Kaspāžu aktivācija un ieprogrammēta šūnas nāve

Kaspāzes mēdz iedalīt trīs funkcionālās grupās. Ierosinātājas uztver signālu, izpildītājas veic sagriešanu, bet iekaisuma kaspāzes nestrādā apoptozē vispār, bet gan gatavo iekaisuma signālvielas.

Iekšējais ceļš sākas šūnas iekšienē, kad rodas nelabojams bojājums: pārrauta DNS, saplūduši nepareizi salocīti olbaltumi, trūkst augšanas signālu vai trūkst skābekļa. Lēmumu pieņem BCL-2 saimes olbaltumi, kas savstarpēji sacenšas. Daļa no tiem sargā mitohondriju, daļa mēģina tajā izveidot atveri.

Ja nāves pusei izdodas pārsvars, mitohondrija ārējā membrāna kļūst caurlaidīga, un citoplazmā izplūst citohroms c, kas parasti piedalās enerģijas ražošanā. Šī viela ārpus mitohondrija darbojas kā signāls: kopā ar olbaltumu Apaf-1 tā salikas lielā riteņveida struktūrā, ko sauc par apoptosomu.

Uz apoptosomas savienojas divas ierosinātājkaspāzes molekulas, un tieši savienošanās, nevis sagriešana, padara tās aktīvas. Aktīvā ierosinātājkaspāze tālāk sagriež izpildītājkaspāzes, un process kļūst neatgriezenisks.

Ārējais ceļš sākas ārpus šūnas. Imūnšūna vai audu šūna uzrāda nāves signālvielu, kas pievienojas nāves receptoram uz mērķa šūnas virsmas. Receptors no iekšpuses pievelk pielāgotājolbaltumu, un kopā ar to veidojas nāves signāla komplekss.

Uz šī kompleksa savienojas pāros cita ierosinātājkaspāze. Dažās šūnās tās aktivitāte uzreiz pietiek, lai ieslēgtu izpildītājkaspāzes. Citās šūnās signāls ir par vāju, un tad tiek izmantots apvedceļš: ierosinātājkaspāze sagriež olbaltumu BID, kura sagrieztā forma dodas uz mitohondriju un ieslēdz arī iekšējo ceļu. Tā abi ceļi savienojas.

Ārējais ceļš ir tas, ko imūnsistēma izmanto, lai likvidētu inficētas un audzēja šūnas, un tas pats ceļš darbojas limfocītu atlasē, noņemot šūnas, kas vērstas pret paša organismu.

1. Signāls sasniedz šūnu: vai nu iekšējs bojājums, vai nāves receptora aktivēšana no ārpuses.
2. Izveidojas salikšanas platforma, apoptosoma vai nāves signāla komplekss.
3. Uz platformas savienojas divas ierosinātājkaspāzes molekulas un kļūst aktīvas.
4. Ierosinātājkaspāze sagriež izpildītājkaspāzes, tās aktivējot.
5. Izpildītājkaspāzes sagriež kodola apvalka, citoskeleta un labošanas olbaltumus.
6. Tiek atbrīvots ferments, kas sagriež DNS starp nukleosomām raksturīgos gabalos.
7. Šūnas membrānas ārpusē parādās signāls, kas makrofāgam pasaka, ka šūna jāapēd.
8. Šūna sadalās saiņos, un tos absorbē kaimiņi bez iekaisuma reakcijas.

Šūnā ir vairāki mehānismi, kas neļauj kaspāzēm nostrādāt nejauši. Pirmais ir pati neaktīvā forma. Otrais ir prasība pēc platformas: bez tās divas molekulas nesatiekas pietiekami tuvu. Trešais ir apoptozi kavējošo olbaltumu grupa, kas piesaistās jau aktīvām kaspāzēm un tās bloķē.

Ir arī pretbremze. Kad mitohondrijs kļūst caurlaidīgs, no tā līdz ar citohromu c izplūst olbaltums, kas atsaista kavētājus no kaspāzēm. Tādējādi mitohondrijs vienlaikus dod gan nāves signālu, gan noņem aizsardzību.

Šo līdzsvaru medicīna jau izmanto praksē. Zāles, kas bloķē mitohondriju sargājošo BCL-2 olbaltumu, atgriež apoptozes spēju audzēja šūnām, kuras to zaudējušas, un tās lieto atsevišķu asins audzēju ārstēšanā.

• Prokaspāze pati par sevi ir praktiski neaktīva.
• Aktivācijai nepieciešama platforma, kas savedina divas molekulas kopā.
• Apoptozi kavējošie olbaltumi bloķē jau aktivētas kaspāzes.
• Mitohondrijs izdala vielu, kas šos kavētājus atslēdz.
• BCL-2 saimes olbaltumu līdzsvars nosaka, vai mitohondrijs vispār kļūst caurlaidīgs.

Augļa attīstībā apoptoze ir veidotāja, nevis postītāja. Pirkstus atdala tieši šūnu ieprogrammēta nāve starp tiem. Nervu sistēmā sākotnēji izveidojas daudz vairāk neironu, nekā nepieciešams, un tie, kas neatrod pareizo mērķi un nesaņem augšanas atbalstu, iet bojā pa iekšējo ceļu.

Imūnsistēmā aizkrūts dziedzerī tiek atlasīti limfocīti. Tie, kas atpazīst paša organisma audus pārāk spēcīgi, tiek likvidēti ar apoptozi. Ja šis mehānisms nestrādā, attīstās autoimūns limfoproliferatīvs sindroms ar palielinātiem limfmezgliem un autoimūnām asins šūnu slimībām.

Pieaugušam cilvēkam apoptoze uztur līdzsvaru starp šūnu radīšanu un zaudēšanu zarnu gļotādā, ādā, asinsradē un dzimumdziedzeros. Ar vecumu šis līdzsvars mainās: dažos audos mirst pārāk daudz šūnu, citos bojātas šūnas paliek dzīvas pārāk ilgi.

Par maz apoptozes nozīmē, ka bojātas šūnas paliek. Tas ir viens no vēža attīstības pamatmehānismiem, un daudzi audzēji tieši iemācās bloķēt kaspāžu aktivāciju. Līdzīgi tas darbojas dažās autoimūnās slimībās, kur netiek likvidēti limfocīti, kas vērsti pret paša audiem.

Par daudz apoptozes nozīmē, ka mirst šūnas, kas vajadzīgas. Tas notiek sirds infarkta un insulta apvidū, kur daļa šūnu iet bojā ne tikai no skābekļa trūkuma, bet arī pa ieprogrammētu ceļu, kā arī neirodeģeneratīvās slimībās un pēc smagām aknu vai nieru traumām.

Atsevišķa grupa ir iekaisuma kaspāzes. To pārmērīga aktivācija inflamasomā izraisa periodiskus drudža sindromus un piedalās podagras lēkmes un vairāku hronisku iekaisumu norisē. Šajos gadījumos efektīvas ir zāles, kas bloķē attiecīgo iekaisuma signālvielu.

Pacientam kaspāzes nav atsevišķa diagnoze. Tomēr pie ārsta jādodas, ja parādās pastāvīgi palielināti limfmezgli, neizskaidrojams svara zudums, atkārtots drudzis bez infekcijas vai ilgstošas asins analīžu izmaiņas. Šos stāvokļus vērtē hematologs, onkologs, imunologs vai reimatologs atkarībā no ainas.

Audu paraugā apoptozi visbiežāk parāda imūnhistoķīmiska krāsošana, kas atpazīst tieši sagrieztu izpildītājkaspāzes formu. Tas ir precīzāk nekā vērtēt šūnas izskatu, jo sagrieztā forma parādās tikai aktivācijas gadījumā. Izmanto arī metodi, kas iekrāso sagrieztos DNS galus, kā arī plūsmas citometriju ar vielu, kas piesaistās membrānas ārpusē parādījušajam signālam.

Sajaukt apoptozi ar citiem šūnu nāves veidiem ir viegli, jo mikroskopā vēlīnās stadijas izskatās līdzīgi. Atšķirību nosaka mehānisms un sekas apkārtējiem audiem.

Kaspāžu aktivācija ne vienmēr nozīmē nāvi. Ja aktivēta tikai neliela daļa kaspāžu, šūna var izdzīvot, bet ar sekām. Nervu sistēmā šāda daļēja aktivācija apgriež liekos izaugumus un piedalās mācīšanās procesos. Ādā tā palīdz veidot barjeru. Spermatozoīdu nobriešanā tā noņem lieko citoplazmu.

Tam ir arī tumšā puse. Ja mitohondriju caurlaidība rodas tikai daļā šūnas mitohondriju, atbrīvotā kaspāžu aktivitāte var sagriezt DNS, nenonāvējot šūnu. Šāda izdzīvojusi šūna nes jaunus ģenētiskus bojājumus, un tas ir viens no pētītajiem ceļiem, kā nepabeigta apoptoze var veicināt audzēja rašanos. Tieši tāpēc mūsdienu izpratnē apoptoze tiek vērtēta nevis kā slēdzis ar divām pozīcijām, bet kā process ar pakāpēm.