Apoptoza (sau moartea programată a celulei ) este procesul prin care celulele declanșează lor autodistrugere ca răspuns la un semnal. Este una dintre căile posibile ale morții celulare , care este fiziologică , programată genetic , necesară pentru supraviețuirea organismelor multicelulare . Se află în echilibru constant cu proliferarea celulară. Spre deosebire de necroză , aceasta nu provoacă inflamații : membranele plasmatice nu sunt distruse, cel puțin inițial, iar celula emite semnale (în special, ea prezintă pe stratul exterior al membranei sale plasmatice din fosfatidilserină , un fosfolipid care constituie în mod normal stratul său intern ) care va permite fagocitoza acesteia de către globulele albe din sânge , în special macrofagele .
Apoptoza (din greaca: apo , „în depărtare” și ptoza , „cădere”) a fost demonstrată pentru prima dată în 1972 de John Kerr, Andrew Wyllie și Alastair Currie în timpul studiului țesutului prin microscopie electronică .
Ei au ales acest cuvânt apoptoză pentru a descrie fenomenul morții celulare naturale. Acest cuvânt provine dintr-o expresie greacă care se referă la „căderea frunzelor”. Fusese deja folosit medicamentos de Hipocrate din Kos (460-377 î.Hr.) în tratatul său The Instruments of Reduction pentru a descrie descompunerea țesutului după moarte („căderea oaselor”).
Apoptoza joacă un rol în formarea corpului unui organism, de exemplu apariția degetelor. La începutul formării sale, mâna seamănă cu un pisoi (sau cu o palmă), apoi celulele situate între degetele viitoare dispar. La fel, dispariția apendicelui caudal la fătul uman se datorează acestui fenomen de apoptoză. Regresia cozii la mormoloci în timpul metamorfozării lor într-o broască se datorează și apoptozei.
Acesta joacă un rol în formarea creierului : foarte devreme în embriogeneză , creierul suferă un val apoptotic care îl remodelează. Apoi, neuronii formează legături sinaptice aleatorii între ele , iar un al doilea val de apoptoză elimină pe cei care nu au stabilit legături utile.
Poate avea și rol motor, retragerea celulelor moarte ducând la mobilizarea țesuturilor învecinate. Acest mecanism a fost descris în special la embrionul Drosophila.
Ca răspuns la apariția unui antigen străin corpului, celulele B încep să producă fiecare anticorp special recombinând aleatoriu genele lor de imunoglobuline ( recombinare VDJ ). Cei care produc anticorpi inactivi sau autoimuni sunt eliminați prin apoptoză. În caz de infecție virală, limfocitele T citotoxice produc molecule care sunt toxice pentru celulele infectate; sunt distruse de apoptoză când infecția este controlată. Acesta este cazul în infecția cu HIV , dar această cale duce ulterior la efecte nocive, deoarece LT4 distrus în cantități mari nu mai poate secreta interleukinele la originea selecției și a amplificării clonale.
Celulele intestinale sunt în continuă reînnoire (cu o durată de viață de doar câteva zile) și migrează din partea de jos a criptelor în partea de sus a vilozităților intestinale ale intestinului subțire, unde își îndeplinesc funcția de absorbție a nutrienților . În cele din urmă, ele decuplează și declanșează un anumit fenomen apoptotic numit anoicoză , din cauza pierderii contactului celulă-celulă sau matrice extracelulară .
Acini glandelor mamare după perioada de alăptare și în absența menținerii semnalului de proliferare / diferențiere datorită prolactina , vor fi reabsorbite, și pierde un număr mare de celule epiteliale printr - un proces de apoptoză.
Apoptoza se manifestă în aceste celule izolate (grupate). Compactarea și marginalizarea cromatinei nucleare ( picnoza ), precum și convoluția membranelor citoplasmatice și nucleare și condensarea citoplasmei sunt observate în celulele în cauză .
Integritatea membranelor este păstrată în timpul procesului apoptotic, evitându-se astfel orice reacție inflamatorie. De corpi apoptotici sunt protejate de un înveliș de membrană care rezultă din convoluție membranelor.
Când inducerea apoptozei extrinsec (activate de receptori transmembranari ) sau intrinsec (prin mitocondrii ), celula moarte poate genera umflaturi ori blebs sau bule pe suprafața celulei a corpului., Un proces cunoscut sub numele de descompunerea unei membrane apoptotice. Purjarea membranelor apoptotice este considerată primul pas (etapa 1) în demontarea celulelor apoptotice, care pot apărea sub formă de bule de suprafață mici în stadiile incipiente ale apoptozei sau bule mari ale membranei dinamice în etapele ulterioare. Formarea unor bule de membrană mari și dinamice ar putea facilita fragmentarea organelor, cum ar fi nucleul, în timpul progresiei apoptozei. Sângerarea din membranele apoptotice este reglementată de o serie de factori moleculari, în special factorul protein kinază 1 asociat cu familia Rho a GTPazelor mici care conțin o bobină elicoidală ( ROCK1 (en) ) activată de caspază .
Pasul 2: formarea protuberanțelor membranei apoptoticeDupă revărsarea membranei apoptotice, o celulă poate suferi modificări morfologice suplimentare pentru a genera o varietate de proeminențe ale membranei apoptotice subțiri, inclusiv vârfuri de microtubuli , "apoptopode" și "apoptopode cu margele". Formarea acestor proeminențe de membrană apoptotică depinde adesea de tipul celulei și reprezintă a doua etapă (etapa 2) în demontarea celulelor apoptotice (Figura 1). De exemplu, au fost observate vârfuri de microtubuli pe celulele epiteliale scuamoase apoptotice. Mecanic, formarea vârfurilor de microtubuli depinde de polimerizarea microtubulilor și de stabilirea rețelei de microtubuli. Formarea vârfurilor de microtubuli are loc pentru a facilita separarea bulelor de membrană, precum și distribuția conținutului nuclear în bulele de membrană. Mai recent, un alt tip de proeminență de membrană apoptotică mai puțin rigidă, asemănătoare șirurilor, numită „apoptopode” („picioarele morții”), a fost identificată pe celulele T apoptotice , timocite și fibroblaste . La fel ca vârfurile microtubulilor, formarea apoptopodelor poate induce separarea bulei de membrană. În plus, monocitele apoptotice pot genera un alt tip de proeminență de membrană apoptotică, numită apoptopod perlat, care arată ca o „margelă pe un lanț”. Formarea apoptopodelor perlate începe cu generarea și alungirea unei proeminențe asemănătoare apoptopodelor, care segmentează și ia forma unui lanț de perle. În prezent, singurul regulator molecular cunoscut al formării apoptopodelor cu margele și apoptopodelor canalului de membrană este activat de caspaza PANX1 (en) (pannexin 1).
Pasul 3: fragmentarea celuleiÎn cele din urmă, eliberarea corpurilor apoptotice individuale legate de membrană (în general considerată a avea un diametru de aproximativ 1 până la 5 microni) reprezintă etapa finală (etapa 3) în demontarea celulelor apoptotice. Deși mecanismul care stă la baza procesului final de fragmentare nu este bine definit, disocierea corpurilor apoptotice de diferite tipuri de proeminențe ale membranei apoptotice poate necesita stres de forfecare sau poate chiar interacțiune cu celule vecine. Trebuie remarcat faptul că, pe lângă corpurile apoptotice, în timpul apoptozei sunt eliberate și vezicule cu membrană cu un diametru mai mic de 1 micron.
Eliberarea corpurilor apoptotice din celula pe moarte a fost propusă pentru a facilita comunicarea între celule prin intermediul proteinelor , microARN-urilor și ADN-ului prezent pe / în corpurile apoptotice. De asemenea, s-a propus că dezasamblarea celulelor apoptotice ar putea facilita îndepărtarea celulelor moarte, deoarece ar putea fi mai eficient pentru o celulă fagocitară să înghită fragmente celulare mai mici (adică corpuri apoptotice), mai degrabă decât o celulă apoptotică în ansamblu.
Mecanismul apoptozei este guvernat de două căi principale de activare:
Aceste două căi duc la activarea așa-numitelor cisteine proteaze efectoare ( caspaze ). Acestea sunt responsabile pentru scindarea mai multor molecule, cum ar fi anumite proteine structurale, care are ca rezultat fenomene morfologice și biochimice caracteristice care se termină cu demontarea celulei: expunerea fosfatidilserinei la suprafața membranei celulare , oprirea replicării , fragmentarea nucleului și citoscheletul rezultând în formarea corpurilor apoptotice fagocitate de celulele din jur.
După cum sugerează și numele, calea extrinsecă către apoptoză este declanșată de un semnal în afara celulei. De exemplu, această cale este luată atunci când un limfocit T citotoxic declanșează moartea unei celule nedorite. În acest caz, printr-un simplu contact membrană-membrană, celula imună induce activarea receptorilor Fas și apoptoza celulei țintă. Mecanismele induse de FasR pot fi extinse la cele ale altor receptori ai morții, cum ar fi DR4 / TRAIL-R1 și DR5 / TRAIL-R2. Activarea FasR de către ligandul său induce recrutarea unui complex numit DISC (Complex de semnalizare inducătoare de moarte) compus din molecule adaptoare FADD (Fas Associated Death Domain) și inițiator procaspaze -8 și -10. FADD se leagă prin propriul domeniu de moarte (DD) de DD-urile receptorilor Fas prin legături electrostatice omotipice . FADD conține, de asemenea, un Death Effector Domain (DED) care, prin legături homotipice hidrofobe, permite recrutarea caspazelor inițiatorului. Formarea acestui complex duce, printr-un efect de proximitate, la autocleaza caspazelor -8 și -10 care sunt apoi eliberate în citosol într-o formă dimerică activă. Acest lucru permite activarea secvențială a caspazelor efectoare, inclusiv a caspazei-3. Inițiatorul caspază -8 și -10 poate activa calea intrinsecă prin scindarea proteinei Bid și astfel poate amplifica semnalul apoptotic. În cazul așa-numitelor celule „de tip 1”, declanșarea apoptozei nu depinde de calea intrinsecă. În schimb, în așa-numitele celule „de tip 2”, activarea căii intrinseci este necesară pentru apoptoză și blocarea acesteia are ca rezultat rezistența celulelor la Fas.
Spre deosebire de calea extrinsecă, calea intrinsecă (sau calea mitocondrială) a apoptozei este de obicei indusă de semnale interne celulei. De exemplu, această cale este declanșată de activarea p53 în timpul deteriorării extinse a ADN-ului. Activarea acestei căi se bazează în principal pe formarea porilor de tranziție a permeabilității în membrana mitocondrială prin deschiderea PTPC (Permeability Transition Pore Complex), un complex multiproteic al membranei interioare mitocondriale . Acești pori sunt canale oligo-proteice formate la nivelul membranei externe de către porină (sau VDAC: Voltage Dependent Anion Channel) și pe membrana internă de ANT (Adenine Nucleotide Translocator). Această fază de activare este însoțită de o scădere a potențialului transmembranar mitocondrial (Delta Psi m), urmată de umflarea matricei mitocondriale , o întrerupere a metabolismului energetic aerob și a stresului oxidativ . Conform modelelor, există ruperea sau deschiderea mitocondriilor, care permite eliberarea în citosol a moleculelor pro-apoptotice în mod normal mitocondriale, precum citocromul c , Smac / DIABLO, OMI / HtrA2, endonuclează-G, precum și Factorul care induce apoptoza (FIA). Faza de permeabilizare a membranei mitocondriale nu este încă pe deplin înțeleasă. Cu toate acestea, acest lucru este descris ca fiind sub controlul interacțiunilor complexe și dinamice dintre membrii pro și anti-apoptotici ai familiei Bcl-2 . Membrii anti-apoptotici ( Bcl-2 , Bcl-xL, Mcl-1) formează heterodimeri cu membrii pro-apoptotici Bax și Bak, contracarează activitatea lor și permit stabilitatea mitocondriilor. Când mitocondriile sunt activate, de exemplu în timpul activării FasR și prin Bid , acesta din urmă interacționează și activează direct Bax și Bak. Acest lucru induce pierderea interacțiunii dintre Bax, Bak și membrii anti-apoptotici ai familiei Bcl-2, oligomerizarea lor, formarea porilor și eliberarea proteinelor mitocondriale. Odată ce au devenit citosolici, factorii pro-apoptotici mitocondriali vor avea ținte și efecte specifice. Citocromului c citozolice se alătură APAF1 și procaspase 9 pentru a forma un complex numit apoptosome . Caspase-9 este activat în cadrul acestui complex și poate, la rândul său, să activeze caspase efectoare, cum ar fi caspase-3. Procaspaza-9 are mai multă afinitate pentru apoptozom decât caspaza-9 activă, care permite rotația / activarea procaspazelor-9 în același apoptozom. Smac / DIABLO și OMI / HtrA2 vizează și inhibă proteinele din familia IAP (Inhibitor al apoptozei), promovând astfel activitatea caspazelor. Factorul AIF este redistribuit la citosol apoi la nucleul celular pentru a induce moartea prin apoptoză, care are particularitatea de a fi independent de caspaze și de a nu necesita alt intermediar.
În timpul apoptozei, ADN-ul este digerat foarte specific în fragmente care sunt multiple de 180 de perechi de baze ca dimensiune , rezultând o distribuție foarte caracteristică a fragmentelor de ADN „scară” atunci când sunt separate prin electroforeză în funcție de mărimea lor. Această dimensiune este indicativă a distanței dintre doi nucleozomi consecutivi. Această digestie este asigurată de proteinele CAD (Caspase Activated DNase), care există în mod normal în formă inactivă în asociere cu un ICAD (Inhibitorul Caspase Activated DNase). Acest ICAD ascunde secvența NLS de CAD și scindarea acestei asociații de către o caspază va permite proteinei CAD să pătrundă în nucleu, care își va juca rolul de ADN de scindare a DNazei. Fragmentarea ADN-ului este utilizată pentru a detecta celulele în apoptoză într-un țesut folosind tehnica TUNEL (Terminal Transferase dUTP Nick End Labeling).
Unul dintre mecanismele apoptozei în celulele cardiace post- ischemice pare să conste în nitrarea proteinelor celulare printr-un exces de peroxinitrite . Aceste peroxinitrite induc, de asemenea, apoptoza la monocite și limfocite T.
De exemplu, atunci când celulele nu primesc în mod constant mesaje de la vecinii lor care le inhibă autodistrugerea, dispar în mod spontan.
Cancer de celule sunt , de obicei celule în care acest mecanism nu mai funcționează. Acestea supraviețuiesc și se înmulțesc în ciuda anomaliilor genetice care apar în timpul vieții celulei, când în mod normal ar fi trebuit distruse de apoptoză.
Cu toate acestea, reactivarea mecanismului de apoptoză a fost obținută în celulele canceroase de șobolan.
Anumiți agenți patogeni previn inducerea apoptozei, cum ar fi HHV8 ( herpesvirus responsabil pentru sarcomul Kaposi ), care codifică proteina v-FLIP, prevenind apoptoza indusă de receptorii morții.
Anumite boli neurodegenerative, cum ar fi tauopatiile, sunt, de asemenea, boli în care sunt implicate mecanisme apoptotice, ceea ce duce la supraviețuirea proteinei tau patogene care se poate acumula anormal, până la moartea celulei nervoase. Acesta este cazul cu paralizia supranucleară progresivă , boala Alzheimer etc.
Cercetări recente par să arate că dezvoltarea SIDA ca boală este legată de declanșarea prematură a apoptozei în limfocitele care gestionează răspunsul imun, ceea ce permite dezvoltarea unor boli și infecții oportune. Acest lucru nu pune la îndoială rolul activ al virusului HIV ca fiind cauza reală a acestei boli, deși este bine detectat și ucis de limfocite.
Cu toate acestea, blocarea virusului de către anticorpii produși de limfocite ar determina virusul să producă înainte de distrugerea completă un răspuns chimic de apărare destinat să provoace apoptoza masivă a tuturor limfocitelor vecine sau chiar să fie produs de macrofage (care ar absorb virusul neutralizat de anticorpi în același timp cu mesajul chimic care provoacă apoptoza lor) acest răspuns chimic care ar provoca „de la distanță” sinuciderea multor alte limfocite învecinate, chiar dacă acestea nu au fost niciodată în contact direct cu HIV. Cu alte cuvinte, HIV ar provoca un răspuns al sistemului imunitar exacerbat împotriva sa. Este apoi un efect de „ghiocel”, în care un sistem morfologic este deviat de la funcțiile sale printr-un răspuns necontrolat, similar cu alte fenomene auto-induse, cum ar fi alergiile (de asemenea, legate de un factor declanșator extern).
Provocând această reacție, o parte din copiile HIV ar reuși astfel să scape de acțiunea limfocitelor T, dintre care un număr mare apoptoză după ce doar câteva dintre ele au neutralizat numeroși viruși vecini. Acest lucru ar explica, de asemenea, de ce eradicarea totală a virusului de către sistemul imunitar nu este posibilă fără ajutorul extern care nu este sensibil la fenomenul apoptozei (ajutor oferit de medicamentele antiretrovirale care atacă în mod specific HIV pentru a evita ca limfocitele să aibă grijă de acesta activând apoptoza vecinilor lor prin acțiunea ulterioară de eliminare a macrofagelor).
Înțelegerea mecanismelor chimice ale apoptozei ar putea astfel depăși această fragilitate intrinsecă a sistemului imunitar și, prin urmare, ar permite dezvoltarea unui anumit tip de vaccin, care nu este destinat activării răspunsului imun împotriva HIV (deoarece are loc) .în mod natural și produce multe anticorpi), dar pentru a bloca inițierea prematură a apoptozei limfocitelor T CD4 responsabile de neutralizarea acestora (și neutralizarea altor surse de infecție). În cazul SIDA, nu știm exact ce limfocit are această fragilitate (periculoasă doar pentru alte tipuri de celule, dar nu pentru ea însăși direct), dar putem crede că se află la nivelul macrofagelor responsabile de eliminarea virușilor neutralizați de anticorpi.
Acest comportament prematur al acelorași macrofage (gunoi corpului care pot genera grămezi de produse toxice și agenți chimici dificil de a elimina în mod izolat prin acțiunea lor) este implicat și în alte tipuri de reacții exacerbate ale corpului , cum ar fi anumite alergii. ( În cazul în care acest lucru reacție, în mare parte auto-susținută, se adresează altor tipuri de celule decât limfocitele imune) și este suspectată și în alte tipuri de boli degenerative (care au și un factor declanșator extern, nu neapărat al unei infecțioase) sau anumite reacții exacerbate la stres (de exemplu extinderea arsurilor).
În angiosperme , apoptoza este un proces major de imunitate a plantelor, se observă ca răspuns la stresurile abiotice și este considerată o parte cheie a dezvoltării gametofitului .