Апоптосом: Жасушалық өлімнің молекулалық механизмі

Кіріспе

Ұяшықтық апоптоз процесіне қатысатын белок кешені. Апоптосома – апоптоз процесінде қалыптасатын ірі төртіншілік ақуыздық құрылым. Оның пайда болуы митохондриядан цитохром c-нің ішкі (ішкі) немесе сыртқы (сыртқы) жасуша өліміне жауап ретінде босауымен басталады. Стимулдар ДНК зақымдануы мен вирустық инфекциядан бастап, даму белгілеріне дейін, мысалы, түйеқұйрықтың құйрығының жоғалуына әкелетін факторларға дейін алуан түрлі болуы мүмкін. Сүтқоректілер жасушаларында цитохром c босағаннан кейін, цитозолдық белок Apaf 1-ге байланысып, апоптосоманың қалыптасуына көмектеседі. Алғашқы биохимиялық зерттеулер апоптосоманың қалыптасуы үшін цитохром c пен Apaf 1 арақатынасы 2:1 болатынын көрсетті. Алайда, соңғы құрылымдық зерттеулер цитохром c пен Apaf 1 арақатынасы 1:1 екенін көрсетті. Сондай-ақ, үшінші компонент ретінде dATP нуклеотиді Apaf 1-ге байланысатыны анықталды, бірақ оның нақты қызметі әлі де талқыланып жатыр. Сүтқоректілердің апоптосомасы ешқашан кристалданбаған, бірақ 2002 жылы адам APAF 1/цитохром c апоптосомасы криогендік трансмиссиялық электронды микроскопия арқылы төменгі (2 нм) ажыратымдылықта бейнеленген.

Қалыптасқаннан кейін апоптосома белсенді емес про-каспаза 9-ды тарта алады және оны белсендіре алады. Белсендірілгеннен кейін, бұл бастама каспазасы эффект каспазаларын белсендіріп, апоптозға әкелетін оқиғалар тізбегін іске қосады.

Тарих

Аптосома термині алғаш рет 1998 жылы Ёсихиде Цужимотоның «Апоптозда Bcl 2 отбасы ақуыздарының рөлі: апоптосомалар немесе митохондриялар?» атты мақаласында енгізілді. Дегенмен, осы уақытқа дейін апоптосома үштік кешен ретінде белгілі болған. Бұл кешенде әрқайсысы Apaf 1 доменін байланыстыратын каспаза 9 және Bcl XL қатысқан. Бұл кешеннің қалыптасуы сүтқоректілер жасушаларының өлімін реттеуде маңызды рөл атқарады деп есептелді. Сол жылдың желтоқсан айында «The Journal of Biological Chemistry» журналында жарияланған тағы бір мақалада Apaf 1 прокаспаза 9-ды белсендіру арқылы апоптозды реттейтін фактор екені көрсетілді. Апоптосоманың критерийлері 1999 жылы анықталды. Біріншіден, ол ірі кешен болуы керек (1,3 миллион дальтоннан асатын). Екіншіден, оның қалыптасуы үшін АТФ немесе dАТФ жоғары энергиялы байланысының гидролизі қажет. Үшіншіден, ол 9-шы прокаспазаны функционалдық түрінде белсендіруі тиіс. Бұл кешеннің қалыптасуы – кері қайтару мүмкін емес нүкте, одан кейін апоптоз басталады. Тұрақты APAF 1 және цитохром мультимерлік кешен осы сипаттамаға сай келеді және қазір апоптосома деп аталады. Апоптосома мультимерлік кешен болып саналады, себебі екі мақсаты бар: біріншіден, бірнеше прокаспаза 9 молекулаларын жақын жерге жинап, бөлінуге дайындау. Екіншіден, апоптоздың шегін көтеріп, цитохром c-ның кездейсоқ шығуы апоптозға алып келмейді. Осы жол бойынша жүргізіліп жатқан зерттеулер егжей-тегжейлі қарастырылады. Сонымен қатар, APAF 1-ге тәуелсіз және демек апоптосомаға қатысы жоқ, жасуша өлімінің жасырын жолдары да бар. Бұл жолдар сондай-ақ 3-ші және 9-шы каспазалардан да тәуелсіз. Апоптоздың осы жасырын жолдары баяурақ, бірақ қосымша зерттеулер нәтижесінде пайдалы болуы мүмкін. [[Файл:Апоп атомдық моделі. jpg|thumb|alt=Адам апоптосомасының псевдо-атомдық құрылымы.|Адам апоптосомасының псевдо-атомдық құрылымы (Юань және басқалар, 2010, Апоптосомалық прокаспаза 9 CARD кешенінің құрылымы)] Стресс факторы цитохром c-ның цитоплазмаға шығуына ықпал етеді, ол кейіннен Apaf 1-нің C-терминалына, бірнеше WD 40 қайталануы бар аймақта байланысады. Комплексте цитохром c-ның Apaf 1-ге қатынасы 1:1 екені дәлелденді. Сонымен қатар, бірнеше басқа молекулалар, ең бастысы каспаза 3, апоптосомамен бірге тазартылғаны туралы хабарланды. Apaf 1-нің CARD домені прокаспаза 9-бен өзара әрекеттеседі және апоптосомаға қосылу процесіне қатысады.

The term Apoptosome was first introduced in Yoshihide Tsujimoto's 1998 paper "Role of Bcl 2 family proteins in apoptosis: apoptosomes or mitochondria?". However, the Apoptosome was known before this time as a ternary complex. This complex involved caspase 9 and Bcl XL which each bound a specific Apaf 1 domain. The formation of this complex was then believed to play a regulatory role in mammalian cell death. In December of the same year, a further article was released in The Journal of Biological Chemistry stating that Apaf 1 is the regulator of apoptosis, through activation of procaspase 9. The criteria for an apoptosome were laid out in 1999. Firstly, it must be a large complex (greater than 1.3 million daltons). Secondly its formation requires the hydrolysis of a high energy bond of ATP or dATP. And lastly it must activate procaspase 9 in its functional form. The formation of this complex is the point of no return, and apoptosis will occur. The stable APAF 1 and cytochrome multimeric complex fit this description, and is now called the apoptosome. The apoptosome was thought to be a multimeric complex for two reasons. Firstly, to bring multiple procaspase 9 molecules close together for cleavage. And secondly, to raise the threshold for apoptosis, therefore nonspecific leakage of cytochrome c would not result in apoptosis. Current research areas for this pathway will be discussed in further detail. There are hidden routes for cell death as well, which are independent of APAF 1 and therefore the apoptosome. These routes are also independent of caspase 3 and 9. These hidden pathways for apoptosis are slower, but may prove useful with further research. [[File:Apop atomic model. jpg|thumb|alt=Pseudo atomic structure of the human apoptosome.|Pseudo atomic structure of the human apoptosome (Yuan et al. 2010, Structure of an apoptosome procaspase 9 CARD complex
A stress stimulus can trigger the release of cytochrome c into the cytoplasm which will then bind to the C terminus of Apaf 1 within a region containing multiple WD 40 repeats. The stoichiometry of cytochrome c to Apaf 1 within the complex is proved to be 1:1. In addition, several other molecules, most notably caspase 3, have been reported to co purify with the apoptosome
The CARD domain of Apaf 1 interacts with procaspase 9 and involved with recruitment within the apoptosome.

Іске қосу

Апоптосомалық әрекеттің басталуы бағдарланған жасуша өлімі (БЖӨ) жолының алғашқы қадамдарымен сәйкес келеді. Жануарларда апоптоз екі жолдың бірі арқылы катализделуі мүмкін: экстринстік жол трансмембраналық рецепторларға жасуша сырты лигандтарының байланысын қамтиды, ал ішкі жол митохондрияда жүзеге асады. Бұл ішкі жол митохондриядан цитохром C-нің босатылуын және одан кейін цитоплазмалық Apaf 1 ақуызымен байланысуын қамтиды. Осылайша, цитохром C-нің босатылуы апоптосомалық әрекеттің басталуы үшін қажет; бұл босату бірнеше тәсілмен реттеледі, ең маңыздысы – кальций иондары деңгейін анықтау арқылы. Альцгеймер, Паркинсон және Хантингтон аурулары сияқты нейродегенеративті аурулар – жасқа байланысты аурулар болып табылады және тіндердің қолдау функциясына үлес қосатын немесе әлі жұмыс істей алатын жасушалардың өліміне алып келеді. Apaf 1 ALT – простата қатерлі ісігінде табылған Apaf 1 мутанты, онда 339-1248 қалдықтары жоқ. Апоптосоманың жақындағы құрылымдық зерттеулері Apaf 1 ALT апоптосома құрамайтынын көрсетті, себебі оның құрастыру үшін қажетті негізгі құрылымдық компоненттері жетіспейді.

Апоптоздағы P53 мутациялары

P53 ісікке қарсы басушы ретінде жұмыс істейді, ол қатерлі ісіктің пайда болуын болдырмауға қатысады және табиғи апоптоз жолдарында кездеседі. P53 жасушаларды апоптозға түсіріп, одан әрі бөлінуін тоқтатады, осылайша олардың қатерлі ісікке айналуына жол бермейді (16). Көптеген қатерлі ісіктерде p53 жолының мутацияға ұшырауы салдарынан дисфункционалды жасушаларды жою қабілеті жоғалады. P53 функциясы сондай-ақ p53 генінің мутациялары ұзақ өмір сүретін жануарлардың пайда болуына себеп болатын теріс доминантты формалардың экспрессиясына жауапты болуы мүмкін, бұл жасушалардың өмір сүру ұзақтығын шектейді. Мысалы, C. elegans-та жүргізілген экспериментте p53 мутанттарының өмір сүру ұзақтығының ұлғаюы автофагияның күшеюімен байланысты екені анықталды. Аптосоманы тікелей белсендіру қабілеті қатерлі ісік терапиясында маңызды, себебі бұзылған қатерлі ісік гендерін жою мүмкін болмайды, бұл ісіктің өсуіне әкеледі. Сыртқы стимул арқылы апоптосоманы белсендіру арқылы апоптозды қоздырып, мутацияланған жасушалардан құтылуға болады. Қазіргі уақытта бұл мақсатқа жету үшін рекомбинантты биомолекулалар, антисенс стратегиялары, гендік терапия және классикалық органикалық комбинаторлық химия сияқты әртүрлі тәсілдер зерттелуде, олар адам ауруларындағы шамадан тыс немесе жеткіліксіз жасуша өлімін түзету үшін нақты апоптоздық реттеушілерді анықтауға бағытталған. Жалпы алғанда, антиапоптоздық белоктардың деңгейінің жоғарылауы апоптоздың алдын алуға әкеледі, бұл ингибиторлармен шешіледі, ал антиапоптоздық белоктардың деңгейінің төмендеуі апоптозды индукциялайды, бұл олардың белсенділігін өзгерте алатын активаторлармен кері қайтарылады. Апоптозға негізделген терапиядағы маңызды нысаналық молекула – Bcl-2, ол жаңа дәрілерді жасау үшін қолданылады. Bcl-2 – алғашқы онкоген, ол апоптозды тежеу арқылы қатерлі ісіктің пайда болуына себеп болады. Ол ісіктерде жоғары экспрессияланады және химиотерапияға төзімді. Ғалымдар Bcl-2 антиапоптоздық белоктарына депрессорларды байланыстырудың оларды тежеп, Bax және Bak-пен тікелей өзара әрекеттесуге активаторларды босататынын анықтады. Қатерлі ісік терапиясы үшін тағы бір мақсатты молекула – каспазалар отбасы және олардың реттеушілері. Каспаза белсенділігін тежеу адам ауруларындағы жасуша өлімін тоқтатады, соның ішінде нейродегенеративті аурулар, инсульт, жүрек шабуылы және бауыр зақымдануы. Сондықтан каспаза ингибиторлары инсульт және басқа да адам ауруларын емдеу үшін перспективті фармакологиялық құрал болып табылады. Қазіргі уақытта клиникалық алдындағы зерттеулер кезеңінде бірнеше каспаза ингибиторлары бар, олар кейбір нейродегенеративті аурулардың әсерін кері қайтаруға үміттендіретін нәтижелер көрсетті. Жақында жүргізілген зерттеуде зерттеушілер M 826 деп аталатын қайтымды каспаза-3 ингибиторын жасап, оны ми тінінің зақымдануын тоқтату үшін егешқұйрықтарда сынады. Бұдан әрі, ол Хантингтон ауруы бар егешқұйрықта сыналып, ингибитор жолақты нейрондардың өлімін болдырмады, бұл ингибиторды одан әрі зерттеу үшін үміт беретін әсерін көрсетті.

P53 functions as a tumor suppressor that is involved in preventing cancer and occurs naturally in apoptotic pathways. P53 causes cells to enter apoptosis and disrupt further cell division therefore preventing that cell from becoming cancerous (16). In the majority of cancers it is the p53 pathway that has become mutated resulting in lack of ability to terminate dysfunctional cells. P53 function can also be responsible for a limited life span where mutations of the p53 gene causes expression of dominant negative forms producing long lived animals. For example in an experiment using C. elegans, the increased life span of p53 mutants was found to depend on increased autophagy. The ability to directly cause apoptosome activation is valuable in cancer therapies because the infected cancerous genes are unable to be destroyed causing a continuation of the cancer to form. By activating the apoptosome by an outside stimulus apoptosis can occur and get rid of the mutated cells. Numerous approaches to achieve this are currently being pursued including recombinant biomolecules, antisense strategies, gene therapy and classic organic combinatorial chemistry to target specific apoptotic regulators in the approach to correct excessive or deficient cell death in human diseases. In general the up regulation of anti apoptotic proteins leads to the prevention of apoptosis which can be solved by inhibitors and the down regulation of anti apoptotic proteins leads to the induction of apoptosis which is reversed by activators that are able to bind and modify their activity. An important target molecule in apoptosis based therapies is Bcl 2 for drug design. Bcl 2 was the first oncogene found to cause cancer inhibiting apoptosis. It is over expressed in tumors and is resistant to chemotherapy. Scientists have found that binding depressors to Bcl 2 anti apoptotic proteins inhibits them and leaves direct activators free to interact with Bax and Bak. Another targeted molecule for cancer therapy involves the caspase family and their regulators. The inhibition of caspase activity blocks cell death in human disease including neurodegenerative disorders, stroke, heart attack and liver injury. Therefore, caspase inhibitors are a promising pharmacological tool providing treatments for stroke and other human diseases. There are several caspase inhibitors that are currently in the preclinical stage that have shown promising evidence of reversing effects of some neurodegenerative diseases. In a recent study researchers developed a reversible caspase 3 inhibitor called M 826 and tested it in a mouse model where it blocked brain tissue damage. Furthermore, it was tested on a mouse with Huntington's disease and the inhibitor prevented striated neuron death revealing promising effects for further study of this caspase inhibitor.

Апоптосома кешені молекулалық терапияның жаңа мақсаттарын ашып берді

Apaf1/caspase 9 апоптосомасының қалыптасуы апоптоз каскадындағы шешуші оқиға болып табылады. Белсенді апоптозом кешенінің қалыптасуын болдырмайтын немесе тұрақтандыратын жаңа дәрілерді табу – шамадан тыс немесе жеткіліксіз апоптозбен сипатталатын ауруларды емдеудің ең тиімді стратегиясы. Жақында тауриннің митохондриялық дисфункцияға кедерес келтірмей, Apaf1/caspase 9 апоптосомасының қалыптасуын тежеу арқылы кардиомиоциттерде ишемиялық апоптозды болдырмайтыны анықталды. Тауриннің апоптосома қалыптасуын тежеу механизмі апоптосоманың маңызды құрамы – caspase 9 экспрессиясын төмендету қабілетімен байланысты екені анықталды. Дегенмен, Apaf1 және caspase 9 апоптосомадан өзге де тәуелсіз қызметтер атқаратынын көрсететін зерттеулер бар, сондықтан олардың деңгейін өзгерту жасуша функциясын да өзгерте алады. Осылайша, нәтижелі тәжірибелік деректерге қарамастан, бірқатар мәселелер шешілмей қалғандықтан және клиникалық тәжірибеде тәжірибелік препараттарды қолдану шектеулі. Апоптозома ингибиторларын табу апоптозға байланысты ауруларды емдеу үшін жаңа терапиялық мүмкіндіктер ашады. Атап айтарлықтай, апоптозома компоненттерінің транскрипциялық деңгейін өзгертусіз, жасуша ішіндегі белок-белок өзара әрекеттесуіне әсер ете отырып, апоптозоманың тұрақтылығы мен белсенділігін тежейтін жаңа қосылыстар маңызды. Апоптозоманың құрылымын зерттеудің соңғы нәтижелері апоптозомаға негізделген терапияны жобалау үшін құнды құралдар ұсынуы мүмкін.