W procesie apoptozy można wyróżnić 3 fazy: sygnalizacji, wykonawczą i eliminacji. Faza sygnalizacji polega na uruchomieniu genów indukcji śmierci komórki. Za indukcję śmierci komórki mogą odpowiadać geny sygnalizacji, replikacji, transkrypcji oraz naprawy DNA. Także zmiany poziomu fosforylacji białek z udziałem kinaz białkowych MAP są jednym z wczesnych przejawów PCD. Podczas fazy wykonawczej procesu uruchamiane są różne szlaki związane z aktywacją proteaz, fosfolipaz, fosfataz i nukleaz. Enzymy te prowadzą do degradacji struktur komórkowych. W fazie eliminacji usuwane są pozostałości obumarłej komórki. Powstają także ciała apoptotyczne, które są całkowicie przetwarzane z udziałem lizosomów komórek sąsiadujących z degradowaną komórką lub przez makrofagi. Głównymi enzymami zaangażowanymi w proces apoptozy są kaspazy. Są to specyficzne dla kwasu asparaginowego proteazy cysteinowe produkowane w postaci nieaktywnych prokaspaz. Do ich aktywacji dochodzi na drodze hydrolizy wiązania peptydowego w miejscu kwasu asparaginowego, co skutkuje uruchomieniem proteolitycznej kaskady kaspaz. Ze względu na rolę w procesie wyróżnić można kaspazy inicjatorowe lub wykonawcze. Każda kaspaza opisana jest numerem (np. kaspaza-1). Do kaspaz inicjatorowych zalicza się kaspazy 2, 8, 9 i 10, natomiast do wykonawczych kaspazy 3, 6 i 7. Kaspazy wykonawcze mogą aktywować inne proteazy, trawić docelowe białka (np. laminy jądrowe) oraz aktywować DNAzy powodując ich nieodwracalny rozpad.

Kontrolę nad procesem apoptozy sprawuje rodzina białek Bcl-2, do której zaliczyć można białka antyapoptotyczne, przeciwdziałające procesowi apoptozy (Bcl-2, Bcl-XL, Bcl-w, Mcl-1 etc.) oraz białka proapoptotyczne (Bid, Bak, Bad, Bax, Noxa etc.).

Proces apoptozy jest stymulowany przez białko p53, które poprzez zwiększanie przepuszczalności błony i uwalnianie cytochromu c z mitochondriów, jak również poprzez kontrolę ekspresji białek z rodziny Bcl-2 prowadzi do zapoczątkowania tego procesu. Do tej pory opisano 5 rodzajów szlaków, na drodze których apoptoza może być realizowana. Są to: zewnętrzny (receptorowy) szlak apoptozy, szlak wewnętrzny, pseudoreceptorowy, sfingomielinowo-ceramidowy i indukowany stresem.

Zewnętrzny szlak apoptozy przebiega z udziałem receptora śmierci, znajdującego się w błonie komórkowej. Związanie liganda z receptorem błonowym przekazuje sygnał śmierci do wnętrza komórki, a następnie aktywowana jest prokaspaza-8 lub prokaspaza-10. Aktywacja prokaspaz (wówczas nazywamy je już kaspazami) prowadzi do uruchomienia kaskady kaspaz wykonawczych, a w rezultacie do unicestwienia komórki.

Szlak wewnętrzny związany jest z mitochondriami. Do jego aktywacji może dojść poprzez wzrost stężenia reaktywnych form tlenu i powstania stresu oksydacyjnego w komórce, jak również na skutek uszkodzeń DNA, zaburzeń transportu elektronów czy też wzrostu stężenia jonów wapnia w cytoplazmie. Sygnał śmierci przekazywany jest z błonowego receptora śmierci do mitochondriom. Otwarcie pewnego rodzaju kanałów w błonie mitochondrialnej prowadzi do uwolnienia cytochromu c, który w kompleksie z czynnikiem Apaf-1, znajdującym się w cytoplazmie, oraz prokaspaza-9 tworzą apoptosom. Aktywacja apoptosomu prowadzi do uruchomienia kaskady kaspaz wykonawczych oraz śmierć komórki.

Szlak pseudoreceptorowy został zaobserwowany w cytotoksycznych limfocytach T oraz w komórkach NK. Jest on wywoływany poprzez wzrost stężenia reaktywnych form tlenu, jak również zaburzeniami potencjału błonowego mitochondriów. W szlaku tym bierze udział granzym B, który przedostał się do komórki na drodze endocytozy. Przeprowadzając w komórce szereg reakcji litycznych prowadzi do indukcji śmierci z udziałem mitochondriom. Można zatem powiedzieć, że szlak wewnętrzny i szlak pseudoreceptorowy realizowane są na podobnej drodze, a jedyną różnicą jest sposób indukcji procesu eliminującego komórkę.

Szlak sfingomielinowo-ceramidowy może zostać zaindukowany przez promieniowanie jonizujące lub np. infekcje wirusowe. Po połączeniu się liganda do receptora aktywowany zostaje enzym – sfingomielinaza – który powoduje rozkład sfingomieliny. Powstaje wówczas ceramid, który pełniąc rolę lipidowego wtórnego przekaźnika sygnału śmierci będzie prowadził do degradacji komórki.

Szlak indukowany stresem związany jest z retikulum endoplazmatycznym (ER), rybosomami i kaspazą-12. Jego indukcja zachodzi wówczas, gdy zostanie zaburzona homeostaza związana z nagromadzeniem się jonów wapnia oraz nieprawidłowych białek w ER. Dochodzi następnie do przekazania sygnału na mitochondriom i, tak jak w przypadku szlaku wewnętrznego oraz pseudoreceptorowego, aktywowania szlaku eliminacji komórki związanego właśnie z tym organellum.

Komórka apoptotyczne charakteryzuje się fragmentacją jądrowego DNA, zwiększoną zawartością jonów wapnia w cytoplazmie, kondensacją cytoplazmy i jej fragmentacją, nadaktywnością enzymów litycznych (tych z grupy kaspaz jak również proteaz, nukleaz itp.), puchnięciem komórki i w rezultacie powstawaniem ciał apoptotycznych.

Schemat przebiegu apoptozy na drodze różnych szlaków

Anna Byczkowska