Informacja

12.6A: Choroby pierwotnego niedoboru odporności — biologia

12.6A: Choroby pierwotnego niedoboru odporności — biologia


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Pierwotne niedobory odporności to zaburzenia, w których brakuje części układu odpornościowego organizmu lub nie funkcjonuje on prawidłowo.

cele nauczania

  • Opisz pierwotne niedobory odporności i wyjaśnij, jakie są dostępne opcje leczenia

Kluczowe punkty

  • Aby uznać za pierwotny niedobór odporności, przyczyna niedoboru odporności nie może być wtórna (spowodowana inną chorobą, leczeniem farmakologicznym lub narażeniem środowiska na toksyny).
  • Większość pierwotnych niedoborów odporności to zaburzenia genetyczne; większość diagnozuje się u dzieci poniżej pierwszego roku życia, chociaż łagodniejsze formy mogą być rozpoznawane dopiero w wieku dorosłym.
  • Dokładne objawy pierwotnego niedoboru odporności zależą od rodzaju defektu, ale zazwyczaj obejmują nawracające lub uporczywe infekcje lub opóźnienie rozwoju w wyniku infekcji.

Kluczowe terminy

  • zaburzenie genetyczne: Choroba spowodowana nieprawidłowościami w genach lub chromosomach, zwłaszcza stan obecny przed urodzeniem. Większość zaburzeń genetycznych jest dość rzadka i dotyka jedną osobę na kilka tysięcy lub miliony.
  • niedobór odpornościowy: Ubytek naturalnego układu odpornościowego organizmu lub niektórych jego składników.

Pierwotne niedobory odporności to zaburzenia, w których brakuje części układu odpornościowego organizmu lub nie funkcjonuje ona prawidłowo. Aby uznać za pierwotny niedobór odporności, przyczyna niedoboru odporności nie może być wtórna (spowodowana inną chorobą, leczeniem farmakologicznym lub narażeniem środowiska na toksyny). Większość pierwotnych niedoborów odporności to zaburzenia genetyczne; większość diagnozuje się u dzieci poniżej pierwszego roku życia, chociaż łagodniejsze formy mogą być rozpoznawane dopiero w wieku dorosłym.

Objawy

Dokładne objawy pierwotnego niedoboru odporności zależą od rodzaju wady. Ogólnie rzecz biorąc, objawy i oznaki prowadzące do rozpoznania niedoboru odporności obejmują nawracające lub uporczywe infekcje lub opóźnienie rozwoju w wyniku infekcji. Szczególne problemy narządowe; takie jak choroby skóry, serca, rozwoju twarzy i układu kostnego; może występować w określonych warunkach. Inni predysponują do chorób autoimmunologicznych, w których układ odpornościowy atakuje własne tkanki organizmu lub nowotwory (czasami specyficzne formy raka, takie jak chłoniak). Charakter infekcji, a także dodatkowe cechy, mogą dostarczyć wskazówek co do dokładnej natury wady immunologicznej.

Testy diagnostyczne

Podstawowe badania wykonywane w przypadku podejrzenia niedoboru odporności powinny obejmować pełną morfologię krwi (w tym dokładną liczbę limfocytów i granulocytów) oraz poziom immunoglobulin. Trzy najważniejsze typy przeciwciał to IgG, IgA i IgM.

Inne badania są wykonywane w zależności od podejrzenia zaburzenia:

  • Ocena ilościowa różnych typów komórek jednojądrzastych we krwi (limfocytów i monocytów): różne grupy limfocytów T (w zależności od ich markerów powierzchniowych, np. CD4+, CD8+, CD3+, TCRα i TCRγ); grupy limfocytów B (CD19, CD20, CD21 i immunoglobuliny); komórki i monocyty NK (CD15+); a także markery aktywacji (HLA-DR, CD25, CD80 (komórki B)
  • Testy funkcji komórek T: testy skórne pod kątem nadwrażliwości typu opóźnionego, odpowiedzi komórek na mitogeny i komórki allogeniczne, produkcja cytokin przez komórki
  • Testy funkcji limfocytów B: przeciwciała przeciwko rutynowym szczepieniom i powszechnie nabytym infekcjom, ilościowe oznaczenie podklas IgG
  • Testy funkcji fagocytów: redukcja błękitu nitro chlorku tetrazoliowego, testy chemotaksji, działanie bakteriobójcze

Ze względu na rzadkość występowania wielu pierwotnych niedoborów odporności, wiele z powyższych testów jest wysoce specjalistycznych i zwykle wykonuje się je w laboratoriach badawczych.

Zaburzenia związane z niedoborem odporności

W zaburzeniach związanych z genetycznym niedoborem odporności zarówno limfocyty T, jak i często limfocyty B – regulatory odporności nabytej – są dysfunkcyjne lub ich liczba jest zmniejszona. Głównymi członkami są różne rodzaje ciężkiego złożonego niedoboru odporności (SCID).

W pierwotnych niedoborach przeciwciał jeden lub więcej izotypów immunoglobulin jest obniżonych lub nie działa prawidłowo. Białka te, generowane przez komórki plazmatyczne, zwykle wiążą się z patogenami, kierując je do zniszczenia.

Szereg zespołów, w tym poniższe, wymyka się formalnej klasyfikacji, ale można je rozpoznać po szczególnych cechach klinicznych lub immunologicznych:

  • Zespół Wiskotta-Aldricha
  • defekty naprawy DNA nie powodujące wyizolowanego SCID; na przykład ataksja-teleangiektazja i zespół ataksja-podobny
  • Zespół DiGeorge'a (w połączeniu z wadami grasicy)
  • Różne dysplazja immuno-kostna (nieprawidłowy rozwój kośćca z problemami immunologicznymi);na przykład hipoplazja chrząstek i włosów, zespół Schimkego

W pewnych warunkach, w tym w następujących, głównym problemem jest regulacja, a nie samoistna aktywność części układu odpornościowego:

  • Niedobór odporności z hipopigmentacją lub albinizmem; na przykład zespół Chediaka-Higashi, zespół Griscellego typu drugiego
  • Rodzinna limfohistiocytoza hemofagocytarna; na przykład niedobór perforyny, niedobór MUNC13D, niedobór syntaksyny 11
  • Zespół limfoproliferacyjny sprzężony z chromosomem X

Fagocyty to komórki, które pochłaniają i trawią patogeny (fagocytoza) i niszczą je chemikaliami. Do tego procesu zdolne są zarówno monocyty/makrofagi, jak i granulocyty. W pewnych warunkach albo liczba fagocytów jest zmniejszona, albo ich zdolność funkcjonalna jest osłabiona. Kilka rzadkich schorzeń jest spowodowanych wadami wrodzonego układu odpornościowego, który jest podstawową linią obrony niezależnej od bardziej zaawansowanych układów związanych z limfocytami. Wiele z tych schorzeń wiąże się z problemami skórnymi.

Zamiast predysponować do infekcji, większość chorób autozapalnych prowadzi do nadmiernego stanu zapalnego. Wiele z nich objawia się jako okresowe zespoły gorączkowe. Mogą bezpośrednio obejmować różne narządy, jak również predysponować do długotrwałych uszkodzeń, prowadząc do odkładania się amyloidu.

Układ dopełniacza jest częścią wrodzonego, jak również adaptacyjnego układu odpornościowego; jest to grupa krążących białek, które mogą wiązać patogeny i tworzyć kompleks atakujący błony. Niedobory dopełniacza są wynikiem braku któregokolwiek z tych białek. Mogą predysponować do infekcji, ale także chorób autoimmunologicznych.

Leczenie

Leczenie pierwotnych niedoborów odporności zależy przede wszystkim od charakteru nieprawidłowości. Może to obejmować terapię zastępczą immunoglobulin przy niedoborach przeciwciał — w postaci immunoglobuliny dożylnej (IVIG) lub immunoglobuliny podskórnej (SCIG) — po przeszczep krwiotwórczych komórek macierzystych w przypadku SCID i innych ciężkich niedoborów odporności. SCID można teraz leczyć przeszczepem szpiku kostnego. Można zalecić zmniejszenie narażenia na patogeny, aw wielu sytuacjach można zalecić profilaktyczne antybiotyki.


12.6A: Choroby pierwotnego niedoboru odporności — biologia

12. Układ sercowo-naczyniowy i limfatyczny

W poprzednim rozdziale dowiedzieliśmy się o krwi — jej składnikach i funkcjach. W tym rozdziale rozważymy, jak krew krąży w organizmie, badając naczynia krwionośne i serce. Dowiemy się również o sieci naczyń i innych strukturach tworzących układ limfatyczny. Serce, naczynia krwionośne i układ limfatyczny tworzą razem układ krążenia.

Układu sercowo-naczyniowego

Układ sercowo-naczyniowy składa się z serca — pompy mięśniowej, która kurczy się rytmicznie i zapewnia siłę poruszającą krew — i naczynia krwionośne — układ kanalików, przez które przepływa krew (ryc. 12.1). Krew stale dostarcza komórkom organizmu tlen i składniki odżywcze oraz odprowadza produkty przemiany materii, dzięki czemu nie mogą one zatruwać komórek.

RYSUNEK 12.1. Schematyczny widok układu sercowo-naczyniowego (serca i naczyń krwionośnych). W całym tym rozdziale kolor czerwony oznacza krew o wysokiej zawartości tlenu. Niebieski oznacza krew o niskiej zawartości tlenu.

Dlaczego układ sercowo-naczyniowy jest tak ważny dla przetrwania? Jest to sieć transportowa ciała, podobna pod pewnymi względami do autostrad w kraju. Nasze ciała są zbyt duże i złożone, aby sama dyfuzja mogła wydajnie rozprowadzać materiały. Układ sercowo-naczyniowy zapewnia środki do rozprowadzania ważnych substancji chemicznych z jednej części ciała do drugiej wystarczająco szybko, aby podtrzymać życie. Układ sercowo-naczyniowy jest jednak czymś więcej niż tylko pasywnym układem rurociągów. Częstość akcji serca i średnica niektórych naczyń krwionośnych są stale dostosowywane w odpowiedzi na zmieniające się potrzeby organizmu.

· Układ sercowo-naczyniowy składa się z pompy — serca — i pętli naczyń krwionośnych. Wszystkie narządy ciała wymagają ciągłego dopływu krwi, aby dostarczać tlen i składniki odżywcze oraz usuwać odpady. Ten dopływ krwi jest szczególnie ważny dla serca — najciężej pracującego mięśnia w ciele. Jeśli naczynia krwionośne serca zostaną zatkane, należy podjąć kroki w celu przywrócenia odpowiedniego przepływu krwi.

Naczynia krwionośne

Raz na minutę, czyli około 1440 razy dziennie, krew przechodzi przez obwód podtrzymujący życie. Obwód naczyń krwionośnych jest rozległy. Rzeczywiście, gdyby wszystkie naczynia w ciele przeciętnego dorosłego człowieka były ułożone jeden do drugiego, rozciągnęłyby się na około 100 000 km (60 000 mil), wystarczająco długo, aby okrążyć równik Ziemi więcej niż dwa razy!

Naczynia krwionośne nie tworzą jednej długiej rurki. Zamiast tego są ułożone w rozgałęzione sieci. Z każdym okrążeniem przez ciało krew jest odprowadzana z serca przez tętnice, które rozgałęziają się, tworząc węższe naczynia zwane tętniczkami. Tętnice prowadzą do sieci mikroskopijnych naczyń zwanych naczyniami włosowatymi, które umożliwiają wymianę materiałów między krwią a komórkami ciała. Naczynia włosowate ostatecznie łączą się, tworząc żyłki, które z kolei łączą się, tworząc większe rurki zwane żyłami. Żyłki i żyły zwracają krew do serca.

Wszystkie naczynia krwionośne mają pewne wspólne cechy, ale każdy typ ma również swoje własne cechy i jest doskonale przystosowany do swojej specyficznej funkcji (ryc. 12.2). Puste wnętrze naczynia krwionośnego, przez które przepływa krew, nazywa się światłem. Wewnętrzna wyściółka, która wchodzi w kontakt z krwią przepływającą przez światło, składa się z prostego nabłonka płaskiego (spłaszczone, ściśle dopasowane komórki, które napotkaliśmy w rozdziale 4). Ta wyściółka, zwana śródbłonkiem, zapewnia gładką powierzchnię, która minimalizuje tarcie, dzięki czemu krew łatwo przepływa. Światło i śródbłonek są charakterystyczne dla wszystkich naczyń krwionośnych.

RYSUNEK 12.2. Struktura naczyń krwionośnych

Tętnice to rurki mięśniowe, które odprowadzają krew z serca, szybko dostarczając ją do tkanek ciała. Jak wspomniano, najbardziej wewnętrzną warstwą ściany tętnicy jest śródbłonek. Bezpośrednio poza śródbłonkiem znajduje się środkowa warstwa zawierająca włókna elastyczne i okrągłe warstwy mięśni gładkich. Elastyczne włókna umożliwiają rozciągnięcie tętnicy, a następnie powrót do pierwotnego kształtu. Mięsień gładki umożliwia skurcz tętnicy. Zewnętrzna warstwa ściany tętnicy to otoczka tkanki łącznej zawierająca włókna elastyczne i kolagen. Warstwa ta wzmacnia ścianę tętnicy i zakotwicza tętnicę w otaczającej tkance.

Elastyczne włókna w środkowej warstwie tętnicy pełnią dwie ważne funkcje: (1) pomagają tętnicy tolerować szok ciśnieniowy spowodowany napływem do niej krwi, gdy serce się kurczy, oraz (2) pomagają utrzymać względnie równomierne ciśnienie w obrębie tętnicy. tętnica, pomimo dużych zmian objętości przepływającej przez nią krwi. Rozważmy na przykład, co się dzieje, gdy serce kurczy się i przesyła krew do aorty, głównej tętnicy ciała. Każde uderzenie serca powoduje, że 70 ml (około jednej czwartej szklanki) krwi uderza o ścianę aorty jak fala przypływowa. Sztywna rura nie była w stanie wytrzymać powtarzających się skoków ciśnienia, ale elastyczne ścianki tętnicy rozciągają się z każdą falą krwi i powracają do swoich pierwotnych rozmiarów, gdy uderzenie minie, co skutkuje ciągłym strumieniem krwi, a nie przerywanymi falami.

Naprzemienne rozszerzanie i cofanie się tętnic tworzy falę ciśnienia, zwaną pulsem, która porusza się wzdłuż tętnic z każdym uderzeniem serca. Tak więc częstość tętna jest taka sama jak częstość akcji serca. Możesz wyczuć puls, lekko ściskając palcami tętnicę znajdującą się blisko powierzchni ciała, na przykład tę na nadgarstku lub pod kątem szczęki.

Jak wspomniano wcześniej, środkowa warstwa ściany tętnicy zawiera również mięśnie gładkie, które umożliwiają skurcz tętnicy. Kiedy ten okrężny mięsień kurczy się, a średnica światła staje się węższa, proces zwany zwężeniem naczyń krwionośnych, zmniejsza się przepływ krwi przez tętnicę. Z drugiej strony, gdy mięśnie gładkie rozluźniają się, a światło tętnicy zwiększa swoją średnicę, proces zwany rozszerzeniem naczyń krwionośnych, zwiększa się przepływ krwi przez tętnicę. Mięśnie gładkie najlepiej rozwijają się w małych i średnich tętnicach. Tętnice te służą do regulacji dystrybucji krwi, dostosowując przepływ do potrzeb organizmu.

Widzimy znaczenie wytrzymałości ściany tętnicy, gdy ulega ona osłabieniu, co może wystąpić z powodu choroby, stanu zapalnego, urazu lub wady wrodzonej. Kiedy ściana tętnicy zostaje osłabiona, ciśnienie krwi przepływającej przez osłabiony obszar może spowodować, że ściana puchnie na zewnątrz jak balon, tworząc tętniak. Większość tętniaków nie powoduje objawów, ale stan może być tak samo groźny. Podstawowym ryzykiem jest to, że tętniak pęknie, powodując utratę krwi. Tkanki obsługiwane przez to naczynie zostaną wtedy pozbawione tlenu i składników odżywczych, co może być śmiertelne. Nawet jeśli tętniak nie pęknie, może powodować powstawanie zagrażających życiu skrzepów krwi. Skrzep może uwolnić się z miejsca powstawania i unosić się w układzie krążenia, aż osadza się w małym naczyniu, gdzie może zablokować przepływ krwi i spowodować śmierć tkanki poza tym punktem. W niektórych przypadkach tętniak można naprawić chirurgicznie. Zawarta w wyrobach tytoniowych nikotyna zwiększa ryzyko powstawania zakrzepów krwi i tętniaków.

Najmniejsze tętnice, zwane tętniczkami, są ledwo widoczne gołym okiem. Ich ściany mają te same trzy warstwy, które znajdują się w tętnicach, ale warstwa środkowa to głównie mięśnie gładkie z zaledwie kilkoma włóknami elastycznymi, a warstwa zewnętrzna jest znacznie cieńsza.

Tętnice pełnią dwie niezwykle ważne role regulacyjne. Po pierwsze, są głównymi regulatorami ciśnienia krwi, czyli nacisku krwi na ściany naczyń (omówione w dalszej części tego rozdziału). Kiedy mięsień w ścianach tętniczek kurczy się, wzrasta ciśnienie krwi. Im większa liczba skurczonych tętniczek, tym wyższe ciśnienie krwi. Rozluźnienie ścian tętniczek obniża ciśnienie krwi. Po drugie, służą jako strażnicy sieci kapilar. Sieć naczyń włosowatych może być otwarta lub zamknięta, w zależności od tego, czy mięsień gładki w ściankach tętniczki do niej przepuszcza krew. W ten sposób tętniczki mogą regulować ilość krwi wysyłanej do komórek w oparciu o natychmiastowe potrzeby tych komórek. Tętnice nieustannie reagują na hormony, układ nerwowy i lokalne warunki, modyfikując ciśnienie i przepływ krwi w celu zaspokojenia zmieniających się potrzeb organizmu.

Kapilary to mikroskopijne naczynia krwionośne, które łączą tętniczki i żyłki. Naczynia włosowate są dobrze dostosowane do ich podstawowej funkcji: wymiany materiałów między krwią a komórkami ciała (ryc. 12.3). Ściany naczyń włosowatych mają grubość tylko jednej warstwy komórkowej, dzięki czemu substancje łatwo przemieszczają się między krwią a płynem otaczającym komórki na zewnątrz naczyń włosowatych. Błona plazmatyczna komórek śródbłonka naczyń włosowatych stanowi skuteczną i selektywną barierę, która określa, które substancje mogą przejść. Niektóre substancje przechodzące przez ściany naczyń włosowatych nie przechodzą przez komórki śródbłonka. Zamiast tego substancje te filtrują przez małe szczeliny między sąsiednimi komórkami śródbłonka. Szczeliny między komórkami są wystarczająco duże, aby mogły przez nie przejść niektóre płyny i małe rozpuszczone cząsteczki.

Konstrukcja sieci naczyń włosowatych umożliwia dostosowanie przepływu krwi przez naczynia włosowate w taki sposób, aby dostarczać niezbędną ilość tlenu i składników odżywczych do potrzeb poszczególnych obszarów ciała. Sieć naczyń włosowatych, która obsługuje cię, zanurzasz się w wodzie i zaczynasz pływać, naczynia włosowate w narządach trawiennych zamykają się, a te w mięśniach szkieletowych otworzą się.

Łącznie kapilary zapewniają ogromną powierzchnię do szybkiej wymiany materiałów między ciałem a krwią. Łóżka kapilarne doprowadzają kapilary bardzo blisko prawie każdej komórki. Twoje paznokcie zapewniają okienka, które pozwalają docenić skuteczność, z jaką sieci naczyń włosowatych docierają do wszystkich części ciała. Być może zauważyłeś, że tkanka pod paznokciem zwykle ma różowy odcień. Kolor wynika z przepływu krwi przez liczne naczynia włosowate. Delikatny nacisk na paznokieć powoduje, że tkanka staje się biała, gdy krew jest wypychana z tych naczyń włosowatych.

Kapilara jest tak wąska, że ​​czerwone krwinki muszą przecisnąć się przez pojedynczy plik. Pomimo swoich rozmiarów naczyń włosowatych jest tak wiele, że ich łączna powierzchnia przekroju poprzecznego jest ogromna, znacznie większa niż tętnic czy żył. Ze względu na duży przekrój poprzeczny naczyń włosowatych, krew przepływa przez nie znacznie wolniej niż przez tętnice lub żyły. Wolniejsze tempo przepływu w kapilarach zapewnia więcej czasu na wymianę materiałów (rysunek 12.5).

RYSUNEK 12.5. Kapilary są tak liczne, że ich całkowita powierzchnia przekroju poprzecznego jest znacznie większa niż tętnic czy żył. W ten sposób ciśnienie krwi spada, a krew przepływa wolniej, gdy przechodzi przez łożysko kapilarne. Wolniejsze tempo przepływu daje czas na wymianę materiałów między krwią a tkankami.

Po łożysku kapilarnym naczynia włosowate łączą się, tworząc najmniejszy rodzaj żyły, żyłkę. Następnie żyłki łączą się, tworząc większe żyły. Żyły to naczynia krwionośne, które zwracają krew do serca.

Chociaż żyły mają pewne cechy strukturalne z tętnicami, istnieją również pewne istotne różnice. Ściany żył mają te same trzy warstwy, które znajdują się w ścianach tętnic, ale ściany żył są cieńsze, a prześwity żył większe niż tętnice o tej samej wielkości (patrz Rycina 12.2). Cienkie ścianki i duże prześwity pozwalają żyłom na przechowywanie dużej ilości krwi. Rzeczywiście, żyły służą jako zbiorniki krwi, utrzymując do 65% całkowitego zaopatrzenia organizmu w krew.

Ta sama ilość krwi, która jest wypompowywana z serca, musi być skierowana z powrotem do serca, ale musi być przeniesiona przez żyły bez pomocy wysokiego ciśnienia wytwarzanego przez skurcze serca. Oczywiście w głowie i szyi grawitacja pomaga przenosić krew w kierunku serca.Ale jak jest możliwe przemieszczanie krwi wbrew sile grawitacji – na przykład ze stopy z powrotem do serca (chyba że przez przypadek twoja stopa była w ustach)?

Trzy mechanizmy przemieszczają krew z dolnych partii ciała w kierunku serca:

1. Zastawki w żyłach zapobiegają cofaniu się krwi. Żyły często zawierają zastawki, które działają jak jednokierunkowe kołowroty, umożliwiając przepływ krwi w kierunku serca, ale zapobiegając cofaniu się. Te zastawki to kieszonki tkanki łącznej wystające z wyściółki żyły, jak pokazano na rycinie 12.6a.

Prosty eksperyment może wykazać skuteczność zastawek żylnych. Pozwól dłoni zwisać przy boku, aż żyły z tyłu dłoni się rozszerzą. Umieść dwa opuszki palców drugiej ręki na końcu jednej z rozszerzonych żył najbliżej kostek. Następnie, pozostawiając jeden czubek palca dociśnięty do końca żyły, przesuń drugi w kierunku nadgarstka, mocno dociskając i wyciskając krew z żyły. Podnieś czubek palca w pobliżu kostki i zauważ, że krew natychmiast wypełnia żyłę. Powtórz procedurę, ale tym razem unieś czubek palca w pobliżu nadgarstka. Zobaczysz, że żyła pozostaje spłaszczona, ponieważ zastawki zapobiegają wstecznemu przepływowi krwi.

2. Skurcz mięśni szkieletowych ściska żyły. Praktycznie za każdym razem, gdy mięsień szkieletowy się kurczy, ściska pobliskie żyły. To ciśnienie wypycha krew przez zastawki w kierunku serca. Mechanizm napędzający krew jest podobny do tego, który powoduje, że pasta do zębów wypływa z niezaślepionego końca rurki, niezależnie od tego, gdzie rurka jest ściśnięta. Zawory w żyłach zapewniają, że krew płynie tylko w jednym kierunku. Kiedy mięśnie szkieletowe się rozluźniają, każda krew, która cofa się, wypełnia zastawki. Gdy zastawki wypełniają się krwią, wnikają głębiej w światło żyły, zamykając żyłę i zapobiegając odwróceniu kierunku przepływu krwi (ryc. 12.6b). W ten sposób mięśnie szkieletowe zawsze ściskają żyły i kierują krew w kierunku serca.

3. Oddychanie powoduje zmiany ciśnienia, które przenoszą krew w kierunku serca. Jama piersiowa (klatka piersiowa) powiększa się podczas wdechu (patrz rozdział 14). Ekspansja zmniejsza ciśnienie w klatce piersiowej i jednocześnie zwiększa ciśnienie w jamie brzusznej. Krew naturalnie przemieszcza się w kierunku obszarów o niższym ciśnieniu. W ten sposób zmniejszone ciśnienie w klatce piersiowej, które pojawia się z każdym oddechem, ściąga krew z powrotem do serca. Ponadto zwiększone ciśnienie w jamie brzusznej powoduje ucisk żył, również zmuszając krew z powrotem do serca.

RYSUNEK 12.6. (a) Zdjęcie żyły przedstawiające zastawkę. (b) Kieszonkowe zastawki na wewnętrznej powierzchni żył wspomagają powrót krwi do serca wbrew grawitacji, zapobiegając przepływowi wstecznemu.

Jeśli tętnica zostanie przecięta, krew ginie w szybkich strumieniach. W przeciwieństwie do tego, utrata krwi przez przeciętą żyłę ma równomierny przepływ. Co wyjaśnia te różnice?

Serce jest wielkości pięści, ale jest to niesamowita pompa mięśniowa, która wytwarza siłę potrzebną do krążenia krwi. Bije około 72 razy na minutę, co godzinę każdego dnia — chociaż tempo to zmienia się w zależności od wieku, sprawności fizycznej i aktualnego wysiłku fizycznego. Aby docenić pracę serca, na przemian zaciskaj i rozluźniaj pięść 70 razy na minutę. Ile minut zajmuje, zanim mięśnie dłoni są zbyt zmęczone, aby kontynuować? W przeciwieństwie do tego zdrowe serce nie męczy się. Uderza ponad 100 000 razy dziennie, co daje około 2 miliardów uderzeń w ciągu całego życia. Równie niezwykła jest objętość krwi pompowanej przez serce. Przepompowuje przez swoje komory nieco mniej niż 5 litrów (10 pt) krwi na minutę, co daje ponad 9400 litrów (2500 gal) dziennie.

Serce składa się z trzech warstw, z których każda przyczynia się do funkcjonowania serca jako pompy. Ściana serca, zwana mięśniem sercowym, to głównie tkanka mięśnia sercowego. Skurcze mięśnia sercowego są odpowiedzialne za niesamowitą pracę serca pompującą. Wsierdzie to cienka wyściółka w jamach serca. Zmniejszając tarcie, gładka powierzchnia wsierdzia zmniejsza opór przepływu krwi przez serce. Osierdzie to gruby, włóknisty worek, który utrzymuje serce w środku klatki piersiowej (klatki piersiowej) i ślizga się po powierzchni serca, nie krępując jego ruchów, nawet gdy są energiczne.

Chociaż serce wydaje się być pojedynczą strukturą, w rzeczywistości ma dwie połowy, przy czym prawa i lewa połowa funkcjonują jako dwie oddzielne pompy. Jak wkrótce zobaczymy, prawa strona serca pompuje krew do płuc, gdzie pobiera tlen. Lewa strona pompuje krew do komórek ciała. Dwie pompy są fizycznie oddzielone przegrodą zwaną przegrodą. Każda połowa serca składa się z dwóch komór: górnej komory zwanej przedsionkiem (liczba mnoga, przedsionki) i dolnej komory zwanej komorą (ryc. 12.7). Dwa przedsionki pełnią funkcję komór przyjmujących krew powracającą do serca. Dwie komory pełnią funkcję głównych pomp serca. Skurcz komór wypycha krew z serca pod dużym ciśnieniem. Kiedy myślimy o pracy serca, w rzeczywistości myślimy o pracy komór. Nie powinno więc dziwić, że komory są znacznie większymi komorami niż przedsionki i mają grubsze, bardziej umięśnione ściany.

RYSUNEK 12.7. (a) Serce człowieka, (b) Serce znajduje się w jamie klatki piersiowej. (c) Krew przepływa przez serce z przedsionków do komór, (d) Ten schemat ludzkiego serca przedstawia cztery komory, główne naczynia łączące się z sercem i dwie pary zastawek serca.

Kiedy komory się kurczą, które zastawki się otworzą, a które zamkną?

Zastawki półksiężycowe otwarłyby się, a zastawki AV zamknęłyby się.

Dwie pary zastawek zapewniają przepływ krwi przez serce tylko w jednym kierunku. Pierwsza para to zastawki przedsionkowo-komorowe (AV), z których każda prowadzi od przedsionka do komory, jak pokazano na rycinie 12.8. Zastawki AV to płatki tkanki łącznej, zwane guzkami, przymocowane do ściany komory za pomocą sznurów tkanki łącznej zwanych strunami ścięgnistymi — strunami serca. Te struny zapobiegają trzepotaniu zastawek AV z powrotem do przedsionków pod wpływem ciśnienia powstającego podczas skurczu komór. Zastawka AV po prawej stronie serca ma trzy klapki i nazywana jest zastawką trójdzielną. Zastawka AV po lewej stronie serca ma dwie klapki i jest nazywana zastawką dwupłatkową lub mitralną.

RYSUNEK 12.8. Zastawki serca utrzymują przepływ krwi w jednym kierunku.

Każda z drugiej pary zastawek, zastawek półksiężycowatych, znajduje się między komorą a jej tętnicą łączącą — aortą lub tętnicą płucną. Guzki zastawek półksiężycowatych to małe kieszonki tkanki przymocowane do wewnętrznej ściany odpowiedniej tętnicy. Kiedy ciśnienie w tętnicach staje się większe niż ciśnienie w komorach, zastawki te wypełniają się krwią w sposób podobny do napełniania spadochronu powietrzem. W ten sposób zastawki półksiężycowate zapobiegają cofaniu się krwi do komór z aorty lub tętnicy płucnej.

Dwa obwody przepływu krwi

Jak wspomnieliśmy, lewa i prawa strona serca działają jak dwie oddzielne pompy, z których każda przepuszcza krew inną drogą, jak pokazano na rycinie 12.9. Należy zauważyć, że w obu obwodach krew przepływa przez tętnice, tętniczki, naczynia włosowate i żyłki, zanim powróci do serca przez żyły. Prawa strona serca pompuje krew przez obwód płucny, który transportuje krew do i z płuc. Lewa strona serca pompuje krew przez obwód ogólnoustrojowy, który transportuje krew do i z tkanek ciała. Taki układ zapobiega mieszaniu się natlenionej krwi (krwi bogatej w tlen) z krwią ubogą w tlen.

RYSUNEK 12.9. Obwody przepływu krwi. Prawa strona serca pompuje krew przez obwód płucny, który przenosi krew do i z płuc. Lewa strona serca pompuje krew przez obwód ogólnoustrojowy, który prowadzi krew do i z tkanek ciała.

Obwód płucny zaczyna się w prawym przedsionku, ponieważ żyły odprowadzają ubogą w tlen krew z obwodu ogólnoustrojowego. (Możesz prześledzić przepływ krwi przez serce w obwodach płucnym i ogólnoustrojowym na Ryc. 12.9 czytając poniższy opis.) Następnie krew przemieszcza się z prawego przedsionka do prawej komory. Skurcz prawej komory pompuje słabo natlenioną krew do płuc przez pień płucny (główna tętnica płucna), który dzieli się na lewą i prawą tętnicę płucną. W płucach tlen dyfunduje do krwi, a dwutlenek węgla dyfunduje na zewnątrz. Bogata obecnie w tlen krew jest dostarczana do lewego przedsionka przez cztery żyły płucne, po dwie z każdego płuca. (Zauważ, że krążenie płucne jest wyjątkiem od ogólnej zasady, że tętnice przenoszą krew bogatą w tlen, a żyły przenoszą krew ubogą w tlen. Dokładnie odwrotnie jest w przypadku naczyń w krążeniu płucnym). Szlak krwi pompowanej przez obwód płucny po prawej stronie serca jest

Prawy przedsionek → Zastawka AV (trójdzielna) → Prawa komora → Zastawka półksiężycowata płucnego → Tułów płucny → Tętnice płucne → Płuca → Żyły płucne → Lewy przedsionek

Obwód ogólnoustrojowy rozpoczyna się, gdy bogata w tlen krew wchodzi do lewego przedsionka (patrz Rycina 12.9). Krew przepływa następnie do lewej komory. Kiedy lewa komora kurczy się, natleniona krew jest przepychana przez największą tętnicę w ciele, aortę. Aorta wygina się w łuk nad górną częścią serca i daje początek mniejszym tętnicom, które ostatecznie zasilają naczynia włosowate tkanek ciała. Układ żylny gromadzi krew ubogą w tlen i ostatecznie kończy się w żyłach, które zawracają krew do prawego przedsionka. Żyły te to górna żyła główna, która dostarcza krew z obszarów powyżej serca, oraz dolna żyła główna, która zwraca krew z obszarów poniżej serca. Tak więc droga krwi przez obwód ogólnoustrojowy pompowana przez lewą stronę serca jest

Lewy przedsionek → Zastawka AV (dwupłatkowa lub mitralna) → Lewa komora → Zastawka półksiężycowata aorty → Aorta → Tkanki ciała → Żyła główna dolna lub żyła główna górna → Prawy przedsionek

Znane dźwięki serca, które często określa się jako „lub-dup”, są związane z zamykaniem zastawek. Pierwszy ton serca ("lub") jest wytwarzany przez turbulentny przepływ krwi, gdy zastawki AV zamykają się, gdy komory zaczynają się kurczyć. Drugi ton serca o wyższym tonie („dup”) jest wytwarzany przez turbulentny przepływ krwi, gdy następuje zamknięcie zastawek półksiężycowatych i początek relaksacji komór.

Szmery serca, które są szumem serca innym niż lub-dup, są tworzone przez zaburzony przepływ krwi. Chociaż szmery serca są czasami słyszalne u normalnych, zdrowych ludzi, mogą również wskazywać na problemy z sercem. Na przykład nieprawidłowo działające zastawki często zaburzają przepływ krwi przez serce, powodując świst lub bulgotanie szmerów serca. Kilka warunków może spowodować nieprawidłowe działanie zaworów. W niektórych przypadkach zgrubienie zastawek zwęża otwór i utrudnia przepływ krwi. W innych przypadkach zastawki nie zamykają się prawidłowo, przez co umożliwiają cofanie się krwi. W obu przypadkach serce jest nadwyrężone, ponieważ musi ciężej pracować, aby przenieść krew.

Same komórki mięśnia sercowego otrzymują niewiele pożywienia z krwi przepływającej przez komory serca. Zamiast tego rozległa sieć naczyń, znana jako krążenie wieńcowe, obsługuje tkanki serca. Pierwsze dwie tętnice odchodzące od aorty to tętnice wieńcowe (ryc. 12.10). Tętnice te tworzą liczne odgałęzienia, dzięki czemu serce otrzymuje bogaty zaopatrzenie w tlen i składniki odżywcze. Po przejściu przez łożyska naczyń włosowatych, które odżywiają tkankę serca, krew dostaje się do żył sercowych i ostatecznie wpływa do prawego przedsionka.

RYSUNEK 12.10. Krążenie wieńcowe, (a) Naczynia wieńcowe dostarczają komórkom mięśnia sercowego bogatego zaopatrzenia w tlen i składniki odżywcze oraz usuwają produkty przemiany materii, (b) Ten odlew naczyń wieńcowych ujawnia złożoność obwodu wieńcowego.

Chociaż obie strony serca pompują krew przez różne obwody, działają w tandemie. Dwa przedsionki kurczą się jednocześnie, a następnie dwie komory kurczą się jednocześnie.

Widzimy zatem, że bicie serca nie jest pojedynczym wydarzeniem. Każde uderzenie obejmuje skurcz, który nazywa się skurczem (od sis do lee) i rozluźnienie, które nazywa się rozkurczem (od diastole do lee). Wszystkie zdarzenia związane z przepływem krwi przez komory serca podczas pojedynczego uderzenia serca są zbiorczo nazywane cyklem serca, jak pokazano na rycinie 12.11. Najpierw wszystkie komory rozluźniają się (rozkurcz), a krew przepływa przez przedsionki i wchodzi do komór. Kiedy komory są wypełnione w około 70%, przedsionki kurczą się (skurcz przedsionkowy) i wpychają swoją zawartość do komór. Następnie przedsionki rozluźniają się (rozkurcz przedsionków), a komory rozpoczynają fazę skurczu (skurcz komór). Po zakończeniu tego skurczu całe serce znów się rozluźnia. Gdybyśmy mieli dodać czas skurczu serca w ciągu dnia i porównać go z czasem relaksacji w ciągu dnia, dzień pracy serca mógłby okazać się taki sam jak twój. W ciągu 24 godzin serce spędza w sumie około 8 godzin pracy (kontraktując) i 16 godzin relaksu. Jednak w przeciwieństwie do dnia pracy, dzień serca podzielony jest na powtarzające się cykle pracy i relaksu.

RYSUNEK 12.11. Cykl serca to wszystkie zdarzenia związane z przepływem krwi przez serce podczas każdego uderzenia serca. Przedsionki kurczą się razem, a komory kurczą się razem. Czerwony wskazuje na wysoką zawartość tlenu we krwi. Niebieski oznacza niski poziom tlenu we krwi.

Wewnętrzny system przewodzenia

Jeśli ludzkie serce zostanie usunięte, jak podczas operacji przeszczepu, i umieszczone w naczyniu, będzie nadal bić, utrzymując samotny i bezużyteczny rytm, dopóki jego tkanki nie umrą. W rzeczywistości, jeśli kilka komórek mięśnia sercowego wyhoduje się w laboratorium, one również będą bić same, a każdy drganie będzie przypominać o kluczowej roli, jaką odgrywa nienaruszony narząd. Jasne jest więc, że mięsień sercowy nie potrzebuje zewnętrznej stymulacji do bicia. Zamiast tego tendencja ta jest wewnętrzna, w samym mięśniu sercowym.

Kolejną godną uwagi obserwację poczyniono w przypadku komórek mięśnia sercowego wyhodowanych w naczyniu laboratoryjnym. Chociaż izolowane komórki serca drgają niezależnie od siebie, jeśli dwie komórki się zetkną, zaczną bić jednocześnie. To również jest nieodłączną właściwością komórek, ale częściowo wynika to z rodzaju połączeń między komórkami mięśnia sercowego. Błony komórkowe sąsiednich komórek mięśnia sercowego przeplatają się ze sobą w wyspecjalizowanych połączeniach zwanych dyskami interkalowanymi. Połączenia komórek w interkalowanych dyskach mechanicznie i elektrycznie łączą połączone komórki. Sąsiednie komórki są trzymane razem tak ciasno, że nie rozrywają się podczas skurczu, ale zamiast tego przenoszą przyciąganie skurczu z jednej komórki do drugiej. Jednocześnie złącza umożliwiają komunikację elektryczną między sąsiednimi komórkami, umożliwiając zdarzeniom elektrycznym odpowiedzialnym za skurcz szybkie rozprzestrzenianie się po sercu poprzez przechodzenie z komórki do komórki. Mimo że komórki serca kurczą się automatycznie, nadal potrzebują zewnętrznej kontroli, aby kurczyć się w odpowiednim tempie.

Tempo bicia serca jest ustalane przez skupisko wyspecjalizowanych komórek mięśnia sercowego, zwane węzłem zatokowo-przedsionkowym (SA), zlokalizowane w prawym przedsionku w pobliżu połączenia żyły głównej górnej (ryc. 12.12). Ponieważ węzeł SA wysyła impulsy, które inicjują każde uderzenie serca, często określa się go mianem stymulatora. Około 70 do 80 razy na minutę węzeł SA wysyła sygnał elektryczny, który rozprzestrzenia się przez komórki mięśniowe przedsionków, powodując ich skurcz. Sygnał dociera do innego skupiska wyspecjalizowanych komórek mięśniowych, zwanego węzłem przedsionkowo-komorowym (AV), znajdującego się w przegrodzie między dwoma przedsionkami, i stymuluje go. Węzeł AV przekazuje następnie bodziec za pomocą wiązki wyspecjalizowanych włókien mięśniowych, zwanej wiązką przedsionkowo-komorową, która biegnie wzdłuż ściany między komorami. Wiązka rozwidla się na prawą i lewą gałąź, a następnie dzieli się na wiele innych wyspecjalizowanych komórek mięśnia sercowego, zwanych włóknami Purkinjego, które penetrują ściany komór. Szybkie rozprzestrzenianie się impulsu przez komory zapewnia ich płynne kurczenie.

RYSUNEK 12.12. Układ przewodzący serca składa się z wyspecjalizowanych komórek mięśnia sercowego, które przyspieszają przekazywanie sygnałów elektrycznych przez serce. Węzeł zatokowo-przedsionkowy (SA) służy jako wewnętrzny rozrusznik serca i określa częstość akcji serca. Sygnały elektryczne z węzła SA rozprzestrzeniają się przez ściany przedsionków, powodując ich kurczenie. Sygnały następnie stymulują węzeł przedsionkowo-komorowy (AV), który z kolei wysyła sygnały wzdłuż wiązki AV do widełek i ostatecznie do wielu włókien Purkinjego, które penetrują ściany komory. Włókna Purkinjego rozprowadzają sygnały do ​​ścian komór, powodując ich kurczenie się.

Kiedy system przewodzący serca jest uszkodzony, komórki mogą zacząć się kurczyć niezależnie. Taka niezależność komórkowa może skutkować szybkimi, nieregularnymi skurczami komór, zwanymi migotaniem komór, które sprawiają, że komory stają się bezużyteczne jako pompy i zatrzymują krążenie. Gdy mózg nie otrzymuje już krwi potrzebnej do funkcjonowania, śmierć nastąpi, chyba że szybko przywrócone zostanie efektywne bicie serca. Sposobem na zatrzymanie migotania komór jest poddanie serca porażeniu prądem w wielu przypadkach, węzeł SA ponownie zacznie normalnie funkcjonować. Chociaż jest kosztowny, wszczepialny defibrylator (urządzenie, które ładuje serce prądem elektrycznym) może w razie potrzeby zapewnić ratujący życie „start skokowy”.

Problemy z układem przewodzącym serca można czasem leczyć za pomocą sztucznego rozrusznika, małego urządzenia wszczepianego tuż pod skórę, które monitoruje tętno i rytm oraz reaguje na nieprawidłowości, jeśli się pojawią. Na przykład, jeśli tętno stanie się zbyt wolne, stymulator wyśle ​​do serca bodziec elektryczny przez elektrodę.

Podczas operacji przeszczepu serca chore serce osoby zostaje zastąpione zdrowym sercem osoby, która niedawno zmarła. Nic dziwnego, że tysiące osób potrzebujących przeszczepu serca jest więcej niż dostępnych serc dawców. Sztuczne serca są dostępne, ale nie są pozbawione ryzyka. Gdybyś potrzebował przeszczepu, czy zgłosiłbyś się na ochotnika do udziału w testach sztucznego serca? Jakich kryteriów użyłbyś do podjęcia decyzji?

Tempo lub rytm bicia serca zmienia się nieustannie w odpowiedzi na aktywność lub podekscytowanie. Autonomiczny układ nerwowy i niektóre hormony dokonują niezbędnych korekt, aby tętno odpowiadało potrzebom organizmu. W sytuacjach stresowych współczulny układ nerwowy zwiększa szybkość i siłę skurczów serca.W ramach tej odpowiedzi rdzeń nadnerczy wytwarza hormon epinefrynę, który może przedłużyć działanie współczulnego układu nerwowego. W przeciwieństwie do tego, gdy panują warunki spoczynkowe, przywspółczulny układ nerwowy tłumi aktywność serca, zgodnie ze skromniejszymi potrzebami metabolicznymi organizmu.

Zdarzenia elektryczne, które rozprzestrzeniają się w sercu z każdym uderzeniem serca, w rzeczywistości przemieszczają się po całym ciele, ponieważ płyny ustrojowe są dobrymi przewodnikami. Elektrody umieszczone na powierzchni ciała mogą wykryć te zdarzenia elektryczne, przenosząc je w taki sposób, że powodują odchylenia (ruchy) w przebiegu wykonanym przez urządzenie rejestrujące. Elektrokardiogram (EKG lub EKG) to obraz elektrycznej czynności serca, generowany przez takie urządzenie rejestrujące.

Typowy EKG składa się z trzech rozróżnialnych fal odchylających, jak pokazano na rysunku 12.13. Pierwsza fala, zwana falą P, towarzyszy rozprzestrzenianiu się sygnału elektrycznego przez przedsionki i następującemu po nim skurczowi przedsionków. Następna fala, fala QRS, odzwierciedla rozprzestrzenianie się sygnału elektrycznego na komory i skurcz komór. Trzecia fala, fala T, reprezentuje powrót komór do stanu elektrycznego poprzedzającego skurcz (repolaryzacja komór). Ponieważ wzór i czas tych fal są niezwykle spójne w zdrowym sercu, nieprawidłowe wzorce mogą wskazywać na problemy z sercem.

RYSUNEK 12.13. (a) Osoba mająca zarejestrowany elektrokardiogram (EKG), (b) Aktywność elektryczna towarzysząca każdemu uderzeniu serca może być wizualizowana w zapisie EKG. Fala P jest generowana, gdy sygnały elektryczne z węzła SA rozprzestrzeniają się w przedsionkach i powodują ich kurczenie. Fala QRS reprezentuje rozprzestrzenianie się sygnału przez komory i skurcz komór. Załamek T pojawia się, gdy komory powracają do stanu elektrycznego, który poprzedzał skurcz.

Ciśnienie krwi

Dużo słyszymy o ciśnieniu krwi, zwykle gdy ktoś martwi się wysokim odczytem ciśnienia krwi lub chwali się niskim. Ciśnienie krwi to siła wywierana przez krew na ściany naczyń krwionośnych. Kiedy komory kurczą się, wtłaczają krew do tętnic pod dużym ciśnieniem. To ciśnienie jest siłą napędową, która przemieszcza krew przez ciało, ale również wypycha na zewnątrz ściany naczyń. W idealnym przypadku ciśnienie krwi powinno być wystarczająco wysokie, aby krążyć we krwi, ale nie tak duże, aby obciążało naczynia krwionośne i serce, jak widzimy w rozdziale 12a. Na ciśnienie krwi wpływa wiele czynników, w tym płeć, wiek, pora dnia, aktywność fizyczna, stres i styl życia.

Ciśnienie krwi w tętnicach zmienia się w przewidywalny sposób podczas każdego uderzenia serca. Najwyższa jest podczas skurczu komór (skurczu komór), kiedy krew jest wtłaczana do tętnic. U typowej, zdrowej osoby dorosłej optymalne ciśnienie skurczowe, najwyższe ciśnienie w tętnicy podczas każdego uderzenia serca, wynosi od 110 mm do 120 mm słupa rtęci (mm Hg).1 Ciśnienie krwi jest najniższe, gdy komory są rozluźnione (rozkurcz). U zdrowej osoby dorosłej optymalne najniższe ciśnienie lub ciśnienie rozkurczowe wynosi od 70 mm do 80 mm Hg. Ciśnienie krwi jest zwykle wyrażane jako dwie wartości — skurczowe i rozkurczowe. Na przykład mówi się, że optymalne ciśnienie krwi u dorosłych wynosi mniej niż 120/80. (Czy wiesz, jakie jest twoje ciśnienie krwi?)

Ciśnienie krwi jest mierzone za pomocą urządzenia zwanego ciśnieniomierzem (sfig-mo-mah-nom'-e-ter), które składa się z nadmuchiwanego mankietu, który owija się wokół ramienia i jest przymocowany do urządzenia, które może mierzyć ciśnienie w obrębie mankiet. Rycina 12.14 pokazuje, w jaki sposób ręcznie obsługiwany sfigmomanometr wykorzystuje łatwo zmierzone ciśnienie powietrza pompowanego do mankietu do pomiaru ciśnienia krwi w tętnicy ramiennej (która biegnie wzdłuż wewnętrznej powierzchni ramienia).

RYSUNEK 12.14. Ciśnienie krwi mierzy się za pomocą ciśnieniomierza, który składa się z nadmuchiwanego mankietu i urządzenia do pomiaru ciśnienia wewnątrz mankietu. Mankiet zakłada się wokół ramienia i napompowuje tak, aby uciskał tętnicę ramienną. Ciśnienie w mankiecie jest powoli uwalniane, a gdy się opada, osiąga punkt, w którym krew może tryskać przez zwężoną tętnicę tylko w momentach najwyższego ciśnienia krwi. To ciśnienie, przy którym po raz pierwszy słychać „stukanie”, to ciśnienie skurczowe, ciśnienie krwi, gdy serce się kurczy. W miarę jak ciśnienie w mankiecie spada, osiągany jest punkt, w którym dźwięki zanikają. Krew płynie teraz nieprzerwanie przez tętnicę ramienną. Ciśnienie w mankiecie, gdy dźwięki zanikają po raz pierwszy, to ciśnienie rozkurczowe, ciśnienie krwi, gdy serce się rozluźnia.

Korzyści z ćwiczeń sercowo-naczyniowych

Co byś powiedział, gdyby powiedziano Ci, że istnieje prosty sposób na zmniejszenie ryzyka zawału serca, udaru mózgu, cukrzycy i raka, jednocześnie kontrolując wagę, wzmacniając kości, łagodząc niepokój i napięcie oraz poprawiając pamięć? „Niemożliwe!”, można by powiedzieć. „Co to za haczyk?” Nie ma żadnego. Tym kluczem do życia są regularne ćwiczenia aerobowe, które rytmicznie i nieprzerwanie angażują duże grupy mięśni i podnoszą tętno i częstość oddechów przez co najmniej 15 do 20 minut.

Chociaż ćwiczenia mają wiele korzystnych skutków dla organizmu opon, tutaj rozważymy tylko korzyści dla układu sercowo-naczyniowego. Ćwiczenia przynoszą korzyści sercu, czyniąc je bardziej wydajną pompą, zmniejszając w ten sposób jego obciążenie pracą. Dobrze wyćwiczone serce bije wolniej niż serce osoby prowadzącej siedzący tryb życia — zarówno podczas ćwiczeń, jak i odpoczynku. Niższe tętno daje sercu więcej czasu na odpoczynek między uderzeniami. Jednocześnie dobrze wyćwiczone serce pompuje więcej krwi z każdym uderzeniem.

Ćwiczenia zwiększają również dopływ tlenu do mięśnia sercowego poprzez poszerzenie tętnic wieńcowych, zwiększając w ten sposób przepływ krwi do serca. Co więcej, ponieważ łożyska naczyń włosowatych w mięśniu sercowym stają się bardziej rozległe przy regularnych ćwiczeniach, tlen i składniki odżywcze mogą być dostarczane do komórek serca, a odpady mogą być szybciej usuwane.

Ponadto ćwiczenia pomagają zapewnić ciągły przepływ krwi do serca. Jednym ze sposobów osiągnięcia tej korzyści jest zwiększenie zdolności organizmu do rozpuszczania zakrzepów krwi, które mogą prowadzić do zawału serca lub udaru mózgu. Ćwiczenia stymulują uwalnianie naturalnego enzymu, który zapobiega krzepnięciu krwi i pozostaje skuteczny nawet przez 90 minut po zakończeniu ćwiczeń. Poza tym ćwiczenia stymulują rozwój krążenia obocznego, czyli dodatkowych naczyń krwionośnych, które zapewniają alternatywne ścieżki przepływu krwi. W rezultacie krew stale przepływa przez serce, nawet jeśli jedno naczynie zostanie zablokowane.

Ćwiczenia wpływają na krew w sposób, który pozwala na dostarczenie większej ilości tlenu do komórek. Zwiększa się ilość hemoglobiny, białka wiążącego tlen w czerwonych krwinkach. Ponadto zwiększa się objętość krwi i liczba czerwonych krwinek.

Wysiłek fizyczny zmniejsza ryzyko choroby wieńcowej poprzez obniżenie ciśnienia krwi i zmianę równowagi lipidów we krwi. Lipoproteiny o wysokiej gęstości (HDL), które są „dobrą” formą cząsteczek przenoszących cholesterol, które usuwają cholesterol ze ścian tętnic, zwiększają się wraz z wysiłkiem fizycznym.

Aby czerpać korzyści z układu sercowo-naczyniowego, musisz ćwiczyć wystarczająco ciężko, wystarczająco długo i wystarczająco często. Ćwiczenie musi być wystarczająco energiczne, aby podnieść tętno do tak zwanej strefy docelowej, która wynosi od 70% do 85% maksymalnego osiągalnego tętna. Strefę docelową można określić, odejmując swój wiek w latach od 222 uderzeń na minutę. Ćwiczenie musi trwać co najmniej 20 minut i być wykonywane co najmniej 3 dni w tygodniu, z nie więcej niż 2 dniami między sesjami.

• Czy planujesz regularnie ćwiczyć? Jakie czynniki weźmiesz pod uwagę przy podejmowaniu tej decyzji?

• Czy uważasz, że promowanie programów ćwiczeń już teraz przyniesie oszczędności w kosztach leczenia w przyszłości?

Regularne robienie czegoś aktywnego może poprawić jakość życia. Umiarkowana aktywność pomaga poczuć się lepiej emocjonalnie i fizycznie. Różnicę przyrównano do podróżowania pierwszą klasą zamiast autokaru.

System limfatyczny

Układ limfatyczny składa się z limfy, która jest płynem identycznym z płynem śródmiąższowym (płynem, który obmywa wszystkie komórki ciała), naczyń limfatycznych, przez które przepływa limfa oraz różnych tkanek i narządów limfatycznych rozsianych po całym ciele.

Funkcje układu limfatycznego są tak różnorodne, jak niezbędne do życia:

1. Zwróć nadmiar płynu śródmiąższowego do krwiobiegu. Układ limfatyczny utrzymuje objętość krwi, zawracając nadmiar płynu śródmiąższowego do krwiobiegu. Tylko 85% do 90% płynu, który opuszcza naczynia włosowate krwi i obmywa tkanki ciała jako płyn śródmiąższowy, jest ponownie wchłaniany przez naczynia włosowate. Reszta tego płynu (aż 3 litry dziennie) jest wchłaniana przez układ limfatyczny, a następnie zawracana do układu krążenia. Ta praca jest ważna. Jeśli nadmiar płynu śródmiąższowego nie zostanie odprowadzony, spowoduje to pęcznienie tkanki, objętość krwi spadnie do potencjalnie śmiertelnego poziomu, a krew stanie się zbyt lepka (gęsta), aby serce mogło pompować.

Dramatycznym przykładem znaczenia powrotu płynu do krwi jest słoniowacizna, stan, w którym pasożytnicze robaki blokują naczynia limfatyczne (ryc. 12.15). Zablokowanie może spowodować znaczne nagromadzenie płynu w dotkniętym obszarze ciała, a następnie wzrost tkanki łącznej. Elephantiasis jest tak nazwany, ponieważ powoduje ogromny obrzęk oraz ciemnienie i pogrubienie skóry w dotkniętym obszarze, co sprawia, że ​​region ten przypomina skórę słonia. Elephantiasis to choroba tropikalna przenoszona przez komary.

RYSUNEK 12.15. Noga osoby ze słoniowatością. W tym stanie pasożytnicze robaki zatykają naczynia limfatyczne i uniemożliwiają powrót płynu z tkanek do układu krążenia.

2. Transport produktów trawienia tłuszczu z jelita cienkiego do krwiobiegu. Produkty trawienia tłuszczu są zbyt duże, aby mogły zostać wchłonięte przez naczynia włosowate w jelicie cienkim. Zamiast tego produkty te przedostają się do naczynia limfatycznego, zwanego mleczkowym, i przemieszczają się w układzie limfatycznym, aby powrócić do układu krążenia.

3. Pomóż bronić się przed organizmami chorobotwórczymi. Układ limfatyczny pomaga chronić przed chorobami i rakiem. Więcej o jego roli w obronie organizmu dowiemy się w rozdziale 13.

Struktura naczyń limfatycznych ma kluczowe znaczenie dla ich zdolności do wchłaniania płynu śródmiąższowego, który nie jest odprowadzany przez naczynia włosowate. Nadmiar płynu dostaje się do rozgałęzionej sieci mikroskopijnych kanalików, zwanych naczyniami włosowatymi limfatycznymi, które przenikają między komórkami a naczyniami włosowatymi w prawie każdej tkance ciała (z wyjątkiem zębów, kości, szpiku kostnego i ośrodkowego układu nerwowego Ryc. 12.16). Naczynia limfatyczne różnią się od naczyń włosowatych krwi na dwa sposoby. Po pierwsze, w przeciwieństwie do naczyń włosowatych krwi, które tworzą ciągłe sieci, naczynia włosowate limfatyczne kończą się na ślepo, jak palce rękawiczki. Zasadniczo naczynia limfatyczne służą jako rurki drenażowe. Płyn wpływa na „czubki palców” i przepływa przez system tylko w jednym kierunku. Po drugie, naczynia włosowate limfatyczne są znacznie bardziej przepuszczalne niż naczynia włosowate krwi, co ma kluczowe znaczenie dla ich zdolności do wchłaniania produktów trawiennych tłuszczów oraz nadmiaru płynu śródmiąższowego. Naczynia limfatyczne spływają do większych naczyń limfatycznych, które łączą się w coraz większe rurki o grubszych ścianach. Limfa w końcu wraca do krwi przez jeden z dwóch dużych przewodów, które łączą się z dużymi żyłami u podstawy szyi.

RYSUNEK 12.16. Naczynia limfatyczne to mikroskopijne, zamknięte na ślepo kanaliki, przez które nadmiar płynu tkankowego dostaje się do układu limfatycznego, aby powrócić do krwiobiegu.

Bez pompy, która by ją napędzała, limfa powoli przepływa przez naczynia limfatyczne, napędzana przez te same siły, które poruszają krew w żyłach. Oznacza to, że skurcze pobliskich mięśni szkieletowych ściskają naczynia limfatyczne, popychając limfę. Zastawki jednokierunkowe, podobne do tych w żyłach, zapobiegają przepływowi wstecznemu. Podobnie jak w przypadku przepływu krwi z powrotem do serca z dolnej części ciała, towarzyszące oddychaniu zmiany ciśnienia w klatce piersiowej (jamie w klatce piersiowej) również pomagają wyciągnąć limfę w górę z dolnej części ciała. Grawitacja wspomaga przepływ z górnej części ciała.

Naczynia limfatyczne są usiane węzłami chłonnymi, małymi strukturami w kształcie fasoli, które oczyszczają limfę podczas jej powolnego filtrowania. Węzły chłonne zawierają makrofagi i limfocyty, białe krwinki, które odgrywają zasadniczą rolę w systemie obronnym organizmu. Makrofagi pochłaniają bakterie, komórki rakowe i inne zanieczyszczenia, usuwając je z limfy. Limfocyty służą jako oddział nadzoru układu odpornościowego. Nieustannie poszukują określonych najeźdźców powodujących choroby, jak zobaczymy w rozdziale 13. Gdy limfocyty wykryją bakterie lub wirusy, limfocyty są stymulowane do podziału. Zwiększona liczba limfocytów powoduje puchnięcie węzłów chłonnych. Tak więc obrzęknięte i bolesne węzły chłonne (powszechnie zwane „gruczołami”) są objawem infekcji.

Oprócz węzłów chłonnych istnieje kilka innych narządów limfatycznych (ryc. 12.17). Wśród nich są migdałki, które tworzą pierścień wokół wejścia do gardła, gdzie pomagają chronić przed organizmami chorobotwórczymi, które są wdychane lub połykane. Grasica, znajdująca się w klatce piersiowej, to kolejny narząd limfatyczny. Odgrywa swoją rolę we wczesnym dzieciństwie, pomagając dojrzewać pewnym limfocytom, które chronią nas przed określonymi organizmami chorobotwórczymi. Po lewej stronie brzucha znajduje się największy narząd limfatyczny – śledziona. Oprócz tego, że zawiera rezerwuar limfocytów, śledziona oczyszcza krew ze starych i uszkodzonych krwinek czerwonych i płytek krwi. Wreszcie izolowane skupiska guzków chłonnych wzdłuż jelita cienkiego, znane jako kępy Peyera, powstrzymują bakterie przed przebiciem ściany jelita. Czerwony szpik kostny, w którym wytwarzane są białe krwinki i inne uformowane elementy, jest narządem limfatycznym znajdującym się na końcach kości długich, żeber, mostka i kręgów.

RYSUNEK 12.17. Układ limfatyczny to układ naczyń limfatycznych zawierających przezroczysty płyn zwany limfą oraz różne tkanki i narządy limfatyczne zlokalizowane w całym ciele. Kolor zielony wskazuje naczynia i węzły limfatyczne.

Komórki rakowe, które uwalniają się ze swojego pierwotnego miejsca w procesie zwanym przerzutami, mają łatwy dostęp do wysoce przepuszczalnych naczyń włosowatych limfatycznych. Naczynia limfatyczne zapewniają następnie drogę, którą komórki rakowe mogą rozprzestrzenić się na prawie każdą część ciała. Dlaczego często bada się węzły chłonne w celu ustalenia, czy rak się rozprzestrzenił? Dlaczego węzły chłonne w pobliżu pierwotnego miejsca raka są często usuwane?

W tym rozdziale poznaliśmy budowę i funkcję układu sercowo-naczyniowego i limfatycznego u zdrowej osoby. W następnym rozdziale rozważymy niektóre powszechne zaburzenia układu sercowo-naczyniowego.

1 Ciśnienie jest mierzone jako wysokość, na jaką to ciśnienie może wypchnąć kolumnę rtęci (Hg).

Podkreślanie pojęć

Układ sercowo-naczyniowy (str. 214-215)

• Serce służy jako pompa przepychająca krew przez naczynia krwionośne.

• Krew krąży przez rozgałęzioną sieć naczyń krwionośnych drogą, która biegnie od serca do tętnic, tętniczek, naczyń włosowatych, żyłek, żył, a następnie z powrotem do serca.

• Tętnice to elastyczne, muskularne rurki odprowadzające krew z serca. Rozciągając się, a następnie wracając do swojego pierwotnego kształtu, wytrzymują wysokie ciśnienie krwi pompowanej z serca. Zmiany te pomagają utrzymać względnie równomierne ciśnienie krwi w tętnicach pomimo dużych zmian objętości krwi w nich.

• Zmiana ciśnienia wzdłuż tętnicy w miarę jej rozszerzania się i powrotu do pierwotnego rozmiaru nazywana jest pulsem.

• Tętnice rozgałęziają się, tworząc węższe kanaliki zwane tętniczkami. Tętnice odgrywają ważną rolę w regulacji ciśnienia krwi i regulują przepływ krwi przez łożyska naczyń włosowatych.

• Wymiana materiałów między krwią a tkankami odbywa się poprzez cienkie ścianki naczyń włosowatych. Kapilary są ułożone w silnie rozgałęzione sieci, które zapewniają ogromną powierzchnię wymiany. Każda sieć naczyń włosowatych nazywana jest łożyskiem kapilarnym. Pierścienie mięśni zwane zwieraczami przedwłośniczkowymi określają, czy krew wpływa do łożyska naczyń włosowatych, czy też jest przez nie kierowana.

• Naczynia włosowate łączą się, tworząc żyłki, a te z kolei łączą się, tworząc żyły, które prowadzą krew z powrotem do serca. Krew powraca do serca wbrew grawitacji przez pobliskie mięśnie szkieletowe, które kurczą się i popychają krew w żyłach. Zastawki w żyłach zapobiegają cofaniu się krwi, gdy mięśnie szkieletowe są rozluźnione. Różnice ciśnienia generowane przez oddychanie również pomagają w przyciąganiu krwi do serca z dolnej części tułowia.

• Co minutę serce bije około 72 razy i przepływa przez jego komory nieco mniej niż 5 litrów (10 pt) krwi.

• Większość ścian serca składa się z mięśnia sercowego i jest nazywana mięśniem sercowym. Wsierdzie to cienka wyściółka wewnętrzna. Serce jest zamknięte we włóknistym worku zwanym osierdziem, który umożliwia bicie serca, jednocześnie zamykając je w pobliżu linii środkowej klatki piersiowej.

• Prawa i lewa połówka serca działają jak dwie oddzielne pompy. Każda strona składa się z dwóch komór: górnej, zwanej przedsionkiem i dolnej, zwanej komorą. Mniejsze, cienkościenne przedsionki pełnią głównie funkcję komór przyjmujących krew powracającą do serca i pompują ją na niewielką odległość do komór. Kiedy większe, grubościenne komory kurczą się, przepychają krew przez tętnice do wszystkich części ciała.

• Krew krąży w sercu w jednym kierunku dzięki działaniu dwóch par zastawek. Zastawki przedsionkowo-komorowe (AV) znajdują się między każdym przedsionkiem a komorą. Zastawki półksiężycowate znajdują się między każdą komorą a jej tętnicą łączącą. Dźwięki serca, lub-dup, są spowodowane turbulencjami krwi związanymi z zamykaniem zastawek serca.

• Prawa strona serca pompuje krew do płuc przez pętlę naczyń zwaną obwodem płucnym. Lewa strona serca pompuje krew do wszystkich części ciała z wyjątkiem płuc przez pętlę naczyń zwaną obwodem ogólnoustrojowym.

• Serce ma własną sieć naczyń, zwaną obwodem wieńcowym, która obsługuje samą tkankę serca.

• Każde uderzenie serca składa się ze skurczu (skurczu) i rozkurczu (rozkurczu). Przedsionki kurczą się zgodnie, a następnie komory robią to samo. Zdarzenia związane z każdym uderzeniem serca są zbiorczo nazywane cyklem serca.

• Rytmiczny skurcz serca jest wytwarzany przez jego wewnętrzny system przewodnictwa.Skupisko wyspecjalizowanych komórek mięśnia sercowego, zwane węzłem zatokowo-przedsionkowym (SA), zwykle ustala tempo bicia serca i dlatego nazywa się je rozrusznikiem. Kiedy sygnał elektryczny dociera do innego skupiska wyspecjalizowanych komórek mięśniowych, zwanego węzłem przedsionkowo-komorowym (AV), bodziec jest szybko przekazywany wzdłuż wiązki przedsionkowo-komorowej, która biegnie przez ścianę między dwiema komorami, a następnie rozchodzi się do ścian komór przez włókna Purkinjego .

• Tempo bicia serca zmienia się nieustannie, aby dostosować się do poziomu aktywności organizmu.

• Elektrokardiogram (EKG lub EKG) to zapis zdarzeń elektrycznych związanych z każdym uderzeniem serca.

• Ciśnienie krwi, siła wytwarzana przez serce w celu rozprowadzenia krwi w organizmie, jest mierzona jako siła wywierana przez krew na ścianki naczyń krwionośnych. Ciśnienie krwi w tętnicy osiąga szczyt, gdy komora się kurczy. Nazywa się to ciśnieniem skurczowym. W przeciwieństwie do tego, najniższe ciśnienie krwi w każdym cyklu pracy serca, ciśnienie rozkurczowe, występuje, gdy serce rozluźnia się między skurczami. Ciśnienie krwi jest mierzone za pomocą urządzenia zwanego ciśnieniomierzem.

Układ limfatyczny (str. 227-230)

• Układ limfatyczny składa się z limfy, naczyń limfatycznych, tkanki limfatycznej i narządów limfatycznych.

• Trzy podstawowe funkcje układu limfatycznego to zawracanie płynu śródmiąższowego do krwiobiegu, transport produktów trawienia tłuszczu z układu pokarmowego do krwioobiegu oraz ochrona organizmu przed organizmami chorobotwórczymi lub nieprawidłowymi komórkami.

• Płyn tkankowy dostaje się do naczyń włosowatych limfatycznych — mikroskopijnych kanalików, które kończą się na ślepo i są bardziej przepuszczalne niż naczynia włosowate krwi. Płyn, zwany wówczas limfą, przemieszcza się wzdłuż większych naczyń limfatycznych poprzez skurcz pobliskich mięśni szkieletowych. Naczynia limfatyczne mają zastawki zapobiegające cofaniu się limfy.

• Węzły chłonne filtrują limfę i zawierają komórki, które aktywnie bronią się przed organizmami chorobotwórczymi.

• Narządy limfatyczne obejmują czerwony szpik kostny, węzły chłonne, migdałki, grasicę, śledzionę i kępki Peyera w jelicie cienkim.

1. Śledź przepływ krwi z serca iz powrotem, nazywając kolejno ogólne typy naczyń, przez które przepływa krew. P. 216

3. Co to jest tętniak? Dlaczego jest to niebezpieczne? P. 216

4. Jakie są dwie ważne funkcje tętniczek? P. 216

5. Od czego zależy, czy krew przepływa przez konkretne łożysko kapilarne? P. 218

6. Porównaj budowę tętnic, naczyń włosowatych i żył. Wyjaśnij, w jaki sposób konstrukcja jest dopasowana do funkcji każdego typu statku. s. 216-231

7. Wyjaśnij, w jaki sposób krew wraca do serca z dolnej części tułowia wbrew sile grawitacji. P. 219

8. Opisz budowę zastawek serca. Wyjaśnij, jak działają. s. 216-219

9. Opisz budowę serca. Wyjaśnij, jak działa jako dwie oddzielne pompy. P. 220

10. Prześledź ścieżkę krwi od lewej komory do lewego przedsionka, nazywając każde główne naczynie związane z sercem i komorami serca we właściwej kolejności. P. 222

11. Opisz cykl pracy serca. s. 223-224

12. Wyjaśnij, w jaki sposób skupiska lub wiązki wyspecjalizowanych komórek mięśnia sercowego koordynują skurcz związany z każdym uderzeniem serca. s. 224-225

13. Wymień trzy ważne funkcje układu limfatycznego. P. 227

14. Porównaj strukturę naczyń włosowatych limfatycznych ze strukturą naczyń włosowatych krwi. W jaki sposób struktura naczyń włosowatych limfatycznych pozwala im wchłaniać płyn tkankowy? P. 228

15. Jaka jest funkcja węzłów chłonnych? P. 228

16. Zastawki półksiężycowate zapobiegają cofaniu się krwi z

a. tętnice do komór.

C. komory do przedsionków.

17. Jeśli przeciąłeś wszystkie nerwy w sercu, ale utrzymałeś serce przy życiu,

a. serce przestałoby bić.

b. serce nadal bije.

C. wystąpiłby tylko skurcz.

D. wystąpiłby tylko rozkurcz.

W przypadku pytań 18 i 19 wyobraź sobie, że zostałeś zminiaturyzowany i jedziesz przez układ krążenia, używając czerwonych krwinek jako tratwy ratunkowej.

18. Jesteś w dużym palcu u nogi, jadąc w kierunku serca. Ostatnim naczyniem, przez które przechodzisz przed wejściem do serca, jest

19. Prawie jesteś ogłuszony pierwszym tonem serca, który jest spowodowany przez

a. otwarcie zastawek przedsionkowo-komorowych.

b. zamknięcie zastawek przedsionkowo-komorowych.

C. otwarcie zaworów półksiężycowych.

D. zamknięcie zaworów półksiężycowych.

20. _____ to skupisko wyspecjalizowanych komórek mięśnia sercowego, które określają częstość akcji serca poprzez inicjowanie każdego cyklu pracy serca.

21. Osłabiony obszar na ścianie tętnicy, który może wybrzuszać się na zewnątrz, nazywa się _____.

22. Tlen i składniki odżywcze przechodzą przez ściany _____, aby dotrzeć do komórek ciała.

1. Nienormalnie krótkie (lub długie) strun ścięgniste zastawki mitralnej (dwupłatkowej) mogą powodować stan znany jako wypadanie zastawki mitralnej, w którym zastawki mitralne nie zamykają się prawidłowo. Dlaczego wypadanie płatka zastawki mitralnej powoduje, że serce wydaje nieprawidłowe dźwięki serca?

2. Nikotyna zawarta w dymie papierosowym powoduje zwężenie naczyń (zwężenie niektórych naczyń krwionośnych) i zwiększa częstość akcji serca. Wyjaśnij, jak te efekty prowadzą do wysokiego ciśnienia krwi. Wyjaśnij, dlaczego palacze papierosów częściej umierają z powodu chorób układu krążenia niż osoby niepalące.

3. Amelia jest twoją przyjaciółką. Kiedy do niej dzwonisz, żeby zapytać o plany obiadowe, mówi ci, że nie czuje się dobrze. Całe ją boli i ma nabrzmiałe „gruczoły” na szyi. Wyjaśniasz, że tak naprawdę to nie są gruczoły, bo niczego nie wydzielają. Czym oni są? Dlaczego są spuchnięte?

Stawanie się piśmiennym w zakresie informacji

Skorzystaj z co najmniej trzech wiarygodnych źródeł (książek, czasopism, stron internetowych), aby zaplanować dla siebie program zwiększający wydolność sercowo-naczyniową. Zacznij od podjęcia decyzji, które aspekty swojego stylu życia możesz zmienić, aby poprawić sprawność układu krążenia. Przykłady mogą obejmować między innymi utratę wagi, zmianę diety, zwiększoną aktywność fizyczną i redukcję stresu. Następnie zaplanuj logiczną progresję zmian, uwzględniającą rodzaj aktywności i potrawy, które lubisz. Wymień wszystkie źródła, które brałeś pod uwagę i wyjaśnij, dlaczego wybrałeś trzy źródła, z których skorzystałeś.

Jeśli jesteś właścicielem praw autorskich do jakichkolwiek materiałów zawartych w naszej witrynie i zamierzasz je usunąć, skontaktuj się z naszym administratorem witryny w celu uzyskania zgody.


Materiały i metody

Hodowla komórkowa i testy komórkowe

Komórki THP-1 uzyskano z ATCC (Manassas, VA, USA) i utrzymywano w pożywce hodowlanej RPMI-1640 (HyClone, Logan, UT, USA) zawierającej 2 mmol/L l-glutaminy, 25 mmol/L HEPES, 1,5 g /l wodorowęglan sodu, 10% płodowa surowica bydlęca (HyClone), 50 U/ml penicyliny, 50 μg/ml streptomycyny (HyClone) i 50 μmol/l β-merkaptoetanolu w 37°C w 5% CO2. Do testów komórkowych, komórki THP-1 odwirowano, przemyto i ponownie zawieszono w pożywce wzrostowej o zredukowanej surowicy płodowej bydlęcej (2%). Stężenia komórek doprowadzono do 1,0 x 106 komórek/ml i 0,3 ml dodano do poszczególnych studzienek 48-studzienkowej sterylnej płytki hodowlanej. Modulatory prozapalne ultraczystego bakteryjnego LPS (Escherichia coli K12) i syntetyczna lipoproteina bakteryjna tripalmitoilo-cysteinylo-serylo-tetralizyna (Pam3CSK4) (InvivoGen, San Diego, CA, USA) i siarczan polimyksyny B (PMX-B) (Sigma, St Louis, MO, USA) dodano bezpośrednio do komórek i inkubowano w 37°C. Po inkubacji zawartość każdego dołka została usunięta, odwirowana w 2500 g przez 10 min, a supernatant zamrożono w -20°C do dalszej analizy. Dane zależności stężenia dla agonistów TLR zostały dopasowane do sigmoidalnego równania trójparametrowego przy użyciu programu graficznego SigmaPlot w celu określenia EC50 wartości. Przyleganie komórek THP-1 indukowane przez Aβ(1-42) mierzono przez bezpośrednie liczenie. W różnych punktach czasowych pożywkę zawierającą pozostałe komórki zawiesinowe usunięto, przylegające komórki przemyto solanką buforowaną fosforanem (PBS) i usunięto 0,25% trypsyną-EDTA (HyClone). Pożywkę, płukanie PBS i usunięte komórki przylegające zliczono pod mikroskopem przy użyciu hemocytometru.

Przygotowanie peptydów Aβ

Peptydy Aβ(1-42) (rPeptide, Bogarth, GA, USA) rozpuszczono w 100% heksafluoroizopropanolu (Sigma) przez 1 godzinę, podzielono na porcje do sterylnych probówek do mikrowirówki, wysuszono w wirówce próżniowej i przechowywano w -20°C. Przed traktowaniem komórek liofilizowane peptydy ponownie zawieszono w sterylnej wodzie do stężenia peptydu 100 μmol/l i inkubowano w 4°C. Świeżo zrekonstytuowany Aβ(1–42) w wodzie pozostawiono do inkubacji w 4°C przed nałożeniem komórek. Liczne eksperymenty wykazały, że szczytowa odpowiedź komórek wystąpiła między 48 a 96 godziną agregacji Aβ(1-42). Komórki wystawiono na końcowe stężenie 15 μmol/L Aβ(1-42). Komercyjne partie Aβ zostały przetestowane pod kątem endotoksyn przed wysyłką i określono je na 0,35 EU/mg. Przekłada się to na efektywne stężenie LPS 8 pg/ml w oparciu o obliczenia opisane w (Gao i Tsan 2003). Stężenia LPS na tym poziomie były nieskuteczne w stymulowaniu komórek THP-1. Traktowanie heksafluoroizopropanolem partii peptydu Aβ przed wysyłką sprawiło, że poziomy endotoksyny były niewykrywalne. Preparaty Aβ(1–42) były również rutynowo testowane pod kątem zanieczyszczenia przy użyciu testu proliferacji komórek 2,3-bis(2-metoksy-4-nitro-5-sulfofenylo)-2H-tetrazolium-5-karboksanilidu (XTT) (Scudiero i in. 1988). Obecność wzrostu bakterii badano przez mitochondrialną redukcję XTT (Sigma). W skrócie, próbki Aβ(1–42) i wody kontrolne inkubowano przez 72 godziny w 37°C z XTT (0,3 mg/ml) i metosiarczanem fenazyny (8,3 μmol/L). Zmniejszoną absorbancję XTT zmierzono przy 467 nm. Minimalne zmniejszenie XTT zaobserwowano w próbkach bezkomórkowych Aβ(1–42) lub w próbkach z jałową wodą i nie zaobserwowano między nimi różnic.

Oznaczanie poziomów TNFα

Pomiar wydzielanego czynnika martwicy nowotworu alfa (TNF-α) w supernatantach określono metodą ELISA. W skrócie, 100 µl 4 µg/ml monoklonalnego przeciwciała wychwytującego przeciwko ludzkiemu TNFα/TNFSF1A (R&D Systems, Minneapolis, MN, USA) dodano do 96-studzienkowych płytek do inkubacji przez noc w 24°C. Studzienki przemyto PBS (HyClone) zawierającym 0,05% Tween-20 i zablokowano 300 µl PBS zawierającym 1% albuminę surowicy bydlęcej (BSA), 5% sacharozę i 0,05% NaN3 przez 1 godzinę w 24°C. Po przemyciu kolejne dodawanie 50 µl próbek lub standardów (2 godz.), 100 µl biotynylowanego poliklonalnego przeciwciała wykrywającego ludzki TNF-α/TNFSF1A (R&D Systems) w 20 mmol/l Tris z 150 mmol/l NaCl i 0,1% BSA (2 godz.), 100 µl streptawidyny-peroksydazy chrzanowej (R&D Systems) rozcieńczonej 200 razy PBS zawierającym 1% BSA (20 min) i 100 µl równych objętości 3,3′,5,5′-tetrametylobenzydyny i nadtlenku wodoru (KPL, Gaithersburg, Maryland, USA) (30 min). Reakcję zatrzymano przez dodanie 1% H2WIĘC4 rozwiązanie. Gęstość optyczną każdej próbki analizowano przy 450 nm z odczytem odniesienia przy 630 nm przy użyciu czytnika absorbancji płytek SpectraMax 340 (Molecular Devices, Union City, CA, USA). Stężenie TNF-α w próbkach doświadczalnych obliczono z krzywej standardowej TNF-α 15–2000 pg/ml. W razie potrzeby próbki rozcieńczano tak, aby mieściły się w krzywej standardowej.

Test neutralizacji przeciwciał

Komórki THP-1 (1,0 × 106 komórek/mL) dodano do 48-studzienkowej płytki do hodowli komórkowej i poddano wstępnej obróbce 5–20 μg/mL przeciwciał TLR, kontroli izotypowej IgG lub PBS przez 1 godzinę w 37°C w 5% CO2. Zastosowane przeciwciała i kontrole izotypowe to funkcjonalne anty-ludzkie przeciwciała TLR2 (klon T2.5), TLR4 (klon HTA125), CD14 (klon G1D3), mysie kontrole izotypowe IgG2a,κ i IgG1κ z eBioscience (San Diego, CA, USA) , poliklonalne przeciwciała anty-TLR2 i TLR4 z InvivoGen i kontrola izotypu szczurzej IgG z Sigma. Po 1 godz. inkubacji, Aβ(1–42) lub agonistów TLR stosowano w ciągłej obecności przeciwciał neutralizujących, a komórki dalej inkubowano przez 6 godz. w tych samych warunkach. TNFα z supernatantów komórkowych określono jak opisano powyżej. Dla wybranych eksperymentów przeprowadzono analizę statystyczną w celu określenia granicy ufności, przy której dwa pomiary były statystycznie różne. A T-test został zastosowany do każdego zbioru danych i P-wartości zostały uzyskane i podane w legendach figur.

Mikroskopia sił atomowych

Roztwory agregujące Aβ (1–42) (100 μmol/L) rozcieńczono do 1 μmol/L w wodzie. Mikę klasy V1 (Ted Pella, Inc., Redding, CA, USA) pocięto na 11 mm koła i przymocowano do 12 mm metalowych krążków. Porcje (50 μl) nanoszono na świeżo pociętą mikę, pozostawiano do adsorbowania przez 15 min, przemywano dwukrotnie wodą, suszono na powietrzu i przechowywano w pojemniku ze środkiem osuszającym. Obrazy uzyskano za pomocą wielomodowego mikroskopu sił atomowych Nanoscope III (Digital Instruments, Santa Barbara, CA, USA) w TappingMode™. Analizę wzrostu przeprowadzono za pomocą oprogramowania Nanoscope III na spłaszczonych obrazach w trybie wzrostu.


1. WSTĘP

1.1 Choroba Alzheimera

Chociaż AD stała się szóstą najczęstszą przyczyną zgonów wszystkich Amerykanów, wciąż nie ma skutecznych strategii terapeutycznych przeciwko progresji AD, głównie ze względu na brak wiedzy na temat jej mechanizmów patogenicznych. Obecnie nie są dostępne żadne leki opóźniające lub zatrzymujące postęp choroby. Zamiast tego, inhibitory cholinesterazy (donepezil, galantamina, rywastygmina i takryna), antagoniści receptora NMDA (N-metylo-D-asparaginian) (memantyna) i niektóre środki ochrony neuronów są stosowane wyłącznie lub synergistycznie w celu złagodzenia objawów spowodowanych przez utrata neuronów, zwłaszcza wady poznawcze (Cummings, Aisen, DuBois, Frölich i Jack, 2016 ). Dlatego do opracowania skuteczniejszych i bardziej ukierunkowanych terapii konieczne jest dokładne zrozumienie patogenezy AD.

1.2 Patologiczne cechy choroby Alzheimera

Dogłębne badania wykazały, że nieodwracalna utrata komórek neuronalnych w warstwie korowej hipokampa i przyśrodkowego płata skroniowego jest najbardziej typową zmianą patologiczną u pacjentów z AD. Dalsze odkrycia wykazały, że istnieją dwa dodatkowe podstawowe subkomórkowe cechy charakterystyczne Choroba Alzheimera choroby, zwanej tworzeniem blaszek starczych i splątków neurofibrylarnych, które są zaangażowane w uszkadzanie neuronów (Masters, Bateman, Blennow, Rowe i Sperling, 2015). W szczególności blaszki starcze tworzą się przez odkładanie fragmentu białka zwanego amyloidem beta (Aβ), który pochodzi z produktów rozszczepionych białka prekursorowego amyloidu (APP). Kolejne zewnątrzkomórkowe złogi agregatów Aβ promują śmiertelność neuronów, a także późniejszą amyloidozę mózgu (Riek i Eisenberg, 2016). Ponadto sploty neurofibrylarne znajdujące się wewnątrz uszkodzonych neuronów tworzą skręcone włókna białka tau. Stan hiperfosforylacji tau ułatwia tworzenie splotów wewnątrzkomórkowych, które bezpośrednio zakłócają homeostazę neuronów i prowadzą do nieprawidłowej śmierci komórek (Iqbal, Liu i Gong, 2016). Te dwie główne cechy są najważniejszymi celami badań i terapii AD, albo poprzez hamowanie ich powstawania, albo promowanie usuwania. Wśród tych sieci regulacyjnych, nowa izomeraza prolylowa Pin1 zwróciła wiele uwagi na jej ochronne działanie, zwłaszcza przeciwko neurodegeneracji Choroba Alzheimera choroba (Liou, Sun, Ryo, Zhou i Yu, 2003 ). W odniesieniu do fizjologii, Pin1 może bezpośrednio hamować aktywność GSK3β (kinaza syntazy glikogenu-3β), co z kolei prowadzi do zmniejszonej fosforylacji tau i rozszczepienia APP na Aβ (Ma, Pastorino, Zhou i Lu, 2012). Rozregulowanie Pin1 zostało zidentyfikowane w patogenezie AD i tym samym uznane za potencjalny cel dla przyszłych terapii (Pastorino, Sun, Lu, Zhou i Balastik, 2006).

Biomarker Zmiany Metody wykrywania Wartość diagnostyczna Rokowanie
płytka Aβ Podniesiony Badanie patologiczne Złoty standard (Schaffer et al., 2015 ) Odpowiednie (Pratico, 2013 )
Tau splątane Podniesiony Badanie patologiczne Złoty standard (Schaffer et al., 2015 ) Odpowiednie (Pratico, 2013 )
Aβ1-42 Zmniejszone Test płynu mózgowo-rdzeniowego Wspomagające (Ballard i in., 2011 Lista i in., 2014 ) Odpowiednie (Tarawneh, D'Angelo, Crimmins, Herries & Griest, 2016 )
p-tau181 Podniesiony Test płynu mózgowo-rdzeniowego Wspomagające (Ballard i in., 2011 Khan i Alkon, 2015 ) Istotne (Tarawneh i in., 2016 )
Pobór glukozy Zmniejszone FDG-PET Wspomagające (Ballard i in., 2011 Cohen & Klunk, 2017 ) Odpowiednie (Srebrny, Mały, Chang, Lu i Kung De Aburto, 2001 )
ApoE4 Zmniejszone Badanie krwi Potencjał (Farrer, 1997 ) Odpowiednie (Poirier, Delisle, Quirion, Aubert i Farlow, 1995 )
YKL-40 Podniesiony Test płynu mózgowo-rdzeniowego Potencjał (Craig-Schapiro i in., 2010) Istotne (Craig-Schapiro i in., 2010)
NTP Podniesiony Badanie moczu Potencjał (Lonneborg, 2008 ) NS

Notatka

  • CSF: płyn mózgowo-rdzeniowy FDG-PET: tomografia emisyjna fluorodeoksyglukozy-pozytonów NS: niespecyficzne NTP: białko nici neuronalnej YKL-40: chitynaza-3-podobna-1.

1.3 Priopodobne właściwości choroby Alzheimera

Choroba prionowa jest rzadkim zaburzeniem neurodegeneracyjnym z patologiczną cechą charakterystyczną PrP Sc (PrP scrapie), nieprawidłową, specyficzną dla choroby konformację białek prionowych (Mead i Reilly, 2015). W przeciwieństwie do innych typów chorób neurodegeneracyjnych, najbardziej wyróżniającą cechą choroby prionowej jest zdolność zakaźna i nasienna, która umożliwia rozprzestrzenianie się nieprawidłowo sfałdowanych białek prionowych z obszarów peryferyjnych do ośrodkowego układu nerwowego, a nawet przenoszenie międzygatunkowe (Victoria i Zurzolo, 2017 ).

W szczególności ostatnie badania potwierdziły, że agregaty nieprionowe znalezione w regionach dotkniętych AD również mają podobne właściwości do białka prionowego, że patogenne sploty tau i blaszki Aβ mogą być przenoszone przez połączenia międzyneuronalne i promować dalszą patogenezę choroby (Yin, Tan, Jiang i Yu, 2014). Specyficzny dla blaszek Aβ transfer międzykomórkowy odbywa się za pośrednictwem bezpośrednich połączeń komórkowych. Dalsze badania wykazały, że wysiew Aβ może zachodzić nie tylko między neuronami, ale także między neuronami a astrocytami, co wskazuje na zróżnicowany mechanizm rozprzestrzeniania się patogenów. Ponadto akumulacja splotów tau jest często wykrywana wśród anatomicznie połączonych neuronów. Późniejsze dogłębne badanie mechanistyczne wyjaśniło, że wysiew agregatów tau można osiągnąć za pomocą mechanizmu transsynaptycznego w modelach myszy transgenicznych, który charakteryzuje się internalizacją białek tau zlokalizowanych na granicach błony (Costanzo i Zurzolo, 2013). Wyniki te sugerują, że blokowanie struktur i transmisji międzykomórkowych może być potencjalną strategią terapeutyczną w zwalczaniu Choroba Alzheimera choroba.

1.4 Ścieżki rządzące homeostazą białek w regulacji choroby Alzheimera

1.4.1 Ścieżki rządzące homeostazą białek

Pod względem struktury i funkcji białka służą jako podstawowe makrocząsteczki żywych komórek, a zatem ich homeostaza ma kluczowe znaczenie dla przetrwania organizmów. Kontrola homeostazy białek następuje poprzez regulację syntezy lub degradację.Na przykład szlak mTOR działa jako centralny szlak regulujący syntezę białek, którego aktywacja przyspiesza zdolność syntezy białek cytoszkieletu, a tym samym ułatwia wzrost i proliferację komórek (Saxton i Sabatini, 2017). Z drugiej strony, dobrze zrównoważona degradacja nadmiernych lub zniekształconych białek jest również ważna dla utrzymania homeostazy białek. Dwa główne szlaki regulujące usuwanie białek obejmują autofagię i układ ubikwityna-proteasom (UPS), aby promować fizjologiczną degradację oznaczonych białek, zarówno w sposób zależny od lizosomów, jak i ubikwitynacji (Leithe, 2016 Levy, Towers & Thorburn, 2017). Każde nieprawidłowe zdarzenie na tych szlakach może prowadzić do rozregulowania białek i skutkować patologicznym początkiem.

1.4.2 Ścieżki rządzące homeostazą białek oraz Choroba Alzheimera choroba

Podobnie jak w przypadku innych zaburzeń neurodegeneracyjnych, inicjacja i postęp AD są skorelowane z akumulacją nieprawidłowo sfałdowanych białek, znanych jako blaszki Aβ i sploty tau, które przyczyniają się do postępującej utraty neuronów i upośledzenia funkcji poznawczych (Ciechanover & Kwon, 2015 DeToma, Salamekh, Ramamoorthy, & Lim, 2012 ). Fakt, że szlaki proteostazy są niezbędne do produkcji, modyfikacji i usuwania białek wewnątrzkomórkowych, a zatem ich powiązanie z AD, jest intrygujące, nawet jeśli się tego spodziewano. Brakuje jednak kompleksowego przeglądu mechanistycznego krajobrazu łączącego te szlaki homeostazy białek z AD, dlatego postanowiliśmy podsumować istotne informacje, aby zapewnić mechanistyczny wgląd i wskazówki dla przyszłych badań (ryc. 1).

W szczególności wydaje się, że istnieją różne cechy patologiczne i biochemiczne istotne dla homeostazy białek między rodzinną a sporadyczną AD. Na przykład doniesiono, że rodzinna choroba Alzheimera zwykle ma wcześniejszy wiek zachorowania, często poniżej 65 roku życia, i głównie z powodu mutacji PSEN1, PSEN2, oraz APLIKACJA (1%-2% całkowitego AD) (Wu, Rosa-Neto, Hsiung, Sadovnick i Masellis, 2012). Mutacje w obrębie tych genów (PS1/PS2/APP) wpływają na powszechny szlak patogenny w syntezie i proteolizie APP, które prowadzą do nadmiernego wytwarzania amyloidu β, a akumulacja i odkładanie utworzonej płytki starczej amyloidu β działa jako główna zmiana patologiczna w AD. Zatem nowe środki terapeutyczne ukierunkowane na tworzenie amyloidu mogą przynieść korzyści osobom z rodzinną AD. Jednak sporadyczne AD wykazuje zmiany patologiczne, w tym zarówno blaszkę starczą, jak i splot neurofibrylarny (NFT) z różnymi mechanizmami, w tym nieprawidłową produkcją lub degradacją białek amyloidu β i tau, jak podsumowaliśmy poniżej. Zatem te mechanizmy homeostazy białek mogą funkcjonować w różny sposób, wpływając na różne objawy patologiczne w AD rodzinnej i sporadycznej. Na poparcie tego poglądu, ostatnie badania wykazały, że rodzinna AD z większą aktywacją genu odpowiedzi mitochondrialnej rozwiniętego białka (mtUPR) (około 70%-90%) w porównaniu ze sporadyczną AD (około 40%-60%), wskazując, że przynajmniej mtUPR ma większe znaczenie w patogenezie rodzinnej AD (Piras, Collin, Grüninger, Graff i Rönnbäck, 2016).


SPEKULACJE: NAJWCZEŚNIEJSZE ZMIANY ZLOKALIZUJĄ SIĘ W MAŁYCH NACZYNIACH KRWI

Wiele lat temu uważano, że uszkodzenie małych naczyń krwionośnych i stan zapalny były głównymi przyczynami uszkodzenia mózgu prowadzącego do demencji typu AD (12). Gdy rozpoznano zmutowane formy białek związanych z amyloidem, pośpiech w odkrywaniu historii amyloidu stał się pędem. Integralność mikrokrążenia może zostać naruszona na wiele sposobów, począwszy od zmian czynnościowych, takich jak rozszerzenie lub zwężenie naczyń krwionośnych, które zwykle modyfikują przepływ krwi przejściowo i odwracalnie, do bezpośrednich uszkodzeń fizycznych, będących wynikiem zakrzepicy, która blokuje przepływ krwi lub zmiany zapalne, które niszczą ścianę naczynia i zabijają śródbłonek. Oba mogą spowodować niedokrwienie komórek, które odżywiają, a jeśli są przedłużane, mogą prowadzić do nieodwracalnej śmierci komórek nerwowych. Mechanizmy regulujące przepływ krwi w mózgu i działanie tego, co określa się mianem „jednostki czynnościowej układu nerwowo-naczyniowego” zostały dobrze opisane przez Iadecolę (13) oraz Bella i Zlokovica (14). Iadecola (13) opisali sposoby, w jakie regulatory przepływu krwi mogą przyczyniać się do zlokalizowanego niedokrwienia poprzez interakcje z peptydami aβ i ich wpływ na komórki śródbłonka naczyń krwionośnych, a Bell i Zlokovic (14) podkreślali rolę, jaką uszkadzają naczynia krwionośne i zaburzają układ krwionośny. Gra bariery mózgowej w usuwaniu potencjalnie toksycznych form aβ z miąższu mózgu. Obie propozycje skupiają się na sposobach, w jakie rozregulowany metabolizm amyloidu może przyczyniać się do dysfunkcji neuronów i ostatecznie do demencji, ale wciąż pozostaje pytanie, jaki jest pierwszy krok, który uruchamia tak dobrze udokumentowaną kaskadę indukowaną aβ?

Rozległe rozmieszczenie złogów amyloidowych w mózgach pacjentów z AD odzwierciedla w niezwykłym stopniu globalny wzorzec uszkodzenia małych naczyń krwionośnych opisany w mózgach pacjentów z AD przez wielu obserwatorów. Dwa badania, opublikowane prawie dwie dekady temu, opisały bardzo szczegółowo znaczące zmniejszenie sieci naczyniowej w podstawowych obszarach przodomózgowia i hipokampie mózgów AD (15, 16). Oprócz zmniejszenia liczby i rozmieszczenia naczyń, wiele z nich zostało opisanych jako załamanych lub zniekształconych, co sugeruje, że były one chronicznie modyfikowane przez jakiś trwający proces destrukcyjny. Należy podkreślić, że uszkodzone naczynia znajdowały się na poziomie tętniczek, naczyń włosowatych i żyłek, a nie w dużych tętnicach mięśniowych, a sugestia jest jasna, że ​​były one kiedyś miejscami reakcji zapalnych. Otępienie wtórne do uszkodzenia miażdżycowego w tętnicach mięśniowych jest dobrze rozpoznane, ale jest to proces wyraźnie odmienny od uszkodzenia małych naczyń w mikronaczyniach mózgowych. W tym ostatnim przypadku uszkodzone lub zablokowane małe naczynia tworzą stan niedokrwienny, który początkowo ograniczałby się do niewielkich obszarów tkanki mózgowej, prawdopodobnie wpływając tylko na pojedyncze neurony. Takie uszkodzenia we wczesnych stadiach wpływałyby na zbyt małą liczbę komórek, aby wywoływały efekt patofizjologiczny, ale z biegiem czasu i rozszerzeniem stref niedokrwienia na krytyczne części mózgu, takie jak hipokamp lub kora śródwęchowa, dysfunkcja neuronów miałaby kliniczny charakter. konsekwencje. Zgodnie z tym scenariuszem najwcześniejsze zmiany w mózgu AD zaczynają się w najmniejszych naczyniach krwionośnych, a pierwszy efekt patogenny jest wynikiem wysoce zlokalizowanego niedokrwienia wtórnego do uszkodzeń zapalnych.

Proponowana tutaj teza jest taka, że ​​amyloid jest tylko częścią kaskady patogenów. Jeśli pierwsze uszkodzenia są zlokalizowane raczej w małych naczyniach krwionośnych niż w neuronach i są w stanie stymulować wrodzoną odpowiedź immunologiczną, konsekwencje będą zależeć od typu wywołanej odpowiedzi zapalnej oraz zakresu i czasu trwania czynników uszkadzających. Peptydy Aβ lokalizują się wprawdzie w małych naczyniach krwionośnych (zarówno tętniczkach, jak i naczyniach włosowatych), w trakcie ich migracji z płynu mózgowo-rdzeniowego do krwi (17), ale inaczej zachowują się peptydy zmutowane typu Dutch/Iowa. Przywierają do tkanek łącznych naczyń, gdzie pozostają w stanie uszkadzać ściany naczyń, wywołując zarówno reakcje zapalne, jak i zakrzepicę wewnątrznaczyniową. Dynamikę tego procesu elegancko zademonstrowano u transgenicznych myszy niosących zmutowane geny aβ (18). Prowadzi to do pytania, w jaki sposób reakcje zapalne mogą prowadzić do rozległego uszkodzenia małych naczyń krwionośnych w korze mózgowej.


Wnioski

Regulację w górę NLRP3 u myszy lub ludzkiej linii komórek mikrogleju lub w mózgu pacjentów z AD opisano wcześniej [14, 24, 49], są to jednak pierwsze dane pokazujące aktywację inflamasomu NLRP3 i NLRP1 w monocytach obwodowych stymulowanych przez Aβ osób z rozpoznaniem AD. Interesujące będzie zweryfikowanie, czy te dane mogą mieć wartość prognostyczną i/lub diagnostyczną w warunkach klinicznych. W szczególności obserwacja, że ​​niektóre (NLRP1, NLRP3), ale nie wszystkie (PYCARD, kaspaza 1) genów niezbędnych do złożenia genów kompleksu inflammosomowego są regulowane w górę w MCI, sugeruje, że monitorowanie szybkości transkrypcji m.in. PYCARD w MCI może stanowić wczesne narzędzie diagnostyczne do rozwoju AD. Migracja monocytów obwodowych przez barierę krew-mózg jest prawdopodobnie ważnym czynnikiem w zapaleniu układu nerwowego, które towarzyszy chorobie Alzheimera. Niedawne wyniki wykazały, że nukleozydowe inhibitory odwrotnej transkryptazy hamują aktywację inflamasomu [50]. Jeśli neurozapalenie jest szkodliwe w AD, leki te mogą być interesującym narzędziem w leczeniu tej choroby.


CH450 i CH451: Biochemia — definiowanie życia na poziomie molekularnym

12.1 Mutacje DNA

12.2 Rodzaje uszkodzeń DNA

12.3 Stres komórkowy i reakcja na uszkodzenie DNA

12.4 Naprawa niezgodności

12.5 Naprawa przez wycięcie podstawy

12.6 Naprawa przez wycięcie nukleotydów

12.7 Naprawa pęknięć dwuniciowego DNA

12.8 Podatne na błędy obejście i synteza translekcji

12.9 Problemy z praktyką

12.10 Referencje

12.1 Mutacje DNA

Integralność struktury DNA pod kątem żywotności komórki jest podkreślona przez ogromne ilości maszynerii komórkowej przeznaczonej do zapewnienia jego dokładnej replikacji, naprawy i przechowywania. Mimo to mutacje w DNA są dość powszechnym zdarzeniem.

Mutacje to losowe zmiany zachodzące w sekwencji zasad w DNA. Mogą mieć dużą skalę, zmieniając strukturę chromosomów, lub małą skalę, w której zmieniają tylko kilka lub nawet pojedynczą zasadę lub nukleotyd. Mutacje mogą wystąpić z wielu powodów. Na przykład mutacje DNA mogą być spowodowane błędami popełnianymi przez polimerazę DNA podczas replikacji. Jak zauważono w rozdziale 9, polimerazy DNA są wysoce procesywnymi enzymami, które posiadają funkcje korekty i edycji. Dzięki tym zabezpieczeniom ich współczynniki błędów są zazwyczaj bardzo niskie i wahają się od jednej na milion zasad do jednej na miliard zasad. Nawet przy tak wysokiej wierności ten wskaźnik błędów doprowadzi do od 3 do 3000 błędów w ludzkim genomie na każdą komórkę podlegającą replikacji DNA. Mutacje DNA mogą również wynikać z replikacji DNA, które zostało uszkodzone przez czynniki endogenne lub egzogenne. W następnej sekcji zostaną omówione najczęstsze rodzaje uszkodzeń DNA i ich skutki. Jeśli polimeraza DNA napotka uszkodzoną zasadę DNA w matrycy DNA podczas replikacji, może umieścić losową zasadę nukleotydową naprzeciwko zmiany. Na przykład nukleotyd zawierający adeninę będzie często dodawany do zmiany chorobowej, niezależnie od tego, jakie powinno być prawidłowe dopasowanie. Może to prowadzić do powstania przemiana lub transwersja mutacje.

A przemiana mutacja jest mutacją punktową, która zmienia nukleotyd purynowy na inną purynę (A ↔ G) lub nukleotyd pirymidynowy na inną pirymidynę (C ↔ T). Zważywszy, że transwersja odnosi się do zastąpienia pirymidyny puryną lub odwrotnie. Czasami zmiany mogą powodować pomijanie zasad podczas replikacji lub wstawianie dodatkowych nukleotydów do kręgosłupa. Polimerazy DNA mogą również ślizgać się podczas replikacji regionów DNA, które mają powtarzające się sekwencje lub duże odcinki powtarzające pojedynczą zasadę. Większe uszkodzenia lub wiązania krzyżowe w DNA podczas replikacji mogą prowadzić do bardziej katastrofalnych uszkodzeń DNA, w tym pęknięć nici DNA. Mutacje mogą również wystąpić podczas procesów mitozy i mejozy, gdy chromatydy siostrzane i/lub chromosomy homologiczne są oddzielane od siebie.

W naturze, mutageneza, lub proces generowania mutacji DNA może prowadzić do zmian, które są szkodliwe, korzystne lub nie mają żadnego wpływu. Szkodliwe mutacje mogą prowadzić do raka i różnych chorób dziedzicznych, ale korzystne mutacje są siłą napędową ewolucji. W 1927 r. Hermann Muller po raz pierwszy zademonstrował skutki mutacji z widocznymi zmianami w chromosomach. Wywoływał mutagenezę przez naświetlanie promieniami rentgenowskimi muszek owocowych.

Kiedy mutacja jest spowodowana przez czynnik środowiskowy lub czynnik chemiczny, czynnik ten nazywa się mutagen. Typowe mutageny obejmują substancje chemiczne, takie jak te wdychane podczas palenia, oraz promieniowanie, takie jak promieniowanie rentgenowskie, światło ultrafioletowe i promieniowanie jądrowe. Różne mutageny mają różne tryby uszkadzania DNA i są omówione dalej w następnej sekcji. Należy zauważyć, że uszkodzenie DNA samo w sobie niekoniecznie prowadzi do powstania mutacji w DNA. Istnieją skomplikowane procesy naprawy DNA zaprojektowane w celu rozpoznawania i naprawy różnych typów uszkodzeń DNA. Mniej niż 1 na 1000 uszkodzeń DNA spowoduje mutację DNA. Procesy rozpoznawania i naprawy uszkodzeń DNA są tematem dalszych części tego rozdziału.

Rodzaje mutacji

Istnieje wiele rodzajów mutacji. Dwie główne kategorie mutacji to mutacje germinalne i mutacje somatyczne.

  • Mutacje germinalne występują w gametach, komórkach płciowych, takich jak jaja i plemniki. Mutacje te są szczególnie istotne, ponieważ mogą być przenoszone na potomstwo i każda komórka potomstwa będzie miała mutacje.
  • Mutacje somatyczne występują w innych komórkach ciała. Mutacje te mogą mieć niewielki wpływ na organizm, ponieważ ograniczają się do jednej komórki i jej komórek potomnych. Mutacje somatyczne również nie mogą być przekazywane potomstwu.

Mutacje różnią się także sposobem, w jaki zmienia się materiał genetyczny. Mutacje mogą zmienić cały chromosom lub tylko jeden lub kilka nukleotydów.

Zmiany chromosomowe to mutacje, które zmieniają strukturę lub liczbę chromosomów. Występują, gdy część chromosomu odrywa się i łączy się niepoprawnie lub w ogóle się nie łączy. Możliwe sposoby, w jakie mogą wystąpić te mutacje, zilustrowano na poniższym rysunku. Zmiany chromosomowe są bardzo poważne. Często prowadzą do śmierci komórki lub organizmu, w którym występują. Jeśli organizm przeżyje, może na niego wpływać na wiele sposobów. Przykładem ludzkiej zmiany chromosomowej jest mutacja powodująca zespół Downa. Jest to mutacja duplikacyjna, która prowadzi do opóźnień rozwojowych i innych nieprawidłowości. Występuje, gdy dana osoba dziedziczy dodatkową kopię chromosomu 21. Jest również nazywana trisomią ("chromosom trzech"" 21). Tak więc mutacje na dużą skalę w strukturze chromosomów obejmują: (1) Amplifikacje (w tym duplikacje genów) gdzie powtórzenie fragmentu chromosomu lub obecność dodatkowego fragmentu chromosomu uszkodzony fragment chromosomu może zostać przyłączony do homologicznego lub niehomologicznego chromosomu, tak że niektóre geny są obecne w więcej niż dwóch dawkach, co prowadzi do wielu kopii wszystkich chromosomów regiony, zwiększając dawkowanie znajdujących się w nich genów, (2) Usunięciadużych regionów chromosomowych, co prowadzi do utraty genów w tych regionach, oraz (3) Przegrupowania chromosomowe Jak na przykład translokacje (która wymiana części genetycznych z chromosomów niehomologicznych), wstawki (które wstawiają segmenty jednego chromosomu do innego niehomologicznego chromosomu) oraz inwersje(które odwracają lub odwracają sekcję chromosomu w przeciwną orientację) (rysunek 12.1).

Rysunek 12.1 Zmiany chromosomowe. Zmiany chromosomowe to główne zmiany w materiale genetycznym. Obraz zmodyfikowany z Dietzel65

Mogą również wystąpić mniejsze mutacje, które zmieniają tylko pojedynczy nukleotyd lub niewielką liczbę nukleotydów w zlokalizowanym regionie DNA. Są one klasyfikowane według tego, jak zmieniona jest cząsteczka DNA. Jeden typ, a Punktowa mutacja, wpływa na pojedynczą zasadę i najczęściej występuje, gdy jedna zasada jest zastępowana lub zastępowana przez inną. Mutacje wynikają również z dodania jednej lub więcej zasad, znanych jako an wprowadzenielub usunięcie jednej lub więcej zasad, znane jako a usunięcie.

Mutacje punktowe mogą mieć szeroki zakres wpływu na funkcję białka (Tabela 12.1 i Rysunek 12.2). W wyniku degeneracji kodu genetycznego a Punktowa mutacja spowoduje zwykle włączenie tego samego aminokwasu do powstałego polipeptydu pomimo zmiany sekwencji. Ta zmiana nie miałaby wpływu na strukturę białka i dlatego jest nazywana a cicha mutacja. A mutacja zmiany sensu skutkuje włączeniem innego aminokwasu do powstałego polipeptydu. Efekt mutacji zmiany sensu zależy od tego, jak chemicznie różni się nowy aminokwas od aminokwasu typu dzikiego. Ważna jest również lokalizacja zmienionego aminokwasu w białku. Na przykład, jeśli zmieniony aminokwas jest częścią miejsca aktywnego enzymu lub ma duży wpływ na kształt enzymu, wówczas efekt mutacji zmiany sensu może być znaczący. Wiele mutacji zmiany sensu skutkuje białkami, które są nadal funkcjonalne, przynajmniej do pewnego stopnia. Czasami skutki mutacji zmiany sensu mogą być widoczne tylko w określonych warunkach środowiskowych, takie mutacje zmiany sensu są nazywane mutacje warunkowe. Rzadko mutacja zmiany sensu może być korzystna. W odpowiednich warunkach środowiskowych ten rodzaj mutacji może dać organizmowi, który ją nosi, selektywną przewagę. Jeszcze inny rodzaj mutacji punktowej, zwany a nonsensowna mutacja, przekształca kodon kodujący aminokwas (kodon sensowny) w kodon stop (kodon nonsensowny). Mutacje nonsensowne powodują syntezę białek, które są krótsze niż białka typu dzikiego i zazwyczaj nie są funkcjonalne (podsumowane na rysunku 12.3).

Tabela 12.1: Rodzaje mutacji punktowych

Rodzaj Opis Przykład Efekt
Cichy kody zmutowanych kodonów dla tego samego aminokwasu CAA (glutamina) → CAG (glutamina) Żaden
Missense kody zmutowanych kodonów dla innego aminokwasu CAA (glutamina) → CCA (prolina) zmienny
Nonsens zmutowany kodon to przedwczesny kodon stop CAA (glutamina) → UAA (stop) zwykle poważny

Rycina 12.2 Potencjalny wpływ mutacji punktowych na regiony kodujące białka. Obraz przedstawia różne rodzaje mutacji punktowych (ciche, missense i nonsens), które mogą prowadzić do zmiany struktury białka.
Rysunek od: Jonsta247

Mniejsza skala skreślenia oraz wstawki powodują również różne efekty. Ponieważ kodony są trypletami nukleotydów, insercje lub delecje w grupach po trzy nukleotydy mogą prowadzić do insercji lub delecji jednego lub więcej aminokwasów i mogą nie powodować znaczącego wpływu na funkcjonalność powstałego białka. Jednakże, mutacje przesunięcia ramki, spowodowane insercjami lub delecjami wielu nukleotydów, które nie są wielokrotnością trzech, są niezwykle problematyczne, ponieważ powoduje przesunięcie ramki odczytu (ryc. 12.3). Ponieważ rybosomy odczytują mRNA w kodonach trypletowych, mutacje przesunięcia ramki mogą zmienić każdy aminokwas po punkcie mutacji. Nowa ramka odczytu może również zawierać kodon stop przed końcem sekwencji kodującej. W konsekwencji białka wytworzone z genów zawierających mutacje przesunięcia ramki są prawie zawsze niefunkcjonalne.

Rysunek 12.3. Podsumowanie mutacji na małą skalę w regionach kodujących białka. Zmiany DNA, które prowadzą do zmian w sekwencji białka kodowanej przez DNA, mogą obejmować mutacje punktowe, insercje DNA i delecje DNA.

Większość mutacji nie ma ani negatywnego, ani pozytywnego wpływu na organizm, w którym występują. Te mutacje nazywane są mutacjami neutralnymi. Przykłady obejmują ciche mutacje punktowe, które są neutralne, ponieważ nie zmieniają aminokwasów w kodowanych przez siebie białkach.

Niektóre mutacje mają pozytywny wpływ na organizm, w którym występują. Nazywa się je korzystnymi mutacjami. Jeśli występują w komórkach zarodkowych (jajach lub plemnikach), cechy te mogą być dziedziczne i przekazywane z pokolenia na pokolenie. Korzystne mutacje generalnie kodują nowe wersje białek, które pomagają organizmom przystosować się do ich środowiska. Jeśli zwiększają szanse organizmu na przeżycie lub rozmnażanie, mutacje prawdopodobnie staną się z czasem bardziej powszechne w populacji. Istnieje kilka dobrze znanych przykładów korzystnych mutacji. Oto tylko dwa:

  1. W bakteriach wystąpiły mutacje, które umożliwiają przeżycie bakterii w obecności antybiotyków. Mutacje doprowadziły do ​​ewolucji szczepów bakterii opornych na antybiotyki.
  2. Wyjątkowa mutacja występuje u ludzi w małym miasteczku we Włoszech. Mutacja chroni je przed rozwojem miażdżycy, czyli niebezpiecznego gromadzenia się substancji tłuszczowych w naczyniach krwionośnych. Zidentyfikowano nawet osobnika, u którego po raz pierwszy pojawiła się mutacja.

Mogą również wystąpić szkodliwe mutacje. Wyobraź sobie, że dokonujesz losowej zmiany w skomplikowanej maszynie, takiej jak silnik samochodowy. Szansa, że ​​losowa zmiana poprawi funkcjonowanie auta jest bardzo mała. Zmiana jest o wiele bardziej prawdopodobna, aby samochód nie działał dobrze lub być może wcale nie jeździł. Z tego samego powodu każda losowa zmiana w DNA genu z większym prawdopodobieństwem spowoduje wytwarzanie białka, które nie działa normalnie lub może w ogóle nie funkcjonować, niż w przypadku mutacji, która poprawia funkcję. Takie mutacje mogą być szkodliwe. Szkodliwe mutacje mogą powodować zaburzenia genetyczne lub raka.

  • Zaburzenie genetyczne to choroba, zespół lub inny nienormalny stan spowodowany mutacją jednego lub więcej genów lub zmianą chromosomową. Przykładem zaburzenia genetycznego jest mukowiscydoza. Mutacja w jednym genie powoduje, że organizm wytwarza gęsty, lepki śluz, który zatyka płuca i blokuje przewody w narządach trawiennych. Zaburzenia genetyczne są zwykle spowodowane mutacjami genów, które występują w komórkach zarodkowych i mają charakter dziedziczny.
  • Choroby spowodowane mutacjami, które występują u osobnika, ale nie są przekazywane potomstwu, to mutacje występujące w komórkach somatycznych. Rak to choroba spowodowana nagromadzeniem mutacji w komórkach somatycznych. Powoduje to, że komórki wymykają się spod kontroli i tworzą nienormalne masy komórek zwane guzami. Jest to na ogół spowodowane mutacjami w genach regulujących cykl komórkowy, naprawę DNA, angiogenezę i inne geny sprzyjające wzrostowi i przeżyciu komórek. Z powodu mutacji komórki ze zmutowanym DNA ewoluowały, aby dzielić się bez ograniczeń, ukrywać się przed układem odpornościowym i rozwijać lekooporność.

Powrót na górę

12.2 Rodzaje uszkodzeń DNA

Uszkodzenia DNA, spowodowane czynnikami środowiskowymi i normalnymi procesami metabolicznymi wewnątrz komórki, występują w tempie od 1000 do 1 000 000 uszkodzeń molekularnych na komórkę dziennie. Chociaż stanowi to tylko 0,000165% ludzkiego genomu, około 6 miliardów zasad (3 miliardy par zasad), jeśli nie zostanie naprawione, może spowodować mutacje w krytycznych genach (takich jak geny supresorowe nowotworu) może utrudnić komórce zdolność do wykonywania swoich funkcji i znacznie zwiększają prawdopodobieństwo powstania guza i stanów chorobowych, takich jak rak.

Zdecydowana większość uszkodzeń DNA wpływa na pierwotną strukturę podwójnej helisy, czyli same zasady są chemicznie modyfikowane. Te modyfikacje mogą z kolei zakłócić regularną strukturę helikalną cząsteczek poprzez wprowadzenie nienatywnych wiązań chemicznych lub masywnych adduktów, które nie pasują do standardowej podwójnej helisy. W przeciwieństwie do białek i RNA, DNA zwykle nie ma struktury trzeciorzędowej, a zatem uszkodzenie lub zaburzenie nie występuje na tym poziomie. DNA jest jednak superskręcone i owinięte wokół białek „pakujących” zwanych histonami (u eukariotów), a obie superstruktury są podatne na skutki uszkodzenia DNA.

Istnieje kilka rodzajów uszkodzeń DNA, które mogą wystąpić w wyniku normalnych procesów komórkowych lub w wyniku środowiskowej ekspozycji komórek na czynniki uszkadzające DNA. Zasady DNA mogą zostać uszkodzone przez: (1) procesy oksydacyjne, (2) alkilację zasad, (3) utratę zasad spowodowaną hydrolizą zasad, (4) tworzenie masywnych adduktów, (5) sieciowanie DNA i (6) DNA zerwania nici, w tym zerwania jedno- i dwuniciowe. Przegląd tych rodzajów uszkodzeń opisano poniżej.

Uszkodzenie oksydacyjne

Reaktywne formy tlenu (ROS) mogą powodować znaczny stres komórkowy i uszkodzenia, w tym uszkodzenia oksydacyjne DNA. Rodniki hydroksylowe ( • OH) są jednymi z najbardziej reaktywnych i elektrofilowych ROS i mogą być wytwarzane przez promieniowanie ultrafioletowe i jonizujące lub przez inne rodniki powstające w reakcjach enzymatycznych. • OH może powodować powstawanie 8-okso-7,8-dihydroguaniny (8-oksoG) z reszt guaninowych, wśród innych produktów utleniania (Rysunek 12.4). Guanina jest najłatwiej utlenianą z zasad kwasu nukleinowego, ponieważ ma najniższy potencjał jonizacji wśród zasad DNA. 8-okso-dG jest jedną z najliczniejszych zmian DNA i jest uważana za biomarker stresu oksydacyjnego. Szacuje się, że w DNA na komórkę dziennie może wystąpić do 100 000 zmian 8-okso-dG. Potencjał redukcyjny 8-okso-dG jest jeszcze niższy (0,74 V vs NHE) niż guanozyny (1,29 V vs NHE). Dlatego może być dalej utleniany, tworząc różnorodne wtórne produkty utleniania.

Rysunek 12.4 Reaktywne gatunki tlenu i uszkodzenia DNA. W warunkach stresu oksydacyjnego 8-oxoG jest wynikiem reaktywnych form tlenu (ROS) modyfikujących guaninę.

Jak wspomniano wcześniej, podwyższony poziom 8-okso-dG w tkance może służyć jako biomarker stresu oksydacyjnego. Ponadto, podwyższone poziomy 8-okso-dG są często stwierdzane w związku z karcynogenezą i innymi stanami chorobowymi (ryc. 12.5). Podczas replikacji DNA zawierającego 8-okso-dG, adenina jest najczęściej włączana naprzeciwko zmiany. Po replikacji, 8-okso-dG jest wycinane podczas procesu naprawy, a w jej miejsce wbudowywana jest tymina. Zatem mutacje 8-okso-dG zazwyczaj powodują transwersję G do T.

Rysunek 12.5 Stres oksydacyjny a zdrowie człowieka. Uszkodzenia DNA spowodowane stresem oksydacyjnym są związane z wieloma stanami chorobowymi człowieka.

Alkilacja zasad

Czynniki alkilujące są szeroko rozpowszechnione w środowisku i są również wytwarzane endogennie, jako produkty uboczne metabolizmu komórkowego. Wprowadzają zmiany do zasad DNA lub RNA, które mogą być cytotoksyczne, mutagenne lub obojętne dla komórki. Rycina 12.6 przedstawia główne miejsca reaktywne zasad DNA, które są podatne na alkilację. Zmiany cytotoksyczne blokują replikację, przerywają transkrypcję lub sygnalizują aktywację apoptozy, podczas gdy zmiany mutagenne powodują nieprawidłowe kodowanie i powodują mutacje w nowo zsyntetyzowanym DNA. Najczęstszym rodzajem alkilacji jest metylaton z głównymi produktami, w tym N7-metyloguaniną (7meG), N3- metyloadenina (3meA) i O6-metyloguanina (O6meG). Metylacja w mniejszych ilościach występuje również na innych zasadach DNA i obejmuje tworzenie N1-metyloadeniny (1meA), N3-metylocytozyny (3meC), O4-metylotyminy (O4meT) i fosfotriestrów metylu (MPT).

Rycina 12.6 Główne miejsca alkilacji w DNA. Diagram przedstawia pary zasad DNA Watsona-Cricka z głównymi miejscami uszkodzenia zmodyfikowanymi przez małe czynniki alkilujące (metyl i etyl). (A) Miejsca modyfikacji zasad środkami alkilującymi SN1 i SN2. Kolor pomarańczowy wskazuje miejsca poważnych uszkodzeń, a zielony — miejsca drobnych uszkodzeń. (B) Tworzenie fosfotriestru na co wskazuje obecność grup metylowych wraz z izomerami Rp i Sp.

Czynniki alkilujące mogą powodować uszkodzenia wszystkich egzocyklicznych atomów azotu i tlenu w DNA i RNA, a także atomów azotu w pierścieniu (ryc. 12.6A). Jednak procent zmodyfikowanych miejsc zasad zależy od środka alkilującego, pozycji w DNA lub RNA oraz tego, czy kwasy nukleinowe są jedno- czy dwuniciowe. Co ciekawe, O-alkilacje są bardziej mutagenne i szkodliwe niż N-alkilacje, które mogą być bardziej cytotoksyczne, ale nie tak mutagenne.

Jak zbadamy w rozdziale 13, metylacja DNA służy również jako ważny mechanizm regulujący ekspresję genów.

Strata bazowa

jakiś Strona AP (miejsce apurynowe/apirymidynowe), znany również jako an strona podstawowa, jest lokalizacją w DNA (również w RNA, ale znacznie mniej prawdopodobną), która nie ma ani zasady purynowej, ani pirymidynowej, ani spontanicznie, ani z powodu uszkodzenia DNA (ryc. 12.7). Oszacowano, że w warunkach fizjologicznych dziennie w komórce może powstać 10 000 miejsc apurynowych i 500 apirymidynowych.

Rysunek 12.7 Witryny Abasic. Miejsca apurinowe i apirymidymowe (AP) występują z powodu niestabilnej hydrolizy.

Miejsca AP mogą być tworzone przez samoistną depurynację, ale mogą również występować jako produkty pośrednie w naprawie przez wycięcie podstawy, procesie naprawy opisanym w sekcji 12.5. Nienaprawione miejsca AP mogą prowadzić do mutacji podczas replikacji semikonserwatywnej. Mogą powodować blokowanie widełek replikacyjnych i często są pomijane przez synteza translekcji, o czym szerzej w rozdziale 12.8. w E coli, adenina jest preferencyjnie wstawiana naprzeciwko miejsc AP, znana jako „reguła “A””. Sytuacja jest bardziej złożona u wyższych eukariontów, gdzie różne nukleotydy wykazują preferencje w zależności od organizmu i warunków środowiskowych.

Tworzenie masywnych adduktów

Niektóre chemikalia są biologicznie reaktywne i tworzą wiązania kowalencyjne z cząsteczkami biologicznymi, takimi jak DNA i białka, tworząc duże nieporęczne adduktylub wyrostki, które rozgałęziają się od głównej cząsteczki. Wykorzystamy mutagen/czynnik rakotwórczy, benzo[a]piren, jako przykład tego procesu.

Benzo[a]piren jest wielopierścieniowym węglowodorem aromatycznym, który powstaje podczas niecałkowitego spalania materii organicznej w temperaturach od 300°C (572°F) do 600°C (1112°F). Wszechobecny związek można znaleźć w smole węglowej, dymie tytoniowym i wielu produktach spożywczych, zwłaszcza mięs z grilla. Benzo[a]piren jest właściwie prokarcynogenny który musi być biologicznie aktywowany przez metabolizm, zanim utworzy reaktywny metabolit (ryc. 12.8). Zwykle, gdy organizm jest wystawiony na działanie obcych cząsteczek, rozpoczyna proces metaboliczny, który czyni cząsteczkę bardziej hydrofilową i łatwiejszą do usunięcia jako produkt odpadowy. Niestety w przypadku benzo[a]piren, powstały metabolit jest wysoce reaktywnym epoksydem, który tworzy masywny addukt preferencyjnie z resztami guaniny w DNA. Jeśli nie zostanie naprawiona, podczas replikacji DNA adenina zostanie zwykle umieszczona naprzeciwko zmiany w cząsteczce potomnej. Późniejsza naprawa adduktu spowoduje zastąpienie uszkodzonej zasady guaninowej tyminą, powodując mutację transwersji G–>T.

Rysunek 12.8 Benzo[a]aktywacja pirenu i tworzenie adduktów. (A) Benzo[a]piren jest biologicznie aktywowany do dwuwodorotlenowego epoksydu podczas normalnych procesów metabolicznych. (B) Dym papierosowy jest źródłem benzo[a]piren. (C) Aktywowany (+)benzo[a]pireno-7,8-dihydrodiol-9,10-epoksyd może tworzyć addukt DNA z resztami guaniny. (D) Benzo[aaddukt ]pirenowy tworzy rozległą zmianę, która zniekształca szkielet DNA.

Powrót na górę

Sieciowanie DNA

Sieciowanie DNAwystępuje, gdy różne czynniki egzogenne lub endogenne reagują z dwoma nukleotydami DNA, tworząc między nimi wiązanie kowalencyjne. To usieciowanie może wystąpić w obrębie tej samej nici (wewnątrzniciowy) lub między przeciwległymi nićmi dwuniciowego DNA (internitka) (Rysunek 12.9). Te addukty zakłócają metabolizm komórkowy, taki jak replikacja i transkrypcja DNA, wywołując śmierć komórki.

Rycina 12.9 Schematyczny diagram wiązań krzyżowych wewnątrz nici i między niciami DNA.

Światło UV może powodować powstawanie wiązań krzyżowych między dwiema resztami pirymidyny, zwykle dwiema resztami tyminy, które są umieszczone kolejno w obrębie nici DNA (rysunek 12.10). Dwa popularne produkty UV to dimery pirymidyny cyklobutanu (CPD) i 6-4 fotoprodukty. Te przedmutagenne uszkodzenia zmieniają strukturę i prawdopodobnie parowanie zasad. Do 50-100 takich reakcji na sekundę może wystąpić w komórce skóry podczas ekspozycji na światło słoneczne, ale zwykle są one korygowane w ciągu kilku sekund przez reaktywację fotoliazy lub naprawę przez wycięcie nukleotydów. Nieskorygowane zmiany mogą hamować polimerazy, powodować błędne odczyty podczas transkrypcji lub replikacji lub prowadzić do zatrzymania replikacji. Dimery pirymidynowe są główną przyczyną czerniaków u ludzi.

Rycina 12.10 Pęknięcia dwuniciowego DNA i tworzenie dimeru tyminy (a) Promieniowanie jonizujące, takie jak promieniowanie rentgenowskie i promieniowanie γ, zawiera wystarczającą ilość energii, aby spowodować jedno- i dwuniciowe pęknięcia w szkielecie DNA. (b) Energia z promieniowania niejonizującego, takiego jak światło UV, jest bezpośrednio absorbowana przez DNA, powodując usieciowanie reszt tyminy sąsiadujących w obrębie pojedynczej nici DNA. (c) 6,4-dimer, który tworzy pojedyncze wiązanie kowalencyjne i (d) dimer tymina-tymina-cyklobutan, który tworzy dwa wiązania kowalencyjne między resztami tyminy.

Przerwy w nici DNA

Promieniowanie jonizujące, takie jak wytworzone przez rozpad radioaktywny lub promieniowanie kosmiczne, powoduje przerwy w niciach DNA (ryc. 12.10a). Promieniowanie jonizujące o niskim poziomie może wywoływać nieodwracalne uszkodzenia DNA (prowadzące do błędów replikacyjnych i transkrypcyjnych potrzebnych do neoplazji lub może wywołać interakcje wirusowe), prowadząc do przedwczesnego starzenia się i raka. Środki chemiczne, które tworzą wiązania poprzeczne w obrębie DNA, zwłaszcza wiązania krzyżowe między nićmi, mogą również prowadzić do pęknięć nici DNA, jeśli uszkodzony DNA ulega replikacji DNA. Usieciowany DNA może powodować zatrzymanie enzymów topoizomerazy w stanie przejściowym, gdy szkielet DNA jest w stanie rozszczepionym. Zamiast łagodzić superzwijanie i ponowne zamykanie kręgosłupa, zablokowana topoizomeraza pozostaje kowalencyjnie połączona z DNA w procesie zwanym nieudana kataliza. Prowadzi to do powstania pęknięć jednoniciowych w przypadku enzymów Top1 lub pęknięć dwuniciowych w przypadku enzymów Top2. Pęknięcia podwójnej nici DNA z powodu opóźniania topoizomerazy mogą również wystąpić podczas transkrypcji DNA (ryc. 12.11). W rzeczywistości, nieudana katalizaa tworzenie pęknięć nici DNA podczas zdarzeń transkrypcyjnych może służyć jako czujnik uszkodzeń w komórce i pomagać w inicjowaniu szlaków sygnałowych odpowiedzi na uszkodzenie DNA, które inicjują procesy naprawy DNA.

Rysunek 12.11 Model topoizomerazy IIB (Za pośrednictwem TOP2B) podwójne pęknięcia nici DNA podczas transkrypcji. (Schemat górny) w nieindukowanym stanie transkrypcji, Pol II jest zatrzymany między +25 a +100 od miejsca startu transkrypcji. Pauza jest przypisywana różnym elementom, w tym czynnikom transkrypcyjnym stabilizującym pauzę, nukleosomowi +1 oraz strukturze i skręcaniu DNA. Dodatnie superzwijanie przed Polem II może wymagać funkcji TOP2B. (Środkowy diagram) Aktywacja transkrypcji indukowana przez różne bodźce aktywuje TOP2B w celu rozwiązania skręcania DNA w promotorze i ciele genu. (Schemat dolny) W tym procesie, w wyniku nieudanej katalizy TOP2B, która często występuje w niektórych genach, mogą powstawać podwójne pęknięcia nici. Może to być odpowiedzialne za sygnalizację odpowiedzi na uszkodzenie DNA, którą zaobserwowano w wielu genach indukowanych bodźcem u ludzi.

Powrót na górę

12.3 Stres komórkowy i reakcja na uszkodzenie DNA

Uszkodzenia genetyczne wywołane przez mechanizmy egzogenne lub endogenne stanowią ciągłe zagrożenie dla komórki. Aby zachować integralność genomu, komórki eukariotyczne wykształciły mechanizmy naprawcze specyficzne dla różnych typów uszkodzeń DNA. Jednak niezależnie od rodzaju szkody wyrafinowany mechanizm nadzoru, który wywołuje: Punkty kontrolne uszkodzeń DNAwykrywa i sygnalizuje jego obecność maszynerii naprawczej DNA. Punkty kontrolne uszkodzeń DNA zostały funkcjonalnie zachowane podczas ewolucji eukariotycznej, przy czym większość istotnych graczy w odpowiedzi punktu kontrolnego jest wysoce konserwatywna, od drożdży po ludzi. Punkty kontrolne są indukowane, aby opóźnić postęp cyklu komórkowego i dać komórkom czas na naprawę uszkodzonego DNA przed replikacją DNA (ryc. 12.12). Po naprawieniu uszkodzonego DNA mechanizm punktów kontrolnych wyzwala sygnały, które wznawiają progresję cyklu komórkowego. W komórkach wiele ścieżek przyczynia się do naprawy DNA, ale niezależnie od zaangażowanej konkretnej ścieżki naprawy, tradycyjnie identyfikuje się trzy fazy aktywacji punktów kontrolnych: (1) Wykrywanie uszkodzenia, (2) Aktywacja kaskady sygnalizacyjnej oraz (3) Włączanie w dół efektory. Faza czujnika rozpoznaje uszkodzenie i aktywuje fazę transdukcji sygnału, aby zablokować progresję cyklu komórkowego i wybrać odpowiednią ścieżkę naprawy.

W organizmach wielokomórkowych reakcja na uszkodzenie DNA może skutkować dwoma głównymi konsekwencjami fizjologicznymi: (1) komórki mogą zostać zatrzymane w cyklu komórkowym, naprawić uszkodzenie i ponownie wejść w cykl komórkowy, lub (2) komórki mogą być celem śmierci komórki ( apoptoza) i usunięte z populacji. Proces cyklu komórkowego jest wysoce konserwatywny i precyzyjnie kontrolowany, aby zarządzać powielaniem genomu i rozdzielaniem go na komórki potomne. Cykl komórkowy składa się z czterech odrębnych i uporządkowanych faz, nazwanych G0/G1 (przerwa 1), S (synteza DNA), G2 (przerwa 2) i M (mitoza). Na każdym etapie cyklu komórkowego istnieje wiele punktów kontrolnych, które zapewniają wierną replikację DNA w fazie S i precyzyjne rozdzielenie chromosomów na komórki potomne. Fazy ​​G1 i G2 są krytycznymi regulacyjnymi punktami kontrolnymi, w których punkt ograniczenia między fazą G1 i S określa, czy komórki wchodzą w fazę S, czy wychodzą z cyklu komórkowego, aby zatrzymać się w fazie G0. Progresja cyklu komórkowego wymaga aktywności kinaz zależnych od cyklin (CDK), grupy kinaz serynowo/treoninowych. CDK są aktywowane, gdy tworzą kompleksy z białkami regulatorowymi cykliny, które ulegają swoistej ekspresji na różnych etapach cyklu komórkowego. Cykliny wiążą się i stabilizują CDK w ich aktywnej konformacji. Tworzenie cykliny/CDK kontroluje progresję cyklu komórkowego poprzez fosforylację genów docelowych, takich jak białko retinoblastoma (Rb) będące supresorem nowotworu.

Podczas uszkodzenia DNA cykl komórkowy zostaje zatrzymany lub zablokowany przez działanie inhibitorów kinaz zależnych od cyklin. Jak zauważono na rycinie 12.12, jest to skomplikowana kaskada transdukcji sygnału, która ma wiele dalszych efektów. Podstawową funkcją zatrzymania cyklu komórkowego jest to, że hamowanie CDK daje czas na naprawę DNA przed przejściem cyklu komórkowego do fazy S lub mitozy. Jak pokazano na rycinie 12.12, dwa główne punkty kontrolne cyklu komórkowego reagują na uszkodzenia DNA, które występują przed i po syntezie DNA odpowiednio w fazach G1 i G2 i wpływają na aktywność określonych kompleksów CDK.Kinazy punktu kontrolnego kinazy białkowe podobne do kinazy fosfatydyloinozytolu (PI3K) (PI3KK), ataksja teleangiektazja i białko związane z Rad3 (ATR) lub zmutowana ataksja-teleangiektazja (ATM) oraz kinazy punktów kontrolnych przetwornika CHK1 (kodowane przez gen CHEK1) i CHK2 (kodowane przez gen CHEK2) są kluczowymi regulatorami sygnalizacji uszkodzenia DNA. Sygnalizacja uszkodzenia DNA jest wykrywana przez ATM/ATR, które następnie odpowiednio fosforylują i aktywują CHK2/CHK1. Aktywowana CHK2 bierze udział w aktywacji p53, prowadząc do zależnego od p53 zatrzymania wczesnej fazy G1, aby dać czas na naprawę DNA. Aktywacja p53 indukuje ekspresję genu p21 CIP1 inhibitora kinazy zależnej od cykliny (CKI), co prowadzi do hamowania kompleksów cykliny E/CDK2 i późniejszej regulacji w górę mechanizmu naprawy DNA.

Jeśli naprawa DNA nie może zostać pomyślnie zakończona lub komórki nie mogą zaprogramować odpowiedzi na stresy zatrzymania żywotnego cyklu komórkowego, komórki stają przed losem apoptozy indukowanej przez p53. Aktywowana CHK1 pośredniczy w czasowym zatrzymaniu fazy S poprzez fosforylację w celu inaktywacji CDC25A, powodując ubikwitynację i proteolizę. Ponadto aktywowana CHK1 fosforyluje i inaktywuje CDC25C, prowadząc do zatrzymania cyklu komórkowego w fazie G2. Aktywna CHK1 stymuluje również bezpośrednio fosforylację WEE1, co skutkuje zwiększeniem hamującej fosforylacji Tyr15 CDK2 i CDK1, a następnie blokowaniem cyklu komórkowego w fazie G2. Aktywność WEE1 może być również stymulowana przez niski poziom aktywności CDK w fazie cyklu komórkowego G2. SAC, znany również jako mitotyczny punkt kontrolny, działa jako monitor prawidłowego przyłączenia chromosomów do wrzeciona mitotycznego w metafazie, który jest regulowany przez kinazę białkową TTK (TTK, znaną również jako wrzeciono monopolarne 1 (MPS1)). Aktywacja SAC przejściowo indukuje zatrzymanie cyklu komórkowego poprzez hamowanie aktywacji APC/C. W celu ustanowienia i utrzymania mitotycznego punktu kontrolnego, TTK rekrutuje wiele białek punktów kontrolnych do kinetochorów podczas mitozy poprzez fosforylację jego substratów, aby zapewnić odpowiednią segregację chromosomów i integralność genomu. W ten sposób SAC chroni niestabilność genomu spowodowaną defektami segregacji chromosomów. Po przejściu SAC, kompleks ligazy APC/C E3 stymuluje i znakuje cyklinę B i sekurynę pod kątem degradacji za pośrednictwem ubikwityny, prowadząc do zapoczątkowania mitozy. Jednym słowem, punkty kontrolne oferują bezpieczny mechanizm zapewniający integralność genomową od komórki rodzicielskiej do komórki potomnej. Kaskada transdukcji sygnału aktywacji punktu kontrolnego ostatecznie zbiega się z hamowaniem CDK, co wskazuje na funkcję CDK jako kluczową siłę napędową progresji cyklu komórkowego.

Rycina 12.12 Losy komórek po uszkodzeniu DNA. Punkty kontrolne cyklu komórkowego są indukowane przez uszkodzenie DNA, pokazane na czerwono. Inhibitory kinaz zależnych od cykliny (CIP/KIP), pokazane na fioletowo, blokują progresję cyklu komórkowego we wszystkich fazach cyklu komórkowego (G1, S, G2 lub M) po uszkodzeniu DNA poprzez hamowanie zależnych od cyklin kompleksów kinaz (pokazane na zielono ). Kaskady sygnałowe aktywowane w odpowiedzi na uszkodzenie DNA również wywołują ścieżki naprawy DNA lub, jeśli uszkodzenie DNA jest poważne, aktywowana jest zaprogramowana śmierć komórki (apoptoza).

Powrót na górę

Oprócz blokowania progresji cyklu komórkowego czujniki uszkodzeń DNA aktywują również mechanizmy naprawy DNA, które są specyficzne dla rodzaju obecnego uszkodzenia. Na przykład, jednoniciowe pęknięcia DNA są naprawiane głównie przez naprawę przez wycinanie zasad, duże addukty DNA i wiązania poprzeczne są naprawiane przez naprawę przez wycinanie nukleotydów, a mniejsze mutacje nukleotydów, takie jak alkilacja, naprawiane są przez naprawę niedopasowania. Komórki mają również dwa główne mechanizmy naprawiania przerw w podwójnej nici (DSB). Obejmują one łączenie niehomologiczne (NHEJ) i rekombinację homologiczną (HR). Jeśli uszkodzenie jest zbyt rozległe, aby można je było naprawić, wywołane zostaną szlaki apoptotyczne. W kolejnych sekcjach zostaną podane szczegóły dotyczące głównych szlaków naprawy DNA.

12.4 Naprawa niezgodności

Naprawa niedopasowania DNA (MMR) to wysoce konserwatywny system naprawy DNA (tabela 12.2), który w znacznym stopniu przyczynia się do utrzymania stabilności genomu poprzez korektę niedopasowanych par zasad i niewielkie modyfikacje zasad DNA, takie jak alkilacja. Głównym źródłem niedopasowanych par zasad jest błąd replikacji, chociaż może on wynikać również z innych procesów biologicznych. Tak więc maszyneria MMR musi mieć mechanizm określania, która nić DNA jest nicią matrycową i która nić została nowo zsyntetyzowana. w E colimetylacja DNA jest powszechną modyfikacją poreplikacyjną. Zatem w nowo zsyntetyzowanym DNA nić niemetylowana jest rozpoznawana jako nowa nić, a nić zmetylowana jest wykorzystywana jako matryca do naprawy niedopasowań. w E coliMMR zwiększa dokładność replikacji DNA 20-400-krotnie. Mutacje i wyciszanie epigenetyczne w genach MMR powiązano nawet z 90% ludzkich dziedzicznych, niepolipowatych raków okrężnicy, co wskazuje na znaczenie tego systemu naprawy w utrzymaniu stabilności genomu. Postreplikacyjny MMR jest wykonywany przez mechanizm MMR z długimi fragmentami, w którym zaangażowanych jest wiele białek, a stosunkowo długi odcinek oligonukleotydu jest wycinany podczas reakcji naprawy. W przeciwieństwie do tego, określone rodzaje niedopasowanych par zasad są naprawiane za pomocą bardzo krótkich fragmentów MMR, w których krótki odcinek oligonukleotydowy jest wycinany w celu usunięcia zmiany.

Tabela 12.2 Enzymy naprawy niedopasowania u bakterii, drożdży i ludzi

Obecnie wyjaśniono dwa rodzaje mechanizmów MMR: jeden ma być stosowany przez eukarionty i większość bakterii, a drugi jest specyficzny dla E coli i blisko spokrewnione bakterie. Jak pokazano na Figurach 12.13(a) i 12.13(b), MMR u eukariontów i większości bakterii kieruje naprawę do nici zawierającej błąd niedopasowanego dupleksu poprzez rozpoznanie nieciągłości nici. Z drugiej strony, jak pokazano na rysunku 12.13(c), E coli MMR odczytuje brak metylacji jako sygnał rozróżniania nici. W obu systemach MMR rozróżnianie nici odbywa się przez nacinanie endonukleaz. Homologi MutL z eukariontów i większości bakterii nacinają nieciągłą nić, aby wprowadzić punkt wejścia lub zakończenia reakcji wycięcia. w E coli, MutH nacina niemetylowaną nić dupleksu, aby wygenerować punkt wejścia wycięcia. Po wycięciu uszkodzonej lub niedopasowanej nici, helikazy (takie jak UvrD) i egzonukleazy (takie jak ExoI) wycinają krótki region nukleotydów z uszkodzonej nici. DNA pol III lub DNA pol δ wypełnia lukę, a ligaza DNA naprawia szkielet.

Rysunek 12.13 Schematyczne przedstawienie modeli ścieżek MMR. (a) Eukariotyczny MMR. Niedopasowanie DNA jest generowane przez nieprawidłowe włączenie zasady podczas replikacji DNA. MutSα rozpoznaje niezgodności bazowe. MutLα nacina 3′- lub 5′-stronę niedopasowanej podstawy na nieciągłej nici. Powstały segment DNA jest wycinany przez egzonukleazę EXO1, we współpracy z jednoniciowym białkiem wiążącym DNA RPA. Nić DNA jest ponownie syntetyzowana przez polimerazę DNA δ i ligazę DNA. (b) MMR w muH-mniej bakterii. Niedopasowane zasady są rozpoznawane przez MutS. Po nacięciu nieciągłej nici przez MutL, nić DNA zawierająca błąd jest usuwana przez wspólne funkcje helikaz DNA, takich jak UvrD, egzonukleazy RecJ i ExoI oraz jednoniciowe białko wiążące DNA SSB. Polimeraza DNA III i ligaza DNA wypełniają lukę, aby zakończyć naprawę. (C) E coli MMR. MutS rozpoznaje niedopasowane zasady, a MutL oddziałuje z kompleksem i stabilizuje go. Następnie, endonukleaza MutH jest aktywowana w celu nacięcia niezmetylowanego miejsca GATC, aby stworzyć punkt wejścia dla reakcji wycięcia. Helikaza DNA, jednoniciowe białko wiążące DNA, oraz kilka egzonukleaz biorą udział w reakcji wycinania.

Powrót na górę

12.5 Naprawa przez wycięcie podstawy

Większość utlenionych zasad jest usuwana z DNA przez enzymy działające w ramach szlaku naprawy wycinania zasad (BER). Jednoniciowe pęknięcia DNA można również naprawić w tym procesie. Usunięcie utlenionych zasad w DNA jest dość szybkie. Na przykład, 8-okso-dG wzrosło 10-krotnie w wątrobach myszy poddanych promieniowaniu jonizującemu, ale nadmiar 8-okso-dG został usunięty z okresem półtrwania wynoszącym 11 minut. 8-oksoG jest wycinane przez glikozylazę DNA 8-oksoguaniny (OGG1), pozostawiając miejsce apurynowe (miejsce AP) (Figura 12.14). Miejsca AP są następnie przetwarzane dalej w pojedyncze pęknięcia nici poprzez nacięcie szkieletu endonukleazy AP 1 (APE1). W naprawie przez wycinanie zasad długich płatów zasada i niektóre dodatkowe nukleotydy są zastępowane w zależności od aktywności polimerazy delta (Polδ) i epsilon (Polε) wraz z antygenem jądrowym komórek proliferujących (PCNA). Stara nić jest usuwana przez endonukleazę Flap 1 (FEN1), zanim ligaza I (LigI) ponownie zwiąże szkielet. Naprawa przez wycinanie krótkich zasad polega na zastąpieniu przez polimerazę beta (Polβ) pojedynczej brakującej zasady, ligazy III (LigIII) łączącej z powrotem szkielet DNA i naprawie rentgenowskiej białka komplementarnego 1 (XRCC1) wspomagającego proces i służącego jako rusztowanie dla dodatkowych czynników.

Rysunek 12.14 Naprawa przez wycięcie podstawy. Naprawa przez wycinanie zasad (BER) 8-okso-7,8-dihydroguaniny (8-oksoG). Uszkodzenia oksydacyjne DNA są naprawiane przez kilka pośrednich napraw poprzez naprawę przez wycinanie zasad (BER). Poprzez usunięcie utlenionej zasady powstaje reaktywne miejsce apurynowe (miejsce AP). Nacięcie nici powoduje pęknięcie pojedynczej nici, a uszkodzone miejsce jest następnie naprawiane za pomocą krótkiej lub długiej łaty BER

12.6 Naprawa przez wycięcie nukleotydów

Masowe addukty DNA i usieciowania DNA, takie jak te powodowane przez światło UV, są naprawiane za pomocą szlaków naprawy wycięcia nukleotydów (NER). W wyższych komórkach eukariotycznych NER wycina 24-32 nukleotydowe fragmenty DNA zawierające uszkodzoną zmianę z niezwykłą dokładnością. Synteza naprawcza z wykorzystaniem nieuszkodzonej nici jako matrycy, po której następuje ligacja pęknięcia pojedynczej nici, które pojawiło się w wyniku uszkodzenia, jest ostatnim etapem naprawy DNA. Proces ten obejmuje skoordynowane działanie około 30 białek, które sukcesywnie tworzą na DNA kompleksy o zmiennym składzie. NER składa się z dwóch ścieżek różniących się pod względem początkowego rozpoznawania uszkodzeń. Globalna naprawa przez wycinanie nukleotydów genomu (GG-NER) wykrywa i eliminuje duże uszkodzenia w całym genomie, w tym w obszarach nieobjętych transkrypcją i cichej chromatynie, podczas gdy Naprawa przez wycinanie nukleotydów sprzężona z transkrypcją (TC-NER) działa, gdy uszkodzenie transkrybowanej nici DNA ogranicza aktywność transkrypcyjną. TC-NER jest aktywowany przez zatrzymanie polimerazy RNA II w uszkodzonych miejscach transkrybowanej nici, podczas gdy GG-NER jest kontrolowany przez białko XPC, wyspecjalizowany czynnik białkowy, który ujawnia uszkodzenia. Schemat procesu GG-NER przedstawiono na rysunku 12.15.

Rysunek 12.15 Schemat naprawy globalnego wycięcia nukleotydów genomu.

Mutacje genetyczne w genach szlaku NER mogą powodować patologie wrażliwe na promieniowanie UV i wysoce rakotwórcze, takie jak xeroderma pigmentosum (XP), zespół Cockayne'a (CS) i trichotiodystrofia (TTD), a także niektóre objawy neurodegeneracyjne.

Xeroderma pigmentosum dostarczył nazw niektórych genów zaangażowanych w NER. Mutacja genów XP i utrata prawidłowej funkcji NER powodują objawy związane z chorobą. Osoby z XP mają upośledzoną zdolność do naprawy dużych adduktów DNA i wiązań poprzecznych, takich jak dimery tyminy, które są spowodowane ekspozycją na światło UV. Osoby cierpiące na XP mają ekstremalną nadwrażliwość na światło, atrofię skóry, przebarwienia i wysoki wskaźnik raka skóry wywołanego światłem słonecznym (ryc. 12.16). Ryzyko guzów wewnętrznych u pacjentów z XP jest również 1000-krotnie wyższe. Ponadto choroba często wiąże się z zaburzeniami neurologicznymi. Obecnie nie ma skutecznego leczenia tego zaburzenia.

Rysunek 12.16 Ośmioletnia dziewczynka z Gwatemali z Xeroderma Pigmentosum. Przedni obraz twarzy, ukazujący duże zmiany hiperkeratotyczne z pewnym stwardnieniem podejrzanym o rogowacenie słoneczne i wczesny rak płaskonabłonkowy. Również liczne przebarwione plamy soczewicowate i xerosis na całym przodzie twarzy. Widoczne są wyraźne blizny rogówki i zastrzyk.

Wykrywanie dużych zmian DNA podczas NER jest szczególnie trudne dla komórki, co można rozwiązać tylko poprzez bardzo czułe rozpoznanie, które wymaga wielu składników białkowych. W przeciwieństwie do BER, gdzie uszkodzona zasada jest jednocześnie rozpoznawana i eliminowana przez pojedynczą wyspecjalizowaną glikozylazę, wyspecjalizowane grupy białek odpowiadają za rozpoznanie zmiany i wycięcie zmiany w NER. W eukariotycznym NER uniwersalne białka sensoryczne dokonują wstępnego rozpoznania całkowitego zakresu dużych uszkodzeń. W przypadku TC-NER pojawia się, gdy transkrypująca polimeraza RNA II zostaje zatrzymana przez uszkodzenie w GG-NER, są to kompleksy czynnika XPC i heterodimer DDB1-DDB2 (czynnik XPE) wzmacniające naprawę uszkodzeń UV (ryc. 12.15 ). Ogólnie rzecz biorąc, rozpoznawanie uszkodzeń przez NER jest procesem wieloetapowym obejmującym kilka białek, które tworzą prawie uszkodzone kompleksy o różnych składach. Proces ten kończy się utworzeniem kompleksu przednacięciem, gotowego do wyeliminowania uszkodzonego fragmentu DNA przez wyspecjalizowane endonukleazy NER.

W komórce eukariotycznej po utworzeniu stabilnego kompleksu XPC/DNA podczas początkowego rozpoznania uszkodzenia, NER jest faktycznie wykonywany przez naprawiać?, czyli kompleks o zmiennym składzie i architekturze składający się z dużej liczby podjednostek. Poszczególne podjednostki kompleksu nie mają wystarczającego powinowactwa i selektywności do substratu (DNA zawierające duże uszkodzenia). Sytuacja zmienia się, gdy w miejscu uszkodzenia powstają określone kompleksy białkowe. Białka NER tych kompleksów są połączone przez obróbkę DNA. Łącznie 18 polipeptydów musi być dokładnie umiejscowionych w ciągu dwóch lub trzech zwojów DNA, gdy utworzy się stabilna struktura gotowa do usunięcia uszkodzeń i rozpocznie się wycinanie. Struktura białek związanych z NER zapewnia możliwość kontaktu z substratem DNA i dynamicznych, specyficznych oddziaływań białko-białko. Zmiany w interakcjach dokonywanych przez to samo białko są jednym z mechanizmów regulujących proces naprawy i dostrajania kompleksów, zapewniających wysoce precyzyjną naprawę przez wycinanie nukleotydów.

Powrót na górę

12.7 Naprawa pęknięć dwuniciowego DNA

Komórki wyewoluowały dwa główne szlaki naprawy pęknięć dwuniciowych w DNA: niehomologiczny szlak łączenia końców (NHEJ), który zapewnia bezpośrednie ponowne uszczelnienie końców DNA oraz szlak rekombinacji homologicznej (HR)który opiera się na obecności homologicznych sekwencji DNA do naprawy DSB (rysunek 2.16)

Naprawa NHEJ jest najprostszym i najszerzej stosowanym mechanizmem naprawy DSB występujących w DNA. Naprawa przez NHEJ obejmuje bezpośrednie ponowne uszczelnienie dwóch uszkodzonych końców niezależnie od homologii sekwencji. Chociaż jest aktywny przez cały cykl komórkowy, NHEJ jest stosunkowo ważniejszy podczas fazy G1. Białka wymagane do NHEJ obejmują między innymi wysoce konserwatywny kompleks heterodimeryczny Ku70/Ku80, podjednostkę katalityczną kinazy białkowej zależnej od DNA (DNA-PKcs) i ligazę DNA IV (LIG4) w kompleksie z XRCC4. Poprzez bezpośrednie wiązanie końców DNA, Ku70/Ku80 zapewnia ochronę przed egzonukleazami i jako taki działa jako inhibitor HR. Bardzo krótkie homologie sekwencji prawdopodobnie pomogą w dopasowaniu końca DNA przed naprawą zależną od NHEJ, jednak nie są one ściśle wymagane. NHEJ chroni integralność genetyczną poprzez ponowne łączenie uszkodzonych nici DNA, które w przeciwnym razie mogą zostać utracone podczas replikacji DNA i regeneracji komórek. Jednak podczas procesu NHEJ mogą wystąpić insercje lub delecje w połączonych regionach (ryc. 2.16).

Rycina 2.16 Główne ścieżki naprawy dwuniciowego przerwania DNA. Niehomologiczne szlaki łączenia końców (NHEJ) i rekombinacji homologicznej (HR) działają konkurencyjnie w celu naprawy pęknięć dwuniciowych DNA (DSB). Przedstawiono kluczowych graczy NHEJ i HR. Kompleks MRE11/RAD50/XRS2 (MRX) jest rekrutowany bardzo wcześnie na końcach DNA i wydaje się odgrywać ważną rolę zarówno dla NHEJ, jak i HR. Heterodimer Ku70/Ku80 jest wymagany dla NHEJ i poprzez hamowanie resekcji końców DNA (5′–3′ egzo) działa jako represor HR. Wierność naprawy DSB zależnej od NHEJ jest niska i przez większość czasu związana z delecjami i/lub insercjami nukleotydów w złączach naprawczych. Powszechnym wczesnym etapem mechanizmów zależnych od HR jest tworzenie ssDNA, który jest następnie powlekany przez białko replikacji A (RPA). Mechanizm jednoniciowego przyłączania (SSA) wymaga obecności bezpośrednich powtórzeń (pokazanych na pomarańczowo) po obu stronach pęknięcia. SSA nie implikuje żadnego procesu inwazji nici i dlatego nie jest zależny od białka RAD51. Inwazja nici i tworzenie pętli D są jednak powszechnymi etapami zależnych od syntezy mechanizmów przyłączania nici (SDSA) i podwójnego połączenia Hollidaya (HJ). W tym ostatnim przypadku podwójne węzły Holliday są rozwiązywane z lub bez skrzyżowania.

W przeciwieństwie do NHEJ, rekombinacja homologiczna (HR) wymaga homologicznej sekwencji DNA, która służy jako matryca do naprawy zależnej od syntezy DNA i obejmuje rozległą obróbkę końca DNA. Zgodnie z oczekiwaniami HR jest niezwykle dokładna, ponieważ prowadzi do precyzyjnej naprawy uszkodzonego locus przy użyciu sekwencji DNA homologicznych do złamanych końców. HR głównie wykorzystuje chromatydę siostrzaną jako matrycę do naprawy DSB, a nie chromosom homologiczny. Odpowiednio HR jest w dużej mierze zahamowany, gdy komórki znajdują się w fazie G1 cyklu komórkowego, kiedy chromatyda siostrzana nie została jeszcze zreplikowana (ryc. 2.17A). Mechanizmy naprawcze HR odgrywają większą rolę w naprawie DSB, która następuje po replikacji DNA w fazie S (faza S, G2 i M).

Naprawa przez HR nie jest zdefiniowana przez unikalny mechanizm, ale działa poprzez różne mechanistycznie różne procesy naprawy DSB, w tym zależne od syntezy przyłączanie nici (SDSA), rozdzielanie podwójnego złącza Holliday'a i przyłączanie pojedynczej nici (SSA). Typowym etapem mechanizmów naprawy DSB zależnych od HR jest początkowe tworzenie jednoniciowego DNA (ssDNA) do parowania z homologicznymi sekwencjami matrycowymi DNA. Aby tak się stało, nić DNA 5′ w DSB jest przetwarzana przez wiele nukleaz i białek pomocniczych w celu wytworzenia odcinka ssDNA 3′, który może być użyty jako matryca do rekombinacji (ryc. 2.16).

Rysunek 2.17B przedstawia bardziej szczegółowe spojrzenie na proces HR. Podczas wysoce regulowanego procesu HR można wyróżnić trzy główne fazy. Po pierwsze, końce 3'-jednoniciowego DNA (ssDNA) są generowane przez degradację nukleolityczną nici 5'. Ten pierwszy etap jest katalizowany przez endonukleazy, w tym kompleks MRN (składający się z Mre11, Rad50 i Nbs1). W drugim etapie końce ssDNA są opłaszczane włóknami replikacji białka A (RPA). W trzecim etapie RPA jest zastępowane przez Rad51 w procesie zależnym od BRCA1 i BRCA2, aby ostatecznie przeprowadzić reakcję rekombinazy przy użyciu homologicznej matrycy DNA.

Co ważne, HR jest wykorzystywany nie tylko do naprawy uszkodzeń DNA wywołanych przez czynniki uszkadzające DNA, ale jest również niezbędny do prawidłowej segregacji chromosomów podczas mejozy.Znaczenie HR w tych procesach fizjologicznych jest ilustrowane ścisłymi wymaganiami podczas rozwoju. Myszy pozbawione kluczowych genów HR, takich jak Brca1, Brca2, lub Rad51, wykazują rozległe zmiany genetyczne, które prowadzą do wczesnej śmiertelności embrionalnej. Podczas gdy homozygotyczna inaktywacja genów HR jest zwykle letalna dla embrionów, heterozygotyczna inaktywacja np. BRCA1 oraz BRCA2, nie zakłóca żywotności komórek, ale raczej predysponuje osoby do raka, w tym raka piersi i jajnika. Guzy rozwijające się u osób z heterozygotą BRCA1/2 mutacje niezmiennie tracą swoją drugą BRCA1/2 allelu, co wskazuje, że w niektórych nowotworach brak BRCA1/2 jest zgodny z proliferacją komórkową. Jak dokładnie takie guzy radzą sobie z defektem HR, nie jest obecnie w pełni zrozumiałe.

Rysunek 2.17 Naprawa pęknięć podwójnej nici DNA (DSB). (A) Szlaki naprawy DSB DNA w kontekście regulacji cyklu komórkowego. Łączenie niehomologicznych końców (NHEJ) może być wykonywane przez cały cykl komórkowy i jest oznaczone czerwoną linią. Rekombinacja homologiczna (HR) może być zastosowana tylko w fazach S/G2 cyklu komórkowego i jest zaznaczona na zielono. (B) Wskazano kluczowe etapy ścieżki naprawy HR. Po rozpoznaniu DSB, resekcja końca 5′–3′ jest inicjowana przez kompleks MRN (Mre11, Rad50, Nbs1) i CtIP. Następnie przeprowadzana jest dalsza resekcja przez białka Exo1, DNA2 i Sgs1 w celu zapewnienia „utrzymanej” resekcji. Następnie wycięte końce DNA są wiązane przez białko replikacji A (RPA). Właściwy etap rekombinacji w ramach naprawy HR, zwany wymianą nici, jest wykonywany przez rekombinazę Rad51. Rad51 zastępuje RPA, aby ostatecznie złożyć spiralne włókna nukleoproteinowe zwane „włókna presynaptyczne.’ Proces ten ułatwiają inne komponenty HR, w tym BRCA1 i BRCA2. Ostatni etap rozdzielania złącza jest wykonywany przez helikazy, w tym zespół Blooma, helikazy podobne do helikazy RecQ (BLM).

Powrót na górę

12.8 Podatne na błędy obejście i synteza translekcji

Jeśli DNA nie zostanie naprawione przed replikacją DNA, komórka musi zastosować inną strategię replikacji DNA, nawet w obecności uszkodzenia DNA. Jest to ważne, aby uniknąć pęknięć dwuniciowego DNA, które mogą wystąpić, gdy replikom zatrzyma się w widełkach replikacyjnych. W tych okolicznościach inną strategią stosowaną przez komórki w odpowiedzi na uszkodzenia DNA jest ominięcie uszkodzeń znalezionych podczas replikacji DNA i kontynuowanie procesu replikacji. Obejście uszkodzeń DNA może nastąpić w wyniku mechanizmów rekombinacji lub nowego mechanizmu zwanego synteza translekcji. Synteza translekcjiwykorzystuje alternatywną polimerazę DNA, która może zastąpić polimerazę DNA, która utknęła w widełkach replikacyjnych z powodu uszkodzenia DNA. Wyspecjalizowane polimerazy DNA, które są aktywne w regionach z uszkodzeniem DNA, mają miejsca aktywne, które mogą przystosować się do wahań topografii DNA, co umożliwia im ominięcie zmian i kontynuowanie procesu replikacji.

Ewolucję polimeraz DNA, które tolerują obecność zniekształconych uszkodzeń DNA i kontynuują proces replikacji, można zaobserwować na wszystkich poziomach życia, od organizmów prokariotycznych jednokomórkowych po organizmy eukariotyczne wielokomórkowe, w tym ludzi. W rzeczywistości u kręgowców nastąpiła duża ekspansja polimeraz DNA, które odgrywają rolę w mechanizmach omijania uszkodzeń DNA i podkreślają znaczenie tych procesów w tolerancji na uszkodzenia i przeżywalności komórek (Tabela 12.3).

Tabela 12.3 Polimerazy DNA zaangażowane w podatne na błędy obejście

Aktywność podatnych na błędy polimeraz DNA jest ściśle regulowana, aby uniknąć gwałtownego wprowadzania mutacji w sekwencji DNA. Jednym z głównych mechanizmów stosowanych w replisomie zatrzymanym w widełkach replikacyjnych z powodu uszkodzenia DNA jest monoubikwitynacja PCNA. Przypomnijmy z rozdziału 9, że PCNA to przesuwny zacisk, który umożliwia polimerazie DNA wystarczająco ściśle wiązać się z DNA podczas replikacji, aby pośredniczyć w wydajnej syntezie DNA. Monoubikwitynacja PCNA umożliwia rekrutację translezyjnych polimeraz DNA i ominięcie uszkodzonych zmian podczas syntezy DNA.

Podczas syntezy translekcji polimeraza musi wstawić dNTP przeciwnie do zmiany. Jest prawdopodobne, że żadna z zasad dNTP nie będzie w stanie wytworzyć stabilnych interakcji wiązań wodorowych z uszkodzoną zmianą. Tak więc nukleotyd, który powoduje najmniejsze zniekształcenie lub odpychanie, będzie zwykle dodawany naprzeciwko zmiany. Może to powodować mutacje przejścia lub transwersji w miejscu zmiany. Alternatywnie, polimerazy translekcyjne mogą być podatne na poślizg i albo powodować mutację insercyjną lub delecyjną w pobliżu zmiany DNA. Te poślizgi mogą prowadzić do mutacji przesunięcia ramki, jeśli występują w regionach kodujących gen. Tak więc przez całe życie synteza translezji w organizmach wielokomórkowych może prowadzić do akumulacji mutacji w komórkach somatycznych i powodować powstawanie guzów i choroby nowotworowej.

Ewolucja przez dobór naturalny jest również możliwa dzięki przypadkowym mutacjom zachodzącym w komórkach zarodkowych. Czasami mutacje germinalne mogą prowadzić do korzystnej mutacji, która zwiększa przeżycie osobnika w populacji. Jeśli ten gen okaże się zwiększać przetrwanie populacji, zostanie z czasem wyselekcjonowany w obrębie populacji i spowoduje ewolucję tego gatunku. Przykładem korzystnej mutacji jest przypadek populacji osób wykazujących odporność na zakażenie wirusem HIV. Odkąd w 1981 r. zgłoszono pierwszy przypadek zakażenia ludzkim wirusem niedoboru odporności (HIV), prawie 40 milionów ludzi zmarło z powodu zakażenia wirusem HIV, który powoduje zespół nabytego niedoboru odporności (AIDS). Wirus atakuje pomocnicze limfocyty T, które odgrywają kluczową rolę w łączeniu wrodzonej i adaptacyjnej odpowiedzi immunologicznej, infekując i zabijając komórki normalnie zaangażowane w reakcję organizmu na infekcję. Nie ma lekarstwa na zakażenie wirusem HIV, ale opracowano wiele leków, które spowalniają lub blokują progresję wirusa. Chociaż ludzie na całym świecie mogą być zakażeni, najwyższa częstość występowania wśród osób w wieku 15–49 lat występuje w Afryce Subsaharyjskiej, gdzie prawie jedna osoba na 20 jest zarażona, co odpowiada za ponad 70% zakażeń na całym świecie (ryc. 2.18). Niestety, jest to również część świata, w której najbardziej brakuje strategii profilaktycznych i leków do leczenia infekcji.

Rysunek 2.18 HIV jest bardzo rozpowszechniony w Afryce Subsaharyjskiej, ale w niektórych innych częściach świata jego rozpowszechnienie jest dość niskie.

W ostatnich latach zainteresowanie naukowe wzbudziło odkrycie kilku osobników z północnej Europy, które są odporne na zakażenie wirusem HIV. W 1998 roku amerykański genetyk Stephen J. O’Brien z National Institutes of Health (NIH) wraz z kolegami opublikowali wyniki swojej analizy genetycznej ponad 4000 osób. Wskazały one, że wiele osób pochodzenia euroazjatyckiego (do 14% w niektórych grupach etnicznych) ma mutację delecyjną, zwaną CCR5-delta 32, w genie kodującym CCR5. CCR5 jest koreceptorem znajdującym się na powierzchni limfocytów T, który jest niezbędny dla wielu szczepów wirusa, aby dostać się do komórki gospodarza. Mutacja prowadzi do wytworzenia receptora, z którym HIV nie może skutecznie się związać, a tym samym blokuje wnikanie wirusa. Osoby homozygotyczne pod względem tej mutacji mają znacznie zmniejszoną podatność na zakażenie wirusem HIV, a osoby heterozygotyczne mają również pewną ochronę przed zakażeniem.

Nie jest jasne, dlaczego konkretnie ludzie pochodzenia północnoeuropejskiego są nosicielami tej mutacji, ale jej częstość występowania wydaje się być najwyższa w Europie północnej i stale zmniejsza się w populacjach w miarę przemieszczania się na południe. Badania wskazują, że mutacja była obecna od czasu pojawienia się wirusa HIV i mogła zostać wyselekcjonowana w populacjach europejskich w wyniku narażenia na dżumę lub ospę. Ta mutacja może chronić osoby przed zarazą (wywołaną przez bakterię) Yersinia pestis) i ospy (wywołanej przez wirusa ospy wietrznej), ponieważ ten receptor może również brać udział w tych chorobach. Wiek tej mutacji jest przedmiotem dyskusji, ale szacunki sugerują, że pojawiła się między 1875 a 225 lat temu i mogła rozprzestrzenić się z Europy Północnej poprzez najazdy Wikingów.

To ekscytujące odkrycie doprowadziło do nowych ścieżek w badaniach nad HIV, w tym poszukiwania leków blokujących wiązanie CCR5 z HIV u osób bez mutacji. Chociaż możliwe jest badanie DNA w celu ustalenia, które osoby są nosicielami mutacji CCR5-delta 32, istnieją udokumentowane przypadki osób homozygotycznych pod względem mutacji zakażających HIV. Z tego powodu testy DNA pod kątem mutacji nie są powszechnie zalecane przez urzędników zdrowia publicznego, aby nie zachęcać do ryzykownych zachowań u osób, które są nosicielami mutacji. Niemniej jednak hamowanie wiązania wirusa HIV z CCR5 jest nadal ważną strategią opracowywania terapii lekowych dla osób zakażonych wirusem HIV.

Powrót na górę

12.9 Problemy z praktyką

Wielokrotny wybór

Które z poniższych jest zmianą sekwencji, która prowadzi do powstania kodonu stop?

  1. mutacja zmiany sensu
  2. nonsensowna mutacja
  3. cicha mutacja
  4. mutacja delecyjna

[reveal-answer q=”745512″]Pokaż odpowiedź[/reveal-answer]
[ukryta-odpowiedź a=”745512″]Odpowiedź b. Mutacja nonsensowna to zmiana w sekwencji, która prowadzi do powstania kodonu stop.[/ukryta-odpowiedź]

Z czego wynika tworzenie dimerów pirymidynowych?

  1. spontaniczne błędy polimerazy DNA
  2. ekspozycja na promieniowanie gamma
  3. ekspozycja na promieniowanie ultrafioletowe
  4. narażenie na czynniki interkalacyjne

[reveal-answer q=”709151″]Pokaż odpowiedź[/reveal-answer]
[ukryta-odpowiedź a=”709151″]Odpowiedź do. Tworzenie dimerów pirymidyny wynika z ekspozycji na promieniowanie ultrafioletowe.[/hidden-answer]

Które z poniższych jest przykładem mutacji przesunięcia ramki?

  1. usunięcie kodonu
  2. mutacja zmiany sensu
  3. cicha mutacja
  4. delecja jednego nukleotydu

[reveal-answer q=”688366″]Pokaż odpowiedź[/reveal-answer]
[ukryta-odpowiedź a=”688366″]Odpowiedź a. Usunięcie jednego nukleotydu jest przykładem mutacji przesunięcia ramki.[/hidden-answer]

Które z poniższych jest typem naprawy DNA, w której dimery tyminy są bezpośrednio rozkładane przez enzym fotoliazę?

  1. naprawa bezpośrednia
  2. naprawa przez wycinanie nukleotydów
  3. naprawa niezgodności
  4. korekta

[reveal-answer q=”755583″]Pokaż odpowiedź[/reveal-answer]
[ukryta-odpowiedź a=”755583″]Odpowiedź a. W bezpośredniej naprawie dimery tyminy są bezpośrednio rozkładane przez enzym fotoliazę.

Które z poniższych stwierdzeń dotyczących testu Amesa jest prawdziwe?

  1. Służy do identyfikacji nowo powstałych mutantów auksotroficznych.
  2. Służy do identyfikacji mutantów o przywróconej aktywności biosyntetycznej.
  3. Służy do identyfikacji spontanicznych mutantów.
  4. Służy do identyfikacji mutantów pozbawionych aktywności fotoreaktywacyjnej.

[reveal-answer q=”770537″]Pokaż odpowiedź[/reveal-answer]
[ukryta-odpowiedź a=”770537″]Odpowiedź b. Służy do identyfikacji mutantów o przywróconej aktywności biosyntetycznej.[/hidden-answer]

Wypełnij puste miejsce

Mutagen chemiczny, który jest strukturalnie podobny do nukleotydu, ale ma inne zasady parowania zasad, nazywa się ________.

[reveal-answer q=”702924″]Pokaż odpowiedź[/reveal-answer]
[ukryta odpowiedź a=”702924″]Chemiczny mutagen, który jest strukturalnie podobny do nukleotydu, ale ma inne zasady parowania zasad, nazywa się analog nukleozydowy.[/ukryta-odpowiedź]

Enzym używany w lekkiej naprawie do rozszczepiania dimerów tyminy nazywa się ________.

[reveal-answer q=”939657″]Pokaż odpowiedź[/reveal-answer]
[hidden-answer a=”939657″]Enzym używany w lekkiej naprawie w celu rozszczepienia dimerów tyminy nazywa się fotoliaza.[/ukryta-odpowiedź]

Fenotyp organizmu najczęściej obserwowany w przyrodzie nazywa się ________.

[reveal-answer q=”640686″]Pokaż odpowiedź[/reveal-answer]
[hidden-answer a=”640686″]Fenotyp organizmu najczęściej obserwowany w przyrodzie nazywa się typ dziki.[/ukryta-odpowiedź]

Prawda fałsz

Substancje rakotwórcze są zazwyczaj mutagenne.

[reveal-answer q=”166576″]Pokaż odpowiedź[/reveal-answer]
[ukryta-odpowiedź a=”166576″]Prawda[/ukryta-odpowiedź]

Pomyśl o tym

Dlaczego bardziej prawdopodobne jest, że insercje lub delecje będą bardziej szkodliwe dla komórki niż mutacje punktowe?

Krytyczne myślenie

Poniżej znajduje się kilka sekwencji DNA, które są zmutowane w porównaniu z sekwencją typu dzikiego: 3'-TACTGACTGACGATC-5'. Wyobraź sobie, że każda z nich jest odcinkiem cząsteczki DNA, która rozdzieliła się w ramach przygotowań do transkrypcji, więc widzisz tylko nić matrycy. Skonstruuj komplementarne sekwencje DNA (wskazując końce 5' i 3') dla każdej zmutowanej sekwencji DNA, następnie dokonaj transkrypcji (wskazując końce 5' i 3') nici matrycy i przetłumacz cząsteczki mRNA za pomocą kodu genetycznego, rejestrując powstały aminokwas sekwencja (wskazująca końce N i C). Jaki rodzaj mutacji jest każdy?


Sygnały „znajdź mnie i zjedz mnie” w usuwaniu komórek apoptotycznych: postęp i zagadki

Codziennie obracamy miliardy komórek. Szybkie, wydajne i immunologicznie ciche usuwanie umierających komórek wymaga skoordynowanej orkiestracji wielu etapów, dzięki którym fagocyty selektywnie rozpoznają i pochłaniają komórki apoptotyczne. Ostatnie badania sugerują ważną rolę rozpuszczalnych mediatorów uwalnianych przez komórki apoptotyczne, które przyciągają fagocyty (sygnały „znajdź mnie”). Pojawiły się również nowe informacje na temat wielu receptorów, które mogą rozpoznawać fosfatydyloserynę, kluczowy sygnał „zjedz mnie”, eksponowany na powierzchni komórek apoptotycznych. Ta perspektywa omawia ostatnie ekscytujące postępy, luki w naszym rozumieniu i sprzeczne kwestie, które wynikają z nowo nabytej wiedzy.

To naprawdę niezwykłe, że nasze ciała obracają/recyklują około miliona komórek na sekundę (Henson i Hume, 2006 Ravichandran i Lorenz, 2007). Obejmują one nadmiar komórek, które są stale generowane w tkankach w ramach normalnego rozwoju, komórki zużyte/starzejące się oraz komórki uszkodzone, które powstają w wyniku choroby lub infekcji (Savill i in., 1993 Henson i Hume, 2006). W usuwaniu takich umierających komórek pośredniczą fagocyty, które są profesjonalnymi pochłaniaczami (takie jak makrofagi i niedojrzałe komórki dendrytyczne Aderem i Underhill, 1999) lub sąsiednie komórki (takie jak fibroblasty i komórki nabłonkowe Monks i wsp., 2008). Szybkie i skuteczne usuwanie niechcianych komórek jest ważne dla „tworzenia przestrzeni” dla żywych komórek i utrzymania funkcji tkanki, a co za tym idzie zdrowego organizmu (Savill i in., 2002 Henson, 2005 Henson i Hume, 2006) . Nieoczyszczone umierające komórki mogą ulegać wtórnej martwicy, a uwalnianie zawartości wewnątrzkomórkowej z tych komórek powiązano z chorobami autoimmunologicznymi (Savill i Fadok, 2000 Nagata i wsp., 2010).

W normalnych warunkach proces usuwania jest szybki, tak że nawet w tkankach o wysokim obrocie komórkowym obserwuje się bardzo niewiele komórek apoptotycznych, co prowadzi do początkowej hipotezy, że podstawowa zdolność usuwania komórek jest bardzo wysoka (Gardai i wsp., 2006). Istnieje jednak wiele stanów chorobowych, w których obserwuje się nieoczyszczone zwłoki/gruz, w tym toczeń rumieniowaty układowy, miażdżycę, chorobę Alzheimera i chorobę Parkinsona (Camins i wsp., 2008 Gorman, 2008 Calissano i wsp., 2009 Nagata i wsp., 2010 ). Sugeruje to, że zdolność usuwania komórek może nie być tak duża, jak początkowo sądzono, a w kontekście tkanki może istnieć regulowana równowaga między liczbą komórek apoptotycznych, liczbą fagocytów i ich zdolnością do wychwytu. Dlatego określenie konkretnych etapów, za pomocą których komórki apoptotyczne są szybko rozpoznawane i usuwane, jest ważne dla zrozumienia chorób związanych z wadliwym usuwaniem i potencjalnego manipulowania maszynerią pochłaniania w celu uzyskania przyszłych korzyści terapeutycznych.

Proces pochłaniania można ogólnie podzielić na cztery główne etapy (Lauber et al., 2004 Ryc. 1). Pierwszy krok obejmuje sygnały „znajdź mnie”, uwalniane przez komórki apoptotyczne, które pomagają przyciągnąć fagocyty do miejsc śmierci w tkance (Gregory, 2009). Drugim krokiem jest wystawienie na apoptotyczną powierzchnię komórki sygnałów zjedz mnie, co sprzyja specyficznemu rozpoznaniu przez fagocyt i późniejszej internalizacji zwłok (Grimsley i Ravichandran, 2003). Trzecim etapem jest przetwarzanie połkniętego ładunku przez fagocyt, gdzie pochłonięte zwłoki przechodzą przez szereg etapów dojrzewania fagosomów, ostatecznie prowadzących do jego degradacji (Kinchen i Ravichandran, 2008, 2010). Czwarty etap, luźno określany jako konsekwencje po pochłonięciu, obejmuje uwalnianie przez fagocyt cytokin przeciwzapalnych i innych modyfikatorów, które są wywoływane podczas rozpoznawania i przetwarzania (Savill i Fadok, 2000 Savill i wsp., 2002 Henson, 2005). Łącznie zdarzenia te pośredniczą w selektywnym i immunologicznie cichym w porównaniu z immunogennym usuwaniem komórek apoptotycznych in vivo (Green i wsp., 2009).

W ciągu ostatnich kilku lat kilka laboratoriów pomogło zidentyfikować kluczowe molekuły zaangażowane w te etapy, a także kilka ścieżek molekularnych, które organizują bezpieczne usuwanie komórek apoptotycznych (Wu i Horvitz, 1998a,b Hamon i in., 2000, 2002 Reddien oraz Horvitz, 2000 Gumienny i wsp., 2001 Zhou i wsp., 2001a,b deBakker i wsp., 2004 Kinchen i wsp., 2005 Yu i wsp., 2006). W tej perspektywie skupię się na ostatnich wydarzeniach w dwóch obszarach, sygnałach „znajdź mnie” i „zjedz mnie” komórek apoptotycznych, które wywołały znaczne podniecenie na polach apoptozy i pochłaniania. Jak to często bywa z ciekawymi obserwacjami, podniosły one również kilka fundamentalnych kwestii, które są zagadkowe lub niewyjaśnione przez istniejące dane. Spróbuję zająć się niektórymi zawiłościami i lukami w wiedzy oraz przedstawię kilka możliwych sugestii dotyczących dalszego rozwoju. Aby skupić się na tym przeglądzie, zajmuję się przede wszystkim zdarzeniami w kontekście klasycznej apoptozy, która jest w dużej mierze nieimmunogenna, czytelnik odsyła do innych artykułów obejmujących modyfikacje i odpowiedzi układu odpornościowego na martwicze i inne immunogenne typy śmierci komórek (Green et al. , 2009 Zitvogel i in., 2010).

Sygnały Znajdź mnie: początki fatalnej atrakcji

Jedną z uderzających anegdotycznych obserwacji konsekwentnie obserwowanych przez wiele lat jest to, że nawet w tkankach, o których wiadomo, że mają wysoki obrót (np. grasicy lub szpiku kostnym), w stanie podstawowym obserwuje się bardzo niewiele komórek apoptotycznych. Jednak nieoczyszczone komórki apoptotyczne mogą stać się widoczne w tych tkankach, gdy duża liczba komórek jest indukowana do apoptozy lub w kontekście wadliwego pochłonięcia (Henson i Hume, 2006 Elliott i Ravichandran, 2010). Ostatnie badania sugerują, że program apoptozy jest raczej ściśle powiązany z szybkim usunięciem tych komórek (Gregory, 2009). Wczesne dowody z eleganckich badań genetycznych w Caenorhabditis elegans zasugerowali, że komórki apoptotyczne mogą być rozpoznawane przez fagocyty i usuwane na długo przed całkowitym obumarciem komórek apoptotycznych (Hoeppner i wsp., 2001 Reddien i wsp., 2001).Sugerowało to, że może istnieć mechanizm, dzięki któremu komórki apoptotyczne reklamują swoją obecność na najwcześniejszych etapach śmierci. Ponadto doprowadziło to do koncepcji, że sygnały „znajdź mnie” uwalniane z komórek apoptotycznych mogą przyciągać fagocyty, aby promować szybki klirens in vivo (Ravichandran, 2003).

Czy w systemach ssaków istnieją sygnały „znajdź mnie”? Ostatnio kilka badań donosiło o potencjalnych sygnałach znajdowania mnie uwalnianych przez komórki apoptotyczne (Lauber i wsp., 2003 Gude i wsp., 2008 Truman i wsp., 2008 Elliott i wsp., 2009). Należą do nich lizofosfatydylocholina, fraktalkina, nukleotydy ATP i 5'-trifosforan urydyny (UTP) oraz sfingozyno-1-fosforan (S1P). Wszystkie one są zdolne do przyciągania monocytów, chociaż wykazano, że tylko fraktalkina i nukleotydy są zdolne do działania jako sygnały „znajdź mnie” w warunkach in vivo (Truman i in., 2008 Elliott i in., 2009). Identyfikacja kilku wyraźnych sygnałów „znajdź mnie” pozwoliła ustalić, że komórki apoptotyczne faktycznie podejmują aktywny wysiłek przyciągania fagocytów. Z obserwacji tych wynika kilka interesujących pytań.

Podstawą koncepcji sygnałów znajdź mnie jest to, że gradient chemotaktyczny służyłby do przyciągania fagocytów. Ale jaki jest zakres gradientu ustanowionego przez te cząsteczki „znajdź mnie” i jak ten zakres jest określany? Najprawdopodobniej zakres byłby określony przez stężenie w tkance danej cząsteczki typu find-me i szybkość degradacji takiej cząsteczki. Można sobie wyobrazić, że gdyby sygnał „znajdź mnie” miał krótki okres półtrwania i byłby ograniczony do lokalnej tkanki, działałby na niewielką odległość, aby przyciągnąć mieszkające tam fagocyty w pobliże umierającej komórki. W przeciwieństwie do tego, jeśli sygnały „znajdź mnie” mogą wydostać się z tkanek do krążenia, mogą przyciągnąć fagocyty z krążenia. Na razie znamy tylko sygnały „znajdź mnie” o krótkim zasięgu. W przypadku nukleotydów mogą być łatwo degradowane przez nukleotydazy zewnątrzkomórkowe (Elliott i wsp., 2009), a zatem ich chemoatrakcja może być w dużej mierze ograniczona do fagocytów rezydujących w tkance. W kontekście oczyszczania tymocytów przechodzących apoptozę, zakłócenie wskazówki dotyczącej znalezienia nukleotydu skutkowało nieoczyszczonymi zwłokami w grasicy (Elliott et al., 2009). Nie wiadomo jednak, czy dany fagocyt odpowiadający na wołanie apoptotycznego tymocytu jest pierwszym odpowiadającym w pobliżu, czy też pochodzi z drugiego końca grasicy. To oczywiście zależałoby od odległości gradientu utworzonego przez ATP/UTP (~100 nM) uwalnianego przez apoptotyczny limfocyt (Elliott et al., 2009), ale jest to naprawdę trudne do precyzyjnego ustalenia in vivo. Należy zauważyć, że komórki wczesnej apoptozy uwalniają bardzo małe ilości ATP (<2% wewnątrzkomórkowego ATP), które należy odróżnić od komórek nekrotycznych, które mogą uwalniać znaczną część ich zawartości ATP. Pewnych odpowiedzi może dostarczyć oznaczanie poszczególnych makrofagów i śledzenie ich ruchu w czasie rzeczywistym w kierunku konkretnego tymocytu. Lizofosfatydylocholina (LPCs Lauber i wsp., 2003) oraz S1P (Gude i wsp., 2008) nie były testowane w modelach tkankowych, dlatego trudno jest ocenić ich zakres. Jednak nawet jeśli nie uległy gwałtownemu rozkładowi, LPC i S1P są obecne w krążeniu w wysokich stężeniach (znacznie wyższych niż te, które są uwalniane z umierających komórek), co sugeruje, że prawdopodobnie działają lokalnie i mogą nie przyciągać fagocytów z krążenia. Chociaż dotychczasowe badania rozważały różne sygnały znajdowania mnie oddzielnie, jeśli wiele sygnałów znajdowania mnie jest uwalnianych z tej samej komórki apoptotycznej, mogą one działać wspólnie i mogą być bardziej skuteczne w przyciąganiu fagocytów zarówno lokalnie, jak i z krążenia. . Tę możliwość należy zbadać.

Innym interesującym pytaniem bez odpowiedzi jest to, w jaki sposób różne sygnały „znajdź mnie” są uwalniane z komórek apoptotycznych. Z istniejącej pracy jasno wynika, że ​​te rozpuszczalne mediatory są rzeczywiście uwalniane, gdy komórki apoptotyczne są nienaruszone, bez widocznego wycieku zawartości komórkowej, a uwalnianie jest zależne od kaspazy. Sugeruje to, że mogą istnieć kanały lub inne mechanizmy, które pośredniczą w uwalnianiu tych rozpuszczalnych mediatorów z wnętrza komórek apoptotycznych. Biorąc pod uwagę zróżnicowaną naturę sygnałów „znajdź mnie” (lipidy vs. białka vs. nukleotydy) i ich różne rozmiary molekularne, prawdopodobnie istnieją różne mechanizmy ich uwalniania. Inną ważną kwestią jest to, że komórki apoptotyczne wydają się również wydzielać sygnały stop, takie jak laktoferyna, która aktywnie zapobiega rekrutacji neutrofili (Bournazou i wsp., 2009). Od dawna wiadomo, że usuwanie komórek apoptotycznych, które rutynowo występuje w tkankach, często obejmuje usuwanie nieimmunogenne przez monocyty, bez rekrutacji neutrofili i zapalenia (Savill, 1997 Savill i wsp., 2002). Dlatego też zdefiniowanie określonych kanałów lub mechanizmów uwalniania sygnału „znajdź mnie” może być wykorzystane do celów terapeutycznych, na przykład do specyficznego przyciągania monocytów w celu usunięcia nieimmunogennego i rozwiązania stanu zapalnego.

Znajdź mnie nie jedyną funkcją?

Innym pytaniem jest, czy wszystkie komórki apoptotyczne muszą wysyłać sygnały „znajdź mnie”. Łatwo sobie wyobrazić, dlaczego umierający tymocyt, który prawdopodobnie nie zostanie usunięty przez sąsiedni tymocyt (nie fagocytarny), musiałby rekrutować fagocyty rezydujące w grasicy. Jednak umierająca komórka nabłonka, która może zostać zjedzona przez sąsiednią komórkę nabłonka, może nie musieć wysyłać sygnału „znajdź mnie”. Podobnie, in C. elegans, sąsiadujące komórki często usuwają komórki apoptotyczne, a fagocyty nie muszą podróżować, aby znaleźć umierające komórki (Kinchen i Hengartner, 2005). Rodzi to pytanie, dlaczego komórki w ogóle mają sygnały „znajdź mnie” – czy też sygnały „znajdź mnie” pełnią inne role? Warto zauważyć, że komórki nabłonka płuc również uwalniają ATP po indukcji apoptozy (Elliott i wsp., 2009). Jedną z intrygujących możliwości jest to, że sygnały „znajdź mnie”, takie jak nukleotydy lub S1P, mogą aktywować lub pobudzać fagocyty i poprawiać ich zdolność fagocytarną. w Drosophila, apoptoza indukuje regulację w górę mechanizmu pochłonięcia w sąsiednich komórkach (MacDonald i in., 2006 Ziegenfuss i in., 2008). U ssaków cząsteczka pomostowa MFG-E8, która może ozdobić komórkę apoptotyczną i ułatwić jej pochłonięcie, ulega ekspresji w aktywowanych, ale nie spoczynkowych makrofagach (Hanayama i wsp., 2002). Zatem makrofagi muszą w jakiś sposób zostać zrekrutowane, zwiększyć poziom MFG-E8, przyozdobić ich apoptotyczny posiłek, a następnie pochłonąć cel. Jedną z możliwości jest to, że sygnały znajdowania mnie uwalniane przez komórki apoptotyczne służyłyby nie tylko do przyciągania fagocytów, ale także do regulacji w górę składników pochłonięcia w zrekrutowanych fagocytach (ryc. 2). Jeśli tak, w kontekście pochłonięcia przez sąsiednią komórkę nabłonkową, być może sygnały znajdź mnie nie działają jak prawdziwe sygnały znajdź mnie, ale raczej pomagają aktywować maszynerię objęcia u sąsiada. Sygnały Find-me mogą również wpływać na odpowiedzi immunogenne i nieimmunogenne na komórki apoptotyczne (Green i wsp., 2009 Zitvogel i wsp., 2010). Miejmy nadzieję, że przyszłe eksperymenty sprawdzą tę możliwość.

Sygnały zjedz mnie: fosfatydyloseryna i jej receptory

Chociaż sygnały „znajdź mnie” mogą doprowadzić fagocyty do sąsiedztwa komórek apoptotycznych w tkance, specyficzne rozpoznanie umierającej komórki wśród sąsiadujących żywych komórek zależy od sygnałów „zjedz mnie” wystawionych przez komórki apoptotyczne (Lauber i in., 2004 Gardai i in. al., 2006). Do tej pory zidentyfikowano wiele sygnałów zjedz mnie (Gardai i in., 2006). Obejmują one ekspozycję fosfatydyloseryny (PtdSer), zmiany wzorców ładunku i glikozylacji na powierzchni komórki, zmiany epitopów ICAM-1 na powierzchni komórki oraz ekspozycję kalretykuliny. Wśród nich najbardziej powszechnie obserwowaną zmianą na powierzchni komórek apoptotycznych jest ekspozycja PtdSer na zewnętrzny płatek błony komórkowej (Fadok i wsp., 1992, 2000). W rzeczywistości ekspozycja na PtdSer jest najlepiej zbadaną i najbardziej akceptowaną definicją nazywania komórki apoptozą (Fadok i in., 1998). Jednak kilka zagadek dotyczących ekspozycji i uznania PtdSer jest wartych dalszego rozważenia.

W ciągu ostatnich kilku lat nastąpiła zmiana paradygmatu w myśleniu o tym, jak PtdSer na komórkach apoptotycznych jest rozpoznawany przez fagocyty. Wcześniej sądzono, że będzie pojedynczy receptor rozpoznający PtdSer, który będzie powszechnie używany przez fagocyty (Henson i wsp., 2001b). Jednak obecnie wydaje się, że wiele odrębnych receptorów na fagocytach może angażować PtdSer eksponowany na komórki apoptotyczne (Bratton i Henson, 2008). Te receptory rozpoznające PtdSer występują w dwóch podstawowych odmianach – te, które mogą wiązać się bezpośrednio z PtdSer, oraz te, które pośrednio wiążą PtdSer poprzez rozpuszczalne cząsteczki mostkujące. Bezpośrednio wiążące receptory PtdSer obejmują członków rodziny TIM (prototyp TIM-4, a także TIM-1 i TIM-3 Kobayashi i wsp., 2007 Miyanishi i wsp., 2007 Santiago i wsp., 2007 Ichimura i wsp., 2008 DeKruyff et al., 2010 Rodriguez-Manzanet et al., 2010 Wong et al., 2010), siedem przezbłonowych inhibitorów angiogenezy mózgu 1 (BAI1 Park et al., 2007a) oraz nietypowy motyw EGF zawierający białko błonowe Stabilin -2 (Park i in., 2007b). Badania in vitro w połączeniu z badaniami in vivo na modelach mysich ustaliły definitywną rolę cząsteczki pomostowej MFG-E8, która może wiązać PtdSer z komórkami apoptotycznymi z wysokim powinowactwem (Hanayama i wsp., 2002, 2004). Drugi region MFG-E8 może jednocześnie angażować integrynę αvβ3 na fagocytach, a tym samym pośredniczyć w zależnym od PtdSer wychwytywaniu komórek apoptotycznych. Dwie inne cząsteczki pomostowe, Gas6 i białko S, są zaangażowane w łączenie PtdSer eksponowanego na komórkach apoptotycznych z receptorami rodziny Tyro-3-Axl-Mer (oznaczonymi jako receptory TAM) na fagocytach (Scott i wsp., 2001 Rothlin i wsp., 2007 Lemke i Rothlin, 2008). Ważną rolę dla tej rodziny ustalono poprzez pojedyncze i połączone nokautowanie członków rodziny TAM u myszy. Receptory te wydają się ważne dla usuwania komórek apoptotycznych w oku, jądrach, grasicy i innych tkankach (Prasad i wsp., 2006 Lemke i Rothlin, 2008). Sugerowano, że oprócz wyżej wymienionych receptorów i białek pomostowych, białka błonowe CD36 i CD68 oraz rozpuszczalne trombospondyny (z kolei wiążące się z receptorami błonowymi) są zdolne do wiązania PtdSer (Savill i wsp., 1991, 1992 Balasubramanian i Schroit , 1998 Imachi i in., 2000 Mevorach, 2000).

Dlaczego potrzebujemy tak wielu receptorów i cząsteczek pomostowych, jest kwestią otwartą. Ogólny konsensus zaproponowany w tej dziedzinie jest taki, że nie wszystkie receptory ulegają ekspresji na wszystkich fagocytach i dlatego potrzebne są różne sposoby rozpoznawania (Savill i Fadok, 2000 Henson i wsp., 2001a). Chociaż może to być prawdą w przypadku niektórych fagocytów, wiele z tych mechanizmów rozpoznawania PtdSer zostało po raz pierwszy ustalonych przy użyciu makrofagów. W rzeczywistości typowe makrofagi pochodzące z otrzewnej lub szpiku kostnego (lub linie komórkowe makrofagów, takie jak J774) mogą wyrażać do siedmiu różnych znanych mechanizmów rozpoznawania PtdSer. Jeśli założymy, że te różne tryby rozpoznawania PtdSer działają jednocześnie, pojawiają się pytania o samą liczbę cząsteczek PtdSer, które muszą być eksponowane na danej komórce apoptotycznej w celu wiązania się przez te różne receptory, oraz o topologię odsłoniętego PtdSer i potrzebną krzywiznę błony. do równoczesnego uznania. Od końca fagocytów, w jaki sposób wszystkie te receptory mogą angażować PtdSer na tej samej komórce apoptotycznej? Ponieważ niektóre z receptorów rozpoznających PtdSer (takie jak TIM-4) pojawiają się w dużej ilości na powierzchni makrofagów, można by oczekiwać, że receptory te będą konkurować ze sobą o ten sam ligand. Ponieważ rozpuszczalne cząsteczki pomostowe, takie jak Gas6 i białko S, mogą być również dość liczne w surowicy/osoczu (Anderson i wsp., 2003 Balogh i wsp., 2005), zastanawiające jest, że jakikolwiek wolny PtdSer byłby nawet dostępny do wiązania przez bezpośredni PtdSer -receptory rozpoznawania. Charakter prezentacji PtdSer na powierzchni komórki apoptotycznej, w jaki sposób receptory rozpoznawania PtdSer mogą angażować PtdSer i czy współligandy na komórkach apoptotycznych współpracują z PtdSer, aby wpłynąć na specyficzne rozpoznawanie przez fagocyty, omówiono dalej w kolejnych akapitach .

Pytania bez odpowiedzi dotyczące podstawowej biologii ekspozycji na PtdSer

Rozważając prezentację PtdSer, należy wziąć pod uwagę zarówno liczbę cząsteczek PtdSer, które są eksponowane na powierzchni komórki apoptotycznej, jak i sposób, w jaki te cząsteczki są prezentowane do rozpoznawania przez receptory na fagocytach. Czy na powierzchni jest wystarczająco dużo cząsteczek PtdSer, aby pomieścić różne receptory? W jednym badaniu wykorzystano limfocyty T Jurkat do próby ilościowego określenia liczby endogennych cząsteczek PtdSer, które mogą być eksponowane podczas apoptozy (Borisenko i wsp., 2003). Oszacowali, że ekspozycja PtdSer na żywe komórki jest minimalna (<0,9 pikomoli/milion komórek), w przeciwieństwie do tego, po indukcji apoptozy przez anty-Fas lub kamptotecynę, PtdSer na zewnętrznym płatku błony wzrasta do >gt240 pikomoli/ milion komórek. Inny rodzaj obliczeń opartych na powierzchni limfocytów sugeruje, że na apoptotycznym tymocytecie może znajdować się około 5-10 milionów cząsteczek PtdSer (dane niepublikowane). Chociaż dokładna liczba pojedynczych receptorów rozpoznających PtdSer wyrażanych na pojedynczym fagocycie nie jest dostępna, typowe liczby receptorów błonowych mieszczą się w zakresie 105 cząsteczek powierzchniowych/komórkę (Zagursky i wsp., 1995), jeśli receptory pochłonięcia są wyrażane na typowym receptorze błonowym poziomów, jest prawdopodobne, że liczba cząsteczek PtdSer wystawionych na apoptotyczną komórkę może wystarczyć do zaangażowania wielu receptorów PtdSer. Ponieważ istnieje >280-krotna różnica między komórkami apoptotycznymi i żywymi w odniesieniu do ekspozycji na PtdSer, a liczba ta jest osiągana bardzo wcześnie w procesie apoptozy (w ciągu 1–2 godzin po indukcji apoptozy Borisenko i wsp., 2003), zasugerowano że ta ogromna różnica w ekspozycji na PtdSer między komórkami żywymi i apoptotycznymi może zapewnić specyficzność rozpoznawania fagocytów komórki apoptotycznej. Co więcej, progowy wzrost cząsteczek PtdSer (ośmiokrotny w stosunku do stanu podstawowego) musi zostać wyeksponowany na umierającej komórce, zanim zostanie poddana fagocytozie za pośrednictwem makrofagów (Borisenko i wsp., 2003), co prawdopodobnie pozwala sąsiednim żywym komórkom, które mogą losowo eksponować małe ilość PtdSer (ze względów biologicznych niezależnych od apoptozy) do zaoszczędzenia.

Chociaż bezwzględna liczba eksponowanych cząsteczek PtdSer może być wystarczająca do zaangażowania dostępnych receptorów, należy wziąć pod uwagę dwie inne kwestie. Po pierwsze, powyższe obliczenia zakładają, że PtdSer swobodnie unosi się na błonie komórki apoptotycznej i że każda cząsteczka PtdSer jest dostępna do rozpoznania przez receptor. Jednak stosunkowo niewiele wiemy o tym, jak PtdSer jest faktycznie wyświetlany na powierzchni komórki apoptotycznej. Niektóre badania sugerowały tworzenie klastrów cząsteczek PtdSer na powierzchni umierającej komórki (Gardai et al., 2005), ale wielkość klastrów i liczba cząsteczek na klaster oraz stopień uniwersalności tego typu wśród różnych typów komórek przechodzących apoptozę są nieznany. Klastrowanie cząsteczek PtdSer stałoby się szczególnie istotne, gdyby wiele receptorów wiązało się z cząsteczkami PtdSer w ramach pojedynczego klastra. W jaki sposób różne receptory mogą topologicznie ułożyć się na powierzchni fagocytu, aby zaangażować PtdSer wyświetlany jako klaster na powierzchni komórki apoptotycznej? Co więcej, badania wiązania aneksyny V z PtdSer oszacowały, że każda cząsteczka aneksyny V może zakrywać lub rzucać cień na ~50 cząsteczek fosfolipidów na powierzchni (Cézanne et al., 1999). Jeśli PtdSer miałby istnieć w klastrach, wówczas efektywna gęstość eksponowanego PtdSer na apoptotycznej błonie komórkowej może szybko spaść. Innymi słowy, w obrębie klastra PtdSer wiązanie jednego receptora i jego odcisk może sterycznie zmieniać zdolność innych receptorów do angażowania PtdSer na komórce apoptotycznej.

Inną kwestią do rozważenia jest to, że co najmniej część odsłoniętego PtdSer jest utleniona lub zmodyfikowana w inny sposób (Tyurin et al., 2008). Niektóre mechanizmy rozpoznawania PtdSer (takie jak CD36 i MFG-E8) mogą preferować utleniony PtdSer (Borisenko i wsp., 2004 Fadeel i wsp., 2007 Tyurin i wsp., 2008). Jeśli tak i jeśli zmodyfikowane i natywne cząsteczki PtdSer są jednocześnie prezentowane, może to dyktować różnice w powinowactwie/awidności między tymi receptorami dla komórki apoptotycznej. Pomimo fundamentalnego znaczenia tego naukowego problemu, stosunkowo niewiele grup zadaje pytania dotyczące prezentacji PtdSer na komórkach apoptotycznych. Co więcej, mechanizm, dzięki któremu komórka apoptotyczna jest indukowana do odsłonięcia swojego PtdSer (luźno nazywanego odwracaniem PtdSer) również nie jest dobrze poznany (Ravichandran i Lorenz, 2007). Nieliczne niedawne badania nad genami regulującymi przerzucanie PtdSer do zewnętrznego listka w organizmach modelowych były niespójne (Wang i in., 2007 Züllig i in., 2007 Venegas i Zhou, 2007 Darland-Ransom i in., 2008). Niezbędne są nowe i ukierunkowane wysiłki w celu zdefiniowania biochemicznych i mechanistycznych aspektów ekspozycji PtdSer na komórki apoptotyczne oraz fizycznej natury PtdSer wyświetlanego na powierzchni (być może dzięki niedawnym postępom w narzędziach strukturalnych, mikroskopii elektronowej i obrazowaniu).

Różnice ilościowe i jakościowe między receptorami PtdSer

Innym pytaniem jest, czy jeden receptor PtdSer jest równy dowolnemu innemu receptorowi PtdSer. Nie wszystkie z tych receptorów są wyrażane w tej samej gęstości na powierzchni makrofagów. Na przykład TIM-4 wydaje się być znacznie bardziej obfity niż BAI1 na makrofagach, podczas gdy komórki Sertoliego w jądrach wyrażają więcej BAI1 niż TIM-4, jednak kluczowym argumentem przeciw temu problemowi z gęstością jest to, że blokowanie poszczególnych receptorów przez przeciwciała lub małe interferujący RNA wydaje się sugerować, że większość z tych receptorów odgrywa przynajmniej pewną rolę.

Ponadto nie wszystkie receptory rozpoznające PtdSer mogą wiązać PtdSer z tym samym powinowactwem lub awidnością. Gdyby tak było, gdyby jeden receptor o wyższym powinowactwie nawiązał początkowy kontakt z PtdSer, drugi receptor o z natury niższym powinowactwie może być w stanie lepiej angażować PtdSer w tym kontekście. Takie kooperacyjne lub sekwencyjne wiązanie pozwoliłoby również uniknąć problemu rywalizacji każdego z tych receptorów o ten sam ligand, gdyby wszystkie wiązały się z tym samym powinowactwem. Niestety nasza wiedza na temat hierarchii wśród tych receptorów jest minimalna. W rzeczywistości nie istnieją żadne systematyczne badania bezpośrednio porównujące powinowactwa różnych receptorów. Obserwacja, że ​​może istnieć poziom progowy PtdSer, który musi zostać wyeksponowany przed rozpoczęciem fagocytozy celu (Borisenko et al., 2003) wskazuje również na możliwe hierarchiczne wiązanie, jeśli wystąpią różnice w powinowactwie między receptorami rozpoznającymi PtdSer. Powinowactwo tych receptorów do natywnych i zmodyfikowanych cząsteczek PtdSer należy również rozważyć, jeśli pewne receptory miałyby preferować ugrupowanie zmodyfikowane (Borisenko i wsp., 2004 Fadeel i wsp., 2007 Tyurin i wsp., 2008). i kooperatywne wiązanie między tymi samymi receptorami rozpoznającymi PtdSer na tym samym fagocycie.

A co z różnicami w szlakach sygnałowych indukowanych przez różne receptory rozpoznające PtdSer? Model „uwiązania i łaskotania” zaproponowany kilka lat temu przez Petera Hensona (Henson i Hume, 2006) sugeruje, że w kontekście wielu różnych receptorów pochłaniania angażujących różne ligandy, niektóre mogą jedynie pełnić funkcję adhezyjną, podczas gdy inne mogą pośredniczyć w sygnalizacji . Może to również dotyczyć różnych receptorów, które angażują PtdSer. Na przykład, cytoplazmatyczne i transbłonowe regiony TIM-4 wydają się zbędne do promowania pochłaniania komórek apoptotycznych (Park i wsp., 2009), co sugeruje, że inne białka błonowe mogą przekazywać sygnalizację po zaangażowaniu PtdSer na komórkach apoptotycznych. Podobnie, CD36 ma ogon cytoplazmatyczny 4-aa i prawdopodobnie wykorzystuje inne białka błonowe (takie jak receptor witronektyny) do przekazywania sygnałów (Savill i wsp., 1992 Albert i wsp., 1998). Ponadto MER jest kinazą tyrozynową (Lemke i Rothlin, 2008), podczas gdy BAI1 jest białkiem siedmiotransbłonowym, które przekazuje sygnał poprzez kompleks ELMO–Dock180–Rac (Park i wsp., 2009). W związku z tym istnieje możliwość, że emanują różne typy sygnałów, umożliwiając fagocytowi odróżnienie komórki żywej od komórki apoptotycznej.

Czy PtdSer wystarczy?

Na podstawie oryginalnej pracy Fadoka i in. (1992), a następnie potwierdzone przez wiele grup, blokowanie rozpoznawania PtdSer przez aneksynę V lub inne rozpuszczalne środki maskujące PtdSer silnie hamuje pochłanianie komórek apoptotycznych (Fadok i wsp., 1998). W rzeczywistości żaden inny ligand nie był tak konsekwentnie postrzegany jako istotny dla objęcia w tak wielu różnych kontekstach. Prowadzi to do pytania, czy PtdSer wystarczy jako sygnał zjedz mnie? Jednym z argumentów wspierających jest to, że liposomy zawierające PtdSer były wystarczające do wywołania odpowiedzi naśladujących te zapoczątkowane przez rozpoznanie komórek apoptotycznych, takich jak odpowiedzi przeciwzapalne i wypływ cholesterolu z fagocytów (Fadok i wsp., 1998 Kiss i wsp., 2006). Należy jednak wziąć pod uwagę kilka kontrargumentów, aczkolwiek anegdotycznych. Po pierwsze, wiele typów komórek, takich jak makrofagi i aktywowane limfocyty, rutynowo eksponuje PtdSer na poziomach wystarczających do wykrycia, ale nie zostaje pochłoniętych (Dillon i wsp., 2000 Hamon i wsp., 2000). Po drugie, komórki nekrotyczne eksponują jeszcze większe poziomy PtdSer (Borisenko et al., 2003), ale wywołują inną odpowiedź od fagocytów niż komórki apoptotyczne (komórki apoptotyczne działają przeciwzapalnie, podczas gdy komórki nekrotyczne prozapalne Gallucci et al., 1999). Po trzecie, wydaje się, że niektóre komórki nabłonkowe i nieprofesjonalne fagocyty pochłaniają swoich apoptotycznych braci znacznie skuteczniej niż apoptotyczne tymocyty, chociaż obie populacje docelowe były porównywalnie dodatnie pod względem aneksyny V (dane niepublikowane). Wcześniejsze badania sugerowały również, że w niektórych przypadkach, nawet jeśli PtdSer jest sztucznie wprowadzony do zewnętrznego listka żywych komórek, fagocyty ich nie pochłaniają (Borisenko i wsp., 2003). Wszystkie te obserwacje sugerują, że należy wziąć pod uwagę ligandy lub parametry wiązania inne niż ekspozycja na PtdSer. Pomysł dodatkowych ligandów na komórkach apoptotycznych nie jest nowy, ale ich charakterystyka jest opóźniona, być może z powodu dominującej roli odgrywanej przez PtdSer w rozpoznawaniu fagocytów.

Czy może istnieć dodatkowy ligand (oznaczony tutaj jako X), który działa jako ligand kostymulujący, tak że fagocyty rozpoznają komórki wykazujące „PtdSer+X” jako komórki apoptotyczne (ryc. 3)? Jeśli weźmie się pod uwagę analogię TCR oddziałującego z kompleksem peptyd+MHC (pMHC), dobrze wiadomo, że cząsteczki kostymulujące na powierzchni limfocytów T (np. CD28) i ich ligandy na powierzchni APC (np. rodzina B7 cząsteczek) krytycznie regulują aktywację naiwnych limfocytów T. W przypadku braku sygnałów kostymulujących, nawet gdy komórka T i APC wchodzą w interakcję, odpowiedź komórki T zostaje zahamowana lub przerwana. Podobnie jest możliwe, że X, koeksprymowany z PtdSer na powierzchni komórek apoptotycznych, może angażować przeciwreceptor (odpowiednik CD28 na fagocycie), prowadząc do drugiego sygnału. Takie rozpoznawanie PtdSer+X może być przydatne na kilku poziomach. Po pierwsze, może zapewniać dodatkową specyficzność rozpoznawania zależnego od PtdSer i pomagać fagocytom w unikaniu spożywania komórek prezentujących PtdSer, które były eksponowane niezależnie od apoptozy. Po drugie, zaangażowanie PtdSer+X może pomóc przezwyciężyć sygnały „nie zjedz mnie”, obecne jednocześnie w komórkach apoptotycznych. Po trzecie, X może pomóc obniżyć próg aktywacji fagocytów zależnej od PtdSer, np. ośmiokrotna zmiana poziomów PtdSer jest wystarczająca do promowania fagocytozy makrofagów komórki docelowej (Borisenko i wsp., 2003). Po czwarte, X, gdy jest zaangażowany przez swój przeciwreceptor na fagocycie, może pomóc w modyfikacji krzywizny błony, aby umożliwić właściwą alokację między powierzchniami fagocytów i komórek apoptotycznych. Do tej pory zidentyfikowano tylko jeden taki drugi sygnał. Kalretykulinę zasugerowali Gardai i in. (2005) jako możliwy drugi ligand, który działa razem z PtdSer, chociaż badanie to sugerowało rolę kalretykuliny w stosowanym systemie, literatura dotycząca kalretykuliny jest raczej zróżnicowana w zależności od natury śmierci komórki i jej immunogenności (Gregory i Brown, 2005 Green et al. in., 2009 Zitvogel i in., 2010). To, czy dodatkowe cząsteczki pomocnicze istnieją na powierzchni wczesnych komórek apoptotycznych (nie wtórnie nekrotycznych), czy są one eksponowane w sposób podstawowy, czy jednocześnie z ekspozycją na PtdSer i jakie ich receptory mogą znajdować się na fagocytach, pozostaje do ustalenia. Ostatnio do identyfikacji dodatkowych białek wiążących PtdSer zastosowano podejście do prezentacji fagowej, chociaż ich znaczenie pozostaje do ustalenia (Caberoy et al., 2009). Być może modyfikacja takiej metody ukierunkowana na identyfikację drugiego liganda mogłaby zapewnić ogromny przełom w tej dziedzinie.

Nie zapomnij o sygnałach „nie jedz mnie”

Chociaż rozważałem przede wszystkim inne cząsteczki, które mogą korzystnie modyfikować rozpoznawanie PtdSer, nie powinniśmy przeoczyć sygnałów „nie jedz mnie”, nawet gdy PtdSer jest wystawiony. Obecnie po prostu nie ma wystarczających danych, aby wiedzieć, jaka jest krotność zmiany ekspozycji na PtdSer na aktywowanych limfocytach B lub T lub mioblastach, które przejściowo eksponują PtdSer i czy sygnały „nie zjedz mnie” aktywnie antagonizują pochłonięcie tych komórek. W odniesieniu do sygnałów „nie jedz mnie”, najlepiej opisane do tej pory to CD47 (Gardai i in., 2005, 2006) i CD31 (Brown i in., 2002). Ze względu na znaczenie CD47 w czerwonych krwinkach literatura dotycząca CD47 jest wyraźnie bardziej zaawansowana. Gardai i in. (2005) wykazali, że CD47 może działać jako silny sygnał „nie zjedz mnie” i hamować pochłanianie komórek wykazujących PtdSer. Zasugerowali nawet, że w przypadku braku CD47 natura wyświetlacza PtdSer może się zmienić. Jednak zakres wykorzystania CD47 jako sygnału „nie jedz mnie” przez różne typy komórek jest niejasny. W tym momencie tylko garstka badań systematycznie odnosi się do sygnałów „nie jedz mnie”, a mechanizmy działania „nie jedz mnie” nie są dobrze poznane. Może to częściowo wynikać z problemów technicznych. Po pierwsze, bardzo trudno jest wykorzystać brak pochłonięcia jako test, ponieważ w większości typowych testów fagocytozy pochłonięcie wynosi od 5–50%. Po drugie, biorąc pod uwagę obecny pogląd, że wiele ligandów i receptorów może działać, trudno jest systematycznie analizować taki brak pochłonięcia w kontekście eukariotycznym i określać rolę poszczególnych biologicznie i funkcjonalnie istotnych cząsteczek. Jednak organizmy modelowe, takie jak C. elegans, w którym śmierć i wychwyt pojedynczych komórek można śledzić w czasie rzeczywistym (Hoeppner i wsp., 2001), mogą okazać się przydatne w badaniach genetycznych sygnałów „nie jedz mnie”, a to z kolei rozciąga się na systemy ssaków.

Końcowe przemyślenia i przyszłe kierunki

Pole pochłaniania jest jednak stosunkowo młode, jednak uznanie, że usuwanie komórek apoptotycznych jest procesem istotnym dla wielu stanów zdrowia i choroby, przyciągnęło wielu badaczy z różnych dziedzin, co spowodowało znaczny wzrost naszej wiedzy w ciągu ostatnich kilku lat. Jednak wysiłki, aby odpowiedzieć na niektóre kluczowe pytania bez odpowiedzi w tej dziedzinie, mogą skorzystać na podejściu, które okazały się bardzo przydatne w innych systemach zajmujących się rozpoznawaniem między dwoma różnymi typami komórek, takimi jak limfocyty T i APC (Gascoigne i in., 2009 Fooksman i in., 2010 Reichardt i in., 2010 Ryc. 3). Specyficzne rozpoznawanie komórki apoptotycznej przez fagocyt jest podobne pod kilkoma względami do rozpoznawania przez komórki T kompleksu pMHC na APC. Po pierwsze, komórka T musiałaby rozpoznać specyficzny antygen niosący APC wśród innych APC, analogicznie do fagocytu próbującego specyficznie rozpoznać umierającą komórkę wśród wszystkich żywych komórek w tkance lub krążeniu. Po drugie, podobnie jak interfejs limfocyt T-APC, wiele par receptor-ligand jest częścią interfejsu fagocyt-komórka apoptotyczna, chociaż ich rola nie jest dobrze zdefiniowana. Po trzecie, podobnie jak limfocyty T, które potrafią „wąchać” wiele APC bez angażowania się w silną interakcję (Cahalan i Parker, 2005, 2008), makrofagi często angażują żywe komórki, ale szybko pozwalają im odejść z powodu obecności me sygnały (Brown i in., 2002). Po czwarte, podobnie jak w przypadku interakcji komórka T-APC, gdzie sygnały wewnątrzkomórkowe inicjują odpowiedzi komórek T, sygnały pośredniczone podczas interakcji fagocyt-komórka apoptotyczna prowadzą również do pochłonięcia umierającej komórki i wydzielania mediatorów przeciwzapalnych, które są częścią milczącej immunologicznie komórki rozliczenie (Henson, 2005).

Istnieje jednak również kilka kluczowych różnic, z których najważniejszą jest to, że konkretna interakcja TCR-pMHC krytycznie zakotwicza koniugację limfocyt T-APC. W kontekście komórek apoptotycznych, chociaż PtdSer może być luźno uważany za ekwiwalent pMHC, nie ma ekwiwalentu TCR na fagocytach. W przeciwieństwie do tego wydaje się, że istnieje wiele mechanizmów rozpoznawania PtdSer. Co więcej, nie zidentyfikowano jeszcze drugich sygnałów analogicznych do tych dostarczanych przez cząsteczki kostymulujące i receptory pomocnicze w specyficznych interakcjach między komórkami T a APC dla interakcji fagocyt-komórka apoptotyczna. Jednym z kluczowych powodów naszej rozległej wiedzy na temat układu komórek T jest istnienie różnych przeciwciał monoklonalnych, które były systematycznie generowane w kierunku różnych cząsteczek pomocniczych i kostymulujących na komórkach T i APC w ramach klastra różnicowania/antygenów różnicowania komórek/ Inicjatywa nazewnictwa płyt CD w latach 80. i na początku lat 90. (Chorváth i Sedlák, 1998). Być może nadszedł czas, aby pole pochłaniania rozważyło analogiczną strategię. Chociaż może się to wydawać przeróbką starego podejścia, nie należy tego lekceważyć, ponieważ nasza zdolność do klonowania i identyfikowania odpowiednich cząsteczek znacznie się poprawiła dzięki obecnym narzędziom molekularnym i genetycznym. Inną różnicą jest to, że w przeciwieństwie do pojedynczego typu komórki, takiego jak komórka T pośrednicząca w rozpoznawaniu pMHC, fagocytem może być zasadniczo dowolna komórka w ciele, niemniej jednak systematyczny wysiłek z kilkoma zdefiniowanymi typami fagocytów może być bardzo korzystny. W rzeczywistości jedna grupa zastosowała wersję tego podejścia, która doprowadziła do identyfikacji TIM-4 jako receptora PtdSer (Miyanishi i wsp., 2007). Taki wysiłek mógłby również doprowadzić do identyfikacji ligandów cząsteczek kostymulujących, które współpracują z PtdSer.

Innym obszarem, w którym interakcja komórka T-APC jest bardzo zaawansowana, jest zrozumienie synapsy immunologicznej i rekrutacji cząsteczek do iz synapsy w czasie trwania kontaktu komórka T-APC (Gascoigne i in., 2009 Fooksman i in. ., 2010 Reichardt i in., 2010). Niestety, tak szczegółowe informacje po prostu nie istnieją dla interfejsu fagocyt-komórka apoptotyczna. Ekscytującą możliwością jest to, że synapsa pochłonięcia powstaje przez skupienie określonych cząsteczek na powierzchni fagocytu i komórki apoptotycznej. Biorąc pod uwagę ostatnie postępy w obrazowaniu, których przykładem są eleganckie badania tworzenia koniugatu limfocyt T-APC (Cahalan i Parker, 2008), systematyczne wysiłki zmierzające do określenia, w jaki sposób zarówno bezpośrednie, jak i pośrednie receptory rozpoznające PtdSer są topologicznie umiejscowione na fagocycie i jak się poruszają podczas rozpoznawania pomogłoby zidentyfikować hierarchię i/lub wspólne wiązanie między różnymi receptorami. Podobnie, niezwykle potrzebne jest określenie, w jaki sposób sam PtdSer jest wyświetlany i porusza się podczas zaangażowania przez receptory rozpoznawania, a także względna lokalizacja sygnałów „nie zjedz mnie”. Co więcej, jednoczesne zaangażowanie dwóch receptorów przez ligandy na komórkach apoptotycznych może zmienić odpowiedź, na przykład MER może modyfikować odpowiedzi zapalne za pośrednictwem innych receptorów (Rothlin i wsp., 2007 Lemke i Rothlin, 2008).

Poza zabawnymi podstawowymi pytaniami naukowymi, mogą one mieć ważne implikacje dla medycyny. Nieudane usuwanie komórek apoptotycznych jest cechą chorób, od autoimmunizacji i miażdżycy po zaburzenia neurologiczne (Elliott i Ravichandran). Zaczynają pojawiać się terapie apoptotyczne oparte na komórkach (Wang i in., 2006, 2009 Green i in., 2009), ale tak naprawdę nie rozumiemy w pełni, co stanowi immunogenną i nieimmunogenną śmierć komórki (Green i Kroemer, 2005 Green i in. , 2009) i jak można nimi manipulować w terapeutycznie korzystny sposób. Szczegółowe zrozumienie, w jaki sposób fagocyt napotyka i pochłania komórkę apoptotyczną, może być wykorzystane do zwiększenia pochłonięcia w sytuacjach uznawanych za braki w pochłonięciu. Co więcej, określenie subtelności wielu receptorów angażujących te same lub podobne ligandy może pomóc nam zrozumieć, w jaki sposób mogą być modyfikowane reakcje fagocytów po pochłonięciu (takie jak sygnalizacja mediatorów przeciwzapalnych). Ten rodzaj informacji może być ważny przy projektowaniu leków, które mogą wyzwalać receptory objęcia, aby naśladować fizjologiczne objęcie mediatorów przeciwzapalnych wywoływanych przez te leki, które mogą być przydatne do rozwiązywania stanów zapalnych w wielu różnych stanach i leczenia autoimmunizacji.


Lekcja biologii 2

Komórki embrionalne kończą cały cykl komórkowy w zaledwie kilka godzin. Szybko dzieląca się komórka ssaka, taka jak dorosła komórka macierzysta, zwykle potrzebuje około 24 godzin na zakończenie cyklu komórkowego i spędza 22 godziny w interfazie.

G1 to faza przed replikacją DNA, a G2 to faza po syntezie DNA. Pierwotnie G oznaczało „przerwę”, ale teraz, kiedy wiemy, jak aktywna jest komórka metabolicznie, lepiej myśleć o G jako o „wzroście”. Synteza białek jest w dużej mierze częścią tych etapów wzrostu.

1. Podczas G1 komórka podwaja swoje organelle (takie jak mitochondria i rybosomy) i gromadzi materiały, które zostaną użyte do replikacji DNA. W tym momencie komórka integruje sygnały wewnętrzne i zewnętrzne i „decyduje”, czy kontynuować cykl komórkowy (patrz Rozdział 8.3). Niektóre komórki, takie jak komórki mięśniowe, zazwyczaj pozostają w interfazie, a podział komórek zostaje trwale zatrzymany. Mówi się, że te komórki weszły w fazę G0. Jeśli nastąpi uszkodzenie DNA, wiele komórek w fazie G0 może ponownie wejść w cykl komórkowy i ponownie podzielić się, aby naprawić uszkodzenie. Ale kilka typów komórek, takich jak komórki nerwowe, prawie nigdy się nie dzieli ponownie, gdy osiągną G0.

2. Po G1 komórka wchodzi w fazę S. Litera S oznacza „syntezę” iz pewnością do replikacji DNA wymagana jest synteza DNA. Na początku fazy S każdy chromosom ma jedną chromatydę składającą się z pojedynczej podwójnej helisy DNA. Pod koniec tego etapu każdy chromosom składa się z dwóch siostrzanych chromatyd, z których każda ma jedną podwójną helisę. Dwie chromatydy każdego chromosomu pozostają przyłączone do centromeru. Replikacja DNA wytwarza zduplikowane chromosomy.

Cytokineza w komórkach zwierzęcych W komórkach zwierzęcych, w miarę zbliżania się anafazy, zaczyna się bruzda cięcia, która jest wcięciem błony między dwoma jądrami potomnymi. Bruzda bruzdkowa pogłębia się, gdy pasmo włókien aktynowych, zwane pierścieniem kurczliwym, powoli tworzy kolisty przewężenie między dwiema komórkami potomnymi. Działanie pierścienia kurczliwego można przyrównać do coraz mocniejszego ściągania sznurka wokół środka balonu. Wąski mostek między dwiema komórkami jest widoczny podczas telofazy, a następnie pierścień kurczliwy nadal oddziela cytoplazmę, aż pojawią się dwie niezależne komórki potomne

Cytokineza w komórkach roślinnych zachodzi w procesie innym niż ten obserwowany w komórkach zwierzęcych (ryc. 8.8). Sztywna ściana komórkowa, która otacza komórki roślinne, nie pozwala na cytokinezę przez bruzdowanie. Zamiast tego cytokineza w komórkach roślinnych polega na budowie nowych błon plazmatycznych i ścian komórkowych między komórkami potomnymi.

Punkt kontrolny G1 jest szczególnie istotny, ponieważ jeśli cykl komórkowy przekroczy ten punkt kontrolny, komórka jest zobowiązana do podziału. Jeśli komórka nie przejdzie tego punktu kontrolnego, może wejść do G0, podczas którego wykonuje swoje normalne funkcje, ale nie dzieli się. Aby komórka mogła przejść przez punkt kontrolny G1, muszą być obecne odpowiednie sygnały wzrostu, takie jak określone czynniki wzrostu. Dodatkowo sprawdzana jest integralność DNA komórki. Jeśli DNA jest uszkodzony, białko p53 może zatrzymać cykl w tym punkcie kontrolnym i zainicjować naprawę DNA. Jeśli naprawa nie jest możliwa, białko może spowodować, że komórka przejdzie zaprogramowaną śmierć komórki lub apoptozę.

Cykl komórkowy zatrzymuje się na chwilę w punkcie kontrolnym G2, dopóki komórka nie zweryfikuje replikacji DNA. Zapobiega to inicjacji fazy M, chyba że chromosomy są zduplikowane. Ponadto, jeśli DNA jest uszkodzone, na przykład w wyniku ekspozycji na promieniowanie słoneczne lub promieniowanie rentgenowskie, zatrzymanie cyklu komórkowego w tym punkcie kontrolnym daje czas na naprawę uszkodzenia, aby nie zostało ono przekazane komórkom potomnym.

1. Komórki rakowe nie są zróżnicowane. Komórki rakowe tracą swoją specjalizację i nie przyczyniają się do funkcjonowania części ciała. Komórka rakowa nie wygląda jak zróżnicowana komórka nabłonkowa, mięśniowa, nerwowa lub tkanki łącznej, zamiast tego wygląda wyraźnie nienormalnie (ryc. 8.14). Jak wspomniano, normalne komórki mogą wejść w cykl komórkowy około 70 razy, a następnie umrzeć. W ten sposób komórki rakowe mogą wielokrotnie wchodzić w cykl komórkowy, są nieśmiertelne.

2. Komórki rakowe mają nieprawidłowe jądra. Jądra komórek rakowych są powiększone i mogą zawierać nieprawidłową liczbę chromosomów. Chromosomy również są nieprawidłowe, niektóre części mogą być zduplikowane lub niektóre mogą zostać usunięte. Ponadto amplifikacja genów (dodatkowe kopie określonych genów) jest obserwowana znacznie częściej niż w normalnych komórkach.

3. Komórki rakowe nie ulegają apoptozie. Zwykle komórki z uszkodzonym DNA przechodzą apoptozę, zapobiegając rozwojowi nowotworów. Jednak komórki rakowe nie reagują normalnie na sygnały inicjujące apoptozę i dlatego kontynuują podział.

4. Komórki rakowe tworzą guzy. Normalne komórki zakotwiczają się w podłożu i/lub przylegają do swoich sąsiadów. Następnie wykazują zahamowanie kontaktu i przestają się dzielić. Z drugiej strony komórki rakowe straciły wszelkie ograniczenia, nawarstwiają się jeden na drugim i rosną w wielu warstwach, tworząc guz. Mają zmniejszone zapotrzebowanie na czynniki wzrostu i nie reagują już na sygnały hamujące.W miarę rozwoju nowotworu najbardziej agresywna komórka staje się komórką dominującą guza.

1. Zwiększ spożycie pokarmów bogatych w witaminy A i C (rys. 8.16). Beta-karoten, prekursor witaminy A, znajduje się w ciemnozielonych warzywach liściastych, marchwi i różnych owocach. Witamina C występuje w owocach cytrusowych. Witaminy te nazywane są antyoksydantami, ponieważ w komórkach zapobiegają tworzeniu się wolnych rodników (jonów organicznych posiadających niesparowane elektrony), które mogą uszkadzać DNA. Witamina C zapobiega również przemianie azotanów i azotynów w rakotwórcze nitrozoaminy w przewodzie pokarmowym.

2. Unikaj żywności solonej lub marynowanej, ponieważ mogą zwiększać ryzyko raka żołądka i przełyku. Pokarmy wędzone, takie jak szynka i kiełbasa, zawierają chemiczne substancje rakotwórcze podobne do tych w dymie tytoniowym. Azotyny są czasami dodawane do przetworzonych mięs (np. parówek i wędlin) i innych produktów spożywczych, aby chronić je przed psuciem się, jak wspomniano, azotyny mogą zostać przekształcone w rakotwórcze nitrozoaminy w przewodzie pokarmowym.

Podczas rozwoju i po urodzeniu mitoza jest zaangażowana w ciągły wzrost dziecka i naprawę tkanek w dowolnym momencie. W wyniku mitozy każda komórka somatyczna (ciała) ma diploidalną liczbę chromosomów.

Podczas rozmnażania płciowego mejoza zmniejsza liczbę chromosomów z liczby diploidalnej do liczby haploidalnej w taki sposób, że gamety (plemnik i jajo) mają jeden chromosom pochodzący z każdej homologicznej pary chromosomów. U mężczyzn mejoza jest częścią procesu spermatogenezy, która zachodzi w jądrach i wytwarza plemniki. U samic mejoza jest częścią oogenezy, która zachodzi w jajnikach i wytwarza jajeczka. Po połączeniu plemnika i komórki jajowej podczas zapłodnienia, powstała komórka, zwana zygotą, ponownie ma diploidalną liczbę homologicznych chromosomów. Zygota następnie przechodzi mitozę i różnicowanie komórek, aby stać się płodem, a ostatecznie nowym człowiekiem.

- Mejoza wymaga dwóch kolejnych podziałów jądrowych, ale mitoza wymaga tylko jednego podziału jądrowego.

- Mejoza wytwarza cztery jądra potomne, a po cytokinezie powstają cztery komórki potomne. Mitoza, po której następuje cytokineza, skutkuje powstaniem dwóch komórek potomnych.

- Po mejozie cztery komórki potomne są haploidalne i mają połowę liczby chromosomów komórki macierzystej. Po mitozie komórki potomne mają taką samą liczbę chromosomów jak komórka rodzicielska.

- Podczas profazy I mejozy dochodzi do synaps. Podczas synapsy tworzą się tetrady i następuje skrzyżowanie. Zdarzenia te nie występują podczas mitozy.

- Podczas metafazy I mejozy tetrady ustawiają się na równiku wrzeciona, z homologicznymi chromosomami skierowanymi na przeciwległe bieguny wrzeciona. Sparowane chromosomy mają w sumie cztery chromatydy. Podczas metafazy w mitozie diady ustawiają się osobno na równiku wrzeciona.

Organizmem doświadczalnym Mendla był groszek zwyczajny, Pisum sativum. Groszek ogrodniczy był dobrym wyborem, ponieważ był łatwy w uprawie i miał krótki czas generacji. I chociaż groszek zwykle samozapylenia (pyłek trafia tylko na ten sam kwiat), można go zapylić ręcznie. Dostępnych było wiele odmian grochu, a Mendel początkowo uprawiał 22 z nich. Do swoich eksperymentów wybrał 7 odmian, które dawały łatwe do zidentyfikowania różnice (ryc. 10.1b). Kiedy te odmiany zapylały się samoczynnie, były rasowe — co oznaczało, że potomstwo było jak rośliny rodzicielskie i podobne do siebie nawzajem. W przeciwieństwie do swoich poprzedników, Mendel badał dziedziczenie stosunkowo prostych i łatwych do wykrycia cech, takich jak kształt nasion, kolor nasion i kolor kwiatów, i nie zaobserwował żadnych cech pośrednich wśród potomstwa. Rysunek 10.2 przedstawia procedurę Mendla.

Mendel miał pytanie, jak te allele będą segregować w pokoleniu F2. Były dwa możliwe wyniki, które mogły wystąpić w pokoleniu F2:

1. Jeśli czynniki dominujące (TG) zawsze idą razem w gametach F1, a czynniki recesywne (tg) zawsze pozostają razem, to wśród roślin F2 powstają dwa fenotypy — wysokie rośliny z zielonymi strąkami i niskie rośliny z żółtymi strąkami.

2. Jeśli cztery czynniki segregują niezależnie gamety F1, to wśród roślin F2 powstają cztery fenotypy — wysokie rośliny z zielonymi strąkami, wysokie rośliny z żółtymi strąkami, niskie rośliny z zielonymi strąkami i niskie rośliny z żółtymi strąkami.

IA= Antygen na czerwonych krwinkach
IB= antygen B na krwinkach czerwonych
I= Ani antygen A ani B na krwinkach czerwonych

Interakcja środowiska (ekspozycja na światło słoneczne) z tymi genotypami powoduje dodatkowe zmiany w fenotypie. Na przykład osoby, które są AaBbCc, mogą różnić się kolorem skóry, mimo że mają ten sam genotyp, a kilka możliwych fenotypów mieści się między tymi dwiema skrajnościami.
Temperatura to kolejny przykład czynnika środowiskowego, który może wpływać na fenotypy roślin i zwierząt. Pierwiosnki mają białe kwiaty, gdy rosną w temperaturze powyżej 32°C, ale czerwone, gdy rosną w temperaturze 24°C. Płaszcz kotów syjamskich i królików himalajskich jest ciemniejszy na uszach, nosie, łapach i ogonie. Wiadomo, że króliki himalajskie są homozygotyczne pod względem allelu ch, który bierze udział w produkcji melaniny. Dowody eksperymentalne wskazują, że enzym kodowany przez ten gen jest aktywny tylko w niskiej temperaturze, a zatem czarna sierść występuje tylko w kończynach, gdzie ciepło ciała jest tracone do środowiska. Kiedy zwierzę znajduje się w cieplejszym środowisku, nowa sierść na tych częściach ciała jest jasna.

W przeciwieństwie do przyjętych przekonań, Chargaff odkrył, że każdy gatunek ma swój własny procent każdego rodzaju nukleotydów. Na przykład w komórce ludzkiej 31% zasad to adenina, 31% tymina, 19% to guanina, a 19% to cytozyna. We wszystkich badanych przez Chargaffa gatunkach ilość A zawsze była równa ilości T, a ilość G zawsze równała się ilości C. Zależności te nazywane są regułami Chargaffa:

- Ilość A, T, G i C w DNA różni się w zależności od gatunku.

- U każdego gatunku ilości A i T są równe (A = T), podobnie jak ilości G i C (G = C).

1. DNA jest polimerem czterech typów nukleotydów z zasadami adeniny (A), guaniny (G), cytozyny (C) i tyminy (T).

2. Na podstawie reguł Chargaffa A = T i G = C.

3. Na podstawie dyfrakcyjnej fotografii rentgenowskiej Franklina DNA jest podwójną helisą z powtarzającym się wzorem.

Korzystając z tych danych, Watson i Crick zbudowali model DNA z drutu i cyny (ryc. 11.4). Model wykazał, że cząsteczki cukru i fosforanu dezoksyrybozy są połączone ze sobą, tworząc boki skręconej drabiny. Zasady azotowe tworzą szczeble drabiny — wystają do środka i wiązania wodorowego z zasadami na drugiej nici. Rzeczywiście, parowanie A z T i G z C — zwane komplementarnym parowaniem zasad — daje szczeble o stałej szerokości, jak wyjaśniono na podstawie danych dyfrakcji rentgenowskiej.

DNA to dwuniciowa cząsteczka, która owija się wokół siebie, tworząc podwójną helisę. Dwie nici są antyrównoległe i biegną w przeciwnych kierunkach, co najlepiej widać na rycinie 11.5a. Zauważ, że w podwójnej helisie każda nić ma koniec 5′, gdzie pojawia się wolna i koniec 3′, gdzie pojawia się wolna grupa -OH. Na rysunku 11.5b ponumerowano atomy węgla w dezoksyrybozie. Węgiel 5' ma dołączoną grupę, a węgiel 3' ma dołączoną grupę -OH, która jest zakreślona i pomalowana na różowo dla łatwego rozpoznania.

Aby rozpocząć replikację, podwójna helisa DNA musi się rozdzielić i rozwinąć. Osiąga się to poprzez zerwanie wiązań wodorowych między nukleotydami, a następnie rozwinięcie struktury helisy za pomocą enzymu zwanego helikazą. W tym momencie do macierzystej nici matrycy dodawane są nowe nukleotydy. Nukleotydy, zawsze obecne w jądrze, będą komplementarną parą zasad na teraz jednoniciowej nici rodzicielskiej. Dodanie nowej nici jest zakończone przy użyciu kompleksu enzymatycznego zwanego polimerazą DNA. Nić potomna jest syntetyzowana przez polimerazę DNA w kierunku 5′-3′, jak pokazano na rysunku 11.6. Wszelkie pęknięcia w szkielecie cukrowo-fosforanowym są uszczelniane przez enzym ligazę DNA.

Na rysunku 11.6 szkielety cząsteczki rodzicielskiej (oryginalna podwójna nić) są niebieskie. Po replikacji każda z cząsteczek potomnych ma zielony szkielet (nowa nić) i niebieski szkielet (stara nić). Podwójna helisa DNA potomnego ma taką samą sekwencję par zasad, jak podwójna helisa DNA rodzicielskiego. Komplementarne parowanie zasad pozwoliło na zachowanie tej sekwencji.

RNA:
- znaleziono w jądrze i cytoplazmie
- pomocnik DNA
- cukier to ryboza
- podstawy to A, U, C, G
- jednoniciowy
- translacja mRNA (w celu wytworzenia białek)

Powstały transkrypt mRNA jest komplementarną kopią sekwencji zasad w matrycowej nici DNA. Po zakończeniu transkrypcji mRNA jest gotowy do przetworzenia, zanim opuści jądro dla cytoplazmy.
Przetwarzanie mRNA Nowo zsyntetyzowane pierwotne mRNA musi zostać przetworzone, aby mogło być właściwie użyte. Przetwarzanie odbywa się w jądrze komórek eukariotycznych. Wymagane są trzy kroki: zakrywanie, dodanie ogona poli-A i łączenie (ryc. 11.12). Po przetworzeniu mRNA nazywa się dojrzałą cząsteczką mRNA.

Podczas translacji kolejność kodonów w mRNA określa kolejność, w jakiej tRNA wiążą się na rybosomach. Kiedy kompleks tRNA-aminokwas dociera do rybosomu, jego antykodon paruje się z kodonem mRNA. Na przykład, jeśli kodonem jest ACC, jaki jest antykodon i jaki aminokwas zostanie dołączony do cząsteczki tRNA? Z rysunku 11.10 możemy to określić:

Kodon (mRNA)- ACC
Antykodon (tRNA)- UGG
Aminokwas (białko) – Treonina

Krok 1: Inicjacja to krok, który łączy wszystkie komponenty tłumaczenia
- Mała podjednostka rybosomalna przyłącza się do mRNA w pobliżu kodonu start (AUG).
- Antykodon pary kompleksu tRNA-metionina inicjatora z tym kodonem.
- Duża podjednostka rybosomalna łączy się z małą podjednostką.

Krok 2: Podczas cyklu wydłużania łańcuch polipeptydowy zwiększa swoją długość o jeden aminokwas na raz
- tRNA w miejscu P zawiera rosnący łańcuch peptydowy.
- To tRNA przekazuje swój peptyd do aminokwasu tRNA w miejscu A. tRNA w miejscu P wchodzi w miejsce E.
- Podczas translokacji peptyd tRNA przemieszcza się do miejsca P, puste tRNA w miejscu E opuszcza rybosom, a kodon w miejscu A jest gotowy na następny aminokwas tRNA.

Cały cykl — komplementarne parowanie zasad nowego tRNA, przeniesienie rosnącego łańcucha peptydowego i translokacja — powtarza się w szybkim tempie. Wychodzące tRNA jest poddawane recyklingowi i może pobrać inny aminokwas z cytoplazmy, aby przenieść się do rybosomu.

W cytoplazmie translacja mRNA do polipeptydu w rybosomach może nastąpić od razu lub być opóźniona. mRNA może trwać długo lub zostać natychmiast zniszczone i to samo dotyczy białka. Mechanizmy te kontrolują ilość produktu genu i/lub czas jego aktywności.
Kondensacja chromatyny Eukarionty wykorzystują kondensację chromatyny jako sposób na włączenie lub wyłączenie genów. Im bardziej zagęszczona jest chromatyna, tym rzadziej ulegają w niej ekspresji geny. Ciemno zabarwione części chromatyny, zwane heterochromatyną, reprezentują mocno zagęszczoną, nieaktywną chromatynę. Dramatycznym tego przykładem jest ciało Barra u samic ssaków. Samice mają małą, ciemno zabarwioną masę skondensowanej chromatyny przylegającą do wewnętrznej krawędzi otoczki jądrowej. Ta struktura to nieaktywny chromosom X.
Skąd wiemy, że ciała Barra są nieaktywnymi chromosomami X, które nie wytwarzają produktu genów? Załóżmy, że 50% komórek u samicy ma aktywny jeden chromosom X, a 50% ma aktywny drugi chromosom X. Czy ciało heterozygotycznej samicy nie byłoby mozaiką z „łatami” genetycznie różnych komórek? Dokładnie tak się dzieje. Na przykład, kobiety, które są heterozygotyczne dla recesywnej formy albinizmu związanego z chromosomem X, mają w tylnej części oka plamy pigmentowanych i niepigmentowanych komórek. A kobiety, które są heterozygotyczne pod względem dziedzicznego braku gruczołów potowych, mają plamy na skórze pozbawione gruczołów potowych. Samica perkalu zapewnia również dramatyczne wsparcie dla różnicy w dezaktywacji chromosomu X w jej komórkach

Pojedynczy aktywator transkrypcji może mieć dramatyczny wpływ na ekspresję genów. Na przykład badacze odkryli jedno białko wiążące DNA, MyoD, które samo w sobie może aktywować geny niezbędne do tego, by fibroblasty stały się komórkami mięśniowymi różnych kręgowców. Inne białko wiążące DNA, zwane Ey, może spowodować powstanie nie tylko jednego typu komórki, ale całego oka u much

Do wprowadzenia obcego DNA do plazmidowego DNA potrzebne są dwa enzymy: (1) enzymy restrykcyjne, które mogą ciąć DNA w określonych miejscach (na przykład enzym restrykcyjny EcoRI zawsze tnie DNA w sekwencji podstawowej GAATTC) i (2) DNA ligaza, która może uszczelniać obcy DNA w otworze w pociętym plazmidzie.
Jeśli plazmid jest cięty za pomocą EcoRI, tworzy to szczelinę, w której można umieścić kawałek obcego DNA, jeśli ten fragment kończy się zasadami komplementarnymi do zasad eksponowanych przez enzym restrykcyjny. Aby zapewnić komplementarność zasad, konieczne jest przecięcie obcego DNA tym samym enzymem restrykcyjnym. Wystające zasady na końcach dwóch cząsteczek DNA nazywane są „lepkimi końcami”, ponieważ mogą wiązać fragment obcego DNA przez komplementarne parowanie zasad. Lepkie końce ułatwiają wstawianie obcego DNA do DNA wektora, co jest procesem bardzo podobnym do łączenia elementów układanki.

System CRISPR może być używany przez badaczy do edycji określonej sekwencji nukleotydów w prawie każdym organizmie. Jeśli znana jest sekwencja genomowa celu, komplementarna nić RNA może być użyta przez Cas9 do wywołania przerwy w DNA. Ta przerwa może być wykorzystana do inaktywacji genu, a tym samym do zbadania roli genu w komórce, lub Cas9 może działać jako forma molekularnych nożyczek do wstawiania nowych nukleotydów w określonych miejscach DNA.
CRISPR i inne technologie edycji genomu nadal się rozwijają. Naukowcy badają sposoby usprawnienia procesów, a także nowe zastosowania do edycji genomu u ludzi i innych organizmów.

Obecnie w Stanach Zjednoczonych żadne fundusze federalne nie mogą być wykorzystywane na eksperymenty klonowania ludzi. Chociaż istnieją postępy w nauce klonowania, nadal istnieje wiele problemów. Na przykład w przypadku Dolly proces powiódł się po 247 próbach. Istnieją również obawy, że sklonowane zwierzęta mogą nie mieć takiej samej średniej długości życia jak zwierzęta niesklonowane. Niektóre, ale nie wszystkie sklonowane zwierzęta wykazywały objawy nieprawidłowego starzenia. Na przykład Dolly została uśpiona przez śmiertelny zastrzyk w 2003 roku, ponieważ cierpiała na raka płuc i paraliżujące zapalenie stawów. Przeżyła tylko połowę normalnego życia owcy Dorset.
W klonowaniu terapeutycznym pożądanym celem nie jest pojedynczy organizm, ale różne typy dojrzałych komórek. Celem klonowania terapeutycznego jest (1) dowiedzenie się więcej o tym, jak zachodzi specjalizacja komórek oraz (2) dostarczenie komórek i tkanek, które można wykorzystać w leczeniu chorób człowieka, takich jak cukrzyca, urazy rdzenia kręgowego i choroba Parkinsona.
Klonowanie terapeutyczne można przeprowadzić na kilka sposobów. Najpopularniejszą metodą jest izolacja embrionalnych komórek macierzystych i poddanie ich zabiegom, które powodują, że stają się określonymi typami komórek, takimi jak krwinki czerwone, komórki mięśniowe lub komórki nerwowe (ryc. 12.5b). Ponieważ embrionalne komórki macierzyste mogą stać się dowolnym innym typem komórek w organizmie, mówi się, że są totipotentne. W końcu może być możliwe wytworzenie całych tkanek i narządów z totipotencjalnych komórek macierzystych. Istnieją obawy etyczne dotyczące tego typu klonowania terapeutycznego, ponieważ gdyby embrionowi pozwolono na dalszy rozwój, stałby się jednostką.

Innym sposobem przeprowadzenia klonowania terapeutycznego jest wykorzystanie dorosłych komórek macierzystych, znajdujących się w wielu narządach dorosłego organizmu. Mówi się, że dorosłe komórki macierzyste są multipotencjalne, ponieważ zaczęły się już specjalizować i nie są w stanie wytworzyć każdego typu komórek w organizmie. Na przykład skóra ma komórki macierzyste, które stale dzielą się i wytwarzają nowe komórki skóry, podczas gdy szpik kostny ma komórki macierzyste, które wytwarzają nowe komórki krwi. Obecnie dorosłe komórki macierzyste mają ograniczoną liczbę typów komórek, którymi mogą się stać. Jednak naukowcom udało się nakłonić dorosłe komórki macierzyste ze skóry, aby stały się bardziej podobne do embrionalnych komórek macierzystych, dodając tylko cztery geny. Naukowcy badają sposoby kontrolowania ekspresji genów w dorosłych komórkach macierzystych, aby można je było wykorzystać zamiast bardziej kontrowersyjnych embrionalnych komórek macierzystych w walce z chorobami u ludzi.

Farmacja genowa, czyli wykorzystywanie transgenicznych zwierząt gospodarskich do produkcji leków, jest przedmiotem zainteresowania wielu firm. Geny, które kodują białka terapeutyczne i diagnostyczne, są włączane do DNA zwierzęcia, a białka te pojawiają się w mleku zwierzęcia. Tą metodą możliwe jest wytwarzanie nie tylko leków, ale także szczepionek.

W 5% przypadków zespołu Downa przyczyną jest translokacja, która wystąpiła w poprzednim pokoleniu między chromosomami 21 i 14. Dopóki oba chromosomy są dziedziczone razem, osobnik jest normalny. Ale w przyszłych pokoleniach osoba może odziedziczyć dwie normalne kopie chromosomu 21 i nieprawidłowy chromosom 14, który zawiera segment chromosomu 21. W takich przypadkach zespół Downa nie jest związany z wiekiem rodziców, ale raczej występuje w rodzinie albo ojciec lub matka.

Amniopunkcja to zabieg polegający na pobraniu próbki płynu owodniowego z macicy kobiety ciężarnej. Długa igła jest wprowadzana przez ściany jamy brzusznej i macicy w celu pobrania niewielkiej ilości płynu, który zawiera również komórki płodowe (ryc. 13.8a). Testy są wykonywane na płynie owodniowym, a komórki są hodowane do kariotypowania. Kariotypowanie chromosomów może być opóźnione nawet o 4 tygodnie, aby można było hodować komórki w celu zwiększenia ich liczby.

Przy ustalaniu, czy zabieg należy wykonać, brane są pod uwagę badania krwi i wiek matki. Istnieje niewielkie ryzyko poronienia samoistnego (około 0,6%) z powodu amniopunkcji, przy czym największe ryzyko występuje w pierwszych 15 tygodniach ciąży.
Pobieranie próbek kosmówki (CVS) to procedura uzyskiwania komórek kosmków kosmówki w regionie, w którym rozwija się łożysko. Zabieg ten można wykonać już w piątym tygodniu ciąży. Długa, cienka rurka ssąca jest wprowadzana przez pochwę do macicy (ryc. 13.8b). Ultradźwięki, które dają obraz zawartości macicy, służą do umieszczenia rurki między wyściółką macicy a kosmkami kosmówki. Następnie przez odsysanie pobiera się próbkę kosmków kosmówki. Komórki nie muszą być hodowane, a kariotypowanie można wykonać natychmiast. Ale badanie płynu owodniowego nie jest możliwe, ponieważ płyn owodniowy nie jest pobierany. Ponadto CVS niesie ze sobą większe ryzyko poronienia samoistnego niż amniopunkcja – 0,7% w porównaniu z 0,6%. Zaletą CVS jest uzyskanie wyników kariotypowania we wcześniejszym terminie.


Rodzina

Imię właściciela: TECHNICON RESEARCH & DEVELOPMENT FOUNDATION LTD.

Tekst w dowolnym formacie: CESJA CENTRUJĄCYCH CESJONÓW:ASSARAF, YEHUDA G.BACHRACH, URIELREEL/FRAME:007404/0315

Data wejścia w życie: 19950122

Imię właściciela: TECHNION RESEARCH & DEVELOPMENT FOUNDATION LTD., I

Tekst w dowolnym formacie: ZAPIS W CELU POPRAWNEGO IMIĘ I NAZWISKO CESJONARIUSZA WCZEŚNIEJ ZAPISANE NA BĘBNIE 7404 RAMA 315. ZLECENIODAWCY:ASSARAF, YEHUDA G.BACHRACH, URIELREEL/RAMA:007643/0743

Data wejścia w życie: 19950122

Data wejścia w życie: 19991003

Tekst w dowolnym formacie: WYGAŚNIĘCIE PATENTU Z POWODU NIEPŁATNOŚCI OPŁAT SERWISOWYCH NA PODSTAWIE 37 CFR 1.362



Uwagi:

  1. Naramar

    Gratuluję, twój pomysł jest wspaniały

  2. Abd Al Rashid

    Wierzę, że się myliłeś. Jestem pewien. Jestem w stanie to udowodnić.

  3. Akilrajas

    To nie zdarza dokładnie

  4. Kalil

    Filozoficznie ...

  5. Gukasa

    Przyzwalasz na błąd. Napisz do mnie na PW.

  6. Norvel

    Trafiłeś na miejsce. Jest w tym coś i to dobry pomysł. Popieram Cię.

  7. Faetaur

    Jesteś zabawny.



Napisać wiadomość