A PROGRAMOZOTT SEJTHALÁL A programozott sejthalál (programmed cell death; PCD) alapvetően intracelluláris (endogén) program által szabályozott folyamat, ami a sejtproliferáció antagonistájaként a szervezet szabályos (genetikailag meghatározott) fejlődését, továbbá a kifejlett egyedekben a szövetek állandóságát (szöveti homeosztázis) biztosítja a felesleges, vagy sérült sejtek eltávolításával. Kiválthatják külső (exogén) tényezők is, amelyekkel a későbbiekben részletesebben foglalkozunk. A1. ábra: A programozott sejthalál egy lehetséges útvonala az embrionális szövetfejlődés során. A szomszédos sejtekkel nem kapcsolódó sejt lefűződik, majd kisebb darabokra esik szét. A sejtfragmentumokat a szomszédos szöveti sejtek, vagy az odavándorló fagociták bekebelezik és lizoszómális emésztéssel felszabadítják az elpusztult sejt hasznosítható anyagait. Az embrionális szövet- és szervfejlődés (morfogenezis) során az intenzív sejtosztódások miatt nagyobb számban keletkeznek sejtek, mint amennyire ténylegesen szükség van. Kialakulhatnak abnormális szerkezetű sejtek is, amelyek alaktani sajátosságaik és kémiai összetételük miatt nem tudnak beépülni a szöveti kötelékekbe (A1. ábra). Elszaporodásuk megakadályozása és szabályozott pusztulásuk a normális fejlődés alapfeltétele. Ennél
látványosabb folyamat egyes embrionális, vagy lárvális szervek kialakulása, majd eltűnése, pontosabban átalakulása. Közismert, hogy a közvetett fejlődésű rovarok a báb állapotában a lárvális szervek lebontásával egyidejűleg kialakulnak a kifejlett állat (imágó) végleges szervei. Hasonló látványos változások figyelhetők meg a kétéltűek metamorfózisa során. A békák lárvái (ebihalak) jól fejlett farkuk segítségével mozognak a vízben, a végtagok kifejlődésével párhuzamosan a farok mérete fokozatosan csökken és a kifejlett állatokban már a nyomai sem találhatók meg (A2. ábra). A2. ábra: A farok eltűnése és az ötujjú végtag kialakulása a békák metamorfózisa során. Az ujjak vázelemeit a világosabb vonalak jelölik. Kevésbé feltűnő, de lényeges változások zajlanak le a végtagok fejlődésekor. Az ötujjú végtag kezdeményei az ún. végtagbimbók szerkezete kezdetben az úszókra emlékeztet, a sugárirányú vázelemek folytonos szöveti környezetbe (izom, kötőszövet és hámszövet) ágyazottak. Az ujjak elkülönülése az összekötő szövetek részleges, szabályozott pusztulásának következménye. Fejlődési rendellenességként előfordul két, vagy több ujj összenövése, ami az a programozott sejthalál elmaradásának következménye. Hasonló jelenségek figyelhetők meg a magasabbrendű gerincesek embrionális fejlődésekor, a garattasakok (kopoltyúívek) vagy a farokbél stb. eltűnésekor. A kifejlett egyedek szöveti homeosztázisa (meghatározott sejtszám és működés) is a mitózis és a programozott sejthalál egyensúlyának függvénye. Amennyiben a sejtek osztódása gyorsabb, mint az elpusztulásuk sebessége, akkor a sejtburjánzás miatt a szervezet mérete nő, ha a sejtpusztulás gyorsabb, akkor a szövetek sorvadása figyelhető meg. Amint az előzőekben láttuk, a mitózis során keletkezhetnek abnormális, veszélyes sejtalakok (potenciális
daganatsejtek) is, amelyek eliminálása nélkülözhetetlen a szervezet egységének fenntartásához. Amennyiben a degenerált sejteket nem tudja eltávolítani a szervezet, azok elszaporodhatnak és daganatos (rák) megbetegedéseket, vagy degeneratív betegségeket okozhatnak. A programozott sejthalálnak két típusát ismerjük, (1) az autofág programozott (citoplazmatikus) sejthalált és az (2) apoptózist. A két folyamat, bár részleteikben különböznek egymástól, részben azonos citológiai elváltozásokkal jellemezhetők. Mindkét folyamat energiaigényes, azaz csak ATP jelenlétében zajlik le; mindig egyes sejtekre korlátozódik; a sejt pusztulása térfogatcsökkenéssel (zsugorodás) jár együtt és a plazmamembrán integritása fennmarad. Az extracelluláris térbe nem kerülnek ki a sejtek makromolekulái (enzimek, nukleoproteidek stb.), ezért nem alakul ki gyulladás és végül a pusztuló sejteket a szomszédjaik, vagy professzionális makrofágok fagocitálják, azaz az elpusztuló sejtek anyagait teljes egészében felhasználja a szervezet új sejtek képzéséhez. A citoplazmatikus sejthalál nehezen felismerhető, ti. a sejtek normális fiziológiai működéséhez hozzátartozik az autofágia, azaz a feleslegessé vált, vagy a sérült és elöregedett makromolekulák és sejtalkotók elkülönítése és zárt rendszerben történő megemésztése, azaz anyagaik újrahasznosításának biztosítása (lásd lizoszómák!). A folyamat normál körülmények között alacsony intenzitású, emiatt az autogág vakuólumok ritkán figyelhetők meg a sejtekben. Ezzel ellentétben a citoplazmatikus sejthalál során a plazmamembrán integritásának fennmaradása mellett a citoplazma jelentős része a lizoszómális aktivitás áldozatává válik. Az önemésztés miatt a sejtek térfogata folyamatosan csökken, a citoplazmában lizoszómális eredetű maradványtestek halmozódnak fel. Végül a visszamaradó, zsugorodott sejteket a környező szöveti sejtek, vagy az odavándorló fagociták bekebelezik és anyagaikat megemésztik. Az autofágia során felszabaduló anyagokat az életben maradó sejtek használják fel anyagcsere-folyamataikhoz. Az eddigiek alapján nyilvánvaló, hogy az intenzív autofágia előfeltétele az ER és Golgi-komplex eredetű izoláló membránok, illetve a primér lizoszómák gyors képzése, amit jelenleg nem ismert intracelluláris szignálok irányítanak. Nem tudjuk azt sem, hogy az autofágia véletlenszerűen zajlik-e a pusztulásra ítélt sejtekben, vagy a lebontásra ítélt molekulákat és sejtszervecskéket speciális jelölés alapján azonosítják az izoláló membránok. Az viszont ismert, hogy az autofág programozott sejthalál kiváltásában a speciális autofágia szignál-proteinek kulcsszerepet játszanak. Jelenlegi ismereteink szerint az autofág programozott sejthalál ősi folyamat, ami a hengeresférgek, egyes ízeltlábúak normális embrionális fejlődéséhez nélkülözhetetlen, a lárvális szövetek és struktúrák lebontásával lehetővé teszi a végleges szövetek kialakulását.
Szerepe azonban nem zárható ki a magasabbrendű szervezetekben sem, ti. az autofágia gátlása tumorsejtek kialakulását és felhalmozódását eredményezi emlős fajokban is. Az autofág programozott sejthalálnál lényegesen jobban ismert az apoptózis folyamata. Feltehetően ezzel magyarázható, hogy a programozott sejthalált gyakran (tévesen!) az apoptózissal azonosítják, amelynek elnevezése a görög lombhullás szóból származik, ti. a pusztuló sejtekről leváló kisebb részek (ún. apoptotikus testek) a fákról lehulló levelekre emlékeztették a jelenség felfedezőjét. Az apoptózist belső és külső szignálok egyaránt kiválthatják. A belső szignálok által meghatározott ún. intrinszik útvonalban kulcsszerepet játszanak a mitokondriumok, emiatt mitokondriális útvonalnak is szokták nevezni. A külső szignálok az ún. halálszignálreceptor aktiválásával indítják meg extrinszik útvonal lépéseit. Mindkét útvonal (amelyek pontos mechanizmusát napjainkban is intenzíven tanulmányozzák) sejttípustól és a szignalizációtól függetlenül azonos, rendkívül jellegzetes morfológiai elváltozásokat indukál, ami arra utal, hogy azok kialakulásának hátterében részben azonos biokémiai folyamatok állnak. Az intrinszik, vagy mitokondriális útvonalat a sejt valamilyen károsodása (a sejtkontaktus megszűnése, a membránszerkezet megváltozása, vírusfertőzés, stb.) indítja meg a Bcl-2 fehérjecsalád proapoptotikus tagjainak aktiválásával (A3. ábra). (A Bcl-2 fehérjéket először a B-sejtes limfóma sejtjekből izolálták, jelenleg több, mint 20 típusuk ismert. Egy részük proapoptotikus, másik részük antiapoptotikus aktivitású). A proapoptotikus Bcl-2 fehérjék megváltoztatják a mitokondriumok membránjainak működését, az elektrontranszport-lánc fehérjéi degradálódnak, a membránpotenciál felborul és megváltozik a külső membrán csatorna-fehérjéinek áteresztő képessége is. Emiatt az intermembrán térből olyan molekulák (pl. a kaszpáz-inhibítorok működését blokkoló pro-apoptotikus fehérjék, citokróm c) kerülnek ki a citoplazmába, amelyek normál körülmények között ott nem fordulnak elő. A citokróm c az ún. iniciátor kaszpázok aktiválásával klucsszerepet játszik az apoptózis folyamatának szabályozásában. A pro-apoptotikus fehérjék közvetlenül, míg a citokróm c közvetve az effektor kaszpázokat aktiválja. A proteáz aktivitású kaszpázok, csak az aszparaginsav melletti peptidkötéseket képesek hasítani (ún. cisztein-proteázok), azaz fehérjebontó aktivitásuk korlátozott. Működésük lényege nem is a közvetlen fehérjebontás, hanem az, hogy további fehérjebontó enzimek aktivitását képesek serkenteni. Az iniciátor kaszpázok az apoptozis megindításában, míg az effektor kaszpázok a folyamat terminálásában játszanak főszerepet. Az effektor kaszpázoknak két fő támadáspontja ismert. Egyrészt a Ca- és Mg-függő nukleáris endonukleázok aktiválásával megindítják a DNS irreverzibilis fragmentálódását,
emiatt kisebb oligonukleotid töredékeket alakulnak ki a sejtmagban. Ezek kialakulása az apoptózis folyamatának döntő momentuma, ti. a DNS fragmentumok indukálják p53 tumor szupresszor fehérje képződését, ami az apoptózis folyamatát egyirányúvá teszi és a sejt pusztulása bekövetkezik. Emlékezzünk vissza a sejtciklus szabályozásánál tanultakra! A p53 tumor szupresszor fehérje a sejtciklus G1/S átmenetet ellenőrzi, a DNS-károsodása esetén (pl. mitotikus katasztrófa) mennyisége megnő a sejtekben és kiváltja az apoptózist, így megakadályozza a rendellenes működésű sejtek elszaporodását. A DNS-fragmentumok a későbbiekben a sejtmag perifériáján aggregálódnak és maghártya mellett félhold alakban rendeződnek, majd maghártyával fedett kisebb darabokban válnak le a citoplazmába és végül az apoptotikus testekbe kerülnek. A sejtmag fragmentálódását a nukleáris lamina részleges enzimatikus hasítása előzi meg. A citoplazmában találhatók Ca-függő proteázok is (kalpainok), amelyek részben az effektor kaszpázok működését stimulálják, részben a mitokondriális membránok sérülését idézik elő. A citoplazma Ca-koncentrációja normál körülmények között alacsony, így a Cafüggő proteázok aktiválásához szükséges az endoplazmás retikulumban tárolt Ca-ionok robbanásszerű felszabadítása, amit a Bcl-2 fehérjecsalád endoplazmás retikulum ciszternákhoz kötődő tagjai váltanak ki. Az effektor kaszpázok hatására átrendeződik a membránhoz kapcsolódó citoszkeleton (aktin mikrofilamentumok) szerkezete is. Az aktivált proteázok nagyobb egységekre darabolják az aktin filamentumokat, amelyek a sejthártyával párhuzamos kötegekbe újrarendeződnek, emiatt megkezdődik a sejt zsugorodása. Átrendeződik a citoplazma szerkezete (a szabad riboszómák aggregálódnak, a GER ciszternái koncentrikus köröket formálnak) és megváltozik a plazmamembrán jellegzetes összetétele is. Egyes foszfatidok pl. a foszfatidilszerin a citoplazmatikus felszínről az extracelluláris felszínre vándorolnak, ennek következtében a sejt felszínéről különböző méretű membránhólyagok türemkednek ki ( blebbing ) anélkül, hogy a membrán felszakadna. Ez a kémiai átrendeződés vezet az apoptotikus testek kialakulásához, amikor is a sejtről membránnal határolt kisebb egységek válnak le, amelyek citoplazma részleteket, mitokondriumokat és sejtmag fragmentumokat tartalmaznak. A foszfolipid-rétegek átrendeződésével párhuzamosan speciális fehérjék (fagocita aktiváló ligandok) épülnek be a plazmamembránba, amelyek a foszfatidilszerinnel együtt a lefűződő apoptotikus testek azonosítását teszik lehetővé a szomszédos szöveti sejtek és a professzionális fagocitáló sejtek számára. Az extrinszik útvonal beindításában főszerepet játszanak az ún. halálreceptorok, amelyek különböző exogén szignálmolekulát (halálszignálok) kötnek meg. Utóbbiak legismertebb tagja a tumor nekrózis faktor (TNF), amely elnevezésének megfelelően a
megváltozott osztódási képességű sejtek (tumorsejtek) nekrózisát váltja ki az effektor kaszpázok aktiválásával. Hasonló mechanizmussal váltják ki a sejtek pusztulását szabadgyökök, radioaktív és ionizáló sugárzások, és egyes csoportdetermináns (differenciációs) fehérjék. A3. ábra: Az apoptózis intrinszik és extrinszik folyamatának fő lépései. Végeredményben mindkét útvonal az effektor (kivégző) kaszpázok aktiváláshoz vezet, amelyek az endonukleázok stimulálásával a sejtmag fragmentálódását, illetve az aktin mikrofilamentumok destrukcióját és újrarendeződését kiváltva az apoptotikus testek lefűződését idézik elő.