Окислительный стресс и апоптоз: общие сведения
Апоптоз представляет собой актуальнейшую проблему современной биологии. Несомненно, что активные метаболиты кислорода ( АКМ ) и окислительные реакции с их участием в той или иной степени участвуют в этом процессе. Предполагается, что в результате апоптоза выбраковываются клетки с аномально высоким уровнем продукции АКМ [ Скулачев ea 1996 ]. Вместе с тем вопрос участия АКМ в процессе апоптоза нельзя считать решенным, так как показано, что в некоторых случаях процесс протекает даже в анаэробных условиях, для которых характерно существенное снижение продукции АКМ [ Jacobson ea 1995 ]. Казалось бы, этот факт может служить прямым доказательством дополняющей (вторичной) роли окислительного стресса в индукции апоптоза. Однако нефизиологичность условий культивирования аэробных клеток в бескислородных условиях не позволяет принять данный факт за безусловный.
Апоптоз играет существенную роль во многих патологиях человека. Наблюдаемая у людей с генетическими дефектами НАДФН-оксидазы сниженная способность нейтрофилов к запрограммированной гибели [ Kasahara ea 1997 ] служит причиной незавершенности воспалительного процесса и формирования хронических гранулем.
Показано, что гибель инсулинпродуцирующих Р-клеток поджелудочной железы при сахарном диабете [ Dimatteo ea 1997 , Kroncke ea 1993 ], уменьшение популяции T-хелперных лимфоцитов при СПИДе [ Dobmeyer ea 1997 ], гибель макрофагов, фибробластов и гладкомышечных клеток в области атеросклеротической бляшки [ Bjorkerud ea 1996 ], клеток синовиальной полости при ревматоидном артрите [ Nishioka ea 1998 ], нейронов при некоторых нейродегенеративных патологиях [ Nicotera ea 1995 ] происходят посредством апоптоза. Множественность физиологических и патологических проявлений апоптоза и универсальность его развития в разных клетках и тканях послужила причиной разворачивания широкого фронта исследований, направленных на изучение молекулярных механизмов развития запрограммированной гибели клеток.
Особое внимание в последние годы уделяется изучению роли активированных кислородных метаболитов (АКМ: О2, О2, Н2О2, NO и др.) в развитии апоптоза [ Buttke ea 1994 , Stoian ea 1996 ]. Это связано с тем, что высокореакционные АКМ образуются во всех аэробных клетках. В физиологических условиях их деструктивное действие сдерживается многоуровневой системой антиоксидантов ; нарушение баланса в системе "АКМ-антиоксиданты" может привести к гибели клетки. Индуцированный глюкокортикоидами апоптоз тимоцитов значительно снижался в условиях гипоксии (при содержании кислорода в атмосфере менее 5%) [ Stefanelli ea 1995 ]. Прямое действие H2О2 [ Debono ea 1995 ], NO [ Dimatteo ea 1997 ], пероксинитрита (ONOQ-) [ Lin ea 1997 ], а также радиации, ультрафиолетового излучения [ Morita ea 1997 ], токсичных лекарственных препаратов [ Gorman ea 1997 ], индуцирующих образование АКМ, вызывает апоптоз . При разных формах индуцированного апоптоза выявлены снижения активности элементов антиоксидантной защиты клеток [ Briehl ea 1995 , Slater ea 1996 ].
Клетки, имеющие дефекты антиоксидантной защиты, наиболее чувствительны к воздействиям, вызывающим их запрограммированную гибель [ Fryer ea 1995 , Sandstrom ea 1994 ]. Кроме того, в многочисленных исследованиях показан защитный эффект антиоксидантов в этом процессе [ Briehl ea 1995 ]. Несмотря на очевидную взаимосвязь окислительного стресса с апоптозом, роль конкретных форм АКМ в саморазрушении клеток и механизмы реализации цитотоксичности неясны. Более того, нет однозначного ответа на вопрос, чем является окислительный стресс, -следствием или индуктором функциональных изменений, сопровождающих развитие запрограммированной гибели клеток.
Апоптоз часто сопровождается продукцией АФК [ Fleury, ea 2002 ]. У многоклеточных организмов АФК могут стоять как в начале, так и в конце регуляторной цепи процесса запрограммированной смерти. При апоптозе, вызванном ишемией , АФК действуют прежде Вах и каспаз [ Maulik, ea 1998 ]. В этих случаях гашение АФК предотвращает активацию каспаз, показывая, что АФК не просто вызывают смертельные повреждения, а действуют как сигнальные молекулы [ Tan, ea 1998 ].
АФК могут вступать в процесс апоптоза и на поздних его стадиях. Отсутствие в среде K+ , приводящее к гиперполяризации плазмалеммы, повышению [Са2+] и набуханию клетки, индуцировало апоптоз в нейронах мозжечка , вызывая генерацию АФК. Актиномицин Д , циклогексимид и ингибиторы каспаз предотвращали продукцию АФК, позволяя предположить, что она происходит в результате транскрипции, трансляции и посттрансляционной модификации прокаспаз [ Schulz, ea 1996 , Schulz, ea 1997 ]. Поглощение Са2+ митохондриями - важное и необходимое событие как для апоптоза, так и для некроза [ Kruman, ea 1999 ]. Многими авторами показано, что [Са2+] и АФК в различных типах клеток (по крайней мере, у многоклеточных) тесно взаимосвязаны. Повышение [Са2+] приводит к активации ряда АФК-образующих ферментов, включая стимуляцию образования АФК в дыхательной цепи митохондрий [ Гордеева ea 2003 ]. Обработка нервных клеток 3-нитропропионовой кислотой (3-НП, необратимым ингибитором сукцинатдегидрогеназы , который повышает продукцию О2- и, как следствие, Н2О2 и ONOO- митохондриями) приводила к быстрому увеличению [Ca2+]in. Хелатор внутриклеточного Са2+ ВАРТАAM предотвращал апоптоз, вызванный 3-НП. Сходным образом, нифедипин (блокатор Са2+-каналов L-типа цитоплазматической мембраны) и дантролен (блокатор высвобождения Са2+ из эндоплазматического ретикулума) значительно снижали индуцированный 3-НП апоптоз [ Keller, ea 1998 ].
В изолированных митохондриях АФК и внутримитохондриальный Са2+ могут действовать совместно, индуцируя проницаемость внутренней митохондриальной мембраны ( поры ) [ Zoratti, ea 1995 ].
За высокую проницаемость внутренней митохондриальной мембраны, индуцируемую неорганическим фосфатом , разобщителями или прооксидантами ( трeт-бутил гидропероксидом и диамидом ), ответственно Са2+-зависимое образование АФК в дыхательной цепи [ Vercesi, ea 1997 ]. Связывание Са2+ с субмитохондриальными частицами вызывало такую перестройку липидного матрикса , которая приводила к дезорганизации компонентов дыхательной цепи, благоприятствуя продукции АФК и последующему окислению белков и окислению липидов . АФК, атакующие тиоловые группы мембранных белков, вызывали образование дисульфидных мостиков, что в свою очередь вызывало открывание мембранной поры при связывании Са2+ [ Vercesi, ea 1997 ].
Таким образом, АФК и Са2+ открывают митохондриальную пору , что вызывает набухание митохондрий, повреждение их наружной мембраны и выход из межмембранного пространства в цитоплазму цитохрома с и AIF .
Цитохром с формирует комплекс с цитозольными белками Apaf-1 , Smac/DIABLO и прокаспазой-9 , приводя к образованию активной каспазы-9 . Она в свою очередь активирует каспазу-3 и каспазу-7 . Процессы активации каспаз блокируются ингибиторами белков апоптоза ( IAP ), а те в свою очередь ингибируются Smac/DIABLO . Каспаза-12 может активировать каспазу-9 без участия цитохрома с [ Morishima, ea 2002 ]. Прокаспазы-3 и -7 активируются также каспазой-8 , в свою очередь активируемой так называемыми " индуцирующими смерть сигнальными комплексами " в плазмалемме.
Каспаза-8 вызывает выход из лизосом активного катепсина В , который затем частично расщепляет цитозольный белок Bid , или сама расщепляет его, после чего он, превращаясь в активный белок tBid , активирует другой проапоптозный белок - Вах . Тот, взаимодействуя с митохондриальным белком порином , образует во внешней мембране канал , по которому выходят цитохром с и AIF [ Skulachev, ea 2000 ].
AIF направляется прямо в ядро и вызывает деградацию ДНК . Bcl-2 препятствует выходу цитохрома с из митохондрий. N0 блокирует апоптоз посредством избирательного нитрозилирования эффекторных каспаз [ Kamata, ea 1999 ]. В процессе высвобождения апоптозных белков митохондрии разрушаются. Общая схема классического апоптоза представлена на рисунке (за основу взята схема из [ Kamata, ea 1999 ]).
