Апоптоз: введение

Термин"апоптоз", предложенный в 1972 г. английскими учеными J.F.R. Кеrr, А.Н. Wyllie и A.R. Currie, состоит из двух греческих слов и означает в буквальном смысле "отделение лепестков от цветов", а применимо к клетке - особый тип смерти путем разделения ее на части (" апоптозные тельца "), которые впоследствии фагоцитируются соседними клетками разного типа. 

Термин "программированная клеточная смерть" отражает функциональное назначение этого процесса, представляющего естественную часть жизни многоклеточного организма, связанного с метаморфозом и развитием [ Hedgecock E.M., Salston J.E. 1983 , Oppenheim R.W. 1991 ].

В генетическом аппарате многоклеточных организмов - животных, растений и грибов заложена программа гибели клеток. Это специальная программа, которая при определенных обстоятельствах может привести клетку к гибели. При нормальном развитии эта программа направлена на удаление избыточно образовавшихся клеток -"безработных", а также клеток -"пенсионеров", переставших заниматься общественно полезным трудом. Другая важная функция клеточной гибели - удаление клеток -"инвалидов" и клеток- "диссидентов" с серьезными нарушениями структуры или функции генетического аппарата. В частности, апоптоз - один из основных механизмов самопрофилактики онкологических заболеваний [ Thompson ea 1995 ].

Апоптоз играет главную роль как в развитии так и в гомеостазе [ Steller ea 1997 ]. Клетки умирают от апоптоза в развивающемся эмбрионе в ходе морфогенеза или синантогенеза и во взрослых животных в ходе обновления тканей. Система программируемой клеточной смерти - существенный фактор иммунитета , поскольку гибель зараженной клетки может предотвратить распространение инфекции по организму. Формообразовательные процессы в онтогенезе, позитивная и негативная селекция Т- и В-лимфоцитов у животных, гипер-чувствительный ответ растений на вторжение патогена, осенний листопад - лишь несколько примеров программируемой клеточной смерти (апоптоза).

Многие инфекционные агенты выработали специальные меры для предотвращения преждевременной гибели зараженных клеток. Нарушения системы программируемой гибели клетки - причина серьезной патологии. Ослабление способности к апоптозу может вести к развитию злокачественных опухолей. Некоторые заболевания, в частности дегенеративные повреждения нервной системы, - результат избыточного апоптоза.

Исследуя нормальную и патологическую ткани, J.F.R. Кеrr с соавт. [ Kerr J.F.R., Wyllie A.H. 1972 ] обнаружили, что умирающие клетки делятся на 2 категории. В сильно поврежденных тканях преобладают процессы некроза , которые затрагивают целые клеточные поля и характеризуются пассивной дегенерацией клеток с набуханием и фрагментацией органелл, разрушением мембран, лизисом клеток, выходом внутриклеточного содержимого в окружающую ткань и развитием воспалительного ответа. Некроз всегда обусловлен грубой патологией, его механизмы не требуют затрат энергии, и предотвратить его можно только, устранив причину повреждения [ Chen S. C., Soares H. D. 1996 , Chopp M., Li Y. 1996 , Sadoul R., Dubois-Dauphin M. 1996 ].

Определенные клетки организма обладают уникальными сенсорами, называемыми рецепторами смерти , расположенными на поверхности клеток. Рецепторы смерти детектируют присутствие межклеточных сигналов смерти и в ответ на это быстро запускают внутриклеточный механизм апоптоза.

Поскольку физиологическая роль апоптоза очень существенна, нарушения этого процесса могут быть весьма вредными. Так, несвоевременный апоптоз определенных мозговых нейронов оказывает влияние на образование нарушений, таких как болезни Альтцгеймера и Паркинсона , в то время как неспособность делящихся клеток перейти к апоптозу после случившихся существенных нарушений ДНК способствует развитию рака.

Апоптоз - это каскадный процесс, который реализуется в несколько стадий. Первая стадия - прием сигнала , поступающего к клетке извне или возникающего в недрах клетки. На втором этапе молекулы- посредники передают полученный сигнал, он достигает ядра, и в результате запуска генетической программы синтезируются или активируются ферменты, способные разрушать клеточные белки и нуклеиновые кислоты. На заключительном этапе деградирует ДНК, разрушаются структурные и функциональные белки, клетка теряет целостность и становится "пищей" для макрофагов. Существует два сигнальных пути активации апоптоза: внешний - через поверхностные рецепторы так называемого региона "клеточной смерти" и внутренний - через митохондрии внутри клетки. Первый путь индуцируется физиологическими факторами-индукторами апоптоза, такими как цитокины, гормоны, пептидные ростовые факторы и др. Он начинается с клеточных рецепторов, специально предназначенных для включения программы апоптоза. Это рецепторы Fas , TNFR1 , DR3 , DR4 , DR5 . Они представляют собой трансмембранные белки, которые внеклеточным участком взаимодействуют со специфическими лигандами - индукторами. Такое взаимодействие приводит к связыванию их внутриклеточных участков с адаптерами - цитоплазматическими белками, которые могут связывать рецептор с неактивными предшественниками протеаз из семейства каспаз. Каспазы - цистеиновые протеазы. расщепляющие белки в специфической для апоптоза последовательности, после аспарагиновой кислоты. По функциональным свойствам каспазы могут быть разделены на три группы: активаторы цитокинов (каспазы 1. 4, 5, 13); индукторы активации эффекторных каспаз (каспазы 2, 8, 9, 10); эффекторные каспазы - исполнители апоптоза (каспазы 3, 6, 7, 14). Каспазы находятся в клетках в неактивном состоянии ( прокаспазы ), их активация происходит в результате протеолитического расщепления. Эффекторные каспазы осуществляют каскад протеолитических событий, целью которых является апоптозный "демонтаж" клетки. Они атакуют в общей сложности около двух десятков структурных и функциональных белков.

Митохондриальный путь активации апоптоза индуцируется повреждением ДНК , действием радиации, цитотоксических агентов, глюкокортикоидов. укорочением до критического уровня теломеров и т. д. Он связан с активацией белка Р53 и экспрессией генов, кодирующих проапоптозные белки семейств Bcl-2 , Вах и Bid . Эти белки, вызывая пермеабилизацию мембраны митохондрий, способствуют выходу цитохрома С , что является ключевым звеном в дальнейших энергозависимых реакциях, приводящих к апоптозу.

Существует еще каспазонезависимый путь, ведущий к апоптозу. который реализуется при участии белка AIF (Apoptosis Inducing Factor), активирующего в результате транслокации в ядро протеоли- тические ферменты. Следует подчеркнуть, что развитие апоптоза не фатально, оно может быть заблокировано на некоторых этапах проведения сигнала, для чего в самой клетке существуют механизмы, которые реализуются благодаря действию белков с антиапоптозной активностью. Так. решение жить или умереть клетке принимается на уровне белков семейства Bcl-2 на основании преобладания активных супрессоров или промоторов апоптоза. Про- и антиапоптозное действие активированных белков семейства Bcl-2 реализуется главным образом через модуляцию активности митохондрий [ Green, Reed, 1998 ].

Другим механизмом, направленным на подавление апоптоза, является активация транскрипционного фактора NF-кВ . Известен целый ряд антиапоптозных белков, кодируемых генами, экспрессия которых возрастает под действием NF-кВ, что приводит к предотвращению гибели клетки [ O'Connor et al., 2000 ]. Таким образом, регуляция апоптоза представляет собой пример сбалансированного механизма с многократным дублированием противовесов, призванным обеспечить надежный контроль за реализацией столь важной для клетки программы и в то же время делающим ее очень зависимой от внешних и внутренних воздействий.

В развитии апоптоза выделяют 3 морфологичеси различимых стадии: сигнальную (индукторную), эффекторную и деградации (деструкции). Индукторами апоптоза могут быть как внешние (внеклеточные) факторы, так и внутриклеточные сигналы. Сигнал воспринимается рецептором и далее последовательно передается молекулам-посредникам (мессенджерам) различного порядка и достигает ядра, где происходит включение программы клеточного "самоубийства" путем активации летальных и/или репрессии антилетальных генов. В ядре регистрируются первые морфологические признаки апоптоза - конденсация хроматина с формированием его осмиофильных скоплений, прилежащих к ядерной мембране. Позже появляются инвагинации (вдавления) ядерной мембраны, и происходит фрагментация ядра. В основе деградации хроматина лежит ферментативное расщепление ДНК [ Arends ea 1990 , Wyllie ea 1980 ]. Сначала образуются фрагменты, включающие 700, 200-250, 50-70 тыс. пар оснований, затем - фрагменты, содержащие 30-50 тыс. пар оснований. После реализации этого этапа процесс становится необратимым. Затем наступает межнуклеосомная дезинтеграция ДНК, т.е. разрывы нитей ДНК, находящихся между нуклеосомами. При этом образуются фрагменты, кратные по величине 180-190 пар оснований, что соответствует протяженности нити ДНК в пределах одной нуклеосомы. Отделившиеся фрагменты ядра, ограниченные мембраной, называют апоптотическими тельцами. В цитоплазме происходит расширение эндоплазматического ретикулума, конденсация и сморщивание гранул. Важнейшим признаком апоптоза является снижение трансмембранного потенциала митохондрий и выход в цитоплазму различных апоптогенных факторов (цитохрома с; прокаспаз 2, 3, 9; апоптоз-индуцирующего фактора). Именно нарушению барьерной функции митохондриальных мембран отводят ключевую роль в развитии многих типов апоптоза. Клеточная мембрана утрачивает ворсинчатость и образует пузыревидные вздутия. Клетки округляются и отделяются от субстрата. На поверхности клетки экспрессируются различные молекулы, распознаваемые фагоцитами - фосфосерин, тромбоспондин, десиалированные мембранные гликоконъюгаты, в результате чего происходит поглощение тела клетки другими клетками и его деградация в окружении лизосом фагоцитарных клеток [ Ярилин ea 2005 ].

Ссылки:

Все ссылки