Review Article JQUMS, Vol.17, No.3, 2013, pp. 48-57 Apoptosis: programmed cell death M. Honardoost * H. Soleimanjahi ** F. Rajaei *** *Ph.D. Student of Molecular Medicine, Cellular and Molecular Research Center, Qazvin University of Medical Sciences, Qazvin, Iran **Associate Professor of Virology, Tarbiat Modarres University, Tehran, Iran ***Associate Professor of Histology and Embryology, Cellular and Molecular Research Center, Qazvin University of Medical Sciences, Qazvin, Iran Abstract Apoptosis or programmed cell death is known as a conserved gene-directed mechanism for the specific elimination of unnecessary or unwanted cells from an organism and is involved in many immune system mechanisms and diseases. The main differences of this pathway with cell necrosis as two main pathways for elimination of unwanted cells are the absence of inflammation and the restricted effect on target cells. Apoptosis has an important role in biological processes such as normal development, tissue homeostasis, elimination of destroyed cells or virus infected cells and remove of self antigen-activated immune cells. Apoptosis is important for regulation of cell growth and proliferation, development and body health and many autoimmune diseases, cancers and viral infections are the result of impaired or inhibited programmed cell death. Therefore the main objective of apoptosis research is to identify molecular components and regulatory mechanisms specially Bcl-2 and IAP family as the most important regulators of apoptosis and this information may lead to application of therapeutic agents that can modulate this process in the treatment of neurodegenerative disorders and proliferative diseases such as cancer. Keywords: Apoptosis, Programmed Cell Death, Caspase, Bcl-2 Family, IAP Family Corresponding Address: Farzad Rajaei, Dept. of Anatomy, Qazvin University of Medical Sciences, Shaheed Bahonar Blvd., Qazvin, Iran Email: farzadraj@yahoo.co.uk Tel: +98-281-3324970 Received: 11 Jun 2012 Accepted: 3 Apr 2013
و 6 49 مجله علمي دانشگاه علوم پزشكي قزوين سال هفدهم شماره 3 (پي در پي 68 ) مرداد و شهريور 1392 / مقاله مروري آپوپتوز: مرگ برنامهريزي شده سلولي * مريم هنردوست ** دكتر حوريه سليمانجاهي *** دكتر فرزاد رجايي * دانشجوي دكتراي پزشكي مولكولي مركز تحقيقات سلولي و مولكولي دانشگاه علوم پزشكي قزوين ** دانشيار گروه ويروسشناسي دانشگاه تربيت مدرس تهران *** دانشيار بافتشناسي و جنينشناسي مركز تحقيقات سلولي و مولكولي دانشگاه علوم پزشكي قزوين آدرس نويسنده مسو ول: قزوين بلوار شهيد باهنر دانشگاه علوم پزشكي قزوين گروه علوم تشريحي تلفن 3324970-0281 Email: farzadraj@yahoo.co.uk تاريخ پذيرش: 92/1/14 تاريخ دريافت: 91/3/22 چكيده فرايند آپوپتوز يا مرگ برنامهريزي شده سلول به عنوان روشي حفاظت شده تحت كنترل ژنهاست كه به منظور حذف سلولهاي ناخواسته يا غيرضروري در موجودات زنده به كار ميرود و در بسياري از مكانيسمهاي سيستم ايمني يا بيماريها مداخله ميكند. اصليترين تفاوت اين مسير با نكروز سلولي به عنوان مسير اصلي حذف سلولهاي ناخواسته در عدم ايجاد التهاب و اثر محدود به سلولهاي هدف است. آپوپتوز در فرايندهاي مهم زيست شناختي مانند تكامل طبيعي هومي وستاز بافتي حذف سلولهاي تخريب شده يا آلوده به ويروس و حذف سلولهاي ايمني فعال شده عليه آنتي ژنهاي خودي نقش بسيار حياتي را بر عهده دارد. اين فرايند در تنظيم ميزان رشد تكثير سلولها تكامل و سلامت بدن بسيار مهم بوده و بروز بسياري از بيماريهاي اتوايميون سرطانها و عفونتهاي ويروسي نتيجه عملكرد ضعيف يا مهار شدن پديده مرگ برنامهريزي شده سلولي است. بنابراين هدف اصلي مطالعههاي آپوپتوزي تمركز بر روي شناخت اجزاي مولكولي و مكانيسمهاي تنظيمي به خصوص خانواده Bcl-2 و خانواده IAP به عنوان مهمترين گروههاي تنظيمي است و اين اطلاعات كمك ميكند تا با به كارگيري عوامل درماني كه اين فرايند را متا ثر ميكنند درمان بيماريهاي تخريب عصبي و بيماريهاي تكثيري نظير سرطان دور از ذهن نباشد. كليدواژهها: آپوپتوز مرگ برنامهريزي شده سلول كاسپاز خانواده Bcl-2 خانواده IAP (2-4) ميكند. شكلگيري اندامها و بافتهاي بدن انسان در دورة جنيني و كنترل ميزان رشد و تكثير سلولهاي بدن (5) همگي از نتايج اين پديده زيستي است. به عنوان مثال وقوع پديده آپوپتوز در سلولهاي جنين انسان باعث جدا شدن انگشتان دست از هم ميشود. به هم خوردن سرعت وقوع اين پديده چه به صورت افزايشي و چه كاهشي باعث ايجاد سرطان يا بيماريهايي نظير آلزايمر و (7 ) پاركينسون ميشود. شناسايي اين فرايند سلولي و راههاي كنترل آن در دستيابي به دادههاي ضد سرطاني (8) و ضد التهابي راه گشاست. مطالعهها نشان دادهاند هر عاملي كه از رشد و تكامل طبيعي سلولها جلوگيري كند مانند قرارگيري در معرض عوامل توكسيك يا انجماد مقدمه: واژه آپوپتوزيز يا آپوپتوز (Apoptosis) يك واژه يوناني و به معني ريزش برگ درختان پاييزي است. در سال 1972 هنگامي كه كر (Kerr) و همكارانش براي نخستين بار تفاوت ميان نكروز و آپوپتوز را مشاهده كردند گمان نميبردند كه پديدة اكتشافي آنها روزي (1) سرلوحه مطالعههاي ضد سرطان قرار گيرد. مكانيسم آپوپتوز يكي از اصليترين راههاي حذف سلولهاي ناخواسته است كه در بدن موجودات پرسلولي و حتي تك سلولي انجام ميشود. بسياري از ويروسها محصولهاي خاصي را جهت كنترل اين فرايند زيستي به نفع خود توليد ميكنند و سيستم ايمني نيز براي مقابله با بسياري از پاتوژنها از جمله ويروسها از اين مسير استفاده
و 8 آپوپتوز: مرگ برنامهريزي شده.../ مريم هنردوست و همكاران 50 ممكن است زمينه را براي بروز آپوپتوز در آنها فراهم (9) كند. انواع مرگ برنامهريزي شده سلولي: آپوپتوز يك فرايند بيوشيميايي هماهنگ است كه به مرگ سلول ( 10 و 11 ) منتهي ميشود و به سه نوع آپوپتوز شبه آپوپتوز و شبه نكروز دستهبندي ميشود. مهمترين حالت مرگ برنامهريزي شده حالت آپوپتوز است كه نقش كليدي را در تكامل سيستم ايمني و زندگي طبيعي موجودات پرسلولي (1) بازي ميكند. آپوپتوز: آپوپتوز يك رخداد طبيعي سلولي است كه به كمك آن ميزان رشد و تكثير سلولهاي بدن تنظيم و از ايجاد سرطان جلوگيري ميشود. چون در اين فرايند سلول مسو ول مرگ خود است به آن خودكشي سلولي هم گفته ميشود. سيستم ايمني با به كارگيري اين فرايند بسياري از اعمال ضد آنتي ژني خود را انجام ميدهد. حذف سلولهاي آلوده حذف كلونهاي T و B فعال شده بر عليه آنتي ژنهاي خودي و به طبع آن جلوگيري از بروز بيماريهاي اتوايميون از نتايج به كارگيري فرايند آپوپتوز (12) هستند. هنگام آپوپتوز مشخصات اصلي سلول عبارت است از: تراكم كروماتين درون هسته چروكيدگي سيتوپلاسم قطعه قطعه شدن DNA به قطعههاي 100 تا 200 جفت بازي و ايجاد حالت نردباني در ژل الكتروفورز از دست دادن چسبندگي سلول و تخريب اسكلت سلولي انتقال فسفاتيديل سرين از نيمه داخلي به نيمه خارجي غشاي سلول بالوني شدن سطح سلول و توليد اجسام آپوپتوزي. تفاوت ميان آپوپتوز و نكروز: دو راه براي مرگ سلولي شناخته شده است نكروز و آپوپتوز. تفاوتهاي بيوشيميايي و موفولوژيكي بسياري بين نكروز و آپوپتوز وجود دارد (شكل شماره 1). نكروز پاسخ طبيعي سلول به صدمههاي فيزيولوژيكي است كه با برهم خوردگي توانايي سلول براي نگهداري هموي وستازي شروع ميشود با نفوذ آب و يونهاي خارج سلولي تمام اندامكهاي درون سلولي به خصوص ميتوكندري متورم ميشود و سپس با از هم پاشيدگي غشاي سلولي و ليز سلولي تخريب صورت ميگيرد و اجزاي سيتوپلاسمي نظير آنزيمهاي ليزوزومي در مايع خارج سلولي رها ميشو د.ن بنابراين به علت پاسخهاي التهابي مرگ سلولي از طريق نكروز با تخريب گستردة ( 11 و 12 ) بافتي همراه است. برخلاف آن در آپوپتوز كه اكثرا به علت تحريكهاي داخل سلولي اتفاق ميافتد سلول خودكشي ميكند. سلول آپوپتوزي مشخصات موفولوژيكي خاصي دارد كه مشخصترين آنها اجسام آپوپتوزي است. اين اجسام شامل قسمتي از سيتوپلاسم و هسته در وزيكولهاي پلاسمايي و همچنين حاوي ريبوزوم است. اين وزيكولها خيلي سريع توسط فاگوسيتها يا سلولهاي اپيتليال مجاور شناسايي و هضم ميشوند (13 ) بدون اين كه پاسخ التهابي ايجاد كنند. اين اصليترين تفاوت ميان نكروز و آپوپتوز است. شكل - 1 تفاوت ميان مراحل نكروز و مرگ برنامهريزي شده سلول فرايند آپوپتوزيز: پديده آپوپتوز نخستين بار در يك نماتود هرمافروديت به نام Caenorhanditis elegans مشاهده شد. بعد از شناسايي آپوپتوز در اين جاندار شناسايي پديدههاي مشابه در پستانداران آغاز شد. فرايند آپوپتوز هم مانند تمام مسيرهاي سلولي از مسيرهاي مشخص و توسط تحريكهاي خاص القا ميشود. اين
و 8 و 4 51 مجله علمي دانشگاه علوم پزشكي قزوين سال هفدهم شماره 3 (پي در پي 68 ) مرداد و شهريور 1392 / مقاله مروري تحريكها اغلب منشاء درون سلولي دارند و ميتوان آنها را به چهار دسته اصلي طبقهبندي كرد: 1 -صدمههايي نظير تشعشع يا سموم 2- پيام فقدان يا كمبود عوامل رشد يا هورمونها 3- فعال شدن از مسير اتصال ليگاند به گيرنده (كه از مهمترين مسيرهاي فعالسازي است) 4- فعالسازي از طريق سلولهاي سيستم ايمني نظير ( 14 و 15 ) لنفوسيتهاي T كشنده و سلولهاي T كشنده. پيام مرگ از مسيرهاي فوق به سلول ابلاغ و ياخته از طريق مسير گيرنده ليگاند يا مسير ميتوكندريايي آماده مرگ ميشود. مسير اينترفرون و پروتي ين كيناز R از مسيرهاي فعالسازي مرگ سلولي در هنگام مواجهه با dsrna به (16) خصوص در عفونتهاي ويروسي است. پروتي ينهاي ويروسي زيادي نيز موجب القاي اين پديده ميشوند. پروتي ين توليد شده از ژن E2 در پاپيلوما ويروسها از طريق ايجاد توقف در چرخه سلولي G1 و در ويروس HIV پروتي ين Nef با افزايشTNF (Tumour necrosis factor) و پروتي ين gpx با ايجاد راديكال آزاد مثالهايي از القاي ) 17 و 18 ) آپوپتوز توسط ويروسها در سلولها هستند. مولكولهاي تنظيم كننده آپوپتوز پروتي ينهاي خانواده :B-cell lymphoma 2 مولكول BcL-2 ابتدا به عنوان پروتوانكوژن در لنفوماي فوليكولار سلولهاي B شناسايي شد. سپس اين مولكول به عنوان همولوگ پستانداري يكي از اعضاي اصلي آپوپتوز در C.elegance معرفي شد. Bcl-2 يك پروتي ين غشايي است كه اساسا در غشاي خارجي ميتوكندري قرار دارد. نوزده عضو از خانواده Bcl-2 در پستانداران شناسايي شده است. اين خانواده چهار موتيف حفاظت شده BH1-BH2-BH3-BH4 دارد كه با توجه به فعاليت و ساختار به سه دسته تقسيم شدهاند: الف- اعضاي ضد آپوپتوز كه شامل حداقل دو موتيف حفاظت شده هستند: Bcl-2 Bcl-XL و غيره. ب- اعضاي پرو آپوپتوز كه شامل چهار دسته حفاظت شده هستند protein) Bax (BCL2-associated X Bak و غيره. ج- شامل Bad Bin Bik و غيره هستند. اين گروه تنها داراي موتيف حفاظت شده BH3 بوده و اين (19 ) ناحيه براي الق يا خاصيت كشندگي كافي و ضروري است. اعضاي ضد آپوپتوز و پرو آپوپتوز به صورت هترو دايمر در ميآيند و به نظر ميرسد كه اعمال يكديگر را معين ميكنند. حدس زده ميشود كه غلظتهاي مشابه وابسته آنها مانند يك تنظيمكننده قوي براي برنامه مرگ سلولي عمل ميكند. در ويروسها هم پروتي ينهاي مشابهي با اختلاف كم وجود دارند. براي مثال E1B در آدنوويروسها BHRF-4 وBLAF-1 در PUL 37 EBV در KSbcl-2 HCMV در HHV-8 NeF در HIV و L.T.Ag در SV 40 از همولوگهاي ويروسي اين خانواده ( 20 و 21 ) محسوب ميشوند. كاسپازها: اجراييترين عضو مجموعه هستند. نام كاسپازها spartate-proteinase) (Cysten از عملكرد آنها گرفته شده است. اين خانواده در پستانداران چهارده عضو دارد كه يازده عضو آنها آنزيمهاي انساني هستند. اين آنزيمها مسير مرگ را هماهنگ ميكنند و با تجزيه سوبستراهاي مخصوص خود از ناحيه H 3 N + Asp xxa COOH نقش مهمي در پيشبرد ( 22 و 23 ) مرگ سلولي دارند. بيان اين پروتي ازها به صورت پروآنزيم (زيموژن) است و به وسيله شكسته شدن توسط سالين كاسپازها يا گرانزيم B فعال ميشوند. اين آنزيمها در حالت زيموژن سه ناحيه اصلي دارند: پيش دومين N- ترمينال زير واحد بزرگ شامل جايگاه فعال (حاوي سيستي ين) و زير واحد كوچك شامل C- ترمينال. اين سه ناحيه توسط آسپارتات از هم جدا ميشوند. كاسپازها پروتي ازهاي اختصاصي هستند و سوبستراي خود را از محل آسپارتات خاصي كه با توانايي كاسپاز سازگار است تجزيه ميكنند و باعث تخريب پروتي ينها يا فعالسازي كاسپازهاي ديگر ميشوند. تمام كاسپازها به وسيله رويداد تجزيهاي پروتي ازي فعال ميشوند. كاسپاز فعال تترامري (24) شامل دو زير واحد بزرگ و دو زير واحد كوچك است. اكتين وايمنيتن كراتين و كادهرين سوبستراهاي مناسبي براي كاسپازها محسوب ميشوند. كاسپازها را از نظر تقدم
و 5 آپوپتوز: مرگ برنامهريزي شده.../ مريم هنردوست و همكاران 52 و تا خر شركت در فرايند مرگ سلولي به دو دسته آغازگر و اجرايي دستهبندي ميكنند. كاسپازهاي آغازگر مانند كاسپاز 8 در ابتداي فرايند فعال ميشو دن و كاسپازهاي اجرايي مانند كاسپاز 3 در مراحل بعدي و توسط كاسپازهاي آغازگر فعال ميشو دن و آبشار كاسپازي را به ( 11 و 12 ) راه مياندازند. ممانعتكنندههاي كاسپازي: سلولهاي طبيعي ممانعتكنندههاي خاصي را عليه كاسپازها به كار ميگيرند. اين پروتي ينهاي مهاركننده IAP protein) (Inhibitor of apoptosis نام دارند و اولين بار در باكولو ويروسها شناسايي شدند. ولي به تدريج همولوگهاي انساني آنها نيز شناسايي شد. X-IAP ( 25 و 26 ) سوروايوين و ciap-1/2 از اين دستهاند. اتصال ممانعتكنندهها به كاسپازها و مهاركنندگي آنها به وسيله نواحيBIR (baculoviral inhibition of apoptosis protein repeat) موجود در IAP رخ ميدهد. ناحيه BIR حفاظت شده است و 70 اسيد آمينه دارد كه به صورت پشت سر هم در باكولو ويروسها تكرار ميشوند. ناحيه رينگ قسمت ديگري از IAP هاست كه به عنوان يك ليگاند عمل ميكند و قادر به تنظيم پردازش غيرمستقيم كاسپاز است. ميتوان گفت IAPها از طريق رقابت با سوبسترا براي اتصال به كاسپازها موجب ممانعت از افعاليت و در نهايت تخريب كاس پازهاي شركتكنن ده در فرايند آپوپتوز (26) ميشوند. اتصال ممانعتكنندهها به كاسپازها و مهاركنندگي آنها به وسيله نواحي BIR موجود در IAP رخ ميدهد. در نزديكي ناحيه رينگ منطقه CARD (Caspase associated recruitment domain) وجود دارد كه گفته ميشود IAP ها از طريق اين ناحيه به طور غيرمستقيم پردازش كاسپازها را تنظيم ميكنند. مثالهايي از وجود IAP در ويروسها عبارتند از: A224L در آدنو ويروس IAP در باكولو ويروس با مهار كاسپازهاي 6 3 و 7 vica در سايتو مگالو ويروس با مهار كاسپاز ICP4 8 در HSV و Nef در ويروس.HIV ( 13 و 27-29 ) مولكول P53: مولكول P53 يكي از مهمترين مهاركنندههاي چرخه تكثير سلولي است كه آن را محافظ ژنوم مينامند. اين مولكول با ايجاد وقفه در مرحله G2 باعث مهار چرخه سلولي ميشود و با القاي آپوپتوز از ايجاد تومور جلوگيري ميكند. تخريب DNA عامل اصلي ( 13 و 28-30 ) فعاليت اين مولكول است. E7 در ويروس پاپيلوما T Ag در IE72 SV40 در سايتو مگالو ويروس و پروتي ين هاي ORF4, E1 A E4 در آدنو ويروسها با فعالسازي مولكول P53 به راهاندازي مرگ برنامهريزي شده سلول كمك ميكنند در حالي كه E6 در ويروس پاپيلوما IE2 وIE1 در سايتو مگالو ويروس و X protein در HBV باعث مهار اين مولكول ميشوند و از اين (22) طريق به زندگي سلول آلوده كمك ميكنند. يون كلسيم: هرگاه ميزان يون كلسيم درون سلولي به واسطه فعاليت گسترده پمپ Ca +2 -ATPase افزايش يابد يا ميزان كلسيم ورودي به اندامكهايي نظير رتيكولوم اندوپلاسمي هسته و ميتوكندري زياد باشد آنزيمهاي پروتي ازي و اندونوكلي ازي وابسته به +2 Ca (6 ) (كاسپازها) فعال شده و مقدمات آپوپتوز فراهم ميشود. مسيرهاي مرگ سلولي: بسته به اين كه پيام مرگ از چه طريقي به سلول ابلاغ شود مسير فعالسازي مرگ سلولي متفاوت است. اگر پيامها داخلي باشند اولين اندامك فعال شده ميتوكندري خواهد بود و اگر پيام از طريق رسپتورهاي سطحي سلولي بيان شود انتقال پيام از طريق مولكولهاي سازگاركننده (Adaptor) به آبشار كاسپازي خواهند رسيد. ميزان مرگ سلولي القا شده توسط رسپتورها شديدتر از مسير ميتوكندريايي است. مسير رسپتوري: رسپتورهاي مرگ رسپتورهاي سطحي سلول هستند كه پيام را از طريق ليگاندهاي مخصوص انتقال ميدهند و آبشار كاسپازي را فعال ميكنند (شكل شماره 2). مهمترين رسپتورهاي مرگ خانواده رسپتوري TNF شامل TNFR-1 CD95(Fas) TRAIL-1 TRAMP و TRAIL-2 هستند كه مشخصه همه آنها وجود پنج كپي از سيستي ين در ناحيه
53 مجله علمي دانشگاه علوم پزشكي قزوين سال هفدهم شماره 3 (پي در پي 68 ) مرداد و شهريور 1392 / مقاله مروري ( 26 و 27 ) خارج سلولي آنهاست. در انتهاي كربوكسيل اين رسپتورها ناحيه درون سلولي به نام (Death domain) DD وجو دارد. وقتي اين رسپتورها به ليگاند خود TNF α ليمفوتوكسين FasL و غيره متصل ميشوند مرگ سلولي اتفاق ميافتد. اتصال TRADD به رسپتور موجب ميشود مولكول TNF-α domain) (TNF-R associated death از طريق واكنش DD به رسپتور TNF متصل شود و خود FADD مولكول DD دوم به خود DD هم با TRADD domain) (Fas-associateddeath اتصال يابد و (Death effecter هم ازطريق واكنش( domain FADD DED-DED به پروكاسپاز 8 متصل شود. تجزيه و تبديل پروكاسپاز 8 به كاسپاز 8 يا فرم فعال آن باعث راهاندازي آبشار كاسپازي ميشود. در مرحله بعد كاسپاز اجرايي 3 فعالوبهنوبهخودباعث فعالسازيسايركاسپازهاي اجرايي ( 30 و 31 ) و پيشرفت چرخه آپوپتوز ميشود. TNFR-1 با به كارگيري مولكول سازگاركننده ديگري به نام RAdd (recombinant human ADAM15 disintegrin domain) نيز ميتواند خودكشي سلولي را القا كند. RADD از طريق DD خود با مولكول سازگاركننده بعدي به نام CARD از طريق دومين RIP واكنش ميدهد و RIP عمل ميكند. مسير رسپتوري (D95) Fas نيز مانند مسير TNF-R فعال ميشود. FasL به صورت ترايمر است و با اتصال Fas به FasL سريعا كمپلكس پيامرساني القاكننده مرگ از طريق DD فعال ميشود. FADD از ناحيه DD خود به دومين سيتوپلاسم Fas و از طريق DED خود به پروكاسپاز 8 متصل ميشود. FADD تنها مولكول سازگاركننده در اين مسير است و از اين منظر با مسير TNF-R كه از دو مولكول سازگاركننده استفاده ميكند متفاوت است. به كمپلكس Fas FADD و پروكاسپاز 8 ديسك (dealth inducing signaling complex) DISC گفته ميشود. مولكول متفاوتي به نام (FLICE inhibitory protein) c-flip مسير مرگ سلولي را از طريق Fas مهار ميكند. c-flip شبيه پروكاسپاز 8 است اما مكان فعال پروتي ازي را ندارد. بنابراين اگرچه كمپلكس پيامرساني Fas را به خدمت ميگيرد اما پيام مرگ را منتقل نميكند. بسياري از پروتي ينهاي ويروسي نقش تنظيمكنندگي براي همديگر دارند. به عنوان مثال ORF 4 پروتي ين E 4 آدنو ويروس مسير Fas را فعال ميكند اما E 1 B باعث مهار آن ميشود. tat gp 120 و vpr در HIV همگي به فعاليت مسير Fas كمك ميكنند. پروتي ين كور در HIV به دومين سيتوپلاسمي FasL متصل ميشود و فعاليت كاسپاز 3 را افزايش ميدهد. اما ORVs3 در HSV و Ks13 در HHV-8 با استفاده از مسير FLIP نقش مهاركنندگي را (30-33) ايفا ميكنند. شكل - 2 مسير رسپتوري و ميتوكندريايي مرگ برنامهريزي شده سلول مسير ميتوكندريايي يا خانه مرگ: ميتوكندري به عنوان يكي از اصليترين اندامكهاي فعال در مسير مرگ سلولي شناخته شده است. اين اندامك با رهايي مولكولهاي فعالكننده مكانيسم خودكشي سلولي به صورت مستقيم و يا غيرمستقيم در اين فرايند شركت (30) ميكند. برخي آنكوپروتي ينها مثل محصولات ژنهاي مهاركننده تومور عوامل عفونتزاي ويروسي و عوامل دارويي ميتوانند از طريق تا ثير مستقيم بر روي ميتوكندري آپوپتوز را فعال كنند. اين پديده به
آپوپتوز: مرگ برنامهريزي شده.../ مريم هنردوست و همكاران 54 بيماريهاي مختلفي نظير سرطان تخريب عصبي و ايدز منجر ميشود. آبشار كاسپازي با رهايي سيتوكروم C از ميتوكندري كامل ميشود. مولكولهاي خانواده Bcl-2 (34-36) اين مرحله را كنترل ميكنند. ساير اعضاي اين خانواده فعاليت Bak و Bax را القا ميكنند و سبب القاي نفوذپذيري غشاي ميتوكندريايي و خروج سيتوكروم C از ميتوكندري ميشوند. محل استقرار Bak و Bax قبل از ارسال پيام مرگ متفاوت است. Bak به غشاي رتيكولو اندوپلاسمي متصل است در حالي كه Bax به صورت منومر در سيتوزول حضور دارد. پيام آپوپتوز آنها را روي غشاي ميتوكندري به هم نزديك ميكند و با همواليگومريزه كردن آنها با هم منافذي در سطح غشاي ميتوكندري ايجاد ميكند كه از طريق آنها خروج سيتوكروم C اندونوكلي از AIF G و Smac اتفاق ميافتد. (Apoptosis inducing factor) AIF به عنوان فعال- كننده مكانيسم آپوپتوز و Smac به عنوان مهاركننده فعاليت IAP در فرايند خودكشي سلول شركت ميكنند. سيتوكروم C مسير بعد از ميتوكندري را تحريك ميكند و به يك مولكول پروتي يني به نام Apaf-1 1) (Apoptotic protease activating factor متصل ميشود. اين اتصال و تركيب شدن به Apaf-1 اجازه ميدهد كه ساختار آن تغيير شكل يابد و چندين مولكول از Apaf-1 به هم متصل شوند. در اين صورت حالت چرخ مانندي پديد ميآيد كه شامل هفت مولكول Apaf- 1 است. اين حالت چرخ مانند آپوپتوزوم نام دارد و ميتواند هفت مولكول كاسپاز 9 را به خدمت گيرد (شكل شماره ( 34 و 37 ).(3 مكانيسم فعال شدن كاسپاز 9 هنوز مشخص نيست اما چندين نظريه وجود دارد. براساس نظريهاي كمپلكس Apaf-1 كاسپاز 9 و سيتوكروم C باعث فعالسازي كاسپاز 9 ميشوند و سناريوي ديگر بيان ميكند كه ارتباط در كمپلكس آپوپتوزوم با يكديگر و اثر متقابل هر كمپلكس روي كاسپاز 9 ديگري باعث فعالسازي ( 34 و 37 ) كاسپازي ميشود. به هر صورت فعال شدن آنزيمي كاسپاز 9 به فعاليت كاسپاز 3 منتهي ميشود. كاسپاز 3 به عنوان اجراييترين عضو اين مجموعه اعمال گوناگوني را انجام ميدهد. وقايع هستهاي: نشانه اصلي آپوپتوز قطعه قطعه شدن DNA است كه به وسيله فعالسازي اندونوكلي از خاصي انجام ميشود. مراحل تجزيه DNA عبارتند از: 1- غير فعالسازي آنزيمهاي درگير در تعمير.DNA آنزيم پلي ADP پليمراز يا (polymeras Poly ADP-ribose) PARP اولين پروتي ين شناسايي شده به عنوان سوبستراي كاسپازهاست. اين آنزيم در بازسازي DNA تخريب شده (9) دخالت دارد و باعث اصلاح عيوب DNA ميشود. كاسپاز 3 مانع فعاليت PARP در تعمير DNA ميشود. 2- غير فعالسازي آنزيمهاي درگير در تكثير سلولي. توپوايزومراز II يكي از آنزيمهاي مهم و اساسي در تكثير و تعمير DNA هسته است. كاسپازها ميتوانند باعث غير فعال شدن اين آنزيم شو دن و بدين وسيله DNA سلولي را تخريب كنند. 3- شكستن پروتي ين هستهاي ساختاري- لامينهاي غشاي هسته توسط كاسپاز 6 تخريب و باعث تراكم كروماتين و قطعه قطعه شدن آن در سلولهاي آپوپتوزي ميشوند. 4- قطعه قطعه شدن -DNA اين پديده به علت توليد آنزيم (Caspase Activated DNase) CAD رخ ميدهد. CAD به صورت طبيعي غير فعال است. CAD يا مهاركننده CAD به وسيله كاسپاز 3 تجزيه و CAD فعال رها ميشود و به علت خاصيت DNase خود كه قويتر از DNase I و DNase II سلولي است DNA را شكل - 3 ايجاد آپوپتوزوم
و 8 55 مجله علمي دانشگاه علوم پزشكي قزوين سال هفدهم شماره 3 (پي در پي 68 ) مرداد و شهريور 1392 / مقاله مروري به سرعت قطعه قطعه ميكند. قطعههاي نهايي 180 تا 200 جفت باز دارند و روي ژل به صورت نردباني ديده ميشوند. اين ساختار نردباني نيز يكي از مشخصات اصلي ( 11 و 38 و 39 ) فرايند آپوپتوز است. تغييرات اسكلت سلولي: اكتين وايمنتين و كادهرين از سوبستراهاي مناسب كاسپازها محسوب ميشوند. كاسپازها با تجزيه و شكست مولكولهاي فوق اسكلت سلولي را تخريب و متزلزل ميكنند. متورم شدن سلول به دليل تجزيه و فعالسازي ژلوسين كيناز به وسيله p 21 اتفاق ميافتد كه باعث تجزيه فودرين و جدا شدن غشاي سيتوپلاسمي از اسكلت سلولي ميشود. اين اتفاق در (40) كشش و امتداد ميكرو فلامانها مو ثر است. در برخي گونههاي سلولي خروج فسفاتيديل سرين به سمت خارجي (39) غشا نيز وابسته به كاسپازهاست. مكانيسم دقيق اين رويدادها هنوز شناسايي نشده اما نتيجه تمام اين واكنشها سوق يافتن سلول به سمت توليد اجسام آپوپتوزي است. اجسام آپوپتوزي: بعد از تمامي تغييرات ذكر شده سلول به اجسام وزيكول مانندي تقسيم ميشود كه هر كدام از آنها داراي مقداري از محتويات سلولي هستند. سلولهاي مجاور يا فاگوسيتهاي حرفهاي اجسام آپوپتوزي را به دام مياندازند و هضم ميكنند بدون اين كه واكنشهاي التهابي سلولي را فعال سازند. بدين ترتيب سرنوشت يك سلول آپوپتوزي به پايان ميرسد و اين ) 11 و 16 ) چرخه ادامه مييابد. بحث و نتيجهگيري: به طور كلي فرايند آپوپتوز شامل نوع خاصي از مرگ سلولي است كه در غياب التهاب رخ ميدهد. حذف سلولهاي ناخواسته در بسياري از موجودات پرسلولي و حتي تك سلولي توسط اين فرايند سازماندهي ميشود. آپوپتوز سلولي با توليد و آزادسازي عوامل مختلف آغاز ميشود و به انجام ميرسد. آثار ناشي از آپوپتوز وابسته به محيطي است كه در آن مرگ برنامهريزي شده سلول رخ ميدهد. مرگ در اثر آپوپتوز در بعضي از سلولهاي جاندار ميتواند باعث راهاندازي و بلوغ سلولهاي دندرتيك در سيستم ايمني شود. سيتوكينهايي مثل 1L-1β و انترفرون نوع يك در راهاندازي اين فرايند ميانجيگري ( 26 و 38 ) ميكنند. امروزه با به كارگيري ژنهاي القاكننده آپوپتوز و در مواردي با به كارگيري ژنهاي مهاركننده اين فرايند هدايت سيستم ايمني به سمت دلخواه در تعادل ميان پاسخهاي ايمني سلولي و هومورال به كار گرفته ميشود. از طرف ديگر اثر اين ژنها در درمان سرطان بيماريهاي خود ايمني و آلرژي مورد بحث و بررسي ( 13 و 15 و 39 و 41-43 ) است. مراجع: 1. Kerr JF, Wyllie AH, Currie AR. Apoptosis: a basic biological phenomenon with wideranging implication in tissue kinetics. Br J Cancer 1972 Aug; 26 (4): 239-57 2. Mustafa A. Correlation between levels of apoptosis, levels of infection and hemagglutinin receptor binding interaction of various subtypes of influenza virus: does the viral neuraminidase have role in this associations. Virus Res 2002 May 10; 85 (2): 123-31 3. Hood C, Cunningham AL, Slobedman B, et al. Varicella-Zoster Virus-Infected Human Sensory Neurons Are Resistant to Apoptosis, yet Human Foreskin Fibroblasts Are Susceptible: Evidence for a Cell-Type- Specific Apoptotic Response. J Virol. 2003 Dec; 77 (23): 12852-64 4. Bolchon S, Demeret C. The regulatory E2 proteins of human genital papillomaviruses are pro-apoptotic. Biochimie 2003 Aug; 85 (8): 813-9 5. Rajaei F, Karja NW, Agung B, et al. Analysis of DNA fragmentation of porcine embryos exposed to cryoprotectants. Reprod
آپوپتوز: مرگ برنامهريزي شده.../ مريم هنردوست و همكاران 56 Domest Anim 2005 Oct; 40 (5): 429-32 6. Meier P, Finch A, Evan G. Apoptosis in development. Nature 2000 Oct 12; 407 (6805): 769-801 7. Cory S, Strasser A, Jacks T, et al. Enhanced cell survival and tumorigenesis. Cold Spring Harb Symp Quant Biol 1994; 59: 365-75 8. Dlamini Z, Mbita Z, Zungu M. Genealogy, expression, and molecular mechanisms in apoptosis. Pharmacol Ther 2004 Jan; 101 (1): 1-15 9. Rajaei F, Otoi T. Effect of cryoprotectants on DNA fragmentation in porcine blastocysts. J Reprod Infertil 2007; 5: 37-43 10. Nagata S. Apoptosis by death factor. Cell 1997 Feb 7; 88 (3): 355-65 11. Zimmermann KC, Bonzon C, Green DR. The machinery of programmed cell death. Pharmacol Ther 2001 Oct; 92 (1): 57-70 12. Steller H. Mechanisms and genes of cellular suicide. Science 1995 Mar 10; 276 (5203): 1445-9 13. Lebedeva IV, Su ZZ, Sarkar D, Fisher PB. Rrestoring apoptosis as a strategy for cancer gene therapy: Focus on P53 and mda- 7. Semin Cancer Biol 2003 Apr; 13 (2): 169-78 14. Borhani N, Rajaei F, Salehi Z, Javadi A. Analysis of DNA fragmentation in mouse embryos exposed to an extremely lowfrequency electromagnetic field. Electromagn Biol Med 2011 Dec; 30 (4): 246-52 15. Rajaei F, Rad JS, Niknafs B, et al. Effect of vitrification on apoptosis in mouse blastocysts. J Reprod Infertil 2004; 7: 14-22 16. Li X, Stark GR. NF-kappaB dependent signaling pathways. Exp Hepatol 2002 Apr; 30 (4): 285-96 17. Raveendran AT, Skaria PC. Learning and cognitive deficits in hypoxic neonatal rats intensified by BAX mediated apoptosis: protective role of glucose, oxygen and epinephrine. Int J Neurosci 2013 Feb; 123 (2): 80-8 18. Cory S, Adams JM. The Bcl2 family: regulators of the cellular life-or-death switch. Nat Rev Cancer 2002 Sep; 2 (9): 647-56 19. Reed JC. Bcl-2 family protein. Oncogenes 1998; 17: 3225-36 20. Benedict CA, Norris PS, Prigozy TI, et al. Three adenoviurs E3 protein cooperate to wade apoptosis by tumor necrosis factorrelated apoptosis-inducing ligand receptor-1 and 2. J Biol Chem 2001 Feb 2; 276 (5): 3270-8 21. Polster BM, Pevsner J, Hardwick JM. Viral Bcl-2 homologs and their role in virus replication and associated diseases. Biochim Biophys Acta 2004 Mar 1; 1644 (2-3): 211-27 22. Hay S, Kannourakis G. A time to kill: viral manipulation of cell death program. J Gen Virol 2002 Jul; 83 (Pt 7): 1547-64 23. Schwerk C, Schulze-Osthoff K. Non apoptotic functions of caspases in cellular proliferation and differentiation. Biochem Pharmacol 2003 Oct 15; 66 (8): 1453-8 24. Steller H. Artifical death switches: induction of apoptosis by chemically induced caspase multimerization. Proc Natl Acad Sci U S A 1998 May 12; 95 (10): 5421-2 25. Irusta PM, Chen YB, Hardwick JM. Viral modulators of cell death provide new links to old pathways. Curr Opin Cell Biol 2003 Dec; 15 (6): 700-5 26. Viard-Leveugle I, Gaide O, Jankovic D, et al.tnf-α and IFN-γ are potential inducers of Fas-mediated keratinocyte apoptosis through activation of inducible nitric oxide synthase in toxic epidermal necrolysis. J Invest Dermatol 2013 Feb; 133 (2): 489-98
57 مجله علمي دانشگاه علوم پزشكي قزوين سال هفدهم شماره 3 (پي در پي 68 ) مرداد و شهريور 1392 / مقاله مروري 27. O Brien V. Viruses and apoptosis. J Gen Virol 1998 Aug; 79 (Pt 8): 1833-45 28. Höpker K, Hagmann H, Khurshid S, et al. Putting the brakes on p53-driven apoptosis. Cell Cycle 2012 Nov 15; 11 (22): 4122-8 29. Brosh R, Assia-Alroy Y, Molchadsky A, et al. P53 counteracts reprogramming by inhibiting mesenchymal - to - epithelial transition. Cell Death Differ 2013 Feb; 20 (2): 312-20 30. Hengarther MQ. The biochemistry of apoptosis. Nature 2000 Oct 12; 407 (6805): 770-6 31. Suliman A, Lam A, Datta R, Srivastava RK. Intracellular mechanisms of TRAIL: Apoptosis through mitochondrial-dependent and -independent pathways. Oncogene 2001 Apr; 20 (17): 2122-33 32. Benedict CA, Banks TA, Ware CF. Death and survival: Viral regulation of TNF signaling pathways. Curr Opin Immunol 2003 Feb; 15 (1): 59-65 33. Tungaturthi PK, Sawaya BE, Singh SP, et al. Role of HIV-1 Vpr in AIDS pathogenesis: Relevance and implications of inravirion, intracellular and free Vpr. Biomed Pharmacother 2003 Jan; 57 (1): 20-4 34. Kroemer G. Mitochondrial control of apoptosis: An introduction. Biochem Biophys Res Commun 2003 May 9; 304 (3): 433-5 35. Rogalska A, Marczak A, Gajek A, et al. Induction of apoptosis in human ovarian cancer cells by new anticancer compounds, epothilone A and B. Toxicol In Vitro 2013 Feb; 27 (1): 239-49 36. Faber AC, Ebi H, Costa C, Engelman JA. Apoptosis in targeted therapy responses: The role of BIM. Adv Pharmacol 2012; 65: 519-42 37. Boya P, Roumier T, Andreau K, et al. Mitochondrion-targeted apoptosis regulators of viral origin. Biochem Biophys Res Commun 2003 May 9; 304 (3): 575-81 38. Takikita S, Takano T, Narita T, et al. Neuronal apoptosis mediated by IL-1 beta expression in viral encephalaitis caused by a neuroadapted strain of mumps virus (Kilham Strain) in hamsters. Exp Neurol 2001 Nov; 172 (1): 47-59 39. Lin LL, Huang HC, Juan HF. Revealing the molecular mechanism of gastric cancer marker annexin A4 in cancer cell proliferation using exon arrays. PLoS One 2012; 7 (9): e44615 40. Mazumdar B, Meyer K, Ray R. N- terminal region of gelsolin induces apoptosis of activated hepatic stellate cells by a caspase-dependent mechanism. PLoS One 2012; 7 (8): e44461 41. Nicholson DW. From bench to clinic with apoptosis - based therapeutic agents. Nature 2000 Oct 12; 407 (6805): 810-6 42. Cartier A, Komai T, Masucci MG. The Us3 protein kinase of herpes simplex virus 1 blokes apoptosis and induces phosphorilation of the Bcl-2 family member Bad. Exp Cell Res 2003 Nov 15; 291 (1): 242-50 43. Castillo JP, Kowalik TF. Human cytomegalovirus immediate early protein and cell growth control. Gene 2002 May 15; 290 (1-2): 19-34