Помощь по Теле2, тарифы, вопросы

В процессе появления многоклеточных живых организмов понадобились механизмы регуляции правильного роста и развития, одним из таких регуляторов является апоптоз.

Апоптоз – это форма запрограммированной гибели клетки, которая проявляется в уменьшении размера клетки, фрагментации и конденсации хроматина, уплотнении мембран (наружной и цитоплазматической) без вытекания содержимого клетки в окружающую ее среду.

Процесс является двухфазным:

1. Первая фаза получила название латентной и основана на проведении сигналов апоптоза. Другими словами - «фаза решения проблем». В зависимости от характера действия раздражителей ее можно разделить на 2 типа:

а) повреждение ДНК посредством воздействий токсинов, радиации и других факторов;

б) активация рецепторов "регион клеточной смерти" (РКС).

«Регион клеточной смерти» - это рецепторы на мембранах всех клеток, которые воспринимают стимулы для активации апоптоза. Если количество активированных рецепторов увеличивается, то возрастает и количество физиологически гибнущих клеток. К наиболее изученным РКС относят CD95 (Fas, Apo1), TNFR1 (p55, CD120a), а также CAR1, D3, DR4, DR5 и др. Этот процесс не сопровождается повреждением ДНК.

2. Вторая фаза получила название «эффекторная», потому что в ней происходит разрушение клеточных ультраструктур. Основными исполнителями эффекторной фазы являются эндонуклеазы, цистеиновые протеазы (каспазы), лизосомальные и сериновые протеазы .

Farber E. (1994) предложил классификацию запрограммированной клеточной гибели (ЗКГ):

Запрограммированная онтогенетическая гибель клеток - это гибель, которая происходит в ходе нормального развития и/или метаморфоза клеток.

Запрограммированная физиологическая гибель дифференцированных клеток зрелых организмов в ходе деструкции гиперплазированных тканей в результате экзогенных и эндогенных повреждений органов и тканей. Она проявляет себя тогда, когда необходимо восстановление клеточного состава.

Запрограммированная биохимическая клеточная гибель после действия патоагентов разного происхождения. Этот тип смерти не физиологический, так как он представляет собой ответную реакцию организма (активную или пассивную) на повреждающий агент.

В основе всех форм ЗКГ лежит генетически определенная программа клеточной гибели. Это подтверждается участием многих генов в основе этой программы на уровне клетки и наличием специфических генов, которые контролируют этот процесс.

Существует несколько регуляторов апоптоза, одним из них происходит при участии цитокинов. Цитокины – это белки посредством которых происходит связь со специфическими рецепторами на клетках-мишенях и происходит регуляция их дифференцировки и пролиферации. Процесс апоптоза запускается в момент приближения специфического рецептора к его лиганду – экстрацеллюлярному белку смерти (TNF-a, FasL, TRAIL, Apo-3L). Наиболее изучен FasL лиганд, который обычно прикрепляется на активированные Т-лимфоциты и NK-клетки при взаимодействии со специфическими рецепторами APO1/CD95/Fas клетки. В тестикулах и тканях глаза FasL обеспечивает защиту от аутоиммунного повреждения собственных клеток. Принцип действия сводится к тому, чтобы активировать специфическую протеазу – каспазу 8, которая в свою очередь запускает процесс ЗКГ . Альтернативным путем является митохондриальный путь активации апоптоза при участии белков семейства Bcl-2. Этот путь апоптоза начинается с повреждения ДНК или действия на клетку токсических агентов. Ключевым событием это пути является повышение проницаемости наружной мембраны митохондрий, которое характеризуется выходом апоптогенных белков (цитохром С, прокаспаза -2,-3, и -9, AIF (фактор индуцирующий апоптоз) из межмембранного пространства в цитоплазму клетки за счёт разрыва митохондриальной мембраны или открытия высокопроницаемых каналов на внешней мембране митохондрий.

Важнейшим “рецептором” повреждения ДНК является так называемый «страж генома» - белок p53. Обычно этот белок находится в неактивном состоянии и активируется вследствие гипоксии, активации онкогенов, повреждения ДНК или воздействия других цитотоксических агентов. Роль гена в процессе ЗКГ очень важна, так как причиной развития 50 % опухолей является мутация гена p53. Регуляция апоптоза белком p53 происходит несколькими способами: активация генов Bax или Bid; активация образования свободных форм кислорода, что приводит к перекисному окислению, которое приводит к высвобождению цитохрома С из митохондрий; индуция мРНК Fas, а также выход Fas на поверхность клетки из аппарата Гольджи; стимуляция образования APAF-1; стимуляция экспрессии каспазы 6; переход части молекул самого гена p53 в митохондрии с последующим выходом цитохрома C .

Существенным механизмом апоптоза является синтез и активация проапоптических соединений семейства Bcl-2. Впервые белок семейства Bcl-2 описанные как онкоген при В-клеточной лимфоме, который привел к образованию опухолевого клона за счет увеличения выживаемости опухолевых клеток. . В настоящее время семейство Bcl-2 включает в себя группу белков со сходными морфологическими составами и делится на две группы: индукторы апоптоза и ингибиторы апоптоза. Решение о гибели клетки принимается на основании относительного преобладания активных супрессоров или промоторов апоптоза. Механизм действия основывается на действии проапоптических белков семейства Bcl-2, которые образуют временные мегаканалы на месте физиологических (для Ca2+, O2, Na+/К+), через которые начинает поступать цитохром С и другие факторы апоптоза. Цитохром С необходим для образования апоптосомы, в которой активируется каспаза 9.

Существует еще другой, стрессовый, путь апоптоза, который активирует каспазу 9 через комплекс Apaf-1 (апоптический протеаза-активирующий фактор). Конформационные изменения Apaf-1, индуцированные цитохромом С из поврежденных митохондрий и АТФ, позволяют привлечь профактор каспазы 9 через их общий домен. Каспаза 9 апоптосомы, в свою очередь, вызывает активацию эффекторных К(3,7), которые инициируют интенсивный протеолиз и высвобождают связанную ДНКазу, разрушающую хроматин. Особо следует отметить роль белка Bid, который является связующим звеном между двумя путями апоптоза – митохондриальный и путем «рецепторов смерти» (воздействие К8) .

В настоящее время изучение процесса апоптической гибели клетки имеет огромный интерес в медицине. Нарушение процессов физиологической смерти играет немаловажную роль в развитии патологических состояний, в том числе онкологических и аутоиммунных заболеваниях .

В настоящее время известно множество заболеваний, связанных с усилением апоптоза: фолликулярная лимфома, рак половой системы у женщин и мужчин (яичники, предстательная железа), гломерулонефрит, вирусные инфекции (аденовирус, вирус герпеса, поксвирус). А так же заболевания связанные с ингибированием процессов апоптоза: СПИД, нейродегенеративные заболевания (Альцгеймера, Паркинсона), токсические заболевания печени, мозжечковые дегенерации и т.д

Изучение механизмов апоптоза дает нам представления о развитии некоторых заболеваниях, их течении. Уже сейчас мы можем использовать эти знания для предотвращения заболеваний на различных стадиях патогенеза (коррекция и регуляция).

Апоптоз является очень важным процессом в онтогенезе каждого живого организма. Этот процесс позволяет поддерживать внутренний гомеостаз, контролировать правильный рост и развитие организма, без механизма апоптоза в нашем организме был бы хаос, многочисленность генетических изменений, беспорядочное деление клеток.

Список литературы:

1. Владимирская Е.Б. Механизмы апоптической смерти клеток / Е.Б. Владимирская// Гематология и трансфузиология. – 2002. – Т.47, №2, - С. 35 - 40.

2. Робинсон М.В. Апоптоз клеток иммунной системы / М.В.Робинсон, М.А. Труфакин// Успехи современной биологии. – 1991. –Т.3 вып. 2. – С. 246 – 259.

3. Adams J.M. Ways of dying: multiple pathways to apoptosis / J.M. Adams // Genes and Development/ - 2003. – N 17. – P. 2481 – 2495.

4. Itoh K. Central role of mitochondria and p53 in Fas-mediated apoptosis of rheumatoid synovial fibroblasts / K. Itoh, H. Hase, H. Kojima et al. // Reumatology. – 2004. – N 43. – P.277-285.

5.& Newton K. Caspases signal not only apoptosis but also antigen-induced activation in cells of the immune system / K. Newton, A. Strasser// Genes and Development. – 2003. – Vol.17, N7. – P.819 – 825.

Существует множество определений понятия "апоптоз":
- явление программируемой клеточной смерти, сопровождаемой набором характерных цитологических признаков (маркеров апоптоза) и молекулярных процессов, имеющих различия у одноклеточных и многоклеточных организмов (т.е. изменений в строении и функционировании клетки, характерных для апоптоза).
- форма гибели клетки, проявляющаяся в уменьшении ее размера, конденсации (уплотнении) и фрагментации хроматина, уплотнении наружной и цитоплазматической мембран без выхода содержимого клетки в окружающую среду.
Суть апоптоза заключается в том, что это программируемая клеточная гибель, т.е. существуют определенные механизмы, в результате реализации которых клетка сама завершает свое существование.

В многоклеточном организме апоптоз ом гибнут клетки в процессе эмбриогенеза, Т-клетки в процессе дифференцировки в тимусе, клетки, зараженные вирусами, измененные клетки (при недостаточной интенсивности апоптотических процессов развиваются онкологические заболевания) и мн. др.Основное биологическое назначение апоптоз а состоит в том, чтобы в процессе эмбрионального морфонегеза создавать органы и ткани с эволюционно закрепленными конфигурациями и размерами и затем поддерживать эти параметры с допустимыми допусками в течение жизни.

Важнейшим проявлением этой функции апоптоз а после окончания развития человека и других млекопитающих является его участие в процессе физиологической регенерации (обновления) клеток разных тканей и органов и поддержании клеточного гомеостаза. Регенерации в разной степени выраженности на протяжении всей жизни подвержены практически все клетки нашего организма. Особенно интенсивно клеточное обновление протекает в клетках эпителия, соприкасающихся с внешней средой, кожи, желудочно-кишечного тракта, мочеполовой и легочной систем, а также в клетках крови, иммунной системы.

Важна роль и в процессах отторжения чужеродных органов и тканей при их трансплантации.

Другой важнейшей функцией апоптоз а является контроль за внутренней средой клетки, в том числе клеточного ядра с его содержимым. Правда, сейчас показано, что апоптоз может протекать и в клетках, лишенных ядра. При возникновении в клетке нарушений, превышающие допустимые пределы, клетка подвергается самоуничтожению. Апоптоз возникает при действии различных повреждающих факторов, которые способны вызвать некроз, но действующих в небольших дозах, например, при действии высокой температуры, ионизирующего излучения, противоопухолевых препаратов.

Апоптоз принимает активное участие в ряде физиологических и патологических процессов. Например, при гормон-зависимой инволюции органов у взрослых, в частности, отторжение эндометрия во время менструального цикла, атрезии (заращении) фолликулов в яичниках в менопаузе и регрессии (обратном развитии) молочной железы после прекращения лактации.

Велика роль апоптоз а и при патологической атрофии гормон-зависимых органов, например, атрофии предстательной железы после кастрации и истощении лимфоцитов в тимусе при терапии глюкокортикоидами. Или патологической атрофии паренхиматозных органов после обтурации (закупорки) выводных протоков, что наблюдается в поджелудочной и слюнных железах, почках. Гибель клеток в процессе атрофии наблюдается и в коре надпочечников при воздействии глюкокортикоидов или при атрофии эндокрин-зависимых тканей.

Во многих случаях острого или хронического ишемического либо токсического воздействия гибель клеток происходит через апоптоз . Такая картина наблюдается при инсульте, инфаркте не только миокарда, но и в почках, при диабете, отдельных формах нефрита, нейродегенеративных заболеваниях, таких как болезнь Альцгеймера и Паркинсона. В патогенезе токсических повреждений печени, поджелудочной железы и почек активация апоптоз а также имеет важное значение.

Формы клеточной гибели, их различия

Существует две формы гибели клетки - некроз и апоптоз .
Некроз - это патологический процесс, выражающийся в местной гибели ткани в живом организме в результате какого-либо экзо- (внешнего) или эндогенного (внутреннего) ее повреждения. Некроз проявляется в набухании, денатурации и коагуляции (слипании) цитоплазматических белков, разрушении клеточных органелл и, наконец, всей клетки.
Главное отличие некроза и апоптоз а состоит в том, что апоптоз - это программируемая гибель клетки, а некроз - это патологический процесс, запускающийся в ответ на какое-либо повреждающее воздействие (инфекция, химическое воздействие, облучение, недостаточное кровоснабжение и т.д.).

В процессе апоптоз а в клетке задействованы сложные молекулярные каскады, в результате реализации которых происходит сморщивание цитоплазматической мембраны, уменьшение объёма клетки, разрывы нитей ядерной ДНК, конденсация хроматина по периферии ядра, последующий распад ядра на части, фрагментация клеток на везикулы (пузырьки) с внутриклеточным содержимым - апоптотические тельца, которые захватываются соседними клетками, могут и фагоцитами, как в случае некроза. Выброса клеточного содержимого не происходит, воспаления не возникает.

При некрозе, наоборот, происходит выход лизосомальных ферментов из лизосом, которые и переваривают содержимое клетки, клетка набухает и лопается. Содержимое клетки выбрасывается во внеклеточную среду, где поглощается фагоцитами, развивается воспаление.
Апоптоз- это физиологический процесс, некроз- патологический.
Существуют и другие формы программируемой гибели, например, аутофагия . Процесс аутофагии заключается в том, что органеллы соединяются с лизосомами, где перевариваются лизосомальными ферментами. Затем остатки клетки поглощают макрофаги .

а) - Кинетическая модель баланса апоптоз а и аутофагии. Одно из летальных воздействий активирует в клетке программу и клетка "решает умереть". Если достаточно апоптотических эффекторов (молекул, задействованных в процессе апоптоз а), то апоптоз является единственным ответом большинства клеток на летальное воздействие. Подавление апоптотических эффекторов запускает альтернативный путь- аутофагию.
b) - Ингибиторная модель. Когда летальное воздействие активирует BAX/BAK- зависимый митохондриальный внемембранный путь (BAX/BAK-dependent mitochondrial outer-membrane permeabilization pathway) запускается апоптоз . BAX/BAK, так же как и каспазы, является активным ингибитором BCL2/BCL-XL, облегчающего аутофагию. Активный апоптоз подавляет аутофагию.

3D модель апоптоза

Апоптоз под микроскопом

Механизмы апоптоза

Механизмы апоптоз а сложны и многообразны, представляют собой сложнейший молекулярный каскад, изучением которого занимаются многие и многие лаборатории по всему миру. Несомненная важность этих исследований в аспекте онкологии и геронтологии доказана успехами терапии онкологических заболеваний индукторами апоптоз а раковых клеток. Так каковы же механизмы. Поговорим об этом по-подробнее.

Первый этап - смертельный приказ

С чего же начинается этот сложный процесс? С того, что клетка получает "приказ умереть", ее гибель необходима для дальнейшей жизнедеятельности организма. Это происходит с помощью сигналов из внеклеточной среды, которые клетка воспринимает с помощью своего рецепторного аппарата. Иногда сигналом для начала апоптоз а может быть и отсутствие необходимого сигнала.
В результате контакта сигнальных молекул с наружной частью белка-рецептора этот рецептор претерпевает структурные изменения. Структурная перестройка захватывает и внутриклеточную часть молекулы рецептора. Она может либо обладать определенной ферментативной активностью сама, либо быть тесно связана с некоторыми клеточными ферментами. Изменение активности рецепторной молекулы приводит к активации фермента.
Часто речь идет об изменении концентрации ионов кальция, а также некоторых относительно мелких фосфорсодержащих органических соединений, относящихся к классу нуклеотидов.
Активные соединения появляются и в результате гидролиза определенных липидов клеточной мембраны. В свою очередь, все это ведет к присоединению или отсоединению остатков фосфата от молекул белковых регуляторов (фосфорилирование), способных влиять на генетический аппарат клетки.
Фосфорилирование и дефосфорилирование (отщепление остатка фосфорной кислоты), а также некоторые другие биохимические модификации меняют активность этих регуляторов.

Рецепторы, воспринимающие "летальный сигнал"

Известны два структурно гомологичных рецептора TNF , р55 и р75 (TNF-RI и TNF-RII , соответственно), относящиеся к трансмембранным белкам I типа. Кроме этого задействованы "рецепторы смерти" CD95 . Рецепторы CD95 и рецепторы TNF принадлежат к растущему суперсемейству рецепторов, имеющих гомологию в экстраклеточных доменах. Семейство включает в себя также рецептор фактора роста нервов, В-клеточный антиген CD40 , маркер активации Т-лимфоцитов CD27 и некоторые гомологичные белки млекопитающих и вирусов.
CD95 и TNF-R1 имеют дополнительную гомологичную последовательность во внутриклеточной части молекул. Этот трансдукции цитотоксического (повреждающего клетку) сигнала. Цитоплазматический С-конец CD95 содержит также "домен спасения" , удаление которого усиливает цитотоксическую активность рецептора.

TNF и лиганд CD95 (CD95-L) являются трансмембранными белками второго типа с внеклеточным С-концевым, внутриклеточным N-концевым и одним трансмембранным элементами, но они могут функционировать и в растворимой, "слущенной" с мембраны форме. И CD95-L, и TNF связываются с соответствующим рецепторами в виде тримера, "сшивают" 3 молекулы рецептора, что активирует его для передачи проапоптотического сигнала.
Интенсивные исследования сигнальных механизмов апоптоз а, индуцированного антителами к CD95/CD95-L и TNF, привели к значительному прогрессу в двух направлениях - идентификация белков, взаимодействующих с CD95 и TNF-R1, и выяснение участия в процессе вторичного мессенджера церамида.
"Домен смерти" TNF-R1 взаимодействует также с серин/треониновой протеинкиназой и фосфорилируется этим ферментом. 30 С-концевых аминокислотных остатков ингибируют связывание рецептора с протеинкиназой. Роль этих событий в передаче цитотоксического сигнала неясна. Недавно описана тирозиновая фосфатаза, FAP-1 , взаимодействующая с 15 С-концевыми аминокислотами CD95, "доменом спасения". Гиперэкспрессия FAP-1 подавляет апоптоз , опосредованный CD95.
Описанные белки участвуют, по-видимому, в начальных этапах передачи сигнала. Другая группа данных свидетельствует о том, что и CD95-L или антитела к CD95, и TNF активируют сфингомиелиновый путь передачи.
Поздние этапы клеточной гибели, индуцированной через CD95 и TNF-R1, таковы же, как при классическом апоптоз е. Гибель клеток может быть предотвращена crmA , что указывает на участие ICE-подобных протеаз. Bcl-2 подавляет апоптоз , индуцированный через CD95 и TNF-R1, по крайней мере на некоторых клеточных линиях.

Участие FAS (CD95)

Этот путь передачи летального сигнала схематически можно изобразить следующим образом: индукторы - рецепторы - адаптеры -каспазы первого эшелона -регуляторы -каспазы второго эшелона. Так, рецептор, обозначаемый Fas, взаимодействуя с соответствующим лигандом (лигандом FasL), трансмембранным белком Т-киллера, активируется и запускает программу смерти клетки, инфицированной вирусом. Тем же путем при взаимодействии с лигандом FasL на поверхности Тh1-лимфоцитов или с антителом к Fas-рецептору погибают ставшие ненужными выздоровевшему организму В-лимфоциты, продуценты антител, несущие Fas-рецептор. FasL– лиганд, относящийся к многочисленному семейству фактора некроза опухолей TNF. Это семейство гомотримерных лигандов (т.е. биологически активных веществ (белков), состоящих из 3 одинаковых доменов (частей), кроме FasL и TNFa , включает TNFb (лимфотоксин).

Fas – член семейства рецепторов TNF. Как говорилось выше, все они представлены трансмембранными белками, которые внеклеточными участками взаимодействуют с тримерами лигандов-индукторов. Взаимодействие рецептора и лиганда приводит к образованию кластеров рецепторных молекул и связыванию их внутриклеточных участков с адаптерами. Адаптер, связавшись с рецептором, вступает во взаимодействие с эффекторами, пока еще неактивными предшественниками протеаз из семейства каспаз первого эшелона (инициирующих каспаз).
Взаимодействие адаптера с рецептором и эффектором осуществляется через гомофильные белок-белковые взаимодействия небольших доменов: DD (death domain – домен смерти), DED (death-effector domain – домен эффектора смерти), CARD (– домен активации и рекрутирования каспазы). Все они имеют сходную структуру, содержат по шесть a-спиральных участков. Домены DD(домен смерти) участвуют во взаимодействии рецептора Fas c адаптером FADD (Fas-associated DD-protein). Домены DED участвуют во взаимодействии адаптера FADD с прокаспазами 8 и 10.

Наиболее подробно охарактеризована прокаспаза-8, рекрутируемая рецептором Fas через адаптeр FADD. Образуются агрегаты FasL – Fas – FADD – прокаспаза-8. Подобные агрегаты, в которых происходит активация каспаз, названы апоптосомами , апоптоз ными шаперонами , или сигнальными комплексами, индуцирующими смерть .
Прокаспазы обладают незначительной протеолитической активностью, составляющей 1–2% активности зрелой каспазы. Будучи в мономерной форме, прокаспазы, концентрация которых в клетке ничтожна, находятся в латентном состоянии. Предполагается, что пространственное сближение молекул прокaспаз при их агрегации ведет к образованию активных каспаз через механизм протеолитического само- и перекрестного расщепления (ауто- или транс-процессинга)]. В результате от прокаспазы (молекулярная масса 30–50 кДа) отделяется регуляторный N-концевой домен (продомен), а оставшаяся часть молекулы разделяется на большую (~20 кДа) и малую (~10 кДа) субъединицы (рис. 3). Затем происходит ассоциация большой и малой субъединиц. Два гетеродимера образуют тетрамер с двумя каталитическими участками, действующими независимо друг от друга. Таким образом прокаспаза-8 активируется и высвобождается в цитоплазму в виде каспазы-8. Существуют другие пути активации каспазы-8 – с участием рецепторов TNFR1 и DR3.
На этапе активации каспаз первого эшелона жизнь клетки еще можно сохранить. Существуют регуляторы, которые блокируют или, напротив, усиливают разрушительное действие каспаз первого эшелона. К ним относятся белки Bcl-2 (ингибиторы апоптоз а: A1, Bcl-2, Bcl-W, Bcl-XL, Brag-1, Mcl-1 и NR13) и Bax (промоторы апоптоз а: Bad, Bak, Bax, Bcl-XS, Bid, Bik, Bim, Hrk, Mtd). Эти белки эволюционно консервативны: гомолог Bcl-2 обнаружен даже у губок, у которых апоптоз необходим для морфогенеза.
Каспаза-8 активирует каспазу второго эшелона (эффекторную каспазу): путем протеолиза из прокаспазы-3 образуется каспаза-3, после чего процесс, запущенный программой смерти, оказывается необратимым.
Каспаза-3 способна в дальнейшем к самостоятельной активации (автокатализу или автопроцессингу), активирует ряд других протеаз семейства каспаз, активирует фактор фрагментации ДНК, ведет к необратимому распаду ДНК на нуклеосомальные фрагменты. Так запускается каскад протеолитических ферментов, осуществляющих апоптоз.

tagPlaceholder Тэги: наука

Наши клетки — склонны к самоубийству

Более того, они могут покончить с собой по малейшему поводу: перегрев, радиационное облучение, гипоксия... У них даже есть свои антидепрессанты!

Клетки всё время получают сигнал от других клеток: «живи-живи-живи» и прерывание его сразу приводит к смерти.
Но иногда от «соседей» поступает совсем другое послание.

Клетки внимательно следят друг за другом, и при неадекватном поведении посылают сигнал апоптоза — запрограммированной смерти.

Биологическая клетка — это сложный и крайне интересный объект, по сути своей она является целым организмом, который рождается, дышит, питается, размножается и умирает.

Но это не удивительно, ведь огромная часть живых существ на нашей планете состоят только из одной клетки.

Стоит отличать апоптоз от некроза, который является гибелью клеток в результате травмы и повреждения.

Основное отличие — при апоптозе, которые не происходит случайно, из остатков клеток образуются апоптические тела, которые поедаются вызванными для этого фагоцитами, что препятствует воспалению и отравлению соседних клеток, а при некрозе происходит отмирание клеток и целых тканей, сопровождающееся сильным воспалением.

Интересный факт, что термин «апоптоз» означал опадание лепестков и листьев у растений (др.-греч. ἀπόπτωσις — опадание листьев).

Условно можно выделить три стадии апоптоза: инициация или получение сигнала, эффекторная стадия, в которой запускаются процессы деградации и, собственно, процесс разрушения и деградация — формирование апоптических тел с последующим поеданием макрофагами.

Выделяют 2 пути инициации: митохондриальный и внешний сигнал

Митохондрии — энергетические станции нашего организма, там собственно и происходит процесс клеточного дыхания с превращением кислорода в воду.

В школьных учебниках митохондрии изображались как такие вытянутые овалы разбросанные по всех клетке. Но это не совсем так.

Если посмотреть на срез клетки, то вы действительно увидите такую картину, но при трехмерной реконструкции клеток по этим тонким срезам ученые обнаружили, что митохондирия в клетке всего одна, но она имеет сложную изогнутую структуру, поэтому на срезах мы видим различные ее выросты.

Митохондрии окружены двумя клеточными мембранами и между ними находятся белки апоптоза или апоптические белки, которые вырываются на свободу при разрыве внешней мембраны или формировании в ней пор.

Собственно это и является ключевой фазой начала апоптоза.

Освободившиеся белки через ряд биохимических реакций активируют каспазы — ферменты, которые разрушают другие белки.

Каспазы начинаю крушить все вокруг себя, разрушая все основные клеточные структуры.

В процессе разрушения митохондриальной мембраны не только высвобождаются белки, но и вода начинает активно поступать в митохондрию, вызывая ее разбухание.

Второй путь начала апоптоза — сигнальный.

На поверхности клеток есть рецепторы клеточной гибели, специальные лиганды, продуцируемые другими клетками (части это бывают активированные макрофаги, которые позже и подъедают остатки), связываются с этими лигандами и активируют их.

Рецепторы представляют собой большую молекулу, которая сидит в клеточной мембране и выступает с обоих сторон: внутрь клетки и наружу.

С наружной стороны садится лиганд и по всему рецептору передается сигнал на внутреннюю сторону.

На второй стадии апоптоза — эффекторной, уже не так важно как клетка получила сигнал.

На этой стадии внутри начинается настоящий апокалипсис и главную роль в нем играют каспазы

Второй важный элемент этой стадии — флавопротеин AIF, который выходит из митохондрий и активируют эндонуклеазы — белки, которые разрушают ДНК клетки.

Фактически, после этой стации клетка представляет собой город после ядерной бомбежки.

Во время разрушения митохондриальной мембраны также высвобождается весь энергетический комплекс, который провоцируют образование активных форм кислорода внутри клетки.

Свободные радикалы запускают цепные реакции, которые способствуют разрушению содержимого клетки.

В этот момент их уже нельзя сдержать антиоксидантами.

После этого начинается третья и последняя стадия — деградация.

Клетка теряет свою форму и сжимается из-за разрушения клеточного скелета.

Вокруг умирающей клетки уже дежурят макрофаги, готовые набросится на останки.

В процессе клетки, на поверхности мембраны появляются сигнальные белки, которые привлекают голодных макрофагов и вот, они уже поглощают останки погибшего сородича.

Но и у клеток есть антидепрессанты, которые держат эти процессы под контролем не давая среагировать на малейший стресс — это ингибиторы апоптических белков.

Но, как только мембрана митохондрий начинает выпускать предшественников апокалипсиса, на волю вырывается и белок SMAC, который деактивируют эти ингибиторы и они становятся бесполезны.

После этой стадии апоптоз уже сложно остановить.

Не стоит думать, что апоптоз — исключительно мрачно-негативное явление нашего организма.

С помощью апоптоза поддерживается правильное количество и соотношение различных клеток в организме

Апоптоз играет далеко не последнюю роль в нашем развитии: например, разделение пальцев на руках и ногах является следствием запрограммированной гибели клеток.

При прорезании зубов у детей еще до того, как появится зуб, начинается процесс гибели клеток десны, чтобы зубу было легко выйти.

Хвост у головастиков также не отваливается с появлением ног, а деградирует с помощью того же явления.

Апоптоз незаменим при предотвращении развития раковых опухолей.

Во время нашей обычной жизни огромное количество клеток в организме претерпевают патологические изменения и перерождаются в потенциально раковые клетки.

Соседние клетки, как и бабушки на скамейки около подъезда, внимательно следят за своими соседями и при неадекватном поведении посылают клетке сигнал апоптоза еще до того, как она размножится и станет опасна.

Собственно по этой причине за последние 20 лет сильно возрос интерес к апоптозу, как средству для предотвращения и борьбы со злокачественными опухолями.

Запрограммированная гибель клеток – неотъемлемый процесс жизнедеятельности любого организма. При нарушении этого процесса развивается ряд тяжелых заболеваний.

Что такое апоптоз?

Апоптоз – клеточная смерть, наступающая в результате запрограммированных процессов, протекающих в клетке на молекулярном уровне. При апоптозе клетка делится на несколько частей, окруженных клеточной мембраной, после чего клеточные фрагменты в течение нескольких минут (обычно, до 90 минут) перевариваются специальными клетками макрофагами.

Явление запрограммированной гибели клеток свойственно всем живым существам, в том числе и человеку. Ежедневно в организме человека погибает несколько десятков миллиардов клеток. Уничтоженные клетки в дальнейшем замещаются новыми клетками, образованными за счет клеточного деления (митоза).

Какова роль апоптоза?

Самоликвидация ненужных организму клеток – чрезвычайно важный процесс для нормальной жизнедеятельности любого организма. Одной из главных функций апоптоза явялется поддержание постоянства клеточной популяции. При образовании новой клеточной популяции (например, некоторых иммунных клеток) нужно учесть, что ряд клеток будут обязательно дефектными. То есть организму необходимо провести клеточную селекцию для сохранения только тез клеток, которые в полной мере будут справляться со своими функциями. В остальных же, дефектных клетках, запускает программа самоуничтожения.

Апоптоз также играет важную роль при заражении инфекционными агентами, в частности вирусными. При попадании в клетку вирус начинает усиленно размножаться, после чего клетка разрывается и миллионы вирусных частиц атакуют уже другие клетки. В ходе эволюции живые организмы научились бороться с таким явлением. Так ряд вирусов вызывают в клетке ряд изменений, которые воспринимаются, как сигнал к самоликвидации. Таким образом, уничтожив инфицированную клетку, организм не дает возможности распространиться вирусу.

Когда апоптоз не работает

В регуляции апоптоза задействовано множество молекулярных процессов, слаженное действие которых приводит к гибели «не угодных» организму клеток. Однако в силу определенных причин, до конца еще не ясных, происходит нарушение апоптозной регуляции. К сбою в системе может привести недостаточный синтез апоптозных белков и ферментов, а также воздействие специфических веществ, приводящих к снижению апоптозной активности клетки.

На сегодняшний день известно, что одним из регуляторов апоптоза выступает белок р53. При наличии в клетке ряда дефектов, в частности поломок генетического материала, белок р53 запускает цепочку молекулярных процессов, приводящих к развитию апоптоза. Мутация белка р53 приводит к невозможности выполнения его основной функции – запуска клеточной гибели.

Предотвратить запрограммированную гибель клеток могут и вирусы. Например, в генетическом материале некоторых вирусов могут быть закодированы специфические белки, тормозящие апоптоз клетки. В других случаях вирусная инфекция стимулирует выработку противоапоптозных белков самой клетки. Таким образом, вирус выключает программу апоптоза клетки и может бесконтрольно размножаться.

Выделяют несколько вариантов нарушения апоптоза:

• Чрезмерный апоптоз – патологические явление, приводящее к чрезмерной гибели клеточной популяции. Наблюдается такое явление при ВИЧ-инфекции, некоторых формах гепатита, хронической ишемии миокарда, нейродегенеративных и других заболеваниях.
• Недостаточный апоптоз, при котором количество умирающих клеток явно меньше, чем количество вновь образованных.
• Незавершенный апоптоз, при котором не происходит уничтожения апоптозных фрагментов клетками иммунной системы.

К чему приводит нарушение апоптоза?

Активированный протеин C может препятствовать апоптозу

Регуляция процессов программируемой гибели клеток может стать ключом к созданию нового эффективного средства для лечения инсульта.

Американские ученые успешно испытали на мышах вещество, уже нашедшее применение в

На сегодняшний день известно, что нарушение регуляции апоптоза может привести к ряду иммунологических и опухолевых заболеваний. В нормальных условиях в организме человека проходит жесткая селекция новообразованных иммунных клеток, так как некоторые из них могут обладать реактивностью по отношению к собственным клеткам организма. Если нарушается процесс самоуничтожения таких иммунных клеток, то развиваются заболевания.

Нарушение регуляции апоптоза клеточных популяций приводит к развитию ряда опухолевых процессов. В частности, доказан тот факт, что мутация белка р53 или нарушение его синтеза в организме может привести к развитию гормон-зависимой карциномы молочной железы, яичников и предстательной железы. Подобные нарушения также выявлены и при развитии лимфом.

Возможность воздействия на апоптозную систему явялется одним из направлений в поиске лекарственных средств от рака. Однако в некоторых случаях стимуляция апоптозной активности, наоборот – губительна для организма. В этой связи ученые и медики активно изучают природу данного явления, надеясь в будущем получить инструмент, с помощью которого можно было бы управлять апоптозом.

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.