Proces apoptozy w komórkach zainFekowanych bakteriami z

0ROCESAPOPTOZYWKOMÌRKACHZAINFEKOWANYCHBAKTERIAMI
ZRODZAJU#HLAMYDIA
4HEAPOPTOSISINCELLSINFECTEDWITHMICROBESOFTHEGENUS#HLAMYDIA
MGR2OBERT+UBINAMGR-ARTA3MYCZDRNMED2OBERT$7OJTYCZKADRNMED!GATA+ABAŒAp$ZIK
DRHAB*ERZY0ACHAPROFNADZW35-
3TUDENCKIE+OŒO.AUKOWEPRZY+ATEDRZEI:AKŒADZIE-IKROBIOLOGII7YDZIAŒU&ARMACEUTYCZNEGOZ/DDZIAŒEM
-EDYCYNY,ABORATORYJNEJW3OSNOWCUgL’SKI5NIWERSYTET-EDYCZNYW+ATOWICACH
+ATEDRAI:AKŒAD-IKROBIOLOGII7YDZIAŒU&ARMACEUTYCZNEGOZ/DDZIAŒEM-EDYCYNY,ABORATORYJNEJW3OSNOW†
CUgL’SKI5NIWERSYTET-EDYCZNYW+ATOWICACH
+ATEDRAI:AKŒAD0ATOLOGII7YDZIAŒU&ARMACEUTYCZNEGOZ/DDZIAŒEM-EDYCYNY,ABORATORYJNEJW3OSNOWCU
gL’SKI5NIWERSYTET-EDYCZNYW+ATOWICACH
+IEROWNIK+ATEDRYI:AKŒADUDRHABNMED*ERZY0ACHAPROFNADZW35-
Streszczenie
Apoptoza odgrywa ważną rolę w patomechanizmie różnych chorób zakaźnych.
Zaprogramowana śmierć komórki jest ważnym mechanizmem zarówno w rozwoju jak i utrzymaniu homeostazy w rozwiniętych tkankach poprzez usuwanie komórek niepotrzebnych organizmowi, zainfekowanych,
transformowanych bądź uszkodzonych. W wyniku
apoptozy komórki wykazują charakterystyczną morfologię. Komórka ulega fragmentacji, jej jądro i cytoplazma ulegają kondensacji a DNA występuje w postaci
oligonukleosomalnych fragmentów. Niektóre bakterie
np. z rodzaju Chlamydia posiadają zdolność indukowania i blokowania apoptozy.
Drobnoustroje z rodzaju Chlamydia należą do wewnątrzkomórkowych bakterii niewystępujących zewnętrznie i są transportowane z komórki do komórki
tylko jako nieaktywne formy metaboliczne.
Abstract
Apoptosis plays an important role in the patomechanizm of various infectious disease. The microbes of
genus Chlamydia have the ability to induce or block
apoptosis.
Programmed cell death is an important mechanism in
both development and homeostasis in adult tissues for
the removal of either superfluous, infected, transformed
or damaged cells by activation of an intrinsic suicide
program. Cells undergoing apoptosis usually exhibit a
characteristic morphology, including fragmentation of
the cell into membrane-bound apoptotic bodies, nuclear
and cytoplasmic condensation and endolytic cleavage
of the DNA into small oligonucleosomal fragments.
Chlamydiae are obligate intercellular bacteria, that is to
say they cannot grow outside host cells and are transmitted from cell to cell only as metabolically inert forms.
Key words: apoptosis, Chlamydia
Słowa kluczowe: apoptoza, Chlamydia
Proces apoptozy odgrywa ważną rolę w obronie organizmu przed zakażeniem drobnoustrojami. Apoptoza to zaprogramowana śmierć komórki różna od martwicy. Stanowi
ciąg zdarzeń morfologicznych, biochemicznych i molekularnych prowadzących do śmierci komórki. Słowo to zostało wprowadzone w 1972 r. przez australijskiego patologa
J. Kerrego [1,2,3]. Synonimy apoptozy to aktywna, fizjologiczna, zaprogramowana śmierć komórki. Proces ten jest
niezbędny do prawidłowego funkcjonowania organizmu.
Odgrywa podstawową rolę w utrzymaniu homeostazy dzięki zachowaniu równowagi między proliferacją, a eliminacją zużytych lub patologicznych komórek z organizmu. Jej
głównymi cechami są: zmiana wielkości i kształtu komórki,
zmniejszenie objętości, a także kondensacja chromatyny w
jądrze. Podczas zaprogramowanej śmierci komórki orgaCOPYRIGHT‚'RUPADR!2+WIECIÊSKIEGO
)33.†
nelle oraz błona komórkowa zachowują integralność przez
dłuższy czas, niż w przypadku nekrozy. W wyniku zachodzących zmian powstają ciałka apoptotyczne, które ulegają
w organizmie fagocytozie. W przeciwieństwie do nekrozy
nie towarzyszy temu odczyn zapalny ze strony otaczających
tkanek, gdyż nie dochodzi w niej do uszkodzenia błony komórkowej i przedostania się składników wnętrza komórki
do otoczenia.
Życie komórki zależy od homeostazy pomiędzy inhibitorami apoptozy, a aktywatorami tego procesu. Poznanych
zostało wiele czynników wpływających na inhibicję oraz
aktywacje procesu apoptozy. Czynniki te mogą być zarówno pochodzenia zewnątrz- jak i wewnątrzkomórkowego.
Do sygnałów pobudzających komórkę do zapoczątkowania
procesu programowanej śmierci komórki zaliczamy między
&ARMACEUTYCZNY
0RZEGL’D.AUKOWY
–ŸœkUŸžŸ¤°°U
innymi indukcję białka p53, oraz białek z rodziny Bcl-2
[4,5]. Wiadomo jednak, iż bakterie, wykształciły wiele mechanizmów prowadzących do zahamowania programowanej śmierci komórki.
Apoptoza może przebiegać jedną z dwóch dróg: zewnątrzpochodną, do której zaliczana jest ścieżka receptorowa
oraz szlak zależny od perforyn i granzymów, a także wewnątrzpochodną, zależną od mitochondrium lub siateczki
śródplazmatycznej. Niezależnie jednak od źródła sygnału
w wyniku inicjacji następuje aktywacja enzymów proteolitycznych – kaspaz. Są to enzymy z grupy proteaz cysteinowych rozszczepiających polipeptydy po reszcie kwasu
aspargninowego. Syntetyzowane są w komórkach jako prokaspazy. Ze względu na funkcje w procesie apoptozy możemy wyróżnić kaspazy inicjujące kaspaza-2,8,9,10,12 , oraz
kaspazy efektorowe - kaspaza 3,6,7 [4,5].
Szlak receptorowy zostaje zapoczątkowany na skutek
związania liganda z receptorem śmierci na powierzchni
komórki, należącym do nadrodziny receptorów TNF [6].
Podstawowym etapem przekazania sygnału jest formowanie kompleksu DISC w przypadku drogi zewnątrzpochodnej
oraz apoptosomu w przypadku drogi wewnątrzpochodnej.
Do kompleksów tych zostają przyłączone i aktywowane
w następnej kolejności kaspazy inicjujące. W wyniku tej
reakcji następuje aktywacja kaspaz efektortowych odpowiedzialnych za bezpośrednią destrukcje komórki. Ogniwem łączącym oba szlaki jest białko Bid należące do rodziny białek
bcl-2. Do rodziny tej należą białka proapoptotyczne (podrodzina BH3 oraz Bax) oraz białka antyapoptotyczne (Bcl-2,
Bcl-x). Zlokalizowane są one w obrębie błony mitochondrialnej. Ich zasadniczą funkcją jest regulacja przepuszczalności błony. Do białek zwiększających przepuszczalność
należą proteiny z podrodziny BH3 oraz Bax [4,5,7]. Przykładem może być tu białko Bid, które ulega proteolizie i w
formie skróconej t-Bid przedostaje się do mitochondrium,
gdzie doprowadza do uwolnienia białek apoptogennych, co
w konsekwencji prowadzi do aktywacji szlaku wewnątrzpochodnego. W skutek uwolnienia cytochromu c do cytozolu następuje jego wiązanie się z czynnikami aktywującymi
proteazy apoptozy (Apaf-1) i wraz z prokaspazą-9 tworzą
apoptosom, co prowadzi do aktywacji kaskady kaspaz.
Przewaga Bcl-2 w zewnętrznej błonie mitochondrium uniemożliwia ucieczkę białek do cytozolu, co chroni komórkę
przez śmiercią [4,5].
Trzecia dość słabo poznana droga aktywacji apoptozy
przebiega z udziałem zlokalizowanych w błonie komórkowej perforyn, które wiążą wybiórczo granzym B w wyniku
czego dochodzi do uszkodzenia błony komórkowej i bezpośredniej aktywacji kaspazy-3.
Drobnoustrojami, o których wiadomo, że wykształciły
mechanizmy antyapoptotyczne są bakterie z rodzaju Chlamydia. Wśród tej grupy możemy wyróżnić trzy patogenne
dla człowieka gatunki takie jak Chlamydia trachomatis,
Chlamydia psittaci oraz Chlamydia pneumoniae. Ch. trachomatis jest patogenem wywołującym wiele różnych chorób między innymi stany zapalne narządów płciowych kobiet, a w krajach tropikalnych odpowiedzialna jest za ciężką
postać infekcji rogówki i spojówek [8]. Ch. pneumoniae odpowiedzialna jest za infekcje górnych dróg oddechowych,
zapalenie płuc oraz może być przyczyną miażdżycy. Bak-
&ARMACEUTYCZNY
0RZEGL’D.AUKOWY
terie z rodziny Chlamydia są to drobnoustroje Gram-ujemne
o kulistym kształcie i trójwarstwowej budowie błony. Ich
wielkość nie przekracza 1,3 μm. Posiadają wiele enzymów
i są zdolne do samodzielnego przeprowadzania procesów metabolicznych, jednak mimo to są całkowicie zależne od ATP
dostarczanego przez gospodarza. Bakterie te charakteryzuje
oryginalny, wewnątrzkomórkowy cykl rozwojowy [9,10,11].
Bakterie te mogą wywierać silny antyapoptyczny efekt
w komórkach, który jest rezultatem nadekspresji genów
kodujących białko Bcl-2. Zmniejszenie zdolności do indukcji apoptozy zwiększa szanse transformacji nowotworowej
komórki. Najczęstszą postacią kliniczną zakażenia Ch. trachomatis u kobiet w jest zapalenie szyjki macicy . Dane epidemiologiczne sugerują, że Ch. trachomatis stanowi jeden
z głównych czynników predysponujący do rozwoju procesu nowotworowego szyjki macicy. Istnieją także dowody
wykazujące związek przewlekłej infekcji Ch. pneumoniae
z rakiem płuc [12].
Mechanizmy hamujące proces apoptozy mogą działać pośrednio lub bezpośrednio na śmierć komórki. Bezpośrednie
oddziałanie bakterii Ch. trachomatis na apoptozę polega na
hamowaniu lub uszkodzeniu białek biorących czynny udział
w programowanej śmierci komórki. Natomiast działanie pośrednie następuje na poziomie szlaków przekaźnikowych
zlokalizowanych wewnątrz zainfekowanej komórki gospodarza takich jak NFκB np. Ch. pneumoniae, oraz PI3K/Akt
np. Ch. trachomatis. Badania wykazały, że główna droga
hamowania procesu apoptozy w komórkach zainfekowanych drobnoustrojami z rodziny Chlamydia polega na inhibicji uwalniania cytochromu c w mitochondriach.
Bezpośrednie oddziaływanie z elementami szlaku apoptozy wykazują także inne bakterie takie jak Neisseria gonorrhoeae, Mycobacterium tuberculosis oraz Escherichia
coli. Bakterie z rodziny Chlamydia hamują proces apoptozy
poprzez czynną proteolizę białek proapoptotycznych należących do nadrodziny Bcl-2 takich jak: Bad, t-Bid, Bik, Bak
oraz Bax. Przypuszcza się, że drobnoustroje te wydzielają do
cytozolu proteazy odpowiedzialne za degradację tych białek
[13,14]. Sygnał do aktywacji apoptozy następuje w efekcie
nagromadzenia się białek proapoptotyczych na zewnętrznej
błonie mitochondrialnej. W procesie proteolizy tych białek
przewagę uzyskują białka antyapoptotyczne w wyniku czego
zahamowane zostaje otwarcie kanałów w błonie mitochondrialnej, co uniemożliwia przedostawanie się czynnika aktywującego apoptozę AIF oraz cytochromu c do cytozolu. W wyniku tych zaburzeń nie dochodzi do tworzenia się apoptosomu,
odpowiedzialnego za aktywację kaskady kaspaz, czego konsekwencją jest zahamowanie procesu programowanej śmierci
komórki. Najprawdopodobniej nie jest to jedyny bezpośredni
mechanizm hamowania apoptozy [4,5,15,16,17,18].
Duże znaczenie w hamowaniu apoptozy przypisuje się
oddziaływaniu bakterii poprzez czynnik jądrowy NFκB.
Jest to czynnik pośrednio wpływający na proces apoptozy
poprzez białko cFLIP będące inhibitorem kaspazy 8 oraz
białko cIAP. NFκB jest regulatorem wielu genów antyapoptotycznych. Aktywacja tego czynnika prowadzi do powstania dużej ilości produktów ekspresji genów kontrolowanych
poprzez NFκB, co w konsekwencji prowadzi do zahamowania procesu apoptozy. Zidentyfikowano szereg produktów
ekspresji genu NFκB o działaniu antyapoptotycznym. Wśród
COPYRIGHT‚'RUPADR!2+WIECIÊSKIEGO
)33.†
–ŸœkUŸžŸ¤°°U
tych produktów na uwagę zasługują inhibitory apoptozy
IAPs, (do których zalicza się komórkowy inhibitor apoptozy
cIAP) oraz inhibitory kaspazy-8 (FADD oraz cFLIP). Białko cIAP wiąże się bezpośrednio z kaspazami efektorowymi
zapobiegając tym samym aktywacji proteolitycznej kaspazy 6
oraz 9. Hamowanie apoptozy jest więc skutkiem oddziaływań
genomowych NFκB. Białko cFLIP hamuje apoptozę poprzez
bezpośrednie oddziaływanie na prokaspazę-8. Dodatkowo
aktywowane białko cFLIP jest silnym aktywatorem uwalniania jądrowego czynnika –κB [15,16,19,20].
Z antyapoptotycznym działaniem bakterii z rodzaju
Chlamydia związane są szlaki przekaźnikowe obejmujące
3-kinazę fosfatydylinozytolu oraz kinezę białkową B (Akt).
Akt aktywowana jest za pośrednictwem PI-3K w skutek
ufosforylowania tyrozyny w jej podjednostce katalitycznej
p85. Aktywowany enzym Akt odgrywa w życiu komórki wiele funkcji m.in. odpowiedzialny jest za proliferację,
metabolizm oraz apoptozę komórki. Kinaza Akt może być
inhibitorem apoptozy poprzez bezpośrednie oddziaływanie
na czynniki proapoptotyczne. W komórkach zakażonych
Chlamydia trachomatis następuje aktywacja kinezy PI3K,
która wpływa z kolei na aktywację enzymy Akt. Następuje
zahamowanie uwalniania cytochromu c i w konsekwencji
dochodzi do zaburzenia procesu apoptozy w komórkach zainfekowanych bakteriami z rodzaju Chlamydia. Kinaza Akt
hamuje apoptozę komórek także poprzez pobudzenie potencjału transaktywacyjnego p50/p65 (NFκB). Podwyższona aktywność PI3K/Akt oraz wynikająca z niej aktywacja
NFκB jest potrzebna komórce do poprawienia jej przeżywalności [16,21,22].
Proces apoptozy odgrywa ogromne znaczenie z patogenezie schorzeń wywoływanych przez bakterie. Zaburzenia
procesu naturalnej apoptozy prowadzą do szerzenia się
zakażenia i nasilenia odpowiedzi przeciwzapalnej. Konsekwencją tego może być jeszcze większe uszkodzenie zakażonych tkanek [2] lub nabywanie przez komórki cech nowotworowych co obserwuje się w przypadku zakażeń np.
Chlamydia trachomatis [16]. Przypuszcza się, że dokładne
poznanie procesów indukcji programowanej śmierci komórki poprzez bakterie z rodzaju Chlamydia przyczyni się do
zahamowania infekcji przez nie wywoływanych oraz skuteczniejszego leczenia zakażeń.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
Piśmiennictwo:
19.
1.
2.
3.
4.
5.
Urbanek T. i wsp. Apoptoza w schorzeniach układu naczyniowego – implikacje kliniczne, przegląd piśmiennictwa. Chir. Pol. 2003; 5, 47 – 58.
Baś M i wsp., Apoptoza – programowana śmierć komórki. Część III. Rola apoptozy w procesach fizjologicznych
i patologicznych. Życie Wet. 2004; 79, 671 – 675.
Maruniewicz M., Wojtaszka P. Pochodzenie i ewolucja śmierci komórki. Post. Biol. Kom. 2007;
34(4), 651-667.
Kopaczewska M., Kopaczewski B. Apoptoza – genetycznie zaprogramowana śmierć komórki. Nowiny Lek.
2004; 73, 389 – 392.
Kopczewska M., Kopczewski B. Apoptoza – podstawy molekularne patogenezy guzów mózgu. Neuroskop
2004; 6, 132 – 135.
COPYRIGHT‚'RUPADR!2+WIECIÊSKIEGO
)33.†
20.
21.
22.
Grygorczuk S i wsp., Stężenie białka sFas I sFasL w hodowli
komórek jednojądrzastych krwi obwodowej chorych z późną
Boleriozą z Lyme. Przegl. Epidemiol. 2007, 61, 51 – 58.
Dworakowska D. Rola białka p53, pRb, p21 WAF1/CIP1,
PCNA, mdm2 oraz cykliny D1 w regulacji cyklu
komórkowego oraz apoptozy. Okol. Pol. 2005; 8,
223 – 228.
Fischer S. Protection against CD95 – Induced Apoptosis by Chlamydial Infection at a Mitochondrial Step. .
Infect. Immun. 2004; 72, 1107 – 1115.
Gornowicz J. Chlamydia trachomatis - charakterystyka
patogenu i diagnostyka zakażeń. Post. Dermatol. Alergol. 2008; 25, 125 – 128.
Balsara Z R. Chlamydia trachomatis Infection Induces
Cleavage of the Mitotic Cyclin B1. Infec. Immun. 2006;
74, 5602 – 5608.
Yaraei K i wsp. Chlamydia pneumoniae Augments the
Oxidized Low – Dentisity Lipoprotein – Induced Death
of Mouse Macrophages by a Caspase – Independent
Pathway. Infec. Immun. 2005; 73, 4315 – 4322.
Szkaradkiewicz A. Drobnoustroje i onkogeneza. Wsp.
Onkol. 2003; 7, 2, 96 – 101.
Dong F. i wsp. Degradation of the proapoptotic proteins
Dik, Puma and Bik with Bcl-2 domain 3 homology In
Chlamydia trachomatis infected cells. Infect. Immun.
2005; 73,1861-1864.
Kwiecińska J i wsp., Rola pałeczek gram – ujemnych
w indukcji / regulacji apoptozy. Post. Mikrobiol. 2007;
46, 2: 125 – 137.
Węglarczyk K. i wsp. Caspase-8 activation precedes
alterations of mitochondria membrane potential during
monocyte apoptosis induced by phagocytosis and killing of Staphylococcus aureus. Infect. Immun. 2004; 72,
2590-97
Reśliński A i wsp., Właściwości antyapoptyczne bakterii. Post. Mikrobiol. 2008; 47(1), 23 – 33.
Eickhoff M. Host Cell Responses to Chlamydia pneumoniae in Gamma Interferon - Induced Persistence
Overlap Those of Productive Infection and Are Linked
to Genes Involved in Apoptosis, Cell Cycle, and Metabolism. Infect. Immun. 2007; 75, 2853 – 2863.
Fischer S. i wsp. Characterization of antiapoptotic activities of Chlamydia pneumoniae in human cells. Infect. Immun. 2001; 69, 7121-7129.
Appelt D M. Inhibition of apoptosis in neuronal cells
infected with Chlamydophila (Chlamydia) pneumoniae. BMC Neurosci 2008; 9, 13.
Perfettini J L i wsp. Inhibition of Apoptosis by Gamma
Interferon in Cells and Mice Infected with Chlamydia
muridarum (the Mouse Pneumonitis Strain of Chlamydia trachomatis). Infec. Immun. 2002; 70, 2559 – 2565.
Pająk B., Orzechowski A. Złożony charakter niewrażliwości immunologicznej ludzkiego raka jelita grubego
na niektóre cytokiny ( TNF- alfa, interferony) na przykładzie linii komórkowej COLO 205. Mechanizm niewrażliwości- z uwzględnieniem białek sygnałowych.
Post. Hig. Med. Dośw. 2004, 58, 428 – 437.
Piotrkowska A. i wsp. Budowa białek z rodziny NF-κB i ich
rola w procesie apoptozy. Postępy Hig Med. Dość. 2008;
62:64-74.
&ARMACEUTYCZNY
0RZEGL’D.AUKOWY