Inne drogi zaprogramowanej śmierci komórki: nekroptoza i autofagia

Nekroptoza

Nekroptoza to forma zaprogramowanej śmierci komórki, która różni się od apoptozy brakiem kondensacji jądra i błon komórkowych oraz wywołuje silną reakcję zapalną. Proces ten jest kluczowy w regulacji odpowiedzi immunologicznej oraz patogenezie licznych chorób, w tym nowotworów i chorób zapalnych.

Szlaki sygnalizacyjne prowadzące do apoptozy

  • Receptory śmierci (FADD: CD95, DR4, DR5):

    • Ligandy (np. FasL, TRAIL) aktywują receptory śmierci, co prowadzi do rekrutacji adaptorów FADD i formowania kompleksu DISC (Death-Inducing Signaling Complex).

  • Dwa typy szlaków apoptozy:

    • Typ I: Aktywacja kaspazy-8 bezpośrednio prowadzi do aktywacji kaspazy-3 i apoptozy.

    • Typ II: Aktywacja mitochondriów i uwalnianie cytochromu c, co dodatkowo amplifikuje sygnał apoptozy przez aktywację kaspazy-9.

  • Receptory TNF (TRADD: TNFR1, DR3):

    • Kompleks sygnalizacyjny (Complex I) aktywuje ścieżki NF-κB i MAPK, wspierając stan zapalny i przeżycie komórki.

    • W pewnych warunkach rekrutowane są inne białka adaptorowe, prowadząc do apoptozy lub nekroptozy.

Kompleks sygnalizacyjny nekroptozy i różne drogi prowadzące do śmierci komórkowej

Kompleks I:

  • Receptory TNFR1 aktywują RIPK1 i rekrutują inne białka adaptorowe, takie jak TRADD, TRAF2, oraz IAP1/2, inicjując ścieżki NF-κB, AP-1 i MAPK, które promują przeżycie komórki i reakcje przeciwzapalne.

Kompleks IIa i IIb:

  • W zależności od obecności białek sygnalizacyjnych:

    • Kompleks IIa: TRADD i FADD aktywują kaspazę-8, prowadząc do apoptozy.

    • Kompleks IIb: Brak pełnej aktywacji kaspazy-8 prowadzi do przejścia w nekroptozę.

Nekrosom:

  • RIPK1 i RIPK3 fosforylują się wzajemnie i rekrutują MLKL, który jest kluczowym efektorem nekroptozy.

  • MLKL uszkadza błonę komórkową, co prowadzi do śmierci komórki z wywołaniem reakcji zapalnej.

  • Struktura chemiczna:

    • Przedstawiono dwie wersje Necrostatinu-1 (Nec-1):

      • Aktywną, zdolną do inhibicji RIPK1.

      • Nieaktywną analogię (Nec-1i), która nie wykazuje działania hamującego.

  • Funkcja:

    • Nec-1 blokuje RIPK1, zapobiegając formowaniu nekrosomu i indukcji nekroptozy.

Necrostatin-1: Inhibitor RIPK1, blokujący formowanie nekrosomu i zapobiegający śmierci komórkowej w odpowiedzi na sygnały prozapalne.

Nekrosom:

  • Centralny kompleks sygnalizacyjny nekroptozy, złożony z białek RIPK1 oraz RIPK3.

  • RIPK1 i RIPK3 fosforylują się wzajemnie, aktywując kolejne etapy nekroptozy.

Szlaki nekroptozy indukowane różnymi receptorami

Rysunek ilustruje różnorodne mechanizmy aktywacji nekroptozy poprzez różne receptory błonowe i wewnątrzkomórkowe.

Główne elementy:

  • Receptory inicjujące nekroptozę:

    • TNFR1 (TNFα): Aktywowany przez TNFα, rekrutuje RIPK1, RIPK3 oraz MLKL.

    • FAS (FASL): Aktywowany przez FASL, prowadzi do sygnalizacji RIPK1 i RIPK3.

    • TRAILR (TRAIL): Ligand TRAIL inicjuje szlak nekroptozy poprzez RIPK1 i RIPK3.

    • DR6 (APP): Aktywowany w specyficznych kontekstach, prowadzi do aktywacji MLKL.

    • TLR3 i TLR4: Rozpoznają elementy patogenów (np. dsRNA, LPS) i indukują nekroptozę poprzez TRIF i RIPK3.

Proces nekroptozy:

  • W każdym z powyższych przypadków:

    • RIPK1 (kinaza 1 związana z receptorami RIP) fosforyluje RIPK3.

    • Aktywowany RIPK3 rekrutuje i fosforyluje MLKL.

    • Fosforylowany MLKL (aktywna forma) oligomeryzuje i uszkadza błonę komórkową, prowadząc do uwolnienia zawartości komórki i śmierci zapalnej.

Dodatkowe mechanizmy:

  • Infekcja wirusowa:

    • Rozpoznanie przez białko ZBP1 (Z-DNA Binding Protein 1) inicjuje szlak nekroptozy poprzez aktywację RIPK3 i MLKL.

  • Uszkodzenia mitochondrialne:

    • mtDNA lub RNA mogą wywołać wewnątrzkomórkową aktywację nekroptozy, prowadząc do uszkodzeń błon mitochondrialnych i cytoplazmatycznych.

  • Kompleks IIc:

    • W przypadku braku pełnej aktywacji kaspazy-8, RIPK1 i RIPK3 zaczynają wzajemne fosforylacje, tworząc nekrosom.

  • TLR3 i TLR4:

    • Rozpoznanie dsRNA przez TLR3 lub LPS przez TLR4 prowadzi do rekrutacji adaptorowego białka TRIF, które aktywuje RIPK3 niezależnie od RIPK1.

  • ZBP1:

    • W przypadku obecności Z-RNA, białko ZBP1 aktywuje RIPK3, inicjując fosforylację MLKL.

  • Fosforylacja MLKL:

    • MLKL po fosforylacji tworzy oligomery, które wbudowują się w błonę komórkową, prowadząc do jej destabilizacji i nekroptozy.

MLKL (Mixed Lineage Kinase Domain-Like Protein):

Ostateczny efektor nekroptozy.Po fosforylacji przez RIPK3, MLKL zmienia strukturę błony komórkowej, co prowadzi do jej uszkodzenia i uwolnienia zawartości cytoplazmy.

Aktywacja MLKL:

  • MLKL składa się z pseudokinazowej domeny połączonej z 4HB przez helisy łącznikowe.

  • RIPK3 fosforyluje MLKL, co umożliwia jego oligomeryzację i wiązanie z błoną.

  • Asocjacja MLKL z błoną prowadzi do napięcia błony, jej pęknięcia i tworzenia porów.

Rola nekroptozy w chorobach

  1. Nowotwory:

    • Nekroptoza może wspierać eliminację komórek nowotworowych poprzez wywoływanie odpowiedzi zapalnej.

    • W pewnych kontekstach może jednak sprzyjać progresji nowotworu, zwiększając lokalne stany zapalne i stymulując angiogenezę.

  2. Choroby zapalne:

    • Nadmierna aktywacja nekroptozy jest powiązana z patogenezą chorób takich jak choroba Crohna czy wrzodziejące zapalenie jelita grubego.

Autofagia

Autofagia to proces degradacji wewnątrzkomórkowej, w którym uszkodzone organelle i nieprawidłowe białka są otaczane przez błony autofagosomalne i kierowane do lizosomów. Termin „autofagia” wprowadził Christian de Duve w 1963 roku. W 1974 roku został on uhonorowany Nagrodą Nobla za odkrycia dotyczące lizosomów.

Proces autofagii

  • Inicjacja: Proces zaczyna się od formowania struktury zwanej fagoforem.

  • Rozszerzanie: Fagofor powiększa się, aby otoczyć substraty przeznaczone do degradacji (np. uszkodzone organelle, białka).

  • Zamykanie: Powstaje zamknięta struktura zwana autofagosomem.

  • Fuzja: Autofagosom łączy się z lizosomem, tworząc autolizosom.

  • Degradacja: W autolizosomie enzymy lizosomalne rozkładają zawartość na proste cząsteczki, które są następnie wykorzystywane przez komórkę.

Regulacja autofagii

  • Stres komórkowy, np. stres ER, uszkodzenie DNA.

  • Warunki środowiskowe, takie jak głód, niedotlenienie, infekcja.

  • Autofagia działa jako mechanizm adaptacyjny, umożliwiając recykling składników odżywczych, eliminację patogenów i ochronę przed apoptozą.

  • Dodatkowe funkcje autofagii: przebudowa komórkowa, usuwanie niepotrzebnych organelli, adaptacja do stresu i kontrola jakości białek.

Geny ATG (Autophagy-related genes):

  • Geny te regulują wszystkie etapy autofagii, od inicjacji po degradację w lizosomach.

Rodzaje autofagii:

  • Autofagia kanoniczna: Klasyczny mechanizm obejmujący powstawanie autofagosomów i degradację ich zawartości

    • Inicjacja autofagii wymaga aktywacji kompleksów w odpowiedzi na stres metaboliczny lub patogeny.

    • Fagofor tworzy się dzięki aktywności kompleksu AMBRA1-Beclin1-VPS15, co prowadzi do rekrutacji LC3 na błony fagoforu.

    • Autofagosom otacza organelle lub inne struktury komórkowe, a następnie łączy się z lizosomem, tworząc autolizosom.

  • Autofagia selektywna:

    • Proces ukierunkowany na specyficzne elementy, np. uszkodzone mitochondria (mitofagia) czy bakterie (ksenofagia).

    • SARs (Selective Autophagy Receptors): Białka, które rozpoznają ładunek do selektywnej degradacji.

Geny związane z autofagią

  • Geny inicjacji autofagii (np. ULK1, ATG13).

  • Geny związane z rozpoznawaniem ładunku (np. LC3, p62).

  • Geny fuzji i degradacji (np. lysosomalne enzymy, SNAP29).

  • Geny regulujące inne aspekty autofagii oraz specyficzne ścieżki sygnalizacyjne. Diagram ten umożliwia analizę molekularnych mechanizmów procesu.

Xenofagy - Autofagia i ochrona przed patogenami

  • Komórki wykorzystują autofagię do eliminacji bakterii i innych patogenów.

  • Proces obejmuje:

    • Oznaczenie patogenów przez ubikwitynację.

    • Otoczenie ich błoną fagoforu, a następnie utworzenie autofagosomu.

    • Fuzję autofagosomu z lizosomem w celu degradacji.

  • Wskazuje także na rolę białek (np. LC3) i receptorów (np. p62) w tym procesie.

Funkcje autofagii

  1. Utrzymanie homeostazy komórkowej:

    • Eliminacja uszkodzonych organelli i nieprawidłowych białek.

  2. Odpowiedź na stres:

    • Autofagia jest aktywowana w odpowiedzi na stres środowiskowy, np. niedobór składników odżywczych.

  3. Odporność:

    • Ksenofagia wspiera eliminację patogenów wewnątrzkomórkowych.

Autofagia w chorobach

  1. Choroba Crohna:

    • Istnieją 3 główne fenotypy choroby: zapalny, strukturalny i penetrujący. Choroba Leśniowskiego-Crohna charakteryzuje się stanem zapalnym jednego lub więcej obszarów przewodu pokarmowego, z normalnymi obszarami jelit pomiędzy nimi. Może wystąpić w dowolnym miejscu od jamy ustnej do odbytu, ale najczęściej w jelicie grubym i cienkim (jelicie). Zapalenie to może prowadzić do owrzodzeń, ropni i zwężeń w jelitach.

    • Mutacje w genie ATG16L1 (T300A) hamują autofagię, co prowadzi do zaburzeń odpornościowych i zwiększonego ryzyka chorób zapalnych jelit.

    • Schematyczna struktura białka ATG16L1 i funkcje w autofagii kanonicznej i niekanonicznej.

      • ATG16L1 zawiera wiele domen funkcjonalnych, które oddziałują z kilkoma białkami lub fosfolipidami i regulują jego dalszą sygnalizację. WD-40, powtórzenie transdukcyny B zawierające około 40 aminokwasów i często zakończone tryptofanem (W) i kwasem asparaginowym (D).

    Ochronna rola ATG16L1

    • Eliminacja bakterii inwazyjnych: Autofagia usuwa bakterie takie jak E. coli.

    • Redukcja poziomu IL-1β: Autofagia ogranicza stany zapalne przez zmniejszenie produkcji interleukiny-1β.

    • Utrzymanie funkcji komórek Panetha: Te komórki w jelicie cienkim odpowiadają za obronę przed bakteriami i prawidłowe funkcjonowanie bariery jelitowej.

    • Selekcja limfocytów T w grasicy: Autofagia odgrywa rolę w selekcji komórek odpornościowych.

    Mutacja ATG16L1 związana z ryzykiem choroby Crohna

  • Ograniczona zdolność do degradacji patogenów (np. E. coli).

  • Zwiększona aktywacja IL-1β, co prowadzi do przewlekłego zapalenia, charakterystycznego dla choroby Crohna.

  • Zmniejszona zawartość ziarnistości w komórkach Panetha, co osłabia obronę jelitową.

Rola ATG16L1 w rekrutacji LC3

  • ATG16L1 współdziała z innymi białkami autofagii (np. ATG5 i ATG12) w procesie lipidacji LC3.

  • Kompleks ATG16L1 umożliwia rekrutację LC3-II do błon fagoforu, co jest kluczowe dla rozwoju autofagosomów.

Modulacja ATG16L1

  • ATG16L1 może być fosforylowane w pozycji S278 i T300.

  • Modyfikacje te regulują autofagię i inne procesy, np. ksenofagię (degradację patogenów).

  • Mutacje (np. T300A) zmieniają funkcję ATG16L1 i mogą wpływać na aktywację kaspazy-3 i śmierć komórki.

mechanizmy aktywacji

  • Warunki normalne: Autofagia jest utrzymywana na niskim poziomie dzięki interakcji między Bcl-2 a Beclin-1.

  • Warunki niskiego stresu: Kinaza JNK fosforyluje Bcl-2, co powoduje uwolnienie Beclin-1 i aktywację autofagii.

  • Warunki wysokiego stresu: Intensywny stres prowadzi do aktywacji mTORC i uwolnienia LC3-II, które indukuje autofagię. Mechanizm ten może eliminować patogeny, a także modulować apoptozę.

  1. Nowotwory:

    • Autofagia działa protekcyjnie, eliminując uszkodzone elementy, które mogłyby sprzyjać transformacji nowotworowej. W zaawansowanych stadiach nowotworów autofagia może jednak wspierać wzrost komórek nowotworowych, dostarczając im składników odżywczych.

  2. Choroby neurodegeneracyjne:

    • Autofagia odgrywa rolę w eliminacji agregatów białkowych, co ma znaczenie w takich chorobach jak choroba Alzheimera czy Parkinsona.

Modulacja autofagii – rola leków

  1. Rapamycyna:

    • W 1964 roku grupa naukowców kanadyjskich zebrała próbki gleby na Wyspie Wielkanocnej. Nie mieli pojęcia o tym, że przywieźli do domu prawdziwy skarb. Próbki zawierały bakterię wydzielającą nowy antybiotyk o silnych właściwościach przeciwgrzybowych. Antybiotyk wyizolowano w 1975 roku i nazwano Rapamycyna – od tradycyjnej nazwy wyspy Rapa Nui

    • Inhibitor mTOR, kluczowego regulatora autofagii.

  2. Chlorochina i hydroksychlorochina:

    • Leki hamujące autofagię, stosowane w terapii niektórych nowotworów i chorób autoimmunologicznych.

  3. Rapalogy:

    • Pochodne rapamycyny. Temsirolimus, zatwierdzony przez FDA w 2007 roku, jest stosowany w leczeniu raka nerki.

  • Beclin-1: Kluczowy regulator autofagii, homolog Atg6, wiąże się z Bcl-2 i inicjuje formowanie autofagosomów.

3. Mitofagia i mitochondria

Mitofagia

Specyficzny typ autofagii eliminujący uszkodzone mitochondria. Proces ten zapobiega nadmiernemu wytwarzaniu reaktywnych form tlenu (ROS), które mogą uszkadzać inne struktury komórkowe.

Zagrożenia dla mitochondriów

  1. Unfolded Protein Response (UPR):

    • Aktywacja odpowiedzi na akumulację nieprawidłowych białek w mitochondriach, co może prowadzić do stresu komórkowego i śmierci komórkowej.

  2. Autoimmunizacja:

    • Uszkodzone mitochondria mogą uwalniać ich składniki, co inicjuje reakcje autoimmunologiczne.