Regulovaná buněčná smrt III. – Další formy regulované buněčné smrti

Závěrečný článek série o regulované buněčné smrti je věnován jejím ostatním formám, jimiž buňka disponuje vedle apoptózy. Závěrem si povíme také něco o buněčném stárnutí (senescenci) i stárnutí organismu.

V minulém článku této série byla popsána nejlépe prozkoumaná forma regulované buněčné smrti, apoptóza. Vedle ní se však mohou uplatňovat i jiné formy buněčné smrti, zejména ve speciálních případech, kdy je apoptóza inhibována. K takovéto inhibici může docházet třeba vlivem nádorových mutací či virových infekcí. Buňka proto může použít záložní dráhy, aby se zlikvidovala, a tím přestala pro mnohobuněčný organismus představovat hrozbu. Zároveň tak může podporovat imunitní odpověď a opravné mechanismy organismu.

Regulovaná nekróza

Jak již bylo uvedeno v prvním článku této série, původně byly rozlišovány dvě hlavní formy buněčné smrti, jednak spontánní, neregulovaná nekróza, jednak přísně regulovaná apoptóza. Zatímco při apoptóze se buňka rozpadá na membránové váčky, jež jsou pohlceny fagocytujícími buňkami, během nekrózy se do mezibuněčného prostředí vylévá buněčný obsah. Jakékoli uvolnění buněčného obsahu značí pro organismus nebezpečí, například vážnou infekci, a proto jsou okamžitě aktivovány složky imunitního systému. Další výzkum ovšem ukázal, že také nekróza může být regulována, právě s cílem vyvolat imunitní reakci v místě ohrožení organismu. Takováto regulovaná nekróza se poté začala označovat jako nekroptóza (jak je zřejmé, jedná se o kombinaci slov nekróza a apoptóza).

Nekroptóza byla objevena při experimentech, kdy byly v laboratorně kultivovaných buňkách aktivovány receptory smrti za současné inhibice kaspáz. Nemohla tak proběhnout standardní apoptóza (viz minulý článek). Buňky však přesto umíraly při procesu, který nápadně připomínal nekrózu: nejprve poněkud zvětšily svůj objem, poté jejich cytoplazmatická membrána postupně ztratila integritu a buněčný obsah se uvolnil do okolí. Zjevně se tedy jednalo o pojistku pro případ, kdy je standardní apoptotická dráha vyřazena.

Od té doby byl proces, který byl nazván nekroptóza, popsán o něco lépe, i když stále zůstávají určité nejasnosti. Po podráždění některých receptorů smrti za současné inhibice kaspáz se vytváří proteinový komplex zvaný nekrozóm. Ten je tvořen proteinkinázami RIPK1 a RIPK3 a proteinem MLKL. Terminologie buněčné smrti je poněkud morbidní – hemží se to tu předponami typu „nekro-„ popřípadě názvy jako „receptor smrti“ (death receptor), „výkonná doména smrti“ (death effector domain), „smrticí signální komplex“ (death inducing signalling complex, DISC) a také RIP(K). RIP je anglická zkratka, která je často uváděna na hrobech („rest in peace“, tj. „odpočívej v pokoji“). Zde to ovšem znamená „receptor interacting protein kinase“. Jakmile se utvoří nekrozóm, může se buňka začít rozpadat.

Nekroptóza byla postupně nalezena i v živých organismech, nejenom v buněčných kulturách. Bývá považována za jeden z mechanismů, jímž se organismus brání nádorovému bujení. Pokud je buňka natolik mutována, že potlačuje standardní apoptotické dráhy, může být stále odstraněna pomocí regulované nekrózy. Zároveň je tím vybuzena imunitní reakce uvnitř nádoru. Obdobně to funguje i při některých infekcích, zvláště pokud se jedná o vnitrobuněčné parazity. Některé viry, jakož i baktérie, produkují proteiny, které inhibují apoptózu. Vyvoláním nekroptózy je tedy napadená buňka jednak odstraněna, a navíc to podpoří imunitní reakci. Tento proces je ještě zesilován aktivací receptorů na buněčném povrchu zvaných TLR (Toll like receptors, neboť patří do rodiny receptoru Toll, popsaného u octomilek, jehož tvar objevitelům připomínal zvonek). Ty jsou schopny vázat různé látky vyskytující se u patogenů, například povrchové glykoproteiny u baktérií či volnou jedno- i dvojřetězcovou RNA, jež se často vyskytuje u virů. Jakmile něco takového navážou, spustí vnitrobuněčnou signalizaci, která může mimo jiné i podporovat tvorbu nekrozómu.

Pyroptóza a ferroptóza

Dalšími, doposud o něco méně pochopenými formami regulované smrti jsou pyroptóza a ferroptóza. Jejich názvy byly opět utvořeny z původního výrazu „apoptóza“. Pyroptóza je proces, který se značně podobá regulované nekróze a jejich projevy se nejspíš mohou překrývat (popřípadě se jedná o tentýž pochod s různými variantami průběhu). Slouží k opravdu silné aktivaci imunitního systému při některých vnitrobuněčných infekcích (třeba baktériemi rodu Shigella u makrofágů či virem HIV u pomocných T-lymfocytů). Pro jeho aktivaci jsou důležité receptory zvané NLR (NOD like receptors), jejichž funkce je podobná jako TLR, avšak reagují na produkty patogenů uvnitř buňky. Následkem jejich aktivace dojde nejenom k buněčné smrti podobné nekróze, ale také k masivní produkci cytokinů, tj. látek sloužících k regulaci imunitního systému. V tomto případě silně podporují zánětlivou reakci (řecké slovo „pyros“ znamená „oheň“ – v češtině už se příbuzenský vztah trochu stírá, ale slovo „zánět“ obsahuje stejný kořen jako třeba „vznítit se“; ostatně starším názvem se zánětu říká „zápal“).

Ferroptóza se od výše popsaných forem regulované buněčné smrti poněkud liší. Původně byla popsána u některých patologických jevů souvisejících s nadbytkem vnitrobuněčného železa (latinsky ferrum). To je sice běžnou součástí různých proteinových komplexů (například v mitochondriích), ale musí být ve správně oxidované formě. Jiné jeho druhy mohou být toxické.

Vnitrobuněčné prostředí je silně chemicky redukující, což velmi pravděpodobně souvisí s vnějším prostředím, v němž vznikly první buňky. V tehdejší atmosféře bylo minimum kyslíku a převažoval metan či amoniak. Po vzniku fotosyntézy začala koncentrace molekulárního kyslíku v atmosféře růst, což mělo toxické účinky na většinu forem života. Kyslík je totiž silné oxidační činidlo, které může zcela rozvrátit buněčnou rovnováhu vzniklou v původním anoxickém prostředí. Působením kyslíku vznikají jeho reaktivní formy (také nazývané „volné kyslíkové radikály“), které narušují oxidačně-redukční enzymatické pochody a poškozují buněčné proteiny i lipidy. Ve vyšších koncentracích kyslíku tehdejším organismům nezbylo, než se přizpůsobit, anebo vyhynout. Pouhé zbytky někdejší biologické diverzity anoxických organismů od té doby přežívají v prostředích s nízkými koncentracemi kyslíku (třeba v některých sopečných pramenech, apod.).

U evoluční linie, která dala později vznik eukaryontním organismům (mezi něž patří živočichové i rostliny) se postupně vyvinuly enzymatické mechanismy, jež dokázaly vzniklé reaktivní formy kyslíku rychle odbourávat, a v buňkách tak zachovávat redukční prostředí. Základem je udržování dostatečné koncentrace redukované formy peptidu zvaného glutathion. Ta poté „vychytává“ reaktivní formy kyslíku, sama se oxiduje, a tím chrání ostatní buněčné složky. Narušení tohoto ochranného systému může vyvolat regulovanou buněčnou smrt. Uvolňování reaktivních forem kyslíku z mitochondrií podporuje i běžnou apoptózu. U některých buněčných typů však také může způsobit jinou formu buněčné smrti – ferroptózu. Ta je spojena s výskytem oxidovaných forem lipidů a může odstraňovat některé nádorové buňky. Také se však vyskytuje u některých patologických jevů, například při neurodegenerativních chorobách (Parkinson, Alzheimer) či mozkových ischemiích (mrtvicích).

Další dva pochody nejsou tak docela regulovanou buněčnou smrtí, nicméně s ní do značné míry souvisejí.

Autofágie

Autofágie je pozoruhodný pochod, jímž buňky dokáží recyklovat svůj obsah a získávat z něj potřebné stavební látky. Název pochází z řečtiny a doslova znamená „sebepojídání“. Buňky při něm mohou odstraňovat velké poškozené organely (třeba mitochondrie) nebo v dobách hladovění postupně stravovat sebe sama.

Proces začíná utvořením membránového váčku, který postupně obklopí část buněčného obsahu. Jakmile se tento váček uzavře, vznikne tzv. autofagozóm. Ten se poté spojí s lyzozómem, buněčným žaludkem, kde jsou molekuly obsažené ve váčku rozloženy na základní stavební kameny, jež mohou být použity jinde v buňce.

Autofágie je vlastně pochodem, který buňce pomáhá přežít při nedostatku živin. Bývá aktivován například v rakovinných buňkách. Nádor při svém neřízeném růstu postrádá kvalitní cévní zásobení (sice do něj vrůstají cévy, ale jsou neuspořádané a často praskají), a jeho buňky proto často hladovějí. Autofágie jim tedy vlastně napomáhá přečkat nepříznivé podmínky. Přesto však byla pozorována také u některých forem regulované buněčné smrti, když se před rozpadem buňky začaly vytvářet autofagozómy. Je tedy možné, že se buňky někdy nejdříve samy stráví, než se následně rozloží. Některé experimenty však naznačují, že se autofágií buňky ve skutečnosti před regulovanou smrtí chrání. Pokud jsou působením činidel, jež ji vyvolávají, poškozeny, pokoušejí se nejprve o opravu. Teprve, když to nevyjde, spustí se apoptotický program.

Senescence

Dalším způsobem odstraňování poškozených buněk je senescence, neboli buněčné stárnutí (z latinského slova „senex“, které znamená „stařec“ – i v češtině známe slovo senior či senát, což je vlastně „rada starších“). Poprvé ji pozoroval americký vědec Leonard Hayflick, který kultivoval lidské plodové fibroblasty (tento typ buněk se vyskytuje v pojivových tkáních) a zjistil, že tyto buňky nejsou schopny dělit se neomezeně. Po přibližně padesáti cyklech dělení se najednou mění, zploští se, roztáhnou se do stran a jejich dělení končí. Postupně bylo zjištěno, že prakticky všechny buňky našeho těla (kromě pohlavních) v sobě mají zakódován počet cyklů (tzv. Hayflickův limit), v nichž se mohou rozdělit. Jakmile jej vyčerpají, vstupují do senescence, kdy přestávají plnit svou úlohu. Tkáně tak postupně ztrácejí schopnost regenerace, stále více se opotřebovávají a člověk stárne. Po určitou dobu tedy převládla představa, že potlačením buněčné senescence bude možné prodloužit život.

Ukázalo se však, že je to omyl. Hayflickův limit je totiž jednou z pojistek proti nádorovému bujení. Jeho podstatou je existence koncových částí chromozómů zvaných telomery (z řeckého slova „telos“, jež znamená „konec“). Buněčný aparát provádějící replikaci není schopen zajistit kopírování kompletního vlákna DNA. V každém cyklu replikace se toto vlákno o něco zkrátí. Po nějakou dobu by to nemuselo vadit, a to přesně do okamžiku, kdy toto zkracování zasáhne nějaký důležitý gen. Buňky proto vyvinuly různé strategie, jak tomu předejít. Baktérie třeba své molekuly DNA přechovávají v kruhové formě. Eukaryontní organismy naproti tomu zapojují enzym telomerázu, která na konce chromozómu přivěšuje další sekvenci. Během replikace je tedy zkracována tato sekvence a nejsou zasahovány důležité geny.

V našich buňkách je telomeráza aktivní pouze v té linii, v níž vznikají buňky pohlavní, zajišťující pokračování rodu. V ostatních je její produkce potlačena, proto se jejich telomery zkracují až po určitou kritickou mez. Po většinu života to nevadí, neboť padesát cyklů dělení je opravdu hodně (2^50 je 1 125 899 906 842 624, což znamená něco přes trilión potencionálně vzniklých dceřiných buněk). Pokud by se ovšem stalo, že buňka přestane respektovat signály, jež omezují její dělení, po dosažení tohoto limitu už nemůže dělat nic. Její buněčný cyklus se zastaví. Ve skutečnosti ani nestačí vyprodukovat bilióny buněk, neboť existují i další pojistky bránící nekontrolovatelnému dělení, jež buňku nasměrují do apoptózy či jiné formy regulované buněčné smrti. Jestliže však selžou, je Hayflickův limit jednou z posledních možností, jak zabránit rakovině. Nádorové buňky však i přesto někdy uniknou kontrole, když spustí produkci telomerázy, popřípadě zapojí proces alternativního prodlužování telomer (jemuž brání mj. i můj oblíbený Daxx).

Senescence se ovšem netýká pouze buněk, které se příliš množily. Telomery jako takové totiž konce chromozómů chrání. Jsou obaleny proteinovými komplexy, které brání rozpoznávat volné konce chromozómů coby přetržená vlákna DNA. Jakmile se telomery zkrátí, spustí se v buňce signalizace, jako by byla najednou plná dvojřetězcových zlomů v DNA. Buňka na tento stav reaguje tím, že zastaví buněčný cyklus a pokusí se o opravu (více je to popsáno zde). Vzhledem k tomu, že se tím telomery nepodaří obnovit, buňka nakonec trvale zastaví svůj buněčný cyklus a vstoupí do senescence.

Ta ve skutečnosti představuje obecnější mechanismus, jak bránit poškozeným buňkám v množení. Rychle se dělící buňky (v pokožce, střevním epitelu či kostní dřeni) v případě poškození většinou příliš neotálejí a rovnou podstoupí nějakou formu regulované buněčné smrti (proto ozařování či chemoterapie kromě toho, že zabíjejí nádorové buňky, způsobují rovněž vypadávání vlasů, trávicí potíže a zhoršenou imunitu). Pomaleji se množící buňky různých tkání naproti tomu zastaví buněčný cyklus a pokoušejí se o opravu. Jestliže signály poškození přetrvávají, spustí to u nich senescenci. Senescentní buňky ovšem ve tkáních nezůstávají, po nějakém čase pravděpodobně podstupují apoptózu či jinou formu buněčné smrti. Do té doby jsou však celkem aktivní. Už sice neplní svou původní funkci, ale začnou produkovat různé cytokiny a další látky, jež podporují imunitní reakci a množení okolních buněk. Poškození buněk ve tkáni (což může být vlivem infekce, nebo naopak infekce vlivem poškození hrozí) tedy i skrze senescenci podporuje její opravu a návrat do původního stavu. Buněčná senescence tudíž po většinu života nemusí být oním strašákem, který nakonec zapříčiní naprosté zchátrání organismu.

To se však mění, jak organismus stárne. Ve tkáních se v pozdějším věku začnou hromadit buňky, které dosáhly Hayflickova limitu. Jelikož je jich stále více, organismus je nestačí odstraňovat. Zároveň ubývá buněk, jež se ještě množí a dokáží tkáň regenerovat. Hromadící se senescentní buňky produkují látky podporující imunitní reakci a množení okolních buněk. To způsobuje, že se v různých tkáních rozšiřuje chronický zánět. Výsledkem je, že se tkáně stále více zajizvují (prorůstají vazivem neboli fibrotizují) a signály k dělení i poškozeným buňkám umožňují přežít (protože převáží nad signály podporující regulovanou smrt) a dále se množit. Roste tedy riziko vzniku rakoviny. Jak pokračuje stárnutí organismu, tkáně stále více přestávají plnit svou funkci a pravděpodobnost rozvoje rakoviny vzrůstá.

Bez senescence by ovšem riziko vzniku rakoviny bylo ještě větší. Stárnutí je tedy daní za ochranu před rakovinou až do věku, kdy se jedinec stačí rozmnožit (respektive zajistí potomkům, aby se o sebe již dokázali postarat sami). Potom už jeho role končí a může odejít. Důležité je zachování genů, nikoli individuální život. Příroda je v tomto krutá a neúprosná, její zákonitosti je obtížné obejít.

Závěr

V tomto seriálu jsme si ukázali, že je regulovaná buněčná smrt v organismu všudypřítomná. Slouží jak k recyklaci materiálu z buněk, jež přestanou být potřeba, tak i k ochraně před různými patologickými stavy. Buňka disponuje více mechanismy, jak regulovanou smrt spustit. Hlavním módem je pravděpodobně apoptóza, která vyvolává jenom minimum dalších pochodů. Jestliže je však apoptóza potlačena, značí to pro organismus nebezpečí, a proto se aktivují záložní cesty buněčné smrti, které zároveň podpoří imunitní odpověď. Navzdory tomuto sofistikovanému kontrolnímu systému občas některé buňky uniknou a mohou organismus ohrozit. Různé formy buněčné smrti rovněž ve vyšším věku přispívají k celkovému opotřebování organismu. Je v tom až skoro filozofický paradox – to, co nás chrání a umožňuje nám fungovat, nakonec přispívá k našemu zániku.