Widok Rola wapnia w apoptozie.

K

osm os

PROBLEMY NAUKTIlÓLOGICZNYCH

Ew a Si k o r a

Zakład Biochemii Komórki

Instytut Biologii Doświadczalnej im M. Nenckiego, PAN Pasteura 3, 02-093 Warszawa

E-mail: esik@nencki.gov.pl

ROLA WAPNIA W APOPTOZIE

CYTOTOKSYCZNOŚĆ WAPNIA Rola wapnia jako wewnątrzkomórkowego

regulatora wielu procesów fizjologicznych jest od dawna dobrze znana. W ciągu ostatnich lat wzrósł również znacząco zasób wiedzy na te­ mat udziału Ca w procesach patologicznych. Naruszenie mechanizmów odpowiedzialnych za wewnątrzkomórkową homeostazę Ca pro­ wadzi do nieodwracalnych uszkodzeń komórki

(NlKOTERA i współaut. 1992). Wzrost wewnątrz­

komórkowego stężenia wapnia obserwuje się, na przykład, w neurotoksycznym działaniu metali ciężkich, jak ołów i rtęć, a także jako na­ stępstwo niedokrwienia (ischemii) (KOMULA-

INEN i Bondy 198 8). Cytotoksycznemu działa­

niu aminokwasów, jak glutaminian i jego ago- nista kwas kainowy, na komórki nerwowe rów­ nież towarzyszy wzrost wewnątrzkomórkowego Ca + ( G e r l a c h i współaut. 199 6). Reperfuzja następująca po stanie niedokrwienia powoduje uszkodzenia serca, w wyniku wzmożonej pro­ dukcji wolnych rodników tlenowych i wzrostu stężenia Ca + (JOSEPHON i współaut. 1991). Akumulacja wewnątrzkomórkowego wapnia

m a również swój udział w hepatotoksyczności i nefrotoksyczności spowodowanej różnym i czynnikami (NlKOTERA i współaut. 199 2, V a -

MVAKAS i współaut. 1 99 0). Rosnąca liczba do­ w odów wskazuje na udział Ca w śm ierci k o­ mórek układu odpornościowego (NlKOTERA i

współaut. 1992, McCONKEY i ORRENIUS 1996,

ANDJELIC i współaut. 199 7).

Poziom wapnia w komórce jest regulowany poprzez kanały napięciowo-zależne oraz recep­ tory jonotropowe, transportujące go z ze­ wnątrz oraz system przedziałowości komórko­ wej (Carafoli 1 98 7). Wapń jest akumulowany w mitochondriach, siateczce

śródplazmatycz-nej oraz jądrze. W wyniku naruszenia

homeo-2+ staży wapniowej następuje wypływ Ca z przedziałów komórkowych oraz wzrost jego napływu z przestrzeni zewnątrzkomórkowej do wnętrza komórki. Konsekwencją cytotoksycz- ności Ca jest w bardzo wielu przypadkach programwana śmierć komórki, czyli apoptoza

(McCONKEY i ORRENIUS, 1 9 9 6 , TRUMP i

Berrezecki 199 6).

UDZIAŁ Ca2+ W APOPTOZIE Fizjologicznej śmierci komórki, czyli wła­

śnie apoptozie, poświęcono w ostatnich latach bardzo wiele uwagi. Dane na ten temat zosta­ ły zebrane w bardzo wielu artykułach przeglą­ dowych, w tym również opublikowanych w ję ­ zyku polskim (Ro ż y n k o w a 199 4, 1996, Ra d z i­

s z e w s k a 199 5, SIKORA 199 4, 199 5, 199 6). Ko­ mórka umierająca śmiercią apoptotyczną cha­ rakteryzuje się pewnymi cechami morfologicz­ nymi, biochemicznymi i genetycznymi, które odróżniają ją od komórki prawidłowej i nekro­ tycznej. Chromatyna komórki apoptotycznej ulega marginalizacji i fragmentacji. Komórka

kurczy się na skutek utraty wody i z czasem rozpada na ciałka apoptotyczne. Bardzo często do zajścia apoptozy niezbędna jest aktywacja genów i synteza białka de novo. Apoptozę mo­ gą wywołać bardzo różnorodne czynniki, u podstaw działania których leżą różne mecha­ nizmy. Oznacza to, że istnieje bardzo wiele dróg, które prowadzą do zmian morfologicz­ nych, charakteryzujących komórkę apopto­ tyczną (Ha l e i współaut. 1996, Sik o r a 1995). Bardzo wygodnie jest za Kroemerem podzielić proces apoptozy na trzy fazy: fazę początkową, efektorową i degradacji (KROEMER i współaut.

1997). Faza początkowa może przebiegać swo­ ją własną indywidualną ścieżką zdetermino­ waną czynnikiem indukującym śmierć komór­ ki. Każda „prywatna” ścieżka fazy początkowej prowadzi do zdarzeń biochemicznych, które według Kromera są ju ż wspólne dla wszyst­ kich induktorów apoptozy i wszystkich apo- ptotycznych komórek. Tę wspólną fazę Kroe- mer podzielił na odwracalną fazę efektorową oraz nieodwracalną fazę degradacji, w której zostają zaaktywowane procesy kataboliczne. Taki schemat apoptozy jest bardzo wygodny w opisie, jednakże jak dalej zobaczymy, śmierć fizjologiczna od początku do końca może mieć różny przebieg nie tylko zdeterminowany czyn­ nikiem ją indukującym, typem komórki, ale także jej stanem fizjologicznym. Tak naprawdę trudno jest więc mówić o wspólnych dla wszy­ stkich komórek fazach.

Chociaż udział wapnia w apoptozie jest bezsporny, to jednak jego rola w tym procesie jest ciągle kontrowersyjna. Wydaje się, że wapń jest związany ze wszystkimi fazami apoptozy: jako przekaźnik ITrzędowy w fazie początkowej, jako jon indukujący mitochon- drialny megakanał podczas fazy efektorowej oraz jako aktywator transglutaminaz, proteaz i endonukleaz aktywnych w ostatniej fazie apoptozy czyli degradacji.

ROLA Ca 2+ W POCZĄTKOWEJ FAZIE APOPTOZY — PRZEKAZYWANIE SYGNAŁU DO APOPTOZY

Poprzez apoptozę są usuwane z organizmu komórki zbędne (potrzebne przejściowo w okre­ sie rozwojowym), zmutowane i uszkodzone. Wiele komórek w dorosłym organizmie podlega ciągłym podziałom. Są to komórki macierzyste, na przykład krwiotwórcze i nabłonkowe. W ce­ lu utrzymania homeostazy organizmu część tych komórek musi być usuwana. Regulacja ilości komórek odbywa się zatem na poziomie kontroli ich podziałów i śmierci programowanej

(SIKORA 1996). W organizmie odbywa się to po­

przez gospodarkę hormonalną oraz dostępność czynników wzrostowych i substancji odżyw­ czych dla komórek (THOMPSON 1995). In vitro apoptozę można wywoływać różnymi czynnika­ mi od biologicznych, poprzez chemiczne, koń­ cząc na fizycznych. Wydaje się, że mobilizacja wewnątrzkomórkowego wapnia w komórkach apoptotycznych może zachodzić przynaj mniej na dwa różne sposoby. Jeden z nich „recepto­ rowy” jest dobrze znany i opisany i polega na mobilizacji Ca + jako wtórnego przekaźnika pod wpływem czynników zewnętrznych oddzia­ łujących na receptory komórkowe (Ba r a ń s k a

1997). Receptory błonowe z kolei przekazują sygnał na białka G, które pobudzają fosfolipa- zy C i D. Fosfolipaza C katalizuje hydrolizę 4,5- dwufosforanu inozytolu do trifosforanu inozy­ tolu i diacyloglicerolu. Trifosforan inozytolu uwalnia Ca2+ z siateczki sródplazmatycznej i powoduje napływ jonów wapniowych ze środo­ wiska zewnętrznego poprzez otwarcie kanałów wapniowych. Taki sam przebieg przekazywania sygnału z błony jądrowej i uwalnianie przeka­ źnika Il-rzędu, jakim jest wapń, występuje w komórkach pobudzonych zarówno do prolifera­ cji, jak i apoptozy. I tak, pobudzenie receptora TCR (T celi receptor) w dojrzałych limfocytach uruchamia wyżej opisany szlak przekazywania sygnału, ale prowadzący w efekcie do ich proli­ feracji. Natomiast pobudzenie TCR w niedoj­ rzałych limfocytach, czyli tymocytach prowadzi do ich śmierci poprzez apoptozę (McCONKEY i współaut. 1991). Przykładów na związek Ca z apoptozą mamy bardzo wiele. Pobudzenie bło­ nowego receptora dla antygenu powoduje śmierć programowaną limfocytów B, której również towarzyszy uwalnianie Ca (TSUBATA i współaut. 1993). Bardzo wcześnie wykazano, że indukcja tymocytów do apoptozy hormonem glukokortykoidowym jest związana z napły­ wem wapnia do komórek (Kaiser i Edelman 1997). Natomiast w komórkach linii limfoidal- nej po zadziałaniu glukokortykoidu obserwo­ wano opróżnienie z wapnia magazynów sia­ teczki śródplazmatycznej (La m i współaut. 1993). Nasze własne obserwacje wskazują, że w ludzkich komórkach limfoidalnych, tak zwanych Jurkat, po indukcji apoptozy świa­ tłem UV następuje opróżnienie z Ca zarówno magazynów mitochondrialnych, jak i siateczki śródplazmatycznej (PlWOCKA i współaut. 1997). Uważa się, że przyczynę śmierci apoptotycznej piramidalnych neuronów hipokampa, nastę­ pującą podczas niedokrwienia mózgu lub spo­ wodowaną długotrwałymi drgawkami, stanowi uwalnianie glutaminianu, który pobudza re­ ceptory glutaminianowe i powoduje wzrost stę­ żenia wewnątrzkomórkowego Ca . Postuluje się nawet występowanie w umieraj ących neu­ ronach zjawiska aktywacji przez Ca procesu transkrypcji tak zwanych „genów śmierci ko­ mórkowej”. Bennet i Huxlin sugerują, że śmierć przez apoptozę większości umierają­ cych neuronów odbywa się właśnie na skutek utraty przez te komórki zdolności do regulacji poziomu wewnątrzkomórkowego wapnia, co określili mianem hipotezy „śmierci wapniowej” (ang. calmortin hypothesis) (BENNET i HUXLIN

2+

Drugi mechanizm udziału Ca w indukcji apoptozy, tak zwany „wolnorodnikowy” pole­ gałby na pośrednictwie wolnych rodników tle­ nowych, generowanych w wyniku zadziałania czynnika proapoptycznego. Stres oksydacyjny w tym przypadku stanowi przyczynę uwalnia­ nia Ca , spowodowaną uszkodzeniem syste­ mu transportu wapniowego w przedziałach wewnątrzkomórkowych (McCONKEY i ORRE- NIUS 1996).

Bezpośrednich dowodów na udział wapnia w apoptozie dostarczają doświadczenia z za­ stosowaniem jonoforów wapniowych jako in- duktorów śmierci programowanej oraz z dru­ giej strony chelatorów i związków buforują­ cych wapń, jako inhibitorów apoptozy induko­ wanej różnymi czynnikami. Liczne przykłady opisu tego typu doświadczeń może Czytelnik odnaleźć w pracy przeglądowej (McCONKEY i

ORRENIUS 1996). Nie zawsze jednak można

jednoznacznie określić, który z wyżej wymie­ nionych dwóch mechanizmów, to znaczy „re­ ceptorowy” czy „wolnorodnikowy”, jest zaanga­ żowany w uwalnianiu Ca , gdyż produkcja wolnych rodników występuje również przy po­ budzeniu receptorów. Należy również zazna­ czyć, że bezpośredni związek pomiędzy apojj- tozą a mobilizacją wewnątrzkomórkowego Ca występuje nie we wszystkich komórkach indu­ kowanych do apoptozy. Na przykład Beaver i

Waring (1994) nie znaleźli korelacji pomiędzy działaniem tak zwanej gliotoksyny, aktywatora białek G, oraz tapsigarginy — inhibitora ATPa­ zy wapniowej z siateczki śródplazmatycznej, indukujących wzrost stężenia wewnątrzko­ mórkowego Ca , a apoptozą. Wydaje się, że indywidualna droga przekazywania sygnału do apoptozy nie koniecznie musi prowadzić poprzez wapń. W wyniku pobudzenia recepto­ rów błonowych zaktywowanych czynnikami proapoptotyczrrymi może dojść do aktywacji innych niż Ca wtórnych przekaźników, ta­ kich jak ceramid czy cAMP (PENA i współaut. 1997). Indukcja apoptozy może też przebiegać poprzez zakwaszenie komórki w wyniku akty­ wacji antyportera Na/H (FAMULSKI 1997) lub za pośrednictwem wspomnianych wolnych ro­ dników tlenowych, których rola w apoptozie jest ciągle kontrowersyjna, podobnie jak wap­

nia, choć udział ich w tym procesie jest nie­ podważalny (Ja c o b s o n 1997).

ROLA Ca2+ W EFEKTOROWEJ FAZIE APOPTOZY; TWORZENIE MITOCHONDRIALNYCH MEGAKANAŁÓW

Efektorowa faza apoptozy jest, według Kroemera, wspólna dla wszystkich komórek

apoptotycznych i niezależna od czynnika indu­ kującego apoptozę. M ianowicie wykazał on, podobnie ja k inni, że kom órki indukowane do apoptozy wykazują dosyć w czesny (rozpoczy­ nający się od kiludziesięciu m inut do kilku go­ dzin) spadek w łączan ia do m itoch on d rów barwników, świadczący o spadku mitochon- drialn ego p oten cjału tran sm em b ran ow ego

(PETIT i współaut. 1996, SUSIN i współaut.

1996, KROEMER i współaut. 1997). M itochon- drialny potencjał transm em branow y powstaje na skutek asym etrycznego rozkładu protonów i innych jo n ów po dwóch stronach w ew n ętrz­ nej błony m itochondrialnej, tworząc chem icz­ ny potencjał (pH) oraz gradient elektryczny, które są wynikiem funkcjonowania m itochon- driów. Spadek potencjału m itochondrialnego świadczy o zaburzeniu funkcji tych organelli. Spadkowi potencjału m itochondrialnego w ko­ mórkach apoptotycznych towarzyszy, według Kroemera, powstanie megakanałów. Budowa m egakanałów nie je st ostatecznie jeszcze w y ­ jaśniona, ale wiadomo, że do ich pow stania

niezbędny je s t m iędzy innym i napływ do mito- chondriów Ca . Powstanie m egakanałów sta­ nowi przyczynę gwałtownego wzrostu przepu­ szczalności wewnętrznej błony m itochondrial­ nej dla jo n ów i cząsteczek < 1500 Da takich ja k protony, wapń, glutation (LENARTOWICZ i

WUDARCZYK, 1997). Kroem er postuluje, że w

kom órkach indukowanych do apoptozy na skutek powstania m egakanałów dochodzi do uwolnienia z m itochondriów białka A IF (ang. apoptosis inducing factor). Białko to m iałoby indukować m orfologiczne zm iany w cytopla­ zmie i jądrze charakterystyczne dla apoptozy, to znaczy obkurczanie komórki, fragm entację chrom atyny i tworzenie ciałek apoptotycznych

(KROEMER i współaut. 1997). Znane są jedn ak

inne prace, w których autorzy postulują udział m itochondriów w apoptozie na zupełnie innej zasadzie, mianowicie spadku ich funkcji odde­ chowej i niedoboru A TP (RICHTER i współaut.

1996). Ponadto uważa się, że nie zawsze apop­ tozie tow arzyszy spadek potencjału trans­ membranowego, lub może on zachodzić, ale w późnej fazie apoptozy, ju ż po zadziałaniu en- donukleaz degradujących D NA (COSSARIZZA i

współaut. 1994).

Od dawna poszukiwano związku pomiędzy rolą wapnia w apoptozie a białkiem Bcl-2. Białko Bcl-2 należy do rodziny białek, które mogą zarówno hamować (Bcl-2, BcL-xL, M eli, A l i inne), jak i aktywować (Bax, Bcl-xs, Bad, Bak, Bik i inne) apoptozę (GRZELAKOWSKA-

1997). Bcl-2 zlokalizowano w zewnętrznej bło­ nie mitochondrialnej, siateczce śródplazma- tycznej oraz błonie jądrowej. Wydaje się, że mitochondrialna lokalizacja Bcl-2 ma najistot­ niejsze znaczenie dla tego białka jako inhibito­ ra apoptozy. Sądzi się mianowicie, że Bcl-2 stabilizuje znacząco potencjał transmembra- nowy, a jego wzmożona ekspresja w błonie mi­ tochondrialnej zapobiega apoptozie indukowa­ nej różnymi czynnikami. Hamując powstanie megakanałów, Bcl-2 przyczynia się do zatrzy­ mania w mitochondriach Ca + oraz AIF. Nie wiadomo jednakże, jaki miałby być mecha­ nizm oddziaływania Bcl-2 z megakanałami. Wydaje się prawdopodobne twierdzenie, że Bcl-2 utrzymuje potencjał transmembranowy w równowadze, co z kolei przyczynia się do utrzymania mitochondrialnej homeostazy wapniowej (KROEMER i współaut. 1997). Udział Bcl-2 w hamowaniu apoptozy nieko­ niecznie musi być bezpośrednio związany z ro­ lą Ca i spadkiem potencjału mitochondrial- nego. Mianowicie uważa się, że Bcl-2 zapobie­ ga uwalnianiu z mitochondriów cytochromu c, do którego nie jest konieczne powstawanie megakanałów. Cytochrom c z kolei miałby ak­ tywować proteazy czynne w procesie apoptozy

(KLUCK i współaut. 1997, Yang i współaut.

1997).

ROLA Ca2+ W DEGRADACYJNEJ FAZIE APOPTOZY: AKTYWACJA ENZYMÓW KATABOLICZNYCH (ENDONUKLEAZ, PROTEAZ I TRANSGLUTAMINAZ)

Komórka umierająca śmiercią fizjologiczną rozpada się na ciałka apoptotyczne, które dzięki wyeksponowanej na zewnętrznej błonie komórkowej fosfatydyloserynie są rozpozna­ wane i fagocytowane przez makrofagi lub są­ siadujące komórki (SAVILL i współaut. 1993). Ciałka apoptotyczne zawierają zmienione funkcjonalnie, choć nie zawsze morfologicznie, mitochondria oraz fragmenty DNA. Tak dobrze scharakteryzowany morfologicznie końcowy etap apoptozy wydaje sie wciąż bardzo mało poznany od strony biochemicznej. Wiemy, że w degradacji apoptotycznej komórki biorą udział endonukleazy, proteazy i transglutaminazy. Stosunkowo najlepiej do tej poiy zostały opi­ sane proteazy, a chociaż internukleosomalna fragm entacja DNA stanowi ju ż klasyczny znacznik apoptozy, do tej pory nie udało się jednoznacznie zidentyfikować enzymu odpo­ wiedzialnego za fragmentację DNA zachodzącą podczas śmierci fizjologicznej.

Endonukleazy zależne od Ca2+

Internukleosomalna fragmentacja DNA na odcinki wielkości nukleosomu (180-200 par zasad) i jego wielokrotności do niedawna sta­ nowiła ostateczny dowód na występowanie ko­ mórek apoptotycznych w badanym materiale. Dzisiaj wiemy, że apoptoza może zachodzić także bez internukleosomalnej fragmentacji DNA. Obserwuje się natomiast czasami degra­ dację DNA, jak w przypadku komórek nowo­ tworowych prostaty traktowanych etopozy- dem, na fragmenty o wielkości 50-300 kilo par zasad (Ob e r h a m m e r i współaut. 1992). Jed­ nakże niezależnie od wielkości fragmentów DNA, jego degradacja stanowi nieodwracalny etap śmierci komórki (BORTNER i współaut.

1995). Znamy kilka endonukleaz, o których wiadomo, że są aktywne w komórkach stymu­ lowanych do apoptozy. Jest to DNAza I (PEIT- SCH i współaut. 1993), DNAza II (BARRY i EA­ STMAN 1993) oraz tak zwana N U C I8 wyizolo­ wana z jąd er apoptotycznych tymocytów

(MONTAGUE i współaut. 1994). Zarówno DNA­

za I, jak i N U C I8 wymagają do swojej aktyw­ ności obecności Ca i M g +. Co ciekawe, że N U C I8 wykazuje dużąhomologię do cyklofilin, małych białek wiążących lek immunosupre- syjny, cyklospoiynę A. Niedawno odkrywcy tej nukleazy wykazali, że również cyklofiliny A, B

i C mogą przeprowadzać degradację DNA w komórkach apoptotycznych (MONTAGUE i współaut. 1997). DNAza II natomiast nie jest zależna od Ca i M g , a ponadto charaktery­ zuje się znacznie niższym, bo wynoszącym 5,5 optimum pH. W wielu komórkach znaleziono aktywność innych, tak zwanych kwaśnych en­ donukleaz, które również nie wymagają do swej aktywacji jonów dwuwartościowych (Fa-

MULSKI 1997). Ostatnio opisano występowanie

w szczurzych komórkach hepatomy, nowej nukleazy charakteryzującej się zdolnością do degradacji DNA zarówno na duże (50-300 kilo par zasad), jak też i internukleosomalne frag­ menty. Aktywność tego enzymu, związana z fragmentacją na duże odcinki DNA, wymaga obecności tylko jonów magnezu, natomiast na odcinki internukleosomalne zarówno obecno­ ści M g2+jak i Ca2+ (PANDEY i współaut. 1997).

2+ Proteazy zależne od Ca

Na udział proteaz w apoptozie wskazuje wiele fizjologicznych, biochemicznych i gene­ tycznych danych (PATEL i współaut. 1996). W komórkach apoptotycznych obserwuje się

pro-teolizę wielu białek, takich jak na przykład la­ miny, histony, w tym przede wszystkim H I, poli(ADP-iybozylo)polimeraza. Często substra- tami proteaz są inne enzymy proteolityczne, których specyficzna hydroliza prowadzi do ich aktywacji ( P a t e l i współaut. 1996). Szczegól­ nie spektakularna wydaje się kaskada proteo­ litycznej aktywacji licznych proteaz z rodziny tak zwanej ICE/ced3 ( W h y t e 1996), które ostatnio otrzymały jednolitą nazwę kaspaz (ang. „caspases” od proteaz cysternowych ka­ talizujących hydrolizę za kwasem asparagino­ wym) (ALNEMRI i współaut. 1996). Nie zawsze są jednak znane naturalne substraty proteaz aktywnych w komórkach apoptotycznych. Często bowiem o udziale proteaz w apoptozie świadczą dane uzyskane na podstawie hamo­ wania apoptozy inhibitorami proteaz. W ko­ mórkach umierających śmiercią programowa­ ną, poza obserwowaną aktywacją wspomnia­ nych proteaz z rodziny ICE/ced3, sugeruje się udział proteaz serynowych (FEARNHEAD i współaut. 1995) oraz kalpain. Kalpainy należą do neutralnych proteaz zależnych od Ca + i uważa się, że mogą stanowić bezpośredni związek pomiędzy wzrostem wewnątrzkomór­ kowego wapnia a apoptozą. Aktywację kalpa­ in, jak do tej pory, obserwowano głównie w limfocytach T stymulowanych do apoptozy różnymi czynnikami (SQUIER i współaut. 1994,

SARIN i współaut. 1995). Sądzi się, że substra- tami tych proteaz mogą być białka cytoszkiele- tu, takie jak fordiyna czy wimentyna. Dokła­ dnie nie wiadomo, jaki jest udział proteolizy tych substratów w apoptozie, ale niewykluczo­ ne, że mają one znaczenie w zmianach struk­ turalnych komórki prowadzących do powsta­ nia ciałek apoptotycznych (McCONKEY i ORRE-

NIUS 1996). Ostatnio wykazano, że inkubacja

2+

jąder komórkowych z Ca prowadzi do rap­ townej degradacji białek jądrowej matriks, la­ min. Postuluje się, że odpowiedzialna za de­ gradację lamin może być hipotetyczna protea- za laminowa (Claw son i współaut. 1992, Nea-

M ATI i współaut. 1995).

T ransglutaminazy

Aktywacja transglutaminaz w apoptozie stanowi jedną z pierwszych biochemicznych obserwacji opisanych ju ż w końcu lat 80., kie­ dy to wiedza na temat fizjologicznej śmierci za­ ledwie raczkowała (FESUS i współaut. 1987). Obecnie mamy ju ż znacznie więcej danych na ten temat, aczkolwiek rola tych enzymów w apoptozie ciągle nie do końca jest poznana

(FESUS i współaut. 1996). Transglutaminazy

komórkowe są to enzymy zależne od Ca +, które katalizują postranslacyjne włączanie amin (w tym poliamin) do białek oraz sieciowa­ nie białek pomostem gamma glutamylo-lizy- nowym lub gamma glutamylo-poliaminowym

(Ma n t e u f f e l-Cym bo ro w ska 1993). Uważa się, że transglutaminazy odgrywają rolę także w adhezji komórek, metastazie komórek nowo­ tworowych oraz utrzymaniu zewnątrzkomór- kowego matriks. Postuluje się, że transgluta­ minazy w komórkach stymulowanych do apoptozy biorą udział w stabilizacji struktury komórki apoptotycznej, aczkolwiek wykazano ostatnio, że w szczurzych tymocytach wystąpi­ ła aktywacja transglutaminaz pod wpływem proapoptotycznego działania anty-CD3, de- ksametazonu i promieniowania jonizującego, ale nie aktywacji receptora Fas (SZONDY i współaut. 1997). Tak więc z pewnością poza transglutaminazami jeszcze inne czynniki mu­ szą wpływać na kształtowanie struktury ko­ mórki apoptotycznej.

UWAGI KOŃCOWE Apoptoza, podobnie jak podział, czy różni­

cowanie komórki jest procesem fizjologicznym, wymagającym do swego udziału bardzo często, choć nie zawsze, aktywacji genów, a z pewno­ ścią zawsze aktywacji wielu procesów bioche­ micznych. Nie dziwi więc fakt, że w realizacji programu śmierci apoptotycznej komórki jest zaangażowany wapń. Warto jednak pamiętać, że apoptoza jest procesem o wiele bardziej zróżnicowanym metabolicznie niż chociażby podział komórki. Znanych jest bardzo wiele dróg prowadzących do śmierci fizjologicznej.

Mobilizacja wapnia w komórce apoptotycznej nie zawsze musi być procesem specyficznym. Z drugiej strony, jakiekolwiek naruszenie ho­ meostazy wapniowej, bardziej lub mniej przy­ padkowe, stanowi zagrożenie dla prawidłowe­ go funkcjonowania komórki i musi pociągać za sobą jej śmierć, zgodnie z postulatem, że apoptoza jest jednym z mechanizmów obron­ nych organizmu i służy między innymi usuwa­ niu z niego komórek nieprawidłowych ( „better die than bad”!).

THE ROLE OF Ca2+ IN APOPTOSIS S u m m a r y

Perturbation of intracellular Ca homeostasis is obse­ rved in programmed cell death (apoptosis). The process of apoptosis can be divided into three phases: i) a death sti­ mulus- and cell physiology-dependent, heterogeneous in­ duction phase, ii) an effector phase in which mitochon­

drial megachannels might be involved, iii) and a degrada­ tion phase during which cells acquire biochemical and morphological features of the final stage of apoptosis. The

2+

involvement and role o f cytosolic Ca in all phases of apoptosis are discussed.

LITERATURA

Al n e m r i E. S., Liv in g s t o n D. J ., Nic h o l s o n D. W ., Sa l v e- SEN G ., THORNBERRY N. A ., WONG W . W ., YUAN J.

1996. Human ICE/CED-3 protease nomenclature. Cell, 87, 171.

An d j e l ic S ., Kh a n n a A ., Su t h a n t h ir a n M ., Nik o l ic-Zu g ic 2+

J., 1997. Intracellular Ca elevation and cyclosporin

A synergistically induce TGF-fil -mediated apoptosis in lymphocytes. J. Immunol. 158, 2527-2534.

Ba r a ń s k a J ., 1997. W apńjako pierwotny i wtórny przeka-+2

źnik informacji. Udział Ca w cyklu komórkowym.

Kosmos 46, 33-45.

Ba r r yM. A., Ea s t m a nA., 1993. Identification o f deoxyribo­ nuclease II as an endonuclease involved in apopto­ sis. Arch. Biochem. Biophys., 300, 440-450.

Be a v e rJ. P., Wa r in g P., 1994. Lack o f correlation betwe­ en early intracellular calcium ion rises and the onset o f apoptosis in thymocytes. Immunol. Cell Biol. 72,

489-499.

Be n n e t M. i Hu x l in K. R., 1996. Neuronal death in the mammalian nervous system: the calmortin hypothe­ sis. G en. Pharmac. 27, 407-419.

b o r t n e r C. D., Ol d e n b u r g n. b. e, Cid l o w s k i J. A., 1995. The role o f DNA fragmentation in apoptosis. Trends in Cell Biology, 5, 21-26.

2+

Ca r a f o l i E., 1987. Intracellular Ca homeostasis. Annu. Rev. Biochem. 56, 395-433.

Cl a w s o n G. A ., No r b e k L. L., Ha t e m C. L., Rh o d e s C., Am ir iP., Mc k e r r o w J. H., Pa t ie r n o S. R., Fis k u mG.,

2+

1992. Ca regulated serine protease associated with

the nuclear scaffold. Cell Growth & Diff. 3, 827-838.

Co s s a r iz z a A . , Ka l a s h n ik o v a G ., Gr a s s il l i E., Ch ia p p e l l i F., Sa l v io l i S., Ca p r i M., Ba r b ie r i D., Tr o ia n o L.,

Mo n t iD., Fr a n c e s c h iC. 1994. Mitochondrial modifi­

cations during rat thymocyte apoptosis: a study at the single cell level. Exp. Cell Res. 214, 323-330.

Fa m u l s k i K ., 1997. Udział zakwaszenia wewnątrzkomór­

kowego w procesie apoptozy. Kosmos 46, 45-53.

Fe a r n h e a d H ., Riv e t t A ., Din s d a l eD., Co h e n G., 1995. A

pre-existing protease is a common effector o f thymo­ cyte apoptosis mediated by diverse stimult FEBS

Lett. 357, 242-246.

Fe s u s L., Tl io m a z yV., Fa l u sA., 1987. Induction and acti­ vation o f transglutaminase during programmed cell death. FEBS Lett. 224.

Fe s u s L., Ma d iA., Ba l a j t h yZ., We m e s z., Sz o n d yZ., 1996. Transglutaminase induction by varius cell death and apoptotic pathways. Experientia 52, 942-949.

Ge r l a c i-i M ., Ri e d e r e rP., Yo u d im M. B ., 1996. Molecular

mechanisms o f neurodegeneration. Advances in Neu­

rology 69, 177-193.

Gr z e l a k o w s k a-Sz t a b e r t B., 1997. Regulacja procesu

apoptozy — udział błonowych białek z rodziny Bcl-2.

Kosmos 46, 53-64.

Ha l eA., Sm it h C. A., Su t h e r l a n d L. C., St o n e m a nV. E. A ., Lo n g t h o r n e V. L., Cu l h a n e A. C., Wil l ia m s G. T., 1996. Apoptosis: molecular regulation o f cell death Eur. J. Biochem. 236, 1-26.

Ja c o b s o n M. D., 1997. Reactive oxygen species and pro­

grammed cell death. TIBS 21, 83-86.

Jo s e p h o n R. A ., Sil v e r m a n H. S ., La k a t t a E. G ., St e r n M. D., Zw e ir e r J . L., 1991. Study o f the mechanisms o f hydrogen peroxide and hydroxyl fre e radical — indu­ ced cellular injury and calcium overload in cardiac myocytes. J. Biol. Chem. 266, 2354-2361.

Ka is e r N., Ed e l m a n I. S., 1997. Calcium dependence o f

glucocorticoid-induced lymphocytolisis. Proc. Natl.

Acad. Sci. USA 74, 638-642.

Kl u c k r. M ., Bo s s y-We t z e l e., Gr e e n d. r., Ne w m e y e r D. D., 1997. The release o f cytochrome c fr o m mito­

chondria: a primary site fo r Bcl-2 regulation o f apop­ tosis. Science 275, 1132-1136.

Ko m u l a in e n H., Bo n d yS. C., 1988. Increasedfree intracel­

lular Ca by toxic agents; an index o f potential neu­ rotoxicity? Trends Pharmacol. Sci. 9, 154-156.

Kr o e m e rG., Za m z a m iN., Su s inS. A., 1997. Mitochondrial

control o f apoptosis. Immunol. Today 18, 44-51.

La m M., Du b y a kG., Dis t e l h o r s tC. W ., 1993. Effect o f glu­

cocorticoid treatment on intracellular calcium homeo­ stasis in mause lymphoma cell. Mol. Endocrynol. 7,

686-693.

Le n a r t o w ic zE., Wu d a r c z y kJ . 1997. Uprzepuszczalnienie

błony mitochondrialnej podczas stresu oksydacyjne­ go. Kosmos, 46, 97-105.

Ma n t e u f f e l-Cy m b o r o w s k a M., 1993. Nowy aspekt meta­ bolizmu poliamin-postranslacyjne, zależne od trans- glutaminaz, modyfikacje białek przez poliaminy.

Post. Biochem. 39, 118-126

Mc c o n k e y D. J ., Fo s d ic k L., D ’a d a m in o L., Jo n d a l M ., Or r e n iu s S., 1991. Co-receptor CD4/CD8 engage­

ment enhances CD3- isssnduced apoptosis in thymo­ cytes. Implication fo r negative selection. J. Immunol

153, 2436-2443.

Mc c o n k e yD. J., Or r e n iu s S., 1996. The role o f calcium in

the regulation o f apoptosis. J. Leukoc. Biol. 59,

775-783.

Mo n t a g u e J . W . Hu g h e s F. M . Jr., Cid l o w s k i J . A ., 1997.

Native recombinant cyclophilins A, B, and C degrade DNA independently o f peptidylprolyl cis-trans-isome- rase activity. Potential roles o f cyclophilins in apopto­ sis. J .B io l. Chem. 272, 6677-6684.

Ne a m a t i N ., Fe r n a n d e z a., Wr ig h t S ., Kie f e r J ., McCON-

k e y D. J., 1995. Degradation o f lamin B I precedes oligunucleosomal DNA fragmentation in apoptotic thymocytes and isolate thymocytes nuclei J .Immu­ nol. 154, 3788-3795.

NlKOTERA P., Be l l o m o G ., Or r e n iu s S ., 1992. Calcium me­

diated mechanisms in chemically induced cell death.

Annu. Rev. Pharmacol. Toxicol. 32, 449-470.

Ob e r h a m m e r f., Wil s o n j. w., Div e C ., Mo r r is I. D., Hic k m a nJ. A., Wa k e l in g A. E., Wa l k e rp. r ., Sik o r­

s k a M., 1992. Apoptotic death in epithelial cells: cle­

avage o f DNA to 300 and/or 50 kb fragments prior to or in the absence o f internucleosomal fragmentation.

EMBO J. 12, 3679-84

Pa n d e yS. Wa l k e r P. R., Sik o r s k a M., 1997. Identification

o f a novel 97 IdDa endonuclease capable o f internuc­ leosomal DNA cleavage. Biochemistry 36, 711-720.

Pa t e lT., Go r e sG., Ka u f m a n S. H., 1996. The role o f pro­

teases during apoptosis. FASEB J. 10, 587-597.

Pe it s c h m. c., Po l z a rB., St e p h a nH., Cr o m p t o n T., Mac­

d o n a l d H., Ma n n h e r z H., G., TSCHOP J. 1993. Cha­

racterization o f the endogenous deoxyribonuclease involved in nuclear DNA degradation during apopto­ sis (programmed cell death). EMBO J. 12, 371-377.

Pe n a L. A ., Fu k s z., Ko l e s n ic k R., 1997. Stress-induced apoptosis and the sphingomeylin pathway. Biochem.

Pharmacol. 53, 6 1 5 -6 2 1 .

Pe t itp. X., Susin S.A., Za m z a m iN., Mig n o t t eB., Kr o e m e r G., 1996. Mitochodria and programmed cell death:

back to the future. FEBS Lett. 396, 7-13.

Piw o c k a K. Sk ie r s k iJ., Je r k a-Dz ia d o s zM., Nie w c z a s B.,

Du s z y ń s k iJ., Sik o r a E. 1997. Kurkumina i światło

UV ja k o czynniki indukujące śmierć ludzkich ko­ mórek linfoidalnych linii Jurkat. Komunikat na

XXXIII Zjazd PTBioch, Katowice, str. 110.

Ra d z i s z e w s k a E., 1995. Fizjologiczna rola apoptozy. Post. Biol. Kom. 22, 247-263.

Ric h t e r CH., Sc h w e iz e r m., Co s s a r iz z a A ., Fr a n c e s c h i C., 1996. Control o f apoptosis by the cellular ATP le­

vel. FEBS Lett. 378, 107-110.

Ro ż y n k o w aD ., 1994. Genetyczne regulacje apoptozy, pro­ gramowanej śmierci komórek. Post. Biol. Kom. 21, 303-318.

Ro ż y n k o w a D ., 1996. Apoptoza doświadczalna: modele in­

dukcji in vitro i zastosowania. Post. Biol. Kom. 23,

4 2 1 -4 4 4 .

Ru p n i e w s k aZ. M., Ro ż y n k o w aD ., Ku r o w s k aM. 1997. Ro­

dzina genów bcl-2. Post. Biol. Kom. 24, 33-47.

Sa r in A., Na k a j im a H., He n k a r t P. A., 1995. A protease-

dependent TCR-induced death pathway inmature lymphocytes. J . Immunol. 154, 5806-5812.

Sa v il l J ., Fa d o k V ., He n s o n P., Ha s l e t t C ., 1993. Phago­

cyte recognition o f cells undergoing apoptosis. Immu­

nology Today 14, 131-136.

Sik o r a E., 1994. Mechanizmy śmierci programowanej ko­ mórek (apoptozy). Post. Biochem. 40, 150-160.

Sik o r a E., 1995. Apoptoza i onkogeneza. Kosmos 44, 353-363.

Sik o r a E., 1996. Cykl komórkowy i apoptoza: śmierć sta­ rej komórki. Post. Biochem. 42, 108-112.

SguiERM. K. T., Mi l l e r a. C. K., Ma l k in s o nA. M., Co h e n J. J., 1994. Calpain activation in apoptosis. J. Celi. Physiol. 159, 229-237.

Su s in S. A., Za m z a m iN., Kr o e m e rG., 1996. The cell biolo­

gy ° f apoptosis: evidences fo r the implication o f mito­ chondria. Apoptosis, 231-243.

Sz o n d yz., Mo l n a rp., Ne m e s z., b o y id a z is M., Ke d e i N.,

To t h r., Fe s u s L., 1997. Different expression o f tis­ sue transglutaminase during in vivo apoptosis o f thy­ mocytes induced via distinct signalling pathways.

FEBS Lett. 404, 307-313.

Th o m p s o n C. B., 1995. Apoptosis in the pathogenesis and treatment o f disease. Science 267, 1456-1462.

Tr u m p B. F., Be r e z e s k y I. K., 1996. The role o f altered 2+

ICa ] irregulation in apoptosis, oncosis, and necro­ sis. Biochim. Biophys. Acta 1313, 173-178.

Ts u b a t aT ., Wu J ., Ho n j oT., 1993. B-cell apoptosis indu­ ced by antigen receptor cross-linking is blocked by a T-cell signal through CD40. Nature 363, 615-648.

VAMVAKS S., SHARMA V. K., SHEU S-S, ANDERS M. W., 1990.

Perturbation o f intracellular calcium bistribution in kidney cells by nephrotoxic haloalkenyl csteine S- conjugates. Mol. Pharmacol. 38, 455-461.

Wh y t e M. 1996. A link between cell-surface receptors and ICE proteases. Trends Cell Biol. 6, 418.

Ya n g J ., LiuX., Bh a l l aK., Kim C. N., Ib r a d oA . M., Ca i J ., Pe n g T-I, Jo n e s D. P. Wa n g X., 1997. Prevention o f

apoptosis by Bcl-2: release o f cytochrome c fro m mi­ tochondria blocked. Science 275, 1129-1132.