индукция апоптоза это что
Медицинские интернет-конференции
Языки
Апоптоз: молекулярно-клеточные механизмы развития, значение в обеспечении клеточного гомеостаза.
Булудова М.В., Полутов В.Э.
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
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.
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 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.
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).
Литература
Критерии апоптоза
Большинство исследователей выделяют сейчас две основные формы клеточной гибели: апоптоз и некроз. Несмотря на неоднозначность признаков той или иной формы, существуют общепризнанные критерии апоптоза морфологического и молекулярно-биохимического характера. К первым относится целостность плазматической мембраны, конденсация хроматина, набухание митохондриальной мембраны. Остатки клетки фагоцитируются макрофагами или соседними клетками, поэтому клеточное содержимое не попадает в межклеточное пространство и не вызывает воспалительной реакции. При некрозе клетки набухают, их митохондрии и другие органеллы расширяются и разрываются внутриклеточные и плазматическая мембраны клетки. В результате этого активируются лизосомальные ферменты, а внутриклеточное содержимое, попадая во внеклеточную среду, вызывает воспалительные процессы. Классические причины, приводящие к некрозу клетки – гипертермия, ингибирование окислительного фосфорилирования, гликолиза или цикла Кребса, гипоксия, действие комплемента или различных токсинов.
Среди молекулярно-биохимических признаков апоптоза важнейшим является его энергозависимость, в отличие от некроза. Т.е., апоптоз требует обязательного наличия АТФ, изменение его уровня может определить направление клеточной гибели, причем решающим может являться даже не абсолютное содержание АТФ, а отношение АТФ/АДФ в клетке. Другим характерным признаком служит расщепление ядерной ДНК и формирование фрагментов, кратных 200п.н., что приводит к формированию известных «лестниц» ДНК на электрофореграмме; при развитии другого пути апоптоза ДНК может расщепляться на более крупные фрагменты. На ранних стадиях апоптоза клетка сморщивается, теряя до 1/3 своего объема за несколько минут. Третий важный биохимический маркер ПКГ — активация специфических цистеиновых протеаз (каспаз) и, соответственно, деградация белка в клетке. Каспазы разрезают белок специфично за остатком Asp. И, наконец, появление фосфатидилсерина на поверхности клетки (и апоптотических телец, образующихся из нее) способствуют их узнаванию макрофагами и фагоцитозу. Клетка на данном этапе еще живая (включения летального красителя трипанового синего не происходит). Видимо в этом и есть задача апоптоза – утилизация еще живых апоптозных телец, пока содержимое клетки не попадет во внеклеточную среду.
Участие митохондрий в развитии апоптоза
В настоящее время доказана первостепенная роль митохондрий для многих, если не для всех видов апоптоза. В первую очередь происходит падение трансмембранного потенциала Dy на внутренней мембране митохондрий. Деполяризация – общая черта апоптоза для большинства типов клеток (нейроны, фибробласты, моноциты, лимфоциты, гепатоциты, различные опухолевые клетки и т.д.). Затем происходят более глубокие изменения проницаемости митохондриальных мембран: образуются гигантские поры (мегаканалы – permeability transition pore (PTP)). Точный состав этой поры, несмотря на длительное изучение, не известен. Тем не менее, поровой комплекс содержит множество мишеней для внешнего воздействия и регулируется множеством эндогенных физиологических факторов. Среди них: оксид азота; активные формы кислорода; концентрация ионов (Ca2+ и Mg2+); изменения Dy; концентрация адениновых нуклеотидов (АДФ, АТФ), липидов, определенных белков; изменения в составе Bcl-2 комплекса. Судя по всему, гигантская пора интегрирует различные ответные реакции клетки на стресс, и почти все процессы клеточной гибели вызывают изменения митохондриальной проницаемости.
Как уже было отмечено, важным компонентом индукции апоптоза во многих типах клеток является свободный цитоплазматический кальций. Вследствие связывания лигандов с различными поверхностными рецепторами клетки происходит активация различных изоформ фосфолипазы С. Вслед за этим образуются вторичные мессенджеры, например, диацилглицерол и инозитол-1,4,5-трифосфат (IP3).
Диацилглицерол активирует семейство сериновых и треониновых киназ, известных в целом как протеинкиназа С (РКС). IP3 стимулирует высвобождение ионов кальция из внутриклеточных депо. Более того, некоторые химические токсины могут стимулировать апоптоз путем нарушения нормального гомеостаза кальция.
Причины апоптоза
Этот феномен является результатом действия различных факторов, приводящих к гибели клетки. Это могут быть неспецифические факторы, такие как температура, токсические агенты, оксиданты, свободные радикалы, гамма- и УФ-излучение, бактериальные токсины и др. Во всех этих случаях происходит индукция апоптоза, но при увеличении дозы соответствующего агента развивается некроз клетки. Поскольку апоптоз физиологическое явление, то в организме должны быть факторы, приводящие к ПКГ. В настоящее время известно, что таковыми могут быть как внутриклеточные сигналы, так и внешние, опосредующие свое действие через рецепторные системы, которые сами по себе не являются токсическими или деструктивными.
Среди физиологических наибольший интерес вызывают гормоны. Известно, что они могут выступать как индукторами, так и ингибиторами гибели клетки в зависимости от стадии ее дифференцировки (например, половые гормоны). Центральное место в исследовании апоптогенного действия гормонов принадлежит изучению влияния глюкокортикоидов (ГК) на лимфоидные клетки. Чувствительность Т-клеток к ГК зависит от стадии развития лимфоцитов. Пре-Т-клетки костного мозга и незрелые Т-клетки тимуса чувствительны к физиологическим дозам ГК. Определенные субпопуляции зрелых Т-лимфоцитов (натуральные киллеры, цитотоксические Т-лимфоциты) претерпевают апоптоз под действием ГК. Также гибнут пре-В-клетки и незрелые В-клетки. Зрелые В-лимфоциты не чувствительны к ГК.
Другим физиологическим регулятором ПКГ являются цитокины (обширная группа белков, регулирующих пролиферацию и дифференцировку клеток при связывании со специфическими рецепторами на клетках-мишенях). Цитокины подразделяются на три большие группы (в зависимости от структуры и функции): ростовые факторы, семейство Фактора некроза опухоли и спиральные цитокины (интерлейкины, интерфероны). Эффект цитокинов на клетки также неоднозначен: для одних клеток они выступают в роли индуктора, для других – в роли ингибитора апоптоза. Это зависит от типа клетки, стадии ее дифференцировки и фукционального состояния. Наличие в организме физиологических факторов — индукторов и ингибиторов апоптоза — позволяет сделать вывод, что ПКГ зависит от соотношения этих регуляторов.
Трансляция сигнала
Наиболее хорошо изучена последовательность событий, приводящих клетку к апоптозу в результате взаимодействия белков из семейства ФНО со специфическими рецепторами. Ярким представителем этой группы белков является система Fas/Fas-L. Взаимодействие Fas с Fas-L(лиганд) приводит к апоптозу клетки. Человеческий Fas состоит из 325 аминокислотных (АК) остатков и относится к мембранным белкам I типа. Т.е. в его структуре можно выделить внеклеточный, трансмембранный и цитоплазматический домены. Примерно 80 АК-х остатков образуют домен смерти (DD), который вовлекается в белок-белковое взаимодействие, генерируя сигнал смерти. Ген Fas у человека локализован в длинном плече 10 хромосомы и состоит их 9 экзонов.
Fas-L является цитокином из ФНО-семейства, экспрессируется на активированных Т-лимфоцитах и натуральных киллерах, а также на клетках Сартоли и паренхиматозных клетках передней камеры глаза, что позволяет эти клеткам убивать любую Fas-экспрессирующую клетку, в том числе и активированный Т-лимфоцит. Этот механизм определяет появление защищенных от иммунной системы мест.
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. В результате этого процесса происходит активация апоптоз-специфической протеазы – каспазы-8 и развиваются характерные для апоптоза процессы. Мутации в гене fasили в гене fas-L приводят к развитию аутоиммунных заболеваний.
Каскадный механизм апоптоза
В настоящее время складывается впечатление о центральной роли протеаз в запуске и развитии процесса апоптоза. Это цистеиновые протеазы, катализирующие необратимые специализированные реакции протеолиза, — каспазы. Обнаружено 10 каспаз, образующих ферментативный каскад. Среди каспаз различают эффекторы, т.е. ферменты непосредственно гидролизующие структурные белки клетки, и индукторы – каспазы, которые принимают апоптотический сигнал и передают его на эффекторные каспазы. Среди молекулярных мишеней каспаз – эффекторов известны многие белки, деградация которых вызывает развитие необратимых процессов, характерных для апоптоза. Регуляция активности каспаз в интактной клетке происходит тремя путями: 1) взаимодействие индуктора апоптоза со специфическими рецепторами (например, активация каспазы 8 в Fas/Fas-L системе); 2) активация каспазы 9 в результате образования гетеродимеров белками семейства Bcl-2; 3) активация каспаз при помощи гранзимов В-сериновой протеазы (в случае воздействия на клетку цитотоксических Т-лимфоцитов, например).
Фрагментация ДНК – ключевое событие апоптоза. Пусковым механизмом ее является протеолитическое расщепление каспазами важного для поддержания структурно-функциональной способности ДНК белка — топоизомеразы II. Также субстратом протеаз при апоптозе является гистон Н1, который защищает ДНК от действия эндонуклеаз. Осуществление различных этапов деградации ДНК связано с проявлением активности различных эндонуклеаз.
Роль белков p53 и семейства Bcl-2 в регуляции апоптоза клетки
В индукции ПКГ важная роль принадлежит белку p53. Этот белок с молекулярной массой 53 кД локализован в ядре клетки и является одним из регуляторов апоптоза. На ранних стадиях повреждения ДНК повышается его экспрессия, вызывая блок клеточного цикла в фазе G1 и G2 до репликации ДНК и митоза, соответственно делая возможной репарацию поврежденной ДНК и предотвращая тем самым появление мутантных клеток. Если же активность репарационных систем недостаточна и повреждения ДНК сохраняются, то в таких клетках индуцируется ПКГ, что приводит к защите организма от присутствия клеток с поврежденной ДНК.
Процесс регулированной клеточной гибели условно может быть разделен на несколько различных фаз: фаза инициации апоптоза, проведение сигнала, активация каспаз, активация эндонуклеаз и специфическая деградация ДНК, в результате чего наступает гибель клетки. Если начальные фазы различаются в зависимости от типа клеток и от апоптоз-индуцирующего сигнала, то этап деградации ДНК – универсален для большинства клеток. Эта фаза является переходом к необратимой – терминальной стадии апоптоза, которую контролируют белки семейства Bcl-2, производные одноименных генов. К настоящему времени известно, что белки этого семейства относятся либо к индукторам апоптоза (Bad, Bax, Bak и т.д.), либо к ингибиторам (Bcl-2, Bcl-X/L). Белки семейства Bcl-2 находятся в постоянном динамическом равновесии, образую 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.
Апоптоз при патологических состояниях
Апоптотическая гибель клеток наблюдается при различных патологических состояниях. Этим путем осуществляется гибель клеток в эндокринно-зависимых тканях, при уменьшении концентрации соответствующего гормона (например, клеток простаты после кастрации и коры надпочечников после подавления синтеза АКТГ глюкокортикоидами). Гибель клеток путем апоптоза происходит также при уменьшении кровоснабжения органа (ишемическая болезнь сердца). Интенсивно изучается роль апоптоза в детерминации сердечной недостаточности (СН). Специфические рецепторы клеточной гибели FAS/APO-1 широко представлены практически во всех клеточных структурах. Обнаружено увеличение рецепторной экспрессии в лимфоцитах и миокардиоцитах больных СН, что сочеталось с повышением их апоптозного индекса (Визир В.А, Березин А.Е., 2002).
На модели пневмоинфекции показано (Dockrell DH et al, 2003), что апоптоз альвеолярных макрофагов уменьшает распространение инфекции, в то время, как угнетение каспазной активации приводит к учащению бактериемий.
Индукция апоптоза иммунных клеток (Murphy FJ et al, 2003) – механизм, успешно применяемый организмом для купирования нарушений в иммунной системе. Применяемые гомеостатические механизмы тщательно идентифицированы. Экспрессия фосфатидилсерина на поверхности апоптотических нейтрофилов достаточна, чтобы ограничить иммунный ответ на острое воспаление, тогда как апоптоз эффекторных клеток может ограничить ответ при хроническом воспалении.
Апоптоз при ожогах и сепсисе
Септический шок связан с нейронным и глиальным апоптозом, который индуцируется экспрессией эндотелиальной растворимой нитридоксидсинтeтазы (iNOS) (Sharshar T et al, 2003).
Последние исследования продемонстрировали активацию ДНК-фрагментации скелетных мышц при различных патологических состояниях Almendro V et al (2003). Автор пытался выяснить, связан ли катаболизм при сепсисе с апоптозом мышечных клеток. Оказалось, что введение ингибитора синтеза TNF-a явно предупреждало фрагментацию ДНК миоцитов.
При сепсисе индуцируется апоптоз лимфоцитов, лежащий в основе иммуносупрессии. Продемонстрировано значительное уменьшение веса тимуса и увеличение фрагментации ДНК с характерной ДНК–лестницей на гелевой электрофореграмме в эксперименте при моделировании перитонеального сепсиса. Показано усиление апоптоза тимоцитов in vitro у опытных крыс. Авторы связывают это, в частности, с ингибированием экспрессии IL-2 гена (Barke RA et al, 1994).
Позже установлено, что ключевую роль в регуляции клеточной пролиферации лимфоцитов и их гибели при сепсисе играет серин-треониновая киназа Akt. Определено, что сверхэкспрессия этого фермента в лимфоцитах предупреждает апоптоз лимфоцитов и улучшает выживаемость мышей при сепсисе. Т.о., намечен принципиально новый подход в терапии этого критического состояния (Bommhardt U et al, 2004).
В настоящее время имеется большое число работ, посвященных исследованию состояния системы Fas/Apo-1, как универсального рецепторного механизма апоптоза.
Nakae H. с соавт. (2001) изучали изменения в системе Fas/FasLпри острой печеночной недостаточности (I группа) и сепсисе без выраженного гепатоцеллюлярного поражения (II группа). Оказалось, что уровень sFasL был значительно выше у пациентов I группы. Выявлена значительная корреляция между TNF-a, sFas и отрицательная – между TNF-a и sFasL. Авторы приходят к выводу, чтоTNF-a и sFasL, в особенности, могут играть гепатопротекторную роль.
Уменьшение воспаления включает удаление нейтрофилов и других воспалительных клеток путем индукции апоптоза. Fas/Apo-1 экспрессируется любым типом клеток и может проявляться в растворимой циркулирующей форме. В своем исследовании Torre D etal (2003) определяли уровень циркулирующих Fas/Apo-1 у пациентов с системным воспалительным ответом (SIRS): 57 больных с сепсисом и септическим шоком и 23 с неинфицированным SIRS. Результаты ясно показали значительное повышение уровня растворимой рецепторной формы у пациентов с SIRS: 10.4±8.1 пг/мл по сравнению с контролем: 5.0±0.7 пг/мл р >
Апоптоз – программируемая клеточная смерть
Природа снабдила клетки не только многочисленными механизмами защиты и репарации, но и целым набором «суицидальных» инструментов. Образно говоря, в каждой клетке есть своя собственная «гильотина».
Термин «апоптоз» состоит из двух греческих слов и означает в буквальном смысле «опадание листьев». Апоптозу подвергаются клетки, закончившие цикл своего развития, – стареющие, поврежденные, мутантные, инфицированные. В многоклеточных организмах апоптоз клетки задействован в процессах дифференциации и морфогенеза, а также в поддержании клеточного гомеостаза, формировании и функционировании иммунной системы.
В настоящее время продолжаются активные исследования регуляторов и активаторов апоптоза для установления более точной картины этого процесса. Хотя механизм апоптоза клетки уже установлен.
Существует множество определений понятия «апоптоз». В некоторых источниках под ним подразумевают явление программируемой клеточной смерти, сопровождаемой набором характерных цитологических признаков (маркеров апоптоза) и молекулярных процессов, имеющих различия у одноклеточных и многоклеточных организмов (то есть изменений в строении и функционировании клетки, характерных для этого процесса). Другие источники описывают клеточный апоптоз как форму гибели клетки, проявляющуюся в уменьшении ее размера, конденсации (уплотнении) и фрагментации хроматина, уплотнении наружной и цитоплазматической мембран без выхода содержимого клетки в окружающую среду.
Механизм апоптоза
Как включается в клетке программа апоптоза? Факторы и их пусковые механизмы мы можем условно разбить на две группы:
– митохондриальный механизм;
– рецепторный механизм.
Митохондриальный механизм
Возникает при неудовлетворительном состоянии клетки, которое может быть обусловлено различными видами облучения, изменением температуры, действием химических веществ, токсинов, стрессовыми ситуациями, нарушением питания клетки и недостатком кислорода в тканях.
При всем многообразии причин запуска механизм развития апоптоза однотипен. Он связан с повреждением митохондриальной мембраны, что приводит к выходу в цитоплазму цитохромов (дыхательных ферментов, прочно связанных с мембранами митохондрий, осуществляющих в клетке перенос электронов и водорода от окисляемых органических веществ к молекулярному кислороду, при этом образуется богатое энергией соединение – АТФ). Цитохром вместе с цитоплазматическим фактором APAF-1 (Apoptose protease activation factor), неактивной каспазой и АТФ составляют апоптосомальный комплекс. Фактор APAF-1 активирует каспазы (особые протеолитические ферменты, являющиеся цистеиновыми протеазами и представленные в клетке множественными вариантами). Предполагается, что эти ферменты образуют протеолитический каскад, взаимно активируя друг друга и приводя тем самым к деградации клетки. Также в реализации этих процессов участвуют митохондриальные белки семейства Всl-2.
Рецепторный механизм
Развитие апоптоза происходит постепенно. Сигнал для начала процесса клетка получает при активации особых рецепторов, находящихся на ее поверхности. В данном случае клетка вполне жизнеспособна, но с позиций целостного организма ей посылается сигнал о «самоликвидации». Рецепторы детектируют присутствие межклеточных сигналов и в ответ на это быстро запускают внутриклеточный механизм реализации апоптоза, объединяясь в особую группу – рецепторов гибели, отличающихся от других рецепторов наличием в цитоплазматической части клетки специального «домена смерти», необходимого для включения сигнала, приводящего к апоптозу. Среди таких рецепторов наиболее известен рецептор Fas, который взаимодействуя с соответствующим лигандом (лигандом FasL), трансмембранным белком Т-киллера, активируется и запускает программу смерти клетки, инфицированной вирусом.
Пролиферация клеток и апоптоз.
Другие активаторы апоптоза
Активировать апоптоз могут также различные метаболиты и гормоны: противовоспалительные цитокины, стероидные гормоны, окись азота и свободные радикалы. Все эти факторы в свою очередь вызывают чрезмерное повреждение хромосом, многочисленные разрывы ДНК, нарушения их конформации. Пусковым моментом могут стать также повреждения внутриклеточных мембран и перекисное окисление липидов.
Для более глубокого понимания механизмов регуляции необходимо упомянуть некоторые воздействия и факторы, играющие немаловажную роль в развитии апоптоза. В 90-х годах ХХ века был открыт ряд генов, участвующих в регуляции этого процесса. Один из них кодирует белок р53, являющийся активатором апоптоза. Повышение уровня белка р53 происходит в ответ на повреждения ДНК, при этом он индуцирует процесс разными механизмами: влиянием на клеточный цикл, стимуляцией экспрессии Fas-рецептора, воздействием на соседние клетки и пр. При действии белка р53 увеличивается время репарации ДНК, что защищает организм от распространения клеток с опасными мутациями. Важно подчеркнуть, что р53-зависимый апоптоз элиминирует из организма не только поврежденные клетки, но и клетки, в которых наблюдается нерегулируемая стимуляция процессов пролиферации.
Клетка подвергается апоптозу, если в ядре происходит повреждение ДНК, которое не может быть исправлено системой репарации. За данным процессом следит белок, кодируемый геном р53.
Механизм развития апоптоза: при апоптозе происходят необратимые изменения клеточной морфологии. Клетка уменьшается и фрагментируется на апоптотические тельца, при этом клеточная мембрана остается неповрежденной. Это предотвращает вытекание токсических и иммуногенных веществ в межклеточное пространство. В случае некроза клетка распухает, мембрана разрывается и содержимое клетки выходит наружу, что приводит к воспалению.
Апоптоз и некроз
Повреждение клеточных структур, ведущее к апоптозу, не должно быть чрезмерным, иначе процесс ее гибели становится неуправляемым и представляет собой уже другую форму гибели клетки – некроз.
Некроз – это патологический процесс, запускающийся в ответ на какое-либо внешнее или внутренне повреждение (инфекция, химическое воздействие, облучение, недостаточное кровоснабжение и т. д.). Некроз проявляется в набухании, денатурации и коагуляции цитоплазматических белков, разрушении клеточных органелл и, наконец, всей клетки. Основу некроза составляет нарушение целостности мембраны, обеспечивающей изоляцию клетки от внешней среды. Происходит выход лизосомальных ферментов из лизосом, которые и переваривают содержимое клетки, клетка набухает, происходит разрыв мембраны с разрушением субклеточных структур вследствие осмотического шока, при этом ДНК подвергается неконтролируемой фрагментации. Содержимое клетки выбрасывается во внеклеточную среду, где поглощается фагоцитами, что приводит к развитию воспалительной реакции в окружающих тканях.
В чем отличие некроза от апоптоза? При апоптозе размер клетки, наоборот, уменьшается, мембрана уплотняется, образуются вздутия, завершающиеся формированием клеточных фрагментов, содержащие обломки ядер (апоптические тельца). Контакты с соседними клетками ослабляются, ДНК подвергается строго упорядоченной фрагментации, поскольку ее нити обрываются только между нуклеосомами (структуры, в которых упакованы ДНК). При апоптозе сохраняется целостность мембран, органеллы выглядят морфологически интактными, а продукты дробления клетки, апоптозные тельца, представляют собой отдельные фрагменты, окруженные мембраной.
Таким образом, судьба клеток, подвергшихся апоптозу и некрозу, различна. Некротическая клетка лопается, и ее содержимое оказывается в межклеточном пространстве, вызывая повреждение соседних клеток и инициируя воспаление. Апоптические же клетки сохраняют непроницаемость и очень быстро поглощаются фагоцитами. Объясняется это тем, что на поверхности клетки в процессе апоптоза появляется ряд молекул (гликопротеины, фосфатидилсерин и др.), распознаваемых фагоцитами и служащих сигналом для осуществления фагоцитоза. Основные различия между апоптозом и некрозом отражены в таблице 1.
Таблица 1. Основные различия между апоптозом и некрозом
Показатель
Апоптоз
Некроз
Пусковой фактор
Повышение проницаемости мембран митохондрий или сигнал, воспринимаемый мембранными рецепторами
Неадекватные условия среды, токсические агенты
Скорость развития
1–4 ч
Менее часа
Причины гибели клетки
Нарушение энергетики клетки, деградация ДНК
Нарушение целостности мембраны, осмотические процессы
Изменение размера клетки
Уменьшение (сморщивание)
Увеличение (набухание)
Изменение ядра
Конденсация хроматина, фрагментация
Набухание
Изменение в цитоплазме
Конденсация цитоплазмы, уплотнение гранул
Лизис гранул
Изменение клеточной мембраны
Потеря микроворсинок, образование вздутий, уплотнений
Нарушение целостности
Состояние ДНК
Упорядоченная (межнуклеосомная) деградация
Неупорядоченная деградация
Энергозависимость
Зависит
Не зависит
Стадии апоптоза
Механизмы апоптоза сложны и многообразны. Они представляют собой сложнейший молекулярный каскад, изучением которого занимаются многие лаборатории по всему миру. Несомненная важность этих исследований в аспекте онкологии и геронтологии доказана успехами терапии онкологических заболеваний индукторами апоптоза раковых клеток.
В развитии апоптоза выделяют три стадии:
Индукция апоптоза.
Итак, апоптоз: активация процесса начинается с получения клеткой сигнала о том, что ее гибель необходима для дальнейшей жизнедеятельности организма. 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». 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. Сначала образуются фрагменты, включающие 700, 250, 70 тысяч пар оснований, затем – фрагменты, содержащие 30–50 тысяч пар оснований. После реализации этого этапа процесс становится необратимым.
Затем наступает межнуклеосомная дезинтеграция ДНК, то есть разрывы нитей ДНК, находящихся между нуклеосомами. Отделившиеся фрагменты ядра, ограниченные мембраной, называют апоптотическими тельцами. В цитоплазме происходит расширение эндоплазматического ретикулума, конденсация и сморщивание гранул.
Признаки апоптоза клетки
Важнейшим признаком апоптоза является снижение трансмембранного потенциала митохондрий и выход в цитоплазму различных апоптогенных факторов (цитохрома, прокаспаз, 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, в результате чего происходит поглощение тела клетки другими клетками и его деградация в окружении лизосом фагоцитарных клеток.
Роль апоптоза в физиологических процессах организма
Современные сведения показывают, что имеется взаимосвязь между нарушениями регуляции апоптоза и целым рядом возрастных патологий и фенотипов старения. Одна из гипотез объяснения молекулярно-генетических механизмов старения организма постулирует: старение организма – это, по сути, апоптоз, старение ключевых клеток, гибель которых способна повлиять на физиологию всего организма. До сих пор идут дискуссии о роли апоптоза в процессе старения, при этом часть исследователей являются сторонниками теории клеточного апоптоза, придерживаясь мнения, что старение происходит в результате того, что в организме гибнет больше клеток, чем рождается, а отмирающие функциональные клетки заменяются соединительной тканью. Исходя из этой теории, старость – это болезнь, которую можно и нужно лечить, а программу старения организма возможно вывести из строя и тем самым выключить механизм, сокращающий нашу жизнь.
Людмила Бравинская, косметолог-методист, Одесский медицинский университет, Одесса