Rola apoptozy w białaczkach, MEDYCYNA VI rok, Choroby wewnętrzne, Wywiad + badanie fizykalne, Interna abstrakty

[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Postepy Hig Med Dosw. (online), 2004; 58: 548-559
www.
phmd
.pl
Review
Received: 2004.09.13
Accepted: 2004.12.09
Published: 2004.12.29
Rola apoptozy w patogenezie i leczeniu nowotworów
układu hematopoetycznego
The role of apoptosis in the pathogenesis and treatment
of neoplastic disorders of the hematopoietic system
Iwona Malinowska
Katedra i Klinika Pediatrii, Hematologii i Onkologii Akademii Medycznej w Warszawie
Streszczenie
Zaburzenie mechanizmów apoptozy czyli programowanej śmierci komórki przyczynia się do roz-
woju wielu schorzeń. Zahamowanie apoptozy doprowadza do rozwoju schorzeń nowotworowych,
autoimmunologicznych i przewlekłych infekcji. Nadmierna apoptoza prowadzi do chorób neurode-
generacyjnych oraz nasilania powikłań procesów niedokrwienia. Przyczyną niekontrolowanej ku-
mulacji komórek nowotworowych są zmiany genetyczne obejmujące onkogeny i geny supresoro-
we nowotworów. Niektóre z tych zmian prowadzą do zwiększenia liczby komórek przez nasilenie
proliferacji, a inne przez zahamowanie apoptozy. Wiele leków cytotoksycznych oraz promienie jo-
nizujące powodują śmierć komórki przez wywołanie apoptozy, jednakże zmiany genetyczne leżą-
ce u podłoża rozrostu nowotworowego często zmniejszają efektywność tych terapii. Wyjaśnienie
mechanizmu zaburzeń apoptozy komórek nowotworowych oraz molekularnych mechanizmów
odpowiedzialnych za oporność na leki może umożliwić stworzenie nowych leków i opracowanie
schematów leczenia, które poprawią wyniki leczenia białaczek i innych chorób nowotworowych.
Słowa kluczowe:
apoptoza • nowotwory układu hematopoetycznego
Summary
Defects in apoptotic cell-death regulation contribute to many disorders. Insufﬁ cient apoptosis le-
ads to neoplastic and autoimmune disorders and chronic infections. Enhanced apoptosis is a cau-
se of neurodegenerative disorder and complicates processes of ischemia. Genetic changes invo-
lving oncogenes and tumor suppressor genes contribute to the unregulated expansion of malignant
cells. While some of these changes result in increased proliferation, others contribute to incre-
asing cell numbers by inhibiting apoptosis. Because cytotoxic drugs or irradiation result in cell
death by apoptosis, the genetic changes underlying malignancy often reduce the ability of these
agents to destroy malignant cells. Knowledge of the molecular mechanisms of apoptosis provi-
des insight into the causes of multiple pathologies where abberant cell-death regulation occurs
and provides new approaches to the treatment of human diseases.
Key words:
apoptosis • neoplastic disorders of hematopoietic system
Full-text PDF:
Word count:
4022
Tables:
3
Figures:
3
References:
82
Adres autorki:
dr Iwona Malinowska Katedra i Klinika Pediatrii, Hematologii i Onkologii, ul. Marszałkowska 24, 00-576 Warszawa,
e-mail: iwonamal@kosnet.pl
548
Malinowska I. – Rola apoptozy w patogenezie i leczeniu nowotworów…
C
ECHY
MORFOLOGICZNE
I
BIOCHEMICZNE
APOPTOZY
wadzi do połączenia wewnątrzbłonowej części receptora
poprzez domeny DD (death domain) z białkami adaptoro-
wymi FADD i TRADD. Białka adaptorowe łączą prokaspa-
zy 8 i 10 poprzez domeny DED (death effector domain).
W wyniku tej trymeryzacji następuje aktywacja kaspaz 8
i 10, które następnie aktywują kaspazę 3 [17].
Apoptoza jest aktywnym, genetycznie zaprogramowanym
procesem śmierci komórki [24,37]. W procesie apoptozy
dochodzi do inwolucji narządów oraz eliminowania uszko-
dzonych i zbędnych komórek. W czasie apoptozy w ko-
mórce występuje wiele zmian morfologicznych i bioche-
micznych. Dominującymi zmianami biochemicznymi są:
zwiększenie aktywności czynników pobudzających apop-
tozę w stosunku do jej inhibitorów, spadek potencjału bło-
nowego mitochondriów i ucieczka cytochromu C do cy-
toplazmy, wzrost wewnątrzkomórkowego stężenia Ca
++
oraz obniżenie wewnątrzkomórkowego pH (pHi). W na-
stępstwie tych zmian dochodzi do zmian morfologicznych
polegających na zmniejszeniu objętości komórki, zmianie
jej kształtu, kondensacji chromatyny jądrowej, fragmen-
tacji jądra oraz rozpadu chromosomalnego DNA na nu-
kleosomy, co powoduje powstanie charakterystycznej dra-
binki w trakcie elektroforezy DNA. Obserwujemy także
utratę połączeń międzykomórkowych i struktur błony ko-
mórkowej np. mikrokosmków. Pęcherzyki powstające na
powierzchni komórki, noszące nazwę ciałek apoptotycz-
nych, są rezultatem rozpadu jądra i cytoplazmy. Zmiany
struktury błony komórkowej polegające na ekspozycji na
jej zewnętrznej powierzchni fosfatydylseryny, która w wa-
runkach prawidłowych jest umiejscowiona po stronie we-
wnętrznej, są sygnałem do fagocytozy komórek podlega-
jących apoptozie [21,28].
Inną drogą aktywacji kaspaz jest droga wewnątrzpochod-
na, zwana też drogą mitochondrialną. Jest aktywowana
przez sygnały pochodzące z wnętrza komórki w następ-
stwie działania bodźców uszkadzających DNA np. cyto-
statyków. Bodźce wywołujące apoptozę w mechanizmie
wewnątrzpochodnym powodują zaburzenie potencjału
błonowego i zwiększenie przepuszczalności błony mito-
chondrialnej. W następstwie tych przemian dochodzi do
obrzęku i pękania mitochondriów oraz uwalniania cyto-
chromu C oraz innych proapoptotycznych substancji istot-
nych w procesach apoptozy, takich jak AIF, endonukleazy,
Smac/Diablo i Htr/Omi [9,25,61].
Cytochrom C po uwolnieniu do cytoplazmy, powoduje
utworzenie wielobiałkowego kompleksu aktywującego
kaspazy, zwanego apoptosomem. Centralną częścią apop-
tosomu jest Apaf-1 (apoptotic protease activating factor),
białko aktywujące kaspazy. Apaf-1 po przyłączeniu cyto-
chromu C ulega zmianom konformacyjnym, umożliwia-
jącym przyłączenie prokaspazy 9. Apaf-1 i prokaspaza 9
oddziałują poprzez domeny CARD (caspase-associated re-
cruitment domains). Ta interakcja powoduje powstanie ak-
tywnej kaspazy 9, która następnie aktywuje kaspazy efek-
torowe 3, 6 i 7 [1].
P
ROCESY
PRZEKAZYWANIA
SYGNAŁU
REGULUJĄCE
APOPTOZĘ
Zmiany morfologiczne i biochemiczne w przebiegu apop-
tozy są wywołane działaniem kaspaz. Aktywacja kaspaz
jest końcowym etapem apoptozy, inicjowanym przez róż-
ne sygnały zewnątrzkomórkowe i wiele dróg przekazywa-
nia sygnału [47,53].
W niektórych typach komórek, w celu wzmocnienia sy-
gnału proapoptotycznego, kaspaza 8 dodatkowo aktywu-
je drogę wewnątrzpochodną. Kaspaza 8 trawi białko Bid,
które w postaci aktywnej tBid przemieszcza się do mito-
chondriów i tam we współudziale z proapoptotycznymi
białkami Bcl-2 (Bax i Bak) powoduje zmianę potencjału
błonowego i uwalnianie cytochromu C [45].
Kaspazy są wewnątrzkomórkowymi cysteinowymi prote-
azami (cysteine aspartyl-speciﬁ c proteases) rozszczepiają-
cymi łańcuch białkowy substratów w miejscu reszty kar-
boksylowej kwasu asparaginowego. W skład rodziny kaspaz
wchodzi 14 dotychczas poznanych enzymów. Występują
one w cytoplazmie w postaci nieaktywnych proenzymów.
Najistotniejsze kaspazy uczestniczące w procesie apoptozy
u ssaków można podzielić na dwie grupy: kaspazy inicju-
jące (kaspazy 2, 8, 9 i 10) i kaspazy efektorowe (kaspazy
3, 6 i 7). Aktywacja kaspaz następuje za pośrednictwem
proteolitycznego kaskadowego rozpadu prokaspaz. Po
odłączeniu fragmentu sąsiadującego z kwasem asparagi-
nowym powstają dwie podjednostki, które po połączeniu
powodują powstanie aktywnego enzymu. Zależności mię-
dzy poszczególnymi kaspazami w kaskadzie są zmienne
u różnych organizmów i zależą od aktywującego je bodźca
[12,13,15,16,20,34,42,65,66]. Dotychczas stwierdzono kilka
dróg aktywacji kaspaz (ryc. 1). Najważniejsze z nich to
droga zewnątrzpochodna i droga wewnątrzpochodna.
Zaburzenie potencjału błonowego i wzrost przepusz-
czalności błony mitochondriów powoduje utratę home-
ostazy komórki: zahamowanie syntezy ATP, zaburze-
nie procesów oksydoredukcyjnych i tworzenie wolnych
rodników tlenowych. Następstwem zwiększonego wy-
twarzania wolnych rodników tlenowych jest utlenianie
tłuszczów, białek i kwasów nukleinowych, co powo-
duje nasilenie zmian potencjału błonowego mitochon-
driów [39].
Kaspazy efektorowe 3, 6 i 7 są końcowymi enzymami w ka-
skadzie kaspaz. Uaktywnienie kaspazy 3 powoduje prote-
olizę polimerazy ADP-rybozy (PARP) i w konsekwencji
upośledzenie mechanizmów naprawczych DNA. Trawienie
białek cytoszkieletu – gelzoliny i aktyny – powoduje zmia-
ny morfologiczne w komórce. Aktywacja kaspazy 3 powo-
duje również odłączenie inhibitora ICAD, który stabilizuje
i inaktywuje DNAzę zależną od kaspaz CAD (caspase-ac-
tivated Dnase). Po odłączeniu ICAD, aktywna endonukle-
aza CAD przedostaje się do jądra i doprowadza do rozpa-
du DNA na nukleosomy [55,80]. W następstwie aktywacji
kaspazy 6 dochodzi do trawienia lamininy, wchodzącej
w skład strukturalnych blaszek jądrowych i rozszczelnie-
nia błony jądrowej.
W drodze zewnątrzpochodnej, zwanej też drogą receptorów
śmierci, dochodzi do aktywacji receptorów rodziny czyn-
nika martwicy nowotworu (TNFR). U ssaków stwierdzo-
no kilka receptorów tej rodziny, a wśród nich FAS/CD95,
TNFR1, DR3 i receptory TRAIL (TNF-related apoptosis
– inducing ligand): DR4, DR5 [6, 50]. Aktywacja tych re-
ceptorów przez powiązanie odpowiednich ligandów pro-
549
Postepy Hig Med Dosw (online), 2004; tom 58: 548-559
Ryc. 1. Schemat głównych dróg przewodzenia sygnału w apoptozie [wg 33]
Tabela 1. Regulacja aktywacji kaspaz poprzez naturalnie
występujących antagonistów
C
ZYNNIKI
REGULUJĄCE
PROCES
APOPTOZY
Rodzaj Mechanizm działania
Antagoniści drogi mitochondrialnej
Prawidłowo przebiegający proces apoptozy zapewnia za-
chowanie homeostazy ustroju. Zaburzenie tego procesu
może wystąpić w sytuacji nieodpowiedniego dostępu cy-
tokin, hormonów i czynników odżywczych lub defektu
mechanizmów kontrolujących apoptozę. Obie drogi ak-
tywacji kaspaz podlegają kontroli przez naturalnie wystę-
pujących antagonistów (tabela 1) i cząstek proapoptotycz-
nych [2,18,78].
Antyapoptotyczne białka
rodziny Bcl-2
hamują uwalnianie cytochromu
C i innych apoptogennych białek
z mitochondriów
Kinaza Akt (PKB)
fosforyluje i inaktywuje Bad
(antagonista Bcl-2) oraz kaspazę 9
białko zawierające sekwencję CARD
(caspase recruitment domain), które
wiąże i inaktywuje pro-kaspazę 9
Antagoniści drogi zewnątrzpochodnej
Białka rodziny Bcl-2 odgrywają istotną rolę w procesie ak-
tywacji kaspaz i regulacji uwalniania mitochondrialnego
cytochromu C. W skład tej rodziny wchodzą białka o wła-
ściwościach pro- i antyapoptotycznych. Bcl-2 jest proto-
typem całej rodziny białek antyapoptotycznych, w skład
której wchodzą Bcl-X
L
, Bcl-w, Mcl-1 i A1. Natomiast biał-
kami proapoptotycznymi rodziny Bcl-2 są białka podrodzi-
ny Bax: Bax, Bak, Bad, Bok/Mtd oraz BH3-only proteins:
Bmf, Bid, Bik, Bim, Noxa, Puma, których nadmierna eks-
presja prowadzi do śmierci komórki [14].
białka zawierające sekwencję DED
współzawodniczące o wiązanie
z prokaspazami i hamujące drogę
zewnątrzpochodną aktywacji kaspaz
Antagoniści wspólnej końcowej drogi aktywacji kaspaz
FLIP, BAR, Bap 31
Wrażliwość komórki na apoptozę jest uzależniona od rów-
nowagi między ekspresją pro- i antyapoptotycznych bia-
łek rodziny Bcl-2, które kontrolują mechanizm uwalnia-
nia cytochromu C [75].
Rodzina IAP (inhibitor of
apoptosis proteins)
zawierają sekwencję BIR (baculovirus
IAP repeats) selektywnie hamują
i ułatwiają degradację aktywnych
kaspaz 3, 7 i 9
Ten wspólny końcowy etap aktywacji kaspaz powoduje śmierć
komórki przez rozkład składowych strukturalnych, fragmenta-
cji DNA oraz inaktywację mechanizmów naprawczych kwa-
sów nukleinowych.
Mechanizm regulacji apoptozy przez białka rodziny Bcl-2
nie jest w pełni wyjaśniony [14,72]. Rycina 2 przedstawia
jeden z modeli kontroli integralności błony mitochondrial-
nej i uwalniania cytochromu C. Istnieje zgodność, że w ży-
wych komórkach proapoptotyczne białka rodziny Bcl-2 są
antagonizowane przez białka antyapoptotyczne. W wyniku
550
TUCAN
Malinowska I. – Rola apoptozy w patogenezie i leczeniu nowotworów…
Ryc. 2. Regulacja apoptozy przez białka Bcl-2 [wg 14]
działania czynnika indukującego apoptozę białka rodziny
BH3-only protein ulegają aktywacji i przeciwdziałają an-
tyapoptotycznemu działaniu Bcl-2. Bax zostaje wbudowa-
ny w błonę zewnętrzną mitochondriów i tworzy oligome-
ry. Oligomery Bax i Bak bezpośrednio lub we współpracy
z kanałami VDAC (voltage-dependent anion channel) i ANT
(adenin nucleotide translocator) uczestniczą w tworzeniu
porów [4,7,67].
R
OLA
APOPTOZY
W
HEMATOPOEZIE
Przeżycie, proliferacja i różnicowanie komórek układu
krwiotwórczego jest regulowane przez złożoną sieć cyto-
kin i cząstek adhezyjnych. Brak cytokin powoduje zaha-
mowanie proliferacji i apoptozę prawidłowych komórek
hematopoetycznych.
Mechanizm działania antyapoptotycznych Bcl-2 pole-
ga na sekwestracji proapoptotycznych Bcl-2 poprzez
wiązanie ich domen BH3. Doprowadza to do hamo-
wania oligomeryzacji Bax i Bak oraz do zabloko-
wania mechanizmów proapoptotycznych, takich jak
uwalnianie wolnych rodników tlenowych i cytochro-
mu C [14].
Uzależnienie proliferacji komórek krwiotwórczych od do-
stępu cytokin jest mechanizmem kontrolującym przyrost
ich populacji. Cytokiny oddziaływają na komórki krwio-
twórcze przez receptory aktywujące drogi przewodzenia
sygnału obejmujące kaskady kinaz białkowych, tj. MAPK,
JAK/STAT, PI3K/AKT i IKK/NFkB. Przez fosforylację
określonych substratów mogą one wpływać na przeżycie
komórek. Dzieje się to zarówno przez regulację transkryp-
cji genów, a także za pośrednictwem modyﬁ kacji działa-
nia białek regulujących apoptozę.
Inną dużą grupę białek antyapoptotycznych jest rodzina
IAP (inhibitor of apoptosis protein). Prototypem tej ro-
dziny jest białko odkryte w bakulowirusie. Dotąd opi-
sano 8 ludzkich homologicznych białek rodziny IAP,
a wśród nich NIAP, c-IAP1, c-IAP2, XIAP i surwiwi-
nę. Wszystkie te białka zawierają domenę BIR (bacu-
lovirus IAP repeat) składającą się z 70 aminokwasów,
niezbędnych do interakcji z kaspazami [63]. XIAP, c-
IAP1 i c-IAP2 mają zdolność bezpośredniego hamo-
wania kaspaz 3, 7 i 9 [31,63]. Zdolność białek c-IAP
do bezpośredniego hamowania aktywności kaspaz jest
bardzo istotnym mechanizmem kontrolującym prawi-
dłowy przebieg procesów apoptozy. Mechanizm ten
podlega kontroli przez białko mitochondrialne Smac/
Diablo. Smac/Diablo umożliwia przebieg procesu
apoptozy przez wyparcie IAPs z ich wiązania z ka-
spazami [70].
Jak dotychczas, wyróżniamy cytokiny działające na okre-
ślone typy komórek oraz cytokiny mające wpływ na ko-
mórki na różnych etapach ich dojrzewania. Przykładem
tej pierwszej grupy cytokiny są: SCF, IL-3, GM-CSF i li-
gand FLT3 działające na komórki wielopotencjalne. Do
cytokin działających na komórki ukierunkowane, prekur-
sorowe i dojrzałe należą erytropoetyna, trombopoetyna,
M-CSF, IL-5, IL-6, IL-11, IL-2 i IL-4. Poza tymi cytoki-
nami, spotyka się także cytokiny mające aktywność anty-
proliferacyjną oraz cytokiny stymulujące proces apopto-
zy. Są nimi TGF-beta, TNF-alfa i INF [78].
Cytokiny modulują również przeżycie niektórych bia-
łaczkowych linii komórkowych, jak i proces śmierci ko-
mórki indukowanej cytostatykami. W badaniach
in vitro
551
Postepy Hig Med Dosw (online), 2004; tom 58: 548-559
Tabela 2. Geny istotne w procesie apoptozy w nowotworach układu hematopoetycznego
Gen
Umiejscowienie na
chromosomie
Cel
Choroba
Aberracje genetyczne
BCL-2
18q21
NHL
t(14;18)
Kaspaza 10
2q33
ALPS (autoimmune
limphoproliferative syndrome)
BAX
19q13
ALL
mutacje somatyczne
cIAP2
11q21
NHL
t(11;18)
FAS (CD95)
10
MM, NHL
mutacje somatyczne
C-REL
2p12
NF-kB
NHL
IkB
14q13
NF-kB
HD
mutacje somatyczne
BCL-3
17q22
NFkB
ALL-B
t(14;19)(q32;q13.1)
BCL-10
1p22
NFkB
NHL
t(1;14)(p22;q32) mutacje
somatyczne
TCL-1
14q32.1
Akt
T-ALL
t(14;14)(q11;32.1),
inv14(q11;32.1)
PTEN
10q23.3
PI3K(Akt)
NHL, MM
delecje, mutacje
BCR/ABL
22q11 (BCR)
PI3K(Akt), STAT5(Bcl-X)
CML, ALL
t(9;22)
NPM-ALK
ALK(2p23)
PI3K(Akt)
chłoniaki anaplastyczne
t(2;5)
P53
17q13.1
Bax, Puma, APR(Noxa),
Fas, DR5
NHL, ALL, CLL, AML
delecje, mutacje
MDM2
12q13
p53
HD
ampliﬁ kacja
ATM
11q22-23
p53
B-CLL, T-PLL, NHL
WT-1
11p13
p53, Bcl-2
AML
mutacje somatyczne
ELL
19p13
p53
AML
t(11;19) fuzja z MLL
CBF
inv(16)p13q22
p53
AML
inv16
PML
15q22
Daxx
APML
t(15;17)
G-CSF, GM-CSF, IL-3, IL-6 i IFN-gamma chroniły ko-
mórki linii białaczki mieloidalnej przed apoptozą induko-
waną lekami cytotoksycznymi [44]. Zaburzenia apoptozy
i mechanizmów przekazywania sygnałów wewnątrzko-
mórkowych w komórkach nowotworowych prowadzić
mogą do uniezależnienia się tych komórek od cytokin.
Przykładem na to są mutacje aktywujące
FLT3
, wystę-
pujące w 30% AML, doprowadzające do uniezależnie-
nia się komórek nowotworowych od czynników wzro-
stowych [60].
Z
ABURZENIA
APOPTOZY
W
PROCESIE
TRANSFORMACJI
NOWOTWOROWEJ
KOMÓREK
HEMATOPOET YCZNYCH
Zaburzenie mechanizmów apoptozy przyczynia się do
rozwoju wielu schorzeń. Niedostateczny stopień nasile-
nia apoptozy doprowadza do rozwoju schorzeń nowotwo-
rowych, autoimmunologicznych i przewlekłych infekcji.
Nadmierna apoptoza doprowadza do chorób neurodegene-
racyjnych (choroby: Alzheimera, Parkinsona, Huntingtona,
stwardnienie zanikowe boczne) oraz nasilania powikłań
procesów niedokrwienia (udar mózgowy, zawał mięśnia
sercowego) [32,35,48].
Przeżycie komórek prekursorowych układu krwiotwór-
czego uzależnione jest również od ich kontaktu z ko-
mórkami podścieliska. Przykłady cząsteczek adhezyjnych
o największym znaczeniu w układzie krwiotwórczym to
integryny VLA-4 i VLA-5. Kontakt komórek CD34
+
z komórkami podścieliska za pośrednictwem tych inte-
gryn zapobiega apoptozie tych komórek. Wraz z dojrze-
waniem komórki układu krwiotwórczego stają się nie-
zależne od kontaktu z podścieliskiem za pośrednictwem
integryn [72].
Nagromadzenie komórek, spowodowane nieprawidłową
ich eliminacją przez mechanizmy immunologiczne oraz
oporność na leki w następstwie zaburzenia apoptozy od-
grywają istotną rolę w patogenezie nowotworów i wpły-
wają na efekty ich leczenia [54].
Mutacje genów uczestniczących w procesach apoptozy
i proliferacji komórek oraz genów naprawy DNA ziden-
552
[ Pobierz całość w formacie PDF ]

Rola apoptozy w białaczkach, MEDYCYNA VI rok, Choroby wewnętrzne, Wywiad + badanie fizykalne, Interna abstrakty

Tematy