Kaspāžu aktivitāte un šūnu nāve

Nosaukums veidots no diviem apzīmējumiem. Pirmā daļa norāda, ka fermenta aktīvajā centrā atrodas cisteīns, kas veic šķelšanas reakciju. Otrā daļa norāda uz specifiku: šķelšana notiek tieši aiz asparagīnskābes atlikuma. Šī īpašība ir reta, un tieši tā padara šos fermentus par tik paredzamiem.

Katra kaspāze tiek sintezēta kā garāks neaktīvs priekštecis. Tam ir priekšējā daļa jeb prodomēns un divas apakšvienības, kas vēlāk veido darba centru. Aktivācijas laikā prodomēns tiek noņemts vai izmantots par piesaistes vietu, un divas šādas molekulas savienojas pa pāriem, izveidojot darbotiesspējīgu fermentu.

Svarīgi, ka šķelšana neiznīcina mērķa olbaltumvielu pilnībā. Bieži tā tikai atdala kādu regulējošo daļu, un rezultātā olbaltumviela kļūst aktīva vai, tieši otrādi, zaudē funkciju. Tāpēc apoptoze nav vienkārša šūnas sagremošana, bet precīzi vadīta funkciju pārslēgšana.

• Cisteīns aktīvajā centrā veic šķelšanu.
• Šķelšanas vieta ir aiz asparagīnskābes noteiktā īsā secībā.
• Priekštecis ir neaktīvs un satur prodomēnu.
• Aktīvais ferments sastāv no divām savienotām apakšvienībām.
• Daudzos gadījumos šķelšana maina mērķa olbaltumvielas funkciju, nevis to iznīcina.

Saimes locekļi nav savstarpēji aizvietojami. Katrai grupai ir sava aktivācijas kārtība un savs uzdevumu loks, un tieši tāpēc viena kaspāze nevar pārņemt citas darbu.

Pirmo sauc par ārējo jeb receptoru ceļu. Kāda cita šūna, visbiežāk imūnās sistēmas šūna, pieskaras nāves receptoram uz mērķa šūnas virsmas. Receptors savelk kopā adaptera olbaltumvielas, un uz šī kompleksa saliekas iniciējošā kaspāze.

Otro sauc par iekšējo jeb mitohondriju ceļu, un to iedarbina bojājumi pašā šūnā: DNS bojājumi, skābekļa trūkums, augšanas faktoru trūkums vai izteikts stress endoplazmatiskajā tīklā. Šajā gadījumā mitohondriju ārējā membrāna kļūst caurlaidīga, un no starpmembrānu telpas izplūst citohroms c, kas izveido apoptosomu.

Abi ceļi satiekas vienā punktā: izpildošo kaspāžu aktivācijā. Turklāt tie ir savstarpēji saistīti, jo ārējā ceļa kaspāze spēj šķelt olbaltumvielu, kas savukārt iedarbina mitohondriju ceļu. Tieši šī saistība ļauj vājam ārējam signālam pastiprināties līdz izšķirošam apjomam.

1. Signāls sasniedz šūnu no ārpuses vai rodas tās iekšienē.
2. Uz nāves receptora kompleksa vai apoptosomas saliekas iniciējošā kaspāze.
3. Tā aktivējas un pāršķeļ izpildošo kaspāžu priekštečus.
4. Izpildošās kaspāzes šķeļ kodola apvalka, citoskeleta un remonta olbaltumvielas.
5. Atbrīvojas fermenti, kas sašķeļ DNS starp nukleosomām.
6. Šūna sarūk, sadalās membrānā ietvertos pūslīšos, un to aprij kaimiņi.

Mērķu saraksts ir plašs, bet ne nejaušs. Tiek šķelti tieši tie elementi, kuru bojājums ātri izslēdz šūnas spēju atgriezties darbā un vienlaikus sagatavo to sadalīšanai.

Viens no pazīstamākajiem mērķiem ir olbaltumviela, kas normāli notur DNS šķeļošo fermentu neaktīvu. Kad kaspāze to pāršķeļ, ferments atbrīvojas, nonāk kodolā un pārgriež DNS starp nukleosomām. Tieši tāpēc apoptozes laikā DNS sadalās gabalos, kuru izmēri veido regulāru kāpņu rakstu elektroforēzē.

Tiek šķeltas arī kodola apvalka atbalsta olbaltumvielas, tāpēc kodols sarūk un hromatīns sablīvējas. Šķeļot citoskeleta regulatorus, šūnas virsma sāk veidot raksturīgos izspiedumus. Vienlaikus mainās membrānas lipīdu izkārtojums, un uz ārpusi nonāk fosfatidilserīns, kas kalpo par zīmi makrofāgiem: šo šūnu drīkst aprīt.

Šūnai ir vairāki neatkarīgi drošinātāji. Pirmais ir tas, ka fermenti tiek sintezēti neaktīvā formā un to koncentrācija parasti ir pārāk zema spontānai savienošanai pa pāriem. Otrais ir īpašas olbaltumvielas, kas piesaistās jau aktīvai kaspāzei un to bloķē. Trešais ir mitohondriju membrānas caurlaidības kontrole, ko veic savstarpēji pretēju olbaltumvielu saime.

Šī saime ir tieši tas punkts, uz kuru vērstas vairākas mūsdienu pretaudzēju zāles. Daudzu audzēju šūnas izdzīvo tāpēc, ka pārmērīgi ražo olbaltumvielu, kas notur mitohondriju membrānu neskartu, un tādējādi apoptozes ceļš paliek nobloķēts pat tad, kad šūnā ir smagi DNS bojājumi.

Pastāv arī pretējs mehānisms: ja kaspāzes tiek aktivētas tikai daļēji un signāls beidzas, šūna spēj atgriezties normālā stāvoklī. Šo atgriešanos apraksta atsevišķi, un tā izskaidro, kāpēc apoptoze nav uzskatāma par tūlītēju punktu bez atgriešanās.

Pārāk vāja aktivitāte nozīmē, ka bojātas šūnas paliek dzīvas. Tas ir viens no audzēju attīstības mehānismiem, kā arī dažu autoimūnu slimību pamatā, kad neizdzēstie limfocīti, kuriem vajadzēja iet bojā, turpina uzbrukt paša organisma audiem. Iedzimti šī ceļa defekti izraisa retas slimības ar palielinātiem limfmezgliem un autoimūnām asins šūnu izmaiņām.

Pārāk spēcīga aktivitāte ir otra galējība. Sirds infarkta un insulta gadījumā daļa šūnu iet bojā nevis skābekļa trūkuma dēļ tieši, bet tāpēc, ka bojājums iedarbina apoptozes programmu, it īpaši brīdī, kad asinsrite tiek atjaunota. Neirodeģeneratīvās slimībās šūnu zudums arī daļēji notiek pa šo ceļu.

Iekaisuma kaspāžu jomā pārmērīga aktivācija izraisa atsevišķu iedzimtu periodisku drudžu sindromu ainu un veicina smagu iekaisuma reakciju infekcijas laikā. Praksē ar šīm slimībām strādā onkologi, hematologi, imunologi un reimatologi, bet paši mehānismi pieder molekulārās bioloģijas un patoloģijas jomai. Pacientam svarīgi zināt, ka šādas pārmaiņas neizmeklē ar parastu asins analīzi, bet gan vērtējot konkrēto slimību un tās audu paraugus.

• Nepietiekama apoptoze: audzēju šūnu izdzīvošana un autoimūnas parādības.
• Pārmērīga apoptoze: šūnu zudums pēc išēmijas un neirodeģeneratīvās slimībās.
• Iekaisuma kaspāžu pārmērīga aktivācija: periodiski drudži un smagas iekaisuma reakcijas.
• Iedzimti ceļa defekti: palielināti limfmezgli un autoimūnas asins šūnu izmaiņas.
• Zāļu mērķi: olbaltumvielas, kas notur mitohondriju membrānu neskartu.

Kaspāžu aktivitāti nemēra pacienta asinīs kā parastu rādītāju. To nosaka pētniecībā un audu izmeklējumos, un metodes izvēle atkarīga no jautājuma: vai fermenti ir aktīvi tieši tagad, vai šūna jau ir sākusi bojāeju.

Viena pieeja ir izmantot mākslīgu molekulu, kas satur kaspāzes atpazīstamo secību un atbrīvo krāsu vai gaismu, kad tiek pāršķelta. Otra ir antivielas, kas atpazīst tikai jau pāršķeltu, aktīvu fermenta formu, un tās izmanto audu preparātos. Trešā ir meklēt sekas: sašķeltu DNS, atklātu fosfatidilserīnu uz membrānas vai raksturīgu kodola izskatu mikroskopā.

Katrai metodei ir savs trūkums. Aktivitātes mērījums parāda tikai konkrēto mirkli, antiviela var atpazīt arī radniecīgu formu, bet DNS sašķelšanās vēlīnā stadijā vairs neatšķir apoptozi no citiem bojāejas veidiem. Tāpēc nopietnos darbos parasti izmanto vismaz divas neatkarīgas metodes.

Pirmā izplatītā kļūda ir pieņemt, ka jebkura šūnas nāve ir apoptoze. Bez tās pastāv vismaz nekroze, piroptoze, kuru vada tieši iekaisuma kaspāzes, un vairākas citas formas, katra ar savām sekām apkārtējiem audiem. Otrā ir jaukt kaspāzes ar citām šūnu proteāzēm, piemēram, lizosomu katepsīniem vai kalcija atkarīgajiem kalpaīniem, kuriem ir cita atpazīšanas vieta un cita loma.

Negaidītākais fakts ir tas, ka kaspāžu aktivitāte ne vienmēr nozīmē šūnas bojāeju. Neironos vietēja izpildošās kaspāzes aktivitāte piedalās liekā sinapšu tīkla apgriešanā, nenogalinot pašu šūnu. Acs lēcas šūnas un muskuļu šūnu priekšteči izmanto šos pašus fermentus nobriešanas laikā. Tas nozīmē, ka atrast aktīvu kaspāzi audos vēl nav pierādījums tam, ka šūna mirst.

Vēl viena mazāk zināma parādība: bojā ejošās šūnas, izmantojot kaspāžu darbību, izdala signālus, kas rosina kaimiņu šūnas dalīties un aizpildīt tukšo vietu. Tas izskaidro, kāpēc audu atjaunošanās un šūnu nāve nav pretstati, bet viena un tā paša procesa divas puses.