20. Az apoptózis és az immunrendszer működése

Az immunrendszerben (központi és a centrális nyirokszervekben és szövetekben) naponta 109 nagyságrendű sejt pusztul el programozott módon a nyiroksejtek érése, válogatása és életciklusa során (a limfociták pozitív és negatív szelekciója, az immunrendszer sejt-homeosztázisának fenttartása). Ezeknek a folyamatoknak a részletes taglalása messze meghaladná ennek a tankönyvnek a kereteit és alapvetően az immunológia tantárgy kereteibe tartozik. Ebben a fejezetben csak arra szorítkozunk, hogy (az eddigieken túlmenően) néhány példán keresztül felhívjuk a figyelmet arra, milyen szoros a kapcsolat a programozott sejthalál különböző típusainak (intracelluláris „önpusztító” védelmi rendszer) és az immunrendszernek (szervezet szintű védelmi rendszer) a működése között.

A soksejtű szervezetek szöveteinek természetes életciklusa során, illetve nem kívánatos, káros hatásokra (pl. baktérium és vírusfertőzés) nagyon nagyszámú elhaló sejt veszélyeztetheti a környező, ép sejteket. Alapvető érdek tehát, hogy az apoptózissal elpusztuló sejtek által kiváltott hatások annak környezetére lokalizálódjanak, s maradványainak felszámolása minél gyorsabban, lehetőleg gyulladási folyamatok beindulása nélkül történjen. Az apoptotikus sejtek felszínének molekuláris mintázata megváltozik, így a sejtmaradványok az immunsejtek számára felismerhetők lesznek, s mivel az immunrendszer fagocitáló sejtekkel is rendelkezik, a „temetés” feladatát is elvégzi.

Az immunrendszer megfelelő válaszreakcióinak kiváltására való képesség minden sejt apoptózis során kialakuló sajátja (gain of function), ami független a sejttípustól. Hasonlóan minden sejttípus tulajdonsága az, hogy felismeri és bekebelezi az apoptotikus szomszédokat, ez tehát nem csak a professzionális fagocita (makrofág, dendritikus sejt, neutrofil granulocita) sejtek képessége, hanem egy öröklött adottság. A pusztuló és a bekebelező sejt közötti kölcsönhatások nagyon ősiek lehetnek, evolúciós konzervativizmust mutatnak és nem fajspecifikusak. Az immunrendszer működésének – a közismert „saját–nem saját” felismerés mellett – létezik egy másik dimenziója is, ez pedig az „élő–apoptotikus sejt” elkülönítésének és felismerésének képessége (20.1. ábra).

A vonalas ábra fekete-fehér, a bal alsó sarkából átlósan olvasható felirat zöld (immunszupresszió) és piros (immunstimuláció).

20.1. ábra Az immunrendszer működésének két dimenziója. A „saját” sejtek, akár élők, akár apoptózissal pusztulók, toleranciát váltanak ki (immunszupresszió), míg a „nem saját” betolakodók immunválaszt indukálnak (immunstimuláció).

Az öröklött és a szerzett immunitás

A szervezetbe bejutó antigének, patogének, vagy a megváltozott saját struktúrák immunválaszt indukálnak, az immunrendszer felismeri és semlegesíti őket, míg a saját struktúrák toleranciát váltanak ki. E működésekben az öröklött vagyveleszületett és a szerzett vagy adaptívimmunrendszer egymást támogató, kiegészítő funkciókkal rendelkezik. Az öröklöttimmunrendszer (másnéven természetes) azonnal, de nem specifikusan reagál az antigénekre, memóriája nem alakul ki. Ezzel szemben az adaptív immunitás kialakulása csak néhány nap elteltével következik be, s hogy az antigénnel való legközelebbi találkozáskor a reakció minél gyorsabb lehessen, „emléknyom”, memória hozható létre benne. Az immunrendszer két része nem egymástól függetlenül dolgozik, hiszen számos funkció összekapcsolja őket. Ilyen az antigén felvétel és annak prezentációja, valamint a válaszreakciók kiváltása. Az adaptív és természetes immunrendszer tehát egymást kiegészítve tartják fenn a szervezet immunhomeosztázisát (20.2. ábra).

Az ábra bal oldalán sárga háttér előtt naranscsárga betűkkel az öröklött, a jobb oldalon világoskék háttér előtt sötétebb kék betűkkel a szerzett immunrendszer tulajdonságai olvashatók. A két halmaz metszetében zöld a háttér és sötétzöldek a betűk.

20.2. ábra Az immunremdszer egymást támogató és kiegészítő részei az öröklött és a szerzett immunitás.

Az öröklött immunrendszer sejtjei a makrofágok, a dendritikus sejtek, a granulociták, a természetes ölősejtek; nem sejtes elemei pedig receptorok, oldott fehérjék (komplement rendszer), enzimek és peptidek. Elemei filogenetikai örökségünknek tekinthetők, a törzsfejlődés során kipróbált rendszerek és módszerek, amelyek összessége a szervezet integritását hivatott biztosítani külső betolakodók, fizikai behatások és kóros belső elváltozások ellen. Bár e rendszer – szemben a kifinomultabb szerzett vagy adaptív immunitás klonális receptoraival – nem képes molekuláris szinten alkalmazkodni az aktiváló ingerhez, mégis úgy tűnik, hogy döntő szerepet játszhat a kialakuló immunválasz minőségének meghatározásában.

Az adaptív immunrendszer elemei a T- és B-limfociták. Az antigén specifikus immunválaszt a T-sejtek indítják be, míg a B-sejteket az úgynevezett intakt antigén (bakteriális és nem bakteriális patogének felszínén levıő antigéndeterminánsok) vagy a Thelper sejtek aktiválják.

A T limfociták, mint ölő sejtek

A T limfociták egyes csoportjai, a citotoxikus T limfociták (CTL) és a természetes ölő (NK) sejtek képesek apoptózist indukálni a szervezet saját, de patogénnel fertőzött, elpusztítandó sejtjében. Erre kétféle mechanizmus szolgál. Az egyik a Fashalál receptoron keresztüli jelátvitel (erről részletesen szóltunk az 16. fejezetben), a másik az úgynevezett granzim-B útvonal (20.4. ábra).

A granzim enzimek kaszpáz jellegű aktivitással rendelkező szerin proteinázok. A T-sejt ezt az enzimet a célsejt membránjához való kötődése után juttatja be annak citoplazmájába. A bejuttatás mechanizmusa még ma sem tisztázott. A fenti limfociták kicsi, membránnal határolt granulumokat, úgynevezett szekréciós lizoszómákat szállítanak a sejtfelszínre és beltartalmukat az extracelluláris térbe ürítik. A vezikulák granzim-B (GrB) enzimeket és perforin (pore forming protein) molekulákat tartalmaznak. Önállóan egyik fehérje sem elegendő az apoptózis beindításához.

A perforin – eddig még nem teljesen tisztázott módon – alapvetően a GrB-nek a célsejt citoplazmájába juttatását segíti elő. Ez a folyamat Ca2+-ion függő, és háromféle módon történhet. Az első lehetőség az, hogy miután a granulumok exocitózissal az extracelluláris térbe kerültek (20.3.A ábra), a perforin integrálódik a célsejt membránjába, ott pórust képez és átereszti a granzim molekulákat az elpusztítandó sejt citoplazmájába (20.3.B ábra). Egy lehetséges alternatíva szerint a GrB-t egy receptor köti meg a célsejt membránján, majd a receptor-ligandum komplex a perforinnal együtt internalizálódik. Bejutva a korai endoszómába, a perforin képessé válik a pórusképzésre, a receptor pedig elengedi a ligandumát, így a szabaddá váló GrB kijuthat a citoszolba (20.3.C ábra). Felmerül az a lehetőség is, hogy a perforin és a GrB külön-külön internalizálódnak, s csak az endoszómában kerülnek egy térbe (20.3.D ábra). Bármelyik útvonal is igazolódik, a végeredmény az, hogy a kaszpáz-szerű aktivitással rendelkező GrB bekerül a célsejt citoplazmájába. Azt pedig, hogy az exocitózissal az extracelluláris térbe került perforin és GrB az elpusztítandó sejt felszínére nagy koncentrációban érkezzen, az biztosítja, hogy a T sejt felsimeri és szorosan köti a célsejtet (20.4. ábra).

A rajzsorozaton a membránok sötétkékek, a perforin lila, a granzim-B narancssárga ovális, a feltételezett receptora piros.

20.3. ábra A perforin lehetséges szerepe a granzim-B célsejtbe jutattatásában. A perforin és a GrB exocitózis során (1) együtt kerülnek ki a citotoxikus T-sejtből a sejtközötti térbe (A). A perforin beépül a célsejt membránjába és ott pórust képez, átvezeti a GrB-t a célsejt citoplazmájába (B). Lehetséges, hogy a GrB receptorhoz kötődve internalizálódik (2), s az endoszómális rendszerbe jutva válik szabaddá. Azt, hogy az internalizációja a perforinnal együtt (C) vagy attól elkülönülten (D) történik, még nem tudjuk.

A programozott sejthalál granzim-B útvonala

A granzim-B hatására beinduló molekuláris és morfológiai változások sok tekintetben nagyon hasonlatosak az apoptózis esetében megfigyeltekhez. Itt is jellemző a plazmamembrán hólyagosodása (blebbing), a kromatin kondenzáció, a DNS fragmentáció, a mitokondrium membrán-potenciál változása, illetve a citokróm-c kiáramlása.

A GrB legalapvetőbb molekuláris hatása mégis az, hogy pro-kaszpázokat képes hasítani és így aktiválni. In vivo kimutatták, hogy ezek között szerepelnek iniciátor (pro-kaszpáz-8/10) és effektor (pro-kaszpáz-3/7) enzimek is. Így a GrB a célsejt elpusztítását alapvetően a kaszpáz-függő útvonalak aktiválásán keresztül éri el, s a végrehajtó kaszpázok közreműködésével a sejtváz és a magszerkezet szétesését, valamint a kromatin állomány fragmentációját okozza (20.4. és 20.5. ábra).

A kép közepén a célsejt halványbarna, két oldalán a T-sejtek kékek. A felismerésben kulcsszerepű TCL receptorok és MHC komplexek sötétlilák, az antigének zöld kis háromszögek. A Fas szürke, a FADD barna, a kaszpázok piros (DED), barna (p20) és kék (p10) színűek. A jobb oldali T-sejtben a granzim-B enzimet barna GrB felirat jelzi.

20.4. ábra A citotoxikus T sejtek (CTL) apoptózist kiváltó mechanizmusai. A bal oldalon a halál receptor (Fas), a jobb oldalon a perforin közvetített indukció vázlata látható. Az ölő sejt a célsejtet az annak felszínén hordozott antigén (Ag)-MHC komplex alapján ismeri fel, majd aktiválja annak Fas DISC-jét, ami iniciátor és effektor kaszpázokon keresztül apoptózishoz vezet (bal oldal). A T sejt granzim-B (GrB) tartalmú vezikulákat hordoz, amelyek tartalmát a célsejtbe juttatja. A GrB közvetlenül képes effektor kaszpázokat aktiválni, illetve hasítja a Bid pro-apoptotikus Bcl-2 fehérjét, ami a mitokondriális útvonal aktivációjához vezet (jobb oldal).

Meg kell jegyezzük azonban, hogy a GrB-perforin aktiválta sejthalál során a célsejt membránja perforálódik és előbb-utóbb fellép a sejt lízise.

Egyes kísérleti adatok szerint a granzim-B citoplazmatikus szubsztrátumai közé tartozhat a Bcl-2 fehérjecsalád egyik pro-apoptotikus tagja, a Bid is (20.4. és 20.5. ábra). A csonkolt Bid (tBid) a mitokondriális sejthalál útvonal aktiválásában vesz részt. Ahogy azt korábban láttuk, ez megadja a kegyelemdöfést a célsejtnek, mivel a mitokondriumokból számos pro-apototikus fehérje kerül ki a citoplazmába, s ez rendkívüli módon felerősíti és visszafordíthatatlanná teszi a sejtpusztuláshoz vezető folyamatokat (erről l. „A külső és a belső halálszignál útvonal összekapcsolása” c. fejezetet).

Az ábra tetején a sejtközötti tér kék, a sejtmembrán sötétkék. Itt a perforin molekulák sárgák, a granzim-B halványzöld. A kaszpázok lila (kaszpáz-7), piros (kaszpáz-3) és sötétzöld (kaszpáz-6) színűek, a CAD piros, az ICAD narancssárga, a sejtváz fehérjék világoszöldek, a PARP barna, a DNS molekula sötétkék. A magváz fehérjék (laminok) halványlila vonalakkal jelzettek. A jobb alsó sarokban egy kék mitokondrium található, felette a Bid molekula zöld színű. A IAP-ok a kép felső felének bal felén rózsaszínű keretben kerültek felsorolása.

20.5. ábra A sejtbe került granzim-B enzim iniciátor kaszpázként működik, aktiválja az effektor pro-kaszpáz-7 és pro-kaszpáz-3 enzimeket. A kaszpáz-3 olyan folyamatokat indít be, amelyek a sejtváz és a magszerkezet széteséséhez és a kromatin állomány fragmentációjához vezetnek. Feltehetően szerepe van a Bid hasításában, így a mitokondriális sejthalál útvonal aktiválásában is. Az utóbbi eredményeként a mitokondriumból apoptotikus fehérjék szabadulnak ki a citoplazmába (az ábra közepén rózsaszín négyzetben látható IAP fehérje család tagjairól l. a 19. fejezetet)

Az apoptotikus sejtmaradványok eltakarítása

A szervezetben jutott kórokozók felismerésének kulcsa a rajtuk lévő molekuláris mintázatok felismerése. Az azonosítást olyan receptorok végzik, amelyek felismerik ezeket a mintázatokat és jelzik azok jelenlétét a szervezet számára. A mintázatokat patogénekhez kapcsolt molekuláris mintázatoknak (pathogen associated molecular patterns, PAMP) nevezzük, a receptorokat pedig mintázatfelismerő receptoroknak (pattern recognition receptors, PRR). A PRR-családba tartoznak az igen változatos felismerési képességekkel rendelkező Toll-szerű receptorok (Toll-like receptor, TLR), amelyek ligandumai lehetnek fehérjék, lipoproteinek, glikolipidek, lipopoliszacharidok, oligoszacharidok és ribonukleinsavak.

Az apoptózissal elpusztult sejtek maradványait professzionális makrofágok vagy a környező sejtek kebelezik be. Igen korai megfigyelés volt, hogy ez nem jár gyulladási folyamatok beindításával. A jelenség gyökere ott keresendő, hogy a makrofágok felismerik a fiziológiás sejthalállal pusztuló sejteket.

A „találj meg” szignál

Az apoptotikus sejthalál esetében a „sejthullák” eltakarítása csakúgy, mint a sejtelhalás egésze, szabályozott folyamat. Előkészítését maga a pusztuló sejt kezdeményezi.

Az apoptotikus sejt kemotaktikus „találj meg” („find me”) szignálokat bocsát ki, amelyek fagocitotikus aktivitással rendelkező sejteket (pl. szöveti makrofágok, monociták) vonzanak a közelébe (20.6. ábra). Számos szignál molekulát azonosítottak már, s úgy tűnik, hogy önmagában egyik sem elégséges a fagocita sejtek helyszínre csalogatásáért. Az első leírt faktor a lizofoszfatidil kolin (LPC) volt. Ennek megjelenése a foszfolipáz A2 kaszpáz-3 függő aktiválásának következménye – ez utóbbi felelős a foszfatidil kolin LPC-vé alakításáért. Újabban fedezték fel, hogy az apoptotikus sejtekből kis mennyiségű nukleotid (ATP és UTP) szabadul fel szabályozott módon a sejthalál korai fázisában. Ez szintén kaszpáz tevékenység következménye (pannexin csatornák nyílnak a plazmammebránban). Mivel az extracelluláris nukleotidokat szöveti nukleotidázok nagyon gyorsan lebontják, ez a jel nagyon rövid életű, s így csak a környezetben tartózkodó szöveti makrofágokra képes hatást gyakorolni. Az, hogy ezek a jelzések additív vagy szinergista módon hatnak-e a fagociáló sejtek csalogatásában, ma még nem tisztázott.

A bal felső sarokban egy sötétbarna apoptotikus sejt látható citoplazma lefűződésekkel. A kép alján egy halványbarna fagocita sejt van, aminek a „taláj meg” szignál felfogására szolgáló receptorait a sejt bal felső felszínén különböző színekkel ábrázoltuk.

20.6. ábra A „találj meg” szignalizáció. Ahalódó sejtből olyan szignálok szabadulnak fel (pl. LPC és nukleotidok), amelyek a makrofágokat odavonzzák.

A találj meg szignalizációnak van még egy hatása: képessé teszi a fagocitáló sejteket az úgynevezett „egyél meg” szignálok fogadására, s növelheti azok fagocitotikus aktivitását („étvágyát”).

Megjegyezzük, hogy a „találj meg” jelzések kis mértékben ugyan, de a gyulladásos folyamatok beindításában központi szerepet játszó neutrofil granulocitákat is mozgósíthatják. A gyulladás elkerülése alapvető cél, így feltételezhető, hogy a makrofágoknak szóló „koktélban” vannak olyan faktorok is, amik a granulociták reakcióit gátolják („stay away” szignál).

Az „egyél meg” szignál

Az apoptózis egyik korai velejárója, hogy a sejtmembrán külső felszínének molekuláris mintázata (összetétele, töltésmintázata) megváltozik. Ez nem a korábban említett patogénekhez kapcsolt mintázatok kialakulását eredményezi, felismerése nem a TLR receptorok feladata, s nem aktiválja az öröklött immunrendszer kórokozókkal szembeni fegyvertárát. Ennek az apoptotikus membrán-mintázatnak a kialakításában szerepe van egyes fehérjék glikozilációs mintázatváltozásának, eredetileg a membrán belső rétegében elhelyezkedő membrán komponensek külső rétegben, azaz a sejtfelszínen való megjelenésének.

Az „egyél meg” („eat me”) szignál legalaposabban tanulmányozott komponense a foszfatidil-szerin[9] (PtdSer). Kaszpáz aktivitás következtében sejtfelszíni mennyisége órák alatt jelentősen (280 szorosára) megemelkedik. A PtdSer mellett kalretikulin is kimutatható. A PtdrSer szükséges, de lehet, hogy önmagában nem elégséges, így mellette más jelzések is működhetnek a fagocita sejt aktivitásának fokozásához. Más membránlipidek a kaszpáz aktivitás nyomán bekövetkező oxidáció hatására módosulnak, így a komplementrendszer (C1q) kötőhelyévé válnak.

Az apoptotikus sejt plazmamembránjának egyes elemeihez szolubilis, úgynevezett pozícionáló faktorok (tethering factors) kötődnek, amik híd funkciót töltenek be. Egyik molekula részükkel a sejtfelszíni komponenshez, másik doménjükkel pedig a fagocitózisra készülő sejt valamelyik receptorához kapcsolódnak (20.7. ábra). Ilyenek a professzionális makrofágok által szekretált PtdSer-t felismerő MFG-E8 (milk fat globule epidermal growth factor 8) és a GAS-6 (growth-arrest-specific 6).

A fagocitáló sejt felszínén számtalan olyan receptort azonosítottak, amiknek szerepe van a felismerésben és kötésben. A pozícionáló faktorokat az úgynevezett pozícionáló receptorok kötik, mint amilyen a αvβ3/5-integrin és a MER (20.7. ábra). (Az eredetileg PtdSer receptorként azonosított fehérjéről időközben kiderült, hogy sejtmagi protein, s nincs közvetlen szerepe a fenti folyamatokban.) Az apoptotikus sejtekkel szemben az élő sejtek úgynevezett „ne egyél meg” szignálokat hordoznak a felszínükön.

A bal felső részen található sötétbarna apoptotikus sejt színes molekulákon keresztül kapcsolódik a fagocitáló sejthez. A jelmagyarázat a jobb felső sarokban és a kép alsó széle mentén látható.

20.7. ábra Az „egyél meg” szignalizáció. Az apoptotikus sejt felszínén megjelennek az „egyél meg” szignál komponensei, aminek része a foszfatidil-szerin (PtdSer), valamint a plazmamembrán fehérjéinek megváltozott oligoszacharid oldalláncai. A PtdSer-t több szolubilis pozícionáló faktor (MFGE8, GAS6) is felismeri, utóbbiakat pedig a makrofág felszínének megfelelő receptorai (αvβ3-integrin, MER) kötik meg.

Az „egyél meg” szignálok megkötését végző receptorok olyan szignalizációs útvonalakat aktiválnak, amelyek hatása rögtön megjelenik. A korai válaszok közé tartozik annak az NFκB útvonalnak a gátlása, ami gyulladáskeltő citokinek és kemokinek átírását serkenti (20.8. ábra). Ezzel párhuzamosan e faktorok (pl. interleukin /IL/-6, IL-8, tumor necrosis factor-α /TNFα, macrophage inflammatory protein-1a) kibocsátása is gátlás alá kerül.

A sejtmembránok sötétkékek, a bal oldalon található TLR szürke, TIR doménje vízszintesen sávozott fekete-fehér rész. A receptor köré szerveződő DISC-ben sárga és szürke fehérjék vannak. A TRAF zöld, az NF-κB sötétzöld, az inhibítora szürke. A rajz jobb oldalán az „egyél meg” szignál komponensei kék, sárga és piros színűek.

20.8. ábra Az apoptózissal pusztuló sejt felismerésének korai lépése a gyulladáskeltő faktorok átírásának gátlása. A TLR-ek közös szerkezeti eleme az intracelluláris TIR-domén. Ehhez kapcsolódik a myeloid differenciálódási 88 faktor (Myd88) nevű adapter fehérje, amelynek egy haláldoménje (DD) is van. Ligandum kötés hatására a Myd88 a haláldoménje révén kapcsolódik egy szintén haláldomént hordozó szerin/treonin-kinázzal, az IL-1R-asszociált kinázzal (IRAK). Az IRAK1 és IRAK4 foszforiláció hatására aktiválódik, és a TRAF6-hoz (TNF-receptor-asszociált 6. faktor) kapcsolódik. További lépések során az NFκB bejut a sejtmagba ésgyulladáskeltő faktorok átírását serkenti. Az apoptotikus sejtfelszín felismerése (PS–GAS-6–MER) után az NF-κB tevékenysége gátlódik (p,: plazmamembrán).

A fagocitáló makrofágban kiváltott válaszreakció későbbi lépése gyulladás ellenes (anti-inflammatory) faktorok (ilyen az IL-10, transforming growth factor-β, prostaglandin E2, platelet activating factor) expressziójának beindítását és kibocsátását biztosítja. A szekréció autokrin és egyben parakrin, célja a gyulladás csökkentő hatásnak a környezetben való szétterjesztése.

Az „egyél meg” viselkedés és az ezzel együtt járó gyulladásos folyamatok visszaszorításának kiváltására való képesség hiánya (hiba a jelfelismerésben vagy a jelátviteli útvonalban) „temetetlen holtak” megjelenéséhez és autoimmun betegségek kialakulásához vezet.

A sejtmaradványok bekebelezése

A megfelelő receptor-ligandum kötések kialakulása a fagocitáló sejt sejtváz rendszerének átrendeződésével megteremti a lehetőségét a sejtmaradvány és az apoptotikus testek teljes bekebelezésére. A makrofágban több jelátviteli útvonal is aktiválódik, amelyik az aktin váz átrendezését végző Rac1 aktivitását eredményezi. Ennek hatására a sejt képessé válik arra, hogy körülölelje, majd bekebelezze az apoptotikus testeket és az elpusztult sejt maradványát (20.9. ábra)

A bal felső részen található sötétbarna apoptotikus sejt színes molekulákon keresztül kapcsolódik az őt éppen bekebelező halványbarna fagocita sejthez. A jelmagyarázat a jobb felső sarokban és a kép alsó széle mentén látható.

20.9. ábra A sejtmaradványok bekebelezése. A már zsugorodott sejttel való kapcsolat a makrofágban olyan jelátviteli útvonalakat aktivál, amelyek célpontja az aktin váz átrendezését lehetővé tevő Rac1. Ennek hatására a sejt képessé válik arra, hogy körülölelje, majd bekebelezze az apoptotikus sejtet (A). Az egész folyamat során a makrofág gyulladásgátló jelzéseket (IL10, TGFβtransforming growth factor-β, PGE2: prostaglandin E2) is küld a környezetébe (B).

Az apoptotikus sejtmaradványok „eltakarítása” nem ér véget azok bekebelezésével. Az internalizáció „növeli az étvágyat”, s további apoptotikus törmelék felvételére készteti a makrofágot, így az egyidőben több fagoszómát „kezel”. A bekebelezett apoptotikus testek lebontásához aktiválni kell az endoszóma-lizoszóma rendszert, s időt kell arra biztosítani, hogy a bekebelezett anyag lebontódhasson (20.10. ábra).

A halványbarna fagocitáló sejt belsejében és tőle balra sötétbarna apoptotikus maradványok láthatók.

20.10. ábra A makrofág fagocitotikus aktivitásának fokozása. Az apoptotikus maradványok bekebelezése serkenti a fagoszómának az endoszóma-lizoszóma rendszer (ELR) komponenseivel való fúzióját és újabb apoptotikus testek felvételét.

A környező sejtek és az egész szervezet számára rendkívül fontos, hogy sem az apoptotikus sejthalál, sem pedig az ennek végeredményeként megjelenő sejtmaradványok eltakarítása nem vált ki gyulladásos immunreakciót, hiszen a pusztuló sejt citoplazmatikus komponensei mindvégig ép membránnal körülvett térben vannak, s ahogy láttuk, a „temetést végző” fagocitáló sejt gyulladásgátló szignálokat is kibocsát a környezetébe. A bekebelezést végző makrofágok aktivitásának fokozására azért van szükség, mert az el nem távolított apoptotikus testek mebránja egy idő után felhasad (másodlagos nekrózis): a lízis olyan molekulák felszabadulását eredményezi, amelyek szöveti roncsolódáskor szoktak megjelenni (damage-associated molecular-pattern molecules, DAMP; pl. hősokk fehérjék, nukleinsavak), és aktiválják a TLR jelátvitali útvonalakat s ezeken keresztül gyulladást indukálnak.

A piroptózis

A piroptózis kifejezést eredetileg a makrofág sejtek baktérium-infekció által indukált sejthalál formájának leírására használták. Az elnevezése arra utal, hogy egy olyan aktív sejthalál formáról van szó, amelynek a kivitelezéséhez pro-kaszpáz aktivációra (kaszpáz-1) van szükség, ugyanakkor a sejtek gyulladást indukáló interleukineket is kibocsátanak. A piroptózis tehát molekuláris szempontból programozottnak tekinthető ugyanúgy, mint az apoptózis vagy a nekroptózis.

A piroptózis morfológiai és biokémiai jellemzői

Ezt a sejthalál típust kaszpáz-1 közvetített sejthalálnak is nevezzük, miután a kivitelezésében a kaszpáz enzim család elsőként felfedezett taggjának, a kaszpáz-1 enzimnek központi szerepe van. A kaszpáz-1 eredeti neve ICE (interleukin-converting enzyme), és a piroptózis során az úgynevezett inflammaszóma komplexben történő aktiválódása gyulladást előidéző citokinek (IL-1β, IL-18) kibocsátásához vezet a piroptózis útjára lépett sejtből, még mielőtt a sejthalál bármiféle morfológiai bélyege megjelenne.

Az apoptózissal szemben, ahol a sejtmembrán a sejthalál teljes folyamata során ép marad, a piroptózis során 1–2 nm átmérőjű pórusok formálódnak a sejtmembránban, amit az aktin hálózat átrendeződése, a citoplazma duzzadása és a sejt egyes részeinek ozmotikus lízise követ. A pórusok az inflammatórikus molekulák extracelluláris térbe való kijutását biztosítják. Ilyen tekintetben a piroptózis fenotípusa nagyon hasonló a többi immunogén sejthalál (nekrózis, nekroptózis) morfológiájához.

Ugyanakkor a sejtmagban az apoptózishoz hasonlóan a kromatin kondenzációja (piknózis) és a DNS fragmentációja figyelhető meg, amely azonban nem a kaszpáz aktivált DN-áz (CAD) révén zajlik. Az még tisztázásra vár, hogy a kaszpáz független nukleázok (AIF, endonukleáz G) részt vesznek-e ebben a folyamatban.

Összességében elmondható, hogy a piroptózis mind az apoptózis, mind pedig a necroptózis bizonyos morfológiai bélyegeit mutatja (20.11. ábra).

A bal oldali sejt szürke, felső felszínén fekete halál receptorokkal. A receptor mellett egy kék mitokondrium van. Alattuk a kaszpázok narancs és sárga, valamint piros színű korongok. A CAD piros, a DNS molekula sötékék, a PARP barna. A jobb oldali piros sejtben a felső részen látható ovális a sejtbe jutott patogént sziombolizálja, alatta a kaszpáz-1 rózsaszínű korong. Mellette az ép ICAD-CAD komplex és kék mitokondrium látható.

20.11. ábra Az apoptózis és a piroptózis fő jellegzetességeinek összehasonlítása. (A magyarázatot és a részleteket l. a szövegben.)

Molekuláris sejtbiológiai szinten elmondható, hogy már a piroptózist kiváltó jel (pyroptotic trigger) is más, mint a korábban leírt sejthalál formáké (20.I. táblázat). A PAMP-szerű bakteriális peptidoglikánt vagy flaggelint az NLR (nucleotid-binding oligomerization domain-like receptors) ismerik fel. Ezek jellemző szerkezeti egysége egy leucin gazdag ismétlődésekből álló (LRR) és egy nukleotid kötő és oligomerizációért felelős (NBD) domén. Az N terminálison különböző fehérje-fehérje interakciót lehetővé tevő molekula részlet található, ami lehet kaszpáz toborzó (CARD) régió, azzal szerkezeti rokonságot mutató pirin (PYD), vagy bakulovírus IAP ismétlődéseket (BIR) tartalmazó domén (20.12. ábra).

Miután ezen molekulák némelyike nem rendelkezik kaszpáz toborzó (CARD) régióval, ezért itt is adapter molekulára van szükség ahhoz, hogy a pro-kaszpáz tartalmú aktivációs komplex összeszerelődjön. Jelen esetben ez az ASC (apoptosis-associated speck-like protein containing CARD), aminek egy CARD és egy pirin (PYD) doménje van (20.12. ábra). A komplexbe a CARD régiója alapján beépült pro-kaszpáz-1 a többi kaszpázhoz hasonlóan parciális proteolítikus folyamatok során válik „érett”, aktív enzimé.

20.I. táblázat. A programozott sejthalál típusok összehasonlítása.

TÍPUS

STIMULUS

FENOTÍPUS

KÖVETKEZMÉNY

Apoptózis

halál receptor aktiváció

DNS kérosodás

reaktiv oxigén gyökök

Piknózis, DNS fragmentáció, „blebbing”

Apoptotikus testek keletkezése, fagocitózis

Nekroptózis

TNFR1 receptor aktiváció és

XIAP gátlás (Smac)

TNFR1 receptor aktiváció és

kaszpáz gátlás

TRAILR1 + kaszpáz gátlás

Citoplazma duzzadása, sejtorganellumok duzzadása, sejtmembrán dezintegráció

A sejt beltartalmának kiáramlása

gyulladás

Piroptózis

Bakteriális fertőzés

Virális fertőzés

Infarktus

Citoplazma duzzadás, DNS fragmentáció, pórus képződés

Citokin szekréció

gyulladás

A CARD domének lilák, a BIR domének zöldek, PYD domének pirosak, az NBD domének kékek. A felső halványzöld keretben szereplő molekulák az NLR receptorok, az alattuk lévő két molekula közül a felső az adapter ASC, az alsó a pro-kaszpáz a szokásos színkódú p20 (barna) és p10 (kék) doménjeivel.

20.12. ábra Az NLR receptorok, az ASC adapter fehérje és a pro-kaszpáz-1 szerkezete. Az NLR receptorokra jellemző a leggyakrabban a C terminálison található leucin gazdag ismétlődéseket tartalmazó LRR domén és egy nukleotid-kötő és oligomerizáló (NBD) domén. Egyes receptorok rendelkeznek pro-kaszpáz toborzó CARD régióval, míg mások pirin (PYR) domént hordoznak. A NAIP (BIRC1) a IAP fehérje családba tartozó, bakulovírus IAP ismétlődéseket (BIR) tartalmazó molekula.

Az NLR fehérjék közvetlen vagy közvetett kaszpáz toborzó képességük alapján funkcionális hasonlóságot mutatnak az Apaf1 proteinnel, ami oligomerizációjával a prokaszpáz-9 iniciátor kaszpázt aktiváló apoptoszómát állítja össze. A pro-kaszpáz-1 aktiválásra képes aktivációs komplexek az inflammaszóma és a piroptoszóma. Az inflammaszóma az NLR receptortól függően kétféle szerkezetet mutat: az egyikben a pro-kaszpáz a CARD doménjén keresztül közvetlenül tud kapcsolódni a receptorhoz, míg a másikban ehhez egy adapter fehérjére van szükség (ASC, l. 20.13. ábra). Az utóbbi esetben az összeszerelődő inflammaszómában 7-7 receptor, adapter és pro-kaszpáz fehérje áll össze úgy, hogy a pro-kaszpáz molekulák kerülnek a középpontba (20.14. ábra).

A CARD domének lilák, PYD domének pirosak, az NBD domének kékek. A pro-kaszpáz p20 doménje barna, p10 doménje pedig szintén kék.

20.13. ábra Az inflammaszóma komponenseinek kapcsolódási lehetőségei. Azon receptorokhoz (pl. NLRP1 és NLRP3), amiknek nincsen kaszpáz rekrutáló CARD doménje, a prokaszpáz-1 az adapter ASC fehérjén keresztül kapcsolódik. Az ASC protein hídként épül be a receptor és a kaszpáz közé, a pro-kaszpáz molekulákat ő toborozza (felül). Vannak olyan NLRP receptorok (NLRC4, NLRP1), amik rendelkeznek CARD régióval, így önállóan képesek pro-kaszpázt kötni (alul).

Az inflammaszóma sugaras szimmetriájú komplex. Középpontjában a kaszpázok állnak, a karok végén pedig az NLR receptorokat találjuk. A CARD domének lilák, PYD domének pirosak, az NBD domének kékek. A pro-kaszpáz p20 doménje barna, p10 doménje pedig szintén kék.

20.14. ábra Az inflammaszóma felépítése. Ebben az esetben az NLR receptorhoz ASC adapter fehérje közvetítésével kapcsolódik pro-kaszpáz-1 fehérje. A rajz leegyszerűsített, nem jelzi azt, hogy az NLR molekulák a nukleotid-kötő és oligomerizáló doménjeik (NBD) segítségével állnak össze úgy, hogy a komplex alapját képezzék.

A piroptoszóma a citoplazmában aktív, receptortól független, minimum két ASC adapter fehérje köré szerveződő pro-kaszpáz tartalmú komplex (20.15. ábra).

A CARD domének lilák, PYD domének pirosak, a pro-kaszpáz p20 doménje barna, p10 doménje pedig kék.

20.15. ábra A piroptoszóma felépítése. A komplexet ASC és pro-kaszpáz-1 molekulák alkotják (a rajzon 3 adapter fehérje csak az egyszerűség kedvéért szerepel, a komplex több ASC-t is tartalmazhat.)

A piroptózis élettani jelentősége

A piroptózis szerepével kapcsolatban feltétlenül meg kell említenünk, hogy aktiválódását elsősorban mikrobiális kórokozók válthatják ki, és nem csak makrofágokban. Ugyanakkor ma már azt is tudjuk, hogy a baktérium és vírus fertőzésen túl infarktus is előidézheti, sőt, kemoterápiás kezelés során is felléphet. A rák esetében új gyógyítási lehetőséget kínál a kemoterápia és a kaszpáz-1 kontrollált aktiválásának együttes alkalmazása, amellyel serkenteni lehet a szelektív anti-tumor immunválaszt, azaz a transzformált sejtek célzott pusztulását.

Ellenőrző kérdések

  1. Milyen válaszreakciót váltanak ki az immenrendszerből az apoptotikus sejtek?

  2. A T limfociták milyen módon válthatják ki egy célsejt apoptotikus halált? Ehhez milyen receptorokat és jalátviteli útvonalakt aktiválhatnak? Mit tud a granzim enzimekről?

  3. Mutassa be az apoptózis granzim-B útvonalát!

  4. Mik az apoptotikus sejthalállal elpusztult vagy elpusztított sejtek eliminációjának fő lépései? Mit tud a „találj meg” szignálról?

  5. Mi az „egyél meg” szignál, s aktiválódásának mi a korai és későbbi következménye?

  6. Hogyan történik az apoptotikus testek és sejtmaradványok bekebelezése, s mi ennek a molekuláris sejtbiológiai háttere?

  7. Mit a piroptózis, s mik a morfológiai jellemzői?

  8. Milyen biokémiai folyamatok állnak a piroptózis hátterében? Mutassa be az NLR receptorokat!

  9. Mi a piroptoszóma és az inflammaszóma? Milyen alapon szerveződnek és mi a különbség köztük? Mi a piroptózis élettani jelentősége?

Felhasznált és ajánlott irodalom

Beug, S. T., Cheung, H. H., LaCasse, E. C., Korneluk, R. G. (2012) Modulation of immune signalling by inhibitors of apoptosis. Trends Immunol. 33(11), 535-45. doi: 10.1016/j.it.2012.06.004.

Birge, R. B., Ucker, D. S. (2008) Innate apoptotic immunity: the calming touch of death. Cell Death and Differentiation(15), 1096–1102. doi:10.1038/cdd.2008.58

Dagenais, M., Skeldon, A. Saleh, M. (2012) The inflammasome: in memory of Dr. Jurg Tschopp. Cell Death and Differentiation19, 5–12; doi:10.1038/cdd.2011.159

Devitt, A., Marshall, L. J. (2011) The innate immune system and the clearance of apoptotic cells. J. Leukoc. Biol.90, 447–457. DOI: 10.1189/jlb.0211095

Ewen, C. L., Kane, K. P. Bleackley, R. C. (2012) A quarter century of granzymes. Cell Death and Differentiation19, 28–35; doi:10.1038/cdd.2011.153

Fink, S. L., Cookson, B. T. (2007) Pyroptosis and host cell death responses during Salmonella infection. Cellular Microbiology 9(11), 2562–2570. doi:10.1111/j.1462-5822.2007.01036.x

Hochreiter-Hufford, A., Ravichandran, K. S. (2013) Clearing the Dead: Apoptotic Cell Sensing, Recognition, Engulfment, and Digestion. Cold Spring Harb Perspect Biol 2013;5:a008748 doi: 10.1101/cshperspect.a008748

Kepp, O., Galluzzi, L., Zitvogel, L. Kroemer, G. (2010) Pyroptosis – a cell death modality of its kind? Eur. J. Immunol. 2010. 40: 595–653. DOI 10.1002/eji.200940160

Krammer, P. H. (2000)CD95’s deadly mission in the immune system. Nature407, 789-795.

Labbe, K.,´ Saleh, M. (2011) Pyroptosis: A Caspase-1-Dependent Programmed Cell Death and a Barrier to Infection. I. Couillin et al. (eds.), The Inflammasomes, Progress in Inflammation Research, DOI 10.1007/978-3-0348-0148-5_2.

Miao, E. A., Rajan, J. V., Aderem, A. (2011) Caspase-1 induced pyroptotic cell death.Immunol Rev. 243(1), 206–214. doi:10.1111/j.1600-065X.2011.01044.x.

Tesniere, A., Apetoh, L., Ghiringhelli, F., Joza, N., Panaretakis, T., Kepp, O., Schlemmer, F., Zitvogel, L., Kroemer, G. (2008) Immunogenic cancer cell death: a key-lock paradigm. Current Opinion in Immunology, 20, 504–511. DOI 10.1016/j.coi.2008.05.007

Trapani, J. A. (2012) Granzymes, cytotoxic granules and cell death: the early work of Dr. Jurg Tschopp. Cell Death and Differentiation19, 21–27; doi:10.1038/cdd.2011.156

Trapani, J. A., Smyth, M. J. (2002) Functional significance of the perforin/granzyme cell death pathway. Nature Rewiev Immunology 2, 735-747. doi:10.1038/nri911



[9] Az öreg vörösvértestek felszínén is megjelenik, s jelként szolgál a keringésből való kivonásukra.