Rakkude diferentseerumine

Üksik viljastatud munarakk annab aluse keerulisele hulkraksele organismile, kus on väga palju erinevat tüüpi rakke. Kõrgematel loomadel on selgelt eristatavad üle 200 raku tüübi, paljud neist sisaldavad omakorda suure arvu raskemini eristatavaid alapopulatsioone.
Rakkude diferentseerumine on uute ning erinevat tüüpi rakkude produtseerimine õiges kohas, õigel ajal ja õiges hulgas. Rakkude diferentseerumine on aluseks sellistele protsessidele nagu embrüogenees, organogenees, samuti täiskasvanud organismis status quo säilitamine. Rakkude diferentseerumise juures võib välja tuua järgmised üldreeglid:
1.Diferentseerumine tähendab geenide valikulist ekspressiooni. Antud organismi kõik rakud, vaatamata nende väga erinevale diferentseerituse astmele, sisaldavad täpselt ühesugust genoomi (v.a. üksikud erandid: imetajate erütrotsüüt kaotab diferentseerumise käigus üldse oma genoomi, sest tuum visatakse rakust välja, B-lümfotsüütides toimuvad mõningad ümberkorraldused DNA-s, alamate selgrootute somaatilistes rakkudes võib diferentseerumise käigus kaotsi minna osa geneetilist materjali). Erinevalt diferentseerunud rakkudes on geenide ekspressioon erinev - nad sisaldavad erinevaid mRNA-sid ja seetõttu ka erinevaid sünteesitud valke. Kuidas toimub geenide valikuline aktivatsioon, seda on alles viimasel ajal hakatud täpsemini mõistma. Praeguseks on iseloomustatud paljusid transkriptsiooni faktoreid, mis kontrollivad teatud kindlate geenide ekspressiooni. Heaks näiteks siinkohal on myoD regulaatorgeenide perekond. MyoD regulaatorvalgul on näidatud transkriptsiooni aktiveeriv domään, DNA-ga seostumist määrav domään ja valgu see osa, mis võimaldab seostumist teiste regulaatorvalkudega. MyoD perekonna geenid kontrollivad skeletilihasrakkude eellaste (paiknevad varajase embrüo somiitides) diferentseerumist küpseteks skeletilihasrakkudeks. Diferentseerunud skeletilihasrakk erineb teistest rakkudest paljude iseloomulike valkude sünteesi poolest: aktiini, müosiini, tropomüosiini, troponiini lihasspetsiifilised isovormid, atsetüülkoliini retseptorid, kreatiinkinaas jt. Kogu see sündmuste ahel, mis viib skeletilihasrakkude diferentseerumisele, on eksperimentaalselt indutseeritav näit. koekultuuris kasvavates fibroblastides (normaalselt fibroblast kunagi ei ekspresseeri skeleti lihasrakkudele spetsiifilisi valke), viies neisse sisse myoD1 geeni. Selle tulemusel fibroblast muutub skeletilihasrakuks. MyoD1 on pearegulaatorgeen, mis lülitab sisse antud diferentseerumisraja. Drosophila'l tuntakse nn. homeootilisi mutatsioone, mis muudavad kärbse ühe kehaosa teiseks. Üks taoline mutatsioon nn. Antennapedia põhjustab tundla asemele jala tekke. Põhjus on selles, et teatud rakkude grupis, mis peaksid arenema tundlaks, ekspresseeritakse ebanormaalselt regulaatorvalku, mis lülitab sisse jäseme diferentseerumise. Inimesel tuntakse mutatsiooni Tfm (testikulaarne feminisatsioon), mis põhjustab testosterooni retseptori puudumist. Patsiendid on geneetiliselt mehed, normaalsete testosterooni tootvate testistega, väliselt on nad aga naised. Kuna kudedes puudub testosterooni retseptor, siis hormoon ei saa toimida ja kogu sekundaarne e. ekstragonaadne sooline areng toimub naisele iseloomulikult. See näitab, et testosterooni retseptor on pearegulaator, mis kontrollib kogu isassoo sekundaarset soolist diferentseerumist iseloomustavat tunnustekompleksi.
2. Rakkude diferentseerumisega kaasneb tihti nende jagunemisvõime vähenemine. Reeglina terminaalselt diferentseerunud rakud kas ei jagune üldse või jagunevad vähem kui neid moodustanud eellasrakud (näit. vereloome tüvirakud - diferentseerunud vererakud; müoblastid - skeletilihasrakud). See on seletatav sellega, et paljudes diferentseerunud rakkudes on jagunemine võimatu tänu nende ehituslikele eripäradele (müofibrillide kuhjumine skeleti- ja südamelihasrakus teeb võimatuks tsütokineesi toimumise, tuuma kaotsiminek naha epidermise välimise kihi rakkudes või erütrotsüütides , võimatu on ka ettekujutada näit. 50 cm pikkuse aksoniga lihasrakku innerveeriva närviraku jagunemist, ilma et sellega ei kaasneks spetsiifilise rakufunktsiooni häirumist)
3. Diferentseerumise astmed on üldiselt stabiilsed ja mitte interkonverteeritavad. See tähendab seda, et üht tüüpi rakk ei muutu kunagi teist tüüpi rakuks. Vererakk ei muutu mitte kunagi mitte mingil juhul näiteks epiteelirakuks või närvirakuks, närvirakk aga ei muutu kunagi lihasrakuks jne. Sellised radikaalsed transformatsioonid on keelatud. Kuid teatud kohastumised keskkonnatingimuste muutumisele leiavad siiski aset. Neid kohastumusi nimetatakse modulatsioonideks. Näit. lihaskoes on nn. valged ja punased lihaskiud, mis sialdavad erineval hulgal müoglobiini ja müosiini erinevaid isovorme. Kui muuta aga kirurgiliselt lihaskiudude innervatsiooni või implanteeritud elektroodide abil stimuleerida lihaskiudu sagedusega, mis on iseloomulik teist tüüpi lihaskoele, muutub näit. valge lihaskiud punaseks või vastupidi.
Eksperimendid rakukultuuridega näitavad, et rakud ei unusta ära neile antud instruktsioone ka nende viimisel koest kunstlikku keskkonda - rakukultuuri. Fibroblastid näit. jätkavad kollageeni sünteesimist, lihasrakud jätkavad lihasrakule spetsiifiliste valkude sünteesimist, koekultuuri viidud neuron ajab välja jätkeid ning moodustab sünapse teiste rakkudega.
Erijuhu selle reegli juures moodustavad fibroblastid ja neile lähedased sidekoe rakud. Need rakud on eriti adaptatsioonivõimelised ja võivad läbi teha mitmeid pöörduvaid muutusi. Nad võivad muutuda luurakuks, rasvarakuks, silelihasrakuks ning pöörduvalt ka kõhrluurakuks. Sidekoes olevate fibroblastide adaptatsioonivõime on aluseks vigastuste parandamisel.
Vaatamata sellistele üksikutele näidetele, koosneb siiski enamik täiskasvanu kudedest selgelt eristatavatest, pöördumatult determineeritud rakutüüpidest. Nende rakkude arv ja ruumiline paiknemine säilitatakse mehanismide abil, mis ei nõua üht tüüpi raku transformatsiooni teiseks.
Kuni 1997. aastani valitses arusaam, et kõrgema looma diferentseerunud rakku ei ole mingil tingimusel võimalik sundida uuesti dediferentseeruma ja regenereerida mingist keharakust uut terviklikku organismi. Selliseid katseid, kus näiteks püüti mingi looma keharakust eraldatud tuuma siirdada munarakku, millel oma tuum on eemaldatud, on tehtud varemgi. Kuid seni edutult. 1975.a. tegi inglane John Gurdon katseid kannuskonnadega, võttes keharaku tuuma ja siirdades selle munarakku. See munarakk arenes vaid kulleseni. 1981.a. ilmus artikkel sveitsi teadlaselt Karl Ilmenseelt, kus teatati edukast hiire kloonimisest. Hiire keharakust võetud tuuma siirdamisel munarakku olevat saadud arenev loode ja sündinud terve loom, mis oli seega geneetiliselt identne tuuma doonoriks olnud loomaga. See oli suur sensatsioon. Õige pea aga selgus, et nimetatud töö oli võltsing ja selliseid katseid too teadlane teinud polnudki.
1997.a. alguses aga avaldasid oma tulemused Soti teadlased (Ian Wilmut, Roslini Instituut), kel oli õnnestunud lamba udararakust võetud tuum siirdada munarakku (millel oma tuuma oli eemaldatud), ning saadud "viljastatud" munarakk siirdati hormoonidega ergutatud ute emakasse. Sel moel sündis lammas, kelle nimeks sai Dolly, ning kes on geneetiliselt identne selle utega, kelle udararakust eraldati tuum. See oli tohutu tähtsusega tulemus. See katse kinnitas taas, et igas rakus leiduv DNA sisaldab tõepoolest täielikku infot kogu organismi ülesehitamiseks. Kuna tuum eraldati spetsialiseeritud näärmerakust, kus on aktiivsed ainult osa geene, suur osa geene on aga lihtsalt välja lülitatud, siis näitas see ka seda, et on võimalik uuesti käivitada kogu genoom. Sisuliselt tähendas Dolly sündimine seda, et teatud tingimustel on võimalik ka kõrgemate loomade kloonimine e. vegetatiivne paljundamine. Dolly saamisloost on võimalik lugeda populaarteaduslikku artiklit ajakirjast Horisont (aprill 1997).

Mehhanismid, mis tagavad diferentseerunud rakkude õige hulga säilitamise koes.

1. Asendamatud rakud
Osa rakke on sellised, mis tekkivad kindlal hulgal organismi embrüonaalses eas ning säilivad kogu organismi eluea jooksul. Need rakud ei jagune enam mitte kunagi ja neid ei saa ka asendada hävimise korral. Selliseid rakke pole väga palju -närvirakud,südamelihase rakud, kõrva kuulmisretseptorid ja silma läätse rakud.
Antud rakud on väga pika elueaga ning peavad olema hästi kaitstud keskkonnas. On raske anda üldist põhjendust, miks need rakud peavad olema asendamatud. Närvirakkude puhul võiks see veel olla arusaadav, sest raku jagunemisel peavad paratamatult katkema ühendused naaberrakkudega, neid aga ei ole võimalik enam pärast väga täpselt taastada. Närvirakkude omavahelised väga täpsed ühendused ja peened muutused rakkude endi struktuuris on aga aluseks mälule. Südamelihase rakkude puhul aga on see veelgi arusaamatum.
Vaatamata sellele, et need rakud ei jagune, on nad siiski metaboolselt aktiivsed ja võimelised uuendama oma komponente. Lihasrakk näiteks uuendab kõik oma valgud paari nädala jooksul. Närvirakk on võimeline taastama oma jätked, kui need tal küljest ära lõigatakse. Eriti hea on jälgida rakus olevate valkude uuendamist silma võrkkesta fotoretseptorites. Need on spetsialiseeritud närvirakud, mis tegelevad valgussignaalide vastuvõtmise ja edasiandmisega. Fotoretseptori membraanis on valgustundlik valk - rodopsiin. Selle valgu eluiga membraanis pole pikk ja seda sünteesitakse pidevalt raku poolt juurde.
Erandiks siinkohal on silma läätse rakud. Need on rakud, mis ei jagune ja ka mille komponente ei uuendata. Silma läätse keskel olevad rakud ja nendes olevad valgud -kristalliinid - on tekkinud embrüonaaleas ja säilivad muutumatuna kogu elu.

2.Uuenemine tüvirakkude abil.

Enamik diferentseerunud rakkudest ei jagune kuid nad ei ole siiski asendamatud. Paljudes kudedes osa rakke pidevalt vananeb ja hävib ning need asendatakse uutega. Kuigi väga paljud diferentseerunud rakud pole küll ise enam jagunemisvõimelised, on siiski võimalik neid juurde tekitada. See toimub tüvirakkude abil. Tüviraku all mõistetakse selliseid rakke mis:
  • ei ole ise terminaalselt diferentseerunud
  • võivad piiramatult jaguneda (vähemalt organismi eluea jooksul)
  • säilitavad ise oma populatsiooni, s.t. jagunemisel tekkinud tütarrakkudest osa jääb edasi tüvirakkudeks, osa aga alustab lõplikule diferentseerumisele viivat rada.

    Tüvirakku vajatakse seal, kus on pidev tarvidus diferentseerunud rakkude järele, mis ise ei ole jagunemisvõimelised. Kuigi tüvirakk on lõplikult diferentseerumata, on ta siiski determineeritud - ta saab diferentseeruda ainult teatud kindlates suundades (tema arengupotentsiaalid on piiratud). Neid tüvirakke, mis annavad ainult üht tüüpi diferentseerunud rakke, nimetatakse unipotentseteks (epidermise tüvirakud, skeletilihase satelliitrakud e. müoblastid, spermatogoonid). Kui üks tüvirakk annab alguse mitmetele rakutüüpidele, nimetatakse teda pluripotentseks. Tüüpiline pluripotentse tüviraku näide on vereloome tüvirakk.

    Epiteeli uuenemine

    Peensoole epiteel uueneb pidevalt kiiresti jagunevate tüvirakkude abil. Tüvirakud paiknevad peidetult soole krüptides. Neist tekkinud diferentseerunud rakud liiguvad ülespoole kuni jõuavad soole hattude ülemisse ossa. Seal rakud surevad ja nad asendatakse altpoolt tulevate uute rakkudega.
    Naha epidermis on paljukihiline epiteel, mis uueneb basaalmembraani läheduses paiknevate tüvirakkude arvel. Uued rakud jagunevad seda aeglasemalt, mida kaugemale neid basaalmembraanist tõrjutakse. Kõige välimised rakud aga surevad ning neist jääb järgi lame soomusekujuline moodustis, mis koosneb peamiselt keratiinist.

    Skeletilihasrakkude uuenemine

    Skeletilihasrakud tekivad müoblastidest nende ühinemise tulemusel. Müoblastid diferentseeruvad embrüo somiitides. Inimesel saavutatakse skeltilihasrakkude täiskasvanule iseloomulik arv juba enne sündi. Nende edasine kasv (pikenemine) toimub uute müoblastide liitumise teel lihaskiu otstesse. Paksenemine toimub aga lihaskiu (raku) sees olevate kontraktiilsete müofibrillide paksenemise ja nende juurdetekkimise teel. Seega lihasmassi suurenemine treeningu tulemusel ei tähenda seda, et tekiks juurde uusi lihasrakke. Suurenevad olemasolevate rakkude mõõtmed.
    Ka täiskasvanud inimesel säilib osa müoblaste lihaskoes. Neid nimetatakse ka satelliitrakkudeks. Kui lihas saab vigastada või kui lihaskude eksperimentaalselt töödelda fibroblastide kasvu faktoriga (FGF), siis satelliitrakud indutseeritakse jagunema ning nad võivad omavahelise ühinemise teel moodustada uusi lihaskiude. Seega satelliitrakud on lihasrakkude tüvirakud. Selline lihaskoe regenereerimise süsteem toimib efektiivsemalt väiksematel loomadel, nagu näiteks hiirtel. Inimesel see küll toimib, kuid pole nii efektiivne. Seetõttu taastuvad küll väiksemad lihaskoe vigastused, kuid väga suured lihaskoe vigastused ei taastu. Satelliitrakkude asemel saavad ülekaalu fibroblastid, mis samuti indutseeritakse jagunema, ning kahjustatud koht sidekoestub. Sama protsess toimub inimesel esineva päriliku haiguse - lihasdüstroofia - puhul. Sel puhul skeletilihasrakud surevad massiliselt neis oleva geneetilise defekti tõttu ning nii palju uusi lihasrakke ei suudeta toota, et sammu pidada nende hävimise tempoga. Tulemuseks on samuti lihaskoe sidekoestumine.

    Vererakkude uuenemine

    Kõik vererakud pärinevad luuüdis paiknevatest vereloome tüvirakkudest. Veres on palju rakutüüpe, milledest osad funktsioneerivad täielikult vaskulaarsüsteemis, osad aga kasutavad vereringet lihtsalt transpordiks ning funktsioneeerivad väljaspool vereringet. Kõikidel vererakkudel on piiratud eluiga ja neid produtseeritakse pidevalt juurde. Vererakke on võimalik jaotada laias laastus järgmiselt: ) erütrotsüüdid, leukotsüüdid ning vereliistakud e.trombotsüüdid. Vereliistakud ei ole terviklikud rakud, vaid on tekkinud megakarüotsüütidest ja kujutavad endast nende rakkude kortikaalse tsütoplasma lahtitulnud fragmente. Vererakkude täpsema klassifikatsiooni ja muud sellekohast infot saab peatükist Vererakud.
    Vereloome tüvirakud asuvad luuüdis. Iga rakutüübi produktsioon on kontrollitud individuaalselt. Näit. bakteriaalse infektsiooni korral suureneb veres neutrofiilide hulk; algloomade v.m. parasiitide infektsioon suurendab eosinofiilide hulka. Hapniku vaegus suurendab erütrotsüütide hulka. Vereloomet e. hemopoeesi reguleerivad valgulised faktorid (tuntakse umbes 20 faktorit, kuid neid avastatakse järjest juurde). Paremini uuritud faktor on erütropoetiin, mis avastati juba 1906.a.lihtsate loomkatsete abil. Seda toodavad neeru rakud. Krooniliste neeruhaiguste puhul, kui erütropoetiini produktsioon langeb ja sellest tekib aneemia e. kehvveresus, kasutatakse erütropoetiini raviotstarbel. 1992.a. seisuga oli lubatud kliinilises praktikas kasutada 4 vereloome faktorit. GM-CSF (granulocyte-macrophage colony stimulating factor) ja G-CSF (granulocyte colony stimulating factor) abil stimuleeritakse granulotsüütide ja monotsüütide produktsiooni selliste haigusseisundite puhul, kus nende produtseerimine on alla normi. See esineb näiteks vähipatsientidel pärast keemiaravi vöi luuüdi siirdamist. Interleukiin 2 (IL-2) kasutatakse vähipatsientidel T-lümfotsüütide hulga suurendamiseks, mis tugevdab organismi rakulist immuunsust.

    3. Jagunemisvõimelised diferentseerunud rakud

    Diferentseerunud rakud, mis on säilitanud jagunemisvõime, on näiteks maksarakud ja endoteelirakud.
    Maksarakkude jagunemine on kontrollitud koe suuruse poolt. Kui eksperimentaalselt osa kude eemaldada, algab allesjäänud rakkude kiire proliferatsioon ning taastub koe endine suurus. Kui näit. 2/3 roti maksast eemaldada, siis esialgne koe suurus taastub ca 2 nädalaga. Üks signaalidest, mis vastutab maksarakkude jagunemise eest, on hepatotsüütide kasvu faktor. Selle kontsentratsioon veres tõuseb järsult vastuseks maksa vigastusele.
    Maks nagu kõik teisedki organid, ei koosne ainult ühte tüüpi rakkudest. Peale hepatotsüütide on seal veel spetsialiseeritud makrofaagid, nn. Kupffer’i rakud, samuti teatud hulk fibroblaste, mis moodustavad toestava sidekoe. Kõik need rakud on jagunemisvõimelised. Et kude saaks õieti regenereeruda, peab olema eri rakutüüpide jagunemine proportsionaalne. Sellise koordinatsiooni tähtsus ilmneb eriti hästi siis, kui see on häiritud. Kui maksakude korduvalt mürgitada näiteks tetrakloorsüsiniku või ka alkoholiga, siis võib rakkude jagunemise koordinatsioon häiruda ja fibroblastid saavutavad eelise teiste rakutüüpide ees.Tulemuseks on maksa sidekoestumine, mida nimetatakse maksa tsirroosiks.See on sage nähtus kroonilistel alkohoolikutel.
    Endoteelirakud katavad veresoonte siseseinu üherakulise kihina. Endoteeli rakkude all on veel nn. basaalmembraan ja selle all omakorda sidekude ja veresoont ümbritsevad silelihased. Suurematel veresoontel, nagu arterid ja veenid, on veresoonte ümber paks sidekoeline kiht ja silelihased. Kõige peenemad veresooned - kapillaarid ja sinusoidid - on moodustatud ainult endoteelirakkudest ja basaalmembraanist.Seega endoteelirakud piiravad kogu vaskulaarsüsteemi, kõige suurematest veresoontest alates ja lõpetades kapillaaridega. Kui veresoone seina vigastada, siis endoteelirakud alustavad kiirelt jagunemist ja katavad vigastatud koha. Endoteelirakud katavad isegi plastiktoru siseseina, mida veresoonte kirurgias kasutatakse hävinud veresoonte asendamiseks. Endoteeli rakkude kiire jagunemine ja uute verekapillaride teke peab alati kaasnema kudede tekkega embrüonaaleas ja nende hilisema kasvuga. Peab ju kude saama vere kaudu toitu ja hapnikku. Arvatakse, et kui rakkudel tekib hapniku nälg, siis nad eritavad aineid, mis indutseerivad uute kapillaaride teket. Neid aineid nimetatakse angiogeneetilisteks faktoriteks. Seetõttu organismi kõik rakud paiknevad kapillaaridest mitte kaugemal kui 50 mikromeetrit. Angiogenees on oluline faktor ka kasvaja arengus. Kui oma mõõtmeid suurendav tahke kasvaja (soliid-tuumor) ei oleks kapillaaride poolt läbipõimitud, siis ta ei saaks kasvada suuremaks kui paar millimeetrit läbimõõdus. Ta ei saaks lihtsalt sel juhul piisavalt toitaineid ja sisemised rakud järjest sureksid. Kasvajarakud aga toodavad angiogeneetilisi faktoreid, mis indutseerivad kapillaaride kasvu kasvaja koesse. Kasvajarakkude poolt toodetud angiogeneetiliste faktorite blokeerimine on üks võimalus, mida loodetakse ära kasutada kasvajate ravil.

    Apoptoos

    Alates 1950. aastast teatakse, et paljud rakud surevad looma arengu jooksul loomulikult. Terminid apoptoos ja kontrollitud raku surm on sünonüümsed ning tähistavad sellist raku suremist, mis on käivitatud raku enda poolt. Selline enesetapu mehanism on rakus geneetiliselt kodeeritud ja see mehanism on evolutsiooniliselt konserveerunud, s.t. ta toimub sarnaselt nii selgrootutel kui kõrgematel loomadel. Apoptoosi pole kirjeldatud üherakulistel organismidel, kuid seevastu esineb see enamikul (kui mitte kõigil) hulkrakse organismi rakkudel. Apoptoos on asendamatu protsess arengus ning ka täiskasvanud organismis kudede homeostaasi säilitamisel. Apoptoos erineb teist tüüpi raku surmast - nekroosist. Apoptoos toimub kiiresti ja ei jäta endast jälgi, seetõttu selline rakkude suremine võib jääda märkamatuks. Apoptoosi uurimine viimase kümnendi jooksul on kiiresti intensiivistunud. See on seotud sellega, et on jõutud arusaamisele apoptoosi tähtsusest organismi kui terviku jaoks. Mingi rakugrupi normaalne apoptoos on vajalik organismi kui terviku funktsioneerimise seisukohalt. Selle mittetoimumine omab tavaliselt raskeid tagajärgi organismile, näiteks vähk-kasvaja, autoimmuunhaigused, arenguhäired. Ka vastupidine - apoptoosi toimumine siis kui see pole soovitav - on samuti seotud mitmete haiguslike seisunditega. Näiteks ajurabanduse või südameinfarkti tagajärjel tekkivad ajukahjustused ongi seotud just sellega, et ajukoe verega varustatus häirub, millega kaasneb hapniku nälg, mis omakorda käivitab rakkudes apoptoosi. Teine sarnane näide on neurodegeneratiivne haigus Alzheimeri tõbi, mis on väga levinud vanadel inimestel. Ka siin on tegemist rakkude apoptootilise suremisega, mis on käivitunud rakkudesse kogunenud beta-amüloidide poolt.
    Rakkude suremine apoptoosi teel on tunduvalt levinum nähtus kui nekroos. See toimub embrüogeneesi, diferentseerumise, metamorfoosi protsessides, kus teatud rakkude apoptoos on ette programmeeritud. Apoptoos võib toimuda ka vastuseks kindlatele väliskeskkonna signaalidele. Näit. tüümuse rakkude apoptoos on indutseeritud glükokortikoidide poolt. Kuid apoptoosi võib käivitada ka mingi signaali ärajäämine. Nii toimivad mitmed kasvufaktorid (NGF, CSF-faktorid, jt.) Nende faktorite ülesaane pole mitte ainult rakku jagunema stimuleerida või raku väljakasveid õiges suunas juhtida, vaid nende ülesanne on ka vastavaid rakke elus hoida. Kui kasvufaktor kaob, käivitub rakus automaatselt apoptoosi programm. Veres olevad nn. tsütotoksilised T-lümfotsüüdid, mille ülesanne on tappa viiruste poolt nakatatud või kasvajarakke, toimivad sihtrakule selliselt, et nad indutseerivad sihtrakkudes apoptoosi programmi. Apoptoos on täiesti ilmselt hulkraksele organismile sama oluline kui rakkude jagunemine. Apoptoosi mittetoimumine võib osutuda organismile samamoodi saatuslikuks, kui on näiteks rakkude jagunemise lakkamine.
    Apoptootilises rakus toimuvad kindlad biokeemilised ja morfoloogilised muutused, mis lõpevad raku lagunemisega väikesteks membraaniga ümbritsetud vesiikuliteks, mis makrofaagide poolt kiiresti fagotsüteeritakse. Seetõttu apoptootiline rakk ei "leki", s.t. tema tsütoplasma komponendid ei satu ekstratsellularsesse ruumi. Seevastu aga nekrootilise suremise puhul, mis on tingitud rakku ümbritsevas keskkonnas toimunud kahjulikest muutustest, kaotab raku membraan oma terviklikkuse, ta laguneb ning raku komponendid satuvad ekstratsellulaarsesse ruumi, kus nad võivad kahjustada teisi rakke ning põhjustada põletikulisi reaktsioone.
    Morfoloogiliselt iseloomustab apoptootilist rakku nende tuumade fragmenteeritus ning kromatiini kondenseeritus, mis on nähtav valgusmikroskoobis. Sellega kaasneb endonukleaasi aktiveerumine, mis lõikab läbi kromatiini (DNA) nukleosoomide vahelise nn. linker DNA , selle tulemusel tekivad iseloomulikud DNA fragmendid, mis on oma pikkuselt 200 bp ning selle kordsed (200, 400, 600 jne. aluspaari pikad). Kogu raku ruumala väheneb ning rakk laguneb membraaniga ümbritsetud vesiikuliteks, mis organismis kiiresti fagotsüütide poolt alla neelatakse.
    Apoptoosi uuringutes on olnud üheks heaks objektiks nematood Caenorhabditis elegans. See on 1 mm pikkune pinnases elav uss. Tal on kiiresti toimuv embrüogenees (16 tundi), see võib toimuda ka kunstlikul söötmel. Selle ussi keha koosneb täpselt 959 -st rakust, mis on nähtavad läbi läbipaistva kutiikuli. Arengu käigus tekib 1090 rakku, kui 131 rakku tapavad endid, s.t. läbivad apoptoosi. Sellel organismil on identifitseeritud 2 geeni, mis on olulised rakkudes apoptoosi käivitamiseks. Neid geene tähistatakse ced-3 ja ced-4. Ced-3 geen kodeerib valku, mis kuulub proteaaside hulka. Imetajatel on leitud terve perekond ced´-3 geeni homolooge, kõik nad kodeerivad proteaase. Neid proteaase on hakatud nimetama kaspaasideks (ingl.k. caspase). See nimi on tuletatud sellest, et kaspaasid on nn. tsüsteiin-proteaasid (c- cysteine), mis lõikavad valku peale aminohapet aspartaati (asp). Kaspaase on terve perekond ja nende iseloomulikuks omaduseks on see, et nad on ülispetsiifilised aspartaadi suhtes, selle aminohappe olemasolu on absoluutselt vajalik kaspaasile äratundmiseks. Kaspaasid aktiveeruvad kaskaadselt, kõigepealt aktiveerub kaspaas 8, see omakorda aktiveerib teisi. Kaspaaside toimel aktiveeruvad ka nukleaasid, mis asuvad lõikama DNA-d. Nukleaas on rakus seotud inhibitoorse valguga, mille kaspaas lagundab ning seejärel toimubki nukleaasi aktiveerumine. Kaspaaside kaskaadi käivitumisel toimub rakustruktuuride süstemaatiline purustamine, sündmused toimuvad kindlas järjekorras ja ette-ennustatavalt. Rakk purustatakse kiiresti, 30-60 minuti jooksul.

    Geen ced-9 aga omab vastupidist efekti - on apoptoosi suppressor. Selle üleekspresseerimine takistab raku apoptoosi, selle geeni väljalülitamisel aga toimub apoptoos ka nendes rakkudes, kus see ei tohiks toimuda. Ka sellel geenil on teada homoloog imetaja rakkudes, selleks on onkogeen Bcl-2. Selle üle-ekspressioon on täheldatud paljudes kasvajates. See on näide sellest, kuidas apoptoosi blokeerimine võib olla üheks vähitekke põhjuseks.

    Apoptoosil eristatakse mitut faasi:
    1.Morfoloogilisi muutusi pole näha, suureneb transglutaminaasi transkriptsioon ning aktiveeritakse kaspaasid;
    2.Hakkab kondenseeruma kromatiin, aktiveeritakse nukleaasid, mis lagundavad kromatiini nukleosoomi suurusteks fragmentideks, tuum fragmenteerub;
    3.Kondenseerub tsütoplasma, kuna desmosoomsed kontaktid ja intermediaarsed filamendid lagundatakse; raku membraanis toimuvad muutused, mis markeerivad apoptootilise raku fagotsüütidele (fosfatidüülseriin eksponeerub plasmamembraani eksoplasmaatilisele poolele, rakk laguneb membraaniga ümbritsetud vesiikuliteks.

    Apoptoos on üks võimalusi, kuidas rakk reageerib mingile keskkonnast tulevale signaalile.
    Apoptoos võib toimuda ka vales kohas, soovimatult. Tõenäoliselt kasutavad viirused ja teised patogeenid strateegiaid, mis viivad kas apoptoosi indutseerimisele või pidurdamisele. On andmeid, mis näitavad, et AIDS-i viirus põhjustab näiteks T-helperite apoptoosi.(Need on rakud, mis osalevad nii rakuliste kui humoraalsete immuunreaktsioonide käivitamisel, nende hävimisel kaob organismilt immunoloogiline kaitse).

    Kuidas detekteeritakse apoptootilisi rakke

    1. DNA ahelasse tekivad katkemised ning katkemiskohti on võimalik tuvastada spetsiaalse ensüümi - terminaalse desoksünukleotidüül transferaasi (TdT) abil. See ensüüm tunneb ära vabu 3'-OH otsi ning pikendab neid otsi nukleotiididega. Kui aga reaktsioonikeskkonda lisada näiteks märgistatud nukleotiide (radioaktiivselt, fluorestseeruvalt vm.), siis inkorporeeritakse need märgistatud nukleotiidid sünteesitavasse DNA-sse.

    2. Normaalsetes rakkudes on plasmamembraan ebasümmeetriline fosfolipiidide suhtes. Fosfatidüülseriin paikneb membraani tsütoplasmaatilises pooles. Apoptootilises rakus aga kaob selline lipiidide polariseeritus ning fosfatidüülseriin eksponeerub ka membraani ekstratsellulaarsele poolele. On olemas valk (anneksiin), mis seostub fosfatidüülseriiniga. Kasutades märgistatud anneksiini, võib apoptootilisi rakke nähtavaks muuta.

    3. Kuna apoptootilises rakus DNA fragmenteerub, siis rakust eraldatud DNA analüüsimisel geel-elektroforeesil annab spetsiifilise redelitaolise mustri, mis on tingitud paljudest erineva pikkusega fragmentidest.