Aktifleşen
Deoksiribonükleaz
İnhibitörünü
inaktifleştirir
ICAD: inhibitor of caspase-activated deoxyribonuclease
Aktif kaspaz 3
Kromatin
Kondensasyonu
ve
Oligonükleozomal
DNA
fragmentasyonu
İnaktif olan prokaspaz-9’un, aktif
kaspaz-9 haline dönüşmesini sağlar.
Aktif kaspaz-9
ise efektör
Kaspazlardan
prokaspaz 3’ü
aktive eder.
Apoptozis
Kaspaz-bağımlı
apoptozis
Kaspaz-bağımsız
apoptozis
Kaspaz’lar, zimojen (inaktif haberci)
olarak sitoplazmada bulunan ve aktif
merkezlerinde sistein yer aldığından, sistein
proteazlar olarak adlandırılan bir grup
enzimdir.
Şu ana kadar kaspazların 14 tanesi tanımlanmıştır
ve çoğu apoptozisde rol almaktadır.
Kaspaz-1 (ICE)
Kaspaz-2 (ICH-1, Nedd-2)
Kaspaz-3 (CPP32, Apopain, Yama)
Kaspaz-4 (ICH-2, TX, ICEreıı)
Kaspaz-5 (ICErelııı, TY)
Kaspaz-6 (Mch2)
Kaspaz-7 (ICE-LAP3, Mch3, CMH-1)
Kaspaz-8 (FLICE, Mch5, MACH)
Kaspaz-9 (Mch6, ICE-LAP6)
Kaspaz-10 (Mch4)
Kaspaz-11 (ICH-3)
Kaspaz-12
Kaspaz-13 (ERICE)
Kaspaz-14 (MICE)
Kaspazlar
Başlatıcı kaspazlar
( 2, 8, 9, 10)
Sonlandırıcı kaspazlar
(3, 6, 7)
Başlatıcı
kaspazlar
Apoptotik uyarıyla başlayan ölüm sinyalleri
ilgili proteinleri parçalar
Apoptotik
hücre
Morfolojisi
oluşur
Sonlandırıcı
kaspazlar
DNA tamirinde rol alan poli (ADP-riboz) polimeraz (PARP),
Hücre iskeleti proteinleri aktin veya fodrin,
Nükleer membran proteini lamin A
Kaspaz
İnhibitörleri
(IAP)
Kaspazları selektif olarak inhibe ederler
IAP: Inhibitors of apoptosis
Apoptotik
mekanizma
durur
Kaspaz bağımsız apoptozis,
mitokondriden salıverilen bir faktör olan
AIF’ün etkisiyle gerçekleştirilir.
Fakat, AIF’ün etkilediği nükleazın ne olduğu
henüz bilinmemektedir.
AIF: apoptosis indükleyici faktör
Granzim (“Granzyme”) ler,
patojenle enfekte edilmiş hücrelerin veya
tümör hücrelerinin ortadan kaldırılmasında
etkin rol oynarlar.
Patojenle
enfekte
hücre
Granzim
Patojenle
enfekte
hücre
Tümör
hücre
Tümör
hücre
Patojenle
enfekte
hücre
Tümör
hücre
Hücrelerin
yok
edilmesi
Sitotoksik
lenfosit
(CTL)
bağlanma
Hedef Hücre
perforinler
salgılanır
Perforin porlar,
sitozolik kalsiyum
düzeylerinin
hızla artmasına
yol açar.
Enfekte hücre
veya kanser
hücresini
apoptozise
gitmesi
Hücre içinde
prokaspaz 8’in
aktivitesi,
kaspaz
kaskadını
başlatır.
Perforinle
salgılanan
ve bir serin
proteaz
olan granzim de
bu porlar
aracılığıyla
hücreye girer
Apoptozis inhibitörleri birçok malign hücre
tarafından aşırı eksprese edilmektedirler.
Apoptozis inhibitörleri ayrıca hücre siklusunu
da etkileyerek apoptozisi durdurabilirler.
Kaspazlardaki defektler,
otoimmun hastalıklara,
kansere
ve
bazı nörolojik bozuklukların oluşumuna
katkıda bulunabilir.
Apoptozisin indüklenmesi
Apoptozis klasik olarak,
hücre ölüm reseptörleri olarak bilinen Fas
(diğer isimleriyle APO-1, CD95)
ve
tümör nekroz faktör reseptörü-1 (TNFR-1)’in
ilgili ligandlarının etkileşime girmesi
(uyarılmaları) sonucu indüklenir.
Apoptozisin indüklenmesi
• Fas ve TNFR-1 gibi hücre yüzey reseptörleri
membranda bulunur ve TNFR ailesinin
üyesidirler.
Apoptozisin indüklenmesi
Fas (diğer adlarıyla APO-1, CD95)
•
lenfoid hücrelerde,
•
hepatositlerde,
•
bazı tümör hücrelerinde,
•
akciğerlerde,
•
hatta miyokardda
bulunurlar.
Apoptozisin indüklenmesi
• Fas’ın ilgili ligandına Fas ligand (FasL)
denir.
• FasL, tümör nekroz faktör (TNF) ailesinin
bir üyesidir.
• FasL sitotoksik T lenfositlerinde ve
“natural killer” hücrelerde bulunur.
Apoptozisin indüklenmesi
Fas
Ligandlarıyla bağlandıklarında
bir seri
protein:protein
interaksiyonu
TNFR-1
ölüm
uyarısı
FADD
ile
etkileşim
TNFR
TRADD
ile
etkileşim
Bu ölüm bölgeleri
FAS
Prokaspaz 8
aktifleşir
Kaspazların
kaskad tarzında
aktivasyonları
başlar.
TRADD:TNFR-1 associated death domain
FADD: Fas associated death domain
TRADD ve FADD, TNFR ve FAS’a bağlı doğal ölüm bölgeleridir.
Hücre içinde, bu ölüm bölgelerini inhibe
eden proteinler (FLIP) de bulunmaktadır.
Örneğin,
kaspaz 8 (FLICE), FLIP’i inhibe eder. FLIP: FLICE-inhibitory protein
APOPTOZİSİN İNDÜKLENME ŞEKİLLERİ
DNA
A
P
O
P
T
O
Z
İ
S
Ağır
hasara
uğramış
DNA
APOPTOZİSİN İNDÜKLENME ŞEKİLLERİ
A
P
O
P
T
O
Z
İ
S
APOPTOZİSİN İNDÜKLENME ŞEKİLLERİ
A
P
O
P
T
O
Z
İ
S
Fas ve DR5: Hücre yüzey ölüm reseptörleri
APOPTOZİSİN İNDÜKLENME ŞEKİLLERİ
reaktif
oksijen
radikalleri
genom
A
P
O
P
T
O
Z
İ
S
APOPTOZİSİN İNDÜKLENME ŞEKİLLERİ
Apoptozis, büyüme faktörlerinin ortamdan
eksilmesiyle de başlatılabilir.
Örnek;
Hücre kültür ortamında büyütülen hücreler,
eğer serum açlığı (“serum starvation”)’na
maruz bırakılırlarsa apoptozisle ölürler.
APOPTOZİSİN İNDÜKLENME ŞEKİLLERİ
Proapoptotik
Bcl-Bad
Bad
aktifleşir
fosforillenememe
sitokrom
c
A
P
O
P
T
O
Z
İ
S
Proapoptotik: Apoptozis uyarıcı
sitokrom
c
sitokrom
c
Mitokondriresmi: http://www.lab314.com/
APOPTOZİSİN İNDÜKLENME ŞEKİLLERİ
Granzim
B
Granzim
B
Granzim
B
sitotoksik T Granzim
B
lenfositler
Granzim
B
Granzim
B
Granzim
B
Granzim
B
Hedef Hücrede
Kaspaz Sisteminin
Aktifleşmesi
Granzim
B
APOPTOZİSTE MİTOKONDRİNİN ROLÜ
Apoptozisi başlatan yolların kesiştiği kavşak
nokta, mitokondridir.
APOPTOZİSTE MİTOKONDRİNİN ROLÜ
Mitokondrinin aktivasyonu,
apoptotik süreçte geri dönüşümsüz bir
yoldur.
Mitokondri aktivasyonu: Sitokrom c’nin mitokondriden sitoplazmaya salıverilmesi
APOPTOZİSTE MİTOKONDRİNİN ROLÜ
Mitokondrinin aktivasyonuna yol açan
en önemli faktör, Bcl-2 ailesidir.
-Apoptozisin indüksiyonu
-Hücre yüzey ölüm reseptörlerinin uyarılması
-Sitokrom c’nin salıverilmesi
-Apoptozom oluşumu (sitokrom c+Apaf-1 +kaspaz-9)
-Mitokondriyal transmembran potansiyel-in değişmesi
-Kaspazların aktivasyonu
-Fosfatidilserinin hücre membranının iç yüzünden dış yüze transloke
olması
-DNaz’ın aktivasyonu sonucu DNA’nın fragmentasyonu
(internukleozomal DNA fragmentasyonu)
- Yapısal proteinlerin yıkılmasına bağlı olarak apoptozise özgü
morfolojik değişikliklerin meydana gelmesi
TEŞEKKÜRLER