Kaspāze 9: apoptozes iniciators šūnā

Kaspāzes ir proteāzes, tas ir, fermenti, kas sagriež olbaltumvielas. Cilvēkam to ir vairākas, un tās mēdz iedalīt divās lielās funkcionālās grupās: apoptotiskajās un iekaisuma kaspāzēs. Apoptotiskās savukārt dalās iniciatorkaspāzēs un izpildītājkaspāzēs.

Iniciatorkaspāzēm, tostarp devītajai, ir garš priekšgabals, ko sauc par prodomēnu, un tieši tas ļauj tām piestiprināties pie aktivizējoša kompleksa. Izpildītājkaspāzēm šāda garā gala nav, un tās var aktivizēt tikai cita kaspāze, tās pārgriežot.

Būtiska atšķirība starp abām grupām ir tā, kā tās ieslēdzas. Izpildītājkaspāze kļūst aktīva, kad to pārgriež. Iniciatorkaspāze turpretī kļūst aktīva, kad tā tiek savākta blakus otrai tādai pašai molekulai. Šo principu sauc par tuvināšanas aktivāciju: pietiek novietot divas neaktīvas molekulas blakus, un tās sāk darboties.

Iekšējais ceļš sākas nevis ar signālu no ārpuses, bet ar šūnas pašas secinājumu, ka tā vairs nav derīga. Tipiski iemesli ir nelabojami DNS bojājumi, ilgstošs skābekļa trūkums, olbaltumvielu salocīšanās traucējumi vai augšanas faktoru trūkums.

Lēmumu pieņem olbaltumvielu saime, kurā ir gan nāvi veicinoši, gan izdzīvošanu veicinoši dalībnieki. Kamēr izdzīvošanu veicinošie pārsvarā, mitohondriju ārējā membrāna paliek vesela. Kad līdzsvars nosveras, nāvi veicinošie izveido membrānā poras, un caur tām citoplazmā izplūst vielas, kuras tur nekad nedrīkstētu nonākt, pirmām kārtām citohroms c.

Citoplazmā citohroms c saistās ar īpašu olbaltumvielu, kas pēc tam, izmantojot enerģijas molekulu, pārkārtojas un savienojas ar vairākām sev līdzīgām, veidojot lielu riteņveida kompleksu, ko sauc par apoptosomu. Tieši šis ritenis ir kaspāzes 9 salikšanas platforma.

1. Šūna konstatē nelabojamu iekšēju bojājumu
2. Līdzsvars starp nāvi un izdzīvošanu veicinošām olbaltumvielām nosveras uz nāves pusi
3. Mitohondriju ārējā membrānā veidojas poras
4. Citoplazmā izplūst citohroms c
5. Veidojas riteņveida apoptosomas komplekss
6. Kaspāzes 9 molekulas tiek savāktas blakus un kļūst aktīvas
7. Aktīvā kaspāze 9 pārgriež un ieslēdz izpildītājkaspāzes
8. Izpildītājkaspāzes sadala šūnas struktūru olbaltumvielas

Atšķirībā no vairuma fermentu kaspāze 9 aktīvā formā nav noturīga pati par sevi. Tās aktivitāte ir atkarīga no tā, vai tā ir piesaistīta apoptosomai. Atdaloties no kompleksa, tā ievērojami zaudē darbaspēju. Praktiski tas nozīmē, ka apoptosoma nav tikai iedarbināšanas mehānisms, bet arī pastāvīga darba vieta.

Šis apstāklis šūnai ir izdevīgs. Ferments, kas darbojas tikai piesaistītā veidā, nevar nejauši ieslēgties un sākt graut šūnu, ja apstākļi mainās. Sistēma prasa nepārtrauktu apstiprinājumu, ka nāves signāls joprojām pastāv.

Tikpat svarīgas ir bremzes. Šūnā ir olbaltumvielas, kas saistās ar aktīvajām kaspāzēm un tās nomāc, un tās savukārt var neitralizēt citas mitohondriju izlaistas vielas. Rezultātā apoptoze ir sistēma ar vairākiem secīgiem drošinātājiem, un tikai tad, kad pārkāpti visi, process kļūst neatgriezenisks.

Augļa attīstībā šūnu nāve veido formu ne mazāk kā šūnu augšana. Pirkstu atdalīšanās no vienotas plātnītes, dobumu izveide orgānos un liekā nervu šūnu skaita samazināšana visas ir apoptozes sekas.

Nervu sistēmā šis process ir īpaši izteikts. Sākotnēji izveidojas ievērojami vairāk nervu šūnu, nekā vajadzīgs, un izdzīvo tās, kas izveido veiksmīgus savienojumus un saņem no mērķa audiem izdzīvošanas signālus. Pārējās aiziet bojā tieši pa kaspāzes 9 ceļu. Pētījumos ar dzīvniekiem, kuriem šis ceļš bloķēts, smadzeņu attīstība noris nepareizi, jo liekās šūnas neizzūd.

Imūnsistēmā apoptoze veic atlasi citā nozīmē: tā iznīcina limfocītus, kuri atpazīst paša organisma audus. Ja šis mehānisms nedarbojas, palielinās autoimūnu slimību iespēja.

Ja apoptoze ir nomākta, šūnas, kurām vajadzētu mirt, turpina dzīvot un vairoties. Tas ir viens no vēža attīstības pamatmehānismiem. Daudzos audzējos ir vai nu pārprodukcija izdzīvošanu veicinošām olbaltumvielām, vai bojāts DNS bojājumu uztvērējs, vai pastiprināti ražoti kaspāžu nomācēji. Rezultātā šūna neizpilda pašiznīcināšanās rīkojumu, kaut arī tās DNS ir smagi bojāta.

Pretēji, ja apoptoze notiek pārāk viegli, tiek zaudētas šūnas, kuras vēl varētu izdzīvot. Šis mehānisms ir aprakstīts smadzeņu insulta perifērajā zonā, sirds muskuļa bojājumā pēc asinsrites atjaunošanas un vairākās nervu sistēmas deģeneratīvās slimībās. Kaspāzes 9 ceļš šajās situācijās tiek pētīts kā iespējams ārstēšanas mērķis.

Ir arī retas iedzimtas slimības, kas saistītas ar šī ceļa traucējumiem, un tās parasti izpaužas kā attīstības anomālijas vai imūnsistēmas darbības traucējumi. Šādus stāvokļus diagnosticē ģenētiķis kopā ar attiecīgās jomas speciālistu, un tie nav nosakāmi pēc parastām analīzēm.

Jāuzsver, ka kaspāzes 9 līmeni ikdienas praksē neviens pacientam nemēra un pēc tā ārstēšanu nenosaka. Tas ir pētniecības un audzēju bioloģijas jēdziens, nevis analīzes rādītājs.

• Apoptozes nomākums: audzēja šūnu izdzīvošana, izturība pret ķīmijterapiju
• Pārmērīga apoptoze: neironu zudums insulta un deģeneratīvu slimību gadījumā
• Traucēta imūnšūnu atlase: autoimūnu procesu risks
• Attīstības traucējumi, ja process nenotiek augļa periodā

Pirmais bieži sastopamais pārpratums ir jaukt apoptozi ar nekrozi. Apoptoze ir sakārtota, enerģiju patērējoša šūnas pašiznīcināšanās, kurā šūna sadalās nelielos, ar membrānu apņemtos gabaliņos, kurus pēc tam apēd kaimiņšūnas vai makrofāgi, un iekaisums nerodas. Nekroze ir haotiska bojāeja, kurā šūna uzbriest un plīst, izlejot saturu apkārt un izraisot iekaisumu.

Otrs pārpratums ir jaukt kaspāzi 9 ar kaspāzi 8. Abas ir iniciatorkaspāzes, bet tās apkalpo dažādus ceļus: devītā uztver iekšēju bojājumu caur mitohondrijiem, astotā uztver ārēju pavēli no citas šūnas caur nāves receptoriem uz membrānas. Abos gadījumos ceļi saplūst vienā un tajā pašā izpildes līmenī.

Trešais pārpratums ir domāt, ka visas kaspāzes nogalina šūnu. Daļa kaspāžu ar apoptozi nemaz nenodarbojas: tās apstrādā iekaisuma signālvielas un piedalās pavisam citā šūnu nāves veidā, kas iekaisumu tieši izraisa.

Kaspāzes 9 aktivitāti šūnu kultūrā mēra ar mākslīgi radītām molekulām, kurās iekļauta tieši tā aminoskābju secība, ko šis ferments atpazīst. Kad ferments to pārgriež, atbrīvojas krāsviela vai gaismu izstarojoša molekula, un signāla stiprums atspoguļo aktivitāti. Šīs metodes trūkums ir tas, ka radniecīgās kaspāzes atpazīst līdzīgas secības, tāpēc rezultāts nav pilnībā specifisks.

Otra pieeja ir noteikt, vai ferments ir pārgriezts, izmantojot antivielas, kas atpazīst tikai pārgriezto formu. Audu paraugos audzēju pētniecībā bieži nosaka nevis pašu kaspāzi 9, bet gan izpildītājkaspāzes pēdas: pārgrieztu kaspāzi 3 vai raksturīgu DNS sadalīšanās produktu.

Šūnu līmeņa novērojumiem izmanto plūsmas citometriju ar krāsvielām, kas atpazīst šūnas membrānas izmaiņas apoptozes sākumā, un mikroskopiju, kurā redzams kodola saraušanās un sadrumstalošanās.

Citohroms c ir viena no dīvainākajām divkāršā lietojuma molekulām bioloģijā. Mitohondriju iekšienē tā ikdienas darbs ir pārnest elektronus elpošanas ķēdē, tas ir, piedalīties enerģijas ražošanā. Tā ir viena no vissenākajām un vissvarīgākajām dzīvības molekulām. Taču, nonākot ārpus mitohondrija, tā pati molekula kļūst par nāves signālu.

Šī divējādība nav nejauša, bet gan ļoti eleganta risinājuma piemērs. Šūnai vajadzēja mehānismu, kas uzticami pateiktu, vai mitohondriji joprojām ir veseli, jo bez tiem šūna tāpat nevar dzīvot. Labākais veids, kā to pārbaudīt, ir padarīt pašu mitohondriju svarīgāko detaļu par signālu, kas nonāk ārpusē tikai tad, kad mitohondriji ir cietuši. Rezultātā šūna nevar viltot šo signālu: tas parādās tikai tad, kad enerģijas ražotne patiešām ir bojāta.

Otra neacīmredzamā lieta ir tā, ka apoptosomas veidošanai nepieciešama enerģijas molekula. Tas nozīmē, ka pilnīgi izsīkusi šūna, kurai enerģijas vairs nav, nevar nomirt kārtīgi, un tā iet bojā pa nekrozes ceļu ar iekaisumu. Tieši tāpēc smagas skābekļa trūkuma zonās, piemēram, insulta centrā, dominē nekroze, bet perifērijā, kur enerģija vēl ir, dominē apoptoze.