Apoptozisin Önemi

DERLEME
Apoptozisin Önemi
Sibel Öktem, Mustafa H. Özhan, Duygu Özol
Ege Üniversitesi Týp Fakültesi Göðüs Hastalýklarý Anabilim Dalý, Ýzmir
ÖZET
Apoptozis, embriyo döneminden ölüme kadar pek çok fizyolojik veya patolojik olayda izlenen programlý hücre
ölümüdür. Hücre ölümü sürecinde, hücre yüzeyinde, yüzey organellerinde ve nükleusta çeþitli deðiþiklikler izlenir. Bu derlemede, apoptozis genel olarak tanýmlanmýþ ve kanser, otoimmün hastalýklar, AIDS gibi hastalýklarda
apoptozisin yerine deðinilmiþtir.
Anahtar sözcükler: Apoptozis, apoptotik hücre, apoptotik indeks.
Toraks Dergisi, 2001;2(1):91-95
ABSTRACT
The Importance of Apoptosis
Apoptosis is a process of programmed cell death that plays a critical role in some normal and pathologic
conditions beginning from embryologic development and ends at death. Apoptosis in initiated by morphological
changes at the cell membrane, surface organels and nucleus. This review deals with the general aspects of
apoptosis and provides some information on its role in some diseases like AIDS, lung cancer and auto-immune
disorders.
Key words: Apoptosis, apoptotic cell, apoptotic index
Apoptozis; geliþmiþ organizmalarda hücreler arasý iliþkilerin
gereði olarak gereksinim duyulmayan ve fonksiyonlarý bozulan hücrelerin, çevreye zarar vermeden programlý ölümüdür.
Embriyo döneminden baþlayarak tüm yaþam boyunca apoptotik mekanizma ve programlý hücre ölümü vardýr. Bazý hücreler yýllarca yaþarken bir kýsmý sadece birkaç saat yaþarlar.
Deri, gastrointestinal sistem ve immün sistem gibi pek çok
dokuda devamlýlýk apoptozis ve hücre yenilenmesine baðlýdýr
[1].
Hücre ölümüyle ilgili ilk bilgiler 1920 yýlýnda ýþýk mikroskopunun ve yeni boya yöntemlerinin keþfiyle baþlamýþ
ve ilk olarak nekroz tanýmlanmýþtýr. 1972 yýlýnda, iskemiye
maruz kalan dokunun etrafýnda nekrozdan daha farklý hücre ölümü gösterilmiþ ve buna, aðaç yapraklarýnýn gövdeden
ayrýlmasý anlamýna gelen “apoptozis’’ adý verilmiþtir [1].
Apoptozisin morfolojisi
Apoptoziste ana morfolojik olay, nükleusun kondensasyonu
ve daha sonra parçalara ayrýlmasýdýr. Kromatin, normalde
Yazýþma Adresi: Doç. Dr. Sibel Öktem
Ege Üniversitesi Týp Fakültesi Gö¤üs Hastalýklarý Anabilim Dalý,
Ýzmir
TORAKS DERGÝSÝ • CÝLT 2, SAYI 1 • NÝSAN 2001
mikst kondens bir yapýda olup daha diffüz görünümdedir.
Apoptoziste süperkondens bir hal alarak nükleus zarý altýnda kresentik görünüm oluþur. Floresan boyamada DNA
boncuklanmalar þeklinde görülür, bunun nedeni DNA’nýn
endonükleaz ile oldukça özgül þekilde internükleozomal
bölgelerden 180-200 bp (baz çifti) büyüklüðünde parçalara
ayrýlmasýdýr [2]. Ýmmün elektroforez yapýldýðýnda “ladder
patern’’ olarak isimlendirilen merdiven þeklinde bir görünüm oluþur [3]. Normalde bir hücrede birbirini takip eden 7
kýrýlma onarýlýrken, apoptoziste yaklaþýk 300 000 kýrýlma
meydana gelir ve hücre onarýmý yapýlamaz.
Apoptozisin erken evresinde hücreler birleþme bölgelerinden ayrýlýr, özelleþmiþ yüzey organellerini kaybeder ve
belirgin þekilde büzülür, birkaç dakikada hacimlerinin
1/3’ünü kaybederler. Bu görünüm, muhtemelen plazma
membranýnda bulunan iyon kanallarý ve pompalarýnda aktivasyonun bozulmasýna baðlýdýr. Apoptotik hücrelerin bulunduðu dokulardan elde edilen kesitler ýþýk mikroskopunda
incelendiðinde, hücreler, etrafýnda açýk bir halo ile görülmektedir (Resim 1).
Daha sonra plazma membranýnda tomurcuklanmalar oluþur ve hücre, sitoplazma ile çevrilmiþ kromatin parçalarýndan oluþan apoptotik cisimciklere parçalanýr. Hücre henüz
91
Öktem S. ve ark.
reçtir. Hücre plazma membran lipidlerinin peroksidasyonu
sonucu hücre içeriði ortama dökülür, inflamatuar yanýt oluþur ve komþu hücreler de etkilenir (Tablo 1) [5].
Apoptozis mekanizmalarý
Resim 1. Epidermiste apoptozis: Mikroskopik olarak tanýmlanan
apoptotik hücre büzülmüþ, etrafýnda belirgin halo oluþmuþ; kromatin, nükleus membraný altýnda yoðunlaþarak deðiþik boyut ve
biçimde sýnýrlarý belirgin, yoðun kitleler haline gelmiþtir.
yaþamaya devam etmektedir [4].
Apoptotik hücreler komþu hücreler ve makrofajlar tarafýndan tanýnýr ve fagosite edilir. Apoptotik hücrelerin tanýnmasý, plazma membranýndaki deðiþikliklerle olur. Normalde hücre membranýnýn iç tabakasýnda olan fosfatidil serin,
aminofosfolipid transferaz enzimiyle membranýn dýþ yapraðýna göç eder. Fagositik hücrelerin vitronektin, lektin özelliðindeki reseptörleri fosfatidil serin ile baðlanýr ve fagositozu uyarýr [1].
Apoptozisle nekroz arasýndaki farklar nelerdir?
Diðer bir hücre ölüm þekli olan nekroz ise hipoksi, fiziksel
hasar, hipertermi, kompleman aktivasyonu, UV ýþýk gibi zararlý hücre dýþý uyaranlar sonucu oluþan istenmeyen bir sü-
Programlý hücre ölümünde birbirini izleyen basamaklarýn
neler olduðu tam olarak bilinmemektedir. Hücrenin kendi
otomatik saati olan genlerin aktivasyonu veya çevreden gelen sinyallerle apoptozis baþlamaktadýr. 1986 yýlýnda
Wyllie, glukokortikoid verilen kemirgenlerde timus timositlerinin apoptozisle öldüðünü göstermiþtir.
Apoptozis önceden hazýr olan hücrelerde (primer) baþlatýlabilir ya da bir uyaran sonucu sekonder olarak geliþir.
Hücre dýþý uyaranlar tümör nekroz faktörü (TNF), koloni
uyarýcý faktörler (CSF), nöron büyüme faktörü (NGF), insülin benzeri büyüme faktörü (ÝGF), IL-2 gibi maddelerin ortamda azalmasý, glukokortikoidler, radyasyon, ilaçlar, çeþitli antijenler gibi pozitif uyaranlar olabilir. Özellikle son zamanlarda otoimmün hastalýk geliþiminde rolü olduðu belirtilen Fas/FasL, sFas proteinleri, virüsler (HIV gp120 proteini, influenza virüsü TNF reseptörü üzerinden; adenovirus
hücre genetik yapýsýný bozarak) hücreyi apoptozise götürmektedir.
Uyarýlar, hücre içinde Ca+2 artýþýna neden olmakta ve/veya
cAMP gibi hücre içi ikincil habercileri aktive etmektedir. Bu
da “cascade” olarak isimlendirilen ve tam olarak açýklanamayan “þelale” sistemiyle hücre yapýsýnda deðiþikliklere neden
olan pek çok basamaðý uyarmaktadýr. Örneðin; sitoplazmik
Ca +2 miktarýnda hafif artýþ c-fas, c-myc ve sýcak þoku proteini
gibi yeni mRNA basamaklarýný harekete geçirir. Ayrýca,
apoptoziste etkili endonükleaz, transglutaminaz gibi enzimleri de aktive eder. Bunlar da, kromatinde parçalanmaya, hücre
Tablo 1: Apoptozis ile nekroz arasýndaki farklar
Özellik
Nekroz
Apoptozis
Daðýlým
Komþu hücre gruplarý
Dokuda tek tek hücreler
Nedenler
Her zaman patolojik
Fizyolojik / patolojik
Eksüdatif yangý
Genellikle var
Yok, ± hücresel immünitede
Iþýk mikroskopi
Bazofili, piknoz
karyoreksis, karyolizis,
Kresentik görünüm
eozinofilik partikül
Elektron
mikroskopi
Hücrede þiþme, membranda
yýrtýlma, kromatinde erime, kayýp
Volüm kaybý, apoptotik
cisimcikler
Fagositoz
Mononükleer hücreler
Fagositik hücreler ve komþu
Mekanizma
Kimyasal ya da yapýsal
parçalanma
Makromolekül sentezini
gerektiren aktif hücresel yýkým
92
TORAKS DERGÝSÝ • CÝLT 2, SAYI 1 • NÝSAN 2001
Apoptozisin Önemi
iskeletinde ve sitoplazmik proteinlerde deðiþikliklere neden
olur (Þekil 1). Sitoplazmik kalsiyum, kalmodulin ile baðla-
lerin ortadan kaldýrýlmasýnda olduðu gibi, organogenez sýrasýnda apoptozis, fazla üretilen hücrelerin ortadan kaldýrýlmasýný saðlamaktadýr.
Apoptozisin homeostazis içindeki yeri:
1. Metamorfoza uðramýþ veya yaþlanmýþ ve bu nedenle fonksiyonlarýný kaybetmiþ hücrelerin ortadan kaldýrýlmasý,
2. Hormona baðýmlý involüsyon (örn., prostat, endometrium
ve meme dokusu hücrelerinde)
3. Sürekli çoðalan hücre gruplarýnýn azaltýlmasý (örn., gas-trointestinal sistem hücreleri, deri v.b.),
4. Ýmmün hücrelerin seçimi (örn., sitokin deplesyonundan
sonra B ve T lenfositlerin ve timusta otoreaktif hücrelerin ortadan kaldýrýlmasý).
Apoptozisin patolojik süreçlerdeki rolü ise:
Þekil 1. Apoptozis mekanizmalarý [6].
nýrsa apoptozis inhibe edilebilir [6].
Hücre içinde kendi kendini uyaran basamaklar sistemi,
Coenorhabditis elegans isimli bir nematod yapýsýnda gösterilmeye çalýþýlmýþtýr. Eriþkin hermofroditin oluþumu sýrasýnda geliþen 1090 hücreden 131’i apoptozisle ortadan kalkar. Bu oluþum üç gen tarafýndan kontrol edilmektedir. Ced
3 bir sistein proteazdýr ve Ced 4 tarafýndan aktive edildiðinde hücreyi apoptozise götürür. Ýnsan vücudunda Ced 3’ün
homoloðu, interlökin 1 dönüþtürücü enzim benzeri (ICE)
gendir. Ced 4, Ced 9’a baðlandýðýnda, hücre yaþamaya devam etmektedir. Ýnsan vücudunda Ced 9 ile ayný olan gen
bcl-2’dir [1,7,8]. Organizmada apopitozisi uyaran ve engelleyen çok sayýda gen bulunmaktadýr (Tablo 2).
Apoptozis nerelerde görülür?
Embriyogenez sýrasýnda bazý canlýlarda parmaklar arasýndaki perdenin ve damak füzyonu sonrasý kalýntý epitel hücreTablo 2: Apoptozis ve genler
Apoptozisi baskýlayan genler
• Bcl-2 grubundan
BHRL -1, bcl-xl, bcl-w,
bfl-1, brag-1, mcl-1, A1
• c-abl geni
• ras onkogeni
• çözünebilir fas
• p35
• A20
Apoptozisi indükleyen genler
• Bcl-2 grubundan
Bad, Bax Bak, Bcl-xS,
bad, bik, Hrk 1
• c-myc
• p53, p21
• fas (CD95/APO1)
FADD/MORT, RIP, FAST
• Ýnterlökin dönüþtürücü enzim
benzeri proteinler (ÝCE)
• LOH (MTS1/CDK41)
TORAKS DERGÝSÝ • CÝLT 2, SAYI 1 • NÝSAN 2001
1. Tümörlerde, hem büyüme hem de regresyonda hücre ölümü (kemoterapi, radyoterapi, hormon tedavisiyle ve
spontan regresyonda),
2. Hormona baðýmlý dokularda patolojik atrofi,
3. Parenkimatöz organlarda duktus týkanmasýna baðlý patolojik atrofi (örn., karaciðer),
4. Sitotoksik T lenfositleri ile oluþturulan hücre ölümü,
5. Bazý viral hastalýklarda hücre ölümü (örn., HIV-1, HCV,
Adenovirüs infeksiyonlarýnda),
6. Çeþitli zedeleyici etkenlerle oluþan hücre ölümü (hipertermi, radyasyon, sitotoksik kemoterapi, hipoksi gibi
nekroz oluþturan etkenler) [1,3,4].
Kanser geliþiminde ve akciðer kanserinde
apoptozis
B hücreli lenfomada olduðu gibi bazý tümörlerde apoptozis
azalmasý, tümör geliþimine neden olabilmektedir. Genellikle tümör dokusunda proliferasyonun artmasýna baðlý olarak
apoptoziste de artýþ izlenir [7].
Hücre yüzeyinde bulunan APO-1 (fas res) pozitifliðinin
kaybý, tümör geliþimi sýrasýnda ortaya konmuþ bir bulgudur.
Neoplazma geliþiminde etkili olan önemli diðer bir deðiþiklik de bazý tümör genlerinin aktive olmasýdýr [8].
Apoptozisi uyaran bir gen olan p53’te mutasyon veya kayýp, akciðer karsinomunda %80 oranýnda görülmektedir
[8]. Bunun yanýnda LOH (loss of heterozygosity) ve daha
sonra belirlenen MTS 1/CDK41 (Multipl tümör supresör
geni 1/siklin baðýmlý kinaz 4 inhibitörü), PCNA (proliferating cell nuclear antigen), K ras’ta da mutasyon saptanmýþtýr. Ýlk kez B hücreli lenfomada t (14;18) translokasyonunda kýrýk bölgesinde belirlenen bcl-2 geni, küçük hücreli dýþý akciðer karsinomunda (KHDAK) olgularýn sadece %830’unda görülür. Buna karþýlýk, küçük hücreli akciðer karsinomunda (KHAK) %90 oranýnda görülmektedir [7,9].
93
Öktem S. ve ark.
Histolojik olarak, tümör dokusunda apoptotik indeksle
apoptotik hücre sayýsýnýn yaþayabilir hücrelere oraný bulunmaktadýr ve bu indeks, apoptozisin þiddetini ya da oranýný
belirtmektedir. Bu, tümörün tipini ve evresini belirlemede,
tedaviye vereceði yanýtý önceden tahmin etmede ve prognozu saptamada yardýmcý olabilmektedir. KHDAK’da tümörün evresi ve beklenen yaþam süresiyle apoptozis arasýnda
iliþki olup olmadýðý araþtýrýlmýþ, 75 ve 236 olguluk iki seride apoptotik indekste artýþ yaþam süresini kýsaltýrken, 427
olguluk bir çalýþmada tek baþýna prognozu belirlemediði
saptanmýþtýr [10, 11,12].
KHAK’da apoptotik indeks ve bcl-2 gen ekspresyonu
KHDAK’ya göre fazla bildirilmiþtir [7]. Bu olgularýn yaþam süresinin kýsa olduðu ve kemoterapiye kötü yanýt verdiði görülmüþtür [13].
Otoimmün hastalýklarda ve astýmda apoptozis
T ve B lenfositleri timusta, kemik iliðinde ve periferik kanda kendi antijenlerine dirençli, yabancý antijenlere (Ag) duyarlý olacak þekilde seçilirler. Bu olayda etkili olan mekanizma, immün hücreler üzerinde Fas reseptörü ve Fas ligandýnýn (FasL) etkileþimidir. Fas proteini taþýmayan lpr farelerde ve FasL taþýmayan gld farelerde lenfadenopati, splenomegali ve multipl otoimmün hastalýklar geliþmekte ve T
l enfositlerin negatif seleksiyonu olmamaktadýr.
Astým patogenezinde Fas protein ve FasL anormallikleri
suçlanmaktadýr. Üst ve alt hava yollarý epitelinde bulunan
FasL, dokularda inflamasyonu düzenlemekle görevlidir.
Gld farelerde ovalbumin ile uyarýlma peribronþiyal alanda,
submukozal bölgede inflamatuar hücre birikimine neden olmuþtur [14,15]. Yeni taný konmuþ ve daha önce hiç tedavi
görmemiþ astýmlý hastalarda BAL ve periferik kanda T len-
Þekil 2a. Normal Th antijen sunumu
94
fositlerin Fas proteinleri, Fas protein mRNA ve anti-IgM
Fas proteinleri ile inkübasyon sonrasý DNA fragmantasyonlarý ölçülmüþ ve CD3+ T lenfositleri ve Fas reseptörünün
ekspresyonunda azalma, astýmlý hastalarda anlamlý derecede yüksek bulunmuþtur [16].
AIDS ve apoptozis
T lenfositine karýþýk bir sinyal ve antijen sunan bir hücre
(APC) tarafýndan MHC Ag ile T hücre reseptörüne (TCR)
ve CD4 + reseptörüne ayný zamanda sunulursa, T lenfositi
uyarýlýr, proliferasyona gider ve lenfokin salgýlar (Þekil 2a).
CD4 + reseptörü daha erken uyarýlýr, daha sonra TCR uyarýlýrsa hücre apoptozise gider. Eðer uygun sinyal yanlýþ bir
bölgeye baðlanýrsa, T lenfosit intihar eder.
HIV seropozitif bir kiþinin virüs ile enfekte hücrelerinden dolaþýma gp 120 antijenleri (Ag) salýnýr ve bu antijen,
enfekte olmamýþ T helper (T4) lenfositlerin CD4+ reseptörlerine çapraz baðlanýr. Bu hücrelerin TCR reseptörlerine de
antijen baðlanýrsa hücre apoptozise gider (Þekil 2b). Bu mekanizma, AIDS’de asemptomatik hastalarda virüsle gerçekten enfekte olmamýþ T helper hücrelerin hýzlý bir þekilde
kaybýný açýklamaktadýr [1,6].
Deðiþik akciðer patolojilerinde de apoptozis gösterilmiþtir. Sarkoidoz, tüberküloz gibi granülomatöz hastalýklarda
granülom yapýsýnda inflamatuar hücreler apoptozisle ortadan kaldýrýlmaktadýr [17]. Akut akciðer zedelenmesinde
TNF ve diðer sitokinlerin apoptozisi tetiklediði gösterilmiþtir [18].
Apoptozisin yarýný
Oldukça yeni bir kavram olan apoptozis yaþamýn sürdürülmesinde temel mekanizma olarak görülmektedir ve bu yüz-
Þekil 2b. HIV gp 120 proteini ile apoptozis
TORAKS DERGÝSÝ • CÝLT 2, SAYI 1 • NÝSAN 2001
Apoptozisin Önemi
den etiyolojisini tam olarak açýklayamadýðýmýz pek çok
hastalýðýn aydýnlatýlmasýnda ve belki de tedavisinde ileride
anahtar rol oynayabilecektir.
Apoptozisin rol oynama potansiyeli olan konular;
1. Malignite patogenezi ve etiyolojisinin tanýmlanmasý,
2. Kanser geliþecek kiþilerin önceden saptanmasý,
3. Kanser tedavisi,
a) Gen tedavisi, apoptozisi aktive eden kemoterapi,
hormon tedavisi
b) Tümörün tedaviye vereceði yanýtýn saptanmasý (apoptozis indeksi, apoptoziste etkin genlerin saptanmasý)
4. Hücre yaþlanmasý ve dolayýsýyla yaþlanmanýn önlenmesi,
5. Dejeneratif ve otoimmün hastalýklar ve astým tedavisinde
yeni yöntemlerin geliþtirilmesi,
6. AIDS’de apoptozisin önlenmesiyle immün baskýlama
saðlanmasý.
TEÞEKKÜR
Bu derlemenin hazýrlanmasýnda katkýlarý olan Prof. Dr. Gülþen Kandiloðlu ve Prof. Dr. Emin Kansu’ya teþekkür ederiz.
KAYNAKLAR
1. Cohen JJ. Apoptosis. To be or not to be. Postgraduate Syllabus
(AAAA-I) 1998;1:1-19.
2. Narula J, Kharbanda S, Khaw BA. Apoptosis and the Heart. Chest
1997;112:1358-62.
3. Gavrieli Y, Sherman Y, Sasson SAB. Identification of programmed cell
death in situ via specific labeling of nuclear DNA fragmentation. The
TORAKS DERGÝSÝ • CÝLT 2, SAYI 1 • NÝSAN 2001
Journal of Cell Biology 1992;119;493-501.
4. Wyllie AH. What is apoptosis? Histopathology. 1986; 10: 995-8.
5. Searle J, Kerr JFR, Bishop CJ. Necrosis and apoptosis. Pathology Annual 1982;17:229-59.
6. Carson DA, Ribeiro JM. Apoptosis and disease. The Lancet 1993;341:
1251-4.
7. Soini Y, Paakkö P, Lehto VP. Histopathological evaluation of apoptosis
in cancer. Am J of Pathology 1998; 153: 1043-9.
8. Kern JA, McLennan G. Genetic and molecular changes of human lung
cancer. Fishman’s Pulmonary Diseases and Disorders. Mc Graw-Hill
Companies: New York. 1998;2:1695-9.
9. Harris AL. What does bcl-2 mean in solid tumours-friend or foe? Annals
of Oncology 1994;5:388-90.
10. Tormanen U, Eerola AK, Rainio P, et al. Enhanced apoptosis predicts
shortened survival in non-small cell lung carcinoma. Cancer Res 1995;
55:595-602.
11. Tanaka F, Kawano Y, Li M, el al. Prognostic significance of apoptotic index in completely resected non-small-cell lung cancer. J. Clin Oncol
1999;17:2728-36.
12. Anton RC, Brown RW, Younes M, et.al. Absence of prognostic significance of bcl-2 immunopositivity in non-small cell lung cancer: analysis
of 427 cases. Human Pathol 1997;28:1079-82.
13. Takayama K, Ogata K, Nakanishi Y, et al. Bcl-2 expression as a predictor of chemosensitivities and survival in small cell lung cancer. Cancer
J Sci Am 1996;2:212s.
14. Gochuico BR, Miranda KM, Hessel EM, et al. Airway epithelial Fas ligand expression: potential role in modulating bronchial inflammation.
Am.J.Physiol 1998;274:444-9.
15. Woolley KL, Gibson PG, Carty K, et al. Eosinophil apoptosis and the resolution of airway inflammation in asthma. Am J Crit Care Med
1996;154:237-43.
16. Spinozzi F, Fizzotti M, Agea E, et al. Defective expression of Fas messenger RNA and Fas receptor on pulmonary T cells from patients with
asthma. Ann Intern Med 1998;128:363-9.
17. Cree IA, Nurbhai S, Milne G, et al. Cell death in granulomata: the role
of apoptosis. J Clin Pathol 1987;40:1314-9.
18. Bingisser R, Stey C, Weller M, et al. Apoptosis in human alveolar macrophages is induced by endotoxin and is modulated by cytokines. Am J
Cell Mol Biol 1996;15:64-70.
95