Programovaná buněčná smrt , neboli programovaná buněčná smrt [1] , neboli programovaná buněčná smrt [2] ( PCD , anglicky Programmed cell death ) - buněčná smrt , ke které dochází v důsledku naprogramovaných intracelulárních procesů. Do druhé dekády 21. století je známo více než deset typů programované buněčné smrti. Od roku 2005 klasifikuje Nomenklaturní výbor pro buněčnou smrt typy buněčné smrti . Programovaná buněčná smrt byla popsána pro všechny hlavní skupiny eukaryot :zvířata , rostliny , houby , slizové plísně a dokonce i jednobuněčné organismy (jako jsou kvasinky ). PCG plní mnoho funkcí jak na buněčné úrovni, tak na úrovni celého organismu: u zvířat hraje zásadní roli ve vývoji , s jeho pomocí se likvidují poškozené buňky, u rostlin se podílí na tvorbě pletiv skládajících se z mrtvých buněk , jako je xylem . Programovaná buněčná smrt je známá nejen u eukaryot: u bakterií bylo popsáno několik typů programované buněčné smrti [3] . Všechny typy programované buněčné smrti lze rozdělit na vnější, které jsou spouštěny signály zvenčí buňky, a vnitřní, způsobené poruchami ve fungování buněk [4] .
Z hlediska morfologie se již dlouho rozlišují tři hlavní typy programované buněčné smrti:
Později byla přijata složitější klasifikace typů programované buněčné smrti, která není založena na morfologických detailech, ale na genetických , biochemických , farmakologických a funkčních vlastnostech. Takto identifikované typy smrti se však dále dělí podle morfologie do dvou skupin: jedna zahrnuje typy smrti, které jsou morfologicky blízké apoptóze, a druhá zahrnuje ty, které jsou morfologicky blízké nekróze. Každý typ programované buněčné smrti má tedy svůj vlastní soubor vlastností, od zcela apoptotických až po zcela nekrotické [4] .
Od roku 2018 se rozlišují následující typy programované buněčné smrti [4] :
Buněčná smrt závislá na lysozomech začíná poruchami v buněčné homeostáze a permeabilizací (změnami permeability) lysozomových membrán . Je pozorován v mnoha patofyziologických procesech: zánět, přestavba tkáně (například přestavba tkáně mléčné žlázy po laktaci ), stárnutí , neurodegenerativní onemocnění , kardiovaskulární onemocnění a reakce na intracelulární patogeny [4] .
Po permeabilizaci lysozomových membrán se jejich obsah dostává do cytosolu , kde se mimo jiné nacházejí proteolytické enzymy z rodiny katepsinů , které ničí obsah buňky. Procesy předcházející a spouštějící permeabilizaci lysozomálních membrán nejsou zcela jasné. Za určitých podmínek k němu dochází po permeabizaci vnější mitochondriální membrány při vnitřní apoptóze. V jiných případech dochází k permeabilizaci lysozomálních membrán před mitochondriálními membránami za účasti proteinu BAX . Důležitou roli při spouštění zvýšení permeability lysozomálních membrán hrají reaktivní formy kyslíku [4] .
Buněčná smrt závislá na autofagii zahrnuje aktivaci molekulárních mechanismů autofagie (celé nebo jejich části), které vedou ke vzniku autofagozomů – vezikul s dvojitou membránou [5] [6] . Autofagie je důležitý proces, který je součástí buněčné reakce na stres a jeho narušení vede k řadě vývojových vad a onemocnění. U Drosophila se autofagie podílí na obnově výstelky středního střeva a degradaci slinných žláz larev . Buněčná smrt závislá na autofagii přispívá k patogenezi řady onemocnění i u lidí . Například v některých patologických stavech umírají neurony podél autofagické dráhy . Typ buněčné smrti závislé na autofagii, který zahrnuje Na + /K + -ATPázu , je známý jako autoóza [4] .
Imunogenní buněčná smrt se týká těch typů buněčné smrti, které jsou doprovázeny aktivací adaptivní imunitní reakce namířené proti endogenním (buněčným) nebo exogenním ( virovým ) antigenům , které umírající buňka exprimuje . Imunogenní buněčnou smrt způsobuje relativně málo faktorů: virové infekce , některá protirakovinná léčiva (např. antracykliny a bortezomib , některé typy radioterapie a fotodynamická terapie na bázi hypericinu . Imunitní odpověď je zpravidla spouštěna následujícími molekulárními vzory spojenými s poškozením ( DAMP ) vyjádřenými umírající buňkou: kalretikulin , ATP , protein HMGB1 , interferony typu I , nukleové kyseliny odvozené z rakovinných buněk , a annexin A1 [4] .
Vnitřní apoptóza je spouštěna řadou změn v buněčném prostředí: nedostatkem růstových faktorů , poškozením DNA , stresem endoplazmatického retikula (EPR) , reaktivními formami kyslíku , poruchami replikace DNA , mitotickými defekty a dysfunkcí mikrotubulů . Buňky, které odumírají apoptózou, si zachovávají integritu plazmatické membrány a určitou metabolickou aktivitu. Rozpadají se na vezikuly – apoptotická tělíska, která jsou fagocytována jinými buňkami. Kritickým krokem vnitřní apoptózy je ireverzibilní permeabilizace vnějších mitochondriálních membrán, která je řízena různými proteiny z rodiny BCL2 . V důsledku toho se do cytosolu uvolňují proapoptotické faktory, které se normálně nacházejí v mezimembránovém prostoru mitochondrií . Nejdůležitější z nich je protein respiračního řetězce cytochromu c . V cytosolu se váže na protein APAF1 a pro-kaspázu 9 za vzniku komplexu známého jako apoptozom . V něm je aktivována kaspáza 9 , tvořící dimery , které se samy řežou a tím se aktivují, a začíná aktivovat další kaspázy , které v nich dělají řezy. Kaspázy jsou proteázy , které ničí všechny buněčné proteiny a způsobují buněčnou smrt [4] .
Externí apoptóza je spouštěna změnami v mikroprostředí buňky. Dva typy receptorů buněčné membrány hrají klíčovou roli při spouštění vnější apoptózy: receptory smrti , které se aktivují, když jsou navázány na ligand , a receptory, které se aktivují, když koncentrace jejich ligandu klesne pod určitou hodnotu. Receptory smrti zahrnují například Fas receptor a řadu dalších receptorů superrodiny tumor nekrotizujícího faktoru ( TNF ) . Při aktivaci receptoru smrti se v blízkosti jeho intracelulární části sestaví speciální multiproteinový komplex – DISC (z anglického death-inducing silencing complex ). Reguluje aktivaci a funkci kaspázy 8 (nebo v některých případech kaspázy 10). Po něm se aktivují další kaspázy, které ničí buněčné proteiny a vedou k jeho smrti [4] .
MPT-dependentní nekróza začíná specifickými změnami intracelulárních podmínek, jako je těžký oxidační stres a významné zvýšení koncentrace vápenatých iontů v cytosolu. Zkratka MPT pochází z angličtiny. Přechod mitochondriální permeability je porušení mitochondriální permeability, protože s tímto typem buněčné smrti se vnitřní mitochondriální membrána stává propustnou pro malé molekuly , což vede ke zmizení elektrochemického gradientu na ní, osmotické destrukci obou mitochondriálních membrán a nakonec buňky smrt ve formě nekrózy [4] .
Nekroptóza je způsobena různými změnami ve vnitřním a vnějším prostředí buňky, které jsou detekovány specifickými receptory smrti (například Fas), receptory pro rozpoznávání patogenů (například Toll-like receptory 3 a 4 ), jakož i ZBP1 protein , který se váže na Z-DNA . Morfologicky dochází k buněčné smrti ve formě nekrózy. Proteinkinázy RIPK3 a MLKL , které jsou aktivovány receptory, hrají zásadní roli při spouštění nekroptózy . Nekroptóza není spojena pouze s reakcí organismu na stres, zajišťuje smrt defektních organismů před narozením a podílí se na regulaci homeostázy T-lymfocytů v dospělém těle [4] .
Paraptóza je typ neapoptotické buněčné smrti, která je zprostředkována MAPK prostřednictvím aktivace IGF-1 . Je charakterizována intracelulární tvorbou vakuol a otokem mitochondrií.
Ferroptóze zpravidla předchází vážné poškození buněčných lipidů v důsledku tvorby reaktivních forem kyslíku a výskytu volných iontů železa v buňce. K oxidaci lipidů dochází právě kvůli železným iontům, pro které dostal tento typ buněčné smrti svůj název [7] . Morfologicky je feroptóza nekróza, při které dochází k vážnému poškození mitochondrií: ty se zmenšují, mizí v nich kristy a dochází ke kolapsu vnější membrány. Ferroptóza nezahrnuje kaspázy a proteiny zapojené do autofagie. Při tomto typu buněčné smrti jsou některé polynenasycené mastné kyseliny , jako je kyselina arachidonová , oxidovány a tvoří se lipidové hydroperoxidy . Někdy může dojít k oxidaci lipidů působením enzymů lipoxygenáz a cyklooxygenáz . Působí proti nim glutathionperoxidáza 4 (GSH4). Ferroptóze brání také ferrostatin-1, liprostatin-1, dále vitamin E , koenzym Q 10 a podobné sloučeniny s antioxidační aktivitou, které odvádějí reaktivní formy kyslíku a brání jim v interakci s lipidy [4] .
Pyroptóza se aktivuje během vrozených imunitních reakcí . Při pyroptóze dochází ke zvláštní kondenzaci chromatinu, která se liší od kondenzace chromatinu při apoptóze. Buňka bobtná, dochází k permeabilizaci membrány. V pyroptóze hraje hlavní roli prozánětlivá kaspáza 1 , ale v některých případech místo toho hrají roli jiné kaspázy, například kaspáza 3 . Pyroptóza se podílí na mnoha patologických stavech, jako je fatální septický šok způsobený bakteriálními lipopolysacharidy . Právě bakteriální lipopolysacharidy, které vstupují do cytoplazmy buněk hostitelského organismu, hrají pravděpodobně hlavní roli při spouštění pyroptózy [4] .
Parthanatóza je forma programované buněčné smrti charakterizovaná hyperaktivací poly(ADP-ribóza)polymerázy 1 ( PARP1 ), proteinu účastnícího se buněčné odpovědi na poškození DNA. Parthanatóza se však může objevit nejen při těžkém poškození DNA alkylací , ale také při oxidativním stresu, hypoxii , hypoglykémii nebo zánětu. Hlavní roli v hyperaktivaci PARP1, zejména v neuronech, hrají reaktivní druhy dusíku , včetně oxidu dusnatého NO . Hyperaktivace PARP1 má cytotoxické účinky, jako je vyčerpání NAD + a ATP poolu (což má za následek narušení bioenergetické a redoxní rovnováhy buňky), stejně jako akumulaci poly(ADP-ribózových) polymerů a poly(ADP-ribózy )ylované proteiny v mitochondriích (díky kterým se ztrácí membránový potenciál a dochází k permeabilizaci vnější mitochondriální membrány) [4] .
Entóza je forma buněčného kanibalismu, který se vyskytuje ve zdravých tkáních a nádorech u savců . Živá buňka je pohlcena jinou buňkou, která nemá schopnost fagocytózy. Často, ale ne vždy, pohlcená buňka zemře. Entóza se obvykle spustí, když epiteliální buňka ztratí kontakt s extracelulární matricí , i když pro to mohou být jiné důvody: neregulovaná exprese myozinů během vytváření mezibuněčných kontaktů , rozdíly v mechanických vlastnostech sousedních buněk a metabolický stres. V rakovinných buňkách může být entóza spuštěna mitózou . Smrt pohlcené buňky nezávisí na kaspázách a BCL2 proteinech, které hrají důležitou roli v apoptóze. Alespoň v některých případech nastává smrt jako specifická forma autofagie [4] .
Zpočátku byla tato forma smrti popsána u neutrofilů , které při umírání vyvrhnou síť vláken obsahujících chromatin a histony spojené s cytosolickými proteiny. Tato vlákna byla pojmenována pasti neutrofilních extracellulae (NET) a forma smrti se nazývala netóza ( anglicky NETosis ). Uvolnění NET může být způsobeno mikroby , aktivací specifických receptorů (například Toll-like). Významná část DNA, která tvoří tato vlákna, je mitochondriálního spíše než jaderného původu. NET může být vyvržen jinými buňkami než neutrofily: žírnými buňkami , eozinofily a bazofily a uvolnění NET nevede vždy k buněčné smrti. NET mají nejen antimikrobiální účinek; byla prokázána jejich role u nemocí, jako je cukrovka a rakovina [4] .
Programovaná buněčná smrt byla dokumentována u bezobratlých , zejména u hub . Houby exprimují PCD proteiny, jako jsou kaspázy, proteiny domény smrti a Bcl-2 . Navíc houba Bcl-2 potlačuje apoptózu v buňkách obratlovců [8] . Molekulární mechanismy PCD byly původně popsány u háďátka Caenorhabditis elegans . Vzhledem k tomu, že počet buněk v těle dospělého červa je pevně fixován a stejný pro všechny jedince, je také pevně stanoven počet událostí PCD: během vývoje červa se buňky samy zabijí přesně 131krát. Proteiny Ced-4 a Ced-3 s kaspázovou aktivitou hrají klíčovou roli v PCD u C. elegans . Za normálních podmínek je Ced-4 suprimován proteinem Ced-9, který je lokalizován ve vnější mitochondriální membráně. Když buňka obdrží signál zvenčí ke spuštění PCD, Ced-9 je inaktivován a Ced-4 je aktivován a následně aktivuje Ced-3, který spouští práci proteáz a nukleáz [9] . U členovců se PCD poprvé vyskytuje během formování nervového systému , kdy dochází k diferenciaci a dělení ektodermových buněk , přičemž jedna z dceřiných buněk se stává neuroblastem a druhá odumírá [10] . Navíc v důsledku PCD jsou některé orgány inervovány odlišně u mužů a žen [11] . Vrtule Drosophila melanogaster má několik kaspáz a inhibitorů apoptózy a některé PCD proteiny jako REAPER, HID a GRIM mohou být specifické pro hmyz [12] .
U rostlin je programovaná buněčná smrt pozorována při tvorbě xylemu a semen , stárnutí , zabránění samosprašování a také pod vlivem stresů (sůl, teplota , oxidace ) a patogenů . Stejně jako u zvířat existuje v rostlinách několik typů PCD, ale nejčastěji je podobná apoptóze a je doprovázena fragmentací DNA, uvolňováním cytochromu c z mitochondrií, kontrakcemi buněk, tvorbou reaktivních forem kyslíku a uvolňováním fosfatidylserinu k vnější vrstvě membrány. Současně, ačkoli rostliny postrádají kaspázy, je známo, že živočišné inhibitory kaspáz jsou schopny potlačit programovanou buněčnou smrt i u rostlin. Hlavní roli v programované buněčné smrti u rostlin mají fytapasy , serin - dependentní aspartát - specifické proteázy. Ve zdravých tkáních jsou fytaspázy umístěny v apoplastu a po indukci PCD vstupují do cytosolu [1] .
U hub je programovaná buněčná smrt pozorována při tvorbě spór pohlavního a nepohlavního rozmnožování , tvorbě plodnice nebo sklerocia , v reakci vegetativní inkompatibility, během patogeneze , stresových podmínkách a v konečných fázích stárnutí. Tímto se účel PCG u hub liší od účelu u zvířat, u kterých je primárně důležitý pro vývoj. V obecném případě je PCD hub podobná vnitřní apoptóze zvířat. PCD byla podrobně studována na kvasinkách Saccharomyces cerevisiae a může být spouštěna různými vnitřními faktory a nebyl nalezen žádný vnější mechanismus aktivace PCD. Také jim chybí zřejmé homology klíčových živočišných proteinů apoptózy, jako jsou Bcl-2, p53 , FLIP PARP a dokonce kaspázy. V kvasinkách zároveň chybí homology některých regulačních apoptotických proteinů, ale jsou přítomny ve vláknitých houbách. U Podospora anserina se PCD projevuje během stárnutí mycelia, které je způsobeno působením reaktivních forem kyslíku. Cysteinové proteázy s aktivitou kaspázy fungují během PCD u P. anserina [2] .
Plodnice slizu Dictyostelium discoideum má stopku tvořenou odumřelými buňkami. Tyto buňky prošly PCD, podobně jako zvířecí autofagie, pokud jde o vývoj vakuol a kondenzaci chromatinu , a na rozdíl od apoptózy nedochází k fragmentaci DNA [13] . Předchůdci slizniček se od zbytku eukaryot odchýlili před více než miliardou let před oddělením předků rostlin a hub, což naznačuje pradávný původ programované buněčné smrti [14] .
U bakterií je známo několik forem programované buněčné smrti. V podmínkách stresu (oxidační stres, vystavení záření , nedostatek živin , fágová infekce ) některé buňky odumírají ve prospěch kolonie . Nejčastěji ke smrti dochází za účasti různých typů toxin-antitoxinových systémů . Bakteriofágy , jejichž genom je reprezentován dvouvláknovou DNA, způsobují smrt infikovaných buněk na konci lytického cyklu za uvolnění nových virionů pomocí systému cholin-endolysin. Malé proteiny choliny jsou vloženy do membrány, což umožňuje endolysiny vystupovat . Endolysiny hydrolyzují peptidoglykan , rozkládají buněčnou stěnu a způsobují buněčnou lýzu . Smrt bakteriálních buněk je pozorována v různých fázích vývoje kolonie a v nepřítomnosti stresu: během sporulace , genetické transformace , tvorby plodnic a tvorby biofilmů . Mechanismy programované buněčné smrti jsou ve všech těchto případech různé [3] .
Fyziologický význam programované buněčné smrti je obrovský. U zvířat hraje zásadní roli ve vývoji mnoha orgánů a tkání a také při stárnutí. Během vývoje nervové soustavy mnoho prekurzorových buněk neuronů odumře, takže počet neuronů v mozku dospělého zvířete je výrazně menší, než kolik jich bylo položeno během embryonálního vývoje . Apoptóza se podílí na morfogenezi živočichů (zejména buňky mezi prsty odumírají apoptózou, ocas pulce mizí v důsledku apoptózy ). Imunogenní buněčná smrt a pyroptóza se spolu s apoptózou podílejí na práci obranných systémů těla. Potlačení PCD je velmi často spojeno s maligní transformací buňky [15] . V rostlinách se PCD podílí na tvorbě tkání skládajících se z mrtvých buněk, jako je xylém. Kromě toho je autoinkompatibilita během opylení založena na PCD : pokud se pyl ze stejné rostliny dostane na bliznu , pak speciální proteiny na bliznu spouští PCD buněk pylových zrn [16] . U hub poskytuje PCG vegetativní inkompatibilitu, to znamená, že neumožňuje sloučení hyf jednoho kmene a také se podílí na dozrávání spor pohlavního a nepohlavního rozmnožování [2] .
Samotný koncept programované buněčné smrti navrhli Lockshin [ a Williams v roce 1964 v souvislosti s vývojem určitých tkání u hmyzu [ 17] . Asi o 8 let později se objevil termín „apoptóza“. První informace o mechanismech PCD se objevily při studiu proteinu Bcl-2, onkogenního produktu, jehož exprese je aktivována během chromozomálních translokací , které jsou často pozorovány u folikulárního lymfomu . Na rozdíl od jiných v té době známých onkogenových produktů způsobuje Bcl-2 maligní transformaci ne kvůli nepřetržité stimulaci dělení, ale kvůli prevenci programované buněčné smrti [18] . Dodnes se intenzivně zkoumá programovaná buněčná smrt. V roce 2002 byla udělena Nobelova cena za fyziologii a medicínu za objevy v molekulární biologii programované buněčné smrti Sydneyi Brennerovi , Robertu Horwitzovi a Johnu Salstonovi [19] a v roce 2016 byla tato cena udělena Yoshinori Osumimu , který zkoumal jeden z typy programované buněčné smrti – autofagie [20] .
| Typy buněčné smrti | |
|---|---|
| neprogramovatelné | Nekróza |
| Programovatelný |
|