Programlanmış hücre ölüm süreci (apoptoz), belirginn morfolojik (şekilsel) özelliklerle ve enerjiye bağımlı biyokimyasal mekanizmalarla tanımlanır. Apoptoz; normal hücre geri dönüşümü, normal gelişim ve bağışıklık sisteminin işlevi de dahil olmak üzere çok sayıda süreç için hayati bir bileşen olarak değerlendirilir. Az miktarda ya da çok fazla miktarda apoptoz; nörodejeneratif hastalıklar, iskemik hasar, otoimmün hastalıklar ve kanser gibi hastalıklarda ortaya çıkan bir faktördür. Bir hücrenin yaşamını ya da ölümünü kontrol edebilme yeteneği, potansiyel olarak hastalıkler için bir tedavi stratejisi olabilir. Bu nedenle, hücre döngüsünü kontrol eden mekanizmaları aydınlatmak üzere yapılan araştırmalar devam etmektedir.
Apoptoz terimi ilk defa 1972 yılında, Kerr, Wyllie ve Currie tarafından yayınlanan bir makalede kullanıldı. Memeli hücrelerindeki apoptoz mekanizması, Caenorhabditis elegans adlı bir nematodun gelişiminde programlı hücre ölümünün araştırılmasının ardından keşfedilmiştir. Bu organizmadaki 131 hücre gelişimin farklı evrelerinde ölmüştür. Bu gözlemden sonra apoptoz, hücrelerin elenmesinin genetik olarak tanımlanmasıyla ilişkili programlanmış hücre ölümü olarak tanımlandı. Ayrıca, başka tür programlanmış hücre ölümleri de tanımlandı ve gelecekte diğer tür programlanmış hücre ölümleri de tanımlanabilir.
Apoptoz, normalde gelişme ve yaşlanma sırasında meydana gelir ve bir dokudaki hücre miktarını dengeleyen bir mekanizmadır. Apoptoz ayrıca, bağışıklık sistemi reaksiyonları ya da hücreler hasara uğradığında ortaya çıkan bir savunma mekanizmasıdır. Apoptozu tetikleyen çok sayıda patolojik ve fizyolojik uyaranın mevcut olmasına rağmen, tüm hücrelerde aynı uyaran tarafından apoptoz tetiklenmez. Örneğin; kortikostreroid hormonları timositler gibi bazı hücrelerde apoptoza yol açsa da, diğer hücreler etkilenmemiş olarak kalır.
Bazı hücreler, sinyal molekülünün bağlanmasıyla apoptoza neden olan Fas ya da TNF reseptörlerini üretir. Diğer hücreler de, bir hormon ya da büyüme faktörüyle bloke edilebilen ölüm yolağı içerir. Nekrozun apoptozdan farkı, nekroz olayının bağımsız ve kendiliğinden gerçekleşmesidir. Bazı durumlarda bir uyaran türü, hücrenin apoptozla mı yoksa nekrozla mı öleceğini belirler. Düşük dozlarda ısı, radyasyon, oksijen azlığı ve sitotoksik antikanser ilaçlar gibi uyaranlar apoptozu teşvik edebilir. Fakat bu uyaranların yüksek dozları hücrenin nekroz ile ölmesine yol açar. Apoptoz; kaspaz isimli bir grup sistein proteaz enziminin aktivasyonunu içeren enerji bağımlı bir süreçtir ve bu enzimlerin tetiklediği olayla hücrenin ölümüyle sonuçlanır.
Apoptozun Morfolojisi
Işık ve elektron mikroskopları, apoptoz sırasında meydana gelen çeşitli morfolojik değişiklikleri tespit etti. Apoptozun erken evresinde, hücrenin küçülmesi ve piknoz ışık mikroskobu tarafından görülebilir. Hücrenin küçülmesiyle, sitoplazma yoğunlaşır ve organeller daha sıkı paketlenir. Piknoz kromatin yoğunlaşmasının bir sonucudur ve apoptozun en önemli belirtisidir. Hematoksilin ve eosin boyalarıyla yapılan histolojik değerlendirmede; apoptozun hücrelerin küçük bir grubuyla ilişkili olduğu görüldü. Apoptotik hücre yuvarlak ya da oval şekilde ve koyu renkli bir sitoplazma ile görülür. Yoğunlaşmış, mor renkli kromatin fragmentleri içerir. Elektron mikroskobu hücre içerisindeki değişiklikleri daha iyi tanımlar.
Hücre zarı kabarcık oluşturur ve hücre parçaları zardan tomurcuklanarak ayrılır. Ayrılan parçalar sitoplazmayı ve organelleri içerir. Bu parçalar; makrofajlar, parenkimal hücreler ya da neoplastik hücreler tarafından parçalanır. Makrofajlar (bağışıklık sistemi hücreleri) apoptotik hücreleri sindirirler ve vücutta genelde lenf bezlerinde bulunurlar. Bu olay bağışıklık sistemi cevabını ve apoptotik hücrenin ortadan kaldırılmasını zorunlu kılmaz. Çünkü; hücre içeriğini çevresindeki dokuya salmaz.
Apoptozun Nekrozdan Farkı
Apoptotik hücre ölümünün alternatifi; enerji gerektirmeyen ve toksik bir süreç olan nekrozdur. Apoptoz sırasında hücre küçülmesi olurken; nekrozda hücre şişmesi meydana gelir. Nekroz, hücre zarının hasar görmesi sonucu ortaya çıkar.
Nekroz sırasında görülen morfolojik değişiklikler; hücrenin şişmesi, sitoplazmik vakuollerin oluşması, şişmiş endoplazmik retikulum, sitoplazmik baloncukların oluşumu, parçalanmış mitokondri ve en sonunda hücre zarının parçalanmasıdır. Hücre zarının bütünlüğünün kaybı hücre içeriğinin çevre dokuya yayılmasına neden olaur. Bunun sonucunla bağışıklık sistemi hücreleri aktive olur. Örneğin; dokudaki yaralanma ya da darbe hücrelerin genellikle nekroz ile ölmesiyle sonuçlanır.
Apoptozun Mekanizması
Apoptozun mekanizması oldukça karmaşıktır ve enerjiye bağımlı moleküler olayları içerir. Günümüze kadar yapılan çalışmalar, iki ana apoptotik yolağı belirledi. Bu yolaklar; dışsal ya da ölüm reseptörü yolağı ve içsel ya da mitokondriyal yolaktır. Ancak bu iki yolağın da bağlantılı olduğu kanıtlandı. Ayrıca, T hücresinin aracılık ettiği sitotoksisite ve perforin-granzim bağımlı hücre ölümü yolakları da vardır. Perforin-granzim yolağı apoptozu, granzim A ya da granzim B yoluyla uyarır. Dışsal, içsel ve granzim B yolakları örtüşür. Yolak kaspaz-3 enzimin kırpılmasıyla başlar ve DNA’nın parçalara ayrılması, hücre iskeletindeki proteinlerin parçalanması, apoptotik baloncukların oluşması, fagositik hücreler (makrofajlar) için sinyal moleküllerinin sentezlenmesi ve en sonunda fagositik hücreler tarafından hücrenin sindirilmesiyle sonuçlanır. Granzim A yolağı da parelel bir yolağı kaspaz enzimlerinden bağımsız olarak ve tek zincirdeki DNA hasarıyla aktive eder.
Apoptotik hücreler; protein kırpılması, protein çapraz bağlanması, DNA yıkılması ve fagositik tanınma gibi birkaç biyokimyal değişiklik gösterir. Kaspazlar çoğu hücrede aktif olmayan enzim öncülleri olarak sentezlenirler ve kaspazlardan biri aktive olursa başka bir kaspazı da aktifleştirir. Buna kaspaz kaskadı denir. Kaspazlar da aktifleştiklerinde hızla hücre içerisindeki proteinleri parçalamaya başlarlar.
Dışsal Yolak
Dışsal sinyal yolağı, apoptozu hücre zarındaki bir reseptör aracılığıyla başlatır. Bu reseptörleri, tümör nekroz faktörü (TNF) genleri kodlar. Bunun dışında diğer sinyaller ve apoptoz reseptörleri; FasL/FasR, TNF-alfa/TNFR1, Apo3L/DR3, Apo2L/DR4 ve Apo2L/DR5’tir.
Fas sinyal molekülü Fas reseptörüne bağlandığında, hücre içerisindeki FADD proteini de Fas reseptörüne bağlanır. TNF sinyal molekülü TNF reseptörüne bağlandığında ise, TNF reseptörüne TRADD proteini bağlanır. FADD proteini de bu aşamadan sonra kaspaz enzimini aktive ederek apoptozu başlatır. Eğer FADD proteinine, c-FLIP adlı bir protein bağlanırsa apoptoz baskılanır.
Perforin/Granzim Yolağı
Sitotoksik T lenfosit hücreleri hedefledikleri hücreleri dışsal yolak yoluyla öldürebilirler. Ayrıca bu hücreler sitotoksik etkilerini tümör hücreleri ve virüslerin enfekte ettiği hücreler üzerinde de kullanabilir. Bunu hedef hücreye karşı, içerisinde perforin bulunan sitoplazmik granüller sentezleyerek yapar. Bu granüllerin en önemli bileşenleri; granzim A ve granzim B serin proteazlarıdır. Granzim A DNA’nın parçalanmasını teşvik ederek, granzim B ise kaspazları aktifleştirerek apoptozu başlatır.
İçsel Yolak
İçsel yolak reseptör uyarılmasıyla ilgili değildir ve mitokondride başlar. Bazı büyüme faktörlerinin, hormonların, sitokinlerin eksikliği, toksinler, oksijen azlığı, viral enfeksiyonlar gibi negatif faktörler içsel yolak yoluyla apoptoza yol açar.
Negatif uyaranlar içsel mitokondri zarında değişikliğe ve zarda bir deliğin açılmasına neden olur. Bu delikten; sitokrom C, Smac/DIABLO ve serin proteaz HtrA2/Omi gibi apoptoz ile ilgili proteinler hücre içerisine salınır. Sitokrom c kaspazlara bağlanır ve Apaf-1 proteinini aktifleştirir.
Bcl-2 protein ailesi de apoptoza yol açan mitokondri olaylarını kontrol eder. Bu proteinler, mitokondrinin zar geçirgenliğini değiştirerek apoptozu başlatan sitokrom c’nin salınmasını sağlar.
Patolojik Apoptoz
Hücre ölümünün düzenlenmesindeki anormaliler; kanserin, otoimmün hastalıkların, AIDS’in, iskeminin ve Parkinson, Alzheimer, Huntington ve ALS gibi nörodejeneratif hastalıkların önemli bir nedeni olabilir.
Kanser; apoptozun yeterli miktarda olmadığı ve hücrelerin bu nedenle aşırı çoğaldığı duruma bir örnektir. Kanserleşme sırasında apoptozun baskılanmasının, kanserin ilerlemesinde anahtar rolü olduğu düşünülüyor. Tümör hücrelerinin apoptozu baskıladığı çeşitli moleküler mekanizmalar mevcuttur.
Normalde bağışıklık sistemi hücreleri, perforin/granzim B yolağıyla tümör hücrelerini öldürür. Fakat bazı tümör hücreleri, FAS reseptörlerini az miktarda sentezleyerek ya da fonksiyonu bozulmuş FAS reseptörleri sentezleyerek bağışıklık sisteminden kaçar.
Normal koşullarda hücrede, p53 geninin kodladığı protein DNA’da bir hasar olduğunda hücre döngüsünü durdurur. Eğer hasar onarılamazsa, p53 proteini hücrenin apoptoza gitmesini sağlar. Eğer p53 geninde radyasyon, çeşitli kimyasallar gibi yollarla mutasyon ortaya çıkarsa, p53 proteini sentezlenemediği için DNA’da hasar olmasına rağmen hücre çoğalabilir. Apoptoz olmadan çoğalan DNA’sı hasarlı hücreler de tümör dokusunu oluşturur.
Kalp ve beyin iskemisinde de dokuya yeterli miktarda besin ve oksijen gitmediği için dokularda fazla miktarda apoptoz olur. Bu da apoptoz miktarının fazla olduğu patolojik duruma bir örnektir.
Günümüzde apoptoza neden olan moleküler mekanizmaların hepsi tam olarak bilinmemektedir. Gelecek çalışmalarda, apoptoz mekanizmalarının baskılanması ya da teşvik edilmesiyle, apoptoz dengesinin bozulduğu hastalıkların tedavisi sağlanabilir.
Kaynakça:
Elmore. Apoptosis: A Review of Programmed Cell Death. Toxicol Pathol. 2007 ; 35(4): 495-516.
Yazar: Ayça Olcay