เมนูนำทาง
อะพอพโทซิส
กระบวนการอะพอพโทซิสถูกควบคุมโดยการส่งสัญญาณของเซลล์ (cell signalling) หลากหลายชนิดซึ่งอาจเริ่มต้นจากภายนอกเซลล์ (extrinsic inducers) หรือภายในเซลล์ (intrinsic inducers) สัญญาณจากภายนอกเซลล์ ได้แก่ ชีวพิษ (toxin) [6], ฮอร์โมน, โกรท แฟคเตอร์ (growth factor) , ไนตริกออกไซด์ (nitric oxide) [7] หรือไซโตไคน์ (cytokine) ซึ่งอาจเข้ามาภายในเซลล์ผ่านพลาสมาเมมเบรนหรือผ่านตัวแปรสัญญาณ (signal transduction) เพื่อทำให้เกิดการตอบสนอง สัญญาณที่เข้ามานั้นอาจกระตุ้นหรือยับยั้งอะพอพโทซิสก็ได้
สัญญาณอะพอพโทซิสจากภายในเซลล์เป็นการตอบสนองของเซลล์ต่อภาวะกดดัน (stress) ต่างๆ และมักจะส่งผลสุดท้ายก่อให้เกิดการ "ฆ่าตัวตาย" ของเซลล์ การจับกับตัวรับ (receptor) ของนิวเคลียสของกลูโคคอร์ติคอยด์ (glucocorticoid) , ความร้อน, รังสี, การขาดสารอาหาร, การติดเชื้อไวรัส, และภาวะเลือดมีออกซิเจนน้อย (hypoxia) ทั้งหมดเป็นปัจจัยที่นำไปสู่การปล่อยสัญญาณอะพอพโทซิสภายในเซลล์จากเซลล์ที่เสียหาย[5] องค์ประกอบภายในเซลล์จำนวนมาก เช่น poly ADP ribose polymerase สามารถช่วยควบคุมกระบวนการอะพอพโทซิสได้[8]
ก่อนที่กระบวนการตายของเซลล์จะเกิดขึ้นโดยเอนไซม์ สัญญาณอะพอพโทซิสจะต้องเชื่อมกับวิถีการตาย (actual death pathway) โดยกระบวนการของโปรตีนตัวควบคุม (regulatory proteins) ขั้นตอนนี้จะทำให้สัญญาณอะพอพโทซิสนั้นชักนำให้เซลล์นั้นเข้าสู่กระบวนการอะพอพโทซิส หรือสัญญาณนั้นถูกทำลายและเซลล์ไม่ต้องตายก็ได้ กระบวนการดังกล่าวมีโปรตีนหลายตัวที่มีส่วนเกี่ยวข้อง ซึ่งสรุปได้ว่ามี 2 วิธีหลักๆ ที่ทำหน้าที่ควบคุม คือวิถีที่ควบคุมโดยไมโทคอนเดรีย (targeting mitochondria functionality) และการแปรสัญญาณโดยตรงผ่านโปรตีนตัวปรับ (adapter proteins) ไปยังกลไกอะพอพโทซิส กระบวนการเตรียมการทั้งหมดต่างต้องการพลังงานและการทำงานของเซลล์
ไมโทคอนเดรีย (mitochondria) เป็นออร์แกเนลล์ที่จำเป็นสำหรับสิ่งมีชีวิตหลายเซลล์ หากเซลล์ไม่มีไมโทคอนเดรียเซลล์นั้นจะหยุดการหายใจแบบใช้ออกซิเจนและตายอย่างรวดเร็ว ซึ่งนั่นเป็นหนึ่งในวิถีชักนำการตายของกระบวนการอะพอพโทซิส โปรตีนที่เกี่ยวข้องกับอะพอพโทซิสซึ่งมีเป้าหมายที่ไมโทคอนเดรียจะเข้าไปมีผลในหลากหลายทาง เช่น การทำให้ไมโทคอนเดรียบวมโดยการเจาะรูบนผิวเมมเบรน หรืออาจเพิ่มสภาพซึมผ่าน (permeability) ของเยื่อหุ้มไมโทคอนเดรียซึ่งทำให้สารควบคุมกระบวนการอะพอพโทซิสรั่วออกมา[5] นอกจากนี้ยังพบหลักฐานบ่งชี้ว่าไนตริกออกไซด์ (NO) ยังมีส่วนชักนำอะพอพโทซิสโดยการลดศักย์เยื่อเซลล์ (membrane potential) ของไมโทคอนเดรียและเพิ่มสภาพซึมผ่านของเยื่อหุ้มไมโทคอนเดรีย[7]
หลังจากที่สภาพซึมผ่านของเยื่อไมโทคอนเดรียเพิ่มขึ้น โปรตีนของไมโทคอนเดรียชื่อว่า SMACs (second mitochondria-derived activator of caspases) จะถูกปล่อยออกมายังสารน้ำในเซลล์ (cytosol) SMAC จะจับและลดการทำงานของโปรตีนต้านการอะพอพโทซิส (IAPs - inhibitor of apoptosis proteins) ซึ่งทำให้โปรตีน IAPs ไม่สามารถไปหยุดกระบวนการอะพอพโทซิส และทำให้กระบวนการนี้ดำเนินต่อไปได้ โดยปกติแล้ว IAP จะทำหน้าที่กดการทำงานของกลุ่มเอนไซม์ซิสเตอีน โปรตีเอส (cysteine protease) ที่ชื่อว่า แคสเปส (caspases) [9] ซึ่งเป็นเอนไซม์ที่ทำหน้าที่ทำให้เซลล์เสื่อมสภาพ จะเห็นว่าการทำงานของเอนไซม์แคสเปสนั้นถูกควบคุมทางอ้อมจากสภาพซึมผ่านของไมโทคอนเดรีย
ไซโตโครม ซี (Cytochrome c) ก็เป็นอีกตัวหนึ่งที่ถูกปล่อยออกมาจากไมโทคอนเดรียจากการสร้างช่องว่างที่ชื่อ MAC ของเยื่อหุ้มชั้นนอกของไมโทคอนเดรีย[10] และทำหน้าที่เป็นโปรตีนควบคุมเพราะมันจะเปลี่ยนรูปร่างก่อนที่จะเกิดกระบวนการอะพอพโทซิส[5] เมื่อไซโตโครม ซี ถูกปล่อยออกมาจะเข้าจับกับโปรตีน Apaf-1 และ ATP และจับกับ โปรแคสเปส-9 (pro-caspase-9) กลายเป็นโครงสร้างเชิงซ้อนที่เรียกว่าอะพอพโทโซม (apoptosome) อะพอพโทโซมจะย่อยโปรแคสเปสไปเป็นเอนไซม์รูปที่ทำงานได้คือ แคสเปส-9 (caspase-9) ซึ่งจะกระตุ้นการทำงานของแคสเปส-3 (caspase-3)
การแสดงออกของโปรตีน MAC ถูกควบคุมโดยโปรตีนหลายตัว เช่นยีน Bcl-2 ซึ่งเป็นกลุ่มยีนต้านอะพอพโทซิสซึ่งถูกถอดรหัสในสัตว์เลี้ยงลูกด้วยน้ำนม ซึ่งมีต้นกำเนิดเหมือน (homolog) กับยีน ced-9 ซึ่งพบในC. elegans.[11][12] โปรตีน Bcl-2 สามารถทำหน้าที่ส่งเสริมหรือยับยั้งอะพอพโทซิสจากการควบคุมโดยตรงผ่าน MAC หรือทางอ้อมผ่านทางโปรตีนอื่นๆ น่าสนใจว่าการทำงานของโปรตีน Bcl-2 บางชนิดสามารถหยุดกระบวนการอะพอพโทซิสแม้ว่าไซโตโครม ซี จะถูกปล่อยออกจากไมโทคอนเดรียแล้วก็ตาม[5]
ตัวอย่างที่สำคัญของการริเริ่มกลไกอะพอพโทซิสโดยตรงในสัตว์เลี้ยงลูกด้วยน้ำนมได้แก่โมเดลของการชักนำโดย TNF (tumour necrosis factor) และโมเดลที่ควบคุมโดย Fas-Fas ligand ตัวแบบทั้งสองเกี่ยวข้องกับตัวรับในกลุ่ม TNF receptor (TNFR) family[13] ที่จับกับสัญญาณจากภายนอกเซลล์
TNF เป็นไซโตไคน์ที่ถูกสร้างขึ้นมาจากเซลล์แมคโครฟาจที่ถูกกระตุ้น (activated macrophage) และนับเป็นสัญญาณภายนอกเซลล์หลักที่ควบคุมกระบวนการอะพอพโทซิส เซลล์ส่วนใหญ่ในร่างกายมนุษย์มีตัวรับ 2 ชนิดที่ใช้จับกับ TNF ได้แก่ TNF-R1 และ TNF-R2 การจับกันระหว่าง TNF และ TNF-R1 จะริเริ่มวิถีซึ่งนำไปสู่การกระตุ้นแคสเปสโดยผ่านโปรตีนตัวกลางบนเมมเบรนชื่อว่า TNF receptor-associated death domain (TRADD) และ Fas-associated death domain protein (FADD) [14] นอกจากนี้การจับกับตัวรับชนิดนี้ยังทำให้เกิดการกระตุ้น transcription factor ที่เกี่ยวข้องกับการอยู่รอดของเซลล์และการตอบสนองโดยการอักเสบ[15] ความเชื่อมโยงระหว่าง TNF และกระบวนการอะพอพโทซิสแสดงให้ทราบว่าเพราะเหตุใดความผิดปกติในการผลิต TNF จึงมีบทบาทหลักที่ทำให้เกิดโรคจำนวนมากในมนุษย์ โดยเฉพาะกลุ่มโรคภูมิคุ้มกันต่อต้านตนเอง (autoimmune disease)
ตัวรับ Fas (Fas receptor หรือ Apo-1 หรือ CD95) จับกับ Fas ligand (FasL) ซึ่งเป็นโปรตีนที่แทรกทะลุผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ (transmembrane protein) ตัวหนึ่งในกลุ่ม TNF family[13] อันตรกิริยาระหว่าง Fas และ FasL ทำให้เกิดเป็นโครงสร้างเชิงซ้อนชื่อว่า death-inducing signaling complex (DISC) ซึ่งประกอบด้วย FADD, แคสเปส-8, และแคสเปส-10 ในเซลล์บางชนิด (ที่เรียกว่า type I) แคสเปส-8 จะเข้าไปกระตุ้นเอนไซม์ชนิดอื่นๆ ที่อยู่ในกลุ่มแคสเปส และเหนี่ยวนำให้เกิดกระบวนการอะพอพโทซิส ส่วนในเซลล์อีกชนิดหนึ่ง (เรียกว่า type II) Fas-DISC จะมีกลไกย้อนกลับซึ่งทำให้เกิดการปล่อยแฟคเตอร์ที่กระตุ้นอะพอพโทซิส (pro-apoptotic factors) จากไมโทคอนเดรียและเพิ่มการกระตุ้นแคสเปส-8 มากขึ้น[16]
หลังจากการเหนี่ยวนำกระบวนการอะพอพโทซิสโดยการกระตุ้น TNF-R1 และ Fas ในเซลล์ของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยน้ำนมแล้ว จะเกิดการเพิ่มจำนวนของยีนกระตุ้นอะพอพโทซิส (BAX,[17] BID, BAK, หรือ BAD) และลดจำนวนยีนต้านอะพอพโทซิส (Bcl-Xl และ Bcl-2) ซึ่งยีนทั้งสองกลุ่มต่างเป็นสมาชิกในกลุ่มยีน Bcl-2 family โฮโมไดเมอร์ (homodimer) ของโปรตีนกระตุ้นอะพอพโทซิสจะทำให้เยื่อหุ้มไมโทคอนเดรียมีความซึมผ่านเพื่อให้เกิดการปล่อยสารที่กระตุ้นเอนไซม์แคสเปสเช่นไซโตโครม ซี และ SMAC ออกมาจากไมโทคอนเดรียซึ่งเป็นการกระตุ้นวิถีที่ควบคุมโดยไมโทคอนเดรียอีกทางหนึ่ง ในปัจจุบันกลไกการควบคุมโปรตีนกระตุ้นอะพอพโทซิสในสภาวะปกติของเซลล์ยังไม่เข้าใจแน่ชัด แต่มีการค้นพบว่าโปรตีนที่อยู่ที่เมมเบรนชั้นนอกของไมโทคอนเดรียชื่อ VDAC2 จะทำหน้าที่ควบคุมและยับยั้ง BAK ซึ่งเป็นตัวการที่ทำให้เกิดอะพอพโทซิสที่สำคัญ[18] เมื่อเซลล์ได้รับสัญญาณกระตุ้นการตาย ผลผลิตจากการกระตุ้นเอนไซม์แคสเปสจะเข้ามาแทนที่ VDAC2 และทำให้ BAK อยู่ในสภาวะที่ทำงานได้
นอกจากนี้ยังมีการค้นพบวิถีการอะพอพโทซิสโดยไม่ต้องอาศัยเอนไซม์แคสเปส ซึ่งถูกควบคุมโดยแฟคเตอร์ชักนำอะพอพโทซิส AIF (apoptosis-inducing factor).[19]
แม้ว่าจะมีกระบวนการและสารสื่อสัญญาณหลากหลายที่ชักนำให้เกิดกระบวนการอะพอพโทซิส สุดท้ายกระบวนการทั้งหมดจะมารวมกันที่กลไกนี้ซึ่งทำให้เซลล์ตายอย่างแท้จริง หลังจากเซลล์ได้รับสิ่งเร้าที่เหมาะสมและผ่านการควบคุมอย่างมากมายแล้วเซลล์จะมีกระบวนการสลายออร์แกเนลล์ภายในเซลล์โดยการกระตุ้นเอนไซม์แคสเปสที่ทำหน้าที่สลายโปรตีน (proteolytic caspase) ซึ่งจะมีลักษณะรูปร่างที่จำเพาะซึ่งสามารถมองเห็นได้ภายใต้กล้องจุลทรรศน์ดังนี้
กระบวนการอะพอพโทซิสจะเกิดขึ้นอย่างรวดเร็วมากและเศษซากจากกระบวนการดังกล่าวจะถูกกำจัดออกไปอย่างรวดเร็ว ทำให้อาจตรวจพบหรือมองเห็นได้ยาก ในกระบวนการที่นิวเคลียสแตกเป็นท่อนๆ หรือ karyorrhexis เอนไซม์เอนโดนิวคลีเอส (endonuclease) จะย่อยดีเอ็นเอออกเป็นท่อนสั้นๆ ซึ่งมีขนาดแตกต่างกันเป็นจำนวนเท่า ซึ่งทำให้เมื่อนำมาทำกระบวนการอิเล็กโตรโฟรีซิส (electrophoresis) หรือการแยกสารชีวโมเลกุลด้วยไฟฟ้าจะทำให้เห็นลักษณะเป็นขั้นบันได ("laddered" appearance) บนวุ้น (agar) ลักษณะของ DNA laddering ดังกล่าวช่วยจำแนกการตายของเซลล์แบบอะพอพโทซิสออกจากการตายจากการขาดเลือดเฉพาะที่ (ischemic) หรือจากสารชีวพิษ[22]
เซลล์ที่ตายจากกระบวนการอะพอพโทซิสในขั้นตอนสุดท้ายจะมีการนำเสนอโมเลกุลบนพื้นผิวเพื่อเป็นเครื่องหมายเรียกให้เซลล์เพื่อนบ้านมาช่วยเก็บกิน เช่น ฟอสฟาทิดิลซีรีน (phosphatidylserine) [23] ฟอสฟาทิดิลซีรีนโดยสภาวะปกติแล้วจะอยู่ที่เยื่อหุ้มเซลล์ด้านใน แต่ระหว่างการอะพอพโทซิสจะถูกย้ายออกมาอยู่ด้านนอกโดยเชื่อว่าเกิดจากโปรตีนชื่อ สแครมเบลส (scramblase) [24] โมเลกุลที่เป็นเครื่องหมายดังกล่าวจะส่งสัญญาณเรียกเซลล์ข้างเคียงที่มีตัวรับที่เหมาะสม เช่น แมคโครฟาจ (macrophage) เข้ามาเกิดการกลืนกินของเซลล์[25] หลังจากเซลล์ข้างเคียงถูกกระตุ้นและรับรู้แล้ว เซลล์กลืนกิน (phagocyte) จะจัดเรียงไซโตสเกเลตอนใหม่เพื่อโอบกินเซลล์ตาย การกำจัดเศษซากเซลล์ที่ตายโดยเซลล์กลืนกินจะไม่ก่อให้เกิดกระบวนการอักเสบ
เมนูนำทาง
อะพอพโทซิสใกล้เคียง
แหล่งที่มา
WikiPedia: อะพอพโทซิส