REGULACE APOPTÓZY
1
VÝZNAM REGULACE APOPTÓZY V MEDICÍNĚ Příklad: • Regulace apoptózy: protein p53 je klíčová molekula regulace buněčného cyklu a regulace apoptózy • Onemocnění: více než polovina (70-75%) nádorů u dospělých lidí je spojena s inaktivujícími mutacemi p53 genu
2
3
POŠKOZENÍ DNA ↓ AKTIVACE p53 ↓ EXPRESE Bax ↓ Bax/Bax KANÁLY V MITOCHONDRIÁLNÍ MEMBRÁNĚ ↓ UVOLNĚNÍ CYTOCHROMU C Z MITOCHONDRIÍ ↓ FORMOVÁNÍ APOPTOZÓMU ↓ AKTIVACE KASPÁZY 9 ↓ AKTIVACE KASPÁZY 3 ↓ APOPTÓZA
4
REGULACE APOPTÓZY: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11.
Mechanismy indukce apoptózy Úloha p53 při indukci apoptózy Apoptotické signální molekuly Mechanismy působení glukokortikoidů Mechanismy působení cytokinů Mechanismy působení ligandů receptorů s doménou smrti Mechanismy působení granzymu B Úloha proteinů rodiny Bcl-2 v regulaci apoptózy Aktivace kaspáz Indukce apoptózy dráhou receptorů s doménou smrti Indukce apoptózy mitochondriální dráhou
5
1. MECHANISMY INDUKCE APOPTÓZY: Apoptotické signály: •
Endogenní apoptotické signály: aktivace p53
•
Exogenní apoptotické signuály: apoptotické signální molekuly
6
2. ÚLOHA p53 PŘI INDUKCI APOPTÓZY: • Mechanismy aktivace p53: poškození DNA, hypoxie ad. [FIG.] • Aktivovaný p53 funguje jako transkripční faktor. Geny indukované aktivovaným p53: • mdm2 (zpětnovazebná regulace aktivity p53) • p21 gen (inhibitor CDK 2 → zablokování buněčného cyklu) [FIG.] • bax (proapoptotický protein rodiny Bcl-2 → apoptóza) [FIG.] • IGF-BP3 gen (insulin-like growth factor-binding protein 3 blokuje aktivitu IGF-I)
7
8
2. ÚLOHA p53 PŘI INDUKCI APOPTÓZY: • Mechanismy aktivace p53: poškození DNA, hypoxie ad. [FIG.] • Aktivovaný p53 funguje jako transkripční faktor. Geny indukované aktivovaným p53: • mdm2 (zpětnovazebná regulace aktivity p53) • p21 gen (inhibitor CDK 2 → zablokování buněčného cyklu) [FIG.] • bax (proapoptotický protein rodiny Bcl-2 → apoptóza) [FIG.] • IGF-BP3 gen (insulin-like growth factor-binding protein 3 blokuje aktivitu IGF-I)
9
CYCLIN E/CDK 2
CYCLIN E/CDK 2
10
2. ÚLOHA p53 PŘI INDUKCI APOPTÓZY: • Mechanismy aktivace p53: poškození DNA, hypoxie ad. [FIG.] • Aktivovaný p53 funguje jako transkripční faktor. Geny indukované aktivovaným p53: • mdm2 (zpětnovazebná regulace aktivity p53) • p21 gen (inhibitor CDK 2 → zablokování buněčného cyklu) [FIG.] • bax (proapoptotický protein rodiny Bcl-2 → apoptóza) [FIG.] • IGF-BP3 gen (insulin-like growth factor-binding protein 3 blokuje aktivitu IGF-I)
11
POŠKOZENÍ DNA ↓ AKTIVACE p53 ↓ EXPRESE Bax ↓ Bax/Bax KANÁLY V MITOCHONDRIÁLNÍ MEMBRÁNĚ ↓ UVOLNĚNÍ CYTOCHROMU C Z MITOCHONDRIÍ ↓ FORMOVÁNÍ APOPTOZÓMU ↓ AKTIVACE KASPÁZY 9 ↓ AKTIVACE KASPÁZY 3 ↓ APOPTÓZA
12
2. ÚLOHA p53 PŘI INDUKCI APOPTÓZY: • Mechanismy aktivace p53: poškození DNA, hypoxie ad. [FIG.] • Aktivovaný p53 funguje jako transkripční faktor. Geny indukované aktivovaným p53: • mdm2 (zpětnovazebná regulace aktivity p53) • p21 (gen inhibitor CDK 2 → zablokování buněčného cyklu) [FIG.] • bax (proapoptotický protein rodiny Bcl-2 → apoptóza) [FIG.] • IGF-BP3 gen (insulin-like growth factor-binding protein 3 blokuje aktivitu IGF-I)
13
3. APOPTOTICKÉ SIGNÁLNÍ MOLEKULY: • • • •
Glukokortkoidy Cytokiny (viability factors) Ligandy receptorů s doménou smrti Granzym B
14
4. MECHANISMY PŮSOBENÍ GLUKOKORTIKOIDŮ: Indukce apoptózy glukokortikoidy: regulace exprese (indukce) proapoptotických proteinů rodiny Bcl-2 (Bax) → indukce apoptózy •
kortisol
15
5. MECHANISMY PŮSOBENÍ CYTOKINŮ: Nedostatek některých cytokinů vede k indukci apoptózy: „viability factors“ Inhibice apoptózy „viability factors“: regulace aktivity (inhibice) proapoptotických proteinů rodiny Bcl-2 (Bad) [FIG.] •
„viability factors“: IGF-I, IL-3, IL-4, IL-6, GM-CSF
16
17
5. MECHANISMY PŮSOBENÍ CYTOKINŮ: Nedostatek některých cytokinů vede k indukci apoptózy: „viability factors“ Inhibice apoptózy „viability factors“: regulace aktivity (inhibice) proapoptotických proteinů rodiny Bcl-2 (Bad) [FIG.] •
„viability factors“: IGF-I, IL-3, IL-4, IL-6, GM-CSF
18
6. MECHANISMY PŮSOBENÍ LIGANDŮ RECEPTORŮ S DOMÉNOU SMRTI: Indukce apoptózy ligandy receptorů s doménou smrti: interakce ligandu (extracelulární signální molekuly) s příslušným membránovým receptorem generuje intracelulární apoptotický signál → indukce apoptózy dráhou receptorů s doménou smrti (viz kap. 10.)
Receptory s doménou smrti a jejich ligandy: • Fas receptor (Fas): Fas ligand • TNFR1 (tumor necrosis factor receptor 1): TNF
[FIG.]
Interakce fas ligandu s Fas receptorem představuje rozhodující mechanismus indukce apoptózy v imunitním systému (cytotoxické T lymfocyty, NK buňky) [FIG.] 19
20
6. MECHANISMY PŮSOBENÍ LIGANDŮ RECEPTORŮ S DOMÉNOU SMRTI: Indukce apoptózy ligandy receptorů s doménou smrti: interakce ligandu (extracelulární signální molekuly) s příslušným membránovým receptorem generuje intracelulární apoptotický signál → indukce apoptózy dráhou receptorů s doménou smrti (viz kap. 10.)
Receptory s doménou smrti a jejich ligandy: • Fas receptor (Fas): Fas ligand • TNFR1 (tumor necrosis factor receptor 1): TNF
[FIG.]
Interakce fas ligandu s Fas receptorem představuje rozhodující mechanismus indukce apoptózy v imunitním systému (cytotoxické T lymfocyty, NK buňky) [FIG.] 21
22
7. MECHANISMY PŮSOBENÍ GRANZYMU B: Indukce apoptózy granzymem B: synergické působení sekretovaného perforinu a granzymu B • Perforin: vytváří kanál v plazmatické membráně pro průnik granzymu B • Granzym B: proteáza, aktivace kaspáz Systém perforin/granzym B je používán v imunitním systému (cytotoxické T lymfocyty, NK buňky). [FIG.]
23
24
8. ÚLOHA PROTEINŮ RODINY Bcl-2 V REGULACI APOPTÓZY: Proteiny rodiny Bcl-2: charakteristické BH (Bcl-2 homology) domény TM (transmembrane) doména [FIG.] Antiapoptotické vs. proapoptotické proteiny rodiny Bcl-2 • Podrodina Bcl-2 (antiapoptotické): Bcl-2, Bcl-xL • Podrodina Bax ((BH123) (proapoptotické): Bax, Bak • Podrodina „BH3-only“ (proapoptotické): Bad, Bid, Puma
25
26
8. ÚLOHA PROTEINŮ RODINY Bcl-2 V REGULACI APOPTÓZY: Proteiny rodiny Bcl-2: charakteristické BH (Bcl-2 homology) domény TM (transmembrane) doména [FIG.] Antiapoptotické vs. proapoptotické proteiny rodiny Bcl-2 • Podrodina Bcl-2 (antiapoptotické): Bcl-2, Bcl-xL • Podrodina Bax ((BH123) (proapoptotické): Bax, Bak • Podrodina „BH3-only“ (proapoptotické): Bad, Bid, Puma
27
Proteiny rodiny Bcl-2 tvoří homodimery a heterodimery prostřednictvím BH domén. Vzájemný poměr antiapoptotických a proapoptotických proteinů rodiny Bcl-2 rozhoduje o indukci apoptózy. [FIG.] [FIG.] [FIG.]
28
29
30
31
9. AKTIVACE KASPÁZ: Aktivace kaspáz: na základě proteolytického štěpení
[FIG.]
Základní dráhy aktivace kaspáz: • Dráha receptorů s doménou smrti • Mitochondriální dráha
32
33
9. AKTIVACE KASPÁZ: Aktivace kaspáz: na základě proteolytického štěpení
[FIG.]
Základní dráhy aktivace kaspáz: • Dráha receptorů s doménou smrti • Mitochondriální dráha
34
10. INDUKCE APOPTÓZY DRÁHOU RECEPTORŮ S DOMÉNOU SMRTI: Dráha receptorů smrti (vnější dráha): • Ligand (signální molekula) ↓ • Receptor s doménou smrti ↓ • Formování komplexu DISC (doména smrti receptoru, adaptorový protein(y), prokaspáza 8) ↓ • Aktivace kaspázy 8 (iniciační kaspáza) ↓ • Aktivace kaspázy 3 (exekučnní kaspáza) ↓ • Štěpení substrátů smrti (exekuce apopotózy) [FIG.] 35
Figure 18-6 The extrinsic pathway of apoptosis activated through Fas death receptors. 36
11. INDUKCE APOPTÓZY MITOCHONDRIÁLNÍ DRÁHOU: •
Mitochondriální dráha (vnitřní dráha):
•
Bax (proapoptotický protein rodiny Bcl-2) ↓ Bax/bax kanály v mitochondriální membráně ↓ Uvolnění cytochromu c ↓ Formování apoptozómu (cytochrom c, Apaf-1, prokaspáza 9) ↓ Aktivace kaspázy 9 (iniciační kaspáza) ↓ Aktivace kaspázy 3 (exekuční kaspáza) ↓ Štěpení substrátů smrti (exekuce apopotózy) [FIG.] [FIG.] [FIG.]
• • • •
• •
37
38
39
LITERATURA: • Alberts B. et al.: Essential Cell Biology. Garland Science. New York and London, pp. 638-643, 2010.
40
