Апоптоз клетки: биологическая роль, механизм. Апоптоз клеток: почему он не всегда работает? Генетически запрограммированная гибель клетки называется

Введение

апоптоз смерть старение патологический

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.

1. История открытия

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. В организме среднестатистического взрослого человека в результате апоптоза погибает ежедневно порядка 50-70 миллиардов клеток. Для среднестатистического ребёнка в возрасте от 8 до 14 лет число клеток, погибших путём апоптоза, составляет порядка 20-30 миллиардов в день. Суммарная масса клеток, которые на протяжении 1 года жизни подвергаются разрушению, эквивалентна массе тела человека. При этом восполнение утраченных клеток обеспечивается за счёт пролиферации - увеличения клеточной популяции путём деления.

Апоптоз человеческого лейкоцита

2. 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. В биохимическом механизме апоптоза выделяют 4 основных компонента: 1) CysAsp-протеазы илм каспазы; 2) так называемые «рецепторы серти» на поверхности клетки; 3) митохондрии и выходящий из них цитохром с и 4) специальные про-и антиапоптозные белки. Такие вторичные мессенджеры, как Са2+, активные формы кислорода (АФК) и окись азота (NO), также играют важную роль в апоптозе.

Каспазы (семейство CysAsp-протеаз) выполняют центральную роль в запуске апоптоза. У млекопитающих семейство каспаз состоит из 14 белков, постоянно синтезируемых практически во всех клетках в виде проферментов, активирующихся при апоптозе. Они принимают участие в развитии воспалительных процессов, а также, наряду с эффекторными каспазами, в пролиферации Т-лимфоцитов, терминальной дифференцировке эпителиальных клеток хрусталика и кератиноцитов.

Так называемые «рецепторы смерти». У млекопитающих апоптоз часто начинается с активации так называемых «индуцирующих смерть сигнальных комплексов» на плазматической мембране. Эти комплексы образуются при взаимодействии определенных внеклеточных лигандов - например, Fas или TNF (tumor necrosis factor) с белками семейства рецепторов фактора некроза опухолей (TNFR) на клеточной мембране, называемых «рецепторами смерти». При связывании лигандов они активируют каспазу-8, образуя «индуцирующий смерть сигнальный комплекс», содержащий «рецептор смерти», адаптеры TRADD (TNFR1-associated protein with death domain) или FADD (Fasassoccated protein with death domain) и профермент каспазы-8.

Митохондриям принадлежит центральная роль в осуществлении апоптоза у млекопитающих. Сигналы от рецепторов смерти или от поврежденных участков клетки сходятся на них, вызывая повышение проницаемости обеих мембран, снижение мембранного потенциала (??m) и высвобождение белков апоптоза - апоптоз-индуцирующего фактора (AIF), SMAC (second mitochondria derived activator of caspases) и некоторых прокаспаз - из межмембранного пространства.

Наряду со специфически апоптозными белками, в цитоплазму выходит цитохром c. Там он связывается с Apaf-1 (apoptotic protease activating factor-1) и формирует так называемый апоптосомный комплекс, инициирующий активацию каспазного каскада. С помощью Smac и Omi/HtrA2 (Omi stress regulated endopeptidase/high temperature requirement protein A2) цитохром с запускает Apaf-1 зависимую активацию каспазы-9. Каспаза-9 активирует каспазы-3 и -7 (рисунок); те в свою очередь расщепляют различные белки, приводя к появлению биохимических и морфологических признаков аоптоза.

3. Фазы апоптоза

Стадии апоптоза

Различают три физиологические фазы апоптоза:

1. Сигнальная (активация специализированных рецепторов).

Инициация апоптоза может происходить посредством внешних (внеклеточных) или внутриклеточных факторов. Например, в результате гипоксии, гипероксии, субнекротического поражения химическими или физическими агентами, перекрёстного связывания соответствующих рецепторов, нарушения сигналов клеточного цикла, удаления факторов роста и метаболизма и т.д. Несмотря на разнообразие инициирующих факторов, выделяются два основных пути передачи сигнала апоптоза: рецептор- зависимый (внешний) сигнальный путь с участием рецепторов гибели клетки и митохондриальный(собственный) путь.

Рецептор-зависимый сигнальный путь

Процесс апоптоза часто (например, у млекопитающих) начинается с взаимодействия специфических внеклеточных лигандов с рецепторами клеточной гибели, экспрессированными на поверхности клеточной мембраны. Рецепторы, воспринимающие сигнал апоптоза, относятся к суперсемейству TNF-рецепторов (англ. tumor necrosis factor receptor или кратко TNFR - «рецептор фактора некроза опухолей»). Наиболее изученными рецепторами смерти, для которых описана и определена роль в апоптозе, являются CD95 (также известный как Fas или APO-1) и TNFR1 (также называемый p55 или CD120a). К дополнительным относятся CARI, DR3 (англ. death receptor 3 - «рецептор смерти 3»), DR4 и DR5.

Все рецепторы смерти представляют собой трансмембранные белки, характеризующиеся наличием общей последовательности из 80 аминокислот в цитоплазматическом домене. Данная последовательность называется доменомсмерти (англ. death domain или кратко DD) и является необходимой для трансдукции сигнала апоптоза.Внеклеточные участки рецепторов смерти взаимодействуют с тримерами лигандов (CD95L, TNF, Apo3L, Apo2L и т.п.). Тримеры лигандов в результате взаимодействия тримеризуют рецепторы смерти (то есть «сшивают» 3 молекулы рецептора). Активированный таким образом рецептор взаимодействует с соответствующим внутриклеточным адаптером (или адаптерами). Для рецептора CD95 (Fas/APO-1) адаптером является FADD (от англ. Fas-associated DD-protein - «белок, взаимодействующий с доменом смерти Fas-рецептора»). Для рецепторов TNFR1 и DR3 адаптером является TRADD (от англ. TNFR1-associated DD-protein - «белок, взаимодействующий с доменом смерти TNFR1-рецептора»).

Адаптер, ассоциированный с рецептором смерти, вступает во взаимодействие с эффекторами - пока ещё неактивными предшественниками протеаз из семейства инициирующих каспаз - с прокаспазами. В результате цепочки взаимодействия «лиганд-рецептор-адаптер-эффектор» формируются агрегаты, в которых происходит активация каспаз. Данные агрегаты именуются апоптосомами, апоптозными шаперонами или сигнальными комплексами, индуцирующими смерть (от англ. DISC - death-inducing signaling complex - «сигнальный комплекс, индуцирующий смерть»). Примером апоптосомы может служить комплекс FasL-Fas-FADD-прокаспаза-8, в котором активируется каспаза-8.

Рецепторы смерти, адаптеры и эффекторы взаимодействуют между собой сходными по структуре доменами: DD, DED, CARD. DD (от англ. death domain - «домен смерти») участвует во взаимодействии рецептора Fas с адаптером FADD и во взаимодействии рецепторов TNFR1 или DR3 с адаптером TRADD. Посредством домена DED (от англ. death-effector domain - «домен эффектора смерти») осуществляется взаимодействие адаптера FADD с прокаспазами?8 и?10. Домен CARD (от англ. caspase activation and recruitment domain - «домен активации и рекрутирования каспазы») участвует во взаимодействии адаптера RAIDD с прокаспазой-2.

Посредством рецепторов смерти могут быть активированы три инициирующие каспазы: ?2; ?8 и?10. Активированные инициирующие каспазы далее участвуют в активации эффекторных каспаз.

Митохондриальный сигнальный путь

Большинство форм апоптоза у позвоночных реализуется по митохондриальному пути, а не через рецепторы клеточной гибели. Митохондриальный сигнальный путь апоптоза реализуется в результате выхода апоптогенных белков из межмембранного пространства митохондрий в цитоплазму клетки. Высвобождение апоптогенных белков, предположительно, может осуществляться двумя путями: за счёт разрыва митохондриальной мембраны или же путём открытия высокопроницаемых каналов на внешней мембране митохондрий.

Ключевым событием митохондриального пути апоптоза является повышение проницаемости наружной мембраны митохондрий (англ. Mitochondrial Outer Membrane Permeabilization, MOMP). Существенную роль в повышении MOMP играют апоптотические Bcl-2 белки - Bax и Bak. Они встраиваются в наружную мембрану митохондрий и олигомеризуются. При этом, вероятно, нарушается целостность внешней мембраны митохондрий, по неизвестному пока механизму. При повышении MOMP из межмембранного пространства митохондрий в цитозоль высвобождаются растворимые белки, участвующие в апоптозе: цитохром c - белок с молекулярной массой 15 кДа; прокаспазы?2, ?3 и?9; AIF (от англ. apoptosis inducing factor - «фактор индуцирующий апоптоз») - флавопротеин с молекулярной массой 57 кДа.

Разрыв внешней мембраны митохондрий объясняется увеличением объема митохондриального матрикса. Данный процесс связывают с раскрытием пор митохондриальной мембраны, приводящим к снижению мембранного потенциала и высокоамплитудному набуханию митохондрий вследствие осмотического дисбаланса. Поры диаметром 2,6-2,9 нм способны пропускать низкомолекулярные вещества массой до 1,5 кДа. Раскрытие пор стимулируют следующие факторы: неорганический фосфат; каспазы; SH-реагенты; истощение клеток восстановленным глутатионом; образование активных форм кислорода; разобщение окислительного фосфорилирования протонофорными соединениями; увеличение содержания Ca2+ в цитоплазме; воздействие церамида; истощение митохондриального пула АТФ и др.

Цитохром c в цитоплазме клетки участвует в формировании апоптосомывместе с белком APAF-1 (от англ. Apoptosis Protease Activating Factor-1 - «активирующий фактор апоптотической протеазы-1»). Предварительно, APAF-1 претерпевает конформационные изменения в результате реакции, протекающей с затратой энергии АТФ. Предполагается, что трансформированный APAF-1 приобретает способность связывать цитохром c . К тому же открывается доступ CARD-домена APAF-1 для прокаспазы-9. В итоге происходит олигомеризация 7 субъединиц трансформированного белка APAF-1 с участием цитохрома c и прокаспазы-9. Так образуется апоптосома, активирующая каспазу-9. Зрелая каспаза-9 связывает и активирует прокаспазу-3 с образованием эффекторной каспазы-3. Высвобождающийся из межмембранного пространства митохондрий флавопротеин AIF является эффектором апоптоза, действующим независимо от каспаз.

2. Эффекторная (т.е. формирование из разнородных эффекторных сигналов единого пути апоптоза, и запуск каскада сложных биохимических реакций).

В течение эффекторной фазы различные инициирующие пути конвертируются в один (или несколько) общий путь апоптоза. Как правило, происходит активация каскада белков-эффекторов и регулирующих их белков-модуляторов. Основными эффекторами апоптоза являются каспазы. В процессе активации они запускают каспазный каскад: сложно переплетённые цепочки взаимодействий инициирующих и эффекторных каспаз:

Помимо каспазсуществуют и другие эффекторы апоптоза. Например, флавопротеин AIF, высвобождающийся из межмембранного пространства митохондрий, действует по независимому от каспаз пути. Попадая в клеточное ядро, AIF вызывает конденсацию хроматина и активирует эндонуклеазы, которые участвуют в фрагментации ДНК. На основании экспериментальных данных установлено, что апоптоз, протекающий в присутствии AIF, не предотвращается ингибитором каспаз. В качестве эффекторов апоптоза также рассматриваются кальпаины - представители семейства цитозольных Ca2+-активируемых цистеиновых протеаз. Их роль в апоптозе пока слабо охарактеризована.

Деградационная (фаза экзекуции или деструкции).

Условно деградацию погибающей клетки можно разделить на три последовательных фазы: высвобождения, блеббинга и конденсации. Деградация большинства клеток начинается с высвобождения прикреплений внеклеточного матрикса и реорганизации фокальной адгезии. Внутри погибающей клетки деполимеризуются микротрубочки цитоскелета. Внутриклеточные актиновые микрофиламенты реорганизуются в связанные с мембраной периферийные (кортикальные) кольцевые пучки. В итоге клетка приобретает округлую форму. Следующая за высвобождением, стадия блеббинга, характеризуется сокращением периферийных актиновых колец. В результате сокращений клеточная мембрана образует вздутия, клетка как бы «кипит». Процесс блеббинга энергозависим и требует большого количества АТФ. Фаза блеббинга в нормальных условиях завершается примерно через час. В итоге клетка фрагментируется на маленькие апоптотические тела, либо целиком конденсируется, округляясь и уменьшаясь в размерах.

Роль белка р53

В нормальных клетках белок p53, как правило, находится в неактивной, латентной форме. Активация p53 происходит в ответ на повреждения ДНК, вызванные ультрафиолетовым или гамма-излучением, гиперэкспрессией онкогенов, вирусной инфекцией, оксидативным стрессом, гипо- и гипертермией и др.Активированный p53 координирует процесс репарации ДНК, а также регулирует транскрипцию ряда генов-активаторов апоптоза в случае необратимых повреждений ДНК или нарушений регуляции клеточного цикла. К тому же имеются указания на то, что p53 принимает участие в запуске апоптоза путём стимуляции рецепторов смерти, путём взаимодействия с промотором апоптоза - Bax, путём активации p53-зависимого модулятора апоптоза PUMA (англ. p53 upregulated modulator of apoptosis), который блокирует действие Bcl-2.Повышение уровня p53 в ответ на повреждения ДНК вызывает апоптоз, например, в клетках кожи, в тимоцитах, в клетках кишечного эпителия.

4. Роль апоптоза в процессах старения

Предположение о роли апоптотической гибели в процессах старения было высказано ещё в 1982 году. Со временем выяснилось, что различные виды возрастзависимой дисрегуляции апоптоза присущи многим типам клеток. Например, в стареющем организме повышается чувствительность к индукции апоптоза для следующих типов клеток: гепатоцитов, кардиомиоцитов, макрофагов, мегакариоцитов, нейронов, ооцитов, спленоцитов, T-лимфоцитов, хондроцитов, эндотелиоцитов. Но в то же время, для фибробластовнаблюдается обратная тенденция к снижению чувствительности к апоптозу, а для кератиноцитов данная чувствительность не изменяется.

К настоящему времени имеются, как минимум, две точки зрения на связь апоптоза с процессами старения. Согласно одной из версий нормальные (гомеостатические) апоптотические процессы могут участвовать в развитии возрастных патологий и фенотипов старения. К примеру, с апоптотической гибелью постмитотических клеток (кардиомиоцитов, нейронов) связаны процессы старения сердечной мышцы или развитие возрастных нейродегенеративных патологий. Старение иммунной системы также связывают с программируемой гибелью различных типов лейкоцитов в результате возрастных изменений в соотношении про- и антиапоптозных факторов. Возрастная хрящевая дегенерация кореллирует с повышением уровня апоптоза хондроцитов в суставных хрящах у мышей и крыс, а также в межпозвоночных дисках при старении у человека. Согласно другой точке зрения накопление стареющих клеток в тканях объясняется возрастной резистентностью к апоптозу. В качестве примера, рассматривается устойчивость стареющих фибробластов к апоптозу, приводящая в итоге к преждевременному старению нормальных фибробластов и, возможно, к нарушению функций соединительной ткани.

5. Патология, связанная с усилением апоптоза

Одной из групп заболеваний, связанных с усилением апоптоза, являются патологии системы крови. Чаще всего патологические процессы развиваются в результате гибели посредством апоптоза костномозговых клеток-предшественников. Причиной их гибели является недостаточность факторов выживания. Данный тип патологии приводит к развитию апластической анемии; анемии при дефиците железа, фолатов, витамина B12; талассемии; тромбоцитопении; лимфопении; нейтропении; панцитопении. Повышенная готовность к развитию апоптоза Т-лимфоцитов обнаружена при мультицентрической болезни Кастелмана.

Прогрессия некоторых инфекционных заболеваний может быть связана не только с подавлением, но и наоборот, с усилением апоптоза. Индукторами программируемой клеточной гибели при этом служат бактериальные эндо- и экзотоксины. Массовый апоптоз развивается при сепсисе. Гибель лимфоцитов путём апоптоза находится в положительной корреляции с быстрой прогрессией СПИДа.

Отдельную группу патологии составляют заболевания нервной системы, обусловленные атрофией определённых участков нервной ткани в результате апоптоза. Примерами таких заболеваний могут служить боковой амиотрофический склероз, болезнь Альцгеймера, спинальная мышечная атрофия и др.

Апоптоз является преобладающей формой гибели миоцитов в ранний период развития инфаркта. На основе экспериментальных данных было выявлено, что программируемая гибель кардиомиоцитов может быть обусловлена гипоксией, ишемией, перегрузкой клетки кальцием, воспалением, токсинами. В процессе токсического (в том числе и алкогольного) гепатита основная роль также отводится апоптозу.

Ряд патологических процессов, обусловленных усилением апоптоза, индуцируется внешними апоптогенными факторами. Апоптоз прогрессирует под воздействием ионизирующей радиации.При этом преимущественно гибнут лимфоидные клетки и развивается иммунная недостаточность. Аналогичный эффект дают многие химиотерапевтические препараты, используемые при лечении опухолей, а также гормоны, применяемые при лечении различных заболеваний.

6. Другие формы ПКС (программируемой клеточной смерти)

·Аутофагию

·Некроз

Термином « Аутофагия» (Autophagy, от греческих слов: «Авто», означающими само- и «phagein означающее «поглощать») обозначают поглощение и переваривание в лизосомах «состарившихся» или поврежденных молекул или органелл собственной клетки. Аутофагия - необходимая часть обновления молекул и органелл клетки (вместе с образованием новых молекул и органелл). Внутриклеточный материал сначала включается в пузырьки, образуемые мембранами эндоплазматического ретикулума, а затем эти пузырьки сливаются с лизосомами.В каждой клетке печени за сутки разрушается около 100 митохондрий С/20 часть всех митохондрий).

При воспалительных процессах мембранные структуры клеток повреждаются, в том числе и мембраны лизосом. Лизосомные ферменты освобождаются и переваривают клетку; этот процесс может способствовать образованию язв. Разрушение соединительнотканного матрикса при таких заболеваниях, как ревматоидный артрит, миодистрофия, инфаркт миокарда, связано с освобождением лизосомальных ферментов. С другой стороны, гетерофагия и аутофагия участвуют в заживлении ран и воспалительных повреждений тканей, удаляя погибшие клетки или фрагменты клеток. Одна из важных функций эндоцитоза и лизосом связана с регуляцией количества рецепторов, экспонированных на поверхности клетки.

Некроз (от греч. ?????? - мёртвый), или омертве?ние - это патологический процесс, выражающийся в местной гибели ткани в живом организме в результате какого-либо экзо- или эндогенного её повреждения.

Некроз проявляется в набухании, денатурации и коагуляции цитоплазматических белков, разрушении клеточных органелл и, наконец, всей клетки. Наиболее частыми причинами некротического повреждения ткани являются: прекращение кровоснабжения (что может приводить к инфаркту, гангрене) и воздействие патогенными продуктами бактерий или вирусов (токсины, белки, вызывающие реакции гиперчувствительности, и др.)

7. Отличия между некрозом и апоптозом

Отличия апоптоза от некроза связаны с различиями в их встречаемости, биохимическими, генетическими, морфологическими и клиническими реакциями. Главным отличием апоптоза от некроза является то, что апоптоз распространяется исключительно на отдельные клетки или их совокупности, в то время как некроз может уничтожить территорию начиная от части клетки вплоть до органа.

Апоптоз происходит в клетках при определённых генетических событиях, которые во многом ещё недостаточно проанализированы. При апоптозе увеличивается экспрессия генов, ответственных запролиферацию и дифференцировку клеток из совокупности клеточных онкогенов (c-fos, c-myc, c-bcl-2) и антионкогенов (p53). Активация клеточных онкогенов должна привести к увеличению пролиферации клеток, однако при параллельной активации антионкогена р53 происходит апоптоз. Описанные взаимоотношения между генами показывают возможность регуляции процессов пролиферации и гибели клеток, построенной в генетическом аппарате клеток. В связи с тем, что взаимодействия между генами происходят с помощью их белковых соединений, в момент апоптоза в клетке увеличивается белковый синтез. Ингибирование этого процесса может предотвращать апоптоз.

Морфологические отличия апоптоза от некроза.Эти отличия касаются в основном ультраструктурных перестроек. Но это не значит, что апоптоз невозможно наблюдать на светооптическом уровне. При световой микроскопии клетки в состоянии апоптоза и их фрагменты (апоптозные тельца) отличаются небольшими размерами, сравнимыми с размерами лимфоцитов, с высоким ядерно-цитоплазматическим соотношением, округлыми контурами и конденсированными хроматином и цитоплазмой. Существенным отличием является также отсутствие воспалительной реакции на апоптоз.

Ультраструктурные отличия апоптоза от некроза.Существуют следующие ультраструктурные отличия. - Потеря специализированных структур клеточной поверхности - микроворсинок, межклеточных контактов. Клетка приобретает округлую форму и теряет связь с соседними клетками. В отличие от некроза речь идет всегда об изменениях в отдельных клетках.

- Размеры клеток уменьшаются в связи с конденсацией цитоплазматических органелл; изменяется также и форма клетки. Часто клетка расщепляется на несколько апоптозных телец, каждое из которых имеет свой фрагмент ядра, ограниченный двухконтурной ядерной мембраной, и индивидуальный набор орга-нелл.

В отличие от некроза при апоптозе имеется сохранность и интегративность органелл. Митохондрии не набухают, в них не происходит разрыва внутренней мембраны. Характерными для апоптоза являются такие ультраструктурные изменения, как агрегация рибосом в полукристаллоидные структуры, появление пучков микрофиламентов под цитолеммой, расположенных параллельно мембране. Почти всегда наблюдается кратковременная дилатация агранулярной эндоплазматической сети с формированием пузырей, наполненных жидкостью, которые выводятся из клетки. При изучении в сканирующем электронном микроскопе поверхность клетки приобретает кратерообразные выпячивания. - Наиболее яркое отличие апоптоза от некроза связано с изменениями ядерного хроматина, который конденсируется под кари-олеммой в виде полусфер и глыбок. В ядре обнаруживаются ос-миофильные тельца, сформированные транскрипционными комплексами, поступающими из ядрышек. Ядро меняет свою форму, становится изрезанным, фрагментирустся, ядерные поры концентрируются только в участках, где отсутствует маргинации хроматина.

Клетка в состоянии апоптоза становится объектом фагоцито-за для соседних паренхиматозных и стромальных клеток в прежде всего для макрофагов. Фагоцитоз происходит настолько быстро, что в условиях in vivo апоптозные клетки сохраняются лини, и течение нескольких минут, что затрудняет их наблюдение.

Заключение

В генетическом аппарате каждой клетки многоклеточного организма имеется 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

Система программируемой клеточной смерти - существенный фактор иммунитета, поскольку гибель зараженной клетки может предотвратить распространение инфекции по организму. Другое дело, что некоторые 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.

Воздействие на программу клеточной гибели - перспективное направление лекарственного лечения. Так, одна из важных задач противораковой терапии - стимуляция апоптозной системы. В других случаях задача врача, наоборот, предотвратить вредное для организма клеточное самоубийство. Таким образом, какие-то компоненты каждой клетки по праву могли бы нести микроскопическое изображение черепа со скрещенными костями. Однако следует признать, что наличие такого смертельного механизма - обстоятельство не только необходимое, но в конечном итоге крайне благоприятное. Без системы программируемой клеточной гибели мы с вами не могли бы появиться на свет такими, какими мы рождаемся. И поддержание порядка в наших организмах в течение дальнейшей жизни в значительной степени обеспечивается именно способностью наших клеток к программируемой смерти.

Список использованной литературы

1.А.В. Гордеева, Ю.А. Лабас, Р.А Звягильская: «АПОПТОЗ ОДНОКЛЕТОЧНЫХ ОРГАНИЗМОВ: МЕХАНИЗМЫ И ЭВОЛЮЦИЯ» Обзор. Институт биохимии им. А.Н. Баха РАН, Москва, 2004 год.

2.Анисимов В.Н.: «Молекулярные и физиологические механизмы старения» в 2 Т., СПб, 2008, 2-ое издание дополненное и переработанное.

.В.И. Агол: «Генетически запрограммированная смерть клетки», Московский Государственный университет им. М.В. Ломоносова, Соровский образовательный журнал №6, 2006 год.

.Бра М. Митохондрии в программированной гибели клетки: различные механизмы гибели / М. Бра, Б. Квинан, С.А. Сузин // Биохимия. 2005. - Т.70. - №2.

.Лушников Е.Ф. Гибель клетки (апоптоз) / Е.Ф. Лушников, А.Ю. Абросимов. М.: Медицина, 2001. - 192 с.

.#"justify">.#"justify">.#"justify">9.#"justify">10.#"justify">.http://tsitologiya.cytspb.rssi.ru/49_5/shirokova.pdf

Репетиторство

Нужна помощь по изучению какой-либы темы?

Наши специалисты проконсультируют или окажут репетиторские услуги по интересующей вас тематике.
Отправь заявку с указанием темы прямо сейчас, чтобы узнать о возможности получения консультации.

органов и систем организма

1. Определение понятия «апоптоз». Отличительные признаки апоптоза

«Апоптоз (от греческого – apo – «отделение» и ptosis – «падение») – это запрограммированный процесс уничтожения клетки, вызванный внутренними (внутриклеточными) или внешними (внеклеточными) как физиологическими, так и патологическими факторами, активирующими генетическую программу гибели клетки и ее удаление из ткани»

Разбирая это определение, можно сделать несколько выводов:

Во-первых, процесс гибели клетки запрограммирован в ее генетическом аппарате. Иначе говоря, клетка при рождении уже несет в себе механизмы своей гибели, то есть в геноме клетки содержатся гены, активация которых запускает механизм ее гибели;

Во-вторых, апоптоз может инициироваться как при протекании нормальных физиологических процессов, так и при развитии определенной патологии;

В-третьих, механизм клеточной гибели может запускаться как факторами, образующимися в самой клетке (то есть, внутриклеточными факторами), так и сигналами, переданными клетке от других клеток.

Ученые, присвоившие феномену программированной клеточной гибели термин «апоптоз», имели в виду некий художественный образ: осеннее опадание листвы. Именно так, обреченно и спокойно деревья осенью теряют свою листву. К слову сказать, и действительно, отделение черенка листа от древесной ветки происходит благодаря апоптозу слоя растительных клеток. Так невольно художественный образ совпал с существом физиологического процесса.

В настоящее время биологи и патологи выделяют два вида клеточной гибели: некроз и апоптоз. Для того чтобы последовательно и внимательно разобраться с механизмами апоптоза, нам необходимо хотя бы вкратце описать морфологические и биохимические различия этих двух процессов.

Самым ранним признаком апоптоза, выявляемом на электронно-микроскопическом уровне, являются резко очерченные уплотнения ядерного хроматина в виде гомогенной массы. Кроме того, наблюдается некоторая конденсация (уплотнение) цитоплазмы. Затем ядро и цитоплазма распадаются на фрагменты, причем цитоплазматические фрагменты разделяются цитоплазматической мембраной, то есть сохранность мембраны в данном случае является одним из признаков апоптоза.

В результате апоптоза клетка превращается в совокупность окруженных мембраной апоптозных телец, в которых плотно упакованные органеллы могут выглядеть интактными. В некоторых таких тельцах нет ядерного компонента, а в других – есть (иногда даже несколько), причем хроматин всегда очень плотный, резко очерчен и сконденсирован у ядерной мембраны.

Апоптозные тельца быстро поглощаются соседними клетками, где утилизируются с помощью лизосом. Окружающие клетки при этом сближаются, так что изменений цитоархитектоники тканей не происходит. Также полностью отсутствуют признаки воспаления. Некоторые апоптозные тельца (например, в поверхностном эпителии) слущиваются.

В культуре тканей было установлено, что процесс конденсации цитоплазмы и ее распада на апоптозные тельца происходит в течение нескольких минут. В организме процесс апоптоза также происходит достаточно быстро: фагоцитоз и утилизация апоптозных телец протекают в течение 15 – 120 минут, в связи с чем процесс апоптоза исследователи часто не могут уловить.

Ультраструктурные проявления некроза значительно отличаются от характерной для апоптоза картины. Главным образом, они сводятся к сморщиванию органелл и дезинтеграции цитоплазмы. Хотя хроматин в некротизирующихся клетках, также как и при апоптозе, конденсируется у ядерной мембраны, его компактные массы менее однородны и значительно менее четко очерчены по краям ядра. После образования этих масс (или даже параллельно с этим процессом) происходит разрушение клеточных и внутриклеточных мембран, в том числе и мембран лизосом, что приводит к высвобождению лизосомальных энзимов, протеолизу и распаду клетки. На более поздней стадии некроза хроматин из ядра исчезает, то есть развивается кариолизис. Некроз обычно сопровождается экссудативным воспалением и, если в процесс вовлечено большое количество клеток, заканчивается образованием рубца. Другими словами, в отличие от апоптоза, при некрозе восстановления цитоархитектоники ткани не происходит.

2. Апоптоз – историческая справка

Феномен апоптоза – программированной клеточной гибели описан исследователями значительно позднее, чем это было сделано по отношению к некрозу.

Так Рудольф Вирхов еще в 1859 году описал гистологические изменения, которые происходят в гибнущих клетках. Речь при этом шла о процессе, который Вирхов назвал “дегенерацией”, “некрозом”, “умиранием клеток”, и подчеркнул, что указанные изменения характерны для необратимых изменений в тканях.

Однако вскоре после этого в 1864 году известный зоолог и теоретик эволюционного учения Август Вейсман впервые описал локальную гибель клеток при метаморфозе у насекомых (превращение личинки во взрослую особь). С современной точки зрения это описание соответствует эмбриональному апоптозу.

Позднее детальное описание смерти клеток, как физиологического явления, было дано в 1885 году немецким цитологом В. Флемингом , который описал распад клеток овариального эпителия на частицы (в последствие названные апоптозными тельцами ), определив процесс быстрого исчезновения образовавшихся при распаде клеток фрагментов цитоплазмы и ядра, как хроматолизис .

Физиологическую смерть клеток у эмбрионов в 1950 году детально описал Л. Глусман , назвав ее «программированной клеточной гибелью». Этот исследователь отчетливо понимал, что имеет дело с особым видом клеточной смерти, но посчитал, что данное явление присуще только эмбриогенезу и принципиально отличается от клеточной гибели, характерной для взрослого организма.

Большинство работ, связанных с описанием апоптоза опухолевых клеток, клеток иммунной системы и некоторых других тканей относятся к концу прошлого века. Сам термин «апоптоз» был впервые применен в статье трех исследователей J . F . R . Kerr , A . H . Wyllie , A . R . Currie , опубликовавших в журнале British J. of Cancer материалы о программированной гибели клеток опухоли.

Значимость апоптоза и его роль в физиологических и патологических процессах была подтверждена присуждением в 2002 году нобелевской премии трем исследователям: Сидни Бреннеру (S . Brenner ), Джону Салстону (J . Sulston ) и Роберту Хорвицу (R . Horvitz ) за циклы работ, посвященных проблеме программированной клеточной гибели. В частности, С. Бреннер еще в 60-е годы прошлого века обнаружил гены, управляющие «жизнью и смертью» клеток органов в процессе их развития. Д. Салстон впервые обнаружил и описал мутации в генах апоптоза, а Р. Хорвиц механизмы взаимосвязи между генами, вовлеченными в процесс апоптоза.

3. Участие апоптоза в физиологических и патологических процессах

Апоптоз – это один из фундаментальных процессов в жизни клеток организмов, находящихся на самом различном уровне эволюционного развития. Достаточно указать, что основные работы, связанные с генетикой апоптоза были выполнены на круглых червях – нематодах. При этом было установлено, что гены, управляющие апоптозом (стимулирующие апоптоз и тормозящие этот процесс) у нематод и человека мало, чем отличаются друг от друга. Именно поэтому, физиологические процессы, в обеспечении которых принимает участи апоптоз, сходны для большинства живых организмов.

При описании каких же физиологических процессов мы сталкиваемся с явлением апоптоза?

Во-первых, это автономный апоптоз, протекающий в процессе эмбриогенеза. Различают три категории автономного эмбрионального апоптоза: морфогенетический, гистогенетический и филогенетический апоптоз. За счет морфогенетического апоптоза разрушаются различные, не нужные формирующемуся организму тканевые зачатки (например, разрушение клеток в межпальцевых промежутках). Гистогенетический апоптоз способствует дифференцировке органов и тканей. Этот вид апоптоза, в частности, сопровождает дифференцировку половых органов из тканевых зачатков (например, регрессию у мужчин зачатков протоков Мюллера, из которых у женщин формируются маточные трубы, матка и верхняя часть влагалища). Филогенетический апоптоз вызывает ликвидацию рудиментарных органов и структур у эмбриона (например, инволюцию пронефроса – «предпочки», парного выделительного органа у низших позвоночных, который не развивается у высших позвоночных).

Физиологическим является и апоптоз, протекающий в медленно – и быстро пролиферирующих клеточных популяциях.

В первом случае речь идет о поддержании тканевого гомеостаза, удалении из ткани клеток, не способных к митозу в силу своего старения и «освобождении места» в ткани для молодых, активно делящихся клеток. Во втором – обеспечение дифференцировки и развития клеточных элементов быстро пролиферирующих клеточных популяций (например, кроветворной ткани). Следует указать, что в данной лекции будет отдельно рассмотрен механизм апоптоза стареющих клеток, так как этот вид апоптоза имеет ряд специфических особенностей.

К участию апоптоза в физиологических процессах можно отнести и так называемую «гормон-зависимую инволюцию органов и тканей». Примером этого процесса может служить отторжение эндометрия во время менструального цикла и регрессия молочной железы у женщины после прекращения кормления ребенка грудью.

Чрезвычайно велика и роль апоптоза в целом ряде патологических процессов. Не останавливаясь на деталях этих процессов (некоторые из них будут рассмотрены в последующих разделах лекции), укажем, что апоптоз характерен для следующих патологических процессах, в которых он может играть как сано-, так и патогенетическую роль:

- апоптоз клеток, имеющих повреждение ДНК. Чаще всего мы сталкиваемся с повреждениями ДНК, обусловленными жесткой радиацией или длительным воздействием ультрафиолетового излучения. В том случае, если репаразные системы клетки не способны «залечить» поврежденную ДНК, включаются гены, ответственные за инициацию апоптоза и клетка гибнет. Таким образом, апоптоз предупреждает возможность появления клона клеток – мутантов, что всегда грозит тяжелыми последствиями для организма;

- апоптоз опухолевых клеток. В определенной степени, это частный случай апоптоза предыдущего вида. Приобретение клетками свойства безудержного размножения без явления созревания в результате воздействия на геном клетки вирусных онкобелков, канцерогенов или той же радиации, может привести к появлению клона малегнизированных клеток, что чревато развитием злокачественных опухолей;

- апоптоз клеток ишемизированных органов и тканей. Ишемия органов и тканей может приводить как к развитию некроза, так апоптоза. В первом случае в ткани будет образовываться рубец, во втором – рубца не будет, но количество нормально функционирующих клеток будет уменьшаться. Явления апоптоза отчетливо регистрируются в периинфарктной зоне при инфаркте миокарда, апоптоз «виновен» в гибели кардиомиоцитов на заключительных стадиях развития сердечной недостаточности. Механизмы этого явления будут рассмотрены в последующих разделах лекции;

- атрофия гормон-зависимых органов в результате апоптоза при недостатке (отсутствии) соответствующего регулирующего гормона. В патологии эндокринной системы хорошо известен так называемый «синдром отмены» - тяжелая патология, связанная с гибелью клеток и, как следствие, прекращением выработки кортикостероидов надпочечниками при отмене длительной терапии кортикоидными препаратами некоторых патологических процессов. Другим примером этого процесса может служить атрофия предстательной железы после кастрации;

- апоптоз клеток, находящихся в состоянии «клеточного стресса». Перегревание клеток, воздействие на клетки активных форм кислорода (кислородных радикалов) по интенсивности не способное вызвать некроз, может приводить к инициированию апоптоза;

- апоптоз клеток, зараженных вирусами. Это очень важная защитная функция организма. Гибель зараженной вирусом клетки с одной стороны препятствует циклу его размножения, а с другой, - препятствует малегнизации ткани за счет появления быстро пролиферирующего клона мутировавших под действием вирусных онкобелков клеток. Следует указать, что некоторые вирусы (например, вирус Эпштейна-Барра) проникая в клетку, способен синтезировать белки, препятствующие апоптозу. С другой стороны, некоторые вирусы (например, вирус СПИДа) способен вызывать апоптоз Т-хелперов и, тем самым, приводить к развитию иммунодефицита;

- апоптоз клеток «хозяина», индуцированный цитотоксическими Т-лимфоцитами при трансплантации иммунокомпетентной ткани. В иммунологии хорошо известна реакция «трансплантат против хозяин». При пересадке иммунокомпетентной ткани (например, костного мозга) иммунные клетки трансплантата способны уничтожать клетки реципиента. При этом уничтожение клеток идет как за счет повреждения клеток протеолитическими ферментами Т-киллеров, так и за счет индукции в клетках хозяина апоптоза.

4. Роль усиления или ослабления апоптоза в развитии патологических процессов

Как усиление, так и ослабление апоптоза может играть едва ли не решающую роль в развитии многих патологических процессов. Ненормальное усиление апоптоза в процессе развития плода может приводить к эффекту «минус ткань», что весьма часто не совместимо с жизнью и заканчивается внутриутробной гибелью плода. Повышенный апоптоз кардиомиоцитов при болезни Дауна способен привести к развитию кардиомиопатии.

Многие виды патологии системы крови так же объясняются повышением уровня апоптоза кроветворных клеток-предшественниц. В результате возникают такие заболевания как тяжелые комбинированные иммунодефициты, апластические анемии , панцитопении. Чаще всего эта патология является следствием недостаточной выработки так называемых «факторов выживания», например, интерлейкина 7 (ИЛ-7), который является цитокином, тормозящим апоптоз стволовых и других клеток-предшественников.

Усиление апоптоза играет ведущую роль в развитии нейродегенеративных процессов (болезни Альцгеймера, болезни Паркинсона и других).

Усиление апоптоза Т-хелперов при СПИДе является основным патогенетическим механизмом этого иммунодефицита. С другой стороны, усиление апоптоза клеток, инфицированных вирусами или поврежденных микробными токсинами, играет положительную роль, прерывая прогрессирование вирусных и микробных инфекций.

Цитотоксическая терапия (применение цитостатиков и радиационная терапия), вызывая повреждение ДНК малегнизированных клеток, с одной стороны блокирует их митотический цикл, а с другой – индуцирует апоптоз.

Ослабление апоптоза так же может способствовать развитию патологических процессов. Прежде всего, это положение хорошо демонстрирует явление ослабления апоптоза при онкологических заболеваниях. Наиболее активными, стремительно развивающимися являются злокачественные опухоли, при развитии которых в силу их особенностей апоптоз опухолевых клеток угнетен. При развитии опухоли происходит как бы соревнование двух процессов: развитие апоптоза и размножение клеток опухоли. Если степень апоптоза малегнизированных клеток высока, их клон не образуется и опухоль не развивается. Если же темпы размножения опухолевых клеток обгоняют апоптоз, в организме возникает злокачественное новообразование.

Повышенная продукция в клетках иммунной системы факторов, тормозящих апоптоз, а также образование внеклеточных факторов, блокирующих апоптоз (например, появление растворимых рецепторов некоторых цитокинов, способных индуцировать апоптоз) может приводить к развитию ряда аутоиммунных процессов, вплоть до проявления системной аутоиммунной патологии (например, системной красной волчанки).

Некоторые из этих явлений, демонстрирующих развитие патологических процессов, связанных как с усилением, так и с ослаблением апоптоза, будут более подробно рассмотрены в последующих разделах лекции.

5. Про - и антиапоптозные клеточные факторы

Мы уже убедились, что на протекании ряда патологических процессов в организме может оказывать кардинальное влияние как ускорение, так и замедление апоптоза. Вещества, участвующие в регуляции апоптоза, как правило, являются белками, а их синтез контролируется соответствующими генами. Выше уже указывалось, что одинаковые гены, регулирующие уровень апоптоза, можно обнаружить у живых существ, стоящих на самых различных ступенях эволюционной лестницы. К числу генов, ингибирующих апоптоз, относятся гены Bcl-2, Ced-9, BHRF1, MCL-1. С другой стороны, были описаны гены, синтезирующие белки, \стимулирующие апоптоз (p53, Bax, bcl-xS). Следует иметь в виду, что про - антиапоптозные белки способны объединяться друг с другом, формируя гомо - и гетеродимеры. Например, при объединении ингибитора апоптоза белка bcl-2 c белком активатором апоптоза Bax итог (торможение или активация апоптоза) будет определяться тем, какой белок будет преобладать в этом объединении.

В дальнейшем, для большей наглядности и некоторого упрощения рассматриваемых механизмов и схем апоптоза в качестве фактора, стимулирующего апоптоз, будет указываться только белок р53 , а в качестве основного фактора, тормозящего апоптоз, - белок Bcl -2.

6. Механизм апоптоза, индуцированного внутриклеточными факторами

Выше уже упоминалось о том, что апоптоз индуцируется в клетках, имеющих нерепарированное повреждение ДНК. В этом случае уничтожение клетки предупреждает появление клонов клеток-мутантов, существование которых может привести к весьма тяжелым последствиям (например, к развитию злокачественной опухоли).

Рис. 1. Механизм апоптоза, индуцированного внутриклеточными факторами

Нерепарированное повреждение ДНК (Рис. 1) приводит к активации двух генов: р21 и р53. Выработка белка р21 одноименным геном обеспечивает блокаду митотического цикла (клетка-мутант не должна производить себе подобные клетки-уроды).

Напомним, что клеточный (митотический) цикл начинается с фазы G1 – подготовки к синтезу ДНК. За ней следуют фазы S – фаза синтеза ДНК и фаза G2 – постсинтетическая. Завершается цикл митозом клетки.

Весьма важными являются и еще два момента в жизни клетки, вошедшей в митотический цикл. Это так называемые «контрольные пункты» (checkpoints): на границе фазы G1/S и на границе фазы G2/митоз. На уровне контрольных пунктов проверяется целостность ДНК, отсутствие ее мутаций и делеций. У клеток, имеющих поврежденную ДНК, клеточный цикл блокируется, и клетка вступает в стадию апоптоза.

Активация гена р53 и синтез одноименного белка запускает механизм апоптоза. При этом белок р53 с одной стороны блокирует антиапоптозные механизмы белка Bcl-2, встроенного в мембраны митохондрий, а с другой – обеспечивает раскрытию пор митохондрий и выход в протоплазму клетки веществ, являющихся активаторами внутриклеточных протеаз - так называемых «казнящих каспаз» (более подробно о митохондриальном механизме апоптоза и о роли каспаз в этом процессе будет рассказано в дальнейшем).

Активные каспазы вызывают протеолиз ядерных белков, активируют эндонуклеазы и обеспечивают протеолиз цитоплазматических белков. В конечном итоге это приводит к фрагментации ядра клетки, фрагментации цитоплазмы и образованию апоптозных телец. Апоптоз завершен.

7. Каспазы. Каспазный каскад

Цистеиновые протеазы – каспазы (в настоящее время описано до 10 видов этих ферментов) находятся в протоплазме клеток в неактивном состоянии (в виде прокаспаз). Каспазы способны активировать друг друга, образуя разветвленный протеолитический каскад (Рис. 2). В активации прокаспаз могут участвовать и некоторые другие вещества, например, цитохром С, содержащийся в митохондриях. В конечном итоге каспазы обеспечивают фрагментацию ядра и цитоплазмы клетки, то есть являются исполнителями уничтожения клетки, за что и получили название «казнящих каспаз».

Рис. 2. Каспазный каскад

Суммируя, можно описать два основных механизма активации прокаспаз. Первый из них реализуется в случае уже описанного нерепарированного повреждения ДНК. В этом случае активация митохондриального механизма апоптоза (подробнее – см. в следующем разделе лекции) приводит к выходу из митохондрий цитохрома С и протеазы AIF (Apoptosis Inducing Factor). Оба эти вещества участвуют в активации прокаспазы 9, которая, в свою очередь, обеспечивает активацию основной «казнящей каспазы» 3, а также каспаз 6 и 7. Активные «казнящие каспазы» завершают процесс апоптоза.

Второй путь активации каспазного каскада связан с реализацией «инструктивного механизма апоптоза» (подробнее см. в последующих разделах лекции). Возбуждение «рецепторов смерти» клетки, реализуемое при посредстве адаптерных белков, приводит к активации прокаспазы 8, которая, в свою очередь, является активатором «казнящих каспаз» 3, 6 и 7.

8. Митохондриальные механизмы апоптоза

Митохондрии – это очень «странные» клеточные органеллы. Например, они обладают собственным, хоть и очень «маломощным» генетическим аппаратом, они – основные донаторы энергии для нужд клетки, но они же и несут в себе факторы клеточной гибели. Существует гипотеза о том, что около 2 миллиардов лет тому назад предки современных эукариот вступили в симбиотический союз с предками современных пурпурных бактерий. Симбиоз был весьма выгоден для его участников, так как в нарождающейся на земном шаре кислородной атмосфере нужно было обретать совершенно новые способы получения и использования энергии. Не умеющие делать это живые существа погибли, или были вынуждены занять очень «тесные» экологические ниши. Однако у симбиотов возникали и возникают конфликты, так как бактерии, ставшие протомитохондриями, в качестве побочного продукта окислительного фосфорилирования поставляла в клетку разнообразные активные формы кислорода (кислородные радикалы). С другой стороны, те же протомитохондрии вырабатывали и необходимые антиоксиданты. Таким образом, само существование клетки стало полностью зависимым от ее симбиотов – митохондрий.

Существуют несколько механизмов участия митохондрий в реализации клеточной гибели. Интересно то, что все они включаются как механизмы программированной клеточной смерти, но одни из них являются истинным апоптозом, а другие могут завершаться некробиозом и некрозом клетки (Рис. 3).

Антиген" href="/text/category/antigen/" rel="bookmark">антигенов , например, семенников или хрусталика глаза от иммуноцитов организма и т. п.).

Колл" href="/text/category/koll/" rel="bookmark">коллег стало ясно, что некроз опухолей вызывает не сам липополисахприд, но некий белковый фактор, который вырабатывается макрофагами при их контакте с бактериями. Этот белковый фактор и получил название «фактор некроза опухолей». К концу ХХ века стало ясно, что ФНО вырабатывается не только активированными макрофагами, но и Т-лимфоцитами, нейтрофилами, тучными клетками, астроцитами и клетками – натуральными киллерами (NK-клетками). В настоящее время твердо установлено, что ФНО способен индуцировать апоптоз самых различных клеточных структур, в том числе – и опухолевых клеток. Кроме того, являясь провоспалительным цитокином, ФНО способен вызывать и некроз клеток как результат их гибели в очаге воспаления.

Рис. 5. Механизмы защиты клетки от апоптоза («рецепторы – приманки»)

Важным элементом механизма инструктивного апоптоза являются рецепторы клетки, способные соединяться с указанными цитокинами. Эти рецепторы (белковые макромолекулы) принадлежат к суперсемейству рецепторов фактора некроза опухолей альфа и, в силу их особой функции, получили название «рецепторов смерти» (Death Receptors). Внутрицитоплазматическая часть этих рецепторов получила название «доменов смерти» (Рис. 4). После соединения с этими рецепторами их лиганд (ФНОa, ФНОb и других) активированный домен смерти при посредстве сложной ферментной системы (адапторного белка) осуществляет автокаталитический процессинг прокиназ, которые, в свою очередь, активирую киназы, входящие в состав каскада «казнящих киназ». Их ферментативное воздействие и осуществляет апоптоз по уже известной схеме.

Следует иметь в виду, что определенную роль в активации киназного каскада играют ионы Са++, которые проникают в клетку через кальциевые каналы, открытию которых так же способствует активация рецепторов смерти.

Клетки способны не только подчиняться лигандам клеточной смерти, но и защищаться от их воздействия. Такая защита может осуществляться двумя способами (Рис. 5). Во-первых, клетки способны синтезировать неполноценные рецепторы смерти, которые или вообще лишены домена смерти, или имеют неполноценный домен смерти. И в том, и в другом случае соединения ФНО с рецептором смерти не приводит к реализации апоптоза, так как воздействие лиганда на рецептор не передается исполнительному аппарату апоптоза. Во-вторых, клетка способна «слущивать» с себя экстрацеллюлярную часть рецепторов, которые при этом становиться так называемыми «растворимыми рецепторами». Появляющиеся в межклеточном пространстве молекулы ФНО прочно соединяются с ними и уже не могут воздействовать на реальные клеточные рецепторы смерти.

10. Эмбриональный апоптоз

Выше уже указывалось, что в процессе развития эмбриона апоптоз может играть как положительную, так и отрицательную роль. Пусковыми факторами апоптоза эмбриональных клеток в большинстве случаев является дефицит апоптозподавляющих факторов в межклеточной среде, недостаток факторов роста, или неспособность эмбриональных клеток воспринимать воздействие этих факторов, а также лишение эмбриональных клеток субстрата адгезии (Рис. 6). Апоптоз нервных клеток может индуцироваться и в том случае, если они не образуют или утрачивают синаптические связи со своими соседями. Кстати, последний механизм действует не только в эмбриональной нервной системе, но и во взрослом организме.

https://pandia.ru/text/78/350/images/image007_2.jpg" width="534" height="346">

Рис. 7. Апоптоз стареющих клеток

Однако, остановка клеточного деления – это тревожный сигнал для генетических программ, отвечающих за клеточную безопасность. Ранее мы уже говорили о том, что в клетке, получившей определенное повреждение, активируются гены (р21, р53), которые блокируют митоз в «чек пойнтах» G1 и G2. Остановка митоза в клетках, достигших лимита Хейфлика, по принципу обратной связи вызывает активацию гена р53 и выработку белка р53, индуцирующего апоптоз. Стареющая клетка прекращает свое существование (Рис. 7).

12. Злокачественные опухоли и апоптоз

При изучении проблем канцерогенеза было отмечено, что одним из наиболее эффективных методов борьбы организма с малегнизацией клеток является их

апоптоз. Если иммунные механизмы борьбы с клетками злокачественных опухолей включаются только тогда, когда в организме уже появились ненормальные клетки-мутанты, то апоптозный механизм реагирует на возможность малегнизации клетки уже в тот момент, когда обнаруживается первичное повреждение ДНК. В этом случае предпосылкой к активации механизмов апоптоза является отсутствие эффекта от деятельности репаразных систем, пытавшихся «залечить» повреждение ДНК. Нерепарированное повреждение ДНК благодаря пока еще мало изученным механизмам обеспечивает включение и активацию гена опухолевого супрессора р53. Повышенная же выработка белка р53 вызывает к жизни ряд последовательных событий:

Рис. 8. Роль опухолевого супрессора р53 в борьбе с малегнизацией клеток

Активацию гена р21 и выработку белка р21, блокирующего митотический цикл на уровне G1 и G2;

Блокирование антиапоптозных факторов (в частности, белка Bcl-2 и некоторых других);

Запуск митохондриального механизма апоптоза;

Повышенный синтез «рецепторов смерти» клетки;

Завершение апоптоза благодаря активации каскада «казнящих каспаз (Рис. 8).

Так развиваются события в том случае, если развитие апоптоза опережает интенсивность пролиферации малегнизированных клеток. Однако, если антиапоптозные механизмы сохраняют жизнь клетки-мутанта, если она успевает дать начало клону своих потомков, опухоль стремительно растет со всеми печальными последствиями этого процесса.

Рис. 9. Радиотерапия опухолей и апоптоз

Механизм апоптоза малегнизированных клеток используется и при радиотерапии опухолей (Рис. 9).

Рис. 10. Зависимость уровня апоптоза от массы опухоли (по)

С другой стороны, размножившиеся опухолевые клетки начинают вырабатывать факторы борьбы с апоптозом. Именно поэтому апоптозный индекс опухоли наиболее велик в самом начале ее развития. Далее он резко падает (Рис. 10).

13. Апоптоз Т-хелперов при СПИДе

Цитопатогенное действие вируса СПИДа на иммуноциты CD4 (Т-хелперы) реализуется несколькими путями.

Во-первых, от действия ВИЧ погибают CD4 клетки, инфицированные этим вирусом. Следует отметить, что их число относительно не велико, так как один из вирусных белков – белок Nef способен тормозить апоптоз.

Рис. 11. Апоптоз Т-хелперов при СПИДе

Во-вторых, при контакте ВИЧ с рецепторным аппаратом зрелых, неинфицированных этим вирусом клеток CD4 в них запускается механизм апоптоза. Кроме того, апоптоз активируется и в гемопоэтических предшественниках клеток CD4 – клетках CD34, что резко снижает образование новых Т-хелперов.

И, наконец, в-третьих, мембранный гликопротеин вируса gp120 способен блокировать корецепторы Т-хелперов. После этого Т-киллеры распознают Т-хелперы как чужеродные клетки и уничтожают их. В результате происходит резкое снижение числа Т-хелперов. Иначе говоря, развивается иммунодефицит (Рис. 11).

14. Апоптоз в тканях, перенесших ишемию и гипоксию (инфаркт миокарда, инсульт, сердечная недостаточность).

Клиницисты и патологи уже давно отмечали, что помимо клеток, погибающих от гипоксического некробиоза в зоне ишемии (например, при инфаркте миокарда или при инсульте), в периинфарктной зоне, имеющей относительно достаточное кровоснабжение, клетки так же погибают, что значительно осложняет патогенез этих заболеваний. В дальнейшем в ряде исследований было выяснено, что гибель клеток в периинфарктной зоне объясняется развитием механизмов апоптоза. При этом, апоптоз этих клеточных элементов был подтвержден как морфологическими методами, так и за счет воздействия на некоторые звенья апоптозного механизма (например, благодаря введению в периинфарктную зону ингибиторов каспаз). Кроме того, апоптоз был выявлен и в ремоделированном миокарде на заключительных стадиях сердечной недостаточности. Какие же факторы обеспечивают запуск механизмов апоптоза при ишемии и гипоксии органов и тканей?

Рис. 12. Апоптоз клеток ишемизированных тканей

Во-первых, это клеточный стресс, возникающий благодаря образованию активных форм кислорода и интенсивному перикисному окислению липидов в очаге ишемии. Вызвать развитие некробиоза эти факторы не могут, а вот запустить внутриклеточный механизм апоптоза вполне способны.

Во-вторых, образование очагов некроза в зоне инфаркта (инсульта) приводит к развитию воспаления, при котором в больших количествах синтезируются провоспалительные цитокины, в частности, ФНОa и ФНОb , которые, как известно, способны запускать механизм апоптоза за счет их соединения с «рецепторами смерти» клетки (Рис. 12).

В последнее время появились исследования, в которых было показано, что молекулы ангиотензина II, соединяясь с рецепторным аппаратом кардиомиоцитов, способны активировать гены апоптоза этих клеток. Таким образом, и этот фактор может вносить свой «вклад» в апоптоз клеток ишемизированных тканей.

Аналогичным образом механизмы апоптоза протекают и в сердце, находящимся в состоянии декомпенсации на поздних стадиях развития хронической сердечной недостаточности.

15. Апоптоз при нейродегенеративных заболеваниях

Явление апоптоза сопровождает развитие и ряда нейродегенеративных заболеваний, таких как болезнь Паркинсона, болезнь Альцгеймера, боковой амниотрофический склероз и другие.

Апоптоз нервных клеток при этих заболеваниях был выявлен как чисто морфологическими методами, так и в тех исследованиях, при которых в ЦНС экспериментальных животных вводились про - и антиапоптозные факторы.

Рис. 13. Апоптоз при нейродегенеративных заболеваниях (на примере болезни Альцгеймера)

Как известно, при нейродегенеративных заболеваниях ЦНС происходит разрушение синаптического аппарата нейронов, а также гибель самих нервных клеток. При болезни Альцгеймера основным фактором ее патогенеза является избыточный синтез b-амилоида и/или его недостаточное разрушение и удаление из ткани головного мозга, что приводит к образованию амилоидных сенильных бляшек, повреждающих нейроны и разрушающих межнейрональные синапсы. Такую же роль играют и нейрофибриллярные клубки, образующиеся в результате выработки аномального тау-протеина.

Повреждения нейронов, их дендритного аппарата, синапсов вызывают локальную воспалительную реакцию, в которой активное участие принимают микроглиальные структуры. При воспалении в нервной ткани накапливаются многие цитокины, в частности, ФНОa. Имеются и многие дополнительные патогенетические факторы, которые усугубляют развитие этого заболевания.

К таким дополнительным факторам относятся, например, нарушение обмена глюкозы в нервной ткани, энергодефицит, усиление перикисного окисления, повреждение и недостаточность антиоксидантных систем нейронов, недостаточность ацителхолиновой и некоторых других трансмиттерных систем головного мозга.

В конечном итоге все факторы патогенеза направлены к одной цели: разрушение межнейрональных связей и гибель нервных клеток. Именно эти нейродегенеративные изменения и реализуют клинику и исход болезни Альцгеймера.

В настоящее время достоверно установлено, что основным механизмом, приводящим к гибели нейронов, является их апоптоз. Апоптоз нейронов может запускаться несколькими путями (Рис. 13).

Во-первых, повреждение нейронов за счет накопления b-амилоида и образования нейрофибриллярных клубков резко увеличивает окислительный клеточный стресс, ведет к интрацеллюлярному накоплению активных форм кислорода. Это, в свою очередь, вызывает активацию NMDA-рецепторов и открытие кальциевых каналов в мембране нейронов. Повышение уровня Са++ в протоплазме нейронов активирует прокаспазы и, далее, весь каскад «казнящих каспаз».

Во-вторых, учитывая, что часть нейронов гибнет за счет развития некробиоза и некроза, в нервной ткани развивается процесс воспаления и, как его неизменный спутник, происходит накопление провоспалительных цитокинов, в том числе – и ФНОa. Контакт этих цитокинов с «рецепторами смерти» клетки запускает механизм «инструктивного апоптоза».

В-третьих, в результате развития болезни Альцгеймера происходит разрушение синапсов, и нервные клетки теряют связь друг с другом. Как мы помним, в эмбриональной нервной ткани это обстоятельство является триггером для запуска внутриклеточных механизмов апоптоза. Судя по всему, этот же механизм действителен и для нервной ткани взрослого организма.

Таковы основные сведения о роли апоптоза в развитии патологии органов и систем организма, а также о его участии в ряде физиологических процессов.

Рождение и смерть часто воспринимаются нами на бытовом, а порой и на философском уровнях – как две стороны одной медали. Одно явление якобы неотделимо от другого. Появление на свет неизбежно влечет за собой старение и уход из жизни. Между тем это не совсем так. Живая клетка как своеобразная молекулярная фабрика способна работать и воспроизводиться без всяких признаков усталости или старения бесконечно долго. Хороший тому пример – все одноклеточные существа, размножающиеся исключительно бесполым способом. Разумеется, известную всем амебу без труда можно лишить жизни – отравить, сварить, высушить, раздавить, наконец. Однако если ее кормить, холить и лелеять (то есть регулярно менять культуральную среду на новую и добавлять пищу), то она будет без устали делиться и никогда не состарится. В этом смысле амеба бессмертна. Если бы клетки нашего тела были подобны амебам, о пенсионном возрасте речь бы, возможно, не заходила.

Апоптоз - естественный и необходимый процесс для поддержания гомеостаза в тканях и нормального развития многоклеточного организма. Апоптоз, чаще называемый программированной смертью клетки, является энергетически активным, генетически контролируемым процессом, который избавляет организм от ненужных или поврежденных клеток. Этот процесс впервые описан в 1972 г. Kerr под названием «программированная клеточная гибель». Происхождение самого термина относится к 1993 г., когда Greek предложил его в соответствии со смысловой ассоциацией со словом «листопад».

Апоптоз представляет собой эволюционно развитый, физиологический в отличие от некроза механизм клеточной гибели, который регулирует клеточную массу и архитектуру многих тканей. Известны четыре основные характеристики апоптоза:

Уменьшение объема апоптотирующей клетки;
конденсация и фрагментация хроматина на ранних стадиях апоптоза с формированием так называемых апоптотических телец;
изменение мембраны апоптотирующей клетки, приводящее к распознаванию ее фагоцитами;
сопряженность апоптоза с активным белковым синтезом.

На сегодняшний день известны 3 вида смерти клеток: некроз, апоптоз и конечное дифференцирование.

Некроз (греч. nekros - мертвый) возникает в результате прямого воздействия патогенного фактора (микроорганизм, ишемия и др.), нарушающего целостность мембраны клетки. Это приводит к массивному выбросу индукторов воспаления и к миграции иммунных клеток к очагу поражения. В результате в зоне поврежденной клетки развивается септическое или асептическое (в зависимости от причины) воспаление. При этом происходят характерные изменения как в ядре, так и в цитоплазме. Ядро сморщивается, наблюдается конденсация хроматина (кариопикноз), затем он распадается на глыбки (кариорексис) и растворяется (кариолизис). В цитоплазме происходят денатурация и коагуляция белков. Мембранные структуры распадаются. Нарушаются окислительно-восстановительные процессы и синтез АТФ в митохондриях, и вся клетка начинает страдать от нехватки энергии. Постепенно клетка распадается на отдельные глыбки, которые захватываются и поглощаются макрофагами. На месте в прошлом функционально активной клетки формируется соединительная ткань.

Апоптоз (греч. аро - отделение и ptosis - падение) по морфологическим признакам существенно отличается от некроза и имеет ряд специфических особенностей. Факторами, инициирующими апоптоз, являются возрастание экспрессии генов - индукторов апоптоза (или угнетение генов-ингибиторов) либо повышенное поступление кальция внутрь клетки. Клеточная мембрана при этом остается сохранной. Несмотря на внешнюю сохранность мембраны митохондрий, нарушаются окислительно-восстановительные процессы в основном за счет блокирования 1 митохондриального комплекса. Результатом описанных выше процессов является возрастание синтеза протеаз, которые начинают постепенно расщеплять внутриклеточные структуры. От мембраны клетки отщемляются небольшие везикулы, наполненные содержимым цитоплазмы (митохондрий, рибосомы и др.), окруженные мембранным липидным бислоем. Клетка соответственно уменьшается в объеме и сморщивается. Отщепившиеся везикулы поглощаются соседними клетками. Ядро сморщивается на завершающих стадиях процесса, хроматин частично конденсируется, что говорит о сохранной активности ряда участков ДНК. Оставшиеся от клетки элементы фагоцитируются тканевыми макрофагами без развития воспалительной реакции и формирования соединительной ткани. Конечное дифференцирование, по мнению ряда авторов, является, по-видимому, одной из форм апоптоза.

Особенно большую роль апоптоз играет в эмбриогенезе, когда важно постепенно избавляться от выполнивших свою функцию клеток, а активное фагоцитирование с развитием реакции воспаления может нарушить созревание плода.

Апоптоз активно включается в развитие той или иной морфофункциональной системы организма. Наиболее ярко это можно продемонстрировать на примере созревания иммунной системы. На начальном этапе все иммунокомпетентные клетки проходят "обучение" в тимусе и лимфатических узлах, при этом каждый клон клеток приобретает способность распознавать определенный антиген. В ходе этого процесса возможно "патологическое научение" с последующим распознаванием как чужеродных антигенов своего организма и формированием иммунного ответа на них. В данном случае апоптоз является защитным механизмом, уничтожающим ставшие опасными клетки. В то же время лимфоцитарные клоны, распознающие антигены, не встречающиеся в течение жизни человека, не имеют функционального значения и апоптозируют. Апоптоз необходим также для элиминации клеток, выполнивших на определенном этапе развития свое функциональное значение и ставших ненужными. Помимо этого, апоптоз активно включается в процессы уничтожения клеток, подвергшихся мутации; в большей степени это относится к активно делящимся тканям (кроветворная, лимфатическая система и др.).

Нарушения естественного процесса апоптотической элиминации клеток есть одна из основных причин возникновения раковых новообразований и развития дегенеративных заболеваний.

Факторы, индуцирующие физиологическую гибель клеток, можно условно подразделить на специфические и “неспецифические”. К числу специфических относятся полипептидные цитотоксические молекулы (фактор некроза опухолей, лимфотоксин) и некоторые другие. К числу "неспецифических" относят широкий круг физических и химических факторов, в частности, повышение температуры, радиоактивное и ультрафиолетовое излучение, окислительный стресс и многие другие. "Неспецифичность" этих воздействий заключается в том, что они не имеют адресной мишени в клетке и индуцируют множественные поражения генома, белков или (и) вызывают биоэнергетическую катастрофу. Результат этих воздействий на клеточном уровне, часто описывается понятием "стресс". Получившая специфический "смертельный" сигнал или несовместимые с жизнью поражения, живая клетка вступает на путь реализации апоптотической программы. Апоптоз - это активный, регулируемый, требующий энергетических затрат процесс, что отличает его от процесса пассивной гибели – некроза.

В первой четверти XX в. из водоема была выловлена крошечная инфузория Tetrahymena pyriformis, которая, как и все ее собратья, размножалась путем обычных делений пополам, но в силу некоторых отклонений от нормы не могла вступать в половой процесс с себе подобными*. Так вот, потомки той клетки до сих пор прекрасно чувствуют себя во многих лабораториях мира, хотя, по самым скромным оценкам, от клетки-прародительницы их отделяет уже более двухсот тысяч делений-поколений. Иначе говоря, клон (штамм) этих инфузорий практически бессмертен.

Никто и никогда не видел пожилую бактерию. При ее темпах и способах воспроизводства себе подобных говорить о старении совершенно бессмысленно. Смерть в преклонном возрасте становится по-настоящему актуальным и обсуждаемым феноменом только у размножающихся половым путем многоклеточных. В самом деле: если жизненная программа выполнена – репродуктивный период закончился, потомство оставлено и тем самым апробирован и сохранен доставшийся от предков набор генов, зачем же продолжать жить родителям? Просто наслаждаться жизнью? Но они ведь мешают новому поколению... Рациональнее прекратить бессмысленное расходование ресурсов пожилыми предками, отправив их в расход. Другими словами, на определенном этапе эволюции запрограммированная гибель многоклеточных в пострепродуктивном периоде стала феноменом, выгодным для процветания вида в целом. Раз так, то неизбежно должны были возникнуть и четкие механизмы, эту гибель обеспечивающие.

Прекрасный в этом плане пример демонстрирует совсем просто устроенное многоклеточное существо – крошечный червячок, самооплодотворяющийся гермафродит, нематода ценорабдитис (Caenorabditis elegans). Ее размеры едва достигают 1 мм, а общее количество клеток абсолютно постоянно у всех взрослых особей (около 3 тыс.), причем более половины из них приходится на органы размножения (для сравнения: новорожденный крысенок состоит примерно из 3 млрд клеток). Количество ДНК в каждой клетке ценорабдитиса всего лишь в двадцать раз превышает количество ДНК у средней бактерии. Жизнь этой нематоды поразительно скоротечна и длится всего трое с половиной суток, что лишь в двести пятьдесят раз длиннее жизни кишечной палочки, которая при благоприятных условиях делится через каждые 20 мин. Но палочка именно делится, то есть ее молекулярная фабрика продолжает успешно работать, регулярно удваивая свое клеточное хозяйство, а вот отложившая яйца нематода неизбежно умирает. Ясно, что ни о каком старении за счет накопления возможных дефектов и повреждений в клетках в этом случае говорить не приходится. Какая уж тут дряхлость, когда тебе от роду не более трех суток! К роковой черте маленького червя подводит неизбежная, четкая и смертельная, как взгляд Абадонны, работа генов, семейство которых биологи назвали CED (Caenorabditis elegans death). Продукт одного гена запускает экспрессию второго, тот активирует третий, седьмой... и в результате дружный лизис всех клеток и гибель организма в целом. Такую запрограммированную клеточную смерть биологи и медики называют апоптозом.

Если бы подобный четкий механизм ухода из жизни работал у высших позвоночных, программа нашего пенсионного обеспечения оказалась бы совершенно ненужной. Действительно, к чему копить на старость, если, к примеру, после сорока семи с половиной лет неизбежно последует быстрый и безболезненный распад. Слава Богу, этого не происходит, и, может, правы те геронтологи, которые говорят о феномене старости как результате накопления всевозможных ошибок в работе клеток, из которых мы состоим. Существуют ли вообще какие-либо программы ограничения времени жизни клеток человека? Гипотезу их запрограммированной гибели подтвердил в начале 60-х гг. Л.Хейфлик. Он показал, что клетки соединительной ткани человека – фибробласты – способны совершить при культивировании вне организма лишь определенное число делений. Причем число это зависит от возраста донора. Фибробласты плода проделывают около 50 делений. Подобные клетки новорожденного способны разделиться уже всего 20–30 раз, а взятые от пожилых людей, они едва осиливают несколько клеточных циклов. В “разновозрастных” смесях более молодые клетки всегда живут дольше, чем их “пожилые” соседи. Следовательно, списать все различия на неодинаковость условий при культивировании не удается. В опытах на мышах было показано, что “старые” клетки, пересаженные в тело молодой особи, омолодиться не способны и через некоторое время гибнут.

Создается впечатление, что в клетках человека и высших позвоночных отсчитывает ход жизни своеобразный хронометр. Пока завод не кончился, клетка способна к делению. Как только деления прекращаются, наступает так называемое репликативное старение. Само же количество делений наших клеток в принципе может быть практически таким же бесконечным, как и у одноклеточных амеб. В этом убеждают постоянно размножающиеся раковые клетки, у которых подобный хронометр, возможно, сломан или отсутствует вообще. Они регулярно и бодро делятся в лабораториях в течение десятков лет, и феномен старения просто игнорируют. Показательный в этом плане случай – раковые клетки HeLa, которые были получены от негритянки Генриетты Ламберт (Henrietta Lambert), скончавшейся в 30-х гг. ХХ в. в США от карциномы шейки матки. До сих пор они успешно продолжают делиться в десятках биологических и медицинских институтов мира.

Другой яркий пример огромных возможностей клеток противостоять бегу времени демонстрируют генеративные клетки. В самом деле: все мы происходим из одной яйцеклетки, которая образовалась в теле матери. Наши родители, в свою очередь, тоже были когда-то одной клеткой. Таким образом можно протянуть своеобразный “генеративный вектор” назад в прошлое на 2,5 млрд лет – практически до протерозоя. Ведь и наши рыбообразные предки рождались из чьей-то икры.

Порой время работы “хронометра жизни” может резко укорачиваться. Так происходит при врожденных заболеваниях быстрого старения – прогериях (гр. pro – раньше, gerontos – старец). Наиболее трагично протекает прогерия детей, которую называют еще синдромом Хатчинсона–Гилфорда. Ребятишки с этим страшным диагнозом стремительно стареют. В среднем они едва дотягивают до 12 лет и чаще всего умирают в этом, казалось бы, юном возрасте от банальных старческих инфарктов. К этому времени они и выглядят как глубокие старики – лысеют, страдают от атеросклероза и фиброза миокарда, практически полностью лишаются подкожного жирового слоя, теряют зубы... К счастью, рождаются такие дети чрезвычайно редко, с частотой один на миллион (что, кстати, затрудняет генетический анализ причин заболевания). Главной диагностической особенностью клеток больных с синдромом Хатчинсона–Гилфорда является резко сниженное по сравнению с нормой число Хейфлика, то есть количество удвоений, которое способны совершить клетки в культуре. При этом продолжительность самого клеточного цикла в культуре их фибробластов достоверно не отличается от контроля. Другими словами, их “хронометр жизни” идет с обычной скоростью, но он заведен только на “пол-оборота пружины” и быстро останавливается.

Другой характерный пример – прогерия взрослых, или синдром Вернера, описанный впервые еще в 1904 г. Страдающие им люди развиваются с нормальной скоростью до 17–18 лет, а потом начинают стремительно стареть. Лишь немногие дотягивают до пятидесяти, уходя из жизни глубокими стариками. У них быстро развивается широкий спектр всевозможных патологий, обычно связываемых с возрастными изменениями – атеросклероз, диабет, катаракта, различные типы доброкачественных и злокачественных опухолей. В Японии частота этого заболевания существенно выше, чем в других странах, и достигает одного случая на сорок тысяч. В результате генетического анализа удалось выяснить, что прогерия взрослых является аутосомным рецессивным заболеванием. Это означает, что оно проявится в зрелом возрасте только у тех новорожденных, которые получили одновременно от каждого из родителей по определенному мутантному гену, находящемуся в восьмой хромосоме. Клетки больных с синдром Вернера обычно перестают делиться в культуре после 10–20 удвоений, что также указывает на некое нарушение у них нормального хода “хронометра жизни”. Однако как же клетка умудряется измерять число делений, которое она уже совершила?

Впервые на возможный механизм работы подобного “хронометра” указал в 1971 г. в чисто теоретической статье наш соотечественник, сотрудник Института эпидемиологии и микробиологии АН СССР А.М. Оловников. Идея сводилась к следующему. Еще до деления клетки все ее хромосомы удваиваются. Каждая хромосома представляет собой туго смотанную длинную нить ДНК. Копирование ДНК осуществляется еще до ее “сматывания” в хромосому с помощью специального фермента – ДНК-полимеразы. Если несколько вольно сравнить ДНК с рельсовым путем, то этот фермент напоминает рельсоукладчик, который ездит по рельсам, укладывая рядом с собой параллельный путь. Пока ДНК-полимераза трудится на протяжении основной части пути – все в порядке. Но как только она “доезжает” до своеобразного “тупика”, то есть одного из двух концов молекулы ДНК, тут-то и возникает сбой. ДНК-полимераза просто не способна построить их копию. И “параллельный путь” оказывается чуть короче. А следующий – построенный с него – еще короче. То есть при каждом делении клетки нити ее ДНК должны немного укорачиваться.

Позже это красивое открытие, сделанное, как говорят, “на кончике пера”, блестяще подтвердилось. Теперь предсказанное А.М. Оловниковым явление биологи называют концевой недорепликацией хромосом. В процессе образования похожей на сосиску хромосомы укороченные концы ДНК оказываются расположенными на ее краях – теломерах. Укорачивание теломер как раз и является теми молекулярными часами, которые отсчитывают число клеточных делений. Выяснилось, что при каждом делении клетки теряют от 50 до 200 азотистых оснований – своеобразных “букв”, из которых состоит эта макромолекула. По счастью, на концах нитей ДНК не закодированы важные для клетки белки. Теломеры состоят из одинаковых уныло повторяющихся последовательностей нуклеотидов (у млекопитающих это ТТАГГГ), длина которых указывает на количество делений, которые еще может осуществить клетка. Как только теломеры в результате пройденных циклов копирования хромосом достигают некой критической длины, клетка перестает делиться – наступает репликативное старение. Клетки детей, страдающих прогерией Хатчинсона–Гилфорда, имеют укороченные теломеры. Именно этим объясняется раннее наступление старости. Но теломеры их родителей нормальной длины. Это означает, что синдром Хатчинсона–Гилфорда является результатом какой-то редкой мутации, возникающей в одной из самых первых клеток зародыша. Теломеры хромосом у больных с синдромом Вернера обычные, но, судя по всему, “точка остановки клеточного деления” у них находится в среднем ближе к краю хромосомы, чем у здоровых людей.

Что же происходит с теломерами у потенциально бессмертных одноклеточных, в половых и раковых клетках? В 1985 г. у инфузорий тетрахимен был обнаружен фермент, который активно достраивал концы теломер, с которыми не справлялась ДНК-полимераза. Тем самым этим клеткам обеспечивалась возможность бесконечно воспроизводиться. Фермент назвали теломеразой и вскоре обнаружили его у большинства клеток, с которыми обычно экспериментируют биологи, – у дрожжей, некоторых насекомых, червей и растений. Выяснилось, что теломеразы прекрасно работают в зародышевых и половых клетках человека. Работают они и в так называемых стволовых клетках – то есть таких, постоянное деление которых лежит в основе обновления крови и некоторых тканей (например, кожи и внутренней выстилки кишечника). До 90% опухолей человека обладают теломеразной активностью, а вот в нормальных клетках тела (так называемых соматических), наоборот, эти ферменты найти не удается. Таким образом, можно напрямую связать активность теломеразы и пролиферативный потенциал клеток (то есть их способность к делению). Клетки, в которых теломераза не достраивает кончики хромосом, через некоторое время перестают делиться.

Из этих замечательных наблюдений следует ряд интригующих выводов и предположений. Во-первых, не исключено, что подавление активности теломеразы в опухолевых клетках поможет в борьбе с раком.

Определение апоптоза. Апоптоз – феномен наследственно запрограммированной смерти клеток. Каждая клетка при своем рождении как бы запрограммирована на самоуничтожение. Условие ее жизни – блокирование этой суицидальной программы.

Апоптоз реализуется для клеток:

Старых, отживших свой срок;

Клеток с нарушениями дифференцировки;

Клеток с нарушениями генетического аппарата;

Клеток, пораженных вирусами.

Морфологические признаки апоптоза.

Сморщивание клетки;

Конденсация и фрагментация ядра;

Разрушение цитоскелета;

Буллезное выпячивание клеточной мембраны.

Особенность апоптоза – апоптоз не вызывает воспаления в окружающих тканях.Причина - сохранность мембраны и → изоляция повреждающих факторов цитоплазмы до полного завершения процесса (О 2 - , Н 2 О 2 , лизосомальные ферменты). Эта особенность – важная позитивная черта апоптоза, в отличие от некроза. При некрозе мембрана повреждается (или разрывается) сразу же. Поэтому при некрозе содержимое цитоплазмы высвобождается (О 2 - , Н 2 О 2 , лизосомальные ферменты). Возникает повреждение соседних клеток и воспалительный процесс. Важная черта апоптоза - удаление умирающих клеток происходит без развития воспаления.

Процесс апоптоза - может быть разделен на 2 (две) фазы:

1. Формирование и проведение апоптических сигналов – фаза принятия решения.

2. Демонтаж клеточных структур – эффекторная фаза.

1-я фаза – принятия решения (=формирование и принятие апоптических сигналов). Это фаза принятия стимулов для апоптоза. В зависимости от характера стимулов, может быть 2 (два) типа сигнальных путей:

1) повреждение ДНК в результате радиации, действия токсических агентов, глюкокортикоидов и т.д.

2) активация рецепторов «региона клеточной смерти» . Рецепторы «региона клеточной смерти» - это группа рецепторов на мембранах любых клеток, которые воспринимают проапоптические стимулы. Если количество и активность таких рецепторов увеличивается, то увеличивается количество апоптически гибнущих клеток. К рецепторам «региона клеточной смерти» относятся: а) TNF-R (связывается с фактором некроза опухолей и активирует апоптоз); б) Fas-R (к); в) CD45-R (связывается с антителами и активирует апоптоз).

В зависимости от типа сигнала, существует 2 (два) основных способа апоптоза: а) в результате повреждения ДНК;

б) в результате самостоятельной активации рецепторов «региона клеточной смерти» без повреждения ДНК.

2-я фаза – эффекторная (=демонтаж клеточных структур. Основные фигуранты эффекторной фазы:

Цистеиновые протеазы (каспазы);

Эндонуклеазы;

Сериновые и лизосомальные протеазы;

Протеазы, активированные Ca ++ (кальпейн)

Но! Среди них основные эффекторы демонтажа клеточных структур – каспазы.

Классификация каспаз - 3 (три) группы:

Эффекторные каспазы - каспазы 3, 6, 7.

Индукторы активации эффекторных каспаз – каспазы 2, 8, 9, 10. = активаторы цитокинов – каспазы 1, 4, 5, 13.

Эффекторные каспазы – каспазы 3, 6, 7. Это непосредственные исполнители апоптоза. Эти каспазы находятся в клетке в неактивном состоянии. Активированные эффекторные каспазы начинают цепь протеолитических событий, целью которых является «демонтаж» клетки. Их активируют индукторы активации эффекторных каспаз.

Индукторы активации эффекторных каспаз – каспазы 2, 8, 9, 10. Основные индукторы – каспазы 8 и 9 . Они активируют эффекторные каспазы. Механизм – расщепление аспарагиновых оснований с последующей димеризацией активных субъединиц. Эти каспазы при обычном состоянии в клетках неактивны, существуют в форме прокаспаз.

Активация тех или иных индукторов зависит от типа сигнального пути:

1. При повреждении ДНК задействован сигнальный путь № 1, активируется каспаза № 9.

2. При активации рецепторов клеточной смерти задействован сигнальный путь № 2, активируется каспаза № 8.

Сигнальный путь № 1 (связан с повреждением ДНК)

Повреждение ДНК

Активация гена р53 и продукция соответствующего белка

Активация проапоптических генов семейства BCL-2 (BAX и BID)

Образование белков этих генов

Активация каспазы 9

Активация каспазы 3

Сигнальный путь № 2

(связан с активацией «региона клеточной смерти»)

Лиганд + рецепторы «региона клеточной смерти»

Активация каспазы № 8

Независимая активация каспазы № 3

Активация других каспаз и протеаз

Регуляция апоптоза. Исследования последних лет привели к созданию модели апоптоза. По этой модели каждая клетка при своем рождении запрограммирована на самоуничтожение. Следовательно, условием ее жизни является блокирование этой суицидальной программы. Основная задача регуляции апоптоза – держать эффекторные каспазы в неактивном состоянии, но быстро переводить их в активную форму в ответ на минимальное действие соответствующих индукторов.

Отсюда, понятие ингибиторов и активаторов апоптоза.

Ингибиторы апоптоза (=антиапоптические факторы). К наиболее серьезным ингибиторам апоптоза относятся ростовые факторы. Другие: нейтральные аминокислоты, цинк, эстрогены, андрогены, некоторые белки.

Пример: Белки семейства IAP – подавляют активность каспаз 3 и 9. Запомнить: один из этих белков (Survin) обнаружен в опухолевых клетках. С ним связывают резистентность опухолевых клеток к химиотерапии

Активаторы апоптоза (=проапоптические факторы). Это проапоптические гены и их продукция: а) гены семейства BCL-2 (BAX и BID); б) гены Rb и P53 (запускают апоптоз, если клетка задержана механизмом checkpoint.

Резюме. Патогенез многих заболеваний, в том числе и опухолевых, связан со снижением способности клеток подвергаться апоптозу. Отсюда накопление поврежденных клеток и формирование опухоли.

ПАТОФИЗИОЛОГИЯ КЛЕТОЧНОГО ДЕЛЕНИЯ

Основное отличие деления здоровой и опухолевой клетки:

Деление здоровой клетки регулируется паракринным и эндокринным способом. Клетка подчиняется этим сигналам и делится только в том случае, если организм нуждается в образовании новых клеток данного вида.

Деление опухолевой клетки регулируется аутокринным способом. Опухолевая клетка сама образует митогенные стимуляторы и сама же делится под их влиянием. Она не отвечает на паракринные и эндокринные стимулы.

Существует 2(два) механизма опухолевой трансформации клеток:

1. Активация онкогенов.

2. Инактивация генов-супрессоров.

АКТИВАЦИЯ ОНКОГЕНОВ

Прежде всего 2 (два) главных понятия: = протоонкогены;

Онкогены.

Протоонкогены – это нормальные, неповрежденные гены, которые контролируют деление здоровой клетки.

К протоонкогенам относятся гены, контролирующие образование и работу:

1. Ростовых факторов.

2. Мембранных рецепторов к ростовым факторам, например тирозинкиназных рецепторов.

3. Ras-белков.

4. MAP-киназ, участниц МАР-киназного каскада.

5. Транскрипционных факторов AP-1.

Онкогены – поврежденные протоонкогены. Процесс повреждения протоонкогена и трансформация его в онкоген называется активация онкогена.

Механизмы активации онкогена.

1. Включение (вставка) промотора. Промотор – это участок ДНК, с которым связывается РНК-полимераза протоонкогена. Необходимое условие – промотор должен находится в непосредственной близости с протоонкогеном. Отсюда варианты: а) промотор - ДНК-копия онкорнавирусов; б) «прыгающие гены» - участки ДНК, способные перемещаться и встраиваться в разные участки генома клетки.

2. Амплификация – увеличение числа протоонкогенов или появление копий протоонкогенов. Протоонкогены в норме обладают небольшой активностью. При увеличении числа или появлении копий их общая активность значительно возрастает и это может привести к опухолевой трансформации клетки.

3. Транслокация протоонкогенов. Это перемещение протоонкогена в локус с функционирующим промотором.

4. Мутации протоонкогенов.

Продукция онкогенов. Онкогены образуют свои белки. Эти белки называются «онкобелки».

Синтез онкобелков называется «экспрессия активных клеточных онкогенов».

Онкобелки – в основе своей есть аналоги белков протоонкогенов: ростовых факторов, Ras-белков, МАР-киназ, транскрипционных факторов. Но есть количественные и качественные отличия онкогенов от белков протоонкогенов.

Отличия онкобелков от нормальной продукции протоонкогенов:

1. Увеличение синтеза онкобелков по сравнению с синтезом белков протоонкогенов.

2. Онкобелки имеют структурные отличия от белков протоонкогенов.

Механизм действия онкобелков.

1. Онкобелки соединяются с рецепторами для факторов роста и образуют комплексы, постоянно генерирующие сигналы к делению клетки.

2. Онкобелки повышают чувствительность рецепторов к факторам роста или понижают чувствительность к ингибиторам роста.

3. Онкобелки могут сами действовать как факторы роста.

ИНАКТИВАЦИЯ ГЕНОВ-СУПРЕССОРОВ

Гены-супрессоры: Rb и р53.

Их продукция – соответствующие белки.

Инактивация генов-супрессоров (наследственное или приобретенное) ведет к пропуску в митоз клеток с поврежденной ДНК, размножению и накоплению этих клеток. Это – возможная причина формирования опухоли.

ОПУХОЛЕВЫЙ РОСТ: ОПРЕДЕЛЕНИЕ, ПРИЧИНЫ УВЕЛИЧЕНИЯ КОЛИЧЕСТВА ЗЛОКАЧЕСТВЕННЫХ ЗАБОЛЕВАНИЙ

Опухоль – патологическое разрастание, отличающееся от других патологических разрастаний наследственно закрепленной способностью к неограниченному неконтролируемому росту.

Другие патологические разрастания – гиперплазия, гипертрофия, регенерация после повреждения.

Причины увеличения количества злокачественных заболеваний среди населения:

1. Увеличение продолжительности жизни.

2. Улучшение качества диагностики → увеличение выявляемости онкологических заболеваний.

3. Ухудшение экологической обстановки, увеличение содержания канцерогенных факторов в окружающей среде.

ДОБРОКАЧЕСТВЕННЫЕ И ЗЛОКАЧЕСТВЕННЫЕ ОПУХОЛИ

Единой классификации опухолей до сих пор не создано. Причина:

1. Большое разнообразие признаков, характерных для различных опухолей.

2. Недостаточность знания их этиологии и патогенеза.

В основе современных классификаций - главные морфологические и клинические признаки опухолей.

На основе клинической характеристики все опухоли делят на доброкачественные и злокачественные.

Доброкачественные опухоли:

1. Клетки опухоли морфологически идентичны или похожи на нормальные клетки-предшественники.

2. Степень дифференцировки опухолевых клеток – достаточно высокая.

3. Скорость роста – медленная, в течение многих лет.

4. Характер роста – экспансивный, т.е. во время роста опухоли соседние ткани раздвигаются, иногда сдавливаются, но обычно не повреждаются.

5. Отграниченность от окружающих тканей – четкая.

6. Способность к метастазированию – отсутствует.

7. Отсутствие выраженного неблагоприятного воздействия на организм. Исключение: опухоли, расположенные вблизи жизненно важных центров. Пример: опухоль головного мозга, сдавливающая нервные центры.

Злокачественные опухоли.

1. Клетки опухоли морфологически отличаются от нормальной клетки-предшественницы (часто до неузнаваемости).

2. Степень дифференцировки опухолевых клеток – низкая.

3. Скорость роста – быстрая.

4. Характер роста – инвазивный, т.е. опухоль прорастает в соседние структуры. Способствующие факторы:

Приобретение опухолевыми клетками способности отшнуровываться от опухолевого узла и активно перемещаться;

Способность опухолевых клеток продуцировать «канцероагрессины». Это белки, которые проникают в окружающие нормальные ткани и стимулируют хемотаксис для опухолевых клеток.

Уменьшение сил клеточной адгезии. Это облегчает отшнуровку опухолевых клеток от первичного узла и их последующее движение.

Уменьшение контактного торможения.

5. Отграниченность от окружающих тканей – нет.

6. Способность к метастазированию – выражена.

7. Воздействие на организм – неблагоприятное, генерализованное.

Процесс, при котором клетка может убивать сама себя, называется запрограммированной клеточной гибелью (ЗГК). Этот механизм имеет несколько разновидностей и играет важнейшую роль в физиологии различных организмов, особенно многоклеточных. Самой часто встречающейся и хорошо изученной формой ЗГК является апоптоз.

Что такое апоптоз

Апоптоз - это контролируемый физиологический процесс самоуничтожения клетки, характеризующийся поэтапным разрушением и фрагментацией ее содержимого с формированием мембранных пузырьков (апоптозных телец), впоследствии поглощаемых фагоцитами. Этот генетически заложенный механизм активируется под воздействием определенных внутренних или внешних факторов.

При таком варианте гибели клеточное содержимое не выходит за пределы мембраны и не вызывает воспаление. Нарушения в регуляции апоптоза приводят к серьезным патологиям, таким как неконтролируемые клеточные деления или дегенерация тканей.

Апоптоз представляет собой лишь одну из нескольких форм запрограммированной гибели клетки (ЗГК), поэтому отождествлять эти понятия ошибочно. К известным видам клеточного самоуничтожения относят также митотическую катастрофу, аутофагию и программированный некроз. Другие механизмы ЗГК пока не изучены.

Причины апоптоза клеток

Причиной запуска механизма запрограммированной клеточной гибели могут быть как естественные физиологические процессы, так и патологические изменения, вызванные внутренними дефектами или воздействием внешних неблагоприятных факторов.

В норме апоптоз уравновешивает процесс деления клеток, регулируя их количество и способствуя обновлению тканей. В таком случае причиной ЗГК служат определенные сигналы, входящие в систему контроля гомеостаза. С помощью апоптоза уничтожаются одноразовые или выполнившие свою функцию клетки. Так, повышенное содержание лейкоцитов, нейтрофилов и других элементов клеточного иммунитета по окончании борьбы с инфекцией устраняется именно за счет апоптоза.

Запрограммированная гибель является частью физиологического цикла репродуктивных систем. Апоптоз задействован в процессе оогенеза, а также способствует гибели яйцеклетки при отсутствии оплодотворения.

Классическим примером участия апоптоза клеток в жизненном цикле вегетативных систем является осенний листопад. Сам термин происходит от греческого слова apoptosis, что буквально переводится как "опадание".

Апоптоз играет важнейшую роль в эмбриогенезе и онтогенезе, когда в организме сменяются ткани и атрофируются определенные органы. Примером могут служить исчезновение перепонок между пальцами конечностей некоторых млекопитающих или отмирание хвоста при метаморфозе лягушки.

Апоптоз может быть спровоцирован накоплением дефектных изменений в клетке, возникших в результате мутаций, старения или ошибок митоза. Причиной запуска ЗГК могут быть неблагоприятная среда (недостаток питательных компонентов, дефицит кислорода) и патологические внешние воздействия, опосредованные вирусами, бактериями, токсинами и т. д. При этом если повреждающий эффект слишком интенсивен, то клетка не успевает осуществить механизм апоптоза и погибает в результате развития патологического процесса - некроза.

Морфологические и структурно-биохимические изменения клетки во время апоптоза

Процесс апоптоза характеризуется определенным набором морфологических изменений, которые с помощью микроскопии можно наблюдать в препарате ткани in vitro.

К основным признакам, характерным для апоптоза клеток, относят:

• перестраивание цитоскелета;
• уплотнение клеточного содержимого;
• конденсацию хроматина;
• фрагментацию ядра;
• уменьшение объема клетки;
• сморщивание контура мембраны;
• образование пузырьков на клеточной поверхности,
• деструкцию органоидов.

У животных эти процессы завершаются образованием апоптоцитов, которые могут быть поглощены как макрофагами, так и соседними клетками ткани. У растений формирования апоптозных телец не происходит, а после деградации протопласта сохраняется остов в виде клеточной стенки.

Помимо морфологических изменений, апоптоз сопровождается рядом перестроек на молекулярном уровне. Происходит повышение липазной и нуклеазной активностей, которые влекут за собой фрагментацию хроматина и многих белков. Резко увеличивается содержание сАМФ, изменяется структура клеточной мембраны. В растительных клетках наблюдается образование гигантских вакуолей.

Чем апоптоз отличается от некроза

Главное различие между апоптозом и некрозом заключается в причине клеточной деградации. В первом случае источником разрушения служат молекулярные инструменты самой клетки, которые работают под строгим контролем и требуют затрат энергии АТФ. При некрозе происходит пассивное прекращение жизнедеятельности из-за внешнего повреждающего воздействия.

Апоптоз - это естественный физиологический процесс, сконструированный таким образом, чтобы не вредить окружающим клеткам. Некроз - это неконтролируемое патологическое явление, возникающее в результате критических повреждений. Поэтому неудивительно, что механизм, морфология и последствия апоптоза и некроза во многом противоположны. Однако имеются и общие черты.

В случае повреждения клетки запускают механизм запрограммированной гибели в том числе для того, чтобы не допустить некротического развития. Однако недавние исследования показали, что существует иная непатологическая форма некроза, которую также отнесли к ЗГК.

Биологическое значение апоптоза

Несмотря на то что апоптоз приводит к клеточной гибели, его роль для поддержания нормальной жизнедеятельности всего организма очень велика. Благодаря механизму ЗГК осуществляются следующие физиологические функции:

• поддержание баланса между пролиферацией и смертью клеток;
• обновление тканей и органов;
• устранение дефектных и "старых" клеток;
• защита от развития патогенного некроза;
• смена тканей и органов при эмбрио- и онтогенезе;
• удаление ненужных элементов, выполнивших свою функцию;
• устранение клеток, нежелательных или опасных для организма (мутантных, опухолевых, зараженных вирусом);
• предотвращение развития инфекции.

Таким образом, апоптоз является одним из способов поддержания клеточно-тканевого гомеостаза.

Этапы клеточной смерти

То, что происходит с клеткой при апоптозе, является результатом сложной цепочки молекулярных взаимодействий между различными ферментами. Реакции проходят по типу каскада, когда одни белки активируют другие, способствуя постепенному развитию сценария гибели. Этот процесс можно разделить на несколько этапов:

1. Индукция.
2. Активация проапоптических белков.
3. Активация каспаз.
4. Разрушение и перестройка клеточных органелл.
5. Формирование апоптоцитов.
6. Подготовка клеточных фрагментов к фагоцитозу.

Синтез всех компонентов, необходимых для запуска, реализации и контроля каждого этапа заложен генетически, почему апоптоз и называют запрограммированной гибелью клетки. Активация этого процесса находится под строгим контролем регуляторных систем, включающих в том числе и различные ингибиторы ЗГК.

Молекулярные механизмы апоптоза клетки

Развитие апоптоза обуславливается совокупным действием двух молекулярных систем: индукционной и эффекторной. Первый блок отвечает за контролируемый запуск ЗГК. В него входят так называемые рецепторы смерти, Cys-Asp-протеазы (каспазы), ряд митохондриальных компонентов и проапоптических белков. Все элементы индукционной фазы можно разделить на тригеры (участвуют в индукции) и модуляторы, обеспечивающие трансдукцию сигнала смерти.

Эффекторную систему составляют молекулярные инструменты, обеспечивающие деградацию и перестройку клеточных компонентов. Переход между первой и второй фазами осуществляется на этапе протеолитического каспазного каскада. Именно за счет компонентов эффекторного блока происходит гибель клетки при апоптозе.

Факторы апоптоза

Структурно-морфологические и биохимические изменения при апоптозе осуществляются определенным набором специализированных клеточных инструментов, среди которых наиболее важными являются каспасы, нуклеазы и мембранные модификаторы.

Каспазы - группа ферментов, разрезающих пептидные связи по остаткам аспарагина, фрагментируя белки на крупные пептиды. До начала апоптоза присутствуют в клетке в неактивном состоянии из-за ингибиторов. Главной мишенью каспаз являются ядерные белки.

Нуклеазы - ответственны за разрезание молекул ДНК. Особо важна в развитии апоптоза активная эндонуклеаза CAD, разрывающая участки хроматина в областях линкерных последовательностей. В результате образуются фрагменты длиной 120-180 нуклеотидных пар. Комплексное воздействие протеолитических каспаз и нуклеаз приводит к деформации и фрагментации ядра.

Модификаторы клеточной мембраны - нарушают асимметричность билипидного слоя, превращая его в мишень для фагоцитирующих клеток.

Ключевая роль в развитии апоптоза принадлежит каспазам, которые поэтапно активируют все последующие механизмы деградации и морфологической перестройки.

Роль каспаз в клеточной гибели

Семейство каспаз включает 14 белков. Часть из них не задействована в апоптозе, а остальные подразделяются на 2 группы: инициаторные (2, 8, 9, 10, 12) и эффекторные (3, 6 и 7), которые иначе называются каспазами второго эшелона. Все эти белки синтезируются в виде предшественников - прокаспаз, активируемых протеолитическим расщеплением, суть которого состоит в отсоединении N-концевого домена и разделении оставшейся молекулы на две части, в последствии ассоциирующиеся в димеры и тетрамеры.

Инициаторные каспазы необходимы для активации эффекторной группы, которая проявляет протеолитическую активность в отношении различных жизненно важных клеточных белков. К субстратам каспаз второго эшелона относятся:

• ферменты репарации ДНК;
• игибитор белка р-53;
• поли-(ADP-рибозо)-полимераза;
• ингибитор ДНК-азы DFF (разрушение этого белка приводит к активации эндонуклеазы CAD) и др.

Общее количество мишеней эффекторных каспаз насчитывает более 60 белков.

Ингибирование апоптоза клеток еще возможно на стадии активации инициаторных прокаспаз. Когда эффекторные каспазы вступают в действие, процесс становится необратимым.

Пути активации апоптоза

Передача сигнала для запуска апоптоза клетки может быть осуществлена двумя путями: рецепторным (или внешним) и митохондриальным. В первом случае процесс активируется через специфические рецепторы смерти, воспринимающие внешние сигналы, которыми служат белки семейства TNF или Fas-лиганды, расположенные на поверхности Т-киллеров.

В состав рецептора входит 2 функциональных домена: трансмембранный (предназначенный для связи с лигандом) и ориентированный внутрь клетки "домен смерти", индуцирующий апоптоз. Механизм рецепторного пути основывается на образовании DISC-комплекса, активирующего инициаторные каспазы 8 или 10.

Сборка начинается со взаимодействия домена смерти с внутриклеточными адапторными белками, которые, в свою очередь, связывают инициаторные прокаспазы. В составе комплекса последние превращаются в функционально-активные каспазы и запускают дальнейший апоптозный каскад.

Механизм внутреннего пути основан на активации протеолитического каскада особыми митохондриальными белками, выброс которых контролируется внутриклеточными сигналами. Выход компонентов органоидов осуществляется через образование огромных пор.

Особая роль в запуске принадлежит цитохрому с. Попадая в цитоплазму, этот компонент электротранспортной цепи связывается с белком Apaf1 (апоптотический фактор активации протеаз), что приводит к активации последнего. Затем Apaf1 связывают инициаторные прокаспазы 9, которые по механизму каскада запускают апоптоз.

Контроль внутреннего пути осуществляется особой группой белков семейства Bcl12, которые регулируют выход межмембранных компонентов митохондрий в цитоплазму. В составе семейства имеются как проапоптические, так и антиапоптические белки, баланс между которыми и определяет, будет ли запущен процесс.

К одним из мощных факторов, запускающих апоптоз по митохондриальному механизму, относятся реактивные формы кислорода. Еще одним значимым индуктором является белок р53, который активирует митохондриальный путь при наличии ДНК-повреждений.

Иногда запуск апоптоза клеток сочетает в себе сразу два пути: как внешний, так и внутренний. Последний обычно служит для усиления рецепторной активации.