piroptoz - Pyroptosis
Piroptoz , hücre içi patojenlerle enfeksiyon üzerine en sık meydana gelen ve antimikrobiyal yanıtın bir parçasını oluşturması muhtemel , litik programlanmış hücre ölümünün oldukça enflamatuar bir şeklidir . Bu süreç, hücre içi replikasyon nişlerini ortadan kaldırarak ve konağın savunma tepkilerini güçlendirerek çeşitli bakteriyel, viral, mantar ve protozoan enfeksiyonlarının hızlı temizlenmesini destekler. Piroptoz, bağışıklık hücrelerinde gerçekleşebilir ve ayrıca keratinositlerde ve bazı epitel hücrelerinde meydana geldiği bildirilmektedir .
İşlem, hücre içi tehlike sinyalleri üzerine inflamatuar (bir piroptozom olarak da bilinir) olarak adlandırılan büyük bir supramoleküler kompleksin oluşumuyla başlatılır . İnflamasom , apoptoza kıyasla farklı bir kaspaz setini aktive eder , örneğin insanlarda kaspaz-1/4/5 ve farelerde kaspaz-11. Bu kaspazlar, birkaç proinflamatuar sitokin ve gözenek oluşturucu protein gasderminlerinin olgunlaşmasına ve aktivasyonuna katkıda bulunur . Gözeneklerin oluşması, hücre zarının yırtılmasına ve sitokinlerin yanı sıra HMGB-1, ATP ve DNA gibi çeşitli hasara bağlı moleküler patern (DAMP) moleküllerinin hücre dışına çıkmasına neden olur. Bu moleküller daha fazla bağışıklık hücresi toplar ve dokudaki inflamatuar kaskadını daha da sürdürür.
Ancak patojenik kronik hastalıklarda inflamatuar yanıt birincil uyarıyı ortadan kaldırmaz. Sonunda doku hasarına katkıda bulunan kronik bir iltihaplanma şekli ortaya çıkar. Piroptoz, kanser , nörodejenerasyon ve kardiyovasküler sistem hastalıkları dahil olmak üzere hastalıklarla ilişkilidir . Bazı piroptoz örnekleri arasında Salmonella ile enfekte olmuş makrofajlar ve abortif olarak HIV ile enfekte olmuş T yardımcı hücreleri bulunur .
keşif
Bu tür doğası gereği pro-inflamatuar programlanmış hücre ölümü, 2001 yılında Washington Üniversitesi'nde mikrobiyoloji ve laboratuvar tıbbı doçenti olan Dr. Brad T. Cookson tarafından piroptoz olarak adlandırılmıştır . Yunanca pyro ateş, pitoz ise düşme anlamına gelir. Bileşik pyroptosis terimi ölen hücre pro-inflamatuar kimyasal sinyallerin patlama tarif etmektedir, "ateşli düşen" olarak anlaşılabilir. Piroptoz, diğer hücre ölümü biçimlerine kıyasla farklı bir morfolojiye ve mekanizmaya sahiptir . Mikrobiyal enfeksiyonun bu yol için ana evrimsel baskı olduğu öne sürülmüştür. 2013 yılında, kaspaz-11'e bağlı kanonik olmayan yol keşfedildi, bu da lipopolisakkaritlerin (LPS) piroptozu ve müteakip inflamatuar yanıtları ücretli benzeri reseptör 4'ten (TLR4) bağımsız olarak tetikleyebileceğini düşündürdü . 2015 yılında gasdermin D (GSDMD), hücre zarını geçirgen hale getiren piroptoz efektörü olarak tanımlandı . 2021'de GSDMD gözeneğinin yüksek çözünürlüklü yapısı kriyo-elektron mikroskobu (kriyo-EM) ile çözüldü.
morfolojik özellikler
Programlanmış hücre ölümünün bir biçimi olarak piroptoz, apoptoza kıyasla birçok morfolojik farklılığa sahiptir . Hem piroptoz hem de apoptoz, kromatin yoğunlaşmasına maruz kalır , ancak apoptoz sırasında çekirdek birden fazla kromatin gövdesine ayrılır; piroptozda çekirdek bozulmadan kalır. Piroptoz geçiren bir hücrede, plazma zarında gasdermin gözenekleri oluşur ve bu da su akışına ve hücre lizisine neden olur.
Mekanizma açısından, piroptoz, insanlarda kaspaz-1/4/5 ve farelerde kaspaz-11 dahil olmak üzere inflamatuar kaspazlar tarafından aktive edilir. Kaspaz-6/7/8/9 dahil olmak üzere proapoptotik kaspazlar piroptoz için gerekli değildir. Kaspaz-3 aktivasyonu hem apoptozda hem de piroptozda gerçekleşebilir.
Pyroptosis ve her iki halde necroptosis membran gözenek oluşumu tetiklenir, pyroptosis daha kontrol edilir. Pyroptosis sergi zar maruz hücreler kabarcıklaşması ve pyroptotic organları olarak bilinen çıkıntıların bir işlem necroptosis bulunamadı. Ayrıca nekroptoz, kaspazdan bağımsız bir şekilde çalışır. Apoptotik yollar bloke edildiğinde hem piroptoz hem de nekroptozun patojenlere karşı savunma sistemleri olarak hareket edebileceği öne sürülmektedir.
| özellikleri | apoptoz | piroptoz | nekroptoz | |
|---|---|---|---|---|
| morfoloji | hücre parçalanması | HAYIR | EVET | EVET |
| hücre şişmesi | HAYIR | EVET | EVET | |
| gözenek oluşumu | HAYIR | EVET | EVET | |
| Membran kabarması | EVET | EVET | HAYIR | |
| DNA parçalanması | EVET | EVET | EVET | |
| çekirdek bozulmamış | HAYIR | EVET | HAYIR | |
| mekanizma | Kaspaz-1 aktivasyonu | HAYIR | EVET | HAYIR |
| Kaspaz-3 aktivasyonu | EVET | EVET | HAYIR | |
| GSDMD aktivasyonu | HAYIR | EVET | HAYIR | |
| Sonuç | Enflamasyon | HAYIR | EVET | EVET |
| Programlanmış hücre ölümü | EVET | EVET | HAYIR |
mekanizma
Doğal bağışıklık sistemi, model tanıma reseptörleri (PRR'ler) kodlanmış mikrop hattı kullanarak, patojenle ilişkili moleküler örnekleri (PAMP) ve mikrop enfeksiyonu üzerine hasar ile ilişkili molekül örnekleri (DAMPS), geniş bir yelpazede tanıyabilir. PRR'lerin klasik örnekleri, geçiş ücreti benzeri reseptörleri (TLR'ler) ve NOD benzeri reseptörleri (NLR'ler) içerir. PAMP'lerin ve DAMP'lerin tanınması , daha sonra piroptozu başlatmak için kaspazları aktive eden multi-protein kompleksi inflamatuarlarının oluşumunu tetikler . İnflamasom yolu, birincisi kaspaz-1-aktive edici inflamatuarları ve ikincisi diğer kaspazları kullanarak kanonik veya kanonik olmayabilir.
Kanonik inflamatuar yol
Kanonik iltihaplanma yolunda, PAMP'ler ve DAMP'ler, belirli endojen PRR'ler tarafından tanınır. Örneğin, NLR proteinleri NLRC4 , flagellin ve tip III salgılama sistemi bileşenlerini tanıyabilir . NLRP3 , farklı PAMP'ler ve DAMP'ler uyaranları tarafından indüklenen hücresel olaylar tarafından aktive edilir. Gibi bazı olmayan NLR proteinleri melanom 2'de mevcut olmayan ve (AIM2) ve pirin da aktive edilir ve bir şekilde inflammasomes edilebilir. Ayrıca TLR'ler, NOD1 ve NOD2 gibi inflamatuar olmayan PRR'ler de piroptozda önemli roller oynar. Bu reseptörler, IFN a/β, tümör nekroz faktörü (TNF) , IL-6 ve IL-12 gibi enflamatuar sitokinlerin ekspresyonunu NF-KB ve MAPK sinyal yolları aracılığıyla yukarı regüle eder . Ek olarak, pro-IL-1β ve pro-IL-18, sistein aracılı kaspaz-1 tarafından işlenmek üzere salınır.
Kanonik inflamasyonlar çoğunlukla üç bileşen içerir: bir sensör proteini (PRR'ler), bir adaptör ( ASC ) ve bir efektör ( kaspaz-1 ). Genel olarak, iltihap oluşturan NLR proteinleri benzer bir yapıyı, birkaç lösin bakımından zengin tekrar (LRR) alanını, bir merkezi nükleotid bağlama ve oligomerizasyon alanını (NBD) ve bir N-terminal pirin alanını (PYD) paylaşır. Örneğin NLRP3, PYD-PYD etkileşimi yoluyla ASC adaptör proteinini alır. Hem pro-kaspaz-1 hem de ASC, bir kaspaz aktivasyonu ve işe alım alanı (CARD) içerir ve bu homotipik CARD-CARD etkileşimi, aktif kaspaz-1 oluşturmak için prokaspaz-1'in otokatalitik bölünmesini ve yeniden birleştirilmesini sağlar. Alternatif olarak, NLRC4, bir pirin alanı yerine bir CARD alanına sahip olduğu için doğrudan pro-kaspaz-1'i alabilir.
Aktifleştirilmiş kaspaz-1, pro-IL-1β ve pro-IL-18'in bölünmesinden sorumludur. Bu sitokinler işlendikten sonra biyolojik olarak aktif formlarında konakçı hücrelerden salınmaya hazır olacaktır. Ek olarak, kaspaz-1 ayrıca sitozolik gasdermin D'yi (GSDMD) parçalar . GSDMD, bir N-terminal alanı (GSDMD-N) ve bir C-terminal alanı (GSDMD-C) üretmek için bölünebilir. GSDMD-N, iç çapı 10-14 nm olan transmembran gözenekleri oligomerize edebilir ve oluşturabilir. Gözenekler, IL-1β ve IL-18'in ve çeşitli sitozolik içeriğin hücre dışı boşluğa salgılanmasına izin verir ve ayrıca hücresel iyonik gradyanı bozar. Ozmotik basınçta ortaya çıkan artış, hücre şişmesi ve patlamasının ardından bir su akışına neden olur. Özellikle, GSDMD-N, normal koşullarda hücre lizizini önlemek için bölünmeden önce GSDMD C-terminal alanı tarafından otomatik olarak inhibe edilir. Ayrıca, GSDMD-N, komşu hücrelere verdiği zararı sınırlayan spesifik lipit bileşimleri ile kendini yalnızca iç zara yerleştirebilir.
Kanonik olmayan inflamatuar yol
Kanonik olmayan iltihaplanma yolu, gram-negatif bakterilerin lipopolisakaritinin (LPS) insanlarda doğrudan kaspaz-4/5'e ve murinlerde kaspaz-11'e bağlanmasıyla başlatılır . LPS'nin bu kaspazlara bağlanması, onların oligomerizasyonunu ve aktivasyonunu teşvik eder . Bu kaspazlar, GSDMD-N'yi serbest bırakmak ve piroptozu tetiklemek için GSDMD'yi parçalayabilir. Ek olarak, membran geçirgenliği üzerine potasyum iyonlarının akışı, NLRP3'ün aktivasyonunu tetikler, bu da daha sonra NLRP3 inflamatuar oluşumuna ve kaspaz-1'in aktivasyonuna yol açar. Bu süreçler, GSDMD'nin bölünmesini kolaylaştırır ve proinflamatuar sitokinlerin olgunlaşmasını ve salınmasını teşvik eder.
Kaspaz-3'e bağlı piroptotik yol
Apoptoz ve piroptozu birbirine bağlayan alternatif bir yol yakın zamanda önerilmiştir. Apoptozda bir uygulayıcı kaspaz olan kaspaz-3, GSDMD bölünmesine benzer bir şekilde bir N-terminal fragmanı ve bir C-terminal fragmanı üretmek için gasdermin E'yi (GSDME) bölebilir. Apoptotik hücreler makrofajlar tarafından temizlenmediğinde, GSDME ekspresyonu daha sonra p53 tarafından düzenlenir. GSDME daha sonra hücre zarı üzerinde gözenekler oluşturmak için kaspaz-3 tarafından aktive edilir. Ayrıca GSDME'nin, kaspaz-3'ü daha da aktive eden ve GSDME bölünmesini hızlandıran sitokrom c'yi serbest bırakmak için mitokondriyal zarları geçirgenleştirebildiği de bulunmuştur . Bu pozitif geri besleme döngüsü, programlanmış hücre ölümünün ileriye taşınmasını sağlar.
Klinik anlamı
Piroptoz, patolojik inflamasyonu indükleyerek enfeksiyona karşı bir savunma mekanizması görevi görür. İnflamasomların oluşumu ve kaspaz-1'in aktivitesi, patojen çözünürlüğü ve hastalık arasındaki dengeyi belirler.
Sağlıklı bir hücrede, kaspaz-1 aktivasyonu, patojen büyümesini kısıtlamak için hücre ölümünü getirerek Salmonella ve Shigella'nın neden olduğu enfeksiyonla savaşmaya yardımcı olur . "Tehlike" sinyali algılandığında, hareketsiz hücreler piroptoza girmek ve iltihabik sitokinler IL-1β ve IL-18'i üretmek için aktive edilecektir. IL-18, IFN-y üretimini uyarmak ve T gelişimini başlatır olacaktır H 1 yanıtlar. (T H 1 cevapları patojenin ortadan kaldırmaktır doğrudan sitokinleri bırakma eğilimindedir.) Hücre aktivasyonu enflamasyon sonuçlarını artıracak sitokin seviyelerinde bir artış ile sonuçlanır ve bu da, katkıda bulunur uyarlanabilir gelişmesine enfeksiyon ilerledikçe yanıt. Nihai çözünürlük patojenleri temizleyecektir.
Buna karşılık, kalıcı iltihaplanma, zararlı olan aşırı bağışıklık hücreleri üretecektir. Amplifikasyon döngüleri devam ederse, metabolik bozukluk , otoinflamatuar hastalıklar ve kronik inflamasyonla ilişkili karaciğer hasarı meydana gelecektir.
Kanser
Enflamasyonla ilişkili programlanmış hücre ölümü olan piroptoz, çeşitli kanser türlerinde geniş etkilere sahiptir. Prensip olarak piroptoz, kanser hücrelerini öldürebilir ve endojen DAMP'lerin varlığında tümör gelişimini engelleyebilir. Bazı durumlarda GSDMD, kanserler için prognostik bir belirteç olarak kullanılabilir. Bununla birlikte, inflamatuar cisimlerin uzun süreli üretimi, tümör büyümesini destekleyen mikro çevrelerin oluşumunu kolaylaştırabilir. Piroptoz mekanizmalarını anlamak ve piroptozla ilişkili molekülleri tanımlamak, farklı kanserlerin tedavisinde faydalı olabilir.
Olarak mide kanseri hücrelerinin, GSDMD varlığı önleyebilen A2 siklin / CDK2 yol kompleksleri hücre döngüsü tutuklama ve böylece inhibe tümör gelişimi. Ayrıca mide kanseri hücreleri belirli kemoterapi ilaçları ile tedavi edildiğinde GSDME'nin hücresel konsantrasyonu artar. GSDME daha sonra kaspaz-3'ü aktive eder ve piroptotik hücre ölümünü tetikler.
Servikal kanser neden olabilir insan papilloma virüsü (HPV) enfeksiyonu. AIM2 proteini, sitoplazmada viral DNA'yı tanıyabilir ve daha sonra kaspaz-1'e bağlı bir kanonik piroptoz yolu ile tetiklenen AIM2 inflamatuarını oluşturabilir. HPV enfeksiyonu , AIM2, RelB için transkripsiyon faktörünü bozan sirtuin 1 proteininin yukarı regülasyonuna neden olur . Sirtuin 1'in yıkılması, AIM2 ifadesini yukarı regüle eder ve piroptozu tetikler.
Metabolik bozukluk
NLRP3 inflamatuar ve kaspaz-1'in ekspresyon seviyesi, obezite ve tip II diyabetes mellitus (T2DM) gibi çeşitli metabolik sendromların şiddeti ile doğrudan ilişkilidir . Bunun nedeni, insülin salgılanmasını bozan sitokinler olan IL-1β ve IL-18'in sonraki üretim seviyesinin kaspaz-1 aktivitesinden etkilenmesidir. Glikoz alım seviyesi daha sonra azalır ve durum insülin direnci olarak bilinir . Durum, pankreas β hücrelerinin IL-1β ile indüklenen yıkımı ile daha da hızlandırılır .
Kriyopirinopatiler
Enflamasomların gen kodlamasındaki bir mutasyon, kriyopirinopatiler adı verilen bir grup otoinflamatuar hastalığa yol açar. Bu grup , tümü ani ateş ve lokalize inflamasyon semptomları gösteren Muckle-Wells sendromu , soğuk otoinflamatuar sendromu ve kronik infantil nörolojik kutanöz ve artiküler sendromu içerir. Bu gibi durumlarda mutasyona uğramış gen, NLRP3'tür ve iltihaplanmanın aktivasyonunu engeller ve aşırı bir IL-1β üretimine neden olur. Bu etki "işlev kazancı" olarak bilinir.
HIV ve AIDS
Son çalışmalar, kaspaz-1 aracılı piroptozun , HIV hastalığının AIDS'e ilerlemesini sağlayan iki önemli olay olan HIV tarafından CD4 T-hücresi tükenmesini ve iltihaplanmasını tetiklediğini göstermektedir . Piroptoz, hücre içi replikasyon nişlerini ortadan kaldırarak ve proinflamatuar sitokinlerin ve endojen tehlike sinyallerinin salınması yoluyla savunma yanıtlarını güçlendirerek, HIV-1 tarafından ortaya çıkarılan gibi patojenik inflamasyonda, konağın enfeksiyonu hızla sınırlama ve temizleme yeteneğine katkıda bulunsa da, bu yararlı yanıt, birincil uyarıcıyı ortadan kaldırmaz. Aslında, ölmekte olan CD4 T hücrelerinin, ölmek ve kronik iltihaplanma ve doku hasarı üretmek için enfekte lenfoid dokulara daha fazla hücre çeken enflamatuar sinyaller saldığı patojenik bir kısır döngü yaratıyor gibi görünüyor. Bu patojenik döngüyü güvenli ve etkili kaspaz-1 inhibitörleri ile kırmak mümkün olabilir. Bu ajanlar, tedavinin virüs yerine konağı hedef aldığı HIV ile enfekte kişiler için yeni ve heyecan verici bir 'anti-AIDS' tedavisi oluşturabilir. Not olarak, Caspase-1 eksikliği olan fareler normal olarak gelişir ve bu proteinin inhibisyonunun HIV hastalarında zararlı terapötik etkilerden ziyade faydalı sonuçlar üreteceğini savunur. Son zamanlarda, piroptoz ve aşağı akış yolları, ciddi koronavirüs hastalığı 2019 ile ilişkili hastalıkların tedavisi için umut verici hedefler olarak tanımlandı.