Recunoaşterea celulară, îmbătrânirea şi moartea celulelor

Recunoaşterea celulară

Se consideră că apariţia organismelor multicelulare a fost marcată de asocierea organismelor unicelulare în colonii. 

Dacă în urma fiecărei diviziuni celulele-fiice rămân asociate, ele pot forma o „colonie’".

Acest tip de comportament a fost observat şi la celulele procariote, cum ar fi Myxobacteriile, care trăind în sol formează colonii detaşate, mobile, ce se pot deplasa. S-a constatat că fiecare celulă din colonie secretă enzime de digestie, pe care colonia, ca întreg, le adună, utilizându-le mult mai eficient în nutriţia celulelor componente.

S-a presupus că acest proces ar fi avut loc doar când sursa de substanţe nutritive din mediul înconjurător s-a diminuat, determinând celulele să se asocieze într-un sistem mai eficient şi rezistent pentru supravieţuirea lor.

În cazul bacteriilor , ele au sporulat, adică s-au diferenţiat şi au reuşit să supravieţuiască chiar în situaţii ostile de mediu. Când condiţiile de mediu au redevenit favorabile, sporii bacteriilor au germinat şi au dat naştere unei noi colonii de bacterii.

În organismele eucariote , algele verzi pot exista ca organisme unicelulare sau sub formă de colonii. În funcţie de gradul de complexitate adoptat, aceste colonii se pot aranja într-o anumită ordine, prin care s-ar sugera modul de evoluţie parcurs de plante şi de animale. De exemplu, microorganismul eucariot unicelular Chlamydomonas sp. seamănă cu protozoarele flagelate, dar în citoplasma sa prezintă cloroplaste ce îi permit efectuarea fotosintezei.

Organismul eucariot Gonium sp. trăieşte în colonii de 4, 8, 16 sau 32 de celule, care se asociază între ele prin molecule secretate de fiecare în parte, formând o aşa-zisă matrice extracelulară. Celulele sunt echivalente între ele şi fiecare se poate divide pentru a forma o nouă colonie.

Figura 90 - Evoluţia de la organisme unicelulare la organisme multicelulare prin asociere, sub formă de colonii (după Voiculeţ şi Puiu, 1997)

Volvox sp . este un grup de alge verzi, care se asociază în colonii mari, sferice, formate din circa 50.000 de celule, legate între ele prin filamente citoplasmatice fine. La această specie de alge, în cadrul coloniei apare o specializare, astfel că un număr mic de celule au capacitate de reproducere, fiind celule precursoare pentru noi colonii. Celelalte celule sunt atât de dependente una faţă de alta încât dacă colonia se dezorganizează toate celulele vor muri.

Prin modul său de organizare şi de activitate, acest tip de algă este mai mult decât o simplă colonie, adică aproape un organism multicelular cu două caracteristici proprii:

• existenţa celulelor specializate
• cooperarea intercelulară.

La plantele superioare după diviziune celulele-fiice rămân conectate prin plasmodesme (filamente citoplasmatice), formând astfel o reţea rigidă de cămăruţe (celule) cu aspect de fagure. Celulele prezintă la exterior un perete celular de natură celulozică, celuloza fiind secretată de fiecare celulă în parte. Plasmodesmele au rol şi de comunicare între celulele vegetale, fiind active în transportul intercelular.

La celulele animale şi cele umane, coeziunea dintre celule o realizează o reţea de molecule organice din cadrul matricei extracelulare. Această matrice are rol esenţial în dezvoltarea, migrarea, proliferarea, forma şi funcţiile metabolice ale celulelor cu care se află într-un „ contact ” permanent.

Fibronectinele fac parte din grupul glicoproteinelor de adeziune, cu rol de a media adeziunea celulă-matrice extracelulară, de a menţine forma celulelor, în organizarea citoscheletului, iar în embriogeneză sunt implicate în migrarea şi diferenţierea celulară.

Printr-o serie de experimente s-a putut demonstra capacitatea celulelor de a se recunoaşte între ele, într-un mod specific, prin aşa-numita adeziune celulă-celulă. De exemplu, la un embrion de găină, disociat în celule independente prin tratare cu tripsină, s-a observat după câteva ore agregarea (reunirea) celulelor aflate în suspensie, prin migrare în mediul de cultură.

Cauza recunoşterii celulare

Cauza recunoaşterii celulare o constituie prezenţa glicocalixului pe suprafaţa celulelor şi a glicoproteinelor din plasmaleme, care datorită ultrastructurilor lor specifice sunt capabile să preia sau să transmită informaţii biologice.

Recunoaşterea celulară s-a pus în evidenţă prin fenomenul inhibiţiei de contact a celulelor aflate în cultură, astfel:

• celulele normale aflate în cultură manifestă o capacitate de multiplicare în monostrat, datorită contactului dintre celulele vecine şi a celulelor cu peretele vasului Petri,
• celulele tumorale (transformate, canceroase) manifestă o capacitate de multiplicare haotică, necontrolată, în straturi suprapuse de celule.

Atunci când sunt cultivate fragmente de ţesuturi normale şi tumorale, se observă mai evident poziţionarea celulelor multiplicate.

Figura 91 - Fenomenul inhibiţiei de contact la celulele normale şi pierderea lui în cazul celulelor tumorale (după Diculescu şi col., 1983)

Figura 92 - Multiplicarea şi creşterea celulară în ţesut epitelial normal şi tumoral din piele (după Becker et al., 2009)

Imbătrânirea şi moartea celulelor

În viaţa majorităţii celulelor se disting patru stadii vizibile prin filmare continuă:

Stadiul de funcţionare normală (descris deja), de la apariţia unei celule în urma diviziunii celulei-mamă, până la primele semne de degenerescenţă celulară.

Stadiul de îmbătrânire celulară (senescenţă) prezintă o serie de modificări fizico-chimice în interiorul celulelor, care apar cu mult timp înaintea modificărilor morfologice celulare.

Modificările fizico-chimice se referă la alterarea echilibrului coloidal al citoplasmei şi acidifierea pH-ului celular, perturbarea capacităţii metabolice şi a celei de auto-reînnoire.

Modificările morfologice presupun hipertrofia sau chiar atrofia nucleului şi apoi a celulei, reducerea volumului organitelor, încărcarea cu incluziuni lipidice şi cu pigmenţi, condensarea cromatinei în blocuri compacte ce dau nucleului aspect picnotic, intens bazofil, fragmentarea şi dispersarea nucleului, absenţa proliferării celulare. Procesul normal de îmbătrânire celulare este util în păstrarea homeostaziei celulare într-un ţesut, organ sau organism. Când auto-reînnoirea nu mai are loc într-o mare parte a organismului, se instalează semnele de îmbătrânire ale organismului respectiv.

Agonia celulară este un stadiu intermediar ce precede moartea celulară, care ca aspecte cito-fizico-chimice prezintă: modificări nucleare similare celulelor senescente, modificări ale organitelor şi ale plasmalemei, modificări ale mişcării pseudopodelor şi a curenţilor citoplasmatici datorate stării coloide alterate a citoplasmei (fluidificare, gelificare).

Moartea celulelor are ca efect final pierderea capacităţii celulelor de a se multiplica. Fenomenul morţii se produce instantaneu, astfel că toate modificările ce survin pot fi observate doar post-mortem: celulele devin sferice, îşi retractează pseudopodele, se observă umflarea şi dispariţia mitocondriilor, lizozomii alteraţi îşi eliberează conţinutul enzimatic în citoplasmă producând autoliza (autodigestia) celorlalte organite, inclusiv fragmentarea nucleului, membrana plasmică se fisurează şi se fragmentează deversând conţinutul citoplasmatic în spaţiul extracelular.

Cauzele morţii celulare ar fi uzura şi îmbătrânirea celulelor sau acţiunea unor agenţi nocivi. În starea de suferinţă produsă de agenţi patogeni se instalează necrobioza, atrofia şi degenerescenta celulei.

În timpul vieţii unui organism, celulele lui sunt înlocuite permanent, la diferite intervale de timp (hematii 80-120 zile, leucocite 2-12 zile, celule conjunctive 2-3 ani). În final, celulele moarte sunt fie fagocitate şi distruse prin liză de către macrofage, fie sunt eliminate la suprafaţa unor epitelii prin descuamare.

Moartea celulelor nu este sinonimă cu moartea organismului ca întreg. Se presupune că numai celulele organismelor superioare îmbătrânesc şi mor, în timp ce bacteriile şi eucariotele simple se divid mereu dacă sunt favorabile condiţiile de mediu.

Ipoteze şi teorii privind îmbătrânirea şi moartea celulară

Teoria morţii programate a celulelor

Apoptoza (apo gr.= din, de pe; ptosis gr.= cădere) semnifică în limba greacă „ căderea frunzelor la sfârşitul sezonului vegetativ”

În Biologia celulară, apoptoza reprezintă procesul fiziologic de moarte celulară programată (PCD = Programmed Cellular Death).

Procesul apoptotic se desfăşoară în toate organismele vii, începând din viaţa embrionară şi până la starea de adult, proces prin care organismele îşi elimină celulele nedorite, nocive sau funcţional anormale, dintr-un ţesut sau organ. În acest fel, se poate afirma că apoptoza nu rezultă în urma producerii unei leziuni, nu este reversibilă şi nici nocivă pentru organism, ci ea este necesară pentru menţinerea homeostaziei în limite normale.

Conceptul de ”moarte celulară programată” a fost descris de către Sydney Brenner în 1950 şi enunţat ca teorie în 1961 de către Leonard Hayflick.

Profesor de anatomie, dr. Leonard Hayflick a observat în experimentele sale pe culturi de fibroblaste că acestea se divid de un anumit număr de ori, după care mor. El a intuit că în programul genetic al celulelor este înscrisă o anumită durată de viaţă, care scade în funcţie de vârsta celulelor cultivate.

De exemplu, el a observat că dacă se instituie o cultură de fibroblaste din piele, prelevate din ţesut embrionar, acestea se divid de circa 50 de ori şi apoi cultura moare, iar dacă prelevarea s-a făcut din ţesut adult, numărul de diviziuni ajunge să scadă progresiv în funcţie de vârsta donatorului respectiv.

Profesorul Hayflick a mai constatat că dacă culturile de celule sunt congelate chiar mai mulţi ani, după decongelare acestea se vor divide exact de atâtea ori ca şi celulele de aceeaşi generaţie, dar necongelate. În acest fel se poate afirma că celulele au memorie privind programul genetic al diviziunilor. Numărul de diviziuni pe care o celulă normală îl poate realiza a fost denumit”limita Hayflick ”.

În 1972, John F. Kerr şi colaboratorii săi au propus un nou termen, cel de apoptoză, preluat din greaca veche. Studii privind apoptoza au mai efectuat John W. Saunders (1966), A. Troyer şi M.I. Fernandez-Sarabia (1975), B.C. Thompson şi colaboratorii lui (1995).

Ca sinonime pentru apoptoza celulară, se mai folosesc termenii de ”moarte celulară normală”, ”moarte celulară fiziologică” şi ”sinucidere celulară”.

Se consideră că celula dispune de mecanisme biologice şi biochimice proprii, capabile să inducă moartea ei. Astfel, apoptoza poate fi considerată un proces fiziologic care este declanşat prin activarea programelor genetice de auto-distrugere, proprii fiecărui genom celular.

Implicaţii ale morţii programate ale celulelor

Dacă nu ar avea loc anontoza . s-a calculat că pe durata vieţii unui om (circa 70 de ani) mucoasa intestinului subţire ar realiza o lungime de 32 km, iar mucoasa intestinului gros o lungime de 7 km. Celulele epiteliale din cele două mucoase amintite sunt înlocuite de circa 4.500 de ori, epiderma de aproape 1.000 de ori, iar ţesutul conjunctiv de circa 400 de ori. Măduva osoasă, care la om are o masă de circa 1,5 kg, fără lansare în circulaţie şi fără moarte celulară ar produce o cantitate de 3 tone de ţesut hematopoietic într-o viaţă de om.

Apoptoza este o formă activă de moarte celulară caracterizată prin procese biochimice şi morfologice cum ar fi: celulele individuale, enclavate în ţesutul normal, îşi pierd legătura cu celulele învecinate, cromatina se condensează rezultând fragmentarea ADN-ului nuclear, celulele se retractă prin pierderea de conţinut citoplasmatic, apar vacuole în membrana plasmică ce duc la fragmentarea ei şi a întregii celule în corpi apoptotici. În faza finală a apoptozei, celulele vecine şi macrofagele vor endocita aceşti corpi apoptotici, până la degradarea lor completă.

Procesul apoptozei este foarte rapid, durând câteva ore.

Modificările structurale proprii apoptozei au fost atribuite endo- nucleazelor Ca²+-dependente, transglutaminazelor şi proteazelor. Însă, până în prezent, nu au fost identificate endonucleazele responsabile de fragmentarea ADN-ului nuclear. Ca proces activ, apoptoza necesită energie sub formă de ATP şi sinteză de ARN şi de proteine.

Apoptoza se implică atât în procesele fiziologice, dar mai ales în cele patologice, iar cunoaşterea derulării mecanismelor ei şi clarificarea căilor biochimice de activare a programului genetic de inducere a apoptozei vor putea schimba conceptul actual privind tratamentul cancerelor sau chiar vor putea prelungi viaţa.

Genele letale

În prezent, există o evidenţă a unui set de gene ce codifică proteine cu efect letal (de sinucidere) asupra celulei ce le conţine. Astfel, la nevertebratul Caenorhabditis elegans sp. (nematod) au fost identificate genele Ced-3 şi Ced-4 cu acţiune letală [Shai Shaham şi Junying Yuan, 1994; H. Zou et al., 1997]. În cazul în care una din gene este inactivată prin mutaţie, nu se mai petrece moartea celulei. Cele două gene acţionează independent una de cealaltă pentru a produce apoptoza.

La mamifere, gena proto-oncogenă c-myc, care în mod normal stimulează diviziunea celulară, este implicată şi în inducerea apoptozei.

 Apoptoza trebuie privită ca un proces fiziologic normal de răspuns la influenţele mediului extern. Procesul este mediat de numeroase transducţii de semnale pe suprafaţa celulei, probabil printr-un program genetic îndreptat împotriva unei stări anti-proliferative.

Genele supravieţuirii

Genele supravieţuirii (anti-apoptotice) acţionează ca o frână asupra mecanismului de moarte celulară normală. Dacă prin mutaţii aceste gene sunt inactivate, multe celule care în mod normal ar trăi mai departe, vor fi supuse procesului apoptotic.

La nematodul Caenorhabditis elegans sp. s-a demonstrat că gena Ced-9 acţionează ca antagonist al apoptozei celulare [Michael O. Hengartner et al, 1992]. Activarea anormală a acestei gene (prin mutaţie) face ca apoptoza să nu se mai producă. În caz contrar, când se inactivează gena Ced-9, celula va intra sub influenţa genelor Ced-3 şi Ced-4 ce determină moartea precoce a nematodului.

Asemenea gene de supravieţuire există şi în celulele mamiferelor, la care s-a descris o proteină bcl-2 din membrana internă a mitocondriei, care în condiţii de supraexprimare inhibă apoptoza [David L. Vaux et al., 1988]. Această proteină nu stimulează diviziunea celulelor, ci favorizează supravieţuirea lor, blocându-le în interfază.

Factorii interni ce declanşează şi controlează apoptoza ar fi tiroxina, glucocorticoizii, retinoizii (molecule lipofile), antigenul Fas (timocite), care interacţionează cu receptorii nucleari şi activează transcrierea genelor implicate în inducerea apoptozei.

Factorii externi nefiziologici , ca radiaţiile ionizante, substanţele toxice, drogurile (anti-tumorale, chemoterapeutice), şocul termic, esterforbolul, ionii de calciu, acţionează şi ei ca inductori ai apoptozei.

Factorii inhibitori ai apoptozei sunt factorii de creştere, factorii de activare ai macrofagelor, factorii serici şi citokinele (a-TNF), inhibitorii sintezei de ARN, de proteine, de proteinkinază, inhibitori ai tirozin-fosforilării, inhibitori ai endonucleazelor, ai transaminazelor şi proteazelor.

În ultimii ani, a fost demonstrată existenţa unui ”ceas intern” al apoptozei, adică de inducere la un moment bine precizat, în special în cursul morfogenezei şi al dezvoltării. Aceste aspecte sunt însă foarte greu de identificat şi de urmărit, datorită faptului că atât cromatina, cât şi nucleul celulei sunt potenţial autonome în declanşarea apoptozei. Astfel, celulele fără nucleu pot declanşa apoptoza, iar nucleii pot induce modificări tipice de apoptoză în ADN-ul unor celule intacte.