Является естественным процессом в организме. Он включает в себя контролируемую последовательность событий, в которых клетка сигнализируют о самоуничтожении. Апоптоз помогает контролировать естественный процесс деления клеток посредством .
Почему клетки проходят апоптоз?
Существует несколько случаев, когда клеткам необходимо самоуничтожение. Например, естественный процесс менструации включает в себя распад и удаление ткани из матки. Также клетки могут подвергнутся повреждению или некоторым типам инфекции. Один из способов убрать эти клетки, не причинив вреда здоровым клеткам, является апоптоз.
Что происходит во время апоптоза?
Апоптоз - сложный процесс, который включает в себя множество событий. Во время апоптоза клетка вызывает процесс изнутри, что позволяет ей совершить самоубийство. Если клетка испытывает некоторый тип значительного стресса, такой как повреждение ДНК, то высвобождаются сигналы, которые активируют для высвобождения белков индуцирующих апоптоз.
В результате клетка подвергается уменьшению размера, поскольку ее клеточные компоненты и разрушаются и конденсируются. На поверхности появляются пузырьки, повышающие ее проницаемость. Затем клетка разделяется на более мелкие фрагменты, называемые апоптозными телами. Эти фрагменты заключены в мембраны, чтобы не повредить соседние клетки.
Затем фагоцитарные клетки, такие как , поглощают и разрушают апоптотические тела, не вызывая воспалительную реакцию. Апоптоз также может запускаться снаружи химическими веществами, которые связываются с конкретными рецепторами на поверхности клетки. Это путь, используемый некоторыми лейкоцитами для активации апоптоза в инфицированных клетках.
Апоптоз и рак
Некоторые виды рака сохраняются в результате неспособности клетки пройти апоптоз. Опухолевые вирусы меняют клетки путем интеграции их генетического материала с ДНК клетки-хозяина. Эти вирусы инициируют производство белков, останавливающими процесс апоптоза. Пример этого можно увидеть с вирусами папилломы, которые связывают с раком шейки матки. Раковые клетки, которые не развиваются из вирусной инфекции, могут также продуцировать вещества, ингибирующие апоптоз и способствуют неконтролируемому росту. Радиационная и химическая терапия используется для индукции апоптоза при некоторых видах рака.
Апоптоз — это генетически регулируемая программа клеточной гибели, которая имеет определенные морфологические критерии и биохимические маркеры. Эта программа очень важна для нормального развития многоклеточного орга-низма, сохранения нормального числа полноценных и своевременного удале-ния поврежденных клеток.
Термин «апоптоз» (гр. аро — полное, ptosis — падение, утрата) предложил в 1972 году J. F. Kerr, заимствовав его у Гиппократа, назвавшего так осенний листопад.
Известно, что действие сильных повреждающих факторов вызывает некроз клетки. Гибель клетки в этом случае обусловлена избыточной внешней энер-гией (физической, химической или биологической), нарушающей ее внут-риклеточный энергетический баланс и приводящей к потере структурной целостности.
В последние годы растет интерес к запрограммированной гибели клеток — апоптозу. Важно понимать, что фактор, вызывающий апоп-тоз, не обладает достаточной энергией для непосредственного повреждения клетки. Он лишь включает ее собственные механизмы самоуничтожения, т.е. апоптоз реализуется за счет внутренней энергии клетки и является таким же неотъемлемым свойством живого, как рост, пролиферация и размножение.
Возможности регуляции клеточной жизни всегда вызывали большой ин-терес биологов и врачей. Если процессы пролиферации являются достаточно изученными, то точка зрения на регуляцию разрушения (умирания) клеток пока еще не оформлена в окончательном виде в то же время при многих со-стояниях нарушения именно этой программы становятся определяющими для течения заболевания.
Апоптоз имеет четко выраженные и довольно хорошо изученные морфоло-гические критерии: уменьшение размеров, сморщивание клетки, конденсация и фрагментация ядра, разрушение цитоскелета при сохранении целостности клеточной мембраны .
Апоптотические тельца
Когда процесс внутренней деградации завершен, клетка представляет собой совокупность фрагментов цитоплазмы, окруженных мембранами (т. н. апоптотические тельца). Изоляция внутриклеточного содержимого элементами цито-леммы является главной причиной отсутствия асептического воспаления при апоптозе. Таким образом, гибель клетки путем апоптоза (в отличие от некроти-ческой) переносится организмом относительно «безболезненно». В последую-щем апоптотические тельца фагоцитируются макрофагами , где макромолеку-лы погибшей клетки расщепляются до мономеров.
Сегодня установлено множество факторов, способных индуцировать апо-птоз клетки. С другой стороны, некоторые воздействия могут повысить устой-чивость к запрограммированной гибели (табл. 1).
| I. Ингибиторы апоптоза |
| Физиологические ингибиторы |
|
| Гены вирусов |
|
| Фармакологические агенты |
|
| II. Индукторы апоптоза |
| Физиологические активаторы |
|
| Агенты, вызывающие повреждение |
|
| Агенты, связанные с лечением каких-либо заболеваний |
|
| Токсины |
|
Эффекторный механизм иммунных реакций
Регуляция иммунного ответа
Апоптоз иммунокомпетентных клеток является неотъемлемым компонен-том иммунных реакций. Установлено, что селекция антигенспецифических Т- и В-лимфоцитов сопровождается массовой гибелью активированных, но антигеннеспецифических лимфоцитов. С другой стороны, результатом иммун-ного ответа является накопление избыточного количества антигенспецифических Т- и В-клеток, что ведет к нарушению генетически детерминированного баланса клеток макроорганизма. Выравнивание клеточного баланса после уда-ления патогена обусловлено именно запрограммированной гибелью большей части антигенспецифических лимфоцитов.
Цитоплазматический апоптоз
Как уже указывалось, апоптоз является внутренним свойством клетки, свое-образной ее реакцией на различные внешние раздражители. Поэтому неуди-вительно, что в любой клетке человеческого организма функционирует целая система цитоплазматического апоптоза (рис. 32), Информация о структуре компонентов этой систе-мы содержится в геноме и передается от поколения к поколению. Указанную систему цитоплазматического апоптоза условно можно разделить на три части. Первая — это совокупность мембранных рецепторов, способных воспринимать проапоптотические сигналы из внутренней среды организма. Вторая — это комплекс цитоплазматических посредников, передающих воспринятый рецептором сигнал внутрь клетки к эффекторному звену. Третья — это эффекторное звено апоптоза, т.е. те компонен-ты, активация которых приводит к непосредственной гибели клетки.
Рецепторы апоптоза
Сегодня открыт целый ряд рецепторов, воспринимающих проапоптотические сигналы. Это Fas (CD95), TNF-R1 (рецептор 1-го типа к ФНО-α), DR3 (WS1-1), DR4 (TRAIL-рецептор 1), DR5 (1 RAIL-рецептор 2), DR6. Хотя указанные ре-цепторы приводят к одному и тому же биологическому эффекту, они относятся к разным семействам и поэтому отличаются по структуре. Так, Fas и TNF-R при-надлежат к семейству рецепторов к ФF10, а молекулы DR — к антигенам гис-тосовместимости. Общность их биологического действия обусловлена природой молекул, связанных с цитоплазматической частью рецептора. Такие молекулы по-лучили название доменов смерти Именно они и приводят к активации апоптоза. Наиболее изученными доменами смерти являются молекулы FADD и TRADD.
Ферменты апоптоза
Цитоплазматическими посредниками в системе апоптоза являются специ-альные ферменты, каспазы. Каспазы способны к последовательной активации друг друга, поэтому образуют своеобразный внутриклеточный каскад, включа-емый доменами смерти. Домены смерти находятся на внутренней поверхнос-ти цитолеммы в неактивном состоянии. При активации рецептора, с которым функционально связан тот или иной домен, происходит изменение конформа-ции обеих структур. Вследствие этого высвобождается активный центр домена, и он приобретает возможность взаимодействовать с каспазой 8 — инициатором всего каспазного каскада. Конечным компонентом этого каскада является каспаза 7. Именно этот фермент активирует латентную эндонуклеазу, оказывающую непосредственный повреждающий эффект на генетический материал клетки (разрывает ДНК в межнуклеосомных участках). Таким образом, эффекторным звеном системы апоптоза является латентная эндонуклеаза.
Митохондриальный апоптоз
Кроме цитоплазматических, в клетке содержится ком-плекс митохондриальных посредников апоптоза. Известно, что разрушение митохондриального аппарата приводит к неминуемой гибели клетки, посколь-ку последняя лишена энергетического обеспечения Для предотвращения не-кроза при повреждении митохондрий активируются указанные белки, обус-лавливающие более экономную апоптотическую гибель нежизнеспособной клетки. Таким образом, каскад апоптоза может реализовываться как по цито-плазматическому, так и по митохондриальному пути.
На этой странице материал по темам:
Апоптоз
Смерть клеток в организме может происходит 2 путями: некроза и апоптоза .
Апоптоз – это такой тип гибели клеток, при котором сама клетка активно участвует в процессе своей гибели, т.е. происходит самоуничтожение клетки. Апоптоз, в отличие от некроза, является процессом активным, после воздействия этиологических факторов запускается генетически запрограммированный каскад реакций, сопровождающийся активацией определенных генов, синтезом белков, ферментов, приводящих к эффективному и быстрому удалению клетки из ткани.
Причины апоптоза.
1. Во время эмбриогенеза апоптоз играет важную роль в разрушении различных тканевых зачатков и формировании органов.
2. Апоптозу подвергаются стареющие клетки, закончившие цикл своего развития, например, исчерпавшие запас цитокинов лимфоциты.
3. В растущих тканях определенная часть дочерних клеток подвергается апоптозу. Процент погибающих клеток может регулироваться системными и местными гормонами.
4. Причиной апоптоза может быть слабое воздействие повреждающих факторов, которые при большей интенсивности могут привести к некрозу (гипоксия, ионизирующее излучение, токсины и др.)
Патогенез апоптоза:
Клетка подвергается апоптозу, если в ядре происходит повреждение ДНК, которое не может быть исправлено системой репарации. За данным процессом следит белок, кодируемый геном р53. При невозможности устранения дефекта ДНК под действием р53-протеина активируется программа апоптоза.
На многих клетках имеются рецепторы, воздействие на которые вызывает активацию апоптоза. Наиболее изученными являются Fas-рецептор, обнаруженный на лимфоцитах, и рецептор к фактору некроза опухолей-альфа (TNF-α), обнаруженный на многих клетках. Данные рецепторы играют большую роль в удалении аутореактивных лимфоцитов и регуляции постоянства размера клеточной популяции по типу обратной связи.
Активировать апоптоз могут различные метаболиты и гормоны: противовоспалительные цитокины, стероидные гормоны, окись азота (NO) и свободные радикалы.
Апоптоз клеток активируется при недостатке кислорода в тканях. Причиной его активации может быть действие свободных радикалов, нарушение энергетически зависимых процессов репарации ДНК и др.
Апоптозу подвергаются клетки, утратившие связь с межклеточным матриксом, базальной мембраной или соседними клетками. Утрата данного механизма апоптоза в опухолевых клетках приводит к появлению способности метастазировать.
Некоторые вирусные белки могут активировать апоптоз клеток после самосборки вируса в зараженной клетке. Поглощение апоптотических телец соседними клетками ведет к их заражению вирусом. Вирус СПИДа также может активировать апоптоз незараженных клеток, имеющих на своей поверхности CD4-рецептор.
Также существуют факторы, препятствующие апоптозу. Замедлять апоптоз могут многие метаболиты и гормоны, например, половые гормоны, провоспалительные цитокины. Апоптоз может резко замедляться при дефектах в механизме гибели клетки, например, при мутации в гене р53 или активации генов, тормозящих апоптоз (bcl-2). Многие вирусы обладают способностью ингибировать апоптоз после встраивания собственной ДНК в геном клетки на период синтеза собственных структурных белков.
Морфологические проявления апоптоза
Апоптоз имеет свои отличительные морфологические признаки, как на светооптическом, так и на ультраструктурном уровне. Наиболее четко морфологические признаки выявляются при электронной микроскопии. Для клетки, подвергающейся апоптозу характерно:
Сжатие клетки. Клетка уменьшается в размерах; цитоплазма уплотняется; органеллы, которые выглядят относительно нормальными, располагаются более компактно. Предполагается, что нарушение формы и объема клетки происходит в результате активации в апоптотических клетках трансглютаминазы и цистеиновых протеаз (каспаз). Первая группа ферментов вызывает образование перекрестных связей в цитоплазматических белках, что приводит к формированию своеобразной оболочки под клеточной мембраной, подобно ороговевающим клеткам эпителия, а вторая группа ферментов разрушает белки в цитозоле.
Конденсация хроматина. Это наиболее характерное проявление апоптоза. ДНК расщепляется эндонуклеазами в местах, связывающих отдельные нуклеосомы, что приводит к образованию большого количества фрагментов, в которых число пар оснований делится на 180-200, которые затем конденсируются под ядерной мембраной. Ядро может разрываться на два или несколько фрагментов.
Формирование апоптотических телец. В апоптотической клетке формируются глубокие впячивания клеточной мембраны, что приводит к отшнуровке фрагментов клетки, т.е. формированию окруженных мембраной апоптотических телец, состоящих из цитоплазмы и плотно расположенных органелл, с или без фрагментов ядра.
Фагоцитоз апоптотических клеток или телец осуществляется окружающими здоровыми клетками, как макрофагами, так и паренхиматозными. Апоптотические тельца быстро разрушаются в лизосомах, а окружающие клетки либо мигрируют, либо делятся, чтобы заполнить освободившееся после гибели клетки пространство.
При окраске гематоксилином и эозином апоптоз определяется в единичных клетках или небольших группах клеток. Апоптотические клетки имеют округлую или овальную форму, интенсивно эозинофильную цитоплазму с плотными фрагментами ядерного хроматина. Поскольку сжатие клетки и формирование апоптотических телец происходит быстро и также быстро они фагоцитируются, распадаются или выбрасываются в просвет органа, то на гистологических препаратах апоптоз обнаруживается в случаях его значительной выраженности. К тому же апоптоз – в отличие от некроза – никогда не сопровождается воспалительной реакцией, что также затрудняет его гистологическое выявление.
Для выявления клеток, находящихся на ранних этапах апоптоза, используют специальные иммуногистохимические исследования, например, определение активированных каспаз или TUNEL-метод, визуализирующий разорванную эндонуклеазами ДНК.
Значение апоптоза.
1. Апоптоз имеет огромное значение в эмбриогенезе (включая имплантацию и органогенез). Нарушение гибели клеток в межпальцевых промежутках может привести в синдактилии, а отсутствие апоптоза избыточного эпителия при слиянии небных отростков или тканей, окружающих нервную трубку, приводит к нарушению слияния тканей с двух сторон, что проявляется расщеплением твердого неба и дефектом в тканях, ограничивающих спинномозговой канал, (spina bifida), соответственно.
2. Апоптоз играет важную роль в поддержании постоянства клеточного состава, особенно в гормон-чувствительных тканях. Замедление апоптоза приводит к гиперплазии тканей, ускорение – к атрофии. Он принимает участие в отторжении эндометрия во время менструального цикла, атрезии фолликулов в яичниках в менопаузе и регрессии ткани молочной железы после прекращения лактации.
3. В данный момент исследуется огромное количество лекарственных препаратов, направленных на регуляцию апоптоза в определенных тканях. Так, ускорение апоптоза иммунокомпетентных клеток можно использовать для лечения аутоиммунных заболеваний и предотвращения отторжения трансплантата, замедление апоптоза может использоваться для предотвращения апоптоза в тканях, испытывающих ишемию, повышенное внешнее давление или временно бездействующих тканях. Замедление апоптоза при вирусных инфекциях предотвращает распространение инфекции на соседние клетки.
4. Во всех опухолях наблюдается нарушение апоптоза в опухолевых клетках. Эта поломка может происходить на разных этапах апоптоза, например, может происходить мутация гена р53, что приведен к тому, что мутантный протеин-р53 будет накапливаться в клетке в избыточном количестве, но не будет вызывать апоптоз несмотря на дефекты в геноме клетки, что приведет к пролиферации клеток с нарушенным геномом, причем с каждым последующим делением нарушения в ДНК будут накапливаться. Иногда в опухолевых клетках может накапливаться и нормальный, или «дикий», протеин р53, если поломка в механизме апоптоза происходит на других уровнях. При хронических лимфоидных лейкемиях наблюдается накопление продуктов гена bcl-2, что приводит к патологическому удлинению срока жизни опухолевых клеток и резистентности клеток к различным проапоптотическим факторам. Иногда нарушается передача сигналов от рецепторов гибели клеток, например, с рецептора к TNF-α. TNF-α принимает участие в регуляции клеточной популяции по типу обратной связи. Все клетки в популяции выделяют TNF-α в небольших количествах; чем больше клеток в ткани, тем выше концентрация TNF-α, а значит и уровень апоптоза. Таким образом достигается баланс между пролиферацией и гибелью клеток. Опухолевые клетки теряют способность подвергаться апоптозу под действием этого цитокина, при этом он накапливается в большом количестве в опухолевой ткани. В результате этого TNF-α начинает в большом количестве попадать в кровоток и вызывать апоптоз паренхиматозных клеток во многих органах, приводя к кахексии.
С философских позиций, отстаиваемых многими мыслителями, глубоко разрабатывавшими диалектику природы, любое «явление» материального мира имеет свое зеркальное отражение в виде «антиявления». По существу составляющих его элементов это «антиявление» может мало чем отличаться от своего антипода (природа «экономит» свои силы и ресурсы).
Однако самое главное его отличие состоит в диаметрально противоположной направленности процесса, конечным результатом которого будет полная противоположность исходному состоянию.
В этом плане апоптоз есть запрограммированная нормальная гибель клетки, в механизме которой ключевую роль играют специальные и генетически детерминируемые внутриклеточные изменения.
В данном определении, пожалуй, все понятно, кроме понятия «нормальной гибели». Кстати, «апоптоз» с греческого переводится как «опадание листьев». (Пожалуй, читатель согласится, что более точную метафору этому феномену подобрать было бы трудно.)
Но разве гибель живой нормальной клетки может быть нормальной? Оказывается, да, может, поскольку этим определяется постоянство внутренней клеточной среды организма, обеспечивающее его существование (любая клетка недолговечна и требует замены ), и, по-видимому, смена клеточного состава обеспечивает в ближайшей перспективе приспособление организма к меняющимся условиям среды, а в отдаленной, может быть, играет важную роль в эволюции вида.
Пример
Довольно ярким примером апоптоза могут служить физиологические изменения в женской репродуктивной системе, обеспечивающие нормальную репродуктивную функцию:
– гибель клеток (ооцита и фолликулярных клеток ) атрезирующих фолликулов;
– гибель клеток редуцирующегося желтого тела;
– гибель клеток функционального слоя эндометрия накануне менструации;
– гибель лактоцитов молочной железы после прекращения лактации и т. д.
Причины феномена
После краткого философского осмысления феномена «апоптоза» можно перейти к точным биологически доказанным причинам феномена запрограммированной гибели клетки. Их две.
- Скрытые «поломки» самой клетки в ходе клеточного цикла.
Здесь прежде всего речь идет о поломках, возникающих в самой клетке: повреждение хромосом (чаще всего это разрывы ДНК ).
Другой, не менее редкой причиной могут стать и повреждения митохондрий (чаще всего токсическое или лучевое чрезмерное влияния ). Здесь важно отметить, что повреждение клеточных структур, ведущее к апоптозу, хотя и должно быть сильным, но оно не может быть чрезвычайно сильным, так как у клетки должны сохраняться резервы для физиологической экспрессии генов апоптоза.
Если повреждения клетки чрезмерны , процесс ее гибели становится неуправляемым и представляет собой уже некроз.
- Сигнализация «на уничтожение», идущая снаружи через специальные рецепторы клетки. Или, иначе, внешние сигналы, обусловливающие апоптоз. Здесь следует отметить большой спектр физиологических процессов, которые можно с полным основанием отнести к апоптозу которые участвуют в процессе онтогенеза.
Разумеется, объем данной статьи не позволяет рассматривать подробно все молекулярные основы апоптоза, но о некоторых «ключевых» факторах невозможно не упомянуть. Так, например, фолликулы яичников выделяют белковый фактор «гонадокринин », который тормозит развитие других фолликулов (т. е. гонадокринин здесь уже играет роль физиологического «регулятора» численности популяции клеток, готовых вступить в стадию созревания).
Апоптоз как антипролиферативный фактор , завершающий биологический цикл клетки ее гибелью, - по существу, инструмент, с помощью которого решаются многие проблемы, которые не касаются «напрямую» жизненного цикла клетки.
Другой интересный факт : апоптоз клетки, продиктованный событиями, лежащими вне клетки, касается только делящихся клеток, поэтому в таких случаях апоптоз является одним из эффективных способов физиологической (нормальной) регуляции численности клеточной популяции.
Пусковые факторы
Пусковыми факторами апоптоза могут являться прекращение действия положительного сигнала, поддерживающего ритм клеточного цикла, например гибель клеток функционального слоя эндометрия из-за спада уровней половых гормонов. Другим примером может быть возрастание содержания белка р53, которое наблюдается из-за отсутствия опоры эпителиального пласта на базальную мембрану.
Во многих вариантах природа внешнего сигнала, начинающего или прекращающего действовать на клетку, весьма разнообразна. К этим факторам можно отнести гормоны, гистогормоны (цитокины), антиген, белок з53 и фактор некроза опухолей.
Морфология
Морфология апоптоза хорошо изучена и довольно последовательна в своем развитии. Этот феномен привлекает особое внимание при сравнении его с механизмами клеточной пролиферации.
Следует заметить, что, раз начавшись, процесс почти не зависит от вида пусковых факторов, и один этап переходит в другой. Все начинается с конденсации хроматина ядра клетки и ее цитоплазмы. В результате ядро становится фрагментарным, а цитоплазма, уменьшаясь в объеме, изменяет форму клетки.
Следующим этапом апоптоза будет фрагментация ядра и цитоплазмы с образованием апоптозных телец. Ядро распадется на отдельные фрагменты, окруженные ядерной оболочкой. Эти фрагменты содержат очень плотные массы хроматина. В конце этого процесса апоптозные тельца отшнуровываются. В некоторых из телец оказываются ядерные фрагменты, в других - только цитоплазматическое содержимое. Но те и другие окружены плазмолеммой с несколько измененным составом. А дальше происходит то, что происходит уже с телами, ставшими инородными для организма: фагоцитоз апоптозных телец окружающими клетками (фагоцитами, нейтрофилами и др.).
Фагоцитированные ими тельца быстро разрушаются в фаголизосомах.
Благодаря сохранению плазмолеммы у апоптозных телец и их быстрому фагоцитозу, содержимое погибшей клетки не попадает в межклеточную среду и реакции воспаления не возникает.
Следует отметить, что все стадии апоптоза совершаются довольно быстро (за несколько часов). Именно поэтому при микроскопии выявить клетки, находящиеся в процессе апоптоза, довольно трудно.
Противоположность
В противоположность апоптозу , при некрозе морфологическая картина иная, так как происходит сильное повреждение клетки (например, прекращение кровотока). При этих условиях механизмы апоптоза сработать не могут, да и морфологическая картина, как нетрудно убедиться, совсем иная. Это, прежде всего, повреждение плазмолеммы, набухание клетки, ядра и других мембранных структур. Таким образом, при некрозе объем клетки увеличивается, а при апоптозе - уменьшается. Хроматин ядра меняется не сразу, а к середине или к концу процесса.
Вначале он конденсируется у ядерной мембраны. Затем в результате кариолиза хроматин исчезает (тогда как при апоптозе фрагменты хроматина оказываются в апоптозных тельцах). В последующем отмечаются разрыв плазмолеммы и высвобождение продуктов клеточного распада в межклеточную среду.
Последние вызывают повреждение соседних клеток (в которых начинаются процессы апоптоза или некроза), и главное - начало процесса воспаления.
Следует сказать, что весь процесс некроза клетки может завершаться очень быстро, например за 1 час. Но его последствия столь значительны, что световая микроскопия выявляет чаще некроз, чем апоптоз.
В отличие от некроза, который представляется грубым «инструментом» уничтожения клетки, апоптоз выглядит более изящным, «цивилизованным» способом самоубийства, заранее запрограммированным, и потому выбор смертоносных воздействий представлен «точечными» ударами физиологических факторов.
Для этой цели существует довольно разнообразный «джентльменский набор», действующий последовательно, как по команде, и, надо сказать, почти безотказно.
Инструменты апофоза
Одним из важнейших инструментов апоптоза является специальное семейство цитоплазматических протеаз, или так называемых каспаз . По структуре они относятся к сериновым протеазам по наличию в активном центре остатка - аминокислоты серина.
В своих белковых мишенях каспазы разрывают пептидные связи, образованные с участием остатка аспарагиновой кислоты. Всего в семействе каспаз 10 ферментов, поэтому каспазы способны в определенной последовательности активировать друг друга, образуя своего рода «каскад», причем разветвленный. С учетом этой разветвленной структуры каспаз, не вдаваясь в подробности ее структуры, которая достаточно сложна и во многом еще не выяснена, можно видеть, что главная их функция состоит в избирательном и ограниченном протеолизе определенных белковых мишеней (в основном ядерных белков), без затраты значительных количеств энергии.
В хорошо настроенном «оркестре» апоптоза (во многом благодаря предсуществующей генетической запрограммированности феномена на самоуничтожение клетки), в котором роль «первой скрипки» исполняет семейство цитоплазматических протеаз - каспаз, слажено «звучат» и другие факторы, такие как, например, эндонуклеазы, которые рассматриваются вторым по важности (после каспаз) «инструментом» апоптоза.
Не вдаваясь в детали этой довольно сложной и во многом еще не понятной последовательности событий, здесь для нашей задачи целостного рассмотрения феноменов клеточной пролиферации и апоптоза следует указать на преимущественно ядерную локализацию эндонуклеаз .
Эти белки-ферменты обладают двумя важными свойствами . Во-первых, эндонуклеазы в отличие от других ферментов, осуществляющих аутолиз ДНК, расщепляют ДНК хромосом не в случайных местах, а только в линкерных участках. Поэтому хроматин не подвергается полному лизису, а лишь фрагментируется, что составляет отличительную черту апоптоза.
И наконец, последнее, но не менее важное . Речь идет о белке р53, который рассматривается как универсальный фактор, тормозящий клеточную пролиферацию, а при определенных условиях и опухолевую трансформацию. В ходе многих, если не всех видов апоптоза в клетках возрастают содержание и активность белка р53. Дело в том, что белок р53 стимулирует гены ряда «киллерных» рецепторов, т. е. рецепторов, воспринимающих «команду» начала апоптоза. Среди них белки Fas-рецептор и рецептор KILLER/DR5. Таким путем повышается чувствительность клетки к сигналам, запускающим апоптоз.
Другой важной функцией белка р53 является его способность останавливать клеточный цикл. Это происходит благодаря активации гена Р21, продукт которого (белок р21) ингибирует известные уже нам комплексы циклинов (циклин-Cdks).
Очень важно иметь в виду воздействие белка р53 и на окружающие клетки . Белок р53 активирует и такие гены, продукты которых выделяются из гибнущей клетки и воздействуют на ее окружение, например подавление ангиогенеза (торможение опухолевого роста), и, что особенно важно в свете рассматриваемой проблемы, р53 действует как фактор, стимулирующий синтез и секрецию ряда ингибиторов пролиферации клеток.
Даже из далеко не полного списка функций белка р53 видно, что этот фактор исполняет роль «первой скрипки» в слаженном звучании оркестра «ферментов-исполнителей» и внимательно следит за «хромосомным дирижером», с тем чтобы не пропустить такт своего вступления, или наоборот, выдержать необходимую паузу.
Или уклонение от программированной клеточной смерти опухолевых клеток - важнейшее свойство злокачественного фенотипа.
В норме апоптозная программа присутствует в латентной форме во всех клетках организма, поскольку вполне очевидно, что в организме под влиянием различных факторов при прохождении клеткой клеточного цикла постоянно происходят повреждения ДНК, т.е. возникают мутации.
Известно, что в течение жизни в организме человека происходит 10 16 клеточных делений. Спонтанные мутации происходят с частотой - 10 6 на ген за клеточный цикл.
Таким образом, в течение жизни человека каждый ген вполне может подвергнуться мутированию около 10 миллиардов раз (10 16 х10 6 = 10 10), а ежедневно в организме происходит до 1 млн соматических мутаций.
И среди них, несомненно, возможны, ведущие к раку. С этих позиций проблема рака не столько в том, почему он возникает, а в том, почему он возникает так редко.
А возникает рак, несмотря на постоянное воздействие канцерогенных факторов, относительно редко потому, что в организме существуют механизмы защиты, направленные на сохранение нормального генотипа клетки. Необходимо отметить, что судьба клеток с теми или иными генетическими повреждениями может быть различной.
Часть мутированных клеток гибнет из-за витальных повреждений их генома, часть восстанавливается, часть организм уничтожает сам посредством апоптоза и, наконец, часть мутированных клеток выживет и в процессе размножения может стать источником накопления потенциально онкогенных мутаций и развития рака.
В норме генетический фонд клетки, несмотря на его хрупкость, защищен мощным ферментным аппаратом, часто обеспечивающим распознавании мутированных и измененных участков ДНК и их восстановление.
Репарация ДНК заключается в «вырезании» мутированных нуклеотидов с помощью эндо- и экзонуклеаз, синтеза нормального участка ДНК при участии ДНК-полимеразы и встраивании восстановленного участка в цепь ДНК под действием фермента лигазы. Тем самым воссоздается исходная генетически запрограммированная нуклеотидная последовательность поврежденной нити (рис. 3.12).
Рис 3.12. Схема репарации при повреждении ДНК и формирование мутации [Новик А.Л., 2004].
Если же активность репарационно-восстановительных систем недостаточна и повреждения в ДНК сохраняются, то в таких клетках индуцируется программируемая клеточная гибель, что приводит к уничтожению, в том числе и мутантных клеток, способных к злокачественной трансформации.
Апоптоз (от греч. apoptosis - опадание) - запрограммированная гибель клетки или «смерть клетки в результате самоуничтожения» - активный, генетически контролируемый процесс. Термин был предложен Kerr J. и соавт. (1972) для обозначения происходящих изменений в клетке во время ее физиологической гибели и ведущих к уменьшению числа клеток в противоположность митозу, обеспечивающему увеличение их числа.
Биологическое значение апоптоза
Биологическое значение апоптоза состоит в том, что это ключевой механизм поддержки генетического гомеостаза, который организм использует для удаления клеток, чье выживание нежелательно: чужеродных, дефектных с поломками в геноме; мутантных или зараженных вирусом; с неадекватной специфичностью рецепторов к различным регуляторам жизнедеятельности и т.д.В организме в каждую единицу времени миллионы клеток завершают свой цикл, отрабатывают «свой век». Для предотвращения «засорения» организма от успевших выполнить свою функцию «отработанных», «изношенных» клеток в ходе эволюции выработался специальный механизм их ликвидации - апоптоз.
Способность запускать самоликвидацию (апоптоз), является неотъемлемым свойством клеток для поддержания тканевого гомеостаза путем сохранения определенного баланса между пролиферацией (митозом) и гибелью.
Апоптоз играет исключительно важную роль в эмбриогенезе, в частности в регуляции количества мезодермальной ткани при формировании органов и скелета. В основе уничтожения иммунными клетками чужеродных также лежит апоптотический механизм.
Гибель клеток по типу апоптоза происходит при многих физиологических процессах: возрастной инволюции органов (тимус), атрофии (предстательной железы после кастрации), регрессии гиперплазии нормапьном функционировании яичников и семенников и, наконец, в уничтожении мутантных клеток.
Механизм активации апоптоза
Зрелые дифференцированные клетки в обычном состоянии устойчивы к индукции апоптоза, но становятся чувствительными к нему после своей активации. Такую активацию вызывают различные внешние воздействия через специфические рецепторы и внутриклеточные сигналы, вызванные экспрессией некоторых протоонкогенов.Они могут быть физиологическими - активация специальных киллерных цитокинов, изменения гормонального статуса (цикличное изменение эндометрия и др.), и нефизиологическими - внутриклеточные повреждения или неблагоприятные условия (нехватка факторов роста, повреждения ДНК, гипоксия и т.д.).
В механизмах активации апоптоза выделяют два основных этапа: фазу индукции (принятия решения) и фазу экзекуции (исполнения приговора). В первую фазу система сенсоров апоптоза отслеживает отклонения от нормы внутри- и внеклеточной среды и определяет дальнейшую судьбу клетки: жить ей или умереть.
Класс сенсоров представляет собой рецепторы клеточной поверхности, которые связывают сигналы выживания или смерти. В качестве таких сигналов выступают различные, цитокины.
При выявлении аномалий (например, повреждение ДНК, нехватка факторов роста, гипоксия и др.) посредством сенсорных регуляторов запускается вторая фаза апоптоза - исполнения приговора. Начинается она с активации каспаз + ферментов семейства цистеиновых протеиназ (так называемые казнящие каспазы).
Существует два принципиально разных пути активации каспаз. Один из них запускается в ответ на активный сигнал смерти, передаваемый специфическими киллерными цитокинами группы ФНО (фактор некроза опухолей) на соответствующие рецепторы (наиболее изучены Fas), называемые рецепторами смерти.
Апоптоз, вызванный активированными рецепторами смерти, называется инструктивным апоптозом. При втором пути активации каспаз ключевую роль играют митохондрии - митохондриальный апоптоз.
При этом различные повреждающие воздействия вызывают увеличение проницаемости мембраны митохондрий и выход в цитоплазму митохондриальны белков (в основном цитохрома С), которые через соответствующий каскад реакций и активируют каспазы.
Ключевую роль в регуляции проницаемости митохондриальной мембраны для цитохрома С играют белки семейства bcl-2, обладающие либо проапоптотическими, либо антиапоптотическими активностями.
Таким образом, в клетках человека в ответ на повреждения существует два механизма, запускающих апоптоз: инструктивный, вызываемый рецепторами смерти, и митохондриальный, обусловленный повышенной проницаемостью мембран. Между ними существует взаиморегуляция, что позволяет надежнее достигать конечного эффекта.
В итоге активированные тем или иным путем каспазы протеолитически расщепляют ключевые структурные компоненты клетки, что приводит к фрагментации ДНК и деструкции клетки. При этом цитоппазматический и ядерный скелеты разрушаются, хромосомы деградируют, ядро фрагментируется, но без разрыва клеточной мембраны.
Поэтому такая клетка может быть утилизирована фагоцитами и соседними клетками, и даже массовая их гибель не приводит к каким-либо патологическим процессам. Процесс протеолиза продолжается 30-120 минут, затем сморщенная клетка поглощается макрофагами и исчезает обычно в течение 24 часов (рис. 3.13).
Рис. 3.13. Фагоцитоз апоптотической клетки макрофагом [Фильченков А.А., Стойка Р.С., 1999]. 1 - фрагментированное ядро; 2 - фрагменты цитоплазмы (апоптотические тельца): 3 - фрагменты апоптотической клетки захвачены макрофагом.
Задачей апоптоза является утилизация фрагментов клетки пока ее содержимое не попало во внеклеточную среду и не вызвало воспалительного процесса. Внешние морфологические проявления апоптотической гибели клеток в виде кариопикноза (сморщивание ядра), кариорексиса (распад ядра на части), конденсации (сжатия) клетки и др. были известны давно и только в последнее время показано, что это частные проявления апоптоза. Вокруг клеток, подвергшихся апоптозу, воспалительный процесс не возникает.
Гибель клеток по типу апоптоза следует отличать от некроза - другой формы гибели клеток организма. Некроз инициируется нефизиологическими агентами, а апоптоз - и физиологическими, и нефизиологическими. В отличие от некроза, апоптоз встречается не только в патологически измененных, но и нормальных тканях.
Некроз происходит в случае, когда клетки подвергаются действию экстремальных факторов и поэтому его можно назвать патологической гибелью. При некрозе морфологические изменения как реакция на летальное повреждение клетки, почти всегда начинается с повреждения плазматической мембраны, что не бывает при апоптозе.
Из-за разрыва мембраны в клетку из внеклеточного пространства поступают молекулы воды и ионов и вызывают набухание структур. Одновременно попадание содержимого цитоплазмы (в том числе лизосомальных ферментов) во внеклеточное пространство вызывает повреждения тканей и развитие выраженного воспалительного процесса, что не происходит при апоптозе.
Кроме того, при апоптозе отмирают одиночные клетки, а при некрозе - их группы. Уничтожение клеток путем апоптоза по сравнению с некрозом обеспечивает минимальное повреждение тканей. Между этими процессами имеются и другие различия. На рисунке 3.14 схематически представлены две формы гибели клеток.
Рис. 3.14. Схематическое представление о двух формах гибели клеток [по Wyllle А. и соавт., 1998].
Как и другие физиологические процессы, апоптоз регулируется большим числом генов. Ключевая роль в запуске программы апоптоза принадлежит гену-cупpeccopy р53. Вследствие особой значимости р53 был назван геном XX века. р53 поддерживает стабильность генетического аппарата и осуществляет контроль над клеточным циклом.
В норме, при повреждениях структуры ДНК или других формах генотоксического стресса отмечается быстрая активация р53. Его белок блокирует клеточный цикл в фазе G1 до удвоения ДНК и митоза, инициирует и участвует в процессах репарации ДНК. Это позволяет клетке восстанавливать поврежденный участок ДНК, что предотвращает появление мутантных клеток.
При тяжелых неустранимых повреждениях р53 запускает программу апоптоза и тем самым предупреждает патологическую пролиферацию. Важно подчеркнуть, что р53-зависимый апоптоз элиминирует из организма не только поврежденные, но и те клетки, в которых наблюдается нерегулируемая стимуляция пролиферации.
Если р53 мутирует, он инактивируется и перестает запускать апоптозный каскад, что дает возможность сохраняться клеткам с поврежденной ДНК во время митоза, а это в свою очередь приводит к выживанию клеток, подвергшихся опухолевой трансформации (рис 3.15).
Рис. 3.15. Регулирующее влияние антионкогена р53 . Повреждение гена создает условия для патологической клеточной пролиферации.
Предполагается, что увеличение частоты неоплазии с возрастом связано не с накоплением мутаций в геноме клеток, а с возрастными нарушениями системы репарации ДНК.
Естественно, апоптоз рассматривается как мощная противоопухолевая защита. Угнетение процесса резко облегчает превращение нормальной клетки в раковую, так как в неспособных к апоптозу клетках легко будут накапливаться различные мутации.
Такие клетки-мутанты, несмотря на повреждения ДНК, будут продолжать активно размножаться. Накопление критического количества мутаций неизбежно приведет к появлению неоппастической клетки и формированию злокачественной опухоли (рис. 3.16).
Рис. 3.16. Нарушение процессов пролиферации (П) и апоптоза (А) клеток при онкогенезе [Фильченков А.А., Стойка Р.С., 1999].
Приобретенная резистентность к апоптозу является признаком большинства, если не всех опухолевых клонов. Уход от апоптоза резко повышает жизнеспособность неопластической клетки, делает ее менее чувствительной к факторам противоопухолевого иммунитета и терапевтическим воздействиям. Опухолевые клетки приобретают резистентность к апоптозу различными путями.
На сегодня установлено, что к ослаблению индукции апоптоза могут привести потеря экспрессии на поверхности клетки рецептора смерти Fas; нарушения проведения апоптогенного сигнала к митохондриям и ингибирование проницаемости митохондриальной мембраны для цитохрома С; блокирование активации и/или резкое уменьшение времени жизни казнящих каспаз.
Очевидно, наряду с белками, включающими апоптоз, есть белки, препятствующие ему, и между теми и другими существует тонкий баланс. Гены, способствующие апоптозу, относятся к генам-супрессорам (кроме р53, ВАХ, PML и др.). Гены, блокирующие работу этого защитного механизма - к протоонкогенам (BCL1, BCL2 и др.).
Последние при их активации нейтрализуют апоптозную активность и будут резко увеличивать появление постоянно пролиферирующих мутантных клеточных клонов, а, следовательно, и вероятность последующего развития из них злокачественных опухолей.
Считается, что соотношение количества различных форм онкобелков группы BCL и р53 определяет реостат жизни и смерти клетки. В связи с этим следует заметить, что вследствие существования механизма апоптоза принципиально невозможно достигнуть бессмертия организма.
С течением времени наступает атрофия клеток органов, регуляторов жизнедеятельности организма и развивается ряд заболеваний, которые объединяют общим названием -