BUNĚČNÁ PROLIFERACE A DIFERENCIACE, BUNĚČNÝ CYKLUS A JEHO KONTROLA

Transkript

1 BUNĚČNÁ PROLIFERACE A DIFERENCIACE, BUNĚČNÝ CYKLUS A JEHO KONTROLA V. Vít SOUHRN Autor předkládá podrobný popis buněčného cyklu a jeho jednotlivých fází. Zabývá se způsoby a možnostmi jeho regulace SUMMARY CELL PROLIFERATION AND DIFFERENTIATION, THE CELL CYCLE AND ITS CONTROL The author offers the detailed description of the cell cycle and its individual phases. He deals with the ways and the options of its regulation. KLÍČOVÁ SLOVA buněčná proliferace a diferenciace buněčný cyklus KEY WORDS cell proliferation and differentiation cell cycle ÚVOD ANEB STRUČNÉ REPETITORIUM Z CYTOLOGIE Tam, kde vzniká buňka, tam před tím musela nějaká buňka existovat, stejně jako živočichové mohou vznikat jen z živočichů a rostliny pouze z rostlin. Tato buněčná doktrína navržená německým patologem Rudolfem Virchowem v roce 1858 ukazuje hlubokou myšlenku kontinuity života. Buňky vznikají z buněk a jedinou možnou cestou, jak vytvořit více buněk, je dělení buněk, které již existují. Všechny živé organizmy od jednobuněčných bakterií po mnohobuněčné savce jsou výsledkem opakovaného buněčného dělení a růstu již od počátku vzniku života. Buňka se rozmnožuje prováděním uspořádaného sledu akcí, během nichž zdvojí svůj obsah, a pak se dělí na dvě identické buňky. Tento cyklus duplikace a rozdělení, známý jako buněčný cyklus, je základním mechanizmem, kterým se rozmnožuje vše živé. U jednobuněčných organizmů, jako jsou bakterie nebo kvasinky, vzniká buněčným dělením celý nový organizmus, zatímco u mnohobuněčných organizmů je pro vznik nového individua zapotřebí mnoha buněčných dělení. U většiny mnohobuněčných organizmů k buněčnému dělení dochází i v průběhu života (i během dospělosti je nezbytné vyměnit, respektive doplnit buňky, které odumřely). U dospělých lidí se některé buňky obvykle vůbec nedělí (např. nervové a svalové buňky), ale mnoho jiných se dělí, i když různě rychle, např. jaterní buňky se dělí přibližně jednou za rok, zatímco epiteliální buňky výstelky střeva a mnoho z prekurzorových krevních buněk v kostní dřeni se dělí vícekrát za den. Aby vznikly dvě geneticky identické dceřiné buňky, musí dojít k replikaci DNA v každém chromozomu, a replikované chromozomy potom musí být přesně rozděleny mezi obě dceřiné buňky tak, aby každá buňka získala kopii kompletního genomu. FÁZE BUNĚČNÉHO CYKLU Eukaryontní buněčný cyklus je rozdělen do 4 fází: Nejdramatičtější je dělení jádra - mitóza a dělení na dvě dceřiné buňky v procesu nazývaném cytokineze. Oba procesy spolu tvoří M-fázi buněčného cyklu. U typické savčí buňky trvá celá M-fáze přibližně hodinu, což je pouze malá část z celkové délky buněčného cyklu. 5

2 Obr. 1. Buněčný cyklus. Obr. 3. Buněčný cyklus mitóza. Obr. 4. Buněčný cyklus mitóza. Doba mezi dvěma M-fázemi je nazývána interfáze. Interfáze je pro buňku velice rušné období, které je rozdělováno do dalších 3 fází buněčného cyklu. Během S-fáze (S = syntéza) buňka replikuje svoji jadernou DNA, což je základní předpoklad pro buněčné dělení. G 1 -fáze (G podle anglického gap 'mezera') je období mezi koncem M-fáze a začátkem S-fáze (syntézy DNA). G 2 -fáze je stadium buněčného cyklu mezi koncem S-fáze a začátkem M-fáze. Ve fázích G 1 a G 2 existují určitá období, ve kterých se buňka rozhoduje, zda přejde do další fáze, nebo zda se zastaví v této fázi buněčného cyklu, aby získala více času na přípravu. Pro savčí buňky se zdá být obecným pravidlem, že se dělí (proliferují) pouze tehdy, pokud jsou k tomu stimulovány signály od ostatních buněk. Pokud tyto signály nemají, buněčný cyklus se zastavuje v G 1 -kontrolním bodě a buňky vstupují do stavu G 0. Buňky mohou v G 0 setrvat dny, měsíce a dokonce i roky, než se znovu začnou dělit. Obr. 2. Buněčný cyklus mitóza. Obr. 5. Buněčný cyklus cytokineze. REGULACE BUNĚČNÉHO CYKLU Systém regulace buněčného cyklu musí ve správném čase aktivovat enzymy a jiné proteiny nezbytné pro provedení každého procesu a po dokončení daného procesu je musí deaktivovat. Je nutné také zajistit, aby byl každý krok cyklu dokončen dříve, než začne krok následující. Musí např. zajistit, aby byla replikace DNA ukončena před vstupem buňky do mitózy, aby byla mitóza ukončena dříve, než se buňky rozdělí na dvě buňky dceřiné, a aby nová replikace DNA nezačala dříve, než buňka projde mitózou a doroste do správné velikosti. Regulační systém reflektuje také okolní podmínky. Co je nejdůležitější, u mnohobuněčných organizmů musí regulační systém reagovat na signály od ostatních buněk, jako jsou např. stimuly k buněčnému dělení, když je potřeba více buněk. Regulační systém buněčného cyklu tak hraje klíčovou úlohu v regulaci počtu buněk v tkáních těla. U většiny buněk zahrnuje kontrolní body, ve kterých může být buněčný cyklus zastaven. Obr. 6. Buněčný cyklus apoptóza. Fáze G 0 Stav proliferačního klidu, který je podmíněn přítomností jaderného fosfoproteinu (v defosforylované podobě) označovaného jako protein Rb. Ten je produktem retinoblastoma genu, který patří mezi tzv. tumor-supresorové geny. Na udržení buňky v klidovém stadiu se podílí i další proteiny - p107, p130. Tyto 6

3 proteiny jsou někdy označovány jako proteiny s kapsou (pocket domain) - vazebným místem pro transkripční faktory ze skupiny E2F, DP1 (nutné pro expresi dalších proteinů regulujících průběh buněčného cyklu). Vazba E2F, DP1 na pocket proteiny zablokuje proliferaci a buňka setrvává v klidovém stadiu G 0. Pro spuštění buněčného cyklu je nezbytná fosforylace pocket proteinů a uvolnění transkripčních faktorů. Fosforylace je zajištěna aktivovaným komplexem proteinkinázy a příslušného cyklinu (D). Proteinkinázy jsou enzymy, které katalyzují přenos fosfátové skupiny z ATP na postranní řetězec aminokyseliny v cílovém proteinu. Proteinkinázy (1-9) jsou v dělící se buňce přítomny v průběhu celého cyklu, ale jsou aktivovány pouze v určité fázi, a poté jsou opět rychle deaktivovány. Aktivita těchto kináz tedy vzrůstá a klesá cyklickým způsobem. Za to jsou zodpovědné hlavně proteiny z druhé skupiny složek regulačního systému, tzv. cykliny (A - J, T). Cykliny samy o sobě nemají žádnou enzymovou aktivitu, ale jejich navázání na kinázy buněčného cyklu je nezbytné k enzymové aktivaci těchto kináz. Kinázy systému regulace buněčného cyklu se proto nazývají cyklin-dependentní proteinkinázy, neboli Cdk. Cykliny přišly ke svém jménu na základě skutečnosti, že na rozdíl od Cdk se jejich koncentrace v průběhu buněčného cyklu cyklicky mění. Vytvořený komplex CD-Cdk sám však ještě není schopen fosforylovat pocket protein - musí být nejdříve sám fosforylován jinou proteinkinázou - CAK (Cdk activator kinase - CH+Cdk7). Chybění prb, resp. mutace Rb genu a nadměrná exprese CD vedou k nadměrné proliferaci a k možnosti maligní transformace. Fáze G 1 Fosforylací pocket proteinů a uvolněním vazby E2F a DP1 se zahájí buněčný cyklus. Vznikem komplexu CE + Cdk2 překoná buňka tzv. restrikční bod, což znamená bezprostřední přípravu na vstup buňky do fáze S. Další děje probíhají podle vnitřního programu buňky a nepotřebují další stimulaci růstovými faktory. Podmínkou hladkého průběhu buněčného cyklu je dobrý energetický a nutriční stav buňky, dostatečný růst jejího objemu a integrita genomu. Pokud nejsou tyto podmínky splněny, buněčný cyklus se vnitřními regulačními mechanizmy zpomalí, nebo zastaví, popřípadě se taková buňka sama zničí cestou apoptózy. Nejdůležitějšími kontrolními mechanizmy této fáze jsou proteiny p53 a tzv. CKI (cyclindependent kinase inhibitors) - proteiny p15, p16, p21(ink), p21, p27, p28 (KIP). Fáze S Během fáze S jsou zdvojeny řetězce DNA a jsou syntezovány bílkovinné komponenty chromatidových řetězců - histony. Replikace chromatidových řetězců probíhá organizovaně, současně na mnoha místech a zároveň v časové posloupnosti, během níž jsou určité oblasti genomu replikovány v různých obdobích fáze S. Během fáze S pokračuje transkripce aktivních genů do mrna a probíhá přechodná exprese dalších specifických genů (např. genů kódujících molekuly histonů). Kromě současné proteosyntézy se uskutečňuje rovněž kontrola reduplikace DNA. Zjistilo se totiž, že na 10 5 správně inkorporovaných nukleotidů připadá 1 inkorporovaný nesprávně. Kontrolní čtení a opravu chybných nukleotidů zajišťují enzymy DNA-polymeráza, exonukleáza a DNA-helikáza. Na opravě chyb, které vznikají při zdvojování genetického materiálu, se podílejí ještě další mechanizmy. Je to např. systém MMR (methyl-directed mismatch repair system), systém NER (nucleotide excisionrepair system). Opravu zajišťují bílkovinné produkty specifických genů (MSH-2, MSH-3, MSH-6, MLH-I, PMS-I a PMS-2). Mutace či delece postihující tyto geny jsou časté u nádorových onemocnění, kde pak oprava vzniklých defektů v DNA vázne. Kromě toho během fáze S a bezprostředně po jejím skončení nastane v buňce děj, který nedovolí opakování replikace zdvojených chromatidových vláken (tzv. rereplikační blok), přestože jsou v jádře přítomny pro replikaci potřebné enzymy a substráty. Konce chromatidových vláken jsou přichyceny k jadernému cytoskeletu (k jaderné matrix) pomocí tzv. telomer. Telomery jsou nekódující sekvence DNA, charakterizované mnohočetným opakováním motivu TTAGGG. Tyto části chromatidových vláken nejsou na svých koncích během fáze S dokonale reduplikovány DNA-polymerázou, a proto jsou po každé fázi S chromatidová vlákna (chromozomy) o nukleotidů kratší. Opakované buněčné cykly proto znehodnocují chromatidová vlákna, což dovolí buňce jen omezený počet dělení (přibližně 50 80). Nádorové buňky obsahují enzym telomerázu, která je schopna prodlužovat telomery, a tím umožní buňkám vyšší nebo neomezený počet dělení. Fáze G 2 Fáze G 2, pro kterou je charakteristická přítomnost zdvojeného jaderného genomu a zdvojeného jaderného materiálu, je fází přípravy k vlastnímu rozdělení buňky. Avšak již během fáze S dochází ke zdvojení centrozomu v cytoplazmě buňky, tj. ke vzniku zárodků pro dva budoucí póly dělicího vřeténka. Fosforylují se proteiny sdružené s mikrotubuly a mění se jejich charakter tak, aby byly schopné vytvářet dělicí vřeténko. Ve fázi G 2 se v buňce objevuje další cyklin - cyklin B. Ten vytváří komplex s proteinkinázou Cdk-l sloužící jako kontrolní bod. Pokud je defektní nebo nedokončená replikace DNA nebo pokud není dokončena duplikace centrozomu, dojde k zablokování přechodu do fáze M. Fáze M - mitóza Před začátkem jaderného dělení neboli mitózy byl každý chromozom replikován a je tvořen dvěma identickými chromatidami (nazývanými sesterské chromatidy), které jsou po celé délce spojeny interakcemi mezi proteiny, navázanými na povrchu obou chromatid. Během mitózy jsou tyto proteiny rozštěpeny, sesterské chromatidy se pak od sebe oddělují a stávají se na sobě nezávislými dceřinými chromozomy, které jsou mitotickým vřeténkem taženy od sebe k opačným pólům buňky. Mitóza je rozdělována na 5 stadií: 1. profáze - dochází ke kondenzaci replikovaných chromozomů a vně jádra začíná vznikat mitotické vřeténko. U většiny živočišných buněk v interfázi existuje v cytoplazmě uskupení mikrotubulů vybíhajících z jediného centrozomu. Ke konci S-fáze buňka svůj centrozom duplikuje a vznikají 2 dceřiné centrozomy, které můžeme zpočátku najít u jednoho pólu jádra. Na začátku profáze se od sebe oba centrozomy oddělují a pohybují se směrem k opačným pólům buňky. Každý centrozom slouží jako organizátor vlastního svazku mikrotubulů. Oba svazky pak spolu interagují za vzniku mitotického vřeténka. Mikrotubuly, které vybíhají z centrozomu v interfázové buňce, kontinuálně polymerují a depolymerují přidáváním a ztrátou tubulinových podjednotek tvořících mikrotubulus - dynamická nestabilita. Mikrotubuly, které vybíhají z obou oddě- 7

4 Cyklin Příslušná Cdk Maximum výskytu Nádory, u kterých byly zjištěny abnormality D1 Cdk 2-6 G1 močový měchýř, lymfomy, jícen, plíce D2 Cdk 2-6 G1 testes, CLL, tlusté střevo E Cdk 2 G1-S ledviny, prostata, žaludek, tlusté střevo Inhibitor Mechanizmus účinku Nádory, u kterých byly zjištěny abnormality P16 inhibice CD/Cdk4 močový měchýř, ALL, melanom, prs, ovaria P15 inhibice CD/Cdk4/Cdk6 melanom, plíce P21 inhibice CA,CD,CE/Cdk2-6 mozek, plíce, tlusté střevo lených dceřiných centrozomů, jsou mnohem dynamičtější - změny mezi polymerací a depolymerací jsou přibližně 20krát rychlejší než u interfázových mikrotubulů. Rychle rostoucí a zkracující se mikrotubuly vybíhají z obou centrozomů do všech stran a prozkoumávají vnitřek buňky. Během profáze jsou některé z těchto mikrotubulů stabilizovány proti depolymeraci a vytvářejí vysoce organizované mitotické vřeténko. Některé mikrotubuly vyrůstající z různých centrozomů spolu interagují (polární mikrotubuly) a vzniká základní kostra mitotického vřeténka s jeho charakteristickým bipolárním tvarem. Dva centrozomy, z nichž mikrotubouly vznikají, jsou nazývány póly vřeténka. 2. prometafáze - začíná v okamžiku rozpadu jaderného obalu na malé membránové váčky. Mikrotubuly vřeténka, které byly prozatím mimo jádro, tím získávají přístup k replikovaným chromozomům a vážou se na ně. Mikrotubuly vřeténka se vážou na chromozomy díky speciálním proteinovým komplexům nazývaným kinetochory, které vznikají na chromozomech během pozdní profáze. Každý replikovaný chromozom je tvořen dvěma spojenými sesterskými chromatidami a každá chromatida má zaškrcení v oblasti se speciální sekvencí DNA. Tato oblast je nazývána centromera. Každý duplikovaný chromozom má 2 kinetochory (na každé sesterské chromatidě jeden), které směřují na opačné strany. Po rozpadu jaderného obalu se náhodné mikrotubuly setkají s kinetochorem, navážou se na ně, a tím i na celý chromozom. Tyto mikrotubuly jsou nyní nazývány kinetochorové mikrotubuly a spojují chromozomy s póly vřeténka. Protože jsou kinetochory umístěny na opačných stranách sesterských chromatid, mají tendenci připojit se k mikrotubulům opačných pólů vřeténka, takže každý replikovaný chromozom je připojen k oběma pólům vřeténka. 3. metafáze - všechny chromozomy se shromáždí v ekvatoriální rovině mitotického vřeténka a vytvářejí metafázovou destičku. V této fázi se nachází další kontrolní bod. Pro průchod tímto bodem je nezbytná degradace CB a proteinu ISS (inhibitor of sister chromatid separation). Tuto degradaci působí ubikvitin - komplex proteolytických enzymů E1, E2, E3. 4. anafáze - obě sesterské chromatidy se od sebe synchronizovaně oddělují a jsou taženy mitotickým vřeténkem k opačným pólům buňky. Tato segregace rozděluje chromozomy do 2 identických sad na opačných koncích vřeténka. Všechny oddělené chromozomy se pohybují stejnou rychlostí, obvykle 1 µm za minutu. Oddalování pólů vřeténka je doprovázeno prodlužováním polárních mikrotubulů, které polymerují na svých volných koncích. Na konci anafáze jsou dceřiné chromozomy rozděleny na 2 stejné skupiny, které se nacházejí na opačných pólech vřeténka. 5. telofáze - znovu se vytváří jaderný obal kolem každé sady chromozomů za vzniku dvou dceřiných jader. Váčky jaderné membrány se nejdříve shlukují kolem jednotlivých chromozomů a později fúzují za vzniku jaderného obalu. Jakmile znovu vznikl jaderný obal, skrze póry pronikají do jádra další jaderné proteiny, jádro roste, kondenzované mitotické chromozomy dekondenzují do svého interfázového stavu a díky této dekondenzaci může být obnovena transkripce genů. Bylo vytvořeno nové jádro a mitóza je dokončena. Vše, co buňce zbývá udělat, je rozdělit se na dvě dceřiné buňky. Cytokineze Cytokineze je proces, ve kterém je cytoplazma rozdělena na dvě části. Obvykle začíná v anafázi, ale není dokončena do té doby, než vzniknou obě dceřiná jádra. První viditelnou známkou cytokineze u živočišných buněk je svraštění plazmatické membrány a vytvoření rýhy během anafáze. Vytvářející se žlábek je vždy kolmý k podélné ose mitotického vřeténka, což zajišťuje, že se dělící rýha vytvoří mezi oběma skupinami dceřiných chromozomů - proto obě dceřiné buňky získají identickou a kompletní sadu chromozomů. Rovina buněčného dělení i načasování cytokineze jsou určeny mitotickým vřeténkem. Zatímco se v mitóze vytváří přechodná struktura tvořená mikrotubuly - mitotické vřeténko, při cytokinezi se u živočišných buněk vytváří přechodná struktura z aktinových filament - kontraktilní prstenec, který je tvořen převážně z překrývajících se svazků aktinových a myozinových filament. Jakmile prstenec vznikne, je schopný vyvinout sílu, která je vytvářena pohybem aktinových filament proti myozinovým, podobně jako je tomu při kontrakci svalu. REGULAČNÍ MECHANIZMY PROLIFERACE Proliferační aktivita buněk musí podléhat regulačním mechanizmům, které dovolí žádoucí proliferaci, ale ve vhodný okamžik ji zastaví (ontogeneze, hojení ran, fyziologická obnova buněk). Tato regulace se uskutečňuje systémem zpětné vazby různými mechanizmy, a to jak endogenními, tak exogenními: Endogenní mechanizmy jsou zakódovány přímo ve funkčním programu buňky. Jedním z nich je životnost buňky (life span limit), která je dána postupným zmenšováním telomer a zastavením buněčného dělení. U exogenních mechanizmů se podnět regulačního signálu nachází mimo buňku. Při pokusech in vitro se prokázalo, že jedním z možných faktorů je závislost proliferace na přichycení buňky k podkladu. 8

5 Adheze je zprostředkována pomocí buněčných povrchových receptorů - integrinů. Po vazbě extracelulárních proteinů na integriny dochází k autofosforylaci fokálních adhezních proteinů (FAK), mezi něž patří např. paxilin, vinkulin aj. Jejich fosforylace (aktivace) indukuje aktivitu spojených proteinkináz C a A. Při zvýšené fosforylaci dochází k urychlené proliferaci. Fosforylace FAK závisí na stimulaci různými růstovými faktory. Opačné účinky, tj. inhibici proliferace, působí onkoprotein p18, nazývaný statmin, mechanizmem depolymerizace mikrotubulů. Ta je nutná k ukončení jednoho mitotického procesu a k umožnění vstupu buňky do nové fáze G 1. Jeho zvýšená exprese však účinkem na depolymerizaci zablokuje tvorbu dělícího vřeténka, a vede k přerušení mitotického procesu. Signály, na které buňka reaguje změnou proliferační aktivity, diferenciace či apoptózou, mohou k buňce přicházet ze vzdálených míst humorální cestou endokrinní stimulace nebo ze sousedních buněk (parakrinní stimulace), popř. buňka může ovlivňovat sama sebe působkem vznikajícím v buňce (autokrinní stimulace). Je-li stimulační podnět vázán v buněčné membráně a stimuluje membránové receptory sousední buňky, hovoří se o stimulaci juxtakrinní. Konečně mohou v buňce vzniklé stimulační podněty působit fenotypickou změnu buňky, aniž by buňku opustily (např. vazbou na receptory Golgiho aparátu). Pak se jedná o stimulaci intrakrinní. Ve všech zmíněných variantách účinku signálních molekul se kromě stimulace může jednat i o potlačení určité buněčné aktivity, tj. o inhibici. DIFERENCIACE Diferenciace je pochod, při kterém buňky geneticky identické získávají odlišný fenotyp a odlišnou funkční specializaci. Diferenciací se upevňuje vzájemný kontakt buněk a jejich vztah k extracelulární matrix. Ačkoliv mechanizmy diferenciace nejsou do podrobností objasněny, je zřejmé, že jde o pochod, jehož regulace se účastní jak faktory buněčné, tak faktory extracelulární. Z buněčných faktorů je rozhodující aktivace diferenciačních genů a exprese jejich produktů. Jako příklad lze uvést geny met a myb, jejichž produkty se podílejí na diferenciaci hemopoetických prekurzorů, nebo gen Myo1 regulující diferenciaci myocytů. Předpokladem pro diferenciaci je též metylace a demetylace DNA, proto intracelulární pochody alterující metylaci DNA mohou zásadním způsobem ovlivnit diferenciační pochody. Z extracelulárních faktorů ovlivňují diferenciaci především cytokiny (bfgf, TGF-B). Také steroidní hormony, retinoidy a deltanoidy po vazbě na HRE podnítí expresi transkripčních faktorů diferenciace. Diferenciační pochod je postupný a je koordinován s proliferací, s výjimkou terminálně diferencovaných buněk. U nádorových onemocnění jsou mechanizmy diferenciace porušeny. Výsledkem je pak převaha proliferace nediferencovaných nebo nedokonale diferencovaných buněk. Buňky v konečné fázi diferenciace postupně stárnou a zanikají, nejčastěji mechanizmem apoptózy. APOPTÓZA Zajištění tkáňové homeostázy předpokládá udržení počtu buněk na určité rovnovážné hodnotě. Tato rovnováha je udržována přírůstkem a současným úbytkem buněk. Přírůstek buněk je dán proliferační aktivitou, v úbytku buněk má rozhodující význam migrace buněk nebo apoptóza. Bývá označována jako programovaná smrt buněk. Signály indukující apoptózu mohou být exogenní nebo endogenní. Mezi exogenní signály patří např.glukokortikoidy a některé cytokiny (TGF-B, TNF). Hlavním endogenním signálem je aktivace proteinu p53. Ta bývá vyvolána poškozením DNA (p53 pravděpodobně chrání organizmus před potenciálně rizikovou reprodukcí buňky s poškozenou DNA). Protein p53 indukuje expresi proteinu p21, inhibujícího Cdk (blokuje komplex cyklin E-Cdk-2 a inhibuje vstup buňky do fáze S). Charakteristickým rysem apoptózy je degradace DNA, kdežto plazmatická membrána zůstává zpočátku intaktní, obdobně jako mitochondrie. V jádře dochází ke kondenzaci chromatinu a jaderné membrány, v závěrečné fázi pak z apoptotické buňky vznikají plazmatickou membránou ohraničené vezikuly, obsahující cytoplazmu a fragmentovaný jaderný materiál (tzv. apoptotická tělíska). Poté dochází k jejich fagocytóze makrofágy a apoptotická buňka zmizí. Všechny apoptotické signály se spojí v jedinou společnou signální dráhu, na které musí buňka projít kontrolním bodem, po jehož překročení je proces apoptózy ireverzibilní. Tímto kontrolním bodem je tzv. bcl-2/bax reostat. Protein bcl-2, který je produktem genu bcl-2, chrání buňku před apoptózou. Do stejné rodiny proteinů patří i protein bax, ten však má z hlediska indukce apoptózy opačné účinky. Bax vytváří s bcl-2 heterodimer s antiapoptotickým účinkem. Při zvýšené expresi bax však vznikají homodimery bax/bax, které naopak apoptózu usnadňují. Právě poměr bcl-2 a bax rozhoduje o apoptóze. Vlastními efektory apoptotického pochodu jsou aktivované proteázy z rodin ICE (interleukin 1β converting enzyme), které štěpí inaktivní prekurzor IL-1β na aktivní cytokin. ICE se označují též jako kaspázy (aspartátové proteázy). Kaspázy postupně štěpí enzymy nutné pro reparaci DNA a aktivují endonukleázy, jež se účastní štěpení DNA. K aktivaci endonukleáz je nutná přítomnost iontů Ca 2+ v cytoplazmě. Kalcium aktivuje rovněž enzymy zvané kalpainy, které odbourávají membránové proteiny a struktury cytoskeletu Apoptóza může být indukována též ztrátou ukotvení buněk k extracelulární matrix. Pro tento pochod se používá termín anoikis. Anoikis má význam zejména pro apoptózu epitelových buněk. Kromě programované smrti buňky existuje již zmíněné replikační buněčné stárnutí, způsobené postupným zkracováním telomer. Pokud dojde ke změně v průběhu buněčného cyklu, především na základě selhání kontrolních mechanizmů, je nebezpečí vzniku maligní transformace, která je charakterizována neregulovaným růstem buněk s autonomní buněčnou proliferací a s alterací buněčné diferenciace. Nekontrolovaný růst vede ke zvětšení postižené tkáně, utlačení nebo infiltraci okolních struktur a nakonec k metastazování. V současné době jsou maligní onemocnění považována za genetická onemocnění s existencí specifických genů odpovídajících za maligní transformaci. Jedná se o mutované normální geny (protoonkogeny), které produkují onkoproteiny. Ty sice mají zachovánu svoji základní funkci, ale jsou produkovány buď v nadměrném množství (kvantitativní změna), nebo jsou kvalitativně odlišné a mají vyšší aktivitu. K mutaci dochází jednak působením zevních faktorů - mutagenů, jednak na podkladě spontánních mutací. 9

6 Kromě protoonkogenů může jít o mutaci, či chybění tumor-supresorových genů, nebo o poruchu funkce reparačních (mutátorových) genů. Výsledkem je nekontrolovaná proliferace s rychle se zvětšujícím počtem buněk. V počátečním stadiu nádorového růstu je generační čas buněk krátký a pokud se proliferace účastní všechny buňky v populaci, zdvojnásobí se objem nádoru za dobu odpovídající délce buněčného cyklu. Růstová frakce (poměr proliferujících buněk k neproliferujícím) je 100 % a růst nádoru má exponenciální charakter. Růst nádoru se postupně zpomaluje a prodlužuje se i doba buněčného cyklu ( hod ve srovnání s hod u normálních buněk). Porušená rovnováha mezi přírůstkem a zánikem buněk ve prospěch přírůstku umožňuje pozitivní růstovou bilanci i při prodlouženém generačním čase. Největší rychlost nádoru je v době, kdy dosahuje 37 % své maximální velikosti. Růstová frakce se zmenšuje a růst nádoru se postupně zastaví, současně však dojde k zahubení nositele. Zpomalení rychlosti nádorového růstu je dáno nedostatkem kyslíku, nutričních faktorů, prodlužováním buněčného cyklu a přechodem postupně většího podílu buněk do stadia G 0. Klinicky zjistitelné nádory se většinou nacházejí již mimo fázi exponenciálního růstu, a jsou poměrně značně pokročilé. Nejmenší radiologicky zjistitelný nádor je tvořen masou nádorových buněk, které prodělaly minimálně 27 zdvojení, nejmenší palpovatelný nádor 30 zdvojení. Hmotnost nádoru v této fázi je cca 1g a obsahuje cca 10 9 buněk, většinou je však diagnostikován až ve fázi, kdy obsahuje cca buněk. Nádorová populace je v této fázi již značně heterogenní, protože během růstu nádoru dochází často ke klonální divergenci a čím je nádor objemnější, tím je větší genetická nestabilita. Mutované klony jeví zpravidla větší proliferační aktivitu a postupně nabývají v nádorové populaci převahu. Mají výraznější tendenci k metastazování a jejich citlivost k protinádorové léčbě bývá omezená, což vysvětluje omezený léčebný efekt u pokročilejších nádorů. Literatura 1. Albert B, Bray D, Johnson A et al. Základy buněčné biologie, úvod do molekulární biologie buňky. Ústí nad Labem: Espero Publishing Klener P et al. Klinická onkologie. Praha: Galén Nečas O et al. Obecná biologie pro lékařské fakulty. Praha: H&H MUDr. Vítězslav Vít Urologická klinika FN Brno-Bohunice vvit@fnbrno.cz