Programlı Hücre Ölümü: Apoptosis (Apoptoz) Nedir? Canlılar Neden Hücrelerini Bilerek Öldürürler?

Apoptosis (veya apoptoz), "programlı" hücre ölümü demektir; yani hücrenin ölmesi beklenen bir zamanda, kontrollü olarak ölmesidir. Ancak her hücre ölümü kontrollü veya programlı değildir, dolayısıyla bu farklı ölüm türlerinin arasındaki farkı bilmek önemlidir.

Ölüm ile ilgili yazımızda detaylıca anlattığımız gibi, canlılığın temel niteliklerinden biri olarak organizmalar bir noktada ölürler. Yani hücre ölümü, çoğalma ve farklılaşma gibi, hücrenin temel yaşam süreçlerinden biridir. Hücre ölümü, hem embriyonik gelişimde hem de zararlı hücrelerden kurtulma konusunda büyük rol oynar ve vücut homeostazını korumamızı sağladığı için son derece önemlidir.

Hücrelerde ölümler, çok farklı şekillerde ve farklı nedenlerle olabilir. Organizmalar, ömürlerinin sonuna geldiklerinde bir bütün olarak ölebildikleri gibi, aynı zamanda ömürleri boyunca da, organizmaları meydana getiren hücrelerde düzenli bir şekilde ölümler gerçekleşir. Bazı hücreler yıllarca yaşarken, bir kısmı sadece birkaç saat yaşarlar. Bu ölümler, organizmanın bütününü olumsuz etkilemediği gibi, az sonra değineceğimiz gibi çoğu zaman olumlu amaçlarla kullanılabilir.

Cell and Bioscience dergisinde yayınlanan bir makalede araştırmacılar, çok sayıda hücre ölümü mekanizması olsa da, bunların dört temel kümenin elemanları olduğunu ileri sürmüştür: Bunlardan ikisi fizyolojik (apoptoz ve yaşlı hücre ölümü), ikisi de patolojik (nekroz ve stres kaynaklı hücre ölümü) mekanizmalarıdır. Daha genel olaraksa bunları 2 sınıfa ayırmak mümkündür:

1. Nekroz (veya Nekrosis)
2. Apoptoz (veya Apoptosis)

Biz bu yazıda, apoptozdan (yani programlı hücre ölümünden) söz edeceğiz. Nekroz gibi apoptotik olmayan hücre ölümüyle ilgili daha fazla bilgiyi buradaki yazımızdan alabilirsiniz.

Apoptosis Nedir?

Apoptosis, çok hücreli organizmalarda görülen ve genetik materyal tarafından ne zaman gerçekleşeceğine karar verilen, "istenen" ve programlı hücre ölümüdür. Apoptosise biyokimyasal tepkimeler sebep olur ve hücre buruşur, küçülür, kromatin (genetik materyal) parçalanır ve DNA kısım kısım ayrılarak ortama dağılır. Tüm bunlar, yine Evrimsel süreçte kazanılmış genetik materyalin, gerektiği (DNA'da belirlenen) zamanda bu biyokimyasal tepkimeleri başlatmasıyla gerçekleşir.

Bu önemli sürecin gerçekleşmesini sağlayan birden fazla mekanizma vardır; ancak tam olarak kaç farklı mekanizma olduğu henüz belirsizdir. Şimdilik birçok bilim insanı, 30'dan fazla hücre ölümü mekanizmasının varlığı konusunda hemfikir gibi gözükmektedir: Tesadüfi hücre ölümü, tip I, II ve III hücre ölümleri, programlı nekroz, aponekroz, entoz bunlardan sadece bazılarıdır. Bunların yanı sıra, çok daha nadir görülen ve dolayısıyla isimlendirilmemiş çok sayıda hücre ölümü tipi olduğu tahmin edilmektedir.

Apoptosisin Keşfi ve Önemi

1972 yılında, iskemiye (kanlanma eksikliği) maruz kalan dokunun etrafında nekrozdan daha farklı hücre ölümü gösterilmiş ve buna, Latincede "ağaç yapraklarının gövdeden ayrılması" anlamına gelen "apoptosis" adı verilmiştir.

Apoptosis, biyolojide özellikle embriyoloji ve moleküler biyolojide çok önemli bir yere sahiptir. Bu olay, gelişim biyolojisinde (özellikle embriyolojide) ve temel tıp bilimlerinde anlaşılması güç birçok olayın açıklanmasında kullanılmış, örneğin parmaklarımızın nasıl oluştuğu gibi açıklanması geçmiş zamanda birçok bilim adamının bulmak için uğraştığı konuları aydınlatmıştır.

Embriyogenez (embriyo oluşumu) sırasında bazı canlılarda parmaklar arasındaki perdenin ve damak füzyonu sonrası kalıntı epitel hücrelerin ortadan kaldırılmasında olduğu gibi, organogenez (doku ve organların meydana gelmesi) sırasında apoptosis, fazla üretilen hücrelerin ortadan kaldırılmasını sağlamaktadır. Bu tip hücre ölümü vücutta ihtiyaç duyulmayan veya anormalleşmiş hücrelerden kurtulmanın normal yoludur. Organizmanın yaşam döngüsü için gerekli ve yararlıdır. Apoptosis, belirli bir moleküler işlemler serisinin (sırasının) sonunda hücrenin ölümünü sağlar.

Elbette bu mekanizma organizmada doğru bir şekilde işlemelidir. Ölmesi gereken hücrelerimiz zamanında ve gerekli sayıda ölmelidir. Bir şekilde (mutasyonlar, çevresel etmenler, vs. sebebiyle) hızlanmış ya da yavaşlamış bir apoptozis patalojiktir. Apoptosis çok hızlı gerçekleşiyorsa, gerekenden fazla hücre ölerek atrofi, olması gerekenden yavaş gerçekleşiyorsa istenmeyen hücreler bazı bölgelerde birikerek kanser oluşumuna sebep olur.

Dokuların devamlılığı, gereksiz hücrelerin yok edilmesi olan apoptosis ile gereken hücrelerin oluşumu dengesine bağlıdır. Biz de dahil olmak üzere canlıların vücudunda her an hücreler apoptosise uğrayarak yok edilmektedir. Bir sayı vermek gerekirse, günde 50-70 milyar hücremiz apoptosis ile öldürülmektedir. Siz bu cümleyi okumayı bitirdiğinizde, binlerce hücrenizi kaybetmiş olacaksınız. O hücreler sizin sağlıklı kalmanız için "intihar etmektedirler", daha doğrusu "ettirilmektedirler", çünkü evrimsel süreçte, belirli dönemlerde bu hücrelerin ölerek, yenilerine yer açılmasını sağlayanlar organizmanın bütününün avantajlı konuma geçmesini sağlamışlardır ve böylece bu ölümlere sebep olan kimyasal tepkimelerde kullanılan proteinlerin ve enzimlerin üretimini sağlayan genler, bu süreçte seçilerek popülasyon içerisinde birikmiştir.

Apoptozun altında yatan mekanizmanın anlaşılması, birçok hastalığın patogenezinde çok önemli bir rol oynadığı için önemlidir. Bazı hastalıklarda sorun, dejeneratif hastalıklarda olduğu gibi çok fazla apoptoza bağlıyken, diğerlerinde çok az apoptoz gerçekleşmesidir. Kanser, çok düşük seviyelerde apoptozun meydana geldiği ve bu nedenle ölmeyecek kötü huylu hücrelerin oluşmasına neden olan senaryolardan biridir. Apoptoz mekanizması karmaşıktır ve birçok yolu içerir. Kusurlar, bu yolların herhangi bir noktasında meydana gelebilir ve etkilenen hücrelerin kötü huylu transformasyonuna, tümör metastazına ve antikanser ilaçlara karşı dirence yol açabilir. Apoptoz, sorunun nedeni olmasına rağmen, birçok tedavi stratejisinin popüler hedefi olduğundan kanser tedavisinde önemli bir rol oynamaktadır.

Apoptosisin Uyarılma Nedenleri ve İşlevi

Organizmada apoptosisi uyaran ve engelleyen çok sayıda gen bulunmaktadır.

1. Embriyonal gelişim, örneğin insanlarda parmak aralarının şekillenmesi ya da göz kapakları arasındaki boşluğun şekillenmesi.
2. Sürekli çoğalan hücre gruplarının azaltılması (örneğin gastrointestinal sistem -mide ve bağırsak sistemi- hücreleri, deri hücreleri vb.)
3. Metamorfoza (şekil ya da karakter değişikliği) uğramış veya yaşlanmış ve bu nedenle fonksiyonunu kaybetmiş hücrelerin ortadan kaldırılması.
4. Enfekte olmuş hücrelerin ortadan kaldırılması
5. İmmün hücrelerin (bağışıklık hücrelerinin) seçimi
6. Kadınlarda menstruel dönemde (iki adet arası) endometrial hücrelerinin (rahim içini döşeyen ve gereksiz hale gelen hücrelerin) yıkımı
7. Hormona bağımlı ya da doğum veya kısırlaştırma sonrası involüsyon (Örneğin prostat, meme dokusu hücrelerinde doku ve organların küçülerek eski haline dönmesi)
8. Radyasyona maruz kalmış hücerelerin yıkımı
9. DNA hasarı oluşmuş hücrelerin yıkımı
10. Tümoral, kansere sebep olabilecek hücrelerin ortadan kaldırılması

Apoptosisin Gerçekleşme Süreci

Programlı hücre ölümünde birbirini izleyen basamakların neler olduğu henüz tam olarak bilinmemektedir. Hücrenin kendi otomatik saati olan genlerin aktivasyonu veya çevreden gelen sinyallerle apoptosis başlamaktadır. Hücre dışı uyaranlar tümör nekroz faktörü (TNF), koloni uyarıcı faktörler (CSF), nöron büyüme faktörü (NGF), insülin benzeri büyüme faktörü ((İGF), IL-2 gibi maddelerin ortamda azalması, bazı protein ve virüsler, glukokortikoidler, radyasyon, ilaçlar, çeşitli antijenler gibi pozitif uyaranlar olabilir.

Nekrozdan farklı olarak, apoptosise uğrayan bir hücre küçülerek ölür. Apoptosis sinyali alan bir hücrenin kromatini ve sitoplazması (hücre içi sıvısı) yoğunlaşmaya ve hücrenin boyutları küçülmeye başlar.

Apoptosisin erken evresinde hücreler birleşme bölgelerinden ayrılır, özelleşmiş yüzey organellerini kaybeder ve belirgin şekilde büzülür, birkaç dakikada hacimlerinin 1/3'ünü kaybederler. Bu görünüm, plazma membranında bulunan iyon kanalları ve pompalarında aktivasyonun bozulmasına bağlanmaktadır.

Daha sonra plazma membranında tomurcuklanmalar oluşur. Normalde bir hücre üzerinde meydana gelen 7 kırılmaya kadar onarım yapılabilirken, apoptoziste 300.000 civarında kırılma meydana gelir ve dolayısıyla hücre onarımı yapılamaz. hücre stoplazma ile çevrilmiş kromatin parçalarından oluşan apoptatik cisimciklere parçalanır. Hücre henüz yaşamaya devam etmektedir.

Apoptotik cisimcikler; yüzeylerinde yeni sinyal verici yapılar ortaya çıkarır ve bu sinyalin uyarısı ile yakınlarındaki hücreler veya makrofajlar tarafından tanınıp fagosite edilerek (sindirilerek) ortadan kaldırılır.

Apoptoz Esnasında Meydana Gelen Morfolojik Değişiklikler

Hem çekirdek hem de sitoplazmayı ilgilendiren apoptotik hücre ölümünün morfolojik değişiklikleri, hücre tipleri ve türleri arasında büyük ölçüde benzerdir.

Çekirdekteki apoptozun morfolojik ayırt edici özellikleri, kromatin yoğunlaşması ve nükleer parçalanmadır; bunlara hücrenin yuvarlak hale gelmesi, hücre hacminde azalma (piknoz) ve psödopodların geri çekilmesi eşlik eder. Kromatin yoğunlaşması, hilal veya halka benzeri bir yapı oluşturarak nükleer zarın çevresinde başlar. Kromatin, hücre içinde parçalanana kadar yoğunlaşır. Plazma zarı, tüm sürecin son aşamasına kadar sağlamdır. Apoptozun sonraki aşamasında, morfolojik özelliklerden bazıları; zar kabarcıklarını, sitoplazmik organellerin ultra-hızlı modifikasyonunu ve zar bütünlüğünün kaybını içerir. Genellikle, fagositik hücreler apoptotik cisimler oluşmadan önce apoptotik hücreleri yutarlar. Bu sayede hücre içeriği dokulara yayılmaz ve inflamatuvar yanıtlar tetiklenmez.

Nature; Apoptosis and cancer: the genesis of a research field

Apoptoz Esnasında Meydana Gelen Biyokimyasal Değişiklikler

Apoptozda genel olarak üç ana biyokimyasal değişiklik gözlemlenebilir:

1. Kaspazların aktivasyonu,
2. DNA ve protein parçalanması,
3. Membran değişiklikleri ve apoptotik hücrenin fagositik hücreler tarafından tanınması.

Apoptozun erken dönemlerinde, hücre zarının dış katmanlarında, iç katmanlardan taşınan bir fosfatidilserin (PS) ekspresyonu vardır. Bu, ölü hücrelerin makrofajlar tarafından erken tanınmasına izin vererek proinflamatuar hücresel bileşenlerin salınması olmadan fagositoza neden olur. Bunu DNA'nın 50 ila 300 kilobazlık büyük parçalara karakteristik bir parçalanması izler. Daha sonra, DNA'nın endonükleazlar tarafından 180 ila 200 baz çiftinin katları halinde oligonükleozomlara bölünmesi aşaması vardır.

Apoptozun bir başka spesifik özelliği, kaspazlar adı verilen sistein proteaz ailesine ait bir grup enzimin aktivasyonudur. "Kaspaz" ın "c"si sistein proteazı belirtirken, "aspaz" enzimin hedef proteinleri aspartik asit kalıntılarından parçalama özelliğine atıfta bulunur. Aktive edilmiş kaspazlar, birçok hayati hücresel proteini degrede eder, nükleer iskeleyi ve hücre iskeletini parçalar. Ayrıca nükleer DNA'yı fragmentlere ayıran DNAaz'ı aktive ederler.

Apoptoz'un Mekanizmaları Nelerdir?

Kaspazlar, hem başlatıcı hem de uygulayıcı olduklarından apoptoz mekanizmasının merkezidir. Kaspazların etkinleştirilebileceği üç yol vardır. Yaygın olarak tanımlanan iki başlangıç yolu, apoptozun içsel (veya mitokondriyal) ve dışsal (veya ölüm reseptörü) yolaklarıdır. Her iki yol da sonunda ortak bir yola yani apoptozun uygulama aşamasına yol açar. Daha az bilinen üçüncü bir başlangıç yolu, içsel endoplazmik retikulum yoludur.

Dışsal Ölüm Reseptörleri Yolağı

Dışsal ölüm reseptörü yolu, adından da anlaşılacağı gibi, ölüm ligandları bir ölüm reseptörüne bağlandığında başlar. Birkaç ölüm reseptörü tanımlanmış olmasına rağmen, en iyi bilinenleri tip 1 TNF reseptörü (TNFR1) ve Fas (CD95) adı verilen proteindir; bunların ligandları sırasıyla TNF ve Fas ligandı (FasL) olarak adlandırılır. Bu ölüm reseptörleri, TNF reseptörü ile ilişkili ölüm alanı (TRADD) ve Fas ile ilişkili ölüm alanı (FADD) gibi adaptör proteinlerini ve kaspaz 8 gibi sistein proteazlarını toplayan bir hücre içi ölüm alanına sahiptir. Ölüm ligandının reseptöre bağlanması, adaptör proteinler için bir bağlanma bölgesinin oluşumuyla sonuçlanır ve bütün ligand-reseptör-adaptör protein kompleksi, ölüm indükleyici sinyalleşme kompleksi (DISC) olarak bilinir. DISC daha sonra pro-kaspaz 8'in modifikasyonunu ve aktivasyonunu başlatır. Enzim olan kaspaz 8'in aktive edilmiş formu, uygulayıcı (Kaspaz-3 gibi) kaspazları aktive ederek apoptozu başlatan bir başlatıcı kaspazdır.

Alberts: Molecular Biology of the Cell, 6.Baskı, Sayfa 1060

İçsel Mitokondriyal Apoptoz Yolağı

Onarılamaz genetik hasar, hipoksi, aşırı yüksek konsantrasyonlarda sitozolik Ca⁺² ve şiddetli oksidatif stres gibi iç uyaranlar, içsel mitokondriyal yolağın başlatılmasının bazı tetikleyicileridir. Uyaranlardan bağımsız olarak bu yol, artan mitokondriyal geçirgenliğin ve sitokrom-c gibi pro-apoptotik moleküllerin sitoplazmaya salınmasının sonucudur.

Bu yol, foliküler Hodgkin olmayan lenfomada 18 ila 14 kromozomunun translokasyonunun kromozomal kırılma noktasında gözlenen BCL2 geninin adını taşıyan, Bcl-2 ailesine ait bir grup protein tarafından yakından düzenlenir. Bcl-2 proteinlerinin iki ana grubu vardır: pro-apoptotik proteinler (ör. Bax, Bak, Bad, Bcl-Xs, Bid, Bik, Bim ve Hrk) ve anti-apoptotik proteinler (ör. Bcl-2, Bcl-XL, Bcl-W, Bfl-1 ve Mcl-1). Anti-apoptotik proteinler, sitokrom-c'nin mitokondriyal salınımını bloke ederek apoptozu düzenlerken, pro-apoptotik proteinler bu tür bir salınımı teşvik ederek etki eder. Apoptozun başlatılıp başlatılmayacağını belirleyen etmen mutlak miktar değil, pro ve anti-apoptotik proteinler arasındaki dengedir.

Mitokondriyal intermembran boşluktan sitoplazmaya salınan diğer apoptotik faktörler arasında apoptoz-indükleme faktörü (AIF), kaspazın ikincil mitokondri kaynaklı aktivatörü (Smac), Düşük pI ile doğrudan IAP Bağlayıcı protein (DIABLO) ve Omi/yüksek sıcaklık gereksinimi proteini A (HtrA2) sayılabilir. Sitokrom-c sitoplazmik salınımı; sitokrom c, Apaf-1 ve kaspaz 9'dan oluşan apoptozom olarak bilinen bir kompleksin oluşumu yoluyla kaspaz 3'ü aktive eder. Diğer taraftan, Smac/DIABLO veya Omi/HtrA2, apoptoz proteinlerinin inhibitörüne (IAP' ler) bağlanarak caspase aktivasyonunu teşvik eder, bunu kaspaz-3 veya 9 ile IAP etkileşiminde bozulmaya yol açarak başarırlar. Kaspaz 3 veya 9'u IAP'ler inhibe edemediği için apoptoz tetiklenmiş olur.

Alberts: Molecular Biology of the Cell, 6.Baskı, Sayfa 1026

Ortak Yolak

Apoptozun uygulama aşaması, bir dizi kaspazın aktivasyonunu içerir. İçsel yol için temel kaspaz, kaspaz 9 iken, dışsal yolunki kaspaz 8'dir. İçsel ve dışsal yollar, kaspaz 3'te birleşir. Kaspaz 3, nükleer apoptozdan sorumlu olan, kaspaz ile aktive olan deoksiribonükleazın inhibitörünü ayırır. Ek olarak, protein kinazların, hücre iskelet proteinlerinin, DNA onarım proteinlerinin ve endonükleaz ailesinin inhibe edici alt birimlerinin bölünmesini indükler. Ayrıca; hücre iskeleti, hücre döngüsü ve sinyal yolakları üzerinde de etkileri vardır ve bunlar birlikte apoptozdaki tipik morfolojik değişikliklere katkıda bulunur.

Apoptoz ve Karsinogenez

Kanser, normal bir hücrenin kötü huylu bir hücreye dönüştüğü bir dizi genetik değişimin sonucu olarak görülebilirken, hücre ölümünden kaçınma, bu kötü huylu dönüşüme neden olan temel değişikliklerden biridir.

Azalmış apoptoz veya apoptoz direnci, karsinojenezde hayati bir rol oynar. Kötü huylu bir hücrenin apoptoz seviyesinde azalma veya apoptoz direnci elde etmesinin birçok yolu vardır. Genel olarak, apoptozdan kaçınmanın meydana geldiği mekanizmalar temel olarak şunlara ayrılabilir:

1. Bozulmuş pro-apoptotik ve anti-apoptotik protein dengesi,
2. Azaltılmış kaspaz etkinliği,
3. Bozulmuş ölüm reseptörü sinyali.

BMC

Bozulmuş Pro-apoptotik ve Anti-apoptotik Protein Dengesi

Pek çok proteinin hücre içinde pro veya anti-apoptotik aktivite sergilediği rapor edilmiştir. Hücre ölümünün düzenlenmesinde önemli bir rol oynayan faktör mutlak miktar değil, pro-ve anti-apoptotik proteinlerin oranıdır.

Bcl-2 Protein Ailesi

Bcl-2 protein ailesi, apoptozun düzenlenmesinde, özellikle geri döndürülemez hücresel hasara verilen yanıtlarda yer alırlar ve esas olarak mitokondri düzeyinde hareket ettiklerinden iç yolakta çok önemli roller oynayan pro-apoptotik ve anti-apoptotik proteinlerden oluşur.

Tüm Bcl-2 üyeleri, dış mitokondriyal membranda bulunur. Bir iyon kanalı biçiminde veya porlar oluşturulması yoluyla zar geçirgenliğinden sorumlu olan dimerlerdir. İşlevlerine ve Bcl-2 homoloji (BH) domainlerinin çeşidine bağlı olarak Bcl-2 aile üyeleri üç gruba ayrılır:

1. Dört BH alanını da içerenler anti-apoptotik proteinlerdir ve hücreyi apoptotik uyaranlardan korurlar. Bazı örnekleri Bcl-2, Bcl-xL, Mcl-1, Bcl-w, A1 / Bfl-1 ve Bcl-B / Bcl2L10'dur.
2. İkinci grup, sadece-BH-3 proteinlerinden oluşur ve bu şekilde adlandırılır çünkü diğer üyelere kıyasla BH3 alanıyla sınırlıdır. Bu gruptaki örnekler arasında Bid, Bim, Puma, Noxa, Bad, Bmf, Hrk ve Bik bulunur. DNA hasarı, büyüme faktörü yoksunluğu ve endoplazmik retikulum stresi gibi hücresel stres zamanlarında, apoptozun başlatıcıları olan sadece-BH3 proteinleri aktive olur. Bu nedenle pro-apoptotiktirler.
3. Üçüncü grubun üyeleri, dört BH alanını da içerir ve aynı zamanda pro-apoptotiktir. Bazı örnekler arasında Bax, Bak ve Mtd bulunur. Bu proteinlerde ek olarak hidrofobik bir domain bulunur.

Bcl-2 ailesinin anti-apoptotik ve pro-apoptotik üyelerinin dengesinde bir bozulma olduğunda sonuç, etkilenen hücrelerde düzensiz apoptozdur. Bu, bir veya daha fazla anti-apoptotik proteinin aşırı ekspresyonundan veya bir veya daha fazla pro-apoptotik proteinin yetersiz ekspresyonundan veya her ikisinin kombinasyonundan kaynaklanabilir.

p53 Proteinleri

Tümör proteini 53 (veya TP53) olarak da adlandırılan p53 proteini, kromozom 17'nin (17p13.1) kısa kolunda bulunan tümör baskılayıcı gen TP53 tarafından kodlanan, en iyi anlaşılmış tümör baskılayıcı proteinlerden biridir. Adını moleküler ağırlığından, yani 53 kDa'dan alır. İlk olarak 1979'da transformasyonla ilgili bir protein olarak ve maymun virüsü 40'ın (SV40) büyük T antijenine sıkıca bağlanan kanser hücrelerinin çekirdeklerinde biriken hücresel bir protein olarak tanımlandı. Başlangıçta zayıf onkojenik olduğu bulundu. Daha sonra, onkojenik özelliğin aslında bir mutasyona veya daha sonra "onkojenik fonksiyon kazancı" olarak adlandırılan olguya bağlı olduğu keşfedildi. Keşfedildiği günden bu yana, birçok çalışma kanserdeki işlevini ve rolünü araştırdı. Sadece apoptozun indüksiyonunda yer almaz, aynı zamanda hücre döngüsü düzenlemesinde, gelişiminde, farklılaşmasında, gen amplifikasyonunda, DNA rekombinasyonunda, kromozomal segregasyonda ve hücresel senesenste de önemli bir elemandır ve "Genomun koruyucu meleği" olarak adlandırılır.

p53 tümör baskılayıcı genindeki kusurlar, insan kanserlerinin % 50'sinden fazlasıyla ilintilidir. Son zamanlarda, Avery-Kieida ve arkadaşları, apoptoz ve hücre döngüsü regülasyonunda yer alan bazı hedef p53 genlerinin melanom hücrelerinde anormal şekilde eksprese edildiğini, bunun da p53'ün anormal aktivitesine yol açtığını ve bu hücrelerin proliferasyonuna katkıda bulunduğunu bildirdi. Δ133p53'e karşılık gelen p53'ün (Δ122p53) bir N-terminal delesyon mutantına sahip fare modelinde, Slatter ve arkadaşları, bu farelerin azalmış hayatta kalma oranı, farklı ve daha agresif bir tümör spektrumu, hücreler üzerinde belirgin bir proliferatif avantaj, azalmış apoptoz ve kuvvetli bir pro-inflamatuar fenotip gibi özelliklere sahip olduğunu keşfetti.

Apoptoz Proteinlerinin İnhibitörleri (IAPs)

Apoptoz proteinlerinin inhibitörleri, apoptozu, sitokinezi ve sinyal transdüksiyonunu düzenleyen yapısal ve işlevsel olarak benzer proteinler grubudur. Bakulovirüs IAP tekrar (BIR) protein domainlerinin varlığı ile karakterize edilirler.

IAP'ler kaspazların endojen inhibitörleridir ve korunmuş BIR alanlarını kaspazların aktif bölgelerine bağlayarak, aktif kaspazların degradasyonunu teşvik ederek veya kaspazları substratlarından uzak tutarak kaspaz aktivitesini inhibe edebilirler.

Birçok kanserde düzensiz IAP ekspresyonu bildirilmiştir. Örneğin Lopes ve arkadaşları, pankreas kanseri hücrelerinde IAP ailesinin anormal ekspresyonunun kemoterapiye dirençten sorumlu olduğunu gösterdi. Öte yandan, Livin'in melanom ve lenfomada yüksek oranda eksprese olduğu gösterilmişken, Apollon'un gliomalarda daha fazla ifade edildiği ve kemoterapi ilaçlarına dirençten sorumlu olduğu bulundu. Diğer bir IAP olan Survivin'in çeşitli kanserlerde aşırı eksprese edildiği bildirilmiştir. Small ve arkadaşları hematopoietik hücrelerde Survivin'i aşırı eksprese eden transgenik farelerin, hematolojik malignite riskinin arttığını ve Survivin'i aşırı eksprese etmek üzere tasarlanmış hematopoietik hücrelerin apoptoza daha az duyarlı olduğunu gözlemledi.

Azalmış Kaspaz Aktivitesi

Kaspazlar genel olarak iki gruba ayrılabilir:

1. Kaspaz 1 ile ilgili olanlar (örneğin kaspaz-1, -4, -5, -13 ve -14). Bunlar esas olarak enflamatuar süreçler sırasında sitokin işlemede yer alırlar.
2. Apoptozda merkezi bir rol oynayanlar (örn. kaspaz-2, -3. -6, -7, -8, -9 ve -10). Bu ikinci grup ayrıca, apoptotik yolun başlamasından öncelikli olarak sorumlu olan 1) Başlatıcı kaspazlar (örneğin kaspaz-2, -8, -9 ve -10) ve 2) Efektör kaspazları (kaspaz-3, -6 ve -7) olarak sınıflandırılabilir. Kaspazlar apoptozun başlatılması ve yürütülmesinde önemli elemanlardan biridir. Bu nedenle, düşük kaspaz seviyelerinin veya kaspaz fonksiyonundaki bozulmanın apoptoz seviyelerinde bir azalmaya, karsinojenezde artmaya yol açabileceğini düşünmek mantıklıdır.

Bir çalışmada, kaspaz-9'un ifadesinin azalmasının, evre II kolorektal kanserli hastalarda sık görülen bir olay olduğu ve kötü klinik sonuçla ilişkili olduğu bulundu. Başka bir çalışmada, Devarajan ve arkadaşları, göğüs, yumurtalık ve servikal tümörlerden alınan toplam RNA örneklerinde kaspaz-3 mRNA düzeylerinin ya saptanamaz derecede (göğüs ve servikal) ya da önemli ölçüde azalmış (yumurtalık) olduğunu ortaya koymuştur.

Fonksiyonu Bozulmuş Ölüm Reseptör Kompleksleri

Ölüm reseptörleri ve ölüm reseptörlerinin ligandları, apoptozun dışsal yolundaki anahtar elemanlarıdır. TNFR1 (DR 1 olarak da bilinir) ve Fas (DR2, CD95 veya APO-1 olarak da bilinir) dışında, ölüm reseptörlerinin örnekleri arasında DR3 (veya APO-3) ve DR4 [veya TNF ile ilişkili apoptoz) de yer alır. Ligand reseptörü 1 (TRAIL-1), DR5 (veya TRAIL-2) ve DR 6; ektodisplasin A reseptörü (EDAR) ve sinir büyüme faktörü reseptörünü (NGFR) indükler. Bu reseptörler bir ölüm domainine sahiptir ve bir apoptoz sinyali ile tetiklendiğinde, bir dizi molekül ölüm domainine çekilir ve bu da bir sinyal yolağının aktivasyonu ile sonuçlanır. Bununla birlikte, ölüm ligandları, bir ölüm alanına sahip olmayan yalancı ölüm reseptörlerine de bağlanabilir ve bu yalancı ölüm reseptörleri, sinyalleşme kompleksleri oluşturmada ve sinyalleşme kaskadını başlatmada başarısız olur.

Ölüm sinyal yollarında, apoptozun dışsal yolundan kaçışa yol açabilecek çeşitli anormallikler tespit edilmiştir. Bu tür anormallikler arasında, mekanizma veya kusurların tipine bakılmaksızın reseptörün ifadesinin azalması veya reseptör fonksiyonunun bozulması, ayrıca ölüm sinyallerinde azalmış seviyeler yer alır; bunların tümü, bozulmuş sinyale ve dolayısıyla apoptozdaki azalmaya katkıda bulunur. Örneğin, reseptörlerin ifadesinin azalması, bazı çalışmalarda edinilmiş ilaç direncinin bir mekanizması olarak gösterilmiştir.

Kanser Tedavisinde Apoptozu Hedef Alan Yöntemler

İki ucu keskin bir kılıç gibi, apoptotik yolaklardaki her kusur veya anormallik de nedeni olduğu gibi, aynı zamanda kanser tedavisinin alternatif bir hedefi olabilir. Apoptotik sinyal yollarını eski haline getirebilen ilaçlar veya tedavi stratejileri, hayatta kalmak için bu kusurlara bağlı olan kanser hücrelerini ortadan kaldırma potansiyeline sahiptir. Birçok yeni ve önemli keşif, antikanser ilaçların potansiyel yeni sınıflarına yeni kapılar açmaya devam etmektedir.

Bcl-2 Protein Ailesini Hedeflemek

Bcl-2 protein ailesini hedeflemede kullanılan bazı potansiyel tedavi stratejileri, Bcl-2 anti-apoptotik protein ailesini inhibe etmek için terapötik ajanların kullanımını veya ilgili anti-apoptotik proteinlerin veya genlerin susturulmasını içerir. Anti-apoptotik genlerin susturulması, kanser hücrelerinde apoptozu indükleyebilir.

Bcl-2 Protein Ailesini Hedefleyen Ajan Moleküller

Bu ajanların iyi bir örneği, Bcl-2'yi hedefleyen, Bcl-2 antisens oblimer ilaç oblimersen sodyumdur. İlacın, kronik miyeloid lösemi hastalarında geleneksel antikanser ilaçlarla kombine tedavide kemo sensitize edici etkiler gösterdiği ve bu hastalarda sağkalımda iyileşme gösterdiği bildirilmiştir. Bu kategoriye dahil olan diğer örnekler, Bcl-2 protein ailesinin küçük moleküllü inhibitörleridir. Bunlar ayrıca şu şekilde sınıflandırılabilir: 1) Gen veya protein ekspresyonunu etkileyen moleküller ve 2) Proteinlerin kendilerine etki eden moleküller. Birinci grup için örnekler arasında sodyum bütirat, depsipeptit, fenretinid ve flavopiridol bulunurken, ikinci grup gossipol, ABT-737, ABT-263, GX15-070 ve HA14-1'i içerir.

Bu küçük moleküllerden bazıları, sadece BH3 proteinlerinin Bcl-2 ailesinin anti-apoptotik proteinlerinin hidrofobik oluğuna bağlanmasını taklit ettikleri için BH3 mimetikleri olarak adlandırılan başka bir ilaç sınıfına aittir. Bir BH3 mimetiklerinin klasik bir örneği, Bcl-2, Bcl-xL ve Bcl-W gibi anti-apoptotik proteinleri inhibe eden ABT-737'dir. ABT-737'nin lenfomada, küçük hücreli akciğer karsinomu hücre hattında ve birincil hastadan türetilmiş hücrelerde sitotoksisite sergilediği ve yüksek bir tedavi yüzdesi ile hayvan modellerinde yerleşik tümörlerin gerilemesine neden olduğu gösterilmiştir. ATF4, ATF3 ve NOXA gibi diğer BH3 mimetiklerinin Mcl-1'e bağlandığı ve bunları inhibe ettiği bildirilmiştir.

Alberts: Molecular Biology of the Cell, 6.Baskı, Sayfa 1032

Anti-Apoptotik Gen ve Proteinleri Susturmak

Bcl-2 ailesinin anti-apoptotik üyelerini inhibe etmek için ilaçlar veya terapötik ajanlar kullanmak yerine, bazı çalışmalar, Bcl-2 anti-apoptotik protein ailesini kodlayan genleri susturarak apoptozda bir artış sağlanabileceğini göstermiştir. Bu tarz gen sessizleştirmeleri için üstünde en çok durulan yöntem siRNA (Kısa müdahele eden RNA: İlgili olduğu gene komplementer olarak bağlanıp ifade edilmesini engelleyen RNA'lar.) kullanımıdır.

p53'ü Hedeflemek

Kanser tedavisi için birçok p53 temelli strateji araştırılmıştır. Genel olarak bunlar üç geniş kategoriye ayrılabilir:

1. Gen terapileri,
2. İlaç tedavisi,
3. İmmünoterapi

p53 Temelli Gen Terapileri

1996'daki ilk p53 gen terapisi raporu, hastalardan türetilen küçük hücreli olmayan akciğer karsinomunun tümör hücrelerine enjekte edilen, retroviral vektör kullanan yabanıl tip p53 geninin kullanımını araştırdı ve p53 bazlı gen terapisinin kullanımının mümkün olabileceğini gösterdi. Tek başına p53 geninin kullanılması tüm tümör hücrelerini ortadan kaldırmak için yeterli olmadığından, daha sonraki çalışmalar, p53 gen terapisinin diğer anti-kanser stratejileriyle eşzamanlı olarak kullanımını araştırmıştır. Örneğin, yabanıl tip p53 geninin dahil edilmesinin baş ve boyun tümör hücrelerini, kolorektal ve prostat kanserlerini ve gliomayı iyonlaştırıcı radyasyona duyarlı hale getirdiği gösterilmiştir.

p53 Temelli İlaç Tedavileri

Farklı mekanizmalar yoluyla p53'ü hedeflemek için birkaç ilaç araştırılmıştır. Bir ilaç sınıfı, mutasyona uğramış p53'ü yabanıl tip işlevlerine geri döndürebilen küçük moleküllerdir. Örneğin, küçük bir molekül ve karbazol türevi olan Phikan083'ün mutant p53'e bağlandığı ve onu eski haline getirdiği gösterilmiştir. Başka bir küçük molekül olan CP-31398'in, DNA ile ara komplekse katıldığı ve DNA-p53 çekirdek domaini kompleksini değiştirdiği ve bu domaini kararsız hale getirdiği, bunun da kararsız p53 mutantlarının restorasyonu ile sonuçlandığı bulunmuştur.

p53 Temelli İmmünoterapiler

p53 aşıları kullanılarak çeşitli klinik deneyler gerçekleştirilmiştir. Kuball ve arkadaşları tarafından yapılan bir klinik denemede, ileri evre kanserli altı hastaya, insan yabanıl tip p53 ile rekombinant replikasyon kusurlu adenoviral vektörü içeren aşı verildi. Aşılamadan 3 ay sonra takip edildiğinde, altı hastadan dördünde stabil hastalık vardı. Bununla birlikte, 7 ay sonra sadece bir hastada stabil hastalık kalmıştı. Viral bazlı aşılar dışında, dendritik hücre bazlı aşılar da klinik deneylerde denenmiştir. Svane ve arkadaşları, bir faz I klinik denemede p53 peptit ile doldurulmuş dendritik hücrelerin kullanımını test etti, altı hastadan ikisinde klinik yanıt ve altı hastanın üçünde p53'e özgü T hücresi tepkileri bildirildi.

Apoptoz Protein İnhibitörlerini (IAPs) Hedeflemek

XIAP'ı Hedeflemek

Kanserler için yeni ilaçlar tasarlarken, IAP'ler çekici moleküler hedeflerdir. Şimdiye kadar, XIAP'nin tüm IAP'ler arasında en güçlü apoptoz inhibitörü olduğu bildirilmiştir. Apoptozun iç ve dış yollarını etkili bir şekilde inhibe eder ve bunu, kaspaz-9 ve kaspaz-3 ile -7'yi bağlayarak yapar. XIAP'yi hedefleyen bazı yeni terapiler, antisens stratejileri ve kısa müdahale eden RNA (siRNA) moleküllerini içerir. Antisens yaklaşımı kullanılarak, XIAP inhibisyonunun, radyoterapi ile gelişmiş bir in vivo tümör kontrolü ile sonuçlandığı bildirilmiştir. Antikanser ilaçları ile birlikte kullanıldığında, XIAP antisens oligonükleotidlerinin, in vitro ve in vivo olarak akciğer kanseri hücrelerinde artmış kemoterapötik aktivite sergilediği gösterilmiştir.

Survivin'i Hedeflemek

Pek çok çalışma, kanser tedavisi için Survivin'i hedefleyen çeşitli yaklaşımları araştırmıştır. Bir örnek, antisens oligonükleotitlerin kullanılmasıdır. Grossman ve arkadaşları, insan melanom hücrelerinde antisens yaklaşımının kullanımını gösteren ilk kişiler arasındaydı. Anti-sens Survivin'in YUSAC-2 ve LOX malign melanoma hücrelerine transfeksiyonunun bu hücrelerde spontan apoptozla sonuçlandığı gösterilmiştir. Anti-sens yaklaşım, baş ve boyun skuamöz hücreli karsinomda da uygulanmış, apoptozu indüklediği ve bu hücreleri kemoterapiye duyarlı hale getirdiği bulunmuştur.

Kaspazları Hedeflemek

Kaspaz Temelli İlaç Terapileri

Kaspazları sentetik olarak aktive etmek için birkaç ilaç tasarlanmıştır. Örneğin Apoptin, başlangıçta tavuk anemi virüsünden türetilen ve normal hücrelerde değil, kötü huylu hücrelerde apoptozu seçici olarak indükleme kabiliyetine sahip olan kaspaz indükleyici bir ajandır. Kaspaz aktivatörleri olan diğer bir ilaç sınıfı, küçük moleküllü kaspaz aktivatörleridir. Bunlar arginin-glisin-aspartat motifini içeren peptidlerdir. Proapoptotiktirler ve doğrudan pro-kaspaz 3'ün otomatik aktivasyonunu indükleme kabiliyetine sahiptirler. Ayrıca kaspazın aktivasyon eşiğini düşürdükleri ve kaspazı aktive ederek kanser hücrelerinin ilaç duyarlılığında bir artışa katkıda bulundukları da gösterilmiştir.

Kaspaz Temelli Gen Terapileri

Kaspaz temelli ilaç tedavisine ek olarak, kaspaz temelli gen terapisi birkaç çalışmada denenmiştir. Örneğin, bir AH130 karaciğer tümörü modelinde etoposid tedavisine ek olarak insan kaspaz-3 gen terapisi kullanıldı ve yapısal olarak aktif kaspaz-3'ün HuH7 insan hepatom hücrelerine gen transferinin seçici olarak apoptozu indüklerken aynı zamanda kötü huylu tümörlerin hacmini azalttığı bulundu.