Апоптоз клеток

Апоптоз клеток

Некроз: определение понятия и его виды. Причины развития некроза и его исходы. Апоптоз, сущность и биологическое значение. Общая смерть, ее стадии и морфологические признаки.

Некрозом называется гибель клеток в живом организме с полным прекращением их функции. Некроз может возникать при действии сверхсильного, чрезвычайного раздражителя (и тогда некроз развивается немедленно) или при действии относительного слабого раздражителя, но продолжительного по времени (обратимая дистрофия — необратимая дистрофия — некроз; необратимая атрофия — некроз). В большинстве случаев некроз развивается постепенно, в результате необратимых дистрофических или атрофических изменений. При этом выделяют следующие морфогенетические стадии процесса: паранекроз (еще обратимые изменения) — некробиоз (необратимые изменения, но еще жизнь) — некроз — аутолиз. Аутолиз — самопереваривание погибших клеток и тканей с помощью ферментов распадающихся лизосом. Является совершенно необходимым процессом, способствующим заживлению тканей в месте развития некроза.

Некроз имеет место не только в патологии, но и в норме (естественная гибель и отторжение эпителия кожи, эпителия кишечника, гибель стареющих эритроцитов).

Одним из вариантов некроза является АПОПТОЗ. Апоптоз – это вид некроза, причиной развития которого является активация в ядре клетки специальных генов апоптоза. То есть апоптоз – это своего рода запрограммированная смерть клетки, активный процесс самоубийства клетки. Включение апоптотических генов происходит при активации особого цитоплазматического белка р53, он же может активироваться разнообразными факторами внеклеточной среды: действие гормонов (напр., глюкокортикоиды вызывают апоптоз кортикальных лимфоцитов вилочковой железы, апоптоз лимфоцитов реактивных центров фолликулов лимфоузлов и селезенки), действие цитокинов (напр., фактор некроза опухоли), радиация, некоторые химиопрепараты (часть из них — производные ретиноловой кислоты). Важно отметить, что мощным стимулирующим апоптоз Т-хелперов действием обладают вирусы ВИЧ-инфекции. Активация апоптотических генов может происходить и спонтанно, в результате определенных мутационных перестроек генов.

Обычный некроз и апоптоз имеют ряд важных отличий: — при обычном некрозе повреждение клетки, как правило, начинается с цитоплазмы, поскольку повреждающий агент действует извне, повреждение и распад ядра происходит в последнюю очередь; — при апоптозе процесс гибели начинается сразу с ядра, при этом стимуляция апоптотических генов приводит к активации ядерных эндонуклеаз, которые и разрушают ДНК ядра. Гибель цитоплазмы происходит позднее, после фагоцитоза погибшей клетки макрофагами.

Некроз, особенно при патологических процессах, имеет вид крупноочагового процесса и поэтому в ответ на некроз обычно развивается воспалительная реакция с последующим склерозом и организацией. Апоптоз же представляет собой гибель клеток, рассеянных по органу или ткани, ввиду чего воспаление в ответ на апоптоз не развивается, а элиминация погибших клеток обеспечивается фагоцитозом макрофагами (гистиоцитами), расположенными поблизости. К тому же выделения цитоплазматических цитокинов из апоптотически погибающей клетки в окружающую среду не происходит, и поэтому нет стимула для развития воспалительной реакции.

Апоптоз имеет огромное значение в морфообразовательных процессах в эмбриогенезе (пятипалость руки, гибель провизорных органов — желточный мешок, первичная почка, очаги эмбрионального кроветворения в селезенке и в последующем в печени). Постепенно развивающаяся гибель эритроцитов с потерей ядра на уровне нормобластов — также пример апоптической гибели клетки.

Колоссальное значение имеет апоптоз в противоопухолевой резистентности организма. Установлено, что опухолевые клетки в невосприимчивом к ним организме погибают путем апоптоза, который активируется специальным цитокином — фактором некроза опухоли (ФНО). Отсюда происходят попытки терапии опухолей путем искусственной стимуляции в них апоптоза дозированным облучением или путем воздействия некоторыми химиопрепаратами. Напротив, развитие опухоли связывают с репрессией генов апоптоза.

Выделяют понятия прямого и непрямого некроза. ПРЯМОЙ НЕКРОЗ — гибель клеток происходит в месте непосредственного воздействия повреждающего агента (термическая или механическая травма, повреждающее действие высоких концентраций кислот и щелочей, действие лучевой энергии, действие бактерий или их токсинов, аллергический некроз; к прямому некрозу можно отнести также и апоптоз); НЕПРЯМОЙ НЕКРОЗ — гибель клеток и тканей происходит в отдалении от непосредственного действия повреждающего агента (сосудистый, трофоневротический некроз).

У детей преобладает прямой некроз: вызванный в первую очередь микробными факторами и повреждающими агентами аллергических реакций (иммунные комплексы, аутоантитела). Ввиду того, что болезни сосудов, такие как атеросклероз, у них не встречаются, непрямой некроз для детей не характерен.

Макроскопические признаки некроза: изменение цвета пораженного участка ткани (белый, желтоватый, темно-красный или красно-коричневый, зеленоватый, черный), изменение ее консистенции (уплотнение или, наоборот, размягчение), некротизированные ткани при длительном существовании в организме могут заселяться микробами, которые разлагают погибшую ткань с выделением дурно пахнущих газов.

Микроскопические признаки некроза: на уровне светового микроскопа — кариопикноз, кариорексис, кариолизис, затем плазмокоагуляция, плазморексис, плазмолиз. Однако наиболее ранние некротические изменения выявляются на уровне электронного микроскопа и состоят они в агрегации хроматина ядра, массовом разрушении внутренних мембран клетки с появлением в митохондриях электронноплотных депозитов (отложений) солей кальция, связанных с белками, разрушении митохондрий, рибосом и лизосом.

(Биохимические основы некроза хорошо описаны в лекциях по патологической анатомии В. В. Серова).

Клинико-морфологические формы некроза: инфаркт, сухая и влажная гангрена, пролежень, секвестр.

Инфаркт — сосудистый (ишемический) некроз. Различают красный (геморрагический) инфаркт (легкие, кишечник) и белый или белый с геморрагическим венчиком (ишемический) инфаркт. Белый инфаркт встречается в головном мозге, белый с геморрагическим венчиком — в почках, миокарде. Инфаркт миокарда обычно развивается в левом желудочке сердца.

Гангрена — некроз тканей, контактирующих с внешней средой. (Морфологические отличия сухой и влажной гангрены). Разновидностью гангрены является пролежень — некроз, развивающийся в месте длительного сдавления мягких тканей извне, Например, некроз кожи, подкожной клетчатки и поверхностных мышц в области крестца и копчика вследствие сдавления этих зон при дли тельном вынужденном лежании ослабленных больных на спине, или образование пролежня на слизистой трахеи при длительном нахождении в ней интубационной трубки при искусственной вентиляции легких, пролежень слизистой уретры или мочевого пузыря при длительном нахождении в них катетера.

Секвестр — участок сухого некроза, который подвергается лишь частичному краевому аутолизу и оказывается свободно лежащим в секвестрационной полости. В последующем секвестр может выходить наружу через свищевые (секвестрационные) ходы. Наиболее часто секвестры образуются в костях при остеомиелитах, изредка в поджелудочной железе при панкреонекрозах, в легких.

В зависимости от вторичных изменений некротизированной ткани выделяют сухой (или коагуляционный) некроз и влажный (или колликвационный) некроз. Сухой некроз наблюдается в тканях, богатых белком — кожа, мышцы, в том числе миокард, творожистый (казеозный) некроз при туберкулезе, сифилисе, лепре, фибриноидный некроз стенок сосудов и соединительной ткани. Влажный некроз развивается в тканях, бедных белком, но богатых водой: жировая клетчатка, вещество головного и спинного мозга, изредка колликвационный некроз развивается в миокарде (массивный трансмуральный инфаркт миокарда), при этом мышца сердца может разорваться.

Исходы некроза.

1. Рассасывание некротизированной ткани с полной регенерацией (восстановлением) ткани. Примером могут являться бесследное заживление мелких повреждений на коже, полное заживление мелких участков некроза в печени, почках, кроветворных органах (лимфоузлы, селезенка).

2. Рассасывание с образованием рубца (напр., рубец в сердце после перенесенного инфаркта миокарда, рубцы на коже после термических или химических ожогов).

3. Рассасывание с образованием кисты (напр., образование кисты в головном мозге после перенесенного ишемического инсульта в форме инфаркта).

Рассасывание — это сложный процесс, протекающий с участием воспалительной реакции и сосудов микроциркуляторного русла. Иногда рассасывание может принять форму нагноения ткани. Это считается одним из неблагоприятных вариантов исхода некроза, так как это чревато различными осложнениями, вплоть до сепсиса.

4. Отторжение по типу слущивания и по типу мутиляции. Например, слущивание погибших эпидермальных клеток или погибшего эпителия кишечника в его просвет. Такой вариант исхода некроза является самым оптимальным, так как он не требует дополнительных затрат энергии на рассасывание.

Мутиляция (самоампутация) — отторжение некротизированных органов или частей органов. Примером мутиляции является отторжение некротизированных пальцев стоп при их сухой гангрене или лепре, отторжение некротизированного червеобразного отростка в полость брюшины при гангренозном аппендиците.

Одним из вариантов отторжения является секвестрирование — отторжение некротизированных фрагментом костной ткани через секвестрационные каналы.

5. Инкапсуляция некроза. Развивается при невозможности отторжения или рассасывания некротических масс. Примером является инкапсуляция очагов казеозного некроза при туберкулезе. Биологический смысл инкапсуляции состоит в изолировании участка некроза от окружающей здоровой ткани. Нередко в инкапсулированных очагах некроза развивается петрификация — дистрофическое обызвествление.

Для предотвращения различных осложнений и ускорения заживления тканей в хирургии широко используют иссечение некротизированных тканей. При этом сокращается время, необходимое для рассасывания некротических масс, возникающий рубец тонкий, нежный, т.е. косметический, частота гнойных осложнений резко снижается.

Общая смерть.

Общая смерть — процесс гибели всего организма. Выделяют 2 стадии этого процесса: клиническая и биологическая смерть. Клинической смерти обычно предшествуют разнообразные терминальные состояния: агония, шок, массивная кровопотеря с острой гиповолемией.

Клиническая смерть — процесс еще обратим (еще не труп), биологическая смерть — процесс необратим и умерший превращается в труп, в котором начинают происходить аутолитические изменения.

Отличия клинической и биологической смерти: остановка дыхания, сердечной деятельности и кровообращения, отсутствие зрачкового рефлекса, отсутствие ЭКГ- и ЭЭГ-импульсов. Факторы, влияющие на продолжительность клинической смерти (температура внешней среды, возраст, быстрота наступления смерти, наличие преморбида).

Патология реанимации: болезни оживленного организма, мозговая смерть (декортикация, децеребрация).

Умение максимально своевременно дифференцировать клиническую и биологическую смерть нужно для проведения эффективных реанимационных мероприятий, а также в трансплантологии для своевременного взятия органов для их пересадки реципиенту.

Морфологические признаки биологической смерти: ранние (появление ранних трупных пятен, охлаждение трупа, трупное окоченение (начинается через 2-5 часов, продолжается 2-3 суток); поздние — поздние трупные пятна, трупное высыхание слизистых оболочек (а также всего тела в виде мумификации), помутнение роговицы, трупное разложение (посмертный асептический аутолиз + гниение с участием гнилостных микробов).

Введение

апоптоз смерть старение патологический

Апоптоз — физиологическая смерть клетки, представляющая собой своеобразную генетически запрограммированную самоликвидацию. Термин «апоптоз» в переводе с греческого означает «опадающий». Авторы термина дали такое название процессу запрограммированной смерти клеток потому, что именно с ним связано осеннее опадание увядших листьев. Кроме того, само название характеризует процесс как физиологический, постепенный и абсолютно безболезненный. У животных в качестве наиболее яркого примера апоптоза, как правило, приводят исчезновение хвоста у лягушки во время метаморфозы из головастика во взрослую особь. По мере взросления лягушонка хвост полностью исчезает, поскольку его клетки подвергаются постепенному апоптозу — запрограммированной смерти, и поглощению деструктированных элементов другими клетками. Явление генетически запрограммированной гибели клеток встречается у всех эукариотов (организмов, клетки которых имеют ядро). Прокариоты же (бактерии) имеют своеобразный аналог апоптоза. Можно сказать, что данный феномен характерен для всего живого, за исключением таких особых доклеточных форм жизни, как вирусы. Апоптозу могут подвергаться как отдельные клетки (как правило, дефектные), так и целые конгломераты. Последнее особенно характерно для эмбриогенеза. К примеру, опыты исследователей доказали, что благодаря апоптозу во время эмбриогенеза исчезают перепонки между пальцами на лапках у цыплят. Ученые утверждают, что у человека такие врожденные аномалии, как сросшиеся пальцы на руках и ногах, также возникают вследствие нарушения нормального апоптоза на ранних стадиях эмбриогенеза.

История открытия

Изучение механизмов и значения генетически программируемой клеточной смерти началось еще в шестидесятых годах прошлого века. Ученых заинтересовал тот факт, что клеточный состав большинства органов на протяжении жизни организма практически одинаков, а вот жизненный цикл различных типов клеток значительно отличается. При этом происходит постоянная замена многих клеток. Таким образом, относительное постоянство клеточного состава всех организмов поддерживается динамическим равновесием двух противоположных процессов — клеточной пролиферации (деление и рост) и физиологического отмирания отживших клеток. Авторство термина принадлежит британским ученым — Дж. Керру, Э. Уайли и А. Керри, которые впервые выдвинули и обосновали концепцию о принципиальном различии физиологической смерти клеток (апоптоз), и их патологической гибели (некроз). В 2002 году ученые из кембриджской лаборатории, биологи С. Бреннер, Дж. Салстон и Р. Хорвиц, получили Нобелевскую Премию по физиологии и медицине за раскрытие основных механизмов генетической регуляции развития органов и исследования программируемой клеточной смерти. Сегодня теории апоптоза посвящены десятки тысяч научных работ, раскрывающие основные механизмы его развития на физиологическом, генетическом и биохимическом уровнях. Ведется активный поиск его регуляторов. Особенно большой интерес представляют исследования, дающие возможность практического применения регуляции апоптоза при лечении онкологических, аутоиммунных и нейродистрофических заболеваний. В организме среднестатистического взрослого человека в результате апоптоза погибает ежедневно порядка 50-70 миллиардов клеток. Для среднестатистического ребёнка в возрасте от 8 до 14 лет число клеток, погибших путём апоптоза, составляет порядка 20-30 миллиардов в день. Суммарная масса клеток, которые на протяжении 1 года жизни подвергаются разрушению, эквивалентна массе тела человека. При этом восполнение утраченных клеток обеспечивается за счёт пролиферации — увеличения клеточной популяции путём деления.

Апоптоз человеческого лейкоцита

Механизм и стадии апоптоза

При реализации апоптоза условно можно выделить четыре стадии: Это: инициация; программирование; реализация программы; удаление погибшей клетки, ее фрагментов.

Стадия инициации. На этой стадии информационные сигналы рецептируются клеткой. Патогенный агент либо сам является сигналом, либо обусловливает генерацию сигнала в клетке и его проведение к внутриклеточным регуляторным структурам и молекулам. Инициирующие апоптоз стимулы могут быть трансмембранными или внутриклеточными.

Трансмембранные сигналы подразделяют на отрицательные, положительные и смешанные.

Отрицательные сигналы: отсутствие или прекращение воздействия на клетку факторов роста, цитокинов, регулирующих деление и созревание клетки, а также гормонов, контролирующих развитие клеток. В норме действие названных выше групп БАВ на мембранные рецепторы обеспечивает подавление программы гибели клеток и нормальную их жизнедеятельность. Напротив, их отсутствие или снижение эффектов «освобождает» программу апоптоза. Так, для нормальной жизнедеятельности ряда нейронов необходимо постоянное наличие нейротрофических факторов. Их устранение или снижение эффектов на нервные клетки может привести к включению программы смерти нейрона.

Положительные сигналы в итоге генерируют запуск программы апоптоза. Так, связывание фрагмента FasL с его мембранным рецептором CD95 (Fas) активирует программу смерти клетки.

Смешанные сигналы являются комбинацией воздействий сигналов первой и второй групп. Так, апоптозу подвергаются лимфоциты, простимулированные митогеном, но не проконтактировавшие с чужеродным антигенами. Погибают и те лимфоциты, на которые воздействовал антиген, но не получившие других сигналов, например митогенного или от HLA.

Внутриклеточные стимулы, инициирующие апоптоз: избыток Н+, свободные радикалы липидов и других веществ, повышенная температура, внутриклеточные вирусы и гормоны, реализующие свой эффект через ядерные рецепторы (например, глюкокортикоиды).

На стадии программирования специализированные белки либо реализуют сигнал к апоптозу путём активации исполнительной программы (её эффекторами являются цистеиновые протеазы – каспазы и эндонуклеазы), либо блокируют потенциально летальный сигнал.

Выделяют два (не исключающих друг друга) варианта реализации стадий программирования: 1) путём прямой активации эффекторных каспаз и эндонуклеаз (минуя геном клетки); 2) опосредованной через геном передачи сигнала на эффекторные каспазы и эндонуклеазы.

Прямая передача сигнала осуществляется через адапторные белки, гранзимы и цитохром С.

Адапторные белки. В качестве адапторного белка выступает, например, каспаза-8. Так реализуют своё действие цитокины Т-лимфоцитов-киллеров в отношении чужеродных клеток, ФНО-α и другие лиганды CD95.

Цитохром С. Выделяясь из митохондрий, цитохром С вместе с белком Apaf-1 и каспазой-9 формирует комплекс активации (апоптосому) эффекторных каспаз. Каспаза-8 и каспаза-9 активируют эффекторные каспазы (например, каспазу-3), которые участвуют в протеолизе белков.

Гранзимы – протеазы, выделяются цитотоксическими Т-лимфоцитами. Они проникают в клетки-мишени через цитоплазматические поры, предварительно сформированные перфоринами. Гранзимы активируют аспартатспецифические цистеиновые протеазы клетки-мишени, подвергающейся апоптозу.

Прямая передача сигнала наблюдается обычно в безъядерных клетках, например, в эритроцитах. Опосредованная передача сигнала подразумевает репрессию генов, кодирующих ингибиторы апоптоза, и активацию генов, кодирующих промоторы апоптоза. Белки-ингибиторы апоптоза (например, продукты экспрессии антиапоптозных генов Bcl-2, Bcl-XL) блокируют апоптоз, в частности, путём уменьшения проницаемости мембран митохондрий, тем самым уменьшая вероятность выхода в цитозоль одного из пусковых факторов апоптоза – цитохрома С.

Белки-промоторы апоптоза (например, белки, синтез которых контролируется генами Bad, Box, антионкогенами Rb или Р53) активируют эффекторные каспазы и эндонуклеазы.

Стадия реализации программы апоптоза (исполнительная, эффекторная) состоит собственно в гибели клетки, осуществляемой посредством активации протеолитического и нуклеолитического каскадов. Непосредственными исполнителями процесса «умертвления» клетки являются Ca2+-, Mg2+-зависимые эндонуклеазы (катализируют распад нуклеиновых кислот) и эффекторные каспазы (подвергают протеолитическому расщеплению различные белки, в том числе белки цитоскелета, ядра, регуляторные белки и ферменты).

В результате разрушения белков и хроматина в процессе апоптоза клетка подвергается деструкции. В ней формируются и от неё отпочковываются фрагменты, содержащие остатки органелл, цитоплазмы, хроматина и цитолеммы – апоптозные тельца.

Стадия удаления фрагментов погибших клеток. На поверхности апоптозных телец экспрессируются лиганды, с которыми взаимодействуют рецепторы фагоцитирующих клеток. Фагоциты быстро обнаруживают, поглощают и разрушают апоптозные тельца. Благодаря этому содержимое разрушенной клетки не попадает в межклеточное пространство, и при апоптозе отсутствует воспалительная реакция. Этот признак отличает апоптоз от некроза, который сопровождается развитием воспаления.

Подводя итог, необходимо заключить, что любой патологический процесс протекает с большей или меньшей степенью и масштабом повреждения клеток. В то же время, несмотря на разнообразие патогенных факторов, действующих на клетки, они отвечают принципиально однотипными реакциями. В основе этого лежат типовые механизмы клеточной альтерации. В свою очередь, повреждение клеток, как правило, сопровождается активацией факторов защиты, компенсации, возмещения и приспособления, которые направлены на прекращение или ограничение действия повреждающего фактора, а также на устранение последствий его влияния. Знание указанных механизмов является основой для разработки принципов и методов выявления патологических процессов, прогнозирования их течения, а также путей патогенетической терапии и профилактики повреждения клеток.

| следующая лекция ==>
Типы клеточной гибели в организме | Возможности терапевтического регулирования аппоптоза

Дата добавления: 2017-04-20; просмотров: 994;

Апоптоз: заказное самоубийство

: 10 Дек 2013 , Вслед за Создателем , том 52, №4

Само название этого типа клеточной смерти – апоптоз, что в переводе с греческого означает «падающие листья», говорит о том, что он является такой же естественной и неотъемлемой чертой многоклеточного организма, как сезонная смена листвы для деревьев. Апоптоз запускается, когда клетка имеет серьезные повреждения, ведущие к нарушению ее функций: в результате слаженной работы специальных систем, необратимо повреждающих основные клеточные структуры, такая клетка заканчивает жизнь «самоубийством».

Все клетки многоклеточных существ несут в себе потенциальную способность к апоптозу, так же как японские самураи всю жизнь носят с собой меч. И если по каким-то причинам тонкий механизм апоптоза разлаживается, последствия для организма могут оказаться самыми катастрофическими. Например, раковые клетки, блокируя систему апоптоза, приобретают бессмертие. Поэтому изучение механизмов клеточной самоликвидации является важнейшим направлением современных биомедицинских исследований: раскрытие тайн апоптоза поможет в разработке новых лекарств для борьбы с самыми тяжелыми и трудноизлечимыми болезнями современности

Каждый день и каждый час в нашем организме погибают миллионы клеток. Отшелушиваются ороговевшие клетки покровного эпителия, быстро изнашиваются и гибнут клетки слизистой ткани, выстилающей пищеварительный тракт, лейкоциты – белые клетки крови, находят свою смерть в борьбе с патогенами… Но как наше тело избавляется от специализированных клеток, когда в результате накопившихся внутренних повреждений они становятся неспособными выполнять свои функции? Одним из самых парадоксальных и удивительных механизмов, контролирующих жизнеспособность многоклеточного организма, является апоптоз – клеточная самоликвидация.

Регулярная, генетически запрограммированная гибель отдельных клеток необходима для нормального функционирования организма в целом. Все клетки многоклеточных существ обладают аппаратом апоптоза, так же как японские самураи всю жизнь носят с собой меч. Однако у этого естественного процесса есть и обратная сторона: если по каким-то причинам тонкий механизм апоптоза разлаживается, последствия для организма могут оказаться самыми катастрофическими.

Нарушения в запуске апоптоза ведут к возникновению ряда серьезных заболеваний, в том числе аутоиммунных и онкологических. Например, раковые клетки, блокируя систему апоптоза, приобретают бессмертие. Поэтому изучение механизмов клеточной самоликвидации является важнейшим направлением современных биомедицинских исследований: раскрытие тайн апоптоза поможет в разработке новых лекарств для борьбы с самыми тяжелыми и трудноизлечимыми болезнями современности.

Ферменты-киллеры

Итак, клетка выполнила свои функции, «постарела» и готова к самоуничтожению во благо всему организму. Кто же выполняет это «заказное» самоубийство?

Оказывается, в этом «детективе» про апоптоз имеются и свои затаившиеся киллеры. В этой роли выступают особые ферменты – каспазы, имеющиеся в каждой клетке (Salvesen, 2002; Nicholson, 1999; Lavrik et al., 2005). Обычно каспазы присутствуют в клеточной цитоплазме в виде неактивных предшественников (прокаспаз). Прокаспазы не проявляют никакой активности, мирно сосуществуя в клетке вместе с другими белками, однако при поступлении сигнала на самоуничтожение они превращаются в настоящие белки-убийцы.

«Смена имиджа» безобидных прокаспаз происходит так: белок расщепляется на три фрагмента, один из которых (продомен) отщепляется, а остальные соеди­няются с двумя аналогичными фрагментами другой прокаспазы. Благодаря такой структурной перестройке образуется активный гетеротетрамер каспазы, в котором аминокислоты формируют центр фермента, выполняющий каталитическую функцию (Salvesen, 2002).

Образовавшиеся активные каспазы наконец показывают свое настоящее лицо: они начинают расщеплять все белки, которые содержат остатки аминокислоты аспарагина (при условии, что рядом располагаются определенным образом остатки еще трех других аминокислот). В результате такой «подрывной» деятельности в клетке оказываются поврежденными сотни белков. К числу наиболее известных мишеней каспаз относятся белки цитоскелета (структурного каркаса клетки); белки, отвечающие за репарацию (восстановление) поврежденной ДНК; структурные белки оболочки клеточного ядра, а также ряд других жизненно важных белков. Все это приводит к нарушению всех процессов жизнедеятельности клетки.

В то же время каспазы активируют ряд белков, которые участвуют в выполнении программы самоликвидации. Например, белка, который разрезает ДНК на большие фрагменты, – этот процесс, после которого целостность ДНК необратимо уничтожается, является характерной чертой апоптоза.

Сигнал на запуск

Но каким же образом клетка узнает, что ей пора самоликвидироваться? Кто и как дает указания киллерам-каспазам?

Имеется два основных пути, по которым передаются апоптопические сигналы в виде клеточных регуляторов, таких как гормоны, антигены, моноклональные антитела и другие молекулы. Это митохондриальный (или внутренний) путь, а также через особые трансмембранные белки – так называемые рецепторы смерти (DR, от англ. death receptor). В обоих случаях для запуска апоптоза должны образоваться особые инициаторные апоптотические комплексы. Затем происходит активация так называемых инициаторных каспаз, которые, в свою очередь, активируют эффекторные (разрушающие клеточные структуры) каспазы, о которых упоминалось выше (Nicholson, 1999).

Митохондриальный путь инициируется в результате интенсивного воздействия на клетку ряда повреждающих факторов. Однако каким образом эти повреждения трансформируются в митохондриальный апоптотический сигнал, пока в деталях не установлено. Тем не менее достоверно известно, что первым шагом на этом пути является выход из митохондрий («энергетических фабрик» клетки) цитохрома С – небольшого белка, содержащего комплекс с железом, который является компонентом митохондриальной дыхательной цепи (Green et al., 2004).

Выход цитохрома С инициирует образование в цитоплазме клетки крупного белкового комплекса – апоптосомы, в которую, помимо самого митохондриального белка, входят прокаспаза-9 и белок АПАФ-1. Именно апоптосома и является настоящим «мафиозным боссом» митохондриального пути апоптоза, который дает сигнал киллерам-каспазам.

Речь идет об очень интересном явлении – самоактивации прокаспазы. Такое может произойти лишь в том случае, когда две молекулы этого белка, ориентированные определенным образом относительно друг друга, образуют димер. Именно такие уникальные пространственные условия, необходимые для димеризации и каталитической активации фермента, и предоставляет прокаспазе-9 апоптосома. Образовавшаяся в результате активная каспаза-9 расщепляет эффекторные каспазы (каспазу-3 и каспазу-7), а дальше все происходит по стандартной схеме апоптоза (Green et al., 2004).

В случае рецептор-зависимого сигнального пути инициация апоптоза начинается с другого белкового комплекса, который образуется непосредственно на самом рецепторе смерти (Krammer et al., 2007; Lavrik et al., 2005).

К настоящему времени семейство таких рецепторов включает шесть представителей, в том числе рецептор такого широко известного белка, как фактор некроза опухоли. Все рецепторы смерти имеют одинаковый фрагмент из 80 аминокислот – так называемый домен смерти, расположенный на белковом «хвостике», выходящем в цитоплазму клетки. Такой же аминокислотный фрагмент имеет и белок-адаптер FADD, находящийся в цитоплазме клетки. Домены смерти могут взаимодействовать между собой с образованием устойчивой связи; FADD, в свою очередь, способен присоединять к себе прокаспазу.

Вся цепь событий по образованию апоптотического комплекса запускается лигандом смерти – белком-агонистом, способным специфично связываться с рецептором смерти. Синтез (и, соответственно, рост концентрации) таких молекул в клетке стимулируется каскадом процессов, возникающих в ответ на повреждение клетки. В результате, благодаря посредничеству FADD, на рецепторе образуется комплекс DISC (от англ. death-inducing signaling complex), что в дословном переводе означает «сигнальный комплекс, инициирующий гибель». Именно в этом комплексе, как и в апоптосоме, происходит самоактивация прокаспазы-8, которая, в свою очередь, активирует эффекторные каспазы (каспазу-3 и каспазу-7) и инициирует клеточную гибель (Lavrik et al., 2005; Krammer et al., 2007). Собственно говоря, на этом различия между запуском двух сигнальных путей апоптоза заканчиваются.

Жить или не жить?

Нужно отметить, что любая клетка организма постоянно подвергается многочисленным повреждающим воздействиям, таким как радиационное излучение разных типов, разнообразные химические агенты, недостаток питательных веществ и т. п. К счастью для нас, для полноценной инициации клеточной гибели необходимо сравнительно сильное воздействие. На страже апоптотических путей стоят специфические механизмы, играющие роль «регулировщиков движения». Эту роль играют особые белки XIAPs и FLIP (Lavrik et al., 2005).

Белки XIAPs ингибируют каспазу-9, которая активируется вследствие развертывания митохондриального пути. Связываясь с активным центром каспазы, они не дают «киллеру» выполнять свою работу. Однако с помощью этих белков клетке удается заблокировать лишь небольшое число активных каспаз. Если же концентрация активных каспаз превышает некий пороговый уровень, то белков XIAPs становится недостаточно, и процесс апоптоза остановить уже невозможно.

В случае рецепторзависимого сигнального пути апоптоза ингибитором активации прокаспазы-8 служит близкий ей по структуре белок FLIP. Молекулы этого белка также могут связываться с апоптическим комплексом DISC, конкурируя за «место» с молекулами прокаспазы, – при повышенной концентрации в цитоплазме они блокируют все возможные «места» такого связывания (Krammer et al., 2007). В результате прокаспаза-8 не может быть активирована, и апоптоз не запускается.

Нарушения в уровне экспрессии как про- так и антиапоптотических белков может привести к серьезным отклонениям от обычного образа жизни клетки. Так, повышенный уровень экспрессии белков XIAPs и FLIP имеют многие раковые клетки. Выбрав курс на собст­венное бессмертие, в конечном счете они приводят к гибели все многоклеточное «сообщество» организма.

Итак, в отличие от голливудского детектива, в истории про апоптоз нет главного действующего лица: своевременное уничтожение поврежденных клеток и в итоге – жизнеспособность организма зависит от слаженной цепочки событий, в которой участвует множество различных белковых молекул.

И здесь очень важны количественные показатели, такие как концентрация. Сегодня изучением того, как влияет на инициацию и дальнейший ход апоптоза уровень содержания в клетке различных молекул, занимается одна из передовых областей современной науки – системная биология (Bentele et al., 2004). Основной ее постулат заключается в том, что протекание сложных процессов внутри клетки можно понять, лишь учитывая максимально большое число клеточных параметров. Для этого на основе экспериментальных данных создается компьютерная модель, которая учитывает действие множества факторов. Полученные таким образом предсказания о ходе основных клеточных процессов могут использоваться в борьбе с препятствиями человечества на пути к долгой и здоровой жизни.

Литература


Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *