| الملخص Abstract |
يتم تنظيم عملية ضبط عدد الخلايا من خلال التحكم بعملية التوازن بين تكاثر الخلايا وموتها. يمكن أن يتضمن موت الخلية الاستماتة والنخر. ويتضمن موت خلية الاستماتة تحطماً مراقباً للخلية وهو يشتمل على خبن (إزالة) الخلية السوية وتجديدها.
وهو نمط من أنماط موت الخلية صُمم للتخلص من خلايا الثوي غير المرغوب بها، وذلك عبر تفعيل سلسلة من الأحداث المبرمجة داخلياً والمنسقة من قبل جينات خاصة. يعد موت الخلية النخري شكلاً مرضياً لموت الخلية ينتج عن تعرض الخلية للأذى، وهو يتصف بانتفاخ الخلية وتمزق الغشاء الخلوي وحدوث الالتهاب.
تشمل التبدلات الشكلية في الخلايا التي تخضع للاستماتة انكماش الخلايا، تكاثف الكروماتين، تشكيل الأجسام الاستماتية والكريات الهيولية وبلعمة الخلايا الاستماتية أو الأجسام، أما التبدلات الكيميائية الحيوية فتشمل انشطار البروتين وتصالبه، تحطم الـ DNA وتعرف الخلايا البالعة على خلية الاستماتة.
|
The control of cell number is regulated by a balance of cell proliferation and cell death. Cell death can involve apoptosis and necrosis. Apoptotic cell death involve controlled cell destruction and is involved in normal cell deletion and renewal. It is designed to eliminate unwanted host cells through activation of a coordinated, internally programmed series of events effected by a dedicated set of gene product. Necrotic cell death is a pathologic form of cell death resulting from cell injury. It is characterized by cell swelling, rupture of cell membrane and inflammation.
Morphologic changes in cells undergoing apoptosis include Cell Shrinkage, Chromatin Condensation, Formation of Cytoplasmic blebs and apoptotic bodies and Phagocytosis of apoptotic cells or bodies. Biochemical alternations include Protein Cleavage, Protein Cross-linking, DNA breakdown and Phagocytic Recognition.
|
| المقدمة Introduction |
|
تعد الاستماتة Apoptosis الخلوية عملية أساسية طبيعية ضرورية لتطور وسلامة العضوية. حيث
تخضع بشكل يومي حوالي 5% من خلايا الجسم إلى عملية الاستماتة، وهي عملية منظمة تحدث استجابة للعديد من المحرضات، وهذا ما يجعل الاستماتة مختلفة عن نوع آخر من موت الخلايا يدعى النخر Necrosis الذي يجري بطريقة عشوائية نتيجة لتأثير عوامل مؤذية معينة تسبب انتباج الخلايا ومكتنفاتها، وتحلل الغشاء الهيولي مبكراً، وتبعثر المكونات الخلوية إلى الوسط المحيط مؤدياً ذلك إلى حدوث الالتهابات والعديد من المشاكل الصحية كالمُوات Gangrene. بالمقابل فإن استماتة الخلايا هي عملية تلعب فيها الخلايا دوراً أساسياً في موتها ولا تؤدي إلى حدوث التهابات، إذ أنها تسمح للخلايا الأخرى بالاستفادة من مكوناتها (1) (الشكل 1).
|
| |
| التعريف والأسباب
Definition and Causes
|
تشتق كلمـة Apoptosis من اللغة اليونانيـة
حيث أن Apo تعني فردي أو ذاتـي، ptosis
وتعني فناء أو استماتة وبالتالي فإن مصطلح موت الاستماتة يعني الموت الذاتي للخلية.
تهدف الاستماتة إلى التخلص من مجموعة من الخلايا غير المرغوب بها من خلال تفعيل سلسلة من العمليات المترابطة بتأثير مجموعة متخصصة من الجينات، وهي تشاهد أثناء التطور والنمو السوي (تشكل الأصابع أثناء نمو الجنين، التخلص من البطانة الداخلية للرحم Endometrium مع بداية الدورة الطمثية، تكون المشابك Synapses بين الخلايا العصبية في الدماغ) ، كآلية للحفاظ على تعداد طبيعي للخلايا في الأنسجة، وكآلية دفاعية (استجابة مناعية)، وعند إصابة الخلايا
بمرض أو عوامل مؤذية Noxious agents، وفي هرم (شيخوخة) الخليةAging (2، 3).
تعد استماتة الخلية كذلك مسؤولة عن مجموعة من التبدلات الحيوية كالاستماتة في الأورام، موت الكريات البيض العدلاتNeutrophils خلال مقاومة الالتهابات الحادة، الاستماتة المحرضة من قبل الخلايا التائية السامة Cytotoxic T cells في الرفض المناعي الخلوي، وأذية الخلايا في أمراض فيروسية معينة كما في التهاب الكبد الفيروسي، والاستماتة التي ينتج عن عوامل الأذى المختلفة التي تكون قادرة على إحداث النخر Necrosis. تحرض عوامل مثل الحرارة والإشعاع والأدوية المضادة للسرطان ونقص الأكسجةHypoxia على الاستماتة عندما يكون الأذى بشكل طفيف، ولكن في حالات
الجرعات العالية من المحرض نفسـه فإن ذلك
يؤدي إلى الاستماتة بالتنخر.
التبدلات الشكلية للخلايا المرافقة لعملية الاستماتة
تترفق عملية الاستماتة مع تبدلات شكلية تستهدف الخلايا الخاضعة للموت المبرمج والتي يمكن إجمالها بالتبدلات التالية (الشكل 2):
1- انكماش الخلية Cell shrinkage: حيث يصغر حجم الخلية وحجم العضيات، وتتكثف الهيولى.
2- تكاثف الكروماتينChromatin condensation : وهي أكثر ما يميز استماتة الخلايا، حيث يتجمع الكروماتين على مساحة واسعة تحت الغشاء النووي بشكل كتل محددة
كثيفة مختلفة الأشكال والأحجام. وقد تنقسم النواة إلى جزئين أو أكثر.
3- تشكل براعم هيولية وأجسام استماتية: تظهر خلية الاستماتة في البداية براعم Blebs على السطح بشكل واضح ثم تتجزأ إلى عدد من أجسام الاستماتة apoptotic bodies؛ والتي تتألف من الهيولى والعضيات صغيرة الحجم وقد تحوي أجزاءً من النواة.
4- بلعمة الخلايا أو أجسام الاستماتةPhagocytosis : وذلك عن طريق الخلايا السليمة المجاورة والبلاعم macrophages. تتحلل أجسام الاستماتة بسرعة داخل الجسيمات الحالة، وتهاجر الخلايا المجاورة أو تتكاثر لتسد الفراغ الناتج عن إزالة الخلايا الاستماتية.
يعتقد أن الغشاء الهيولي يبقى سليماً خلال العملية حتى آخر مرحلة؛ حيث يصبح نفوذه للذوائب المتبقية عشوائياً (2) (الشكل 3).
|
|
| المظاهر الكيميائية الحيويةBiochemical Features |
تبدي الخلايا الاستماتية Apoptotic cells مجموعة مميزة من التبدلات الكيميائية الحيوية تفسر التبدل البنيوي السابق. بعض هذه التبدلات قد تشاهد في الخلايا النخرية Necrotic cells أيضاً، ولكن هنالك بعض التبدلات تكون أكثر نوعية.
ومن التبدلات الكيميائية الحيوية التي تشاهد في الاستماتة:
1- تشطر البروتين Protein Cleavage:
تعد عملية تشـطر البروتيـن من التبـدلات
النوعية للاستماتة، وهي تتضمن تفعيل العديد من الإنزيمات المكتشفة حديثاً من عائلة السيستئين بروتياز Cysteine proteases، والتي تسمى الكاسبازات Caspases.
تتضمن فصيلة إنزيمات الكاسباز ما يزيد على عشر عناصر، يمكن تقسيمها وظيفياً إلى محرضات أو قاتلاتInitiators or execution، وهذا يعتمد على ترتيب تفعيل هذه الإنزيمات قبل الاستماتة النهائية:
- الكاسبازات المحرضة وتتضمن إنزيم الكاسباز التاسع Caspase 9، وإنزيم الكاسباز الثامن .Caspase 8
كالعديد من إنزيمات البروتياز Protease، يتواجد الكاسباز كطلائع إنزيميةZymogens ينبغي أن تمر بسلسلة من عمليات التفعيل حتى تستطيع ابتداء الاستماتة Apoptosis. تملك الكاسباز مواقع انشطار خاصة على سلاسلها، والتي يمكن حلمهتها بالتحفيز الذاتي Autocatalytically أو بوساطة إنزيمات كاسباز أخرى.
- الكاسباز المميتة Execution caspase وهي تمزق الهيكل الخلوي عن طريق شطر وتحطيم البروتينات المشكلة لهيكل النواة والخلية.
إن تخريب الكاسبازات Caspases للبروتينات التي تعطي هيكل النواة والخليـة هو السـبب وراء التبدلات البنيوية (الهيولية والنووية) المميزة التي تشاهد في الخلية الاستماتية Apoptotic cell. تفعل الكاسباز أيضاً إنزيم الأندونكلياز Endonucleases وهو إنزيم يحطم الأحماض النووية الـ DNA والـ RNA في مواقع محددة.
2- تصالب البروتين Protein Cross-Linking:
يؤدي تفعيل إنزيم Trans-glutaminase إلى تصالب البروتين بشكل واسع في الخلية، فتتحول بروتينات الهيولى إلى تكتلات والتي قد تتحول فيما بعد إلى أجسام استماتية Apoptotic Bodies (4).
3- تخرب الـ DNA DNA Breakdown:
تتم العملية السابقة بتأثير إنزيمات الاندونكلياز Endonucleases (5).
4- تعرف الخلايا البالعة على الخلية Phagocytic Recognition
يعتمد التخلص من الخلايا الاستماتية وأجزائها على كونها موسومة بجزيئات معينة توجد على سطح الخلية، مما يسهل اكتشافها المبكر من قبل الخلايا المجاورة والخلايا البالعة. تعد هذه العملية فعالة جداً، إذ أن الخلايا الميتة تختفي دون أن تترك أي أثر أو تظهر أية إشارة لأي التهاب (الشكل 3).
تُظهر الخلية الاستماتية Apoptotic cell الشحم الفسفوري المعروف بالـفسفاتيديل سيرين Phosphatidyl serine على الطبقات الخارجية لغشائها الهيولي.
في آليات أخرى من استماتة الخلية، يظهر البروتين السكري الثرومبوسبوندين Thrombospondin أيضاً على سطوح أجسام الاستماتة برمجياً (6).
تسبق عملية البلعمة بطور القتل Common execution الذي يتكون من استماتة الخلية، ويتم إنجازه غالباً بواسطة إنزيمات الكاسباز Caspase، وهي من إنزيمات البروتياز Protease الحالة للبروتين.
|
| آليات الاستماتة Mechanisms of apoptosis |
تفعل الاستماتة بواسطة إشارات متنوعة محرضة على استماتةdeath-triggering signals ، تتضمن نقص عامل أو هرمون النمو growth factor or hormone، تفاعلات مستقبل – ربيطة ligand-receptor، وعوامل مؤذية نوعية Specific injurious agents.
هناك أيضاً علاقة، وغالباً ما تكون علاقة عكوسة بين نمو الخلايا واستماتتها، وهذا ما يعطي أهمية للاستماتة في تنظيم تعداد الخلايا وكثافتها في نسيج ما لتكون ضمن النطاق الطبيعي، فيمكن القول أن توقف الاستماتة هو الذي يحدد النمو السرطاني. لهذا السبب، تعد آليات الاستماتة محوراً للعديد من الأبحاث.
تعد استماتة الخلية الخطوة الأخيرة بعد عمليات متتابعة من التفاعلات المعتمدة على الطاقة؛ والتي تبتدأ بوساطة عوامل محفزة نوعية. تجري عملية الاستماتة على أربع مراحل منفصلة عن بعضها البعض (7، 8):
1- مسالك الإشارةSignaling pathways
تعمل في هذه المسالك منبهات الاستماتة على إحداث إشارات Signals تنقل إما عبر الغشاء الهيولي إلى الجزيئات المنظمة داخل الخلوية أو أنها تتوجه مباشرة إلى أهداف معينة في الخلية.
توثر الإشارات العابرة للغشاء Trans-membrane signals على الاستماتة بشـكل
إيجابي أو سلبي (إشارات منبهة أو مثبطة).
على سبيل المثال تحدث بعض الهرمونات المحددة وعوامل النمو والسيتوكينات Cytokines سلسلة من عمليات تحويل الطاقة، والتي تنتهي بتثبيط الاستماتة، وبذلك تكون هذه الإشارات أشبه بـمحفزات البقاء Survival stimuli. بالمقابل، فان غياب مثل هذه العوامل يؤدي إلى فشل في عملية تثبيط الاستماتة، وبالتالي تحريض هذه العملية.
من العوامل المنظمة العابرة للغشاء أيضاً تآثرات مستقبل- لجين Receptor-ligand interactions التي تجري على الغشاء الخلوي وتولد إشارات تعمل على تفعيل الاستماتة. من الأمثلة على هذا النوع من التنظيم ارتباط اللجين بمستقبلات نوعية موجودة على الغشاء الهيولي تسمى بـمستقبلات عامل النخر الورمي Tumor necrosis factor receptor (TNFR).
قد تسبب الإشارات داخل الخلوية Intracellular signals أيضاً الاستماتة Apoptosis. تتعدد الأمثلة على هذا النوع من الإشارات مثل ارتباط القشرانيات السكرية Glucocorticoids إلى مستقبلات على سطح النواة، كما أن هنالك عوامل كيميائية فيزيولوجية كالحرارة، الأشعة، نقص الأكسجة Hypoxia والالتهابات الفيروسية.
2- مرحلة التنظيم،
تقدم جزيئات داخل الخلوية دوراً منظماً عن طريق التثبيط أو التنبيه، محددة بذلك النتيجة النهائية. الجزيئات السابقة عبارة عن بروتينات نوعية تصل بين إشارات التموت Death signals وبرنامج التموت. تعد هذه البروتينات هامة لأن نشاطها قد يؤدي إلى إحداث فعل الإشارات القاتلة أو إلى تثبيطها.
عموماً هنالك مسلكان رئيسيان تسير عليهما هذه المرحلة، ولا يشترط أن يتم أحدهما دون الآخر.
- المسلك الأول: يتضمن هذا المسلك النقل المباشر للإشارات بوساطة بروتين ملائم Adapter protein نوعي يقود إلى آليات التموت كما في قتل الخلية الهدف بوساطة الخلايا اللمفاوية التائية السامة Cytotoxic T lymphocyte (9، 10).
- المسلك الثاني: يتضمن هذا المسلك بروتينات من النمط Bcl-2 التي تقدم دوراً رئيسياً في تنظيم الاستماتة (11)، وغالباً ما يكون هذا الدور عن طريق تنظيم وظائف المتقدارت Mitochondria(12).
تستطيع ضواد التموت Death agonists توليد إشارات قادرة على التأثير على المتقدرات بطريقتين:
- تؤدي إشارات الاستماتة إلى تبدل في نفوذية المتقدراتPermeability (13)، حيث يؤدي تشكل بعض المساماتPores على الغشاء الداخلي للمتقدرات إلى انخفاض كمون المتقدرات، كما أنه يؤدي إلى انتباجها.
- تسبب الإشارات أيضاً ازدياداً في نفوذية الغشاء الخارجي للمتقدرات، مما يؤدي إلى تحرر عامل محرض للاستماتة وهو السيتوكروم c "Cytochorme c" من المتقدرات إلى الخلية (14، 15).
يتواجد السيتوكروم c بين الغشاء الداخلي والغشاء الخارجي للمتقدرات، ويسبق تحررها التبدلات البنيوية للاستماتة، مما يدل على أن فعاليتها التنظيمية تبدأ بشكل مبكر.
هناك العديد من البروتينات التي تقوم بتأثير مماثل على نفوذية المتقدرات، ولكن أهم هذه البروتينات هي عناصر المجموعة Bcl-2.
يتوضع البروتين Bcl-2 في الغشاء الخارجي للمتقدرات والشبكة الهيولية الباطنة Endoplasmic reticulum وفي الغلاف النووي أيضاً، ويتم تنظيم عمله بوساطة عناصر أخرى من المجموعة نفسها.
يمكن للبروتينات المرتبطة مثل Bax و Bad عن طريق الارتباط الانتقائي بـ Bcl-2؛ أن تعدل من دور Bcl-2 كتحريض الاستماتة، وقد تلعب دور مثبط للموت المبرمج مثل البروتينات Bcl-XL.
يثبط البروتين Bcl-2 الاستماتة إما بالتأثير المباشر على المتقدرات لمنع ازدياد نفوذيتها، أو بالتأثير عن طريق التفاعل مع بروتينات أخرى. في الواقع يعتقد أن نفوذية المتقدرات يجري تحديدها عن طريق نسبة عناصر المجموعة Bcl-2 المحرضة والمثبطة الموجودة في الغشاء (14، 16).
يعتقد أن البروتين Bax (محرض الاستماتة) يقوم بفتح قنوات في الغشاء الخارجي للمتقدرات مما يسمح للسيتوكروم c بالخروج، بينما يعمل البروتين Bcl-2 على إغلاق مثل هذه القنوات (تثبيط الاستماتة).
يقدم Bcl-2 في خلايا معينة دوراً مثبطاً للموت المبرمج، إذ أنه يلعب دور بروتين مقطع Docking protein، حيث يقوم بربط بروتينات من الهيولى ويعزلها على غشاء المتقدرات. قد يبدل ربط البروتينات هذه من وظيفة Bcl-2 نفسها، أو قد يوجه البروتينات المقطَّعة Docked protein إلى التفاعل مع بروتينات أخرى.
من بين البروتينات الرابطة للـ Bcl-2 هنالك بروتين: العامل المنشط لبروتياز طليعة الاستماتةPro-apoptotic protease activating factor (Apaf-1) (17، 18).
يترافق هذا البروتين مع طلائع إنزيمية غير فعالة Inactive zymogen لبعض إنزيمات الكاسباز المحرضة Initiation caspase. يعتقد بأنه عندما يتحرر السيتوكروم c من المتقدارت بتأثير من إشارات التموتDeath signals فإن السيتوكروم c يرتبط بـ Apaf-1 ويفعله، مما يفعل الكاسباز المحرضة، كما أنه يعلب دوراً في حوادث انحلال البروتين Proteolytic events التي تقتل الخلية. بهذه الطريقة فإن Bcl-2 الرابطة يتم حمايتها لأنها تعزل الـ Apaf-1 وتثبط أثرها المحرض لوظيفة الكاسباز المحرض وحتى لو أن السيتوكروم ارتشح من المتقدرات (الشكل 4).
هناك طريقة أخرى تسلكها الخلايا العصبية وخلايا أخرى في عملية الاستماتة، تختلف هذه الطريقة عن سابقاتها بعدم ظهور أي دور لإنزيمات الكاسباز Caspase، ويجري ذلك عن طريق عامل بدء عملية الاستماتة Apoptosis intiating factor (AIF).
يتواجد البروتين AIF بين الغشائين الداخلي والخارجي للمتقدرات، وعند تلقي الخلية لإشارات منبهة للتموت فإن AIF يرتشح إلى الخلية ويدخل إلى النواة ويرتبط مع الـ DNA، مما يسبب تخربه وبالتالي استماتته.
3- طور التموت Execution Phase:
ذا الطور هو المرحلة النهائية لسلسة من العمليات الحالة للبروتين Proteolytic cascade التي تؤدي إلى زيادة الإشارات (المنبهات) المختلفة والعمليات المنظمة والتقائها سوية. وعلى الرغم من التنوع الكبير في هذه المرحلة إلا أن هنالك بعض المظاهر العامة فيها تظهر في أشكال الاستماتة Apoptosis (19، 20). يعتمد انجاز الطور السابق على فعل إنزيمات الكاسباز. في المرحلة النهائية تجري بلعمة الخلايا الاستماتية من قبل البلاعم.
تصادف استماتة الخلايا في حالات امراضية عديدة كالإصابة بالايدز، كما أنها حادثة تصادف في المملكة النباتية كما هو الحال عند الإنسان.
|
| المراجع References |
1-www.sgul.ac.uk
2-Wyllie A.H.
Apoptosis an overview.
Br Med Bull; 53: 451, 1997.
3-Jacobson M.D. et al.
Programmed cell death in animal development.
Cell; 88: 347, 1997.
4-Nemes Z. et al.
Expression and activation of tissue transglutaminase in apoptotic cells of involuting rodent mammary tissue.
Eur. J Cell Bio; 170: 125, 1996.
5-Bortner C.D. et al.
The role of DNA fragmentation in apoptosis.
Trends Cell Biol; 5: 21, 1995.
6-Savill J.
Recognition and phagocytosis of cells undergoing apoptosis.
Br Med Bull; 53: 491, 1997.
7-Nagata S.
Apoptosis by death factor.
Cell; 88: 355, 1997.
8-Raff M.C.
Social controls on cell survival and cell death.
Nature; 356: 396, 1992.
9-Nagata S. and Golstein P.
The Fas death factor.
Science; 267: 1449, 1995.
10-Darmon A.J.
Activation of the apoptotic protease CPP32 by cytotoxic T-cell-derived granzyme
B. Nature; 377: 446, 1995.
11-Yang E. and Korsmeyer S.J.
Molecular thanatopsis: a discourse on the Bcl-2 family and cell death.
Blood; 88: 386, 1996.
12-Reed J.C.
Double identity for proteins of the Bcl-2 family.
Nature; 387: 737, 1997.
13-Pastorino J.G. et al.
The over expression Bax produces cell death upon the induction of the mitochondria1 permeability transition.
J. Biol Chem; 273: 7770, 1998.
14-Reed J.C.
Cytochrom c: can't live with it-can't live without it.
Cell; 91:559, 1997.
15- Hengartner M.O.
Death cycle and swiss army knives.
Nature; 391; 441, 1998.
16-Yang E. and Korsmeyer S.J.
Molecular thanatopsis: a discourse on the Bcl-2 family and cell death.
Blood; 88:386, 1996.
17-Li P. et al.
Cytochrome c and dATP-dependent formation of Apaf-1/ caspase-9 complex initiates an apoptotic protease cascade.
Cell; 91: 479, 1997.
18-Vaux D.L.
CED4-the third horseman of apoptosis.
Cell; 90:389, 1997.
19-Hengartner M.O.
Death cycle and swiss army knives.
Nature; 391; 441, 1998.
20-Hengartner M.O. and Horvitz H.R.
Programmed cell death in Caenorhabditis elegans.
Curr Opin Genet De; 4:581, 1994.
|
| |
