อะพอพโทซิส (อังกฤษ: Apoptosis) เป็นรูปแบบหนึ่งของการตายของเซลล์แบบที่มีการโปรแกรมไว้แล้ว (programmed cell death) ของสิ่งมีชีวิตหลายเซลล์ ซึ่งเกี่ยวข้องกับชุดของปฏิกิริยาทางชีวเคมีซึ่งทำให้เซลล์ตายอย่างมีลักษณะที่เฉพาะ หรือกล่าวอย่างจำเพาะคือเป็นชุดของปฏิกิริยาทางชีวเคมีที่ทำให้เซลล์มีสัณฐานวิทยาเปลี่ยนแปลงหลายรูปแบบ เช่น การบวมของเซลล์ (blebbing) , การเปลี่ยนแปลงของเยื่อหุ้มเซลล์เช่นการเหี่ยวของเซลล์, นิวเคลียสแตกเป็นชิ้นส่วน, โครมาตินหนาตัวขึ้น, และดีเอ็นเอแตกเป็นท่อน กระบวนการกำจัดเศษซากเซลล์ก็จะไม่ทำให้เกิดการกระตุ้นให้เนื้อเยื่อข้างเคียงเกิดความเสียหายซึ่งต่างจากการตายแบบการตายเฉพาะส่วนหรือเนโครซิส (necrosis)
อะพอพโทซิสเป็นการตายที่เกิดขึ้นตามปกติในกระบวนการเจริญพัฒนาของสิ่งมีชีวิต ซึ่งต่างจากการตายเฉพาะส่วนที่เกิดจากการบาดเจ็บของเซลล์แบบเฉียบพลัน อะพอพโทซิสเกี่ยวข้องกับการพัฒนารูปร่างและอวัยวะของเอ็มบริโอ เช่นการเจริญของนิ้วมือและนิ้วเท้าเนื่องจากเซลล์ที่อยู่ระหว่างนิ้วอะพอพโทซิสไปทำให้นิ้วทั้งห้าแยกออกจากกัน โดยเฉลี่ยแล้วในผู้ใหญ่จะมีเซลล์ราว 5 หมื่นล้านถึง 7 หมื่นล้านเซลล์ตายแบบอะโพโทซิสทุกวัน และในเด็กอายุ 8-14 ปีจะมีเซลล์ตายราว 2 หมื่นล้านถึง 3 หมื่นล้านเซลล์ต่อวัน
งานวิจัยเกี่ยวกับการตายแบบอะพอพโทซิสมีจำนวนเพิ่มมากขึ้นตั้งแต่ต้นทศวรรษที่ 1990 ทำให้มีการค้นพบการตายแบบอะโพโทซิสที่ผิดปกติในโรคต่างๆ หากอะพอพโทซิสเกิดขึ้นมากเกินไปจะทำให้เกิดการฝ่อของอวัยวะ เช่นในภาวะการขาดเลือดเฉพาะที่ (ischemic damage) ในขณะที่การตายแบบอะพอพโทซิสที่ไม่เพียงพอทำให้เกิดเซลล์ที่เพิ่มจำนวนอย่างควบคุมไม่ได้ เช่นมะเร็ง
บทบาทหน้าที่ของอะพอพโทซิส
การหยุดการเจริญของเซลล์
อะพอพโทซิสจะเกิดขึ้นในเซลล์ที่เสียหายเกินกว่าจะซ่อมแซมได้ เช่น ติดเชื้อไวรัส, หรืออยู่ในภาวะกดดันเช่นการอดอาหาร ความเสียหายของดีเอ็นเอภายในเซลล์จากรังสีแตกตัว (ionizing radiation) หรือสารพิษจะชักนำให้เกิดอะโพโทซิสโดยผ่านการทำงานของยีนต้านมะเร็ง (tumour-suppressing gene) ชื่อ p53 การ "ตัดสินใจ" ของเซลล์ว่าจะเข้าสู่กระบวนการอะพอพโทซิสอาจขึ้นกับปัจจัยของเซลล์เอง, ปัจจัยของเนื้อเยื่อรอบๆ, และจากเซลล์ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของระบบภูมิคุ้มกัน ในกรณีนี้เซลล์จะเกิดการอะพอพโทซิสเพื่อกำจัดเซลล์ที่เสียหาย, เพื่อป้องกันการกระจายของไวรัส, และเพื่อลดจำนวนเซลล์ในภาวะอดอาหารเพื่อจะได้ไม่ต้องดึงอาหารจากสิ่งมีชีวิตตามลำดับ
อะพอพโทซิสยังมีบทบาทในการป้องกันมะเร็ง หากเซลล์ไม่สามารถที่จะเกิดการตายแบบอะพอพโทซิสอันเนื่องมาจากการกลายพันธุ์ (mutation) หรือการยับยั้งกระบวนการทางชีวเคมีจะทำให้เซลล์แบ่งตัวต่อเนื่องและเจริญกลายเป็นเนื้องอก ตัวอย่างเช่น การติดเชื้อ papillomavirus จะทำให้ยีนของไวรัสเข้าแทรกในโปรตีน p53 ของเซลล์ซึ่งเป็นโปรตีนสำคัญในวิถีอะโพโทซิส การรบกวนกระบวนการอะพอพโทซิสดังกล่าวเป็นปัจจัยสำคัญในการเจริญของมะเร็งปากมดลูก
ภาวะธำรงดุล
ในสิ่งมีชีวิตตัวเต็มวัย จำนวนของเซลล์จะค่อนข้างคงที่โดยกระบวนการตายของเซลล์และการแบ่งเซลล์ทดแทน เซลล์จะต้องถูกทดแทนเมื่อเซลล์นั้นเป็นโรคหรือทำหน้าที่ผิดปกติไป แต่การเพิ่มจำนวนของเซลล์ก็ต้องถูกชดเชยด้วยการตายของเซลล์ ซึ่งเป็นกระบวนการหนึ่งในภาวะธำรงดุล (homeostasis) ที่จำเป็นในสิ่งมีชีวิตเพื่อรักษาภาวะภายในร่างกายให้อยู่ในระดับที่เหมาะสม
ภาวะธำรงดุลของจำนวนเซลล์ในร่างกายเกิดขึ้นเมื่ออัตราการแบ่งเซลล์แบบไมโทซิสในเนื้อเยื่อสมดุลกับการตายของเซลล์ หากภาวะสมดุลดังกล่าวถูกรบกวน จะทำให้เกิดความผิดปกติซึ่งอาจเป็นอันตรายถึงชีวิตได้ 2 แบบ ได้แก่
- เซลล์แบ่งตัวเร็วกว่าที่เซลล์ตาย จะทำให้เกิดการเจริญไปเป็นเนื้องอก
- เซลล์แบ่งตัวช้ากว่าที่เซลล์ตาย จะทำให้เกิดความผิดปกติเกี่ยวกับการสูญเสียเซลล์
ในสิ่งมีชีวิตหลายเซลล์จะต้องมีกระบวนการอันซับซ้อนดังกล่าวเพื่อควบคุมภาวะธำรงดุลภายในร่างกายอย่างเข้มงวดเพื่อให้สามารถดำรงชีวิตต่อไปได้ ซึ่งต้องอาศัยการส่งสัญญาณของเซลล์ (cell signaling) หลายชนิด การเสียหน้าที่ของการควบคุมในขั้นตอนใดขั้นตอนหนึ่งจะทำให้เกิดความผิดปกติหรือเกิดโรคได้ เช่น การสูญเสียการควบคุมของวิถีการส่งสัญญาณ (signaling pathway) อาจทำให้เกิดสัญญาณที่มากเกินไปและก่อให้เกิดมะเร็ง ตัวอย่างที่เห็นได้ชัดคือเช่นวิถีซึ่งส่งสัญญาณต้านอะพอพโทซิสของเซลล์พบว่าสามารถกระตุ้นให้เกิดมะเร็งชนิดต่อมของตับอ่อน (pancreatic adenocarcinoma)
พัฒนาการ
Programmed cell death หรือกระบวนการตายของเซลล์ที่มีการโปรแกรมไว้เป็นส่วนหนึ่งของพัฒนาการของทั้งเนื้อเยื่อพืชและสัตว์ การเจริญเติบโตของอวัยวะหรือเนื้อเยื่อมักจะเริ่มด้วยการแบ่งเซลล์หรือการเปลี่ยนรูปร่างเซลล์ที่มากเกินควร จากนั้นจึงตามมาด้วยกระบวนการอะพอพโทซิสเพื่อปรับรูปแบบให้เนื้อเยื่อมีขนาดและรูปร่างปกติ โดยเป็นการตายของเซลล์ที่มีลักษณะเซลล์หดตัวและแตกเป็นท่อนๆ ซึ่งต่างจากการตายของเซลล์ที่เกิดจากการบาดเจ็บ การแตกเป็นท่อนๆ ทำให้ซากเซลล์สามารถถูกจับกินและนำองค์ประกอบของเซลล์กลับมาใช้ใหม่โดยไม่มีการหลั่งสารภายในเซลล์ที่ตาย (เช่น เอนไซม์) ซึ่งก่ออันตรายต่อเนื้อเยื่อข้างเคียง
ในการวิจัยเอ็มบริโอของไก่แสดงให้เห็นว่ามีการคัดเลือกการแบ่งเซลล์ (selective cell proliferation) ร่วมกับการคัดเลือกการอะพอพโทซิส (selective apoptosis) ซึ่งช่วยตกแต่งเนื้อเยื่อที่กำลังเจริญพัฒนาของสัตว์มีกระดูกสันหลัง ในระหว่างพัฒนาการของเอ็มบริโอของสัตว์ที่มีกระดูกสันหลัง โครงสร้างที่เรียกว่า โนโตคอร์ด (notochord) และ floor plate หลั่งโมเลกุลส่งสัญญาณชื่อว่า Shh ลาดความเข้มข้น (gradient) นี้จะช่วยนำพาเซลล์เพื่อประกอบเป็นโครงสร้างของนิวรัล ทูบ (neural tube) ของเอ็มบริโอ กล่าวคือเซลล์ที่ได้รับสารสื่อสัญญาณ Shh ผ่านทางตัวรับ (receptor) ชื่อว่า Patched1 (Ptc1) บนเยื่อหุ้มเซลล์จะสามารถมีชีวิตอยู่และแบ่งเซลล์ต่อไป ในทางตรงกันข้าม หากไม่มีสาร Shh ส่วนปลายด้านคาร์บอกซีของโมเลกุลตัวรับ Ptc1 ซึ่งอยู่ภายในเซลล์จะถูกตัดโดยเอนไซม์แคสเปส-3 (caspase-3) ซึ่งจะเสนอโดเมนที่กระตุ้นกระบวนการอะโพโทซิส (apoptosis-producing domain)
ในระหว่างการเจริญเติบโต กระบวนการอะพอพโทซิสจะถูกควบคุมอย่างเข้มงวด และในแต่ละเนื้อเยื่อจะมีสัญญาณในการชักนำอะพอพโทซิสที่แตกต่างกันออกไป ในนกโปรตีนที่ชื่อว่า Bone morphogenetic protein (BMP) ส่งสัญญาณชักนำอะพอพโทซิสในเนื้อเยื่อระหว่างนิ้ว ในแมลงวัน Drosophila มีสเตอรอยด์ฮอร์โมนทำหน้าที่ควบคุมการตายของเซลล์ ในทางกลับกันนัยของการเจริญเติบโตสามารถชักนำกระบวนการอะพอพโทซิส ตัวอย่างเช่นการตายของเซลล์ที่จำเพาะกับเพศ (sex-specific cell death) ของเส้นประสาท hermaphrodite specific neurons ใน C. elegans เพศผู้ผ่านทางการแสดงออกที่ลดลงของ transcription factor TRA-1 (ยีน TRA-1 ช่วยป้องกันการตายของเซลล์)
ปฏิกิริยาระหว่างกันของลิมโฟไซต์
พัฒนาการของบีเซลล์ (B cell) และทีเซลล์ (T cell) ซึ่งเป็นเซลล์ในระบบภูมิคุ้มกันทำหน้าที่ในการกำจัดสิ่งแปลกปลอมในร่างกายมนุษย์เป็นกระบวนการอันซับซ้อนซึ่งทำให้เกิดกลุ่มของเซลล์ที่มีความหลากหลาย ซึ่งอาจทำให้มีเซลล์บางเซลล์ที่ก่อให้เกิดอันตรายต่อร่างกายได้ เช่นการเกิดภูมิต้านเนื้อเยื่อตนเอง อะพอพโทซิสเป็นกลไกของร่างกายที่กำจัดเซลล์ตัวอ่อนในระบบภูมิคุ้มกันที่ไม่มีประสิทธิภาพหรือก่อให้เกิดอันตรายต่อร่างกาย โดยในทีเซลล์จะเริ่มถูกชักนำการตายโดยการขาดสัญญาณที่ช่วยดำรงชีพ (survival signal)
Cytotoxic T-cell เป็นเซลล์ในระบบภูมิคุ้มกันซึ่งสามารถชักนำอะโพโทซิสของเซลล์อื่นโดยตรงโดยการเจาะรูบนพื้นผิวของเป้าหมายและหลั่งสารเคมีซึ่งลัดเข้าสู่วิถีอะพอพโทซิส การเกิดรูบนเมมเบรนเกิดจากสารเคมีที่ชื่อ เพอร์ฟอริน (perforin) และแกรนูลซึ่งมีสาร แกรนไซม์ บี (granzyme B) ซึ่งเป็นเอนไซม์ซีรีน โปรตีเอส (serine protease) ซึ่งกระตุ้นเอนไซม์แคสเปสหลายตัวโดยการตัดส่วนแอสปาเตต เรซิดิว (aspartate residue)
กระบวนการ
กระบวนการอะพอพโทซิสถูกควบคุมโดยการส่งสัญญาณของเซลล์ (cell signalling) หลากหลายชนิดซึ่งอาจเริ่มต้นจากภายนอกเซลล์ (extrinsic inducers) หรือภายในเซลล์ (intrinsic inducers) สัญญาณจากภายนอกเซลล์ ได้แก่ ชีวพิษ (toxin) , ฮอร์โมน, โกรท แฟคเตอร์ (growth factor) , ไนตริกออกไซด์ (nitric oxide) หรือไซโตไคน์ (cytokine) ซึ่งอาจเข้ามาภายในเซลล์ผ่านพลาสมาเมมเบรนหรือผ่านตัวแปรสัญญาณ (signal transduction) เพื่อทำให้เกิดการตอบสนอง สัญญาณที่เข้ามานั้นอาจกระตุ้นหรือยับยั้งอะพอพโทซิสก็ได้
สัญญาณอะพอพโทซิสจากภายในเซลล์เป็นการตอบสนองของเซลล์ต่อภาวะกดดัน (stress) ต่างๆ และมักจะส่งผลสุดท้ายก่อให้เกิดการ "ฆ่าตัวตาย" ของเซลล์ การจับกับตัวรับ (receptor) ของนิวเคลียสของกลูโคคอร์ติคอยด์ (glucocorticoid) , ความร้อน, รังสี, การขาดสารอาหาร, การติดเชื้อไวรัส, และภาวะเลือดมีออกซิเจนน้อย (hypoxia) ทั้งหมดเป็นปัจจัยที่นำไปสู่การปล่อยสัญญาณอะพอพโทซิสภายในเซลล์จากเซลล์ที่เสียหาย องค์ประกอบภายในเซลล์จำนวนมาก เช่น poly ADP ribose polymerase สามารถช่วยควบคุมกระบวนการอะโพโทซิสได้
ก่อนที่กระบวนการตายของเซลล์จะเกิดขึ้นโดยเอนไซม์ สัญญาณอะพอพโทซิสจะต้องเชื่อมกับวิถีการตาย (actual death pathway) โดยกระบวนการของโปรตีนตัวควบคุม (regulatory proteins) ขั้นตอนนี้จะทำให้สัญญาณอะพอพโทซิสนั้นชักนำให้เซลล์นั้นเข้าสู่กระบวนการอะพอพโทซิส หรือสัญญาณนั้นถูกทำลายและเซลล์ไม่ต้องตายก็ได้ กระบวนการดังกล่าวมีโปรตีนหลายตัวที่มีส่วนเกี่ยวข้อง ซึ่งสรุปได้ว่ามี 2 วิธีหลักๆ ที่ทำหน้าที่ควบคุม คือวิถีที่ควบคุมโดยไมโทคอนเดรีย (targeting mitochondria functionality) และการแปรสัญญาณโดยตรงผ่านโปรตีนตัวปรับ (adapter proteins) ไปยังกลไกอะโพโทซิส กระบวนการเตรียมการทั้งหมดต่างต้องการพลังงานและการทำงานของเซลล์
การควบคุมโดยไมโทคอนเดรีย
ไมโทคอนเดรีย (mitochondria) เป็นออร์แกเนลล์ที่จำเป็นสำหรับสิ่งมีชีวิตหลายเซลล์ หากเซลล์ไม่มีไมโทคอนเดรียเซลล์นั้นจะหยุดการหายใจแบบใช้ออกซิเจนและตายอย่างรวดเร็ว ซึ่งนั่นเป็นหนึ่งในวิถีชักนำการตายของกระบวนการอะพอพโทซิส โปรตีนที่เกี่ยวข้องกับอะพอพโทซิสซึ่งมีเป้าหมายที่ไมโทคอนเดรียจะเข้าไปมีผลในหลากหลายทาง เช่น การทำให้ไมโทคอนเดรียบวมโดยการเจาะรูบนผิวเมมเบรน หรืออาจเพิ่มสภาพซึมผ่าน (permeability) ของเยื่อหุ้มไมโทคอนเดรียซึ่งทำให้สารควบคุมกระบวนการอะโพโทซิสรั่วออกมา นอกจากนี้ยังพบหลักฐานบ่งชี้ว่าไนตริกออกไซด์ (NO) ยังมีส่วนชักนำอะโพโทซิสโดยการลดศักย์เยื่อเซลล์ (membrane potential) ของไมโทคอนเดรียและเพิ่มสภาพซึมผ่านของเยื่อหุ้มไมโทคอนเดรีย
หลังจากที่สภาพซึมผ่านของเยื่อไมโทคอนเดรียเพิ่มขึ้น โปรตีนของไมโทคอนเดรียชื่อว่า SMACs (second mitochondria-derived activator of caspases) จะถูกปล่อยออกมายังสารน้ำในเซลล์ (cytosol) SMAC จะจับและลดการทำงานของโปรตีนต้านการอะพอพโทซิส (IAPs - inhibitor of apoptosis proteins) ซึ่งทำให้โปรตีน IAPs ไม่สามารถไปหยุดกระบวนการอะพอพโทซิส และทำให้กระบวนการนี้ดำเนินต่อไปได้ โดยปกติแล้ว IAP จะทำหน้าที่กดการทำงานของกลุ่มเอนไซม์ซิสเตอีน โปรตีเอส (cysteine protease) ที่ชื่อว่า แคสเปส (caspases) ซึ่งเป็นเอนไซม์ที่ทำหน้าที่ทำให้เซลล์เสื่อมสภาพ จะเห็นว่าการทำงานของเอนไซม์แคสเปสนั้นถูกควบคุมทางอ้อมจากสภาพซึมผ่านของไมโทคอนเดรีย
ไซโตโครม ซี (Cytochrome c) ก็เป็นอีกตัวหนึ่งที่ถูกปล่อยออกมาจากไมโทคอนเดรียจากการสร้างช่องว่างที่ชื่อ MAC ของเยื่อหุ้มชั้นนอกของไมโทคอนเดรีย และทำหน้าที่เป็นโปรตีนควบคุมเพราะมันจะเปลี่ยนรูปร่างก่อนที่จะเกิดกระบวนการอะโพโทซิส เมื่อไซโตโครม ซี ถูกปล่อยออกมาจะเข้าจับกับโปรตีน Apaf-1 และ ATP และจับกับ โปรแคสเปส-9 (pro-caspase-9) กลายเป็นโครงสร้างเชิงซ้อนที่เรียกว่าอะโพโทโซม (apoptosome) อะโพโทโซมจะย่อยโปรแคสเปสไปเป็นเอนไซม์รูปที่ทำงานได้คือ แคสเปส-9 (caspase-9) ซึ่งจะกระตุ้นการทำงานของแคสเปส-3 (caspase-3)
การแสดงออกของโปรตีน MAC ถูกควบคุมโดยโปรตีนหลายตัว เช่นยีน Bcl-2 ซึ่งเป็นกลุ่มยีนต้านอะโพโทซิสซึ่งถูกถอดรหัสในสัตว์เลี้ยงลูกด้วยน้ำนม ซึ่งมีต้นกำเนิดเหมือน (homolog) กับยีน ced-9 ซึ่งพบในC. elegans. โปรตีน Bcl-2 สามารถทำหน้าที่ส่งเสริมหรือยับยั้งอะโพโทซิสจากการควบคุมโดยตรงผ่าน MAC หรือทางอ้อมผ่านทางโปรตีนอื่นๆ น่าสนใจว่าการทำงานของโปรตีน Bcl-2 บางชนิดสามารถหยุดกระบวนการอะโพโทซิสแม้ว่าไซโตโครม ซี จะถูกปล่อยออกจากไมโทคอนเดรียแล้วก็ตาม
การแปรสัญญาณโดยตรง
ตัวอย่างที่สำคัญของการริเริ่มกลไกอะโพโทซิสโดยตรงในสัตว์เลี้ยงลูกด้วยน้ำนมได้แก่โมเดลของการชักนำโดย TNF (tumour necrosis factor) และโมเดลที่ควบคุมโดย Fas-Fas ligand ตัวแบบทั้งสองเกี่ยวข้องกับตัวรับในกลุ่ม TNF receptor (TNFR) family ที่จับกับสัญญาณจากภายนอกเซลล์
TNF เป็นไซโตไคน์ที่ถูกสร้างขึ้นมาจากเซลล์แมคโครฟาจที่ถูกกระตุ้น (activated macrophage) และนับเป็นสัญญาณภายนอกเซลล์หลักที่ควบคุมกระบวนการอะโพโทซิส เซลล์ส่วนใหญ่ในร่างกายมนุษย์มีตัวรับ 2 ชนิดที่ใช้จับกับ TNF ได้แก่ TNF-R1 และ TNF-R2 การจับกันระหว่าง TNF และ TNF-R1 จะริเริ่มวิถีซึ่งนำไปสู่การกระตุ้นแคสเปสโดยผ่านโปรตีนตัวกลางบนเมมเบรนชื่อว่า TNF receptor-associated death domain (TRADD) และ Fas-associated death domain protein (FADD) นอกจากนี้การจับกับตัวรับชนิดนี้ยังทำให้เกิดการกระตุ้น transcription factor ที่เกี่ยวข้องกับการอยู่รอดของเซลล์และการตอบสนองโดยการอักเสบ ความเชื่อมโยงระหว่าง TNF และกระบวนการอะโพโทซิสแสดงให้ทราบว่าเพราะเหตุใดความผิดปกติในการผลิต TNF จึงมีบทบาทหลักที่ทำให้เกิดโรคจำนวนมากในมนุษย์ โดยเฉพาะกลุ่มโรคภูมิคุ้มกันต่อต้านตนเอง (autoimmune disease)
ตัวรับ Fas (Fas receptor หรือ Apo-1 หรือ CD95) จับกับ Fas ligand (FasL) ซึ่งเป็นโปรตีนที่แทรกทะลุผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ (transmembrane protein) ตัวหนึ่งในกลุ่ม TNF family อันตรกิริยาระหว่าง Fas และ FasL ทำให้เกิดเป็นโครงสร้างเชิงซ้อนชื่อว่า death-inducing signaling complex (DISC) ซึ่งประกอบด้วย FADD, แคสเปส-8, และแคสเปส-10 ในเซลล์บางชนิด (ที่เรียกว่า type I) แคสเปส-8 จะเข้าไปกระตุ้นเอนไซม์ชนิดอื่นๆ ที่อยู่ในกลุ่มแคสเปส และเหนี่ยวนำให้เกิดกระบวนการอะโพโทซิส ส่วนในเซลล์อีกชนิดหนึ่ง (เรียกว่า type II) Fas-DISC จะมีกลไกย้อนกลับซึ่งทำให้เกิดการปล่อยแฟคเตอร์ที่กระตุ้นอะโพโทซิส (pro-apoptotic factors) จากไมโทคอนเดรียและเพิ่มการกระตุ้นแคสเปส-8 มากขึ้น
หลังจากการเหนี่ยวนำกระบวนการอะโพโทซิสโดยการกระตุ้น TNF-R1 และ Fas ในเซลล์ของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยน้ำนมแล้ว จะเกิดการเพิ่มจำนวนของยีนกระตุ้นอะโพโทซิส (BAX,BID, BAK, หรือ BAD) และลดจำนวนยีนต้านอะโพโทซิส (Bcl-Xl และ Bcl-2) ซึ่งยีนทั้งสองกลุ่มต่างเป็นสมาชิกในกลุ่มยีน Bcl-2 family โฮโมไดเมอร์ (homodimer) ของโปรตีนกระตุ้นอะโพโทซิสจะทำให้เยื่อหุ้มไมโทคอนเดรียมีความซึมผ่านเพื่อให้เกิดการปล่อยสารที่กระตุ้นเอนไซม์แคสเปสเช่นไซโตโครม ซี และ SMAC ออกมาจากไมโทคอนเดรียซึ่งเป็นการกระตุ้นวิถีที่ควบคุมโดยไมโทคอนเดรียอีกทางหนึ่ง ในปัจจุบันกลไกการควบคุมโปรตีนกระตุ้นอะโพโทซิสในสภาวะปกติของเซลล์ยังไม่เข้าใจแน่ชัด แต่มีการค้นพบว่าโปรตีนที่อยู่ที่เมมเบรนชั้นนอกของไมโทคอนเดรียชื่อ VDAC2 จะทำหน้าที่ควบคุมและยับยั้ง BAK ซึ่งเป็นตัวการที่ทำให้เกิดอะโพโทซิสที่สำคัญ เมื่อเซลล์ได้รับสัญญาณกระตุ้นการตาย ผลผลิตจากการกระตุ้นเอนไซม์แคสเปสจะเข้ามาแทนที่ VDAC2 และทำให้ BAK อยู่ในสภาวะที่ทำงานได้
นอกจากนี้ยังมีการค้นพบวิถีการอะโพโทซิสโดยไม่ต้องอาศัยเอนไซม์แคสเปส ซึ่งถูกควบคุมโดยแฟคเตอร์ชักนำอะโพโทซิส AIF (apoptosis-inducing factor)
ขั้นตอนการตาย
แม้ว่าจะมีกระบวนการและสารสื่อสัญญาณหลากหลายที่ชักนำให้เกิดกระบวนการอะโพโทซิส สุดท้ายกระบวนการทั้งหมดจะมารวมกันที่กลไกนี้ซึ่งทำให้เซลล์ตายอย่างแท้จริง หลังจากเซลล์ได้รับสิ่งเร้าที่เหมาะสมและผ่านการควบคุมอย่างมากมายแล้วเซลล์จะมีกระบวนการสลายออร์แกเนลล์ภายในเซลล์โดยการกระตุ้นเอนไซม์แคสเปสที่ทำหน้าที่สลายโปรตีน (proteolytic caspase) ซึ่งจะมีลักษณะรูปร่างที่จำเพาะซึ่งสามารถมองเห็นได้ภายใต้กล้องจุลทรรศน์ดังนี้
- การหดตัวของเซลล์และแตกออกเป็นชิ้นๆ รูปกลมอันเนื่องมาจากการสลายของโปรตีนไซโตสเกเลตอน (cytoskeleton) หรือโครงเซลล์โดยเอนไซม์แคสเปส
- ไซโทพลาซึม (cytoplasm) มีลักษณะหนาแน่นขึ้น และออร์แกเนลล์จะรวมตัวกันเข้าหนาแน่นขึ้น
- โครมาติน (chromatin) หดตัวแน่นขึ้นเป็นปื้นเทียบกับเยื่อหุ้มนิวเคลียสในกระบวนการที่เรียกว่า "Pyknosis" ซึ่งนับเป็นลักษณะสำคัญ (hallmark) ของอะโพโทซิส
- เยื่อหุ้มเซลล์เกิดบวมเป็นตุ่มหรือหน่อขึ้น เรียกว่า bleb
- เซลล์แตกออกเป็นเม็ดเล็กๆ หรือเวสซิเคิล (vesicles) ซึ่งมีชื่อเรียกเฉพาะว่า อะโพโทติก บอดี (apoptotic bodies) ซึ่งต่อมาจะถูกจับกิน (phagocytosed) โดยเซลล์อื่นๆ
กระบวนการอะโพโทซิสจะเกิดขึ้นอย่างรวดเร็วมากและเศษซากจากกระบวนการดังกล่าวจะถูกกำจัดออกไปอย่างรวดเร็ว ทำให้อาจตรวจพบหรือมองเห็นได้ยาก ในกระบวนการที่นิวเคลียสแตกเป็นท่อนๆ หรือ karyorrhexis เอนไซม์เอนโดนิวคลีเอส (endonuclease) จะย่อยดีเอ็นเอออกเป็นท่อนสั้นๆ ซึ่งมีขนาดแตกต่างกันเป็นจำนวนเท่า ซึ่งทำให้เมื่อนำมาทำกระบวนการอิเล็กโตรโฟรีซิส (electrophoresis) หรือการแยกสารชีวโมเลกุลด้วยไฟฟ้าจะทำให้เห็นลักษณะเป็นขั้นบันได ("laddered" appearance) บนวุ้น (agar) ลักษณะของ DNA laddering ดังกล่าวช่วยจำแนกการตายของเซลล์แบบอะโพโทซิสออกจากการตายจากการขาดเลือดเฉพาะที่ (ischemic) หรือจากสารชีวพิษ
การกำจัดซากเซลล์ที่ตาย
เซลล์ที่ตายจากกระบวนการอะโพโทซิสในขั้นตอนสุดท้ายจะมีการนำเสนอโมเลกุลบนพื้นผิวเพื่อเป็นเครื่องหมายเรียกให้เซลล์เพื่อนบ้านมาช่วยเก็บกิน เช่น ฟอสฟาทิดิลซีรีน (phosphatidylserine) ฟอสฟาทิดิลซีรีนโดยสภาวะปกติแล้วจะอยู่ที่เยื่อหุ้มเซลล์ด้านใน แต่ระหว่างการอะโพโทซิสจะถูกย้ายออกมาอยู่ด้านนอกโดยเชื่อว่าเกิดจากโปรตีนชื่อ สแครมเบลส (scramblase) โมเลกุลที่เป็นเครื่องหมายดังกล่าวจะส่งสัญญาณเรียกเซลล์ข้างเคียงที่มีตัวรับที่เหมาะสม เช่น แมคโครฟาจ (macrophage) เข้ามาเกิดการกลืนกินของเซลล์ หลังจากเซลล์ข้างเคียงถูกกระตุ้นและรับรู้แล้ว เซลล์กลืนกิน (phagocyte) จะจัดเรียงไซโตสเกเลตอนใหม่เพื่อโอบกินเซลล์ตาย การกำจัดเศษซากเซลล์ที่ตายโดยเซลล์กลืนกินจะไม่ก่อให้เกิดกระบวนการอักเสบ
บทบาทของอะโพโทซิสต่อโรคต่างๆ
ความบกพร่องของวิถีอะโพโทซิส
วิถีของกระบวนการอะโพโทซิสมีจำนวนมากมายซึ่งประกอบด้วยองค์ประกอบทางชีวเคมีจำนวนมาก ซึ่งหลายอย่างที่ยังไม่มีคำอธิบายที่ชัดเจน อย่างไรก็ตามการเปลี่ยนแปลงหรือความผิดปกติขององค์ประกอบใดองค์ประกอบหนึ่งมีผลกระทบต่อองค์ประกอบอื่นๆ ในวิถี ในสิ่งมีชีวิตความผิดปกติดังกล่าวจะมีผลกระทบอย่างรุนแรงและเกิดโรคหรือความผิดปกติได้ การจะอธิบายทุกโรคที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงของวิถีอะโพโทซิสนั้นเป็นไปไม่ได้ แต่ทุกโรคนั้นมีหลักการของสาเหตุที่เหมือนกัน นั่นคือวิถีอะโพโทซิสปกติถูกรบกวนทำให้เซลล์มีความผิดปกติในการเข้าสู่การตายแบบอะโพโทซิสตามปกติ ซึ่งทำให้เซลล์นั้นเป็นอมตะและสามารถแบ่งตัวอย่างควบคุมไม่ได้และเพิ่มโอกาสเกิดความผิดปกติของสารพันธุกรรม เพิ่มโอกาสที่เซลล์นั้นจะกลายเป็นมะเร็งหรือก่อโรคได้
ตัวอย่างที่แสดงถึงแนวความคิดดังกล่าวพบในการเจริญของมะเร็งปอดชนิด NCI-H460 ยีนที่ชื่อว่า X-linked inhibitor of apoptosis protein (XIAP) มีการแสดงออกเพิ่มมากขึ้นในเซลล์ตระกูล H460 cell line โปรตีน XIAPs จับกับเอนไซม์แคสเปส-9 และกดการทำงานของไซโตโครม ซี ซึ่งเป็นโปรตีนกระตุ้นอะโพโทซิส ทำให้สารกระตุ้นอะโพโทซิสลดลงและสารต้านอะโพโทซิสเพิ่มมากขึ้น เซลล์ที่มีความเสียหายจะแบ่งตัวเพิ่มแทนที่จะถูกทำลายและกลายเป็นมะเร็งในที่สุด
การขาดการควบคุมจากยีน p53
โปรตีนต้านมะเร็ง p53 จะมีการสะสมมากขึ้นเมื่อดีเอ็นเอเสียหายจากปฏิกิริยาเคมีต่างๆ โดยผ่านวิถีซึ่งมีแอลฟา-อินเตอร์เฟอรอน (alpha-interferon) และบีตา-อินเตอร์เฟอรอน (beta-interferon) ซึ่งจะชักนำให้เกิดการถอดรหัส (transcription) ยีน p53 และเพิ่มระดับโปรตีน p53 ซึ่งช่วยส่งเสริมให้เซลล์มะเร็งเกิดการตายแบบอะโพโทซิส โปรตีน p53 จะหยุดยั้งการแบ่งตัวเพิ่มจำนวนของเซลล์โดยการหยุดวัฏจักรเซลล์ที่ระยะ G1 หรืออินเตอร์เฟส (interphase) เพื่อให้เซลล์มีการซ่อมแซมหรือชักนำให้เกิดการตายหากความเสียหายนั้นมากเกินและซ่อมแซมไม่ได้ การขาดการควบคุมจากยีน p53 หรือยีนอินเตอร์เฟอรอนจะทำให้กระบวนการอะโพโทซิสเกิดไม่ได้และอาจเกิดการเปลี่ยนแปลงเป็นเซลล์มะเร็ง
การดำเนินโรคของ HIV
การดำเนินโรคของไวรัสเอชไอวีหรือโรคเอดส์นั้นโดยหลักเกิดจากการลดจำนวนของลิมโฟไซต์ชนิด CD4+ T-helper cell และทำให้ระบบภูมิคุ้มกันบกพร่อง กลไกหนึ่งที่ทำให้เซลล์ T helper cell ลดลงนั้นเนื่องจากกระบวนการอะโพโทซิส อันเกิดจากวิถีชีวเคมีหลากหลายอย่าง ได้แก่
- เอนไซม์ของไวรัส HIV ยับยั้งยีนต้านอะโพโทซิส Bcl-2 และกระตุ้นยีนกระตุ้นอะโพโทซิส โปรแคสเปส-8 (procaspase-8) แม้ว่ากลไกดังกล่าวไม่ได้ทำให้เซลล์ตายโดยตรงแต่เป็นการเตรียมเซลล์ให้เกิดอะโพโทซิสหลังจากได้รับสัญญาณกระตุ้น
- ผลผลิตจากเชื้อ HIV จะเพิ่มระดับของโปรตีนในเซลล์ซึ่งสนับสนุนให้เกิดกระบวนการอะโพโทซิสที่ควบคุมโดย Fas
- โปรตีนของเชื้อ HIV ลดจำนวนการแสดงออกของโมเลกุลไกลโคโปรตีน CD4 บนเยื่อหุ้มเซลล์
- การปลดปล่อยอนุภาคและโปรตีนของไวรัสออกมาภายนอกเซลล์ ชักนำกระบวนการอะโพโทซิสใน T-helper cell ตัวอื่นๆ
- ไวรัส HIV ลดการผลิตโมเลกุลที่เป็นเครื่องหมาย (marker) ให้เกิดกระบวนการอะโพโทซิส จึงชะลอเวลาให้ไวรัสสามารถแบ่งตัวเพิ่มจำนวนและปล่อยสารอะโพโทซิส (apoptotic agent) และวิริออน (virion) ออกมายังเนื้อเยื่อรอบข้าง
- เซลล์ CD4+ ที่ติดเชื้อสามารถรับสัญญาณกระตุ้นการตายจาก cytotoxic T cell ทำให้เกิดอะโพโทซิส
นอกจากเซลล์ที่ติดเชื้อจะตายจากกระบวนการอะโพโทซิสแล้ว ยังจะตายจากผลของการติดเชื้อไวรัสโดยตรงได้อีกด้วย
การติดเชื้อไวรัส
ไวรัสสามารถกระตุ้นให้เซลล์ที่ติดเชื้อเกิดอะโพโทซิสได้โดยกลไกหลากหลาย เช่น
- การจับกับตัวรับ (receptor binding)
- การกระตุ้น protein kinase R (PKR)
- อันตรกิริยากับโปรตีน p53
- การแสดงออกของโปรตีนไวรัสร่วมกับโปรตีน MHC บนพื้นผิวของเซลล์ที่ติดเชื้อไวรัส ซึ่งทำให้เซลล์ในระบบภูมิคุ้มกันเช่น NK cell หรือ cytotoxic T cell รับรู้ และตอบสนองโดยชักนำให้เซลล์ติดเชื้อเกิดอะโพโทซิส
ไวรัสส่วนใหญ่จะถอดรหัสโปรตีนซึ่งยับยั้งกระบวนการอะโพโทซิส ไวรัสหลายชนิดสร้างโปรตีนซึ่งมีต้นกำเนิดเหมือน (homolog) กับ Bcl-2 ซึ่งสามารถยับยั้งโปรตีนกระตุ้นอะโพโทซิส (pro-apoptotic protein) เช่น BAX และ BAK ตัวอย่างของโปรตีน Bcl-2 ของไวรัสเช่นโปรตีน BHRF1 ของเอพสไตน์-บารร์ไวรัส (Epstein-Barr virus) หรือโปรตีน E1B 19K ของอะดีโนไวรัส (adenovirus) ไวรัสบางชนิดแสดงออกโปรตีนที่ยับยั้งเอนไซม์แคสเปส เช่นโปรตีน CrmA ของไวรัสฝีดาษวัว (cowpox) ในขณะที่ไวรัสหลายชนิดสามารถยับยั้งการทำงานของ TNF และ Fas ตัวอย่างเช่นโปรตีน M-T2 ของมิกโซมาไวรัส (myxoma viruses) สามารถจับกับ TNF เพื่อป้องกันไม่ให้ TNF จับกับตัวรับได้ นอกจากนี้ไวรัสหลายชนิดแสดงออกโปรตีนที่ยับยั้ง p53 ซึ่งทำให้ p53 ไม่สามารถชักนำการแสดงออกของโปรตีนกระตุ้นอะโพโทซิส (pro-apoptotic proteins) และไม่สามารถชักนำให้เซลล์เกิดกระบวนการอะโพโทซิสได้ ตัวอย่างเช่นโปรตีน E1B-55K ของอะดีโนไวรัสและโปรตีน HBx ของไวรัสตับอีกเสบ บี
น่าสนใจว่าไวรัสนั้นยังคงอยู่ภายในเซลล์ที่เกิดอะโพโทซิสโดยไม่ได้รับความเสียหายโดยเฉพาะอย่างยิ่งในระยะท้ายๆ ของการติดเชื้อ ไวรัสสามารถถูกขับออกมาอยู่ภายใน อะโพโทติก บอดี ที่แยกออกมาจากพื้นผิวของเซลล์ที่กำลังตาย และถูกจับกินโดยเซลล์ข้างเคียงซึ่งทำให้เกิดการกระจายของไวรัสยังเซลล์อื่นๆ ต่อไป
ดูเพิ่ม
แหล่งข้อมูลอื่น
- Apoptosis & Caspase 3, The Proteolysis Map – animation
- Apoptosis & Caspase 8, The Proteolysis Map – animation
- Apoptosis & Caspase 7, The Proteolysis Map – animation
- Apoptosis MiniCOPE Dictionary – list of apoptosis terms and acronyms
- Apoptosis (Programmed Cell Death) – The Virtual Library of Biochemistry, Molecular Biology and Cell Biology
- Apoptosis Research Portal
- Apoptosis Info Apoptosis protocols, articles, news, and recent publications.
- Database of proteins involved in apoptosis
- Apoptosis Video
- Apoptosis Video (WEHI on YouTube )
- The Mechanisms of Apoptosis เก็บถาวร 2018-03-09 ที่ เวย์แบ็กแมชชีน Kimball's Biology Pages. Simple explanation of the mechanisms of apoptosis triggered by internal signals (bcl-2), along the caspase-9, caspase-3 and caspase-7 pathway; and by external signals (FAS and TNF), along the caspase 8 pathway. Accessed 25 March 2007.
- WikiPathways – Apoptosis pathway เก็บถาวร 2008-09-16 ที่ เวย์แบ็กแมชชีน
- "Finding Cancer's Self-Destruct Button". CR magazine (Spring 2007). Article on apoptosis and cancer.
- Xiaodong Wang's lecture: Introduction to Apoptosis เก็บถาวร 2013-10-29 ที่ เวย์แบ็กแมชชีน
- Robert Horvitz's Short Clip: Discovering Programmed Cell Death
- The Bcl-2 Database เก็บถาวร 2013-10-23 ที่ เวย์แบ็กแมชชีน
- DeathBase: a database of proteins involved in cell death, curated by experts
- European Cell Death Organization
- Apoptosis signaling pathway created by Cusabio