Kaspāze 3: kā tā īsteno apoptozi

Cilvēka kaspāzes parasti iedala pēc tā, ko tās dara. Viena grupa uzsāk apoptozi, otra to izpilda, bet trešā ar šūnas nāvi nav tieši saistīta un piedalās iekaisuma signālu nobriedināšanā. Šis dalījums palīdz saprast, kāpēc vienas kaspāzes bloķēšana dažreiz apoptozi aptur pilnībā, bet citreiz to tikai aizkavē.

Šūnā kaspāze 3 pastāv kā prokaspāze 3: viena olbaltumvielu ķēde ar īsu priekšgabalu un divām turpmākajām daļām, kuras vēlāk kļūs par lielo un mazo apakšvienību. Šādā veidā tā gandrīz nemaz nedarbojas, tāpēc šūna to var droši turēt lielā daudzumā gatavībā.

Aktivācija notiek ar šķelšanu, nevis ar sintēzi. Iniciatorkaspāze pārgriež prokaspāzi 3 starp abām apakšvienībām, pēc tam noņemas priekšgabals, un divas šādas pārveidotas molekulas saliekas kopā par aktīvu enzīmu ar diviem darba centriem. Tas nozīmē, ka atbilde ir gandrīz momentāna: šūnai nav jātērē laiks jaunas olbaltumvielas ražošanai.

Tieši tāpēc apoptozi var iedarbināt arī šūnā, kurā olbaltumvielu sintēze jau ir apturēta. Viss nepieciešamais tur jau atrodas, tikai izslēgtā veidā.

Kaspāzi 3 aktivē divas galvenās signālu plūsmas. Iekšējais jeb mitohondriālais ceļš sākas šūnas iekšienē, kad bojāta DNS, skābekļa trūkums vai citotoksisks medikaments izjauc mitohondrija ārējo membrānu. Ārējais ceļš sākas no šūnas virsmas, kad nāves receptoram piesaistās cita šūna vai signālviela, piemēram, citotoksiskā limfocīta izdalītais ligands.

Abi ceļi ir savstarpēji saistīti. Vairākos audu veidos ārējais ceļš viens pats aktivē pietiekami maz kaspāzes 3, tāpēc signāls tiek pastiprināts caur mitohondriju, un tikai tad izpildītājkaspāzes darbojas pilnā spēkā.

1. Bojājuma signāls maina Bcl-2 saimes olbaltumvielu līdzsvaru mitohondrija ārējā membrānā.
2. Membrānā izveidojas atveres, un citohroms c izkļūst citoplazmā.
3. Citohroms c kopā ar Apaf-1 un ATP veido apoptosomu, kas piesaista prokaspāzi 9.
4. Aktivētā kaspāze 9 sašķeļ prokaspāzi 3 un padara to aktīvu.
5. Ārējā ceļā nāves receptors pulcē adaptorolbaltumvielas un prokaspāzi 8, kas prokaspāzi 3 sašķeļ tieši.
6. Aktīvā kaspāze 3 sašķeļ arī prokaspāzi 6 un pati kaspāzi 9, radot pašpastiprinošu ciklu.

Kaspāzes 3 substrātu saraksts ir plašs, taču apoptozes tipiskās pazīmes rada dažas ļoti konkrētas šķelšanas. Katra no tām atbild par kādu no attēliem, ko patologs redz preparātā.

Svarīgi, ka šūna netiek izšķīdināta. Tā saraujas, atdalās no kaimiņiem, kodols saplok, un galu galā no tās veidojas ar membrānu klāti apoptotiskie ķermenīši, kurus fagocītiskās šūnas norij veselus. Tāpēc apoptoze audos notiek klusi un bez rētas.

• ICAD: kaspāze 3 sašķeļ šo bremzi un atbrīvo nukleāzi CAD, kas sagriež DNS starp nukleosomām, radot raksturīgu fragmentu ainu.
• PARP-1: DNS remonta enzīms tiek inaktivēts, lai šūna netērētu enerģiju neglābjamas DNS labošanai.
• ROCK1: šķelšana padara to pastāvīgi aktīvu, kas rada membrānas pūslīšošanos jeb burbuļošanu.
• Kodola plātnes un citoskeleta olbaltumvielas: to sadalīšana ļauj kodolam sarukt un šūnai zaudēt formu.
• Gelsolīns un citas aktīnu regulējošas olbaltumvielas: pārtrauc normālu šūnas kustību un saistību ar kaimiņiem.

Tik bīstamam enzīmam ir vajadzīgs uzticams slēdzis. Papildus tam, ka kaspāze 3 glabājas neaktīva, to kontrolē IAP grupas olbaltumvielas, no kurām spēcīgākā ir XIAP: tā piesaistās aktīvajai kaspāzei 3 un fiziski nosedz tās darba centru.

Kad mitohondrijs atveras, kopā ar citohromu c izplūst arī olbaltumviela Smac, kas piesaistās XIAP un atbrīvo kaspāzi 3 no aizbāžņa. Tātad mitohondrijs vienlaikus dod gan starta signālu, gan noņem bremzi, un tieši šī divkāršā darbība padara iekšējo ceļu tik izšķirīgu.

Šo mehānismu tieši izmanto onkoloģijā. Daļa pretvēža zāļu darbojas nevis tā, ka tās pašas nogalina šūnu, bet gan tā, ka atjauno audzēja šūnas spēju aktivēt kaspāzi 3, kad tā saņem bojājuma signālu.

Vispārpieņemtā aina, kurā kaspāzes 3 aktivācija neizbēgami nozīmē šūnas galu, nav pilnīga. Pētījumos ir aprakstīta arī apoptozes procesa apgriešana atpakaļ: ja nāvi izraisošais faktors tiek novērsts pietiekami agri, daļa šūnu ar jau aktivētām kaspāzēm atgūstas. Šo parādību sauc par anastāzi.

Turklāt neliela, telpiski ierobežota kaspāzes 3 aktivitāte šūnai kalpo pavisam citiem mērķiem. Nervu sistēmā tā piedalās liekās aksonu un dendrītu atzarošanā un sinapšu vājināšanā, kas ir mācīšanās pamatā. Vairākos audos tā ir vajadzīga arī šūnu nobriešanā, kurā šūna zaudē kodolu vai būtiski maina formu, bet paliek dzīva.

Praktiskā secība ir vienkārša: nozīme ir ne tikai tam, vai kaspāze 3 ir aktīva, bet arī tam, cik daudz tās ir un kur tieši šūnā tā darbojas.

Apoptozes traucējumi pastāv abos virzienos. Ja tā notiek par maz, šūnas ar bojātu DNS izdzīvo un uzkrājas, un tieši tas ir viena no audzēju rašanās sastāvdaļām. Ja tā notiek par daudz vai nepareizā vietā, tiek zaudētas šūnas, kuras organismam ir ļoti vajadzīgas.

Neviens no šiem stāvokļiem nav diagnoze, ko nosaka pēc kaspāzes līmeņa. Pacientam kaspāzes 3 aktivitāti ikdienā nemēra: to vērtē audu paraugos un pētījumos. Klīniski attiecīgās slimības nonāk pie onkologa, neirologa, kardiologa vai hematologa atkarībā no skartā orgāna.

• Vēzis: audzēja šūnas bieži pastiprina apoptozi bremzējošās olbaltumvielas un tāpēc izvairās no kaspāzes 3 aktivācijas.
• Neirodeģeneratīvās slimības: pārmērīga neironu apoptoze veicina šūnu zudumu smadzenēs.
• Sirdslēkme un insults: pēc asinsrites atjaunošanas daļa šūnu iet bojā tieši programmētas nāves ceļā, nevis tūlītējas nekrozes dēļ.
• Autoimūnas slimības: ja apoptoze nenotiek, pašam organismam agresīvi limfocīti var izdzīvot ilgāk, nekā vajadzētu.

Praksē mēra nevis kopējo olbaltumvielas daudzumu, bet gan tās aktīvo formu, jo neaktīva prokaspāze 3 ir arī pilnīgi veselās šūnās. Tāpēc metodes ir vērstas uz sašķelto molekulu vai uz tās darbības pēdām.

Šīs metodes viena otru papildina, jo katra parāda citu procesa posmu. Rezultātus vienmēr vērtē kopā ar šūnas izskatu mikroskopā.

• Imūnhistoķīmija ar antivielām pret sašķelto kaspāzi 3: parāda tieši tās šūnas audu griezumā, kuras iet bojā.
• Rietumblotings: atšķir neaktīvo priekšteci no sašķeltajām apakšvienībām pēc molekulas lieluma.
• Fluorogēni substrāti ar DEVD secību: mēra fermenta aktivitāti šūnu ekstraktā vai dzīvās šūnās.
• TUNEL metode: neuzrāda pašu kaspāzi, bet gan tās izraisītos DNS pārrāvumus, tāpēc iezīmē vēlāku posmu.
• Plūsmas citometrija ar anneksīnu V: parāda membrānas pārmaiņas, kas notiek līdztekus kaspāzes darbībai.

Šūnu nāve nav viena parādība. Nekroze ir nekontrolēts sabrukums pēc smaga bojājuma: šūna uzbriest, membrāna pārplīst un saturs izraisa iekaisumu. Autofāgija sākotnēji vispār nav nāves veids, bet gan pašas šūnas veids, kā pārstrādāt savas bojātās daļas, lai izdzīvotu.

Pastāv arī regulētas nāves formas, kurās kaspāzes nepiedalās vai piedalās citādi, piemēram, nekroptoze, kas iedarbojas tieši tad, kad kaspāze 8 ir nobloķēta. Tāpēc apgalvojums, ka „kaspāzes bloķēšana pasargā šūnu“, ne vienmēr izrādās patiess: šūna var iet bojā pa citu ceļu.