Apoptozis, Yunanca “ağaçtan yaprakların düşmesi” anlamına gelen bir terim olup, organizmanın kendi otonom mekanizmasıyla düzenlenen, yaşlanmış, hasarlı veya istenmeyen hücrelerin enerji kullanılarak iz bırakmadan öldürüldüğü programlı hücre ölümü sürecidir. İlk kez 1964 yılında “programlı hücre ölümü” olarak tanımlanmış, 1972 yılında Kerr ve arkadaşları tarafından “apoptozis” terimi literatüre kazandırılmıştır. Kerr, bu süreçte hücrelerin çekirdeklerinde yoğunlaşmış kromatin parçaları gözlemlemiş ve organellerin korunduğunu fark ederek bunu “büzüşme nekrozu” olarak adlandırmıştır. Apoptozis, çok hücreli organizmalarda normal gelişim ve doku homeostazının sürdürülmesinde kritik bir rol oynar. Nekrozun aksine, apoptozis kontrollü, inflamasyon oluşturmayan bir süreçtir ve genellikle tek tek hücreleri etkiler.
Apoptozisin Morfolojik Özellikleri
Apoptozis, belirgin morfolojik değişikliklerle karakterizedir. Erken evrede hücreler büzülür, komşu hücrelerle bağlantılarını kaybeder ve hacimlerinin yaklaşık üçte birini yitirir. Plazma membranında tomurcuklanmalar (zeiozis) ve kabarcıklar oluşur. Kromatin yoğunlaşır, nükleus at nalı şeklinde bir yapıya bürünür ve DNA internükleozomal bölgelerden parçalanarak “ladder pattern” adı verilen merdiven görünümüne yol açar. Normalde 7 DNA kırılması onarılırken, apoptoziste yaklaşık 300.000 kırılma meydana gelir ve bu onarılamaz. Hücre iskeleti bozulur, fosfatidilserin hücre membranının iç tabakasından dış tabakaya transloke olur, bu da makrofajlar tarafından tanınmayı ve fagositozu tetikler. Apoptotik cisimcikler, sitokin salgılanmadan ve inflamasyon oluşturmadan, makrofajlar veya komşu hücreler tarafından hızla temizlenir. Süreç genellikle 30-60 dakikada tamamlanır.
Kurbağa, Caenorhabditis elegans ve insanlarda apoptozis (Kaynak)
Apoptozisin Görüldüğü Hücre Çeşitleri
Apoptotik hücre ölümü, organizmanın çeşitli dokularında sürekli gerçekleşir ve doku homeostazını sağlar. Günde yaklaşık 1x10¹¹ hücrenin apoptozisle yok olduğu tahmin edilmektedir; bu, yetişkin bir insanın vücut ağırlığının 18-24 ayda bir yenilenmesine eşdeğerdir. Örnek dokular şunlardır:
- İnce Bağırsaklar: Kripta tabanlarında oluşan hücreler, 3-4 gün içinde uçlara göç eder ve apoptozisle barsak boşluğuna dökülür.
- Deri: Keratinositler, bazal tabakadan stratum korneuma göç ederken farklılaşır ve apoptozisle ölerek koruyucu ölü tabakayı oluşturur.
- Timus: T lenfositlerin etkisiz veya oto-reaktif olanları apoptozisle elimine edilir.
- Uterus: Menstruasyon sırasında endometrium hücreleri apoptozisle dökülür.
- Beyin: Sinaps oluşumu sırasında bazı nöronlar apoptozisle uzaklaştırılır.
- Apoptozis, gelişim sürecinde de önemlidir. Örneğin, Caenorhabditis elegans’ta 1090 hücreden 131’i apoptozisle azalır, kurbağaların metamorfozunda kuyruk hücreleri apoptozisle kaybolur ve insan embriyosunda parmak arası perdeler apoptozisle ortadan kalkar.
Apoptozisin Mekanizmaları
Apoptozis, genetik olarak düzenlenen bir süreçtir ve üç ana bileşenle kontrol edilir: Bcl-2 ailesi proteinleri, kaspazlar ve Apaf-1 proteini. Apoptozis, iç (intrinsik) ve dış (ekstrinsik) yolaklarla indüklenir:
- İntrinsik Yolak: Mitokondri merkezlidir. Hücresel stres (radyasyon, oksidatif stres, büyüme faktörü eksikliği) pro-apoptotik proteinler (Bax, Bad) tarafından algılanır. Bax, mitokondri zarında porlar oluşturarak sitokrom c ve Apoptozis İndükleyici Faktör (AIF) gibi moleküllerin sitozole salınımına neden olur. Sitokrom c, Apaf-1 ve prokaspaz-9 ile “apoptozom” kompleksini oluşturur, bu da kaspaz-9’un aktivasyonunu ve kaspaz kaskadını başlatır. Anti-apoptotik proteinler (Bcl-2, Bcl-xL) bu por oluşumunu engeller.
- Ekstrinsik Yolak: Hücre yüzeyindeki ölüm reseptörleri (Fas/CD95, TNFR-1) ligandlarıyla (FasL, TNF) etkileşime girer. Bu, FADD veya TRADD proteinlerini aktive eder, prokaspaz-8’in kaspaz-8’e dönüşmesini sağlar ve kaspaz kaskadını başlatır.
Kaspazlar (sistein aspartat proteazlar), apoptozun efektör molekülleridir. Prokaspazlar aktif kaspazlara dönüşerek hücre iskeleti proteinlerini (laminler, aktin), DNA tamir enzimlerini (PARP, DNA topoizomeraz II) ve CAD’ı (kaspaz-aktive DNaz) aktive eder. CAD, DNA’nın nükleozomal birimlere parçalanmasını sağlar. AIF ve endonükleaz G gibi kaspaz dışı proteinler de nükleusa giderek DNA fragmentasyonuna katkıda bulunur.
Apoptozis ve Hücre Döngüsü
Apoptozis, hücre döngüsüyle sıkı bir ilişki içindedir. Hücre döngüsü, interfaz (G1, S, G2) ve mitoz (M) fazlarından oluşur. Siklinler ve siklin bağımlı kinazlar (CDK’lar), döngünün ilerlemesini düzenler. Örneğin, Siklin D-CDK4 kompleksi retinoblastoma proteinini (RB) fosforiler, E2F’yi serbest bırakarak S fazına geçişi sağlar. Apoptozis, DNA hasarı gibi döngü anomalilerinde devreye girer. G1/S ve G2/M kontrol noktalarında DNA hasarı tespit edilirse, p53 gibi tümör supresör genler apoptozisi tetikler. p53, p21 gibi inhibitörleri indükleyerek döngüyü durdurur veya apoptozisi başlatır. Ubikitin-proteazom yolağı, siklinlerin degradasyonunu sağlayarak döngü düzenlemesine katkıda bulunur.
Apoptozis ve Nekroz Arasındaki Farklar
- Apoptozis: Programlı, enerji bağımlı, inflamasyonsuz bir süreçtir. Hücre büzülür, kromatin yoğunlaşır, DNA parçalanır, membran sağlam kalır ve apoptotik cisimcikler fagosite edilir.
- Nekroz: Kontrolsüz, travmatik bir ölüm şeklidir. Hücre şişer, membran lizise uğrar, kromatin normal kalır ve inflamasyon tetiklenir.
Apoptozisin Saptanması
Apoptozis, morfolojik ve moleküler yöntemlerle tespit edilir:
- Morfolojik Yöntemler: Işık, floresan, elektron ve faz kontrast mikroskobu ile hücre büzülmesi, kromatin yoğunlaşması ve apoptotik cisimcikler gözlenir.
- İmmunohistokimyasal Yöntemler: Annexin V (fosfatidilserin tespiti), TUNEL (DNA kırıkları), M30 (keratin 18 parçalanması), kaspaz-3 antikorları kullanılır.
- Biyokimyasal Yöntemler: Agaroz jel elektroforezi (DNA ladder pattern), Western Blotting, Flow Sitometri.
- İmmunolojik Yöntemler: ELISA, fluorimetrik yöntemler.
- Moleküler Biyoloji Yöntemleri: DNA mikroarray’ler.
Apoptozis ve Hastalıklar
Apoptozis, fizyolojik (hücre yenilenmesi) ve patolojik süreçlerde rol oynar. Dengenin bozulması çeşitli hastalıklara yol açar:
- Kanser: Azalmış apoptozis ve artmış proliferasyon karsinogenezise katkıda bulunur. Kemoterapi, apoptozisi indükleyerek tümör hücrelerini yok eder, ancak apoptoz direnci tedavi başarısızlığına neden olur.
- Nörodejeneratif Hastalıklar: Alzheimer gibi hastalıklarda artmış apoptozis nöron kaybına yol açar.
- Otoimmun Hastalıklar: Oto-reaktif lenfositlerin apoptozisle uzaklaştırılamaması hastalığa neden olur.
- Viral Enfeksiyonlar: Virüsler (ör. HPV, EBV) apoptozisi baskılayarak kanser riskini artırabilir.
- AIDS: Artmış apoptozis T lenfosit kaybına yol açar.
Apoptozis ve Tedavi
Apoptozis, birçok hastalığın tedavisinde hedef alınır. Kanser tedavisinde apoptozisi indüklemek (p53 aktivasyonu, ölüm reseptörleri uyarımı), nörodejeneratif hastalıklarda ise apoptozisi inhibe etmek (kaspaz inhibitörleri) amaçlanır. Örnek yaklaşımlar:
- Gen Tedavisi: p53 geninin yedeklenmesi.
- Moleküler Hedefleme: Büyüme faktörleri, çözülebilir FasL, Bcl-2 düzenleyicileri.
- Farmakolojik Moleküller: Kaspaz aktivatörleri (kanser), kaspaz inhibitörleri (iskemi, nörodejenerasyon).
- TNF reseptör antagonistleri romatoid artrit ve Crohn hastalığında onaylanmıştır. Nitrik oksit (NO), doza ve hücre tipine bağlı olarak apoptozisi indükleyebilir veya inhibe edebilir.
Apoptozis, organizmanın gelişiminde, homeostazında ve patolojik süreçlerinde kritik bir rol oynar. Moleküler mekanizmalarının aydınlatılması, kanser, nörodejeneratif hastalıklar, otoimmun bozukluklar ve enfeksiyon hastalıkları gibi alanlarda yeni tedavi yaklaşımlarını mümkün kılmaktadır. Apoptozis araştırmaları, rejeneratif tıp ve biyomühendislikte de önemli bir potansiyel taşımaktadır.
