Существует множество определений понятия "апоптоз".
- явление программируемой клеточной смерти, сопровождаемой набором характерных цитологических признаков (маркеров апоптоза) и молекулярных процессов, имеющих различия у одноклеточных и многоклеточных организмов (т.е. изменений в строении и функционировании клетки, характерных для апоптоза).
- форма гибели клетки, проявляющаяся в уменьшении ее размера, конденсации (уплотнении) и фрагментации хроматина, уплотнении наружной и цитоплазматической мембран без выхода содержимого клетки в окружающую среду.
Суть апоптоза заключается в том, что это программируемая клеточная гибель, т.е. существуют определенные механизмы, в результате реализации которых клетка сама завершает свое существование.
В многоклеточном организме апоптозом гибнут клетки в процессе эмбриогенеза, Т-клетки в процессе дифференцировки в тимусе, клетки, зараженные вирусами, измененные клетки (при недостаточной интенсивности апоптотических процессов развиваются онкологические заболевания) и мн. др.Основное биологическое назначение апоптоза состоит в том, чтобы в процессе эмбрионального морфонегеза создавать органы и ткани с эволюционно закрепленными конфигурациями и размерами и затем поддерживать эти параметры с допустимыми допусками в течение жизни. Важнейшим проявлением этой функции апоптоза после окончания развития человека и других млекопитающих является его участие в процессе физиологической регенерации (обновления) клеток разных тканей и органов и поддержании клеточного гомеостаза. Регенерации в разной степени выраженности на протяжении всей жизни подвержены практически все клетки нашего организма. Особенно интенсивно клеточное обновление протекает в клетках эпителия, соприкасающихся с внешней средой, кожи, желудочно-кишечного тракта, мочеполовой и легочной систем, а также в клетках крови, иммунной системы.
Важна роль и в процессах отторжения чужеродных органов и тканей при их трансплантации.
Другой важнейшей функцией апоптоза является контроль за внутренней средой клетки, в том числе клеточного ядра с его содержимым. Правда, сейчас показано, что апоптоз может протекать и в клетках, лишенных ядра. При возникновении в клетке нарушений, превышающие допустимые пределы, клетка подвергается самоуничтожению. Апоптоз возникает при действии различных повреждающих факторов, которые способны вызвать некроз, но действующих в небольших дозах, например, при действии высокой температуры, ионизирующего излучения, противоопухолевых препаратов.
Апоптоз принимает активное участие в ряде физиологических и патологических процессов. Например, при гормон-зависимой инволюции органов у взрослых, в частности, отторжение эндометрия во время менструального цикла, атрезии (заращении) фолликулов в яичниках в менопаузе и регрессии (обратном развитии) молочной железы после прекращения лактации.
Велика роль апоптоза и при патологической атрофии гормон-зависимых органов, например, атрофии предстательной железы после кастрации и истощении лимфоцитов в тимусе при терапии глюкокортикоидами. Или патологической атрофии паренхиматозных органов после обтурации (закупорки) выводных протоков, что наблюдается в поджелудочной и слюнных железах, почках. Гибель клеток в процессе атрофии наблюдается и в коре надпочечников при воздействии глюкокортикоидов или при атрофии эндокрин-зависимых тканей.
Во многих случаях острого или хронического ишемического либо токсического воздействия гибель клеток происходит через апоптоз. Такая картина наблюдается при инсульте, инфаркте не только миокарда, но и в почках, при диабете, отдельных формах нефрита, нейродегенеративных заболеваниях, таких как болезнь Альцгеймера и Паркинсона. В патогенезе токсических повреждений печени, поджелудочной железы и почек активация апоптоза также имеет важное значение.
Формы клеточной гибели, их различия
Существует две формы гибели клетки - некроз и апоптоз.
Некроз
- это патологический процесс, выражающийся в местной гибели ткани в живом организме в результате какого-либо экзо- (внешнего) или эндогенного (внутреннего) ее повреждения. Некроз проявляется в набухании, денатурации и коагуляции (слипании) цитоплазматических белков, разрушении клеточных органелл и, наконец, всей клетки.
Главное отличие некроза и апоптоза состоит в том, что апоптоз - это программируемая гибель клетки, а некроз - это патологический процесс, запускающийся в ответ на какое-либо повреждающее воздействие (инфекция, химическое воздействие, облучение, недостаточное кровоснабжение и т.д.).
В процессе апоптоза в клетке задействованы сложные молекулярные каскады, в результате реализации которых происходит сморщивание цитоплазматической мембраны, уменьшение объёма клетки, разрывы нитей ядерной ДНК, конденсация хроматина по периферии ядра, последующий распад ядра на части, фрагментация клеток на везикулы (пузырьки) с внутриклеточным содержимым - апоптотические тельца, которые захватываются соседними клетками, могут и фагоцитами, как в случае некроза. Выброса клеточного содержимого не происходит, воспаления не возникает.
При некрозе, наоборот, происходит выход лизосомальных ферментов из лизосом, которые и переваривают содержимое клетки, клетка набухает и лопается. Содержимое клетки выбрасывается во внеклеточную среду, где поглощается фагоцитами, развивается воспаление.
Апоптоз- это физиологический процесс, некроз- патологический.
Существуют и другие формы программируемой гибели, например, аутофагия
. Процесс аутофагии заключается в том, что органеллы соединяются с лизосомами, где перевариваются лизосомальными ферментами. Затем остатки клетки поглощают макрофаги .
а) - Кинетическая модель баланса апоптоза и аутофагии. Одно из летальных воздействий активирует в клетке программу и клетка "решает умереть". Если достаточно апоптотических эффекторов (молекул, задействованных в процессе апоптоза), то апоптоз является единственным ответом большинства клеток на летальное воздействие. Подавление апоптотических эффекторов запускает альтернативный путь- аутофагию.
b) - Ингибиторная модель. Когда летальное воздействие активирует BAX/BAK- зависимый митохондриальный внемембранный путь (BAX/BAK-dependent mitochondrial outer-membrane permeabilization pathway) запускается апоптоз. BAX/BAK, так же как и каспазы, является активным ингибитором BCL2/BCL-XL, облегчающего аутофагию. Активный апоптоз подавляет аутофагию.
Механизмы апоптоза
Механизмы апоптоза сложны и многообразны, представляют собой сложнейший молекулярный каскад, изучением которого занимаются многие и многие лаборатории по всему миру. Несомненная важность этих исследований в аспекте онкологии и геронтологии доказана успехами терапии онкологических заболеваний индукторами апоптоза раковых клеток.
Так каковы же механизмы.
Поговорим об этом по-подробнее
Первый этап - смертельный приказ
С чего же начинается этот сложный процесс? С того, что клетка получает "приказ умереть", ее гибель необходима для дальнейшей жизнедеятельности организма. Это происходит с помощью сигналов из внеклеточной среды, которые клетка воспринимает с помощью своего рецепторного аппарата. Иногда сигналом для начала апоптоза может быть и отсутствие необходимого сигнала.
В результате контакта сигнальных молекул с наружной частью белка-рецептора этот рецептор претерпевает структурные изменения. Структурная перестройка захватывает и внутриклеточную часть молекулы рецептора. Она может либо обладать определенной ферментативной активностью сама, либо быть тесно связана с некоторыми клеточными ферментами. Изменение активности рецепторной молекулы приводит к активации фермента.
Часто речь идет об изменении концентрации ионов кальция, а также некоторых относительно мелких фосфорсодержащих органических соединений, относящихся к классу нуклеотидов.
Активные соединения появляются и в результате гидролиза определенных липидов клеточной мембраны. В свою очередь, все это ведет к присоединению или отсоединению остатков фосфата от молекул белковых регуляторов (фосфорилирование), способных влиять на генетический аппарат клетки.
Фосфорилирование и дефосфорилирование (отщепление остатка фосфорной кислоты), а также некоторые другие биохимические модификации меняют активность этих регуляторов.
Рецепторы, воспринимающие "летальный сигнал"
Известны два структурно гомологичных рецептора
TNF
, р55 и р75 (TNF-RI и TNF-RII , соответственно), относящиеся к трансмембранным белкам I типа. Кроме этого задействованы "рецепторы смерти" CD95
. Рецепторы CD95 и рецепторы TNF принадлежат к растущему суперсемейству рецепторов, имеющих гомологию в экстраклеточных доменах. Семейство включает в себя также рецептор фактора роста нервов, В-клеточный антиген CD40 , маркер активации Т-лимфоцитов CD27 и некоторые гомологичные белки млекопитающих и вирусов.
CD95 и TNF-R1 имеют дополнительную гомологичную последовательность во внутриклеточной части молекул. Этот трансдукции цитотоксического (повреждающего клетку) сигнала. Цитоплазматический С-конец CD95 содержит также "домен спасения" , удаление которого усиливает цитотоксическую активность рецептора.
TNF и лиганд CD95 (CD95-L) являются трансмембранными белками второго типа с внеклеточным С-концевым, внутриклеточным N-концевым и одним трансмембранным элементами, но они могут функционировать и в растворимой, "слущенной" с мембраны форме. И CD95-L, и TNF связываются с соответствующим рецепторами в виде тримера, "сшивают" 3 молекулы рецептора, что активирует его для передачи проапоптотического сигнала.
Интенсивные исследования сигнальных механизмов апоптоза, индуцированного антителами к CD95/CD95-L и TNF, привели к значительному прогрессу в двух направлениях - идентификация белков, взаимодействующих с CD95 и TNF-R1, и выяснение участия в процессе вторичного мессенджера церамида.
"Домен смерти" TNF-R1 взаимодействует также с серин/треониновой протеинкиназой и фосфорилируется этим ферментом. 30 С-концевых аминокислотных остатков ингибируют связывание рецептора с протеинкиназой. Роль этих событий в передаче цитотоксического сигнала неясна. Недавно описана тирозиновая фосфатаза, FAP-1 , взаимодействующая с 15 С-концевыми аминокислотами CD95, "доменом спасения". Гиперэкспрессия FAP-1 подавляет апоптоз, опосредованный CD95.
Описанные белки участвуют, по-видимому, в начальных этапах передачи сигнала. Другая группа данных свидетельствует о том, что и CD95-L или антитела к CD95, и TNF активируют сфингомиелиновый путь передачи.
Поздние этапы клеточной гибели, индуцированной через CD95 и TNF-R1, таковы же, как при классическом апоптозе. Гибель клеток может быть предотвращена crmA , что указывает на участие ICE-подобных протеаз. Bcl-2 подавляет апоптоз, индуцированный через CD95 и TNF-R1, по крайней мере на некоторых клеточных линиях.
Участие FAS (CD95)
Этот путь передачи летального сигнала схематически можно изобразить следующим образом: индукторы - рецепторы - адаптеры -каспазы первого эшелона -регуляторы -каспазы второго эшелона. Так, рецептор, обозначаемый Fas, взаимодействуя с соответствующим лигандом (лигандом FasL), трансмембранным белком Т-киллера, активируется и запускает программу смерти клетки, инфицированной вирусом. Тем же путем при взаимодействии с лигандом FasL на поверхности Тh1-лимфоцитов или с антителом к Fas-рецептору погибают ставшие ненужными выздоровевшему организму В-лимфоциты, продуценты антител, несущие Fas-рецептор. FasL– лиганд, относящийся к многочисленному семейству фактора некроза опухолей TNF. Это семейство гомотримерных лигандов (т.е. биологически активных веществ (белков), состоящих из 3 одинаковых доменов (частей), кроме FasL и TNFa , включает TNFb (лимфотоксин).
Fas – член семейства рецепторов TNF. Как говорилось выше, все они представлены трансмембранными белками, которые внеклеточными участками взаимодействуют с тримерами лигандов-индукторов. Взаимодействие рецептора и лиганда приводит к образованию кластеров рецепторных молекул и связыванию их внутриклеточных участков с адаптерами. Адаптер, связавшись с рецептором, вступает во взаимодействие с эффекторами, пока еще неактивными предшественниками протеаз из семейства каспаз первого эшелона (инициирующих каспаз).
Взаимодействие адаптера с рецептором и эффектором осуществляется через гомофильные белок-белковые взаимодействия небольших доменов: DD (death domain – домен смерти), DED (death-effector domain – домен эффектора смерти), CARD (– домен активации и рекрутирования каспазы). Все они имеют сходную структуру, содержат по шесть a-спиральных участков. Домены DD(домен смерти) участвуют во взаимодействии рецептора Fas c адаптером FADD (Fas-associated DD-protein). Домены DED участвуют во взаимодействии адаптера FADD с прокаспазами 8 и 10.
Наиболее подробно охарактеризована прокаспаза-8, рекрутируемая рецептором Fas через адаптeр FADD. Образуются агрегаты FasL – Fas – FADD – прокаспаза-8. Подобные агрегаты, в которых происходит активация каспаз, названы апоптосомами
, апоптозными
шаперонами
, или сигнальными комплексами, индуцирующими смерть
.
Прокаспазы обладают незначительной протеолитической активностью, составляющей 1–2% активности зрелой каспазы. Будучи в мономерной форме, прокаспазы, концентрация которых в клетке ничтожна, находятся в латентном состоянии. Предполагается, что пространственное сближение молекул прокaспаз при их агрегации ведет к образованию активных каспаз через механизм протеолитического само- и перекрестного расщепления (ауто- или транс-процессинга)]. В результате от прокаспазы (молекулярная масса 30–50 кДа) отделяется регуляторный N-концевой домен (продомен), а оставшаяся часть молекулы разделяется на большую (~20 кДа) и малую (~10 кДа) субъединицы (рис. 3). Затем происходит ассоциация большой и малой субъединиц. Два гетеродимера образуют тетрамер с двумя каталитическими участками, действующими независимо друг от друга. Таким образом прокаспаза-8 активируется и высвобождается в цитоплазму в виде каспазы-8. Существуют другие пути активации каспазы-8 – с участием рецепторов TNFR1 и DR3.
На этапе активации каспаз первого эшелона жизнь клетки еще можно сохранить. Существуют регуляторы, которые блокируют или, напротив, усиливают разрушительное действие каспаз первого эшелона. К ним относятся белки Bcl-2 (ингибиторы апоптоза: A1, Bcl-2, Bcl-W, Bcl-XL, Brag-1, Mcl-1 и NR13) и Bax (промоторы апоптоза: Bad, Bak, Bax, Bcl-XS, Bid, Bik, Bim, Hrk, Mtd). Эти белки эволюционно консервативны: гомолог Bcl-2 обнаружен даже у губок, у которых апоптоз необходим для морфогенеза.
Каспаза-8 активирует каспазу второго эшелона (эффекторную каспазу): путем протеолиза из прокаспазы-3 образуется каспаза-3, после чего процесс, запущенный программой смерти, оказывается необратимым.
Каспаза-3 способна в дальнейшем к самостоятельной активации (автокатализу или автопроцессингу), активирует ряд других протеаз семейства каспаз, активирует фактор фрагментации ДНК, ведет к необратимому распаду ДНК на нуклеосомальные фрагменты. Так запускается каскад протеолитических ферментов,осуществляющих апоптоз.
Каспазы
Каспазы-семейство эволюционно консервативных сериновых протеаз, которые специфически расщепляют белки после остатков аспарагиновой кислоты.
На основе структурной гомологии каспазы подразделяются на подсемейства
- каспазы-1 (каспазы 1, 4, 5),
- каспазы-2 (каспаза-2) и
- каспазы-3 (каспазы 3, 6–10) .
Цистеиновые протеазы, по-видимому, участвуют также в программированной клеточной гибели у растений. Однако апоптоз возможен и без участия каспаз: сверхсинтез белков-промоторов апоптоза BAX и BAK индуцирует гибель в присутствии ингибиторов каспаз.
В результате действия каспаз происходит:
1. Активация прокаспаз с образованием каспаз;
2. Расщепление антиапоптозных белков семейства Bcl-2. Подвергается протеолизу ингибитор ДНКазы, ответственный за фрагментацию ДНК. В нормальных клетках апоптозная ДНКаза CAD (caspase-activated DNase) образует неактивный комплекс с ингибитором CAD, обозначаемым ICAD или. При апоптозе ингибитор ICAD с участием каспаз 3 или 7 инактивируется, и свободная CAD, вызывая межнуклеосомальные разрывы хроматина, ведет к образованию фрагментов ДНК с молекулярной массой, кратной молекулярной массе ДНК в нуклеосомных частицах – 180-200 пар нуклеотидов.
Апоптоз возможен и без фрагментации ДНК. Обнаружен ядерный белок Acinus (apoptotic chromatin condensation inducer in the nucleus), из которого при комбинированном действии каспазы-3 (протеолиз при Asp 1093) и неидентифицированной протеазы (протеолиз при Ser 987) образуется фрагмент Ser 987 – Asp 1093. Этот фрагмент в присутствии дополнительных неядерных факторов вызывает апоптотическую конденсацию хроматина и фрагментацию ядра (кариорексис) без фрагментации ДНК;
3. Гидролиз белков ламинов, армирующих (укрепляющих) ядерную мембрану. Это ведет к конденсации хроматина;
4. Разрушение белков, участвующих в регуляции цитоскелета;
5. Инактивация и нарушение регуляции белков, участвующих в репарации ДНК, сплайсинге мРНК, репликации ДНК.
Мишенью каспаз является поли(ADP-рибозо)полимераза (PARP). Этот фермент участвует в репарации ДНК, катализируя поли(ADP-рибозилирование) белков, связанных с ДНК. Донором ADP-рибозы является NAD+. Активность PARP возрастает в 500 раз и более при связывании с участками разрыва ДНК. Апоптотическая гибель клетки сопровождается расщеплением PARP каспазами. Чрезмерная активация PARP при массированных разрывах ДНК, сильно снижая содержание внутриклеточного NAD+, ведет к подавлению гликолиза и митохондриального дыхания и вызывает гибель клетки по варианту некроза.
Митохондриальный путь
В клетках, подвергшихся воздействию индуктора апоптоза, резко снижается мембранный потенциал (Dy) митохондрий. Падение Dy обусловлено увеличением проницаемости внутренней мембраны митохондрий вследствие образования гигантских пор. Разнообразны факторы, вызывающие раскрытие пор. К ним относятся истощение клеток восстановленным глутатионом, NAD(P)H, ATP и ADP, образование активных форм кислорода, разобщение окислительного фосфорилирования протонофорными соединениями, увеличение содержания Ca2+ в цитоплазме. Образование пор в митохондриях можно вызвать церамидом, NO, каспазами, амфипатическими пептидами, жирными кислотами. Поры имеют диаметр 2,9 нм, позволяющий пересекать мембрану веществам с молекулярной массой 1,5 кДа и ниже. Следствием раскрытия поры является набухание митохондриального матрикса, разрыв наружной мембраны митохондрий и высвобождение растворимых белков межмембранного объема. Среди этих белков – ряд апоптогенных факторов: цитохром С, прокаспазы 2, 3 и 9 , белок AIF (apoptosis inducing factor), представляющий собой флавопротеин с молекулярной массой 57 кДа.
Образование гигантских пор не является единственным механизмом выхода межмембранных белков митохондрий в цитоплазму. Предполагается, что разрыв наружной мембраны митохондрий может быть вызван гиперполяризацией (переход заряда в отрицательную область) внутренней мембраны. Возможен и альтернативный механизм, без разрыва мембраны, – раскрытие гигантского белкового канала в самой наружной мембране, способного пропускать цитохром С и другие белки из межмембранного пространства.
Высвобождаемый из митохондрий цитохром с вместе с цитоплазматическим фактором APAF-1 (apoptosis protease activating factor-1) участвует в активации каспазы-9 .
APAF-1 – белок с молекулярной массой 130 кДа, содержащий CARD-домен (caspase activation and recruitment domain) образует комплекс с прокаспазой-9 в присутствии цитохрома с и dATP или АТР. Из этих субъединиц собираются жесткие, симметричные структуры, наподобие веера или пропеллера.APAF-1 играет роль арматуры, на которой происходит аутокаталитический процессинг каспазы-9 . Предполагается, что в результате зависимого от гидролиза dATP (или АТР) конформационного изменения APAF-1 приобретает способность связывать цитохром С. Связав цитохром с, APAF-1 претерпевает дальнейшее конформационное изменение, способствующее его олигомеризации и открывающее доступ CARD-домена APAF-1 для прокаспазы-9, которая тоже содержит CARD-домен. Так образуется конструкция, называемая тоже апоптосомой, с молекулярной массой > 1,3 млн дальтон, в составе которой – не менее 8 субъединиц APAF-1 . Благодаря гомофильному CARD-CARD-взаимодействию с APAF-1 в эквимолярном соотношении связывается прокаспаза-9, а затем прокаспаза-9 связывает прокаспазу-3. Пространственное сближение молекул прокаспазы-9 на мультимерной арматуре из APAF-1-цитохром-с-комплексов, по-видимому, приводит к межмолекулярному протеолитическому процессингу (модификации) прокаспазы-9 с образованием активной каспазы-9. Зрелая каспаза-9 затем расщепляет и активирует прокаспазу-3.
Флавопротеин AIF, будучи добавленным к изолированным ядрам из клеток HeLa, вызывает конденсацию хроматина и фрагментацию ДНК, а при добавлении к изолированным митохондриям печени крыс – высвобождение цитохрома с и каспазы- AIF является митохондриальным эффектором гибели клеток у животных, действующим независимо от каспаз.
Кроме рассмотренных компонентов, при нарушении наружной мембраны митохондрий из межмембранного объема выделяется термолабильный фактор, вызывающий необратимое превращение ксантиндегидрогеназы в ксантиноксидазу. Ксантиндегидрогеназа катализирует зависимое от NAD+ окисление ксантина до гипоксантина и последующее окисление гипоксантина до мочевой кислоты. Ксантиноксидаза катализирует те же реакции, но не с NAD+, а с О2 в качестве акцептора электронов. При этом образуются О2A, Н2О2, а из них – и другие активные формы кислорода (АФК), которые разрушают митохондрии и являются мощными индукторами апоптоза. Механизмы образования АФК, конечно, не ограничиваются ксантиноксидазной реакцией. Главным источником АФК в клетках являются митохондрии. Резкое увеличение АФК происходит при возрастании мембранного потенциала в митохондриях, когда снижено потребление ATP и скорость дыхания лимитируется ADP . Цитоплазматическая мембрана макрофагов и нейтрофилов содержит О2A – генерирующую NADPH-оксидазу.
В зависимости от пути, по которому осуществляется активация каспаз, различают разные типы клеток. Клетки типа I (в частности, линия лимфобластоидных В-клеток SKW и T-клетки линии Н9) подвергаются ПКС по пути, зависимому от апоптозных рецепторов плазматической мембраны без участия митохондриальных белков. Клетки типа II (например, линии Т-клеток Jurkat и СЕМ) погибают по пути апоптоза, зависимому от митохондриального цитохрома С. Гибель клеток, вызванная химиотерапевтическими соединениями, УФ- или і-облучением, по-видимому, напрямую связана с апоптозной функцией митохондрий.
Некоторые клетки, например, клетки эмбриональной нервной системы, включают механизмы апоптоза, если они испытывают дефицит апоптозподавляющих сигналов (называемых также факторами выживания) от других клеток. Физиологический смысл процесса – в элиминации избыточных нервных клеток, конкурирующих за ограниченный фонд факторов выживания. Эпителиальные клетки при отделении от внеклеточного матрикса, вырабатывающего факторы выживания, тоже обречены на смерть. Факторы выживания связываются соответствующими цитоплазматическими рецепторами, активируя синтез подавляющих апоптоз агентов и блокируя стимуляторы апоптоза. Некоторые вещества (например, стероидные гормоны) оказывают дифференцированный эффект на различные типы клеток – предотвращают апоптоз одних типов клеток и индуцируют его у других. Так, при наличии во внеклеточном матриксе факторов роста PDGF (platelet-derived growth factor – тромбоцитарный фактор роста) или NGF (nerve growth factor – фактор роста нервов) и цитокина интерлейкина-3 (IL-3) проапоптозный белок Bad не активен.Факторы роста, связавшись со своим рецептором на плазматической мембране, вызывают активацию цитозольной протеинкиназы В, и катализирующей фосфорилирование Bad по Ser-136. IL-3 тоже связывается со своим рецептором на плазматической мембране и активирует митохондриальную cAMP-зависимую протеинкиназу А, катализирующую фосфорилирование Bad по Ser-112. Будучи фосфорилированным по обоим остаткам серина, Bad образует комплекс с белком 14-3-3, располагающийся в цитоплазме. Дефицит факторов роста и IL-3 воспринимается клеткой как сигнал к апоптозу: происходит дефосфорилирование Bad, его внедрение в наружную мембрану митохондрий, выход цитохрома с из митохондрий и последующая активация каспазы-9 через APAF-1-зависимый механизм.
Другие пути
В ряде случаев апоптоз реализуется в результате комбинированного действия двух путей – с участием и рецепторов плазматической мембраны, и митохондриального цитохрома C. Так, повреждение ДНК ведет к накоплению в клетке белкового продукта гена р53, который может останавливать деление клеток и/или индуцировать апоптоз.
Белок р53 является фактором транскрипции, регулирующим активность ряда генов. Предполагается, что ответная реакция на образование белка р53 зависит от степени нарушения клеточного генома. При умеренном нарушении генома происходит остановка клеточного деления, осуществляется репарация ДНК, и клетка продолжает свое существование. При чрезмерном нарушении генома, когда ДНК уже не поддается репарации, включаются рецепторный и цитохром С-зависимый апоптозные каскады активации каспаз.
Также Существует путь передачи летального сигнала с участием эндоплазматического ретикулума (ЭР) . В ЭР локализована прокаспаза-12. Нарушение внутриклеточного Ca2+-гомеостаза добавкой тапсигаргина или Ca2+-ионофорного антибиотика А23187 ведет к апоптозу клеток, вызванному превращением прокаспазы-12 в каспазу-12. ЭР-зависимый апоптоз связан с болезнью Альцгеймера.
Цитотоксические лимфоциты, Т-киллеры, могут вызывать апоптоз у инфицированных клеток с помощью белка перфорина. Полимеризуясь, перфорин образует в цитоплазматической мембране клетки-мишени трансмембранные каналы, по которым внутрь клетки поступают TNFb , гранзимы (фрагментины) – смесь сериновых протеаз. Существенным компонентом этой смеси является гранзим В – протеолитический фермент, превращающий прокаспазу-3 в активную каспазу-3.
Взаимодействие клеток с внеклеточным матриксом осуществляется с помощью интегринов. Интегрины – большое семейство гетеродимерных мембранных белков, которые участвуют в адгезии клеток, связывая внутриклеточный цитоскелет с лигандами внеклеточного матрикса. Нарушение адгезии клеток индуцирует апоптоз.
Особую форму апоптоза претерпевают эритроциты млекопитающих. Биогенез эритроцитов из плюрипотентной в костном мозге включает ряд промежуточных этапов. На этапе эритробласта ядро изгоняется (выталкивается) из клетки и пожирается макрофагом. Альтернативный вариант: кариорексис (деструкция ядра) с образованием телец Жолли (остатки хроматина) и их последующий распад и лизис внутри клетки. Безъядерная клетка, называемая ретикулоцитом, в дальнейшем теряет митохондрии и рибосомы и превращается в эритроцит. Потерю ядра эритробластом можно рассматривать как особую форму ядерного апоптоза. Выяснение его механизма позволило бы применить его для обезвреживания опухолевых клеток.
Второй этап- активация генов...а затем конец
На втором этапе запрограммированной смерти клеток внутриклеточные регуляторы, получив важные инструкции, вносят поправки в работу отдельных генов. Работа эта, как известно, заключается в образовании РНК, а затем и белков. Таким образом, в результате срабатывания генетической программы, первоначально запущенной сигналом с рецептора, происходит изменение набора внутриклеточных РНК и белков. В конечном счете появляются или активируются ферменты - протеазы и нуклеазы.
Ферменты расщепляют содержимое клетки, которое затем поглощается фагоцитами.
Апоптоз и старение
Известный американский ученый Л.Хейфлик в Медицинском центре детской больницы Северной Каролины впервые доказал, что естественная продолжительность жизни человека обусловлена числом митозов , которое могут совершить клетки данного организма. Он брал кусочки кожи от эмбриона, новорожденного и взрослого человека, разбивал их на отдельные клетки и культивировал в специальной питательной среде. Оказалось, что клетки эмбриона могут совершить около 50 делений, а затем в них наблюдаются все признаки апоптотической смерти. У взрослого человека клетки могли совершить уже не 50 а гораздо меньше делений, в зависимости от возраста обследуемого пациента. Впоследствии было показано,что механизм старческого апоптоза запускается и находиться в ядре.
В настоящее время для объяснения молекулярно-генетических механизмов старения организма предложено три гипотезы.
1. Первая гипотеза особенно отчетливо развита в трудах профессора Ж. Медведева, а также Л. Орджелом 
из Института им. Солка в США. Эти исследователи считают, что старение это процесс накопления ошибок в процессах транскрипции и трансляции и возникновении ферментов с дефектным функционированием. При этом механизмы репарации не могут справится со все возрастающим количеством дефектов.
2. Согласно второй гипотезе, предложенной также Ж.Медведевым 0,4% информации содержащейся в ДНК клеточного ядра, используется клеткой постоянно на протяжении ее жизни. Кроме того, многие гены в молекуле ДНК повторяются, делая генетическую информацию в высокой степени избыточной. Ж. Медведев предположил, что повторяющиеся последовательности обычно репрессированы, но в случае значительного повреждения активного гена он заменяется одним из идентичных резервных генов. Избыточность ДНК может, следовательно, служить гарантией против внутренне присущей подверженности системы случайным молекулярным повреждениям. Однако постепенно весь резерв генов будет исчерпан и тогда начинают возникать патофизиологические изменения, которые приведут к гибели клетки. Таким образом чем больше избыточной ДНК, тем больше продолжительность жизни данного вида.
3. Третья гипотеза постулирует, что возрастные изменения представляют собой продолжение нормальных генетических сигналов, регулирующих развитие животного от момента его зачатия до полового созревания. Быть может даже есть "гены старения" которые замедляют или даже закрывают биохимические пути один за другим и ведут к предсказуемым возрастным изменениям. При этом снижаются функциональные возможности клеток. Старение организма - это по существу старение и апоптоз ключевых клеток, гибель которых способна повлиять на физиологию всего организма.
В процессе старения происходит постоянное уменьшение числа неделящихся клеток, например нейронов. Согласно одной из теорий старения, в организме происходит накопление "поломок" - поломки ДНК, накопление токсических продуктов и т.д. В результате этого клетки гибнут.
В 1982 году С.Р. Уманский предложил гипотезу, согласно которой старение может быть следствием плейотропного эффекта группы генов, несущих информацию о программированной гибели клетки (апоптозе). С одной стороны, эта программа необходима для развития и функционирования многоклеточного организма. Вместе с тем она делает неизбежной гибель клеток у взрослого организма. В таком случае старение является следствием постепенной убыли функционально активных клеток (Уманский, 1982).
До сих пор идут дискуссии о роли апоптоза в процессе старения. Часть исследователей во главе с академиком Скулачевым являются сторонниками теории клеточного апоптоза. Старение, с точки зрения Скулачева, – результат того, что в организме гибнет больше клеток, чем рождается, а отмирающие функциональные клетки заменяются соединительной тканью. Суть его работы – поиск методов противодействия разрушению клеточных структур свободными радикалами. По мнению ученого, старость – это болезнь, которую можно и нужно лечить, программу старения организма можно вывести из строя и тем самым выключить механизм, сокращающий нашу жизнь.
Некоторые ученые, например, Бойко, критикуют теорию Скулачева . В частности сам Бойко является автором .
Исследования и перспективы
Как упоминалось выше, сейчас по всему миру идут интенсивные исследования апоптоза.В основном это связано с онкологией- индукция апоптоза раковых клеток. Но этим все не ограничивается. В настоящее время идет разработка методов подавления возрастзависимого апоптоза в постмитотических и слабопролиферирующих тканях.
На первом месте среди причин смерти в большинстве стран стоят сердечно-сосудистые заболевания. Практически все пожилые люди страдают ими. Сердечная недостаточность, являющаяся конечным этапом сердечно-сосудистых заболеваний, приводит к недостаточному кровоснабжению органов, патологическим изменениям в них, т.е. в конечном итоге- к ускорению процесса износа организма- к ускорению процесса старения. При ишемии миокарда и его последующей реперфузии кардиомиоциты гибнут апоптозом. Китайские ученые Lv X, Wan J, Yang J, Cheng H, Li Y, Ao Y, Peng R провели исследование, в результате которого было определено, что селективные ингибиторы цитохром P450-омега гидроксилазы, которая индуцирует апоптоз кардиомиоцитов, снижают гибель кардиомиоцитов после ишемии и последующей реперфузии. Подобные исследования были проведены в отношении DIDS (4,4"-диизотиоцианостильбен-2,2"-дисульфоновая кислота), который снижает Staurosporine-индуцируемый апоптоз кардиомиоцитов, проходящий через PI3K/Akt- сигнальный путь апоптоза, с помощью активации NO-синтазы и подавления транслокации BAX.
Также проводились исследования на клетках эндотелия (эндотелий- выстилка сосудов) в условиях гипоксии и гиперхолестеринемии (повышенного содержания холестерина в крови), нейронах , хондроцитах и т.д. Т.е. в условиях, близких к возрастным изменениям в человеческом организме- ишемическая болезнь сердца, заболевания нервной системы и опорно- двигательного аппарата. Необходимо расширить изучение этой проблемы, перейти от экспериментов на животных к исследованиям на людях, т.к. перспективы этого направления исследований огромны- это возможность продлить жизнь, продлить активные годы, улучшить качество жизни.
Другой задачей для ученых должно стать исследование возможности индукции апоптоза нерепарирующихся клеток на ранних стадиях развития совместно с компенсаторной пролиферацией для замедления последующего старения тканей. (Москалев, 2007)
Необходимо переходить от дрозофил к людям, от изучения механизмов к практическим разработкам в целях борьбы со старением.
ID: 2017-06-7-A-13064
Оригинальная статья (свободная структура)
Булудова М.В., Полутов В.Э.
ФГБОУ ВО Саратовский ГМУ им. В.И. Разумовского Минздрава РФ, кафедра патологической физиологии им. А.А. Богомольца
Резюме
В работе представлены современные данные литературы, относительно механизмов развития апоптоза, его принципиальных отличий от некроза, значение в поддержании клеточного гомеостаза в лимфоидной и других пролиферирующих тканях.
Ключевые слова
Апоптоз, некроз, механизмы развития, индукторы апоптоза.
Статья
Апоптоз — форма гибели клетки, проявляющаяся в уменьшении ее размера, конденсации и фрагментации хроматина, уплотнении цитоплазматической мембраны без выхода содержимого клетки в окружающую среду. (Попков В.М., Чеснокова Н.П., Барсуков В.Ю., 2011).
Апоптоз играет жизненно важную роль в процессе эмбрионального и онтогенетического развития, имеет место при различных морфогенетических процессах, обеспечивает поддержание клеточного гомеостаза как в лимофоидной ткани, так и в других пролиферирующих тканях. Нарушение апоптоза в эмбриогенезе может приводить к внутриутробной гибели плода, врожденным уродствам или различным заболеваниям, в том числе и злокачественным новообразованиям.
Различают два типа гибели клетки: апоптоз и некроз. Принципиальные различия заключаются в следующем: некроз является результатом незапланированного события и происходит спонтанно, апоптоз формируется как четко - регулируемый, генетически-детерминируемый процесс элиминации клетки. Отличительной морфологической чертой апоптоза является коллапс ядра. Хроматин становится суперконденсированным в форме полумесяца по периферии ядра, в этот момент начинается фрагментация ДНК. Характерными признаками апоптоза, позволяющими отличить его от некроза, являются:
а) переход фосфатидилсерина из внутреннего монослоя цитоплазматической мембраны в наружный монослой; выход цитохрома С из межмембранного пространства митохондрий в цитоплазму
б) активация цистеиновых протеиназ (каспаз)
в) образование активных форм кислорода
г) сморщивание (blebbing) цитоплазматической мембраны
д) последующий распад ядра на части
е) фрагментация клеток на везикулы с внутриклеточным содержимым — апоптотические тельца
ж) апоптотические тела захватываются фагоцитирующими клетками микроокружения, как в случае некроза. При развитии апоптоза выброса клеточного содержимого не происходит, воспаление не возникает. Некроз распространяется обычно на группы клеток, в то время как апоптоз носит селективный характер в отношении отдельных клеток (Дмитриева Л.А., Максимовский Ю.М., 2009).
Стадии апоптоза
Стадия инициации . На этой стадии патогенный агент либо сам является информационным сигналом, либо обусловливает генерацию сигнала в клетке и его проведение к внутриклеточным регуляторным структурам и молекулам. Инициирующие апоптоз стимулы могут быть трансмембранными или внутриклеточными. Трансмембранные сигналы подразделяют на отрицательные и положительные. Отрицательные сигналы обусловливают отсутствие или прекращение воздействия на клетку различных факторов роста, регулирующих деление и созревание клетки. Положительные сигналы генерируют запуск программы апоптоза. Так, связывание TNFα (FasL) с его мембранным рецептором CD95 (Fas) активирует программу смерти клетки. Среди внутриклеточных стимулов апоптоза зарегистрированы избыток Н+, свободные радикалы липидов и других веществ, повышенная температура, внутриклеточные вирусы и гормоны, реализующие свой эффект через ядерные рецепторы (например, глюкокортикоиды).
Стадия программирования.
На этой стадии специализированные белки либо реализуют сигнал к апоптозу путём активации исполнительной функции, либо блокируют потенциально летальный сигнал. Выделяют два варианта реализации стадий программирования: 1) путём прямой активации эффекторных каспаз и эндонуклеаз (минуя геном клетки) и 2) опосредованной через геном передачи сигнала на эффекторные каспазы и эндонуклеазы. Прямая передача сигнала осуществляется через адапторные белки, гранзимы и цитохром С. Опосредованная передача сигнала подразумевает репрессию генов, кодирующих ингибиторы апоптоза, и активацию генов, кодирующих промоторы апоптоза.
Стадия реализации программы состоит в собственно гибели клетки, осуществляемой посредством активации протеолитического и нуклеолитического каскадов.
Непосредственными исполнителями процесса «умертвления» клетки являются Ca2+,Mg2+ -зависимые эндонуклеазы и эффекторные каспазы. В результате разрушения белков и хроматина в процессе апоптоза клетка подвергается деструкции, когда в ней формируются и отпочковываются фрагменты клетки, содержащие остатки органелл, цитоплазмы, хроматина и цитолеммы, то есть апоптозные тельца.
Стадия удаления фрагментов погибших клеток. На поверхности апоптозных телец экспрессируются лиганды, с которыми взаимодействуют рецепторы фагоцитирующих клеток. Фагоциты быстро обнаруживают, поглощают и разрушают апоптозные тельца. Благодаря этому содержимое разрушенной клетки не попадает в межклеточное пространство. (Лихтенштейн А.В., Шапот В.С., 1998).
Одно из апоптотических событий реализуется в ядре клетки и заключается в фрагментации ДНК. Деградация ДНК является терминальной фазой апоптоза, связанной с проявлением активности различных эндонуклеаз, последние обусловливают либо появление крупных фрагментов ДНК, или развитие межнуклеосомальной деградации ДНК. Считают, что этот тип деградации обеспечивается активацией Са2+, Mg2+-зависимой эндонуклеазы.
Исследования последних лет привели к формированию принципиально новых представлений о механизме гибели клеток, имеющих повреждения ДНК, как о процессе, осуществляемом в соответствии с определенной генетической программой. В индукции этой программы при наличии повреждений в ДНК клетки важная роль принадлежит белку р53. Этот белок с молекулярной массой 53 кД, локализован в ядре клетки и является одним из транскрипционных факторов. Повышенная экспрессия этого белка приводит к репрессии ряда генов, регулирующих транскрипцию и причастных к задержке клеток в фазе клеточного цикла G1. Если же активность репарационных систем недостаточна и повреждения ДНК сохраняются, то в таких клетках индуцируется программируемая клеточная гибель, или апоптоз, что приводит к защите организма от присутствия клеток с поврежденной ДНК, т.е. мутантных и способных к злокачественной трансформации.
Таким образом, при действии генотоксических агентов р53 не только увеличивает время репарации ДНК. но также защищает организм от клеток с опасными мутациями. (Паукова В.С., Пальцева М.А., Улумбекова Э.Г., 2015).
Механизмы индукции апоптоза
Регуляция апоптоза обеспечивается гормонами, цитокинами и в значительной мере особенностями генома. Ослабление или устранение гормональных влияний на клетки- мишени приводит, как правило, к индукции апоптоза.
Цитокины - это обширная группа белков, регулирующих пролиферацию и дифференцировку клеток при связывании со специфическими рецепторами на клетках мишенях. Цитокины подразделяются на 3 большие группы: ростовые, семейство Фактора некроза опухоли и спиральные цитокины. Эффект цитокинов на клетки неоднозначен в связи с гетерогенностью их структуры и функции: для одних клеток ряд цитокинов выступают в роли индукторов апоптоза, а для других - в роли ингибиторов апоптоза. Это зависит от типа клетки, от стадии ее дифференцировки, от функционального состояния клетки. (Goodwin P.J., Ennis M., Pritchard K.I., 2002).
Наиболее хорошо изучена последовательность событий, приводящих клетку к апоптозу в результате взаимодействия белков из семейства TNFα со специфическими рецепторами. Ярким представителем этой группы белков является система Fas/Fas-L. Следует отметить, что для этой системы не известны другие функции, кроме как индукции апоптоза клетки. Взаимодействие Fas с Fas-L (лиганд) или с моноклональными антителами приводит к апоптозу клетки. При связывании лиганда с рецептором происходит олигомеризация цитоплазматических белков: (1) DD (домен смерти), относящийся к рецептору, (2) адапторного белка - FADD (Fas-ассоциированный домен смерти), содержащий DED - эффекторный домен смерти и (3) прокаспазы-8. (Паукова В.С., Пальцева М.А., Улумбекова Э.Г., 2015).
Важная роль в регуляции апоптоза клеток иммунной системы принадлежит другим цитокинам -интерлейкинам, интерферонам. Было обнаружено, что интерлейкины являются индукторами апоптоза как в здоровых, так и в малигнизированных клетках и клеточных линиях. Однако не только роль индукторов апоптоза свойственна интерлейкинам, не менее выраженный эффект цитокинов наблюдается в предотвращении апоптоза. При этом один и тот же IL может быть как индуктором апоптоза, так и его ингибитором. Так, например, IL 1 является индуктором апоптоза для клеток мышиной тимомы в случаях ингибирования размножения клеток и ингибитором апоптоза для этих же клеток в случаях их интенсивного размножения. Неоднозначна и роль интерферонов по влиянию на клетки. В одних случаях IFN вызывает апоптоз (клетки костного мозга), в других - является ингибитором апоптогенного сигнала (периферические моноциты человека).
Таким образом, апоптоз является тем механизмом, который обуславливает элиминацию клеток с определенной специфичностью рецепторов. (Миронова С.П., Котельников Г.П., 2013).
В настоящее время складывается впечатление о центральной роли протеаз в запуске и развитии процесса апоптоза. Причем, по-видимому, при апоптозе, в отличие от физиологического ответа клетки, действуют свои, характерные только для апоптоза, специализированные необратимые реакции протеолиза, катализируемые специфическими протеазами, относящихся к классу цистеиновых протеаз.
Роль наследственных факторов в регуляции апоптоза
Выяснение роли белков семейства Вс1-2 занимает центральное место в изучении регуляции процесса апоптоза. К настоящему времени известно, что белки этого семейства относятся либо к индукторам апоптоза (Bad, Bax, Bcl-Xs, Bik, Bid, Bak), либо к ингибиторам (Bcl-2, Bcl-XL). Белки семейства Bcl-2 находятся в постоянном динамическом равновесии, образуя гомо- и гетеродимеры, что в конечном счете влияет на развитие апоптоза клеток. Поэтому считается, что соотношение активных форм этих белков определяют реостат жизни и смерти клетки. (Попков В.М., Чеснокова Н.П., Захарова Н.Б., 2016).
Таким образом, апоптоз является общебиологическим механизмом, ответственным за поддержание постоянства численности клеточных популяций, а также формообразование и выбраковку дефектных клеток. Нарушение регуляции апоптоза приводит к возникновению различных заболеваний, связанных с усилением или, наоборот, ингибированием апоптоза. Следовательно, изучение механизмов регуляции различных этапов данного процесса позволит определенным образом воздействовать на его отдельные этапы с целью их регуляции или коррекции. В настоящее время общепринято: если клетка погибает от апоптоза - подразумевается возможность терапевтического вмешательства, если вследствие некроза - нет. На основе знаний о программированной гибели клетки используется широкий ряд препаратов с целью регуляции этого процесса в различных типах клеток.
Сайт предоставляет справочную информацию исключительно для ознакомления. Диагностику и лечение заболеваний нужно проходить под наблюдением специалиста. У всех препаратов имеются противопоказания. Консультация специалиста обязательна!
Что такое апоптоз?
Апоптоз – физиологическая смерть клетки, представляющая собой своеобразную генетически запрограммированную самоликвидацию.Термин "апоптоз" в переводе с греческого означает "опадающий". Авторы термина дали такое название процессу запрограммированной смерти клеток потому, что именно с ним связано осеннее опадание увядших листьев. Кроме того, само название характеризует процесс как физиологический, постепенный и абсолютно безболезненный.
У животных в качестве наиболее яркого примера апоптоза, как правило, приводят исчезновение хвоста у лягушки во время метаморфозы из головастика во взрослую особь.
По мере взросления лягушонка хвост полностью исчезает, поскольку его клетки подвергаются постепенному апоптозу – запрограммированной смерти, и поглощению деструктированных элементов другими клетками.
Явление генетически запрограммированной гибели клеток встречается у всех эукариотов (организмов, клетки которых имеют ядро). Прокариоты же (бактерии) имеют своеобразный аналог апоптоза. Можно сказать, что данный феномен характерен для всего живого, за исключением таких особых доклеточных форм жизни, как вирусы .
Апоптозу могут подвергаться как отдельные клетки (как правило, дефектные), так и целые конгломераты. Последнее особенно характерно для эмбриогенеза. К примеру, опыты исследователей доказали, что благодаря апоптозу во время эмбриогенеза исчезают перепонки между пальцами на лапках у цыплят.
Ученые утверждают, что у человека такие врожденные аномалии, как сросшиеся пальцы на руках и ногах, также возникают вследствие нарушения нормального апоптоза на ранних стадиях эмбриогенеза.
История открытия теории апоптоза
Изучение механизмов и значения генетически программируемой клеточной смерти началось еще в шестидесятых годах прошлого века. Ученых заинтересовал тот факт, что клеточный состав большинства органов на протяжении жизни организма практически одинаков, а вот жизненный цикл различных типов клеток значительно отличается. При этом происходит постоянная замена многих клеток.Таким образом, относительное постоянство клеточного состава всех организмов поддерживается динамическим равновесием двух противоположных процессов – клеточной пролиферации (деление и рост) и физиологического отмирания отживших клеток.
Авторство термина принадлежит британским ученым – Дж. Керру, Э. Уайли и А. Керри, которые впервые выдвинули и обосновали концепцию о принципиальном различии физиологической смерти клеток (апоптоз), и их патологической гибели (некроз).
В 2002 году ученые из кембриджской лаборатории, биологи С. Бреннер, Дж. Салстон и Р. Хорвиц, получили Нобелевскую Премию по физиологии и медицине за раскрытие основных механизмов генетической регуляции развития органов и исследования программируемой клеточной смерти.
Сегодня теории апоптоза посвящены десятки тысяч научных работ, раскрывающие основные механизмы его развития на физиологическом, генетическом и биохимическом уровнях. Ведется активный поиск его регуляторов.
Особенно большой интерес представляют исследования, дающие возможность практического применения регуляции апоптоза при лечении онкологических, аутоиммунных и нейродистрофических заболеваний.
Механизм
Механизм развития апоптоза на сегодняшний день до конца не изучен. Доказано, что процесс может индуцироваться малыми концентрациями большинства веществ, вызывающих некроз.Однако в большинстве случаев генетически запрограммированная гибель клеток происходит при поступлении сигналов от молекул – клеточных регуляторов, таких как:
- гормоны;
- антигены;
- моноклональные антитела и др.
Характерно, что сигналом к развитию апоптоза может быть как наличие активирующих веществ, так и отсутствие некоторых соединений, препятствующих развитию запрограммированной смерти клетки.
Ответ клетки на сигнал зависит не только от его силы, но и от общего исходного состояния клетки, морфологических особенностей ее дифференцировки, стадии жизненного цикла.
Одним из базовых механизмов апоптоза на стадии его реализации является деградация ДНК, в результате чего происходит фрагментация ядра. В ответ на повреждение ДНК запускаются защитные реакции, направленные на ее восстановление.
Неудачные попытки восстановить ДНК приводят к полному энергетическому истощению клетки, что и становится непосредственной причинной ее гибели.
Механизм апоптоза - видео
Фазы и стадии
Различают три физиологические фазы апоптоза:1. Сигнальная (активация специализированных рецепторов).
2. Эффекторная (формирование из разнородных эффекторных сигналов единого пути апоптоза, и запуск каскада сложных биохимических реакций).
3. Дегидратационная (букв. обезвоживание – гибель клетки).
Кроме того, морфологически выделяют две стадии процесса:
1.
Первая стадия – преапоптоз
. На этой стадии происходит уменьшение размеров клетки за счет ее сморщивания, возникают обратимые изменения в ядре (уплотнение хроматина и скопление его по периферии ядра). В случае воздействия некоторых специфических регуляторов апоптоз может быть остановлен, и клетка возобновит свою нормальную жизнедеятельность.
2.
Вторая стадия – собственно апоптоз. Внутри клетки происходят грубые изменения во всех ее органеллах, однако наиболее значимые превращения развиваются в ядре и на поверхности ее внешней мембраны. Клеточная мембрана теряет ворсинки и обычную складчатость, на ее поверхности формируются пузырьки – клетка как бы кипит, и в результате распадается на так называемые апоптические тельца, поглощаемые тканевыми макрофагами и/или соседними клетками.
Морфологически определяемый процесс апоптоза занимает, как правило, от одного до трех часов.
Некроз и апоптоз клетки. Сходство и различие
Терминами некроз и апоптоз обозначают полное прекращение жизнедеятельности клетки. Однако апоптозом обозначают физиологическое отмирание, а некрозом – ее патологическую гибель.Апоптоз является генетически запрограммированным прекращением существования, то есть по определению имеет внутреннюю причину развития, в то время как некроз происходит в результате воздействия сверхсильных внешних, по отношению к клетке, факторов:
- недостаток питательных веществ;
- отравление токсинами и т.п.
Кроме того, гибель клетки при процессах некроза и апоптоза отличается морфологически – первый характеризуется её набуханием, а при втором происходит сморщивание клетки, и уплотнение ее мембран.
Во время апоптоза происходит гибель клеточных органелл, однако мембрана сохраняется в целостности, так что образуются, так называемые, апоптические тельца, которые впоследствии поглощаются специализированными клетками – макрофагами или клетками-соседями.
При некрозе происходит разрыв клеточной мембраны, и содержимое клетки выходит наружу. Начинается воспалительная реакция.
Если некрозу подверглось достаточно большое количество клеток, воспаление проявляется известными с древности характерными клиническими симптомами , такими как:
- боль;
- покраснение (расширение сосудов в области поражения);
- припухлость (воспалительный отек);
- местное, а иногда и общее повышение температуры ;
- более или менее выраженное нарушение функции органа, в котором произошел некроз.
Биологическое значение
Биологическое значение апоптоза заключается в следующем:
1. Осуществление нормального развития организма в период эмбриогенеза.
2. Предотвращение размножения мутировавших клеток.
3.
Регуляция деятельности иммунной системы.
4.
Предотвращение преждевременного старения организма.
Данный процесс играет ведущую роль в эмбриогенезе, поскольку многие органы и ткани претерпевают значительные трансформации во время эмбрионального развития. Многие врожденные дефекты возникают вследствие недостаточной активности апоптоза.
Как запрограммированная самоликвидация дефектных клеток, данный процесс является мощной природной защитой против онкологических заболеваний. Так, к примеру, вирус папилломы человека блокирует клеточные рецепторы, ответственные за апоптоз и, таким образом, приводит к развитию рака шейки матки и некоторых других органов.
Благодаря данному процессу происходит физиологическая регуляция клонов Т-лимфоцитов , ответственных за клеточный иммунитет организма. Клетки, неспособные распознавать белки собственного организма (а таких в общей сложности созревает около 97%), подвергаются апоптозу.
Недостаточность апоптоза приводит к тяжелым аутоиммунным заболеваниям, в то время как его усиление возможно при иммунодефицитных состояниях. К примеру, тяжесть течения СПИДа коррелирует с усилением данного процесса у Т-лимфоцитов.
Кроме того, этот механизм имеет большое значение для функционирования нервной системы: он ответственен за нормальное формирование нейронов, и он же может вызывать раннее разрушение нервных клеток при болезни Альцгеймера .
Одна из теорий старения организма – теория апоптоза. Уже доказано, что именно он лежит в основе преждевременного старения тканей, где гибель клеток остается невосполнимой (нервная ткань, клетки миокарда). С другой стороны, недостаточный апоптоз может способствовать накоплению в организме стареющих клеток, которые в норме физиологически отмирают, и заменяются новыми (раннее старение соединительной ткани).
Роль теории апоптоза в медицине
Роль теории апоптоза в медицине заключается в возможности поиска путей регуляции этого процесса для лечения и профилактики многих патологических состояний, вызванных ослаблением или, наоборот, усилением апопоптоза.Исследования ведутся одновременно во многих направлениях. Прежде всего, следует отметить научные изыскания в такой значимой области медицины, как онкология . Поскольку опухолевый рост вызван дефектом генетически запрограммированной гибели мутировавших клеток, изучается возможность специфической регуляции апоптоза, с повышением его активности в опухолевых клетках.
Действие некоторых химиотерапевтических препаратов, широко применяемых в онкологии, основано на усилении процессов апоптоза. Так как опухолевые клетки более склонны к данному процессу, подбирается доза вещества, достаточная для гибели патологических клеток, но относительно безвредная для нормальных.
Также чрезвычайно важны для медицины исследования, изучающие роль апоптоза в дегенерации ткани сердечной мышцы под влиянием недостаточности кровообращения. Группа китайских ученых (Lv X, Wan J, Yang J, Cheng H, Li Y, Ao Y, Peng R) опубликовала новые экспериментальные данные, которые доказывают возможность искусственного снижения апоптоза в кардиомиоцитах при введении определенных веществ-ингибиторов.
Если теоретические исследования на лабораторных объектах удастся применить в клинической практике – это будет большой шаг вперед в борьбе с ишемической болезнью сердца . Данная патология занимает первые позиции среди причин смерти во всех высокоразвитых странах, так что переход от теории к практике трудно было бы переоценить.
Еще одно весьма перспективное направление – разработка методов регуляции данного процесса для замедления старения организма. Теоретические исследования ведутся в направлении создания программы, сочетающей повышение активности апоптоза стареющих клеток, и одновременного усиления пролиферации молодых клеточных элементов. Здесь достигнуты определенные успехи на теоретическом уровне, однако до перехода от теории к практическим решениям еще далеко.
Кроме того, масштабные научные исследования проводятся в следующих направлениях:
- аллергология;
- иммунология;
- терапия инфекционных заболеваний;
- трансплантология;
При реализации апоптоза условно можно выделить четыре стадии.
Инициация -> Программирование -> Реализация программы -> Удаление погибшей клетки
Стадии апоптоза Стадия инициации
На этой стадии информационные сигналы рецептируются клеткой . Патогенный агент либо сам является сигналом, либо обусловливает генерацию сигнала в клетке и его проведение к внутриклеточным регулятор-ным структурам и молекулам.
Инициирующие апоптоз стимулы могут быть трансмембранными или внутриклеточными.
Трансмембранные сигналы подразделяют на отрицательные, положительные и смешанные.
- Отрицательные сигналы : отсутствие или прекращение воздействия на клетку факторов роста, цитокинов, регулирующих деление и созревание клетки, а также гормонов, контролирующих развитие клеток. В норме действие названных выше групп БАВ на мембранные рецепторы обеспечивает подавление программы гибели клеток и нормальную их жизнедеятельность. Напротив, их отсутствие или снижение эффектов «освобождает» программу апоптоза. Так, для нормальной жизнедеятельности ряда нейронов необходимо постоянное наличие нейротрофических факторов. Их устранение или снижение эффектов на нервные клетки может привести к включению программы смерти нейрона. - Положительные сигналы в итоге генерируют запуск программы апоптоза . Так, связывание ФИО (FasL) с его мембранным рецептором CD95 (Fas) активирует программу смерти клетки. - Смешанные сигналы являются комбинацией воздействий сигналов первой и второй групп. Так, апоптозу подвергаются лимфоциты, простимулированные митогеном, но не проконтактировавшие с чужеродным Аг. Погибают и те лимфоциты, на которые воздействовал Аг, но не получившие других сигналов, например митогенного или от HLA.
Среди внутриклеточных стимулов апоптоза зарегистрированы избыток Н+, свободные радикалы липидов и других веществ, повышенная температура, внутриклеточные вирусы и гормоны, реализующие свой эффект через ядерные рецепторы (например, глюкокортикоиды).
Апоптоз: стадия инициации.
Стадия программирования
Стадия программирования (контроля и интеграции процессов апоптоза) представлена на рисунке.
На этой стадии специализированные белки либо реализуют сигнал к апоптозу путём активации исполнительной программы (её эффекторами являются цистеиновые протеазы - каспазы и эндонуклеазы), либо блокируют потенциально летальный сигнал.
Выделяют два (не исключающих друг друга) варианта реализации стадий программирования : 1) путём прямой активации эффекторных каспаз и эндонуклеаз (минуя геном клетки) и 2) опосредованной через геном передачи сигнала на эффекторные каспазы и эндонуклеазы.
Прямая передача сигнала осуществляется через адапторные белки, гранзимы и цитохром С.
Адапторные белки . В качестве адапторного белка выступает, например, каспаза-8. Так реализуют своё действие цитокины Т-лимфоцитов-киллеров в отношении чужеродных клеток, ФНО и другие лиганды CD95.
Цитохром С . Выделяясь из митохондрий, цитохром С вместе с белком Apaf-1 и каспазой-9 формирует комплекс активации (апоптосому) эффекторных каспаз. Каспаза-8 и каспаза-9 активируют эффекторные каспазы (например, каспазу-3), которые участвуют в протеолизе белков.
Гранзимы . Эти протеазы выделяют цитотоксические Т-лимфоциты, протеазы проникают в клетки-мишени через цитоплазматические поры, предварительно сформированные перфоринами. Гранзимы активируют аспартатспецифи-ческие цистеиновые протеазы клетки-мишени, подвергающейся апоптозу.
Прямая передача сигнала наблюдается обычно в безъядерных клетках, например в эритроцитах.
Апоптоз: стадия программирования.
Опосредованная передача сигнала подразумевает репрессию генов, кодирующих ингибиторы апоптоза, и активацию генов, кодирующих промоторы апоптоза.
Белки-ингибиторы апоптоза (например, продукты экспрессии антиапоптозных генов Bcl-2, Bcl-XL) блокируют апоптоз (например, путём уменьшения проницаемости мембран митохондрий, тем самым уменьшая вероятность выхода в цитозоль одного из пусковых факторов апоптоза - цитохрома С).
Белки-промоторы апоптоза (например, белки, синтез которых контролируется генами Bad, Box, антионкогенами Rb или /т53) активируют эффекторные кас-пазы и эндонуклеазы.
Существуют два хорошо охарактеризованных пути апоптоза: с участием рецепторов клеточной гибели (внешний путь) и с участием митохондрий (собственный путь)
Активация каспаз и апоптоз индуцируются связыванием специфических лигандов из группы TNF со своими рецепторами (рецепторы клеточной гибели)
У позвоночных активация каспаз происходит при различных путях . На рисунке ниже представлены два хорошо известных пути. Это путь с участием рецепторов клеточной гибели (который также называется внешний путь) и путь с участием митохондрий (собственный путь). Хотя между обоими путями имеется несколько существенных различий, они обладают чертой сходства, котороая заключается в том, что каждый включает этап активации инициирующей каспазы по механизму индуцированного сближения с последующей активацией эффекторных каспаз.
Вместе с тем, наблюдается некоторый перекрест между двумя механизмами , поскольку путь с участием рецепторов клеточной гибели может включать элементы митохондриального пути.
Представляют собой подгруппу относящихся к семейству рецепторов фактора некроза опухоли (TNFR) позвоночных. Они включают TNFR1, Fas (также называемый CD95 или АРО-1) и TRAIL (TRAIL-R1, -R2 у человека, также называемые DR4 и DR5). На рисунке ниже представлены различные типы рецепторов клеточной гибели.
Эти тримерные рецепторы связываются со специфическими лигандами (TNF, Fas-лигандом или TRAIL соответственно) и могут быстро запускать в клетках процесс апоптоза. Лиганды продуцируются различными клетками, включая клетки иммунной системы, часто в ответ на факторы, вызывающие воспаление.
Рецепторы гибели клеток содержат домен смерти, расположенный внутри клетки. Эти домены, как и домены CARD, DED и PYR, представляют собой еще один пример складок смерти, и они взаимодействуют с доменами смерти в адаптерных молекулах.
Находятся на поверхности клеток в виде тримеров, и, вероятно, соответствующие лиганды располагаются в виде кластеров, которые связаны с двумя и более этих тримеров. Такое расположение делает рецепторы доступными для взаимодействия с внутриклеточными белками. После связывания между собой доменов гибели Fas/CD95 и рецепторов TRAIL, они ассоциируют с адаптерным белком FADD (Fas-associated death domain). Эта ассоциация возникает при участии домена гибели FADD белка.
При этом в клетке молекулы FADD сближаются, и становится доступным другой регион белка, содержащий DED.
Домен DED белка FADD теперь связывается с DED-участками продомена мономера каспазы-8, что приводит к образованию димеров и активации инициаторной каспазы по механизму индуцированного сближения. После связывания рецептора гибели быстро образуется комплекс, содержащий FADD (за счет взаимодействия с доменом гибели). FADD связан с каспазой-8 (за счет взаимодействия с DED). Это сигнальный комплекс, индуцирующий клеточную гибель (англ, death-inducing signaling complex, DISC).
Активированная каспаза-8 начинает расщеплять в клетке субстраты, включая эффекторные каспазы-3 и -7, и происходит апоптоз. На рисунке ниже представлена последовательность событий при развитии апоптоза с участием рецепторов клеточной гибели.
Известно много примеров апоптоза , происходящего с участием рецепторов клеточной гибели. Этот путь особенно характерен для функционирования эффекторов иммунной системы и для регуляции иммунных процессов. Внешний путь апоптоза также реализуется в клетках другого происхождения, включая нейроны. В настоящее время в качестве возможного противоопухолевого средства исследуется TRAIL, который обладает способностью индуцировать апоптоз в клетках некоторых опухолей.
В соответствии с установленной ролью Fas в иммунной системе у людей, а также у мышей, несущих мутации, затрагивающие Fas или его лиганд, наблюдается заболевание, при котором происходит массивное разрастание лимфатических органов. Это разрастание обусловлено накоплением измененной популяции Т-клеток. У больных также отмечаются аномалии В-лимфоцитов, включающие продуцирование аутоиммунных антител и развитие В-клеточных лимфом.
Представлены два пути реализации апоптоза у позвоночных.Путь через рецепторы клеточной гибели (также носящий название внешний путь) запускается, когда специфические лиганды гибели, относящиеся к семейству TNF, находят свои рецепторы.
Митохондриальный путь (также называемый внутренним, или собственным, путем)
реализуется при нарушении проницаемости наружной мембраны митохондрий в результате взаимодействий белков семейства Bcl-2 и высвобождения межмембранных белков.
К числу последних относится цитохром С, который при взаимодействии с белками цитозоля запускает активацию каспаз.
Эти процессы подробно рассмотрены в последующих статьях на сайте.
Рецепторы клеточной гибели относятся к семейству TNF-рецепторов,
у которых со стороны клетки расположены домены клеточной гибели.
На поверхности многих типов клеток позвоночных эти рецепторы существуют в виде тримеров.
При связывании лиганда с рецептором клеточной гибели на поверхности клетки, адаптерный белок FADD присоединяется к нему с клеточной стороны.
Это происходит при взаимодействии доменов клеточной гибели (DD)-(DD).
Затем при участии эффекторных доменов клеточной гибели (DED)-(DED) к белку FADD присоединяется каспаза-8.
При димеризации каспазы-8 фермент активируется по механизму индуцированной близости.
Активная каспаза расщепляет и активирует эффекторные каспазы, которые вызывают апоптоз.
Комплекс, содержащий рецептор клеточной гибели, FADD и каспазу-8, называется сигнальным комплексом индукции клеточной гибели (DISC).