thumb|240px|Rezina mišjih jeter; s puščicami so označene celice v različnih fazah apopotoze Apoptoza (grško : apó – »od, iz« + ptosis – »padanje«) je eden od tipov programirane celične smrti. Znana je tudi kot celična smrt tipa I ali fiziološka celična smrt.Erman, Jezernik; 2009, str. 81. Ker gre za uravnavan proces, govorimo tudi o celičnem samomoru. V nasprotju z nekrozo, tj. patološko celično smrtjo, ne privede do vnetnega procesa.
Proces apoptoze lahko sprožijo zunanji dejavniki (aktivatorji), ki se vežejo na membranske receptorje, ali pa znotrajcelični signali, ki delujejo na mitohondrije. Tako ločimo ekstrinzično (zunanjo) pot in intrinzično (notranjo) pot apoptoze. Za večino celičnih učinkov je ključno delovanje proteinaz kaspaz, ki razgrajujejo celične komponente, pomembni regulatorji pa so pripadniki družine beljakovin bcl-2.
Kaskada biokemičnih reakcij privede do morfoloških sprememb, vidnih tudi pod mikroskopom. Celica se skrči, na površini se pojavijo mehurčkasti izrastki, jedro in mitohondriji se razgradijo, DNK pa se razreže na krajše fragmente. V končni stopnji celotne apoptozne celice ali apoptotska telesca, ki nastanejo iz njih, požrejo imunske celice v procesu fagocitoze.
Za normalno delovanje organizma je apoptoza nujno potrebna, saj se s tem odstranjujejo celice, ki so okužene, imajo poškodovan DNK, so rakasto spremenjene ali so odvečne (npr. pri razvoju organov pri zarodku).
Potek apoptoze Proces apoptoze lahko v splošnem razumemo kot zaporednje štirih posameznih procesov. Apoptozo sprožijo različni signali (aktivatorji), ki so lahko zunajcelični (ekstracelularni) ali znotrajcelični (intracelularni). Nadzor nad procesom izvajajo določene beljakovine, ki lahko »potrdijo« nadaljevanje procesa k izvedbi uničenja celice, lahko pa ga tudi prekinejo. Sledijo katabolne reakcije, ki jih izvajajo posebne proteaze, imenovane kaspaze, od Mg2+ in Ca2+ odvisne endonukleaze ter transglutaminaza, ki navzkrižno povezuje topne citoplazemske beljakovine in citoskeletne beljakovine v kovalentno povezane ovoje, ki razpadejo na apoptotska telesca. Celice v procesu apoptoze in njihovi deli imajo na svoji površini posebne označevalne molekule, ki pospešijo njihov privzem in odstranitev preko sosednjih celic ali fagocitov.Kumar, Cotran, Robbins; Robbins Basic Pathology, 2003, str. 27-8.
Sprožitev apoptoze s signali
Zunajcelični aktivatorji oz. signali so lahko hormoni, rastni dejavniki, dušikov oksid (NO), toksini ali citokini, ki morajo preiti skozi celično membrano (plazmalemo) ali se vezati na membranski receptor za prevajanje signala. Signal lahko sproži apoptozo, kar imenujemo pozitivna indukcija, lahko pa zavira oz. inhibira apoptozo, kar imenujemo negativna indukcija.
Nepopravljive poškodbe DNK ali drugih pomembnih struktur zaradi visoke temperature, radioaktivnosti, visokoenergetskega elektromagnetnega valovanja (ultravijolična svetloba, rentgenski žarki), pomanjkanja hranilnih snovi in hipoksije ter virusna okužba, rakasta transformacija, povečana koncetracija kalcijevih ionov (npr. zaradi poškodbe plazmaleme) in vezava glukokortikoidov na jedrne receptorje lahko sprožijo sprostitev znotrajceličnih aktivatorjev apoptoze.
Ekstrinzična pot signalizacije thumb|right|275px|Mehanizem neposredne indukcije apoptoze s tumorje nekrotizirajočim faktorjem (TNF) thumb|right|275px|Mehanizem neposredne indukcije apoptoze s ligandom Fas (FasL) Zunajcelični aktivatorji, kot so hormoni in rastni faktorji, lahko sprožijo apoptozo. Za neposredno sprožitev pa sta v bistvu odgovorna dva faktorja, in sicer tumorje nekrotizirajoči faktor (TNF) in ligand Fas.
TNF je citokin, ki ga večinoma proizvajajo aktivirani makrofagi. TNF in drugi ligandi smrtnih receptorjev so trimeri oz. so zgrajeni iz treh enakih polipeptidnih verig, zato pride pri vezavi do trimerizacije receptorjev. Večina celic ima dva receptorja za TNF, in sicer TNF-R1 in TNF-R2. Pri vezavi na TNF-R1 pride do aktivacije kaspaz preko posrednih submembranskih beljakovin, imenovanih TNF receptor-asociirana smrtna domena (TRADD) in Fas-asociirana smrtna domena (FADD). Vezava lahko vodi tudi v posredno aktivacijo apoptoze preko aktivacije transkripcijskih faktorjev, udeleženih v celičnem preživetju in vnetnih odgovorih. Slednje pojasnjuje tudi vez med nenormalno proizvodnjo TNF in številnimi boleznimi, še posebej avtoimunimi boleznimi.
Ligand Fas (FasL) se veže na receptor Fas (tudi Apo-1 ali CD95), ki je transmembranska beljakovina in pripadnik družine TNF. Vezava sproži nastanek kompleksa DISC () v katerem so udeleženi FADD, kaspaza-8 in kaspaza-10. Pri nekaterih tipih celic kaspaze-8 neposredno aktivirajo druge kaspaze, v drugih tipih celic pa se sproži izločanje proapoptitičnih beljakovin iz mitohondrijev in aktivacija kaspaz-8 se ojača.
Obstaja tudi apoptotična pot, neodvisna od kaspaz, ki jo uravnava AIF ().
PI 3-kinazna pot in preživetje celice
PI 3-kinazna pot predstavlja eno od glavnih negativnih indukcij apoptoze in je tako pomembna za promoviranje preživetja celice. Pomemben je encim PI 3-kinaza, ki je aktiviran preko tirozin-kinaze ali G-proteina, sklopljenim z membranskim receptorjem. Encim fosforilira fosfatidil 4,5-bifosfat (PIP2) v fosfatidil (3,4,5)-trifosfat (PIP3). Slednji aktivira kinazo akt, ki fosforilira več beljakovin, ki uravnavajo apoptozo. Eden ključnih substratov encima je proapoptotična beljakovina bad. Fosforilacija povzroči nastanek vezavnega mesta za določeni šaperon, ki vzdržuje bad v neaktivni obliki. Podobni mehanizem deaktivacije poteče tudi pri delovanju beljakovin ras, raf, MEK in ERK.Cooper, The Cell: A Molecular Approach, 2007, str. 699.
Intrinzična pot signalizacije Znotrajcelični signali za apoptozo so v bistvu razne poškodbe DNK in drugih celičnih komponent, rakaste transformacije, virusne okužbe in stresne razmere, kot je pomanjkanje hranil in kisika. Tako sta ob poškodbi DNK, npr. zaradi ultravijolične svetlobe, aktivirani beljakovini ATM, ki zazna dvojne prelome, in ATR, ki zazna enojne prelome, pa tudi nepodvojeni del DNK v primeru napake pri podvajanju. Poleg tega, da aktivirata določene kinaze (CHK1 in CHK2), ki fosforilirajo od ciklina odvisne kinaze (Cdk) in s tem preprečijo nadaljevanje celičnega cikla, ATM preko CHK2 stabilizira beljakovino p53, ki v danem primeru deluje kot trankripcijski faktor za proapoptotične beljakovine družine bcl-2, kot sta PUMA in Noxa (p53 sicer navadno deluje kot trankripcijski faktor za beljakovino p21, ki inhibira kompleks Cdk2/ciklin B). Beljakovino p53 lahko tako obravnavamo kot znotrajcelični senzor celičnih poškodb.Wong, Apoptosis, 2003, str. 12.
Vloga kaspaz in pripadnikov bcl-2 družine Ključni izvajalci apoptoze so encimi, kolektivno imenovani kaspaze. Signalne poti aktivirajo t. i. iniciatorske kaspaze, npr. kaspaze-8 in kaspaze-9, ki aktivirajo efektorske kaspaze, npr. kaspaze-3, kaspaze-6 in kaspaze-7. Efektorske kaspaze razgrajujejo preko 100 različnih beljakovin v celici. Ključni substrati kaspaz so zaviralec encima DNaza, ki je ob aktivaciji odgovoren za fragmentacijo DNK, jedrni lamini, katerih razgradnja vodi v fragmentacijo jedra in beljakovine citoskeleta, katerih razgradnja vodi v destabilizacijo celične membrane in fragmentacijo celice.
Osrednjo regulacijsko vlogo v apoptozi imajo pripadniki družine bcl-2. Obstajata dva osnovna tipa beljakovin te družine, in sicer proapoptotične beljakovine (npr. bak in bax), ki neposredno inducirajo apoptozo ob aktivaciji, ter antiapoptotične beljakovine (npr. bcl-2), ki inhibirajo proapoptotične proteine. Po prejetju ugodnega signala določeni pripadniki družine bcl-2 delujejo kot antagonisti na antiapoptotične beljakovine, kar aktivira proapoptotične beljakovine.
Bak in bax tvorita oligomere v zunanju membrani mitohondrija, ki delujejo kot kanali, skozi katere lahko prehajajo snovi, pomembne za proces. Izjemen pomen ima citokrom c, ki je navadno prisoten v medmembranskem prostoru mitohondrija in je vključen v dihalno verigo: citokrom c se veže na Apaf-1 (), na katerega se vežejo tudi kaspaze-9. Skupaj tvorijo t. i. apoptosom, kar je potrebno za aktivacijo kaspaz-9 in s tem za začetek apoptoze. Pri sesalcih poleg citokroma c iz medmembranskega prostora izhajata še dve beljakovini, imenovani Smac/Diablo in Omi/Htr2, ki delujeta kot antagonista inhibitorjev apoptoze (IAP). IAP-ji zavirajo apoptoze preko neposredne inhibicije kaspaz ali pa slednje označijo za ubikvitinacijo in posledično razgradnjo v proteasomih. Z antagoniziranjem delovanja IAP Smac/Diablo in Omi/Htr2 torej promovirata delovanje kaspaz in s tem apoptozo.
Pregled apoptotskih signalnih poti Ker je apoptoza proces, ki praktično vodi v smrt celice, je logično, da obstajajo številne signalne poti z mnogimi komponentami, ki uravnavajo pričetek procesa. Zaradi zapletenosti so vse glavne poti prikazane v spodnjem shematskem pregledu.
center|750px
Faza razgradnje in morfološke spremembe thumb|right|300px|Morfološke spremembe celice med apoptozo. Kromatin v jedru se zgosti in se pomakne na periferijo jedra (piknoza), citoplazma se zgosti, celica se skrči, DNK razpade na koščke in jedrna ovojnica je prekinjena (karioreksa), celica razpade na apoptotska telesca, ki jih odstranijo fagociti. Po aktivaciji začnejo efektorske kaspaze organizirano razgrajevati celične komponente, kar se odraža v zaporedju značilnih morfoloških sprememb: Kromatin v jedru se zgosti in razporedi na periferiji jedra, kar se imenuje piknoza. Citoplazma se zgosti in organeli so razporejeni tesno skupaj. Sočasno z zgornjima spremembama se celica skrči in postane bolj zaokrožena zaradi razgradnje citoskeleta, stiki s sosednjimi celicami so prekinjeni. Jedrna ovojnica postane prekinjena, DNK v jedru pa je razrezana na diskretna kromatinska telesca ali nukleosomalne enote, kar se imenuje karioreksa oz. karioklazija (). Celična membrana se naguba. Sledi razpad celice na številna apoptotska telesca, ki vsebujejo po več jedrnih delcev.
Odstranjevanje ostankov celice opravijo lokalni fagociti, kar se imenuje eferocitoza. Apoptotska telesca izražajo na zunanji (ekstracelularni) strani plazmaleme različne signalne molekule, s katerimi se vežejo na membranske receptorje fagocitov. Le-ti jih prepoznajo in sprožijo proces fagocitoze, brez povzročitve vnetnega odgovora. Pogosta signalna molekula je fosfatidil serin, ki je normalno prisoten na citoplazemski strani plazmaleme;Cooper, The Cell: A Molecular Approach, 2007, str. 690. domnevano je, da molekule fosfatilid serina prenese na zunanjo stran hipotetičen encim, imenovan skramblaza.
Proces apoptoze poteče hitro, zaradi česar je zaznavanje procesa težavno. Med kariorekso je DNK razrezana na koščke različne velikosti, kar pri gelski elektroforezi daje »lestvičast« videz. S pomočjo tega lahko ločimo apoptozo od nekroze, npr. zaradi ishemije ali delovanja toksičnih snovi na celico.
Funkcije Uničenje potencialno škodljivih celic Apoptoza ima izreden pomen pri odstranjevanju celic, ki so poškodovane preko sprejemljivih mej za popravilo, rakasto transformiranih celic in virusno okuženih celic. Odsotnost apoptoze pri odstranjevanju tovrstnih celic vodi v različna obolenja: tako npr. okužbe s papilomavirusi, ki motijo delovanje beljakovine p53, vodijo v nastanek raka materničnega vratu.
Homeostaza Število celic v odraslem organizmu je relativno konstantno zaradi ravnovesja med odmiranjem celic (preko apoptoze) in proliferacije celic. Homeostaza vključuje kompleksne regulacijske poti. Napake v regulacijskih mehanizmov tega ravnovesja lahko privedejo do dveh tipov usodnih motenj: celice lahko nenadzorovano proliferirajo (neoplazija), tj. celice se delijo hitreje kot pa odmirajo, kar vodi do nastanka tumorja; celice se delijo počasneje, kot pa odmirajo, kar vodi v izgubo celic.