Szelest opadających liści, czyli ze śmiercią nam do twarzy

Jesień przyszła i zadomowiła się za oknami na dobre. Wszechobecne opadające liście mogą nastrajać cokolwiek melancholijnie, prawdopodobnie jednak większość z was uzna skojarzenia ze śmiercią za idące nieco nazbyt daleko i być może zacznie posądzać patologów o niejaki katastrofizm. Niesłusznie, kochani, kochane, niesłusznie. W patologii takie skojarzenia są jak najbardziej na miejscu. I nie, nie chodzi o żarcik, wedle którego patologom po prostu wszystko kojarzy się ze śmiercią – patologom wszystko kojarzy się z preparatami (ewentualnie z jedzeniem), a nie ze śmiercią. Chodzi o pochodzenie pewnej nazwy.

Po lewej apoptotyczne bąbelki, po prawej pożerająca je biała krwinka; U.S. National Library of Medicine, domena publiczna, https://ghr.nlm.nih.gov/gallery

Po raz pierwszy świadomie zetknęłam się z apoptozą za czasów licealnych jeszcze, gdy któregoś popołudnia, zajrzawszy do gdańskiej księgarni PWN, zaczęłam przeglądać podręczniki i w którymś z nich uderzył mnie opis apoptozy właśnie. Ciałka apoptotyczne niczym bąbelki (nie, to nie będzie kolejna notka o zaśniadach, to inne bąbelki są); komórkowe samobójstwo; receptory śmierci; opadające liście. Brzmiało fascynująco. Nie wskażę już teraz na pewno co to było – może “Podstawy cytofizjologii” Kawiaka? “Cytobiochemia” Kłyszejko-Stefanowicz? Coś z zakresu biologii komórki w każdym razie. Apoptoza na stałe przykleiła mi się wtedy do pakietu zainteresowań. Autentycznie cierpiałam, kiedy na pierwszym roku, gdy w ramach zaliczenia z embriologii (obok klasycznych testów) przykazano nam wyrysowywać (tak, tak, o rękodzieło szło – kredki, flamastry, wyklejanki, wszystko to wielkoformatowe i oźródłowane) plakaty tematyczne, wykładowczyni nie zaakceptowała mojego planu malowania apoptozy. Oburzona uciszałam kolegów hałasujących podczas wykładów fakultatywnych z biologii molekularnej, gdzie ulubiony temat zajmował poczesne miejsce. Z zachwytem rzuciłam się na studenckie koło naukowe, które pośród przedstawianych młodzieży studenckiej zagadnień wyliczało apoptozę właśnie. Ot, każdy chyba ma jakieś swoje małe fijoły, ja wtedy miałam takie. Konsekwencje miała rzecz li tylko pozytywne – to bardzo dobre koło naukowe było.

A do nazwy wracając… Termin apoptoza wywodzi się z greckiego ἀπόπτωσις oznaczającego dosłowne odpadanie, opadanie, w domyśle liści właśnie bądź płatków kwiatów, a wprowadzili go do literatury biomedycznej w obecnym znaczeniu w roku 1972 John F. Kerr, Andrew H. Wyllie i Alastair R. Currie z Uniwersytetu w Aberdeen (po sugestii Jamesa Cormacka, profesora greki z tejże uczelni zresztą) celem opisania pewnej szczególnej formy śmierci komórek zwierzęcych. No właśnie. Po co specjalna osobna nazwa? No ok, komórki umierają. Umierają, to umierają, na… cóż drążyć temat? A jednak to, co ostatecznie Kerr z ekipą postanowił nazwać apoptozą, jest na tyle odrębną i istotną medycznie postacią śmierci komórki, że i przed Kerrem i spółką wiele o tym pisano, “jeszcze-nie-apoptozę” badały intensywnie tak zasłużone dla rozwoju biologii i medycyny osoby jak noblistka Rita Levi-Montalcini czy Viktor Hamburger, a wzmianki o podobnych procesach zachodzących u zwierząt pojawiały się już w wieku dziewiętnastym. Wreszcie w 2002 roku doczekała się apoptoza w końcu nawet “swojego” Nobla (nota bene nagrodzone badania dotyczyły umierających komórek robaka, którego już z patologów znacie, nicienia Caenorhabditis elegans).

Spokojnie i bez odczynu zapalnego umierająca na drodze apoptozy komórka wątroby; domena publiczna, NIH, https://pl.wikipedia.org/wiki/Plik:Apoptosis_mouseliver.jpg

Ha, rzecz w tym, że komórki umierają na wiele różnych sposobów, tak w sposób zaplanowany, jak i nie, czysto, schludnie i uporządkowanie, ale też bałaganiarsko, z pozostawieniem za sobą masy śmieci i reakcji zapalnej, z korzyścią dla organizmu, bądź też czyniąc niepowetowane straty. Wszystko zależy od mechanizmu i okoliczności. Śmierć to w końcu poważna rzecz. Nawet gdy dotyczy, bagatela, jakiejś tam tylko komórki.

Najprostszy podział komórkowego umierania, klarowny i doskonale binarny, zatem jak można się łatwo domyślić, uproszczony i nieco przez to zafałszowany, mówi iż komórki mogą umierać na drodze apoptozy bądź nekrozy. I – owszem – apoptoza to ta “dobra””, potrzebna i uporządkowana opcja. Zaplanowana, szczegółowo zaprogramowana i aktywnie przez samą komórkę egzekwowana – ot, komórkowe samobójstwo.

W pierwszej chwili rzecz może zabrzmieć nieco zaskakująco – jak to dobra? Jak to potrzebna? To “dobra” to oczywiście pewien skrót myślowy – w rzeczywistości apoptoza (a raczej apoptoza nadmierna bądź nie w czas przychodząca tudzież apoptozy niedobory) może leżeć u podstaw rozlicznych chorób, jest to jednak proces absolutnie dla naszego życia i rozwoju kluczowy. Ot, taki rozwój zarodkowy i płodowy chociażby.

Przykład najklasyczniejszy z klasycznych – by z płetewki powstała zwykła palczasta łapka (tu mysia akurat), pewne komórki muszą umrzeć; http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/ar.1092420114/abstract

Śmierć towarzyszy nam od samego niemal początku. Komórki zaczynają umierać jeszcze zanim zarodek zagnieździ się w ścianie macicy.

Obumierająca komórka w obrębie węzła zarodkowego; CC BY 4.0, http://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0022121

Pamiętacie jeszcze co dzieje się z zarodkiem zanim do tego dojdzie? Zanim wydrąży dziurę w wyściółce jamy macicy i na dobre zadomowi się w kobiecym organizmie? Komóreczki wywodzące się z zygoty dzielą się powoli, z dwóch powstają cztery, z czterech osiem, potem szesnaście. Choć, pardon, już w tym momencie notujemy tajemnicze zgony – co którejś komórce nie udaje się wejść do puli tych “szczęśliwszych”, dalej się dzielących (choć nadal nie jest stuprocentowo pewne czy to akurat apoptoza przyczynia się do ich eliminacji). Po kilku dniach od zapłodnienia komórki poza namnażaniem się zaczynają się także w końcu różnicować, a kulka zlepionych ze sobą dotąd identycznych komórek zaczyna powoli przemieniać się w blastocystę, banieczkę z wyodrębnionym węzłem zarodkowym, grupką docelowo mającą zdążać w stronę mniej czy bardziej wyczekiwanego płodu (w przeciwieństwie do reszty, która będzie współtworzyć łożysko). I tak, część komórek podczas procesu kawitacji, czyli opróżniania centrum banieczki, zróżnicuje się odpowiednio i przewędruje we właściwe miejsce, część zaś musi zakończyć swój żywot. Potem zresztą jest już tylko gorzej.

Początki rozwoju zarodkowego; Zephirys, Wikipedia, CC BY-SA 3.0; https://en.wikipedia.org/wiki/Human_embryogenesis#/media/File:HumanEmbryogenesis.svg

Żółto wybarwione umierające komórki nadmiarowej tkanki pomiędzy palcami; CC BY 4.0, https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/17194222

Zarodek wymusza zmiany morfologiczne części komórek endometrium (śluzówki jamy macicy), wymusza też jednak i śmierć przynajmniej części spośród nich. Jednocześnie sam rozwija się intensywnie, a zachodzące w nim przemiany znów wymagają uśmiercania coraz to kolejnych komórek. Ot, takie jamy ciała chociażby, w przypadku których część autorów postuluje intensywny udział apoptozy (rozwój serca, wyobraźcie sobie, na przykład) czy zaprezentowany kawałek wyżej czy obok proces rozwoju kończyn. Albo selekcja komórek nerwowych. Degradacja rozmaitych struktur przejściowych, niepotrzebnych w życiu pozapłodowym. Usuwanie wszelkich błędów i redukowanie nadmiarów. Śmierć zbiera obfite żniwo.

Nie inaczej wcale jest w życiu pozapłodowym. Każdego dnia powoli dojrzewają kolejne komórki naskórka, stopniowo obumierając, rogowaciejąc i złuszczając się w procesie nieco od apoptozy odmiennym, jednak i tu apoptoza i jej podobne procesy są niezbędnym elementem utrzymania równowagi. Zaburzenia w jej egzekucji leżą u podstawy rozlicznych schorzeń, tak nowotworowych, jak i nieonkologicznych – jest więc śmierć cichą bohaterką tak licznych nowotworów skórnych, jak i łuszczycy czy chorób pęcherzowych.

Comiesięcznym narastaniem i złuszczaniem błony śluzowej jamy macicy czy dojrzewaniem pęcherzyków jajnikowych rządzą hormony, ale w egzekucji ich wpływu niebagatelną rolę odgrywają nasze opadające liście, śmierć celowa i zaplanowana, czyli apoptoza. Obumrzeć muszą też zbędne komórki w gruczole piersiowym po zakończeniu laktacji. I tak, na pewno już się domyślacie – to też apoptoza. Zbędne już komórki popełniają samobójstwo.

Komórki raka prostaty zabijane przy pomocy etopozydu, znanego leku onkologicznego; zwróćcie uwagę na dziesiątki małych bąbelków, na które rozpadają się komórki – to jeden ze znaków rozpoznawczych apoptozy; Egelberg, Wikipedia, CC BY-SA 3.0

Apoptoza bezlitośnie eliminuje komórki układu odpornościowego niewłaściwie reagujące na bodźce (stąd też jej zaburzenia są intensywnie badane w chorobach autoimmunologicznych). Pomaga się pozbywać komórek uszkodzonych czy też po prostu nadmiarowych, zbędnych, zastępowanych nowymi. No i nie można zapomnieć o nowotworach. One zazwyczaj kojarzą się raczej z nadmiernym namnażaniem się, prawda? Ale halo, zaraz, jak to? Toż komórki, których mechanizmy kontrolne uległy takiemu rozprężeniu, że skłonne są mnożyć bezładnie, dziwaczeć i robić wszystko to, co czyni nowotwory nowotworami, winny zostać usunięte. Wyrzucone na śmietnik komórkowej historii. Wykasowane. No i prawda. Powinny. Tyle że u podstaw nowotworzenia zazwyczaj leżą nie tylko zaburzenia proliferacji, ale i defekty powstrzymujące procesy umierania. Zwykła komórka, gdy zaczyna się psuć, popełnia samobójstwo. Rozpoczyna proces apoptozy. Im bardziej komórka chora, tym większa szansa, że postanowi żyć dalej wbrew sygnałom z zewnątrz, wbrew imperatywom wewnętrznym. Tak, nieśmiertelność też potrafi zabijać. W niektórych nowotworach rzeczą drugorzędną jest, że komórki się mnożą, podstawowym problemem jest to, że uparcie nie chcą umrzeć.

Przewlekła białaczka limfocytowa – limfocyty, które nie chcą umrzeć; Ed Uthman, https://www.flickr.com/photos/euthman/2869815349/, CC BY 2.0

Taką najbardziej chyba klasyczną chorobą z nieśmiertelności jest przewlekła białaczka limfocytowa (chronic lymphocytic leukemia, CLL), najczęstsza białaczka dorosłych świata zachodniego. Zaburzenie (na wielu poziomach zresztą) mechanizmów śmierci komórkowej to podstawa w tym nowotworze i to pośród tych uszkodzeń właśnie nieustannie grzebią badacze z całego świata poszukujący sposobów walki ze zbuntowanymi krwinkami. Inna rzecz, że znajomość ścieżek, którymi dałoby się daną komórkę zabić, przydaje się też przy leczeniu różnych innych nowotworów złośliwych i wywoływanie apoptozy to chwyt nader często we współczesnej onkologii wykorzystywany. Punktem uchwytu najzrozmaitszych leków przeciwnowotworowych są białka składające się na szlaki prowadzące komórki do samobójstwa (choć nazywanie takiej wymuszonej apoptozy samobójstwem może brzmieć nieco ironicznie).

Pamiętacie może notkę, w której opowiadałam między innymi, jak to patolodzy poszukują w preparatach dzielących się komórek? Niejednokrotnie poszukują też komórek umierających. I to nie tylko podczas pracy naukowej, ale też podczas zwyczajnej codziennej diagnostyki. Śladów apoptozy poszukuje się między innymi przy ocenie choroby przeszczep przeciwko gospodarzowi (GVHD) w niektórych narządach czy podczas oceny przebiegu cyklu włosowego, mogą one też być wyznacznikiem zaburzeń polekowych; sztuką wreszcie niezwykle dla patologów przydatną jest umiejętność odróżniania zbitych, kurczących się komórek apoptotycznych od komórek akurat dzielących się. Bo też, owszem, apoptoza jest nie tylko ważna. Apoptoza jest również dość charakterystyczna.

Kiedy wspominałam, że apoptoza różni się od swej mrocznej, niechlujnej kuzynki, nekrozy, miałam na myśli też cechy czysto wizualne. Być może wychwyciliście podczas lektury wzmianki o bąbelkach (ciałkach apoptotycznych) i o schludności tego procesu. Tak, komórki umierające na drodze apoptozy giną nader elegancko. I w bardzo szczególny sposób.

Kolejne stadia apoptozy; CC BY-NC-ND 2.0, Paul Andrews, Wellcome Images, http://www.flickr.com/photos/wellcomeimages/5988140372/

Jak apoptoza jest aktywnym, ściśle kontrolowanym procesem, tak komórka nekrotyczna biernie podaje się losowi (niejednokrotnie wskutek czysto fizycznych, mechanicznych chociażby, uszkodzeń), po prostu ulegając rozkładowi. Puchnie, brzękną jej organella, na chaotyczne strzępki rozpada się DNA, błona komórkowa zaczyna pękać, a zawartość komórkowego zezwłoka rozlewa się wokół, alarmując otoczenie i wywołując reakcję zapalną.

(Żółte) komórki raka prostaty potraktowane chemioterapeutykiem rozpadają się na (czerwone) apoptotyczne bąbelki; Khuloud T. Al-Jamal & Izzat Suffian, Wellcome Images, CC BY-NC-ND 2.0, https://www.flickr.com/photos/wellcomeimages/15266801865/

Ciałka apoptotyczne, wątroba; domena publiczna, NIH, https://en.wikipedia.org/wiki/Apoptosis#/media/File:Apoptosis_multi_mouseliver.jpg

Apoptoza prezentuje się zupełnie inaczej. Subtelne zakłócenia poszczególnych wewnętrznych szlaków biochemicznych, drobne chociaż nieodwracalne uszkodzenia materiału genetycznego czy dyskretne (na przykład poprzez wspomniane już gdzieś na samym początku jakże efektownie brzmiące receptory śmierci) namowy z zewnątrz uruchamiają ścieżki sygnałowe docelowo prowadzące do rozpadu, ale rozpadu o szczegółowo zaplanowanej sekwencji, przebiegającego według dokładnie pilnowanego ceremoniału, wymagającego aktywnego udziału samobójczyni i wpakowania w całość procesu niebagatelnego ładunku energii (tak, jeśli coś ma przebiegać porządnie, trzeba włożyć w to trochę pracy). Komórka zbija się w sobie, zagęszcza, podobnie kondensacji ulega jej jądro komórkowe, a gdyby móc zajrzeć w nie głębiej, dostrzeglibyśmy, jak enzymy tną DNA na równe kawałeczki. Poszczególne białka i białeczka przekazują sobie po kolei co i jak czynić, czasem angażują się mitochondria. Błona komórkowa miast rwać się w strzępy zmienia nieco swą wewnętrzną strukturę, a umierająca komórka zamiast rozlewać się bezładnie na boki, zaczyna powoli rozpadać się na chmurę schludnie opakowanych błoną komórkową bąbelków zwanych ciałkami apoptotycznymi, które to bąbelki, poinformowawszy okoliczne komórki (nie tylko żerne) o zachodzącej katastrofie (dzięki właśnie zmienionej strategicznie strukturze błony), zostają przez nie pochłonięte, a co za tym idzie – uprzątnięte. No zgrabnie przecież, prawda?

I choć – jak już wcześniej zwracałam uwagę – prosty podział na dwie postacie śmierci komórkowej w rzeczywistości jest nazbyt uproszczony, by wyczerpywać temat umierania, choć obecnie obok tych kanonicznych form wyróżnia się rozmaite kolejne, w literaturze mówi się o nekroptozie (jeśli lubicie malownicze skróty, na pewno spodoba wam się białko RIP), katastrofie mitotycznej czy szczególnych postaciach apoptozy takich jak anoikis chociażby, a autofagia właśnie doczekała się swojego osobnego Nobla, nadal apoptoza pozostaje jednym z moich ulubionych procesów komórkowych. A opadające liście nieodmiennie kojarzą się ze śmiercią.

(Przypominam tylko, że patologów możecie śledzić też na fejsbuku – warto tam zaglądać, bo strona jest codziennie aktualizowana)

Literatura:

Note on the Origin and History of the Term “Apoptosis”. JE Duque-Parra; Anatomical Record (Part B: New Anatomist) 2005; 283B:2-4

Nagroda Nobla 2002 w dziedzinie fizjologii i medycyny: Sydney Brenner, John E. Sulston i H. Robert Horowitz “Genetyczna regulacja rozwoju organów i programowanej śmierci komórki”. A Adamczyk, B Biesaga, J Skołyszewski; Nowotwory Journal of Oncology 2003;53(4):453-5

Apoptosis: A Review of Programmed Cell Death. S Elmore; Toxicologic pathology 2007;35(4):495-516

Mitosis and apoptosis: how is the balance set? CH Topham, SS Taylor; Current Opinion in Cell Biology 2013;25(6):780-5

Programmed cell death 50 (and beyond). RA Lockshin; Cell Death and Differentiation 2016;23:10-17

Live to die another way: modes of programmed cell death and the signals emanating from dying cells. Y Fuchs, H Steller; Nature reviews Molecular cell biology 2015;16(6):329-344

Histopathological Evaluation of Apoptosis in Cancer. Y Soini, P Pääkkö, V-P Lehto; The American Journal of Pathology 1998;153(4):1041-1053

Shaping developing tissues by apoptosis. HE Abud; Cell Death and Differentiation 2004;11:797–799

Pierwsze decyzje rozwojowe – różnicowanie komórek w przedimplantacyjnym zarodku myszy. K Filimonow, M Krupa, A Suwińska; Postępy Biochemii 2013;59(2):131-43

Programmed cell death in animal development and disease. Y Fuchs, H Steller; Cell 2011;147(4):742-58

Classification of cell death: recommendations of the Nomenclature Committee on Cell Death 2009. G Kroemer, L Galluzzi, P Vandenabeele, J Abrams, ES Alnemri, EH Baehrecke, MV Blagosklonny, WS El-Deiry, P Golstein, DR Green, M Hengartner, RA Knight, S Kumar, SA Lipton, W Malorni, G Nuñez, ME Peter, J Tschopp, J Yuan, M Piacentini, B Zhivotovsky, G Melino; Cell death and differentiation 2009;16(1):3-11

Apoptosis. Physiology and Pathology. DR Green, JC Reed, Cambridge University Press; 1 ed. (2011)

Apoptosis in Carcinogenesis and Chemotherapy: Apoptosis in cancer. GG Chen, PBS Lai, Springer; 1st ed. (2009)