آپوپتوز یا مرگ برنامه ریزی شده سلول — به زبان ساده

آپوپتوز (Apoptosis) نوعی از مرگ برنامه ریزی شده سلول یا خودکشی سلولی است. این فرایند با بافت مردگی یا «نکروز» (Necrosis) متفاوت است که در آن سلول‌‌ها به دلیل آسیب دیدگی می‌میرند. آپوپتوز فرآیندی منظم است که در آن محتویات سلول در بسته‌‌های کوچک غشایی برای جمع‌آوری زباله توسط سلول‌های سیستم ایمنی بسته‌بندی می‌شوند. فرایند مرگ برنامه ریزی شده سلول، سلول‌ها را در حین رشد از بین می‌برد، در این حالت سلول‌های سرطانی و آلوده به ویروس از بین رفته و در نتیجه تعادل در بدن حفظ می‌شود.

مرگ برنامه ریزی شده سلول چیست؟

شاید تصور شود که مردن سلول‌های بدن اتفاق خوبی نیست، در بسیاری از موارد، این تصور درست است، به عنوان مثال اگر سلول‌ها در اثر جراحت (ایجاد زخم با بریدگی یا اثر ترکیبات شیمیایی) از بین بروند، برای بدن می‌تواند زیان‌بار باشد. ولی این موضوع اهمیت دارد که گاهی برخی از سلول‌های بدن باید از بین بروند اما نه به صورت اتفاقی، بلکه این روند باید کاملا کنترل شده باشد.

فیلم آموزش زیست شناسی 2 – زیست پایه یازدهم در فرادرس

کلیک کنید

به عنوان مثال، به روند تشکیل انگشتان در دوران جنینی توجه کنید، در دوران جنینی در بین انگشتان، لایه‌ای از سلول‌ها تشکیل می‌شود که این سلول‌ها قبل از تولد از بین می‌روند. سلول‌های بین انگشتان جنینی در طی یک فرایند کنترل شده سلولی به نام مرگ برنامه ‌ریزی شده سلول یا آپوپتوز می‌میرند. در مرگ برنامه ریزی شده، سلول‌ها زمانی که سیگنال‌های خاصی را دریافت می‌کنند، در واقع خودکشی می‌کنند.

مرگ برنامه ریزی شده سلول باعث مرگ سلول‌ها می‌شود اما این فرایند برای بدن مفید است (مانند مرگ لایه سلولی بین انگشتان) در این مطلب قصد داریم به بررسی ابعاد و مکانیسم فرایند مرگ برنامه ریزی شده سلول بپردازیم و به سوالاتی در مورد چرایی و چگونگی آن در بدن، پاسخ دهیم.

تفاوت بافت مردگی و مرگ برنامه ریزی شده سلول

در بدن انسان دو راه برای مرگ سلول وجود دارد که در اکثر ارگانیسم‌های پرسلولی نیز اتفاق می‌افتد، این مسیرها شامل موارد زیر است:

• سلول‌ها ممکن است در اثر اتفاقی که موجب آسیب در آن‌ها شوند از بین بروند، این آسیب‌ها معمولا در اثر سموم شیمیایی یا جراحت‌های فیزیکی اتفاق می‌افتد.
• مسیر دوم مکانیسم آپوپتوز است که در اثر یک مرگ برنامه ریزی شده و کنترل شده، سلول‌ها از بین می‌روند.

نکروز و آپوپتوز در شرایط متفاوتی اتفاق می‌افتند و شامل مراحل مختلفی هستند. در حالت کلی، نکروز یا بافت مردگی به صورت نامنظم رخ می‌دهد و در اثر پاسخ التهابی سیستم ایمنی بدن انجام می‌گیرد، در حالی که آپوپتوز فرایندی کاملا تنظیم شده است و در طی آن سلول به بخش‌های کوچک‌تر شکسته می‌شود که این قطعات سلولی مرده توسط سایر سلول‌ها جذب شده و بازیافت می‌شوند.

نکروز یا بافت مردگی

وقتیکه سلول‌‌ در اثر عوامل مضر (مانند جراحت یا مواد شیمیایی سمی) آسیب می‌بیند، معمولاً هنگام مرگ ترکیبات داخل وزیکول‌های گوارشی آن‌ به درون سلول آزاد می‌شوند. از آنجایی که غشای پلاسمایی سلول آسیب دیده دیگر نمی‌تواند رفت و آمد یون‌‌ها و آب را کنترل کند، سلول متورم می‌شود و محتوای آن از منافذ غشای پلاسمایی بیرون می‌آید. این فرایند اغلب باعث التهاب در بافت اطراف سلول مرده می‌شود.

مکانیسم آپوپتوز

آپوپتوز مجموعه‌ای از تغییرات و واکنش‌های سلولی است که با مصرف انرژی (ATP) منجر به مرگ سلول می‌شود و از دو مسیر خارجی (وابسته به گیرنده مرگ) و داخلی (میتوکندریایی) انجام می‌شود. به علاوه آپوپتوز یکی از مکانیسم‌های دفاعی لنفوسیت‌های T کشنده برای از بین بردن پاتوژن‌ها و سلول‌های آلوده به ویروس است که با فعالیت پرفورین و گرانزیم انجام می‌شود. این مسیرها از روش‌های متفاوتی فعال شده اما در نهایت با مکانیسم مشابهی منجر به مرگ سلول می‌شوند.

مسیر داخلی

این مسیر به‌وسیله تجمع پروتئین‌های غیرعملکردی در سیتوپلاسم، کاهش فاکتور رشد، آسیب DNA و رادیکال‌ها آزاد فعال می‌شود. این تغییرات سبب افزایش پروتئین‌های BH3 (پیام آسیب سلولی) در سیتوپلاسم می‌شود. BCL-2 و BCL-xL دو پروتئینی هستند که در پاسخ به فاکتورهای رشد بیان شده و با مهار پروتئین‌های آپوپتوزی Bax و Bak نفوذپذیری غشای میتوکندی را کنترل می‌کنند. با کاهش پروتئین‌های Bcl و افزایش پروتئین‌های BH3 پروتئین‌های Bax و Bak دیمری شده و در غشای میتوکندری کانال تشکیل می‌دهد. این کانال مسیر برای انتقال سیتوکروم C و آنزیم‌ها از میتوکندری به سیتوپلاسم است.

فیلم آموزش زیست شناسی سلولی Cell Biology در فرادرس

کلیک کنید

این پروتئین در سیتوپلاسم با فاکتور ۱ فعال‌کننده پروتئاز آپوپتوزی (APAF1) و کاسپاز ۹ غیرفعال برهم‌کنش می‌دهد. کاسپاز ۹ فعال کاسپازهای ۳،۶ و ۷ را فعال می‌کند. فعالیت این پروتئازها با تجزیه DNA و تشکیل وزیکول‌های آپوپتوزی همراه است.

مسیر خارجی

مسیر خارجی آپوپتوز با گیرنده‌های آپوپتوزی یا گیرنده‌های مرگ فعال می‌شود. این گیرنده‌ها در غشای بیشتر سلول‌های بدن وجود دارد و از خانواده گیرنده‌های فاکتور نکروز تومور (TNF) است. گیرنده TNF1 گیرنده آپوپتوزی است که همراه پروتئین Fas به لیگاند متصل می‌شود. لیگاند Fas پروتئین غشایی لنفوسیت‌های T فعال است. اتصال این لیگاند با پروتئین Fas دومین سیتوپلاسمی گیرنده مرگ و این دومین کاسپاز ۸ را فعال می‌کند. این پروتئاز کاسپازهای ۳،۶ و ۷ را فعال می‌کند. در نتیجه واکنش‌های آبشاری سیتوپلاسم منجر به تجزیه DNA و تشکیل وزیکول‌های آپوپتوزی می‌شود.

مسیر پرفورین گرانزیم B

سلول‌های T کشنده برای از بین بردن سلول‌های سرطانی و آلوده به ویروس از مسیر پرفورین/گرانزیم ‌B استفاده می‌کنند. گرانزیم B یک سرین پروتئازی است که در گرانول‌های سیتوپلاسمی لنفوسیت‌های T ذخیره می‌شود. پرفورین‌ها پروتئین‌هایی با زنجیره‌های پلی‌پپتدی هیدروفوب هستند در غشای سلول آلوده پور یا کانال ایجاد می‌کنند. گرانزیم B با عبور از این کانال‌ها وارد سلول می‌شود. به علاوه کانال‌ها با تغییر انتقال یون‌ها و تعادل اسمزی سیتوپلاسم لیز شدن سلول را تحریک می‌کنند. آنزیم گرانزیم در سیتوپلاسم سلول آلوده پروتئین‌های BH3 را فعال کرده و سلول وارد مسیر مشابه آپوپتوز میتوکندریایی می‌شود.

چرا سلول‌ها تحت آپوپتوز قرار می‌گیرند؟

بسیاری از سلول‌‌های بدن انسان توانایی ایجاد درونی در فرایند آپوپتوز را دارند (به همان روشی که توانایی داخلی در کپی کردن DNA یا تجزیه سوخت‌‌های سلولی را دارند). اصولاً آپوپتوز روشی کلی و راحت برای از بین بردن سلول‌هایی است که دیگر نباید بخشی از ارگانیسم باشند.

فیلم آموزش زیست شناسی سلولی و مولکولی – مبانی و مفاهیم مقدماتی

کلیک کنید

• بعضی از سلول‌ها در طول رشد و تکامل باید حذف شوند، این اتفاق را می‌توان در حذف بافت بین انگشتان در دوران جنینی مشاهده کرد.
• برخی از سلول‌ها غیرطبیعی هستند و در صورت زنده ماندن می‌توانند به بقیه سلول‌های ارگانیسم‌‌ها آسیب برسانند، مانند سلول‌های دارای عفونت ویروسی یا سلول‌هایی که DNA آن‌ها آسیب دیده و دچار جهش شده‌اند.
• سلول‌های موجود در ارگانیسم بالغ ممکن است گاهی برای حفظ تعادل از بین بروند و راهی برای تولید سلول‌های جدید ایجاد کنند یا این که در مواردی، سلول‌هایی که برای انجام وظایف موقت در بدن ایجاد شده‌اند، بعد از انجام آن باید از بدن حذف شوند.

عوامل ایجاد آپوپتوز

پرتودرمانی و شیمی‌درمانی، افزایش رادیکال‌های آزاد داخل سیتوپلاسم و جهش‌های زمان همانندسازی منجر به آسیب DNA می‌شود. این آسیب فاکتورهای رونویسی پروتئین p53  و بیان این ژن را افزایش می‌دهد. p53 چرخه سلولی را در مرحله G1 مهار و فرصت کافی برای ترمیم آسیب فراهم می‌کند. اما اگر آسیب DNA زیاد و ترمیم‌ناپذیر باشد، p53 پروتئین‌های BH3 و مسیر آپوپتوز میتوکندریایی را فعال خواهد کرد. جهش ژن p53 احتمال خطای همانندسازی و ابتلا به سرطان را افزایش می‌دهد.

تجمع پروتئین‌های بدتاخورده و غیرعملکردی در شبکه اندوپلاسمی زبر یکی دیگر از عوامل آپوپتوز سلول‌های بدن است. در حالت طبیعی چاپرون‌ها تاخوردگی صحیح زنجیره‌های پلی‌پپتیدی تازه سنتز شده را کنترل می‌کند و اضافه شدن مولکول‌های یوبی‌کوئینیتین به پروتئین‌های بدتاخورده نشانه برای هیدرولیز آن‌ها به‌وسیله آنزیم‌های پروتئازی است. اگر تعداد رشته‌های پروتسینی بدتاخورده یا تانخورده در شبکه اندوپلاسمی افزایش یابد، مکانیسم جبرانی سلول بیان چاپرون‌ها را افزایش و ترجمه پروتئین را کاهش می‌دهد تا سلول به وضعیت عادی برگردد. اما اگر تعداد پروتئین‌های غیرعملکردی زیاد باشد، پروتئین‌های BH3 فعال شده و آپوپتوز را از مسیر میتوکندریایی فعال می‌کند.

جهش‌های ژنتیکی، کاهش توانایی ترمیم DNA به دلیل افزایش سن، عفونت‌های میکروبی به ویژه ویروسی، افزایش ترشح هورمون‌ها (برای مثال انسولین در افراد مقاوم به انسولین)، تغییر pH سلول و رادیکال‌های آزاد از عواملی است که بیان پروتئین‌های غیرعملکردی را افزایش می‌دهد.

رادیکال‌های آزاد مولکول‌هایی با یک الکترون جفت نشده در لایه ظرفیت و بسیار ناپایدار هستند. این مکولکول‌ها برای رسیدن به پایداری و دریافت الکترون با مولکول‌های دیگر برهم‌کنش داده و ساختار آن را به هم می‌زند. افزایش این مولکول‌ها در سیتوپلاسم با تغییر مولکول‌های ساختاری و عملکردی سلول همراه است که منجر به نکروز، آپوپتوز یا نکروآپوپتوز سلول می‌شود. در شرایط طبیعی مقدار کمی از این ترکیبات در واکنش‌های اکسایش-کاهش و سیستم ایمنی (به‌وسیله ماکروفاژها و نوتروفیل‌ها) تولید می‌شوند اما بدن به‌وسیله فعالیت آنزیم‌های گلوتاتیون پروکسیداز، کاتالاز و آنتی‌اکسیدانت‌ها از تجمع آن‌ها و آسیب سلولی جلوگیری می‌کند.

مرگ برنامه ریزی شده بخشی از روند تکامل است

در بسیاری از ارگانیسم‌ها، مرگ برنامه ریزی شده سلول بخشی عادی از روند تکامل به شمار می‌آید. در بعضی موارد، آپوپتوز در حین رشد به روشی بسیار قابل پیش بینی اتفاق می‌افتد: در «کرم الگانس» (Caenorhabditis Elegans)، با رشد کرم از سلول منفرد به یک موجود بالغ، 131 سلول با آپوپتوز می‌میرند (تمام سلول‌هایی که می‌میرند، قابل پیش‌بینی هستند).

آپوپتوز همچنین نقش مهمی‌ در رشد انسان دارد. به عنوان مثال، همان طور که در ابتدا اشاره شد، در دوران جنینی، رشد انگشتان دست به همراه بافت‌هایی که بین آن‌ها را پر می‌کند، شروع می‌شود که قبل از تولد، این بافت‌های سلولی طی فرایند آپوپتوز از بین می‌روند.

این فرآیند در انواع گونه‌های مهره‌داران که دارای انگشتان در دست و پا هستند، رخ می‌دهد. گاهی در دوران جنینی، یک خطای سلولی ممکن است موجب انجام ناقص آپوپتوز شود که در این حالت برخی مواقع انگشتان در هنگام تولد هنوز در بخش‌هایی به هم متصل باقی می‌مانند.

نمونه‌ دیگر آپوپتوز در حین رشد طبیعی، شامل از بین رفتن دم نوزاد قورباغه در هنگام تبدیل شدن به یک قورباغه بالغ است و همچنین حذف نورون‌های غیرضروری در مدارهای عصبی درون مغز نیز در اثر آپوپتوز اتفاق می‌افتد.

مرگ برنامه ریزی شده می‌تواند سلول‌های آلوده یا سرطانی را از بین ببرد

در بعضی موارد، برخی از سلول‌ها در صورت زنده ماندن می‌توانند تهدیدی برای بقیه بخش‌ها و سلول‌های بدن به شمار آیند. به عنوان مثال، این ممکن است در مورد سلول‌هایی با آسیب DNA، سلول‌های پیش سرطانی و سلول‌های آلوده به ویروس‌ها اتفاق بیفتد. اگر این سلول‌ها در معرض آپوپتوز قرار بگیرند، دیگر تهدیدی برای سایر ارگانیسم‌ها (مانند ایجاد و سرایت سرطان یا شیوع عفونت ویروسی به سایر سلول‌ها) محسوب نمی‌شوند.

هنگامی‌ که DNA سلول آسیب ببیند، به طور معمول آسیب توسط سلول تشخیص داده می‌شود و هسته سلول با مکانیسم‌های ترمیمی خود شروع به اصلاح آسیب وارد شده می‌کند. اگر آسیب ایجاد شده قابل ترمیم نباشد، سلول به طور معمول خود را وارد فرایند آپوپتوز می‌کند و این اطمینان را می‌دهد که DNA آسیب دیده خود را به نسل‌های بعد منتقل نخواهد کرد.

مشکل زمانی ایجاد می‌شود که سلول دارای آسیب در DNA، نه تنها قادر به ترمیم خود نیست، بلکه نمی‌تواند وارد فرایند آپوپتوز شود، به همین دلیل ممکن است در مسیر سرطانی شدن و انتقال آن به سایر سلول‌ها قرار بگیرد و برای تمام سلول‌های بدن خطرساز شود.

بعضی اوقات، سلول‌های پیش سرطانی که از مکانیسم مرگ برنامه ریزی شده فرار کرده‌اند، توسط سلول‌های ایمنی بدن شناسایی می‌شوند، سلول‌های ایمنی سعی می‌کنند از طریق یک مسیر سیگنالینگ خارجی، باعث آپوپتوز در سلول‌های پیش سرطانی شوند. سلول‌های سرطانی موفق، با این حال، می‌توانند نشانه‌های داخلی و خارجی را که به طور معمول باعث آپوپتوز می‌شوند، دور بزنند که همین امر به آن‌ها اجازه می‌دهد تا از کنترل خارج شده و با تکثیر و تجمع جهش‌های ژنتیکی باعث رشد و تکثیر سلول‌های سرطانی شوند.

آپوپتوز برای عملکرد سیستم ایمنی مهم است

یکی دیگر از عملکرد‌های فرایند مرگ برنامه ریزی شده سلول، حفظ و نگهداری سیستم ایمنی بدن است. هنگامی ‌که سلول‌ها یا لنفوسیت‌های B و T (سلول‌های ایمنی بدن که مولکول‌های خاصی را به هم وصل می‌کنند) تولید می‌شوند، توسط اجزای سیستم ایمنی مورد آزمایش قرار می‌گیرند تا اطمینان حاصل شود که لنفوسیت‌ها در برابر سلول‌ها و ترکیبات خود بدن پاسخ ایمنی ایجاد نمی‌کنند. سلول‌هایی که به سلول‌های خودی واکنش‌ نشان می‌دهند، بلافاصله توسط آپوپتوز از بین می‌روند. در صورتی که سیستم ایمنی لنفوسیت‌ها را مورد آزمایش قرار ندهد یا این آزمایش به درستی صورت نگیرد، سلول‌های خود واکنش پذیر ممکن است در بدن آزاد شوند، در این حالت می‌توانند به بافت‌ها حمله کرده و باعث ایجاد بیماری‌ها و اختلالات خود ایمنی در بدن شوند.

فرایند آپوپتوز همچنین نقش مهمی در اجازه سیستم ایمنی بدن برای خاموش کردن پاسخ خود نسبت به یک پاتوژن دارد. هنگامی ‌که یک پاتوژن توسط سیستم ایمنی بدن مورد شناسایی قرار می‌گیرد، سلول‌های ایمنی بدن که پاتوژن را تشخیص می‌دهند، به طور گسترده تقسیم می‌شوند و با هدف از بین بردن پاتوژن، تعداد آن‌ها افزایش می‌یابد. پس از ایجاد پاسخ ایمنی مناسب و از بین رفتن پاتوژن، برخی از سلول‌های ایمنی تولید شده دیگر مورد نیاز نیستند و به همین دلیل جهت حفظ شرایط هومئوستازی بدن، این سلول‌ها توسط آپوپتوز از بین می‌روند.

خلاصه مطلب

آپوپتوز نوعی از مرگ برنامه ریزی شده سلول یا خودکشی سلولی است. با نکروز یا بافت مردگی سلول متفاوت است، زیرا در نکروز سلول‌ها به دلیل آسیب دیدگی می‌میرند. آپوپتوز تنها شکل مرگ برنامه ریزی شده سلول نیست، بلکه شکلی است که به خوبی مورد شناسایی قرار گرفته است.

آپوپتوز فرآیندی منظم است که در آن محتویات سلول تجزیه شده و در بسته‌های کوچک غشایی جهت جمع‌آوری زباله‌های سلولی توسط سلول‌های ایمنی بسته‌بندی می‌شوند. این فرایند با نکروز (مرگ سلولی بر اثر جراحت و آسیب) در تضاد است، زیرا در فرایند نکروز محتوای سلو‌ل‌های آسیب دیده به بیرون ریخته می‌شوند و در این حالت سلول‌های اطراف بافت نکروزه دچار التهاب می‌شوند.

آپوپتوز سلول‌های غیرضروری و همچنین سلول‌های پیش سرطانی و آلوده به ویروس را حین رشد از بین می‌برد. اگرچه گاهی سلول‌های سرطانی موفق به فرار از آپوپتوز می‌شوند و می‌توانند به تقسیم ادامه دهند. در حالت کلی فرایند آپوپتوز یا مرگ برنامه ریزی شده سلول تعادل سلول‌ها را در بدن انسان حفظ می‌کند و از اهمیت ویژه‌ای در عملکرد سیستم ایمنی بدن برخوردار است.