Apoptose

Apoptose (do grego antigo: ἀπόπτωσις, romanizado: apóptōsis, lit. 'caindo') é uma forma de morte celular programada que ocorre em organismos multicelulares. Eventos bioquímicos levam a alterações celulares características (morfologia) e morte. Essas alterações incluem bolhas, encolhimento celular, fragmentação nuclear, condensação da cromatina, fragmentação do DNA e decaimento do mRNA. O ser humano adulto médio perde entre 50 e 70 bilhões de células por dia devido à apoptose. Para uma criança humana média entre oito e quatorze anos, aproximadamente vinte a trinta bilhões de células morrem por dia.

Em contraste com a necrose, que é uma forma de morte celular traumática resultante de lesão celular aguda, a apoptose é um processo altamente regulado e controlado que confere vantagens durante o ciclo de vida de um organismo. Por exemplo, a separação dos dedos das mãos e dos pés em um embrião humano em desenvolvimento ocorre porque as células entre os dedos sofrem apoptose. Ao contrário da necrose, a apoptose produz fragmentos celulares chamados corpos apoptóticos que os fagócitos são capazes de engolir e remover antes que o conteúdo da célula possa se espalhar para as células vizinhas e causar danos a elas.

Como a apoptose não pode parar depois de iniciada, é um processo altamente regulado. A apoptose pode ser iniciada através de uma de duas vias. Na via intrínseca a célula se mata porque sente o estresse celular, enquanto na via extrínseca a célula se mata por causa dos sinais de outras células. Sinais externos fracos também podem ativar a via intrínseca da apoptose. Ambas as vias induzem a morte celular pela ativação de caspases, que são proteases, ou enzimas que degradam proteínas. As duas vias ativam caspases iniciadoras, que então ativam caspases executoras, que então matam a célula degradando proteínas indiscriminadamente.

Além de sua importância como fenômeno biológico, processos apoptóticos defeituosos têm sido implicados em uma ampla variedade de doenças. A apoptose excessiva causa atrofia, enquanto a insuficiente resulta em proliferação celular descontrolada, como o câncer. Alguns fatores como receptores Fas e caspases promovem a apoptose, enquanto alguns membros da família de proteínas Bcl-2 inibem a apoptose.

Descoberta e etimologia

O cientista alemão Carl Vogt foi o primeiro a descrever o princípio da apoptose em 1842. Em 1885, o anatomista Walther Flemming apresentou uma descrição mais precisa do processo de morte celular programada. No entanto, não foi até 1965 que o tema ressuscitou. Enquanto estudava tecidos usando microscopia eletrônica, John Kerr, da Universidade de Queensland, conseguiu distinguir a apoptose da morte celular traumática. Após a publicação de um artigo descrevendo o fenômeno, Kerr foi convidado a se juntar a Alastair Currie, assim como Andrew Wyllie, que era aluno de pós-graduação de Currie, na Universidade de Aberdeen. Em 1972, o trio publicou um artigo seminal no British Journal of Cancer. Kerr inicialmente usou o termo necrose celular programada, mas no artigo, o processo de morte celular natural foi chamado de apoptose. Kerr, Wyllie e Currie creditaram a James Cormack, professor de língua grega na Universidade de Aberdeen, a sugestão do termo apoptose. Kerr recebeu o Prêmio Paul Ehrlich e Ludwig Darmstaedter em 14 de março de 2000, por sua descrição da apoptose. Ele dividiu o prêmio com o biólogo de Boston H. Robert Horvitz.

Por muitos anos, nem "apoptose" nem "morte celular programada" foi um termo muito citado. Duas descobertas trouxeram a morte celular da obscuridade para um importante campo de pesquisa: a identificação do primeiro componente do controle da morte celular e dos mecanismos efetores e a ligação de anormalidades na morte celular com doenças humanas, em particular o câncer. Isso ocorreu em 1988, quando foi demonstrado que o BCL2, o gene responsável pelo linfoma folicular, codificava uma proteína que inibia a morte celular.

O Prêmio Nobel de Medicina de 2002 foi concedido a Sydney Brenner, H. Robert Horvitz e John Sulston por seu trabalho na identificação de genes que controlam a apoptose. Os genes foram identificados por estudos no nematóide C. elegans e homólogos desses genes funcionam em humanos para regular a apoptose.

John Sulston ganhou o Prêmio Nobel de Medicina em 2002, por sua pesquisa pioneira em apoptose.

Em grego, a apoptose se traduz em "queda" de folhas de uma árvore. Cormack, professor de língua grega, reintroduziu o termo para uso médico, pois tinha um significado médico para os gregos mais de dois mil anos antes. Hipócrates usou o termo para significar "a queda dos ossos". Galeno estendeu seu significado para "a queda das crostas". Sem dúvida, Cormack estava ciente desse uso quando sugeriu o nome. O debate continua sobre a pronúncia correta, com opiniões divididas entre uma pronúncia com o segundo p silencioso (ap-ə-TOH-sis) e o segundo p pronunciado (). Em inglês, o p do encontro consonantal grego -pt- é tipicamente silencioso no início de uma palavra (por exemplo, pterodáctilo, Ptolomeu), mas articulado quando usado em formas combinadas precedido de vogal, como em helicóptero ou nas ordens dos insetos: dípteros, lepidópteros, etc.

No Kerr original, Wyllie & Currie paper, há uma nota de rodapé sobre a pronúncia:

Estamos muito gratos ao professor James Cormack do Departamento de Grego, Universidade de Aberdeen, por sugerir este termo. A palavra "apoptose" (ἀ) é usado em grego para descrever o "queda fora" ou "queda fora" de pétalas de flores, ou folhas de árvores. Para mostrar claramente a derivação, propomos que o estresse deve estar na sílaba penúltima, a segunda metade da palavra que está sendo pronunciada como "ptose" (com o "p" silencioso), que vem da mesma raiz "para cair", e já é usado para descrever o drooping da pálpebra superior.

Mecanismos de ativação

Controlo dos mecanismos apoptóticos

O início da apoptose é rigidamente regulado por mecanismos de ativação, porque uma vez iniciada a apoptose, ela inevitavelmente leva à morte da célula. Os dois mecanismos de ativação mais bem compreendidos são a via intrínseca (também chamada de via mitocondrial) e a via extrínseca. A via intrínseca é ativada por sinais intracelulares gerados quando as células estão estressadas e depende da liberação de proteínas do espaço intermembrana das mitocôndrias. A via extrínseca é ativada por ligantes extracelulares que se ligam a receptores de morte da superfície celular, o que leva à formação do complexo de sinalização indutora de morte (DISC).

Uma célula inicia a sinalização apoptótica intracelular em resposta a um estresse, o que pode levar ao suicídio celular. A ligação de receptores nucleares por glicocorticóides, calor, radiação, privação de nutrientes, infecção viral, hipóxia, aumento da concentração intracelular de ácidos graxos livres e aumento da concentração intracelular de cálcio, por exemplo, por danos à membrana, podem desencadear a liberação de apoptose intracelular sinais por uma célula danificada. Vários componentes celulares, como a poli ADP ribose polimerase, também podem ajudar a regular a apoptose. Flutuações de células individuais foram observadas em estudos experimentais de apoptose induzida por estresse.

Antes que o processo real de morte celular seja precipitado por enzimas, os sinais apoptóticos devem fazer com que as proteínas reguladoras iniciem a via da apoptose. Essa etapa permite que esses sinais causem a morte celular ou que o processo seja interrompido, caso a célula não precise mais morrer. Várias proteínas estão envolvidas, mas dois métodos principais de regulação foram identificados: o direcionamento da funcionalidade da mitocôndria ou a transdução direta do sinal via proteínas adaptadoras para os mecanismos apoptóticos. Uma via extrínseca para iniciação identificada em vários estudos de toxina é um aumento na concentração de cálcio dentro de uma célula causado pela atividade da droga, que também pode causar apoptose por meio de uma protease de ligação ao cálcio calpaína.

Via intrínseca

A via intrínseca também é conhecida como via mitocondrial. As mitocôndrias são essenciais para a vida multicelular. Sem eles, uma célula deixa de respirar aeróbica e morre rapidamente. Este fato forma a base para algumas vias apoptóticas. As proteínas apoptóticas que têm como alvo as mitocôndrias as afetam de maneiras diferentes. Eles podem causar inchaço mitocondrial através da formação de poros da membrana, ou podem aumentar a permeabilidade da membrana mitocondrial e causar o vazamento de efetores apoptóticos. Eles estão intimamente relacionados à via intrínseca, e os tumores surgem mais frequentemente pela via intrínseca do que pela via extrínseca devido à sensibilidade. Há também um crescente corpo de evidências indicando que o óxido nítrico é capaz de induzir a apoptose ajudando a dissipar o potencial de membrana da mitocôndria e, portanto, torná-la mais permeável. O óxido nítrico tem sido implicado na iniciação e inibição da apoptose por meio de sua possível ação como molécula sinalizadora de vias subsequentes que ativam a apoptose.

Durante a apoptose, o citocromo c é liberado da mitocôndria através da ação das proteínas Bax e Bak. O mecanismo dessa liberação é enigmático, mas parece originar-se de uma multiplicidade de homo e heterodímeros Bax/Bak de Bax/Bak inseridos na membrana externa. Uma vez que o citocromo c é liberado, ele se liga ao fator ativador de protease apoptótica - 1 (Apaf-1) e ATP, que então se ligam à pro-caspase-9 para criar um complexo proteico conhecido como apoptossomo. O apoptossoma cliva a pró-caspase em sua forma ativa de caspase-9, que por sua vez cliva e ativa a pró-caspase no efetor caspase-3.

As mitocôndrias também liberam proteínas conhecidas como SMACs (segundo ativador de caspases derivado da mitocôndria) no citosol da célula após o aumento da permeabilidade das membranas da mitocôndria. SMAC liga-se a proteínas que inibem a apoptose (IAPs), desativando-as, impedindo que as IAPs interrompam o processo e, portanto, permitindo que a apoptose prossiga. A IAP também normalmente suprime a atividade de um grupo de proteases de cisteína chamadas caspases, que realizam a degradação da célula. Portanto, as enzimas de degradação real podem ser vistas como indiretamente reguladas pela permeabilidade mitocondrial.

Via extrínseca

Visão geral das vias de transdução de sinais

Visão geral da sinalização TNF (esquerda) e Fas (direita) na apoptose, um exemplo de transdução direta do sinal

Duas teorias da iniciação direta de mecanismos apoptóticos em mamíferos foram sugeridas: o modelo induzido por TNF (fator de necrose tumoral) e o modelo mediado por ligante Fas-Fas modelo, ambos envolvendo receptores da família dos receptores de TNF (TNFR) acoplados a sinais extrínsecos.

Via do TNF

TNF-alfa é uma citocina produzida principalmente por macrófagos ativados, sendo o principal mediador extrínseco da apoptose. A maioria das células do corpo humano possui dois receptores para TNF-alfa: TNFR1 e TNFR2. Foi demonstrado que a ligação do TNF-alfa ao TNFR1 inicia a via que leva à ativação da caspase por meio das proteínas de membrana intermediárias domínio de morte associado ao receptor de TNF (TRADD) e proteína de domínio de morte associada ao Fas (FADD). cIAP1/2 pode inibir a sinalização de TNF-α ligando-se a TRAF2. FLIP inibe a ativação da caspase-8. A ligação desse receptor também pode levar indiretamente à ativação de fatores de transcrição envolvidos na sobrevivência celular e nas respostas inflamatórias. No entanto, a sinalização através do TNFR1 também pode induzir apoptose de maneira independente da caspase. A ligação entre TNF-alfa e apoptose mostra porque uma produção anormal de TNF-alfa desempenha um papel fundamental em várias doenças humanas, especialmente nas doenças autoimunes. A superfamília de receptores TNF-alfa também inclui receptores de morte (DRs), como DR4 e DR5. Esses receptores se ligam ao proteinTRAIL e medeiam a apoptose. A apoptose é conhecida por ser um dos principais mecanismos da terapia direcionada contra o câncer. Recentemente, foram projetados híbridos luminescentes de complexo de irídio e peptídeo (IPHs), que imitam TRAIL e se ligam a receptores de morte em células cancerígenas, induzindo assim sua apoptose.

Via Fas

O receptor fas (primeiro sinal de apoptose) – (também conhecido como Apo-1 ou CD95) é uma proteína transmembrana da família TNF que se liga ao ligante Fas (Fas L). A interação entre Fas e FasL resulta na formação do complexo de sinalização indutora de morte (DISC), que contém o FADD, caspase-8 e caspase-10. Em alguns tipos de células (tipo I), a caspase-8 processada ativa diretamente outros membros da família das caspases e desencadeia a execução da apoptose da célula. Em outros tipos de células (tipo II), o Fas-DISC inicia um ciclo de feedback que espirala para aumentar a liberação de fatores pró-apoptóticos da mitocôndria e a ativação amplificada da caspase-8.

Componentes comuns

Após a ativação de TNF-R1 e Fas em células de mamíferos, um equilíbrio entre pró-apoptótico (BAX, BID, BAK ou BAD) e anti-apoptótico (Bcl -Xl e Bcl-2) membros da família Bcl-2 são estabelecidos. Este equilíbrio é a proporção de homodímeros pró-apoptóticos que se formam na membrana externa da mitocôndria. Os homodímeros pró-apoptóticos são necessários para tornar a membrana mitocondrial permeável para a liberação de ativadores de caspases, como citocromo c e SMAC. O controle de proteínas pró-apoptóticas sob condições celulares normais de células não apoptóticas não é totalmente compreendido, mas, em geral, Bax ou Bak são ativados pela ativação de proteínas somente BH3, parte da família Bcl-2.

Caspases

As caspases desempenham o papel central na transdução de sinais apoptóticos do RE. As caspases são proteínas altamente conservadas, proteases específicas de aspartato dependentes de cisteína. Existem dois tipos de caspases: caspases iniciadoras, caspases 2,8,9,10,11,12, e caspases efetoras, caspases 3,6,7. A ativação das caspases iniciadoras requer a ligação à proteína ativadora oligomérica específica. As caspases efetoras são então ativadas por essas caspases iniciadoras ativas por meio de clivagem proteolítica. As caspases efetoras ativas então degradam proteoliticamente uma série de proteínas intracelulares para realizar o programa de morte celular.

Via apoptótica independente de caspase

Também existe uma via apoptótica independente de caspase que é mediada por AIF (fator indutor de apoptose).

Modelo de apoptose em anfíbios

A rã anfíbia Xenopus laevis serve como um sistema modelo ideal para o estudo dos mecanismos da apoptose. De fato, o iodo e a tiroxina também estimulam a apoptose espetacular das células das brânquias, cauda e barbatanas larvais na metamorfose dos anfíbios e estimulam a evolução de seu sistema nervoso, transformando o girino vegetariano aquático no sapo carnívoro terrestre.

Reguladores negativos da apoptose

A regulação negativa da apoptose inibe as vias de sinalização da morte celular, ajudando os tumores a evitar a morte celular e a desenvolver resistência aos medicamentos. A proporção entre proteínas antiapoptóticas (Bcl-2) e pró-apoptóticas (Bax) determina se uma célula vive ou morre. Muitas famílias de proteínas atuam como reguladores negativos classificados em fatores antiapoptóticos, como IAPs e proteínas Bcl-2, ou fatores pró-sobrevivência, como cFLIP, BNIP3, FADD, Akt e NF-κB.

Cascata de caspase proteolítica: matando a célula

Muitos caminhos e sinais levam à apoptose, mas estes convergem para um único mecanismo que realmente causa a morte da célula. Depois que uma célula recebe estímulo, ela sofre degradação organizada de organelas celulares por caspases proteolíticas ativadas. Além da destruição das organelas celulares, o mRNA é rápida e globalmente degradado por um mecanismo ainda não totalmente caracterizado. O decaimento do mRNA é desencadeado muito cedo na apoptose.

Uma célula em apoptose apresenta uma série de alterações morfológicas características. As primeiras alterações incluem:

1. Retração celular e arredondamento ocorrem por causa da retração lamellipodia e a quebra do citoesqueleto proteico por caspases.
2. O citoplasma parece denso, e as organelas aparecem firmemente embalados.
3. A cromatina passa por condensação em remendos compactos contra o envelope nuclear (também conhecido como envelope perinuclear) em um processo conhecido como piknose, uma marca de apoptose.
4. O envelope nuclear torna-se descontínuo e o DNA dentro dele é fragmentado em um processo chamado karyorrhexis. O núcleo invade vários discos corpos de cromatina ou unidades nucleossômicas devido à degradação do ADN.

A apoptose progride rapidamente e seus produtos são rapidamente removidos, dificultando sua detecção ou visualização em cortes histológicos clássicos. Durante a cariorrexe, a ativação da endonuclease deixa fragmentos curtos de DNA, regularmente espaçados em tamanho. Estes dão uma característica "escada" aparência em gel de ágar após eletroforese. Testes para DNA laddering diferenciam apoptose de morte celular isquêmica ou tóxica.

Desmontagem de células apoptóticas

Passos diferentes na desmontagem de células apoptóticas

Antes que a célula apoptótica seja descartada, há um processo de desmontagem. Existem três etapas reconhecidas na desmontagem celular apoptótica:

1. Falha de membrana: A membrana celular mostra botões irregulares conhecidos como manchas. Inicialmente estas são pequenas manchas de superfície. Mais tarde estes podem crescer em maiores assim chamadas dinâmicas de membrana. Um regulador importante da blebbing da membrana celular apoptótica é ROCK1 (proteína de contenção de bobina enrolada de róleo associada a rógrase 1).
2. Formação de protrusões de membrana: Alguns tipos de células, em condições específicas, podem desenvolver diferentes tipos de extensões longas e finas da membrana celular chamada protrusões de membrana. Três tipos foram descritos: picos de microtúbulo, A população (pés da morte), e apoptopodia frisada (o último tendo uma aparência de beads-on-a-string). Pannexin 1 é um componente importante dos canais de membrana envolvidos na formação de apoptopodia e apoptopodia beaded.
3. Fragmentação: A célula se separa em várias vesículas chamadas corpos apoptóticos, que sofrem fagocitose. As protrusões da membrana plasmática podem ajudar a aproximar os corpos apoptóticos dos fagócitos.

Remoção de células mortas

A remoção de células mortas por células fagocíticas vizinhas foi denominada eferocitose. As células moribundas que passam pelos estágios finais da apoptose exibem moléculas fagocíticas, como a fosfatidilserina, em sua superfície celular. A fosfatidilserina é normalmente encontrada na superfície interna do folheto da membrana plasmática, mas é redistribuída durante a apoptose para a superfície extracelular por uma proteína conhecida como scramblase. Essas moléculas marcam a célula para fagocitose por células que possuem os receptores apropriados, como os macrófagos. A remoção das células moribundas pelos fagócitos ocorre de maneira ordenada, sem desencadear uma resposta inflamatória. Durante a apoptose, o RNA e o DNA celulares são separados um do outro e classificados em diferentes corpos apoptóticos; a separação do RNA é iniciada como segregação nucleolar.

Nocautes de caminho

Muitos knock-outs foram feitos nas vias da apoptose para testar a função de cada uma das proteínas. Várias caspases, além de APAF1 e FADD, foram mutadas para determinar o novo fenótipo. Para criar um nocaute do fator de necrose tumoral (TNF), um éxon contendo os nucleotídeos 3704–5364 foi removido do gene. Este éxon codifica uma porção do domínio maduro do TNF, bem como a sequência líder, que é uma região altamente conservada necessária para o processamento intracelular adequado. Camundongos TNF-/- desenvolvem-se normalmente e não apresentam grandes anormalidades estruturais ou morfológicas. No entanto, após a imunização com SRBC (hemácias de ovelha), esses camundongos demonstraram uma deficiência na maturação de uma resposta de anticorpos; eles foram capazes de gerar níveis normais de IgM, mas não conseguiram desenvolver níveis específicos de IgG. Apaf-1 é a proteína que ativa a caspase 9 por clivagem para iniciar a cascata da caspase que leva à apoptose. Uma vez que uma mutação -/- no gene APAF-1 é letal embrionária, uma estratégia de armadilha genética foi usada para gerar um camundongo APAF-1 -/-. Este ensaio é usado para interromper a função do gene criando uma fusão gênica intragênica. Quando uma armadilha do gene APAF-1 é introduzida nas células, muitas alterações morfológicas ocorrem, como espinha bífida, persistência de teias interdigitais e cérebro aberto. Além disso, após o dia embrionário 12,5, o cérebro dos embriões apresentou várias alterações estruturais. As células APAF-1 são protegidas de estímulos de apoptose, como irradiação. Um camundongo BAX-1 knock-out exibe formação normal do prosencéfalo e uma diminuição da morte celular programada em algumas populações neuronais e na medula espinhal, levando a um aumento nos neurônios motores.

As proteínas caspase são partes integrantes da via da apoptose, portanto, os knock-outs feitos têm resultados prejudiciais variados. Um nocaute da caspase 9 leva a uma malformação cerebral grave. Um nocaute da caspase 8 leva à insuficiência cardíaca e, portanto, à letalidade embrionária. No entanto, com o uso da tecnologia cre-lox, foi criado um knock-out da caspase 8 que exibe um aumento nas células T periféricas, uma resposta prejudicada das células T e um defeito no fechamento do tubo neural. Verificou-se que esses camundongos eram resistentes à apoptose mediada por CD95, TNFR, etc., mas não resistentes à apoptose causada por irradiação UV, drogas quimioterapêuticas e outros estímulos. Finalmente, um nocaute de caspase 3 foi caracterizado por massas celulares ectópicas no cérebro e características apoptóticas anormais, como bolhas de membrana ou fragmentação nuclear. Uma característica notável desses camundongos KO é que eles têm um fenótipo muito restrito: camundongos Casp3, 9, APAF-1 KO apresentam deformações do tecido neural e FADD e Casp 8 KO apresentaram desenvolvimento cardíaco defeituoso, porém, em ambos os tipos de KO outros órgãos desenvolveram-se normalmente e alguns tipos de células ainda eram sensíveis a estímulos apoptóticos, sugerindo a existência de vias pró-apoptóticas desconhecidas.

Métodos para distinguir células apoptóticas de necróticas

Imagem de células vivas de longo prazo (12h) de ratos multinucleados pré-Adipócitos tentando passar por mitose. Devido ao excesso de material genético a célula não replica e morre por apoptose.

Imagiologia de células vivas sem marcação, microscopia de lapso de tempo, fluorocitometria de fluxo e microscopia eletrônica de transmissão podem ser usadas para comparar células apoptóticas e necróticas. Existem também várias técnicas bioquímicas para análise de marcadores de superfície celular (exposição de fosfatidilserina versus permeabilidade celular por citometria de fluxo), marcadores celulares como fragmentação de DNA (citometria de fluxo), ativação de caspase, clivagem de Bid e liberação de citocromo c (Western blotting). A triagem de sobrenadante para liberação de caspases, HMGB1 e citoqueratina 18 pode identificar células necróticas primárias de secundárias. No entanto, nenhuma superfície distinta ou marcadores bioquímicos de morte celular necrótica foram identificados ainda, e apenas marcadores negativos estão disponíveis. Estes incluem ausência de marcadores apoptóticos (ativação de caspase, liberação de citocromo c e fragmentação de DNA oligonucleossomal) e cinética diferencial de marcadores de morte celular (exposição de fosfatidilserina e permeabilização da membrana celular). Uma seleção de técnicas que podem ser usadas para distinguir apoptose de células necroptóticas pode ser encontrada nessas referências.

Implicação na doença

Uma seção do fígado do mouse mostrando várias células apoptóticas, indicado por flechas

Uma seção do fígado do rato manchado para mostrar células submetidas à apoptose (laranja)

Ultraestrutura de cardiomiócitos neonatais após anoxia-reoxigenação

Caminhos defeituosos

Os muitos tipos diferentes de vias apoptóticas contêm uma infinidade de diferentes componentes bioquímicos, muitos deles ainda não compreendidos. Como uma via é de natureza mais ou menos sequencial, remover ou modificar um componente leva a um efeito em outro. Em um organismo vivo, isso pode ter efeitos desastrosos, muitas vezes na forma de doença ou distúrbio. Uma discussão de cada doença causada pela modificação das várias vias apoptóticas seria impraticável, mas o conceito subjacente a cada uma delas é o mesmo: o funcionamento normal da via foi interrompido de forma a prejudicar a capacidade da célula de sofrer apoptose normal. Isso resulta em uma célula que ultrapassa sua "data de validade" e é capaz de replicar e transmitir qualquer maquinário defeituoso para sua progênie, aumentando a probabilidade de a célula se tornar cancerosa ou doente.

Um exemplo recentemente descrito deste conceito em ação pode ser visto no desenvolvimento de um câncer de pulmão chamado NCI-H460. O inibidor da proteína de apoptose ligado ao X (XIAP) é superexpresso em células da linha celular H460. Os XIAPs se ligam à forma processada da caspase-9 e suprimem a atividade do ativador apoptótico citocromo c, portanto, a superexpressão leva a uma diminuição no número de agonistas pró-apoptóticos. Como consequência, o equilíbrio dos efetores anti-apoptóticos e pró-apoptóticos é alterado em favor dos primeiros, e as células danificadas continuam a se replicar, apesar de serem direcionadas para a morte. Defeitos na regulação da apoptose em células cancerígenas ocorrem frequentemente no nível de controle de fatores de transcrição. Como exemplo particular, defeitos em moléculas que controlam o fator de transcrição NF-κB no câncer alteram o modo de regulação da transcrição e a resposta a sinais apoptóticos, para reduzir a dependência do tecido ao qual a célula pertence. Este grau de independência dos sinais externos de sobrevivência pode permitir a metástase do câncer.

Desregulação de p53

A proteína supressora de tumor p53 se acumula quando o DNA é danificado devido a uma cadeia de fatores bioquímicos. Parte desta via inclui alfa-interferon e beta-interferon, que induzem a transcrição do gene p53, resultando no aumento do nível da proteína p53 e aumento da apoptose das células cancerígenas. O p53 impede que a célula se replique parando o ciclo celular em G1, ou interfase, para dar tempo à célula para se reparar; no entanto, induzirá a apoptose se o dano for extenso e os esforços de reparo falharem. Qualquer interrupção na regulação dos genes p53 ou interferon resultará em apoptose prejudicada e na possível formação de tumores.

Inibição

A inibição da apoptose pode resultar em vários tipos de câncer, doenças inflamatórias e infecções virais. Originalmente, acreditava-se que o acúmulo associado de células era devido a um aumento na proliferação celular, mas agora se sabe que também é devido a uma diminuição na morte celular. A mais comum dessas doenças é o câncer, a doença da proliferação celular excessiva, frequentemente caracterizada por uma superexpressão de membros da família IAP. Como resultado, as células malignas experimentam uma resposta anormal à indução da apoptose: os genes reguladores do ciclo (como p53, ras ou c-myc) são mutados ou inativados em células doentes e outros genes (como bcl-2) também modificam sua expressão em tumores. Alguns fatores apoptóticos são vitais durante a respiração mitocondrial, por ex. citocromo C. A inativação patológica da apoptose em células cancerígenas está correlacionada com frequentes mudanças metabólicas respiratórias em direção à glicólise (uma observação conhecida como “hipótese de Warburg”.

Célula HeLa

A apoptose nas células HeLa é inibida por proteínas produzidas pela célula; essas proteínas inibitórias têm como alvo proteínas supressoras de tumor de retinoblastoma. Essas proteínas supressoras de tumor regulam o ciclo celular, mas ficam inativas quando ligadas a uma proteína inibidora. O HPV E6 e E7 são proteínas inibitórias expressas pelo papilomavírus humano, sendo o HPV responsável pela formação do tumor cervical do qual derivam as células HeLa. O HPV E6 faz com que o p53, que regula o ciclo celular, se torne inativo. O HPV E7 liga-se às proteínas supressoras do tumor de retinoblastoma e limita sua capacidade de controlar a divisão celular. Essas duas proteínas inibitórias são parcialmente responsáveis pela proliferação das células HeLa. imortalidade ao inibir a ocorrência de apoptose.

Tratamentos

O principal método de tratamento para morte potencial por doenças relacionadas à sinalização envolve aumentar ou diminuir a suscetibilidade de apoptose em células doentes, dependendo se a doença é causada pela inibição ou excesso de apoptose. Por exemplo, os tratamentos visam restaurar a apoptose para tratar doenças com morte celular deficiente e aumentar o limiar apoptótico para tratar doenças envolvidas com morte celular excessiva. Para estimular a apoptose, pode-se aumentar o número de ligantes do receptor de morte (como TNF ou TRAIL), antagonizar a via anti-apoptótica Bcl-2 ou introduzir miméticos Smac para inibir o inibidor (IAPs). A adição de agentes como Herceptin, Iressa ou Gleevec funciona para impedir que as células se ciclem e causa a ativação da apoptose, bloqueando o crescimento e a sinalização de sobrevivência mais a montante. Finalmente, a adição de complexos p53-MDM2 desloca p53 e ativa a via p53, levando à parada do ciclo celular e apoptose. Muitos métodos diferentes podem ser usados para estimular ou inibir a apoptose em vários locais ao longo da via de sinalização de morte.

A apoptose é um programa de morte celular com várias etapas e várias vias que é inerente a todas as células do corpo. No câncer, a taxa de divisão celular da apoptose é alterada. O tratamento do câncer por quimioterapia e irradiação mata as células-alvo principalmente pela indução da apoptose.

Apoptose hiperativa

Por outro lado, a perda de controle da morte celular (resultando em excesso de apoptose) pode levar a doenças neurodegenerativas, doenças hematológicas e danos aos tecidos. É interessante notar que os neurônios que dependem da respiração mitocondrial sofrem apoptose em doenças neurodegenerativas, como Alzheimer e Parkinson. (uma observação conhecida como “hipótese inversa de Warburg”). Além disso, existe uma comorbidade epidemiológica inversa entre doenças neurodegenerativas e câncer. A progressão do HIV está diretamente ligada ao excesso de apoptose desregulada. Em um indivíduo saudável, o número de linfócitos CD4+ está em equilíbrio com o das células geradas pela medula óssea; no entanto, em pacientes HIV positivos, esse equilíbrio é perdido devido à incapacidade da medula óssea de regenerar as células CD4+. No caso do HIV, os linfócitos CD4+ morrem de forma acelerada por apoptose descontrolada, quando estimulados. No nível molecular, a apoptose hiperativa pode ser causada por defeitos nas vias de sinalização que regulam as proteínas da família Bcl-2. O aumento da expressão de proteínas apoptóticas como o BIM, ou a diminuição da sua proteólise, leva à morte celular e pode causar uma série de patologias, dependendo das células onde ocorre atividade excessiva do BIM. As células cancerígenas podem escapar da apoptose por meio de mecanismos que suprimem a expressão de BIM ou pelo aumento da proteólise de BIM.

Tratamentos

Tratamentos com o objetivo de inibir funcionam para bloquear caspases específicas. Finalmente, a proteína quinase Akt promove a sobrevivência celular através de duas vias. Akt fosforila e inibe Bad (um membro da família Bcl-2), fazendo com que Bad interaja com o andaime 14-3-3, resultando na dissociação de Bcl e, portanto, na sobrevivência celular. Akt também ativa IKKα, o que leva à ativação de NF-κB e à sobrevivência celular. O NF-κB ativo induz a expressão de genes anti-apoptóticos como o Bcl-2, resultando na inibição da apoptose. Verificou-se que o NF-κB desempenha um papel antiapoptótico e pró-apoptótico, dependendo dos estímulos utilizados e do tipo de célula.

Progressão do HIV

A progressão da infecção pelo vírus da imunodeficiência humana para a AIDS se deve principalmente ao esgotamento dos linfócitos T auxiliares CD4+ de uma maneira muito rápida para que a medula óssea do corpo reponha as células, levando a um comprometimento sistema imunológico. Um dos mecanismos pelos quais as células T auxiliares são esgotadas é a apoptose, que resulta de uma série de vias bioquímicas:

1. As enzimas do HIV desativam anti-apoptótica Bcl-2. Isso não causa diretamente a morte celular, mas prime a célula para apoptose deve o sinal apropriado ser recebido. Em paralelo, essas enzimas ativam o proapoptótico Procaspase... 8, que ativa diretamente os eventos mitocondriais da apoptose.
2. O HIV pode aumentar o nível de proteínas celulares que provocam a apoptose mediada por Fas.
3. As proteínas do HIV diminuem a quantidade de marcador de glicoproteína CD4 presente na membrana celular.
4. As partículas virais liberadas e as proteínas presentes no fluido extracelular são capazes de induzir a apoptose nas células vizinhas do auxiliar de T "porteiro".
5. O HIV diminui a produção de moléculas envolvidas na marcação da célula para a apoptose, dando tempo de vírus para replicar e continuar liberando agentes e virions apoptóticos no tecido circundante.
6. A célula CD4+ infectada também pode receber o sinal de morte de uma célula T citotóxico.

As células também podem morrer como consequências diretas de infecções virais. A expressão do HIV-1 induz parada G2/M de células tubulares e apoptose. A progressão do HIV para a AIDS não é imediata nem necessariamente rápida; A atividade citotóxica do HIV em relação aos linfócitos CD4+ é classificada como AIDS quando a contagem de células CD4+ de um determinado paciente cai abaixo de 200.

Pesquisadores da Universidade de Kumamoto, no Japão, desenvolveram um novo método para erradicar o HIV em células do reservatório viral, denominado "Lock-in e apoptose." Usando o composto sintetizado Heptanoylphosphatidyl L-Inositol Pentakisphophate (ou L-Hippo) para se ligar fortemente à proteína do HIV PR55Gag, eles foram capazes de suprimir o brotamento viral. Ao suprimir o brotamento viral, os pesquisadores conseguiram prender o vírus HIV na célula e permitir que a célula sofresse apoptose (morte celular natural). O professor associado Mikako Fujita afirmou que a abordagem ainda não está disponível para pacientes com HIV porque a equipe de pesquisa tem que realizar mais pesquisas sobre a combinação da terapia medicamentosa que existe atualmente com esse "Lock-in e apoptose" abordagem para levar à recuperação completa do HIV.

Infecção viral

A indução viral da apoptose ocorre quando uma ou várias células de um organismo vivo são infectadas por um vírus, levando à morte celular. A morte celular nos organismos é necessária para o desenvolvimento normal das células e a maturação do ciclo celular. Também é importante na manutenção das funções e atividades regulares das células.

Os vírus podem desencadear a apoptose de células infectadas através de uma variedade de mecanismos, incluindo:

• Ligação do receptor
• Ativação de proteína quinase R (PKR)
• Interação com p53
• Expressão de proteínas virais acopladas às proteínas do MHC na superfície da célula infectada, permitindo o reconhecimento por células do sistema imunológico (como o assassino natural e células T citotóxicos) que induzem a célula infectada a sofrer apoptose.

O vírus da cinomose canina (CDV) é conhecido por causar apoptose no sistema nervoso central e no tecido linfóide de cães infectados in vivo e in vitro. A apoptose causada pelo CDV é tipicamente induzida pela via extrínseca, que ativa caspases que interrompem a função celular e eventualmente levam à morte celular. Em células normais, o CDV ativa primeiro a caspase-8, que funciona como a proteína iniciadora, seguida pela proteína executora caspase-3. No entanto, a apoptose induzida por CDV em células HeLa não envolve a proteína iniciadora caspase-8. A apoptose de células HeLa causada por CDV segue um mecanismo diferente do que nas linhagens de células vero. Essa mudança na cascata da caspase sugere que o CDV induz a apoptose pela via intrínseca, excluindo a necessidade do iniciador caspase-8. Em vez disso, a proteína executora é ativada pelos estímulos internos causados pela infecção viral, não por uma cascata de caspases.

O vírus Oropouche (OROV) é encontrado na família Bunyaviridae. O estudo da apoptose provocada por Bunyaviridae foi iniciado em 1996, quando se observou que a apoptose era induzida pelo vírus La Crosse nas células renais de hamsters bebês e no cérebro de camundongos bebês.

OROV é uma doença que é transmitida entre humanos pelo mosquito picador (Culicoides paraensis). É referido como um arbovírus zoonótico e causa doença febril, caracterizada pelo início súbito de febre conhecida como febre de Oropouche.

O vírus Oropouche também causa ruptura em células cultivadas – células que são cultivadas em condições distintas e específicas. Um exemplo disso pode ser visto nas células HeLa, em que as células começam a degenerar logo após serem infectadas.

Com o uso da eletroforese em gel, pode-se observar que o OROV causa a fragmentação do DNA nas células HeLa. Pode ser interpretado contando, medindo e analisando as células da população de células Sub/G1. Quando as células HeLA são infectadas com OROV, o citocromo C é liberado da membrana da mitocôndria para o citosol das células. Esse tipo de interação mostra que a apoptose é ativada por uma via intrínseca.

Para que a apoptose ocorra dentro do OROV, é necessário o desencapsulamento viral, a internalização viral, juntamente com a replicação das células. A apoptose em alguns vírus é ativada por estímulos extracelulares. No entanto, estudos demonstraram que a infecção por OROV faz com que a apoptose seja ativada por meio de estímulos intracelulares e envolva a mitocôndria.

Muitos vírus codificam proteínas que podem inibir a apoptose. Vários vírus codificam homólogos virais de Bcl-2. Esses homólogos podem inibir proteínas pró-apoptóticas como BAX e BAK, essenciais para a ativação da apoptose. Exemplos de proteínas Bcl-2 virais incluem a proteína BHRF1 do vírus Epstein-Barr e a proteína E1B 19K do adenovírus. Alguns vírus expressam inibidores de caspase que inibem a atividade da caspase e um exemplo é a proteína CrmA dos vírus da varíola bovina. Embora vários vírus possam bloquear os efeitos do TNF e do Fas. Por exemplo, a proteína M-T2 dos vírus do mixoma pode se ligar ao TNF, impedindo-o de se ligar ao receptor do TNF e induzir uma resposta. Além disso, muitos vírus expressam inibidores de p53 que podem se ligar a p53 e inibir sua atividade de transativação transcricional. Como consequência, p53 não pode induzir apoptose, uma vez que não pode induzir a expressão de proteínas pró-apoptóticas. A proteína E1B-55K do adenovírus e a proteína HBx do vírus da hepatite B são exemplos de proteínas virais que podem desempenhar tal função.

Os vírus podem permanecer intactos desde a apoptose, em particular nos últimos estágios da infecção. Eles podem ser exportados nos corpos apoptóticos que se destacam da superfície da célula moribunda, e o fato de serem engolfados por fagócitos impede o início de uma resposta do hospedeiro. Isso favorece a propagação do vírus.

Plantas

A morte celular programada em plantas tem várias semelhanças moleculares com a apoptose animal, mas também tem diferenças, sendo notáveis a presença de uma parede celular e a falta de um sistema imunológico que remova os pedaços da célula morta. Em vez de uma resposta imune, a célula moribunda sintetiza substâncias para se decompor e as coloca em um vacúolo que se rompe quando a célula morre. Além disso, as plantas não contêm células fagocíticas, essenciais no processo de decomposição e remoção de corpos apoptóticos. Não está claro se todo esse processo se assemelha à apoptose animal o suficiente para garantir o uso do nome apoptose (em oposição à morte celular programada) mais geral.

Apoptose independente de caspase

A caracterização das caspases permitiu o desenvolvimento de inibidores de caspases, que podem ser usados para determinar se um processo celular envolve caspases ativas. Usando esses inibidores, descobriu-se que as células podem morrer enquanto exibem uma morfologia semelhante à apoptose sem ativação de caspases. Estudos posteriores associaram esse fenômeno à liberação de AIF (fator indutor de apoptose) da mitocôndria e sua translocação para o núcleo mediada por seu NLS (sinal de localização nuclear). Dentro da mitocôndria, o AIF está ancorado na membrana interna. Para ser liberada, a proteína é clivada por uma protease calpaína dependente de cálcio.

Notas de rodapé explicativas