ПОВРЕЖДЕНИЯ КЛЕТОЧНОГО ЯДРА

Повреждение ядерной ДНК вызывает не­сколько типовых защитных реакций. Однако, каждый из этих механизмов «погрешим» и, срабатывая, становится причиной вторичных нарушений.

Рассмотрим это на конкретных примерах. Выше уже шла речь о системе эксцизионной репарации пиримидиновых димеров и однонитевых разрывов ДНК и о потенциальных опасностях, связанных с ее несовершенной работой. К этому можно добавить, что эндонуклеазы, играющие важную роль в работе репаразной системы, при определенных условиях могут обеспечить начало апоптоза – запрограммированной гибели поврежденной клетки с фрагментацией ее ДНК. Более того, подобный «вызов огня на себя» для устранения повреждения вместе с клеткой, которая его несет, по-видимому, является достаточно характерным результатом повреждения ядра, так как очень многие повреждающие агенты индуцируют апоптоз клеток-мишеней, а конституциональный элемент системы репарирования мутаций – ген р53, упоминавшийся выше, как «замораживатель» митотического цикла поврежденных клеток в G-фазе, известен также как ген-индуктор апоптоза. Достаточно типичным биохимическим последствием повреждения хроматина служит усиление метилирования и АДФ-рибозилирования ДНК и ядерных белков. Известно, что в хроматине активные гены менее метилированы, поэтому первая из данных биохимических реакций может отражать инактивацию во время клеточного повреждения ряда «неэкстренных» текущих клеточных программ, которые на период острой адаптации к повреждению архивируются.

Что же касается роли и последствий усиления поли-АДФ-рибозилирования, то эта сторона ядерного ответа на повреждение может весьма драматически влиять на судьбу поврежденной клетки. В присутствии поврежденной ДНК активируется фермент поли-АДФ-рибозилполимераза (ПАРП). Фермент превращает остатки НАД в поли-АДФ-рибозу и вызывает сшивку белков хроматина через поли-АДФ-рибозильные мостики.

Данный механизм является универсальным для всех живых клеток. Он направлен, прежде всего, на закрепление концов разорванной хроматиновой нити и, фактически, участвует в работе репаразной системы, склеивая разрывы, препятствуя транскрипции поврежденной ДНК и, возможно, ограничивая хромосомные аберрации. Однако активная работа ПАРП приводит к лавинообразному накоплению поли-АДФ-рибозилов и истощению пула никотинамид-динуклеотида, вследствие чего ресинтез макроэргических соединений в клетке тормозится. При дефиците энергии пуриновые основания превращаются в гипоксантин и мочевую кислоту, а этот процесс сопровождается выделением супероксидных анионов. Образование активных кислородных радикалов при формировании мочевой кислоты – давно известный медицинский факт. Именно эта особенность конечных этапов синтеза мочевой кислоты приводит к обострению воспалительных явлений у подагриков всякий раз, когда они нарушают диету и испытывают пуриновую нагрузку. Но наиболее поразительно, что этот же процесс участвует в опосредовании клеточной гибели после ядерных повреждений. Активные радикалы кислорода наводняют ядро и вызывают вторичное самоповреждение ДНК, усугубляя нарушения в работе генома. Активация поли-АДФ-рибозилирования считается важным механизмом апоптоза, а, возможно, и некробиоза. По крайней мере, ее ингибиторы – большие дозы витамина РР, оксимы и т.д. обладают цитопротекторным действием и тормозят апоптоз и некроз.

В поврежденных клеточных ядрах происходит включение целого ряда аварийных генетических программ, считывание которых в нормальных условиях отсутствует или минимально. К ним относятся:

· Гены белков теплового шока (ГТШ);

· Немедленные гены предраннего ответа:

· Антионкогены;

· Гены-регуляторы программированной клеточной гибели;

· Ген маркера стареющих и поврежденных клеток (АСК).

Работа каждой из этих генетических систем сочетает защитные и вторичные повреждающие эффекты, иллюстрируя концепцию биологической погрешимости.

Белки теплового шока

Белки теплового шока (БТШ) – многофункциональные клеточные регуляторы, унаследованные нами, вероятно, от первых прокариотических клеток. По крайней мере, их структура консервативна, а их функции делают эти молекулы непременными участниками ответа на повреждение у различных клеток – от бактериальных до человеческих. Впервые они были обнаружены в клетках дрозофил, подвергавшихся тепловому воздействию. Это, однако, не означает, что экспрессия данных белков специфична только для тепловой травмы, напротив, она может быть индуцирована различными воздействиями (воспаление, инфекция, гипоксия, химические повреждения клеток тяжелыми металлами, мочевиной, перекисью водорода, мышьяком и этиловым спиртом).

Вместе с тем, повышенная экспрессия БТШ увеличивает и температурную устойчивость клеток, поэтому их название не случайно. Считается, что БТШ могут представлять собой систему белковых клеточных детергентов и регуляторов ограниченного протеолиза. В этом качестве они способны поддерживать нативную конформацию синтезируемых в клетке белков, предохранять их от денатурации и солюбилизировать белки, которые при клеточном стрессе утрачивают свою растворимость, либо способствовать протеолизу денатурированных белков.

БТШ синтезируются в небольших количествах и в норме и могут, в частности, принимать участие в регуляции клеточной пролиферации, обеспечивая конденсацию хромосом при митозе. Пусковым сигналом для экспрессии повышенных количеств БТШ служит, по-видимому, протеолиз некоего сигнального фактора теплового шока. Продукты этого протеолиза или сам денатурированный белок действуют на промоторы генов БТШ и запускают их считывание. Синтез БТШ и их функции требуют затраты макроэргических соединений и, по-видимому, могут предохранять клетку от гибели вплоть до развития тяжелой тканевой гипоксии. Выделяют 4 группы БТШ, различных по молекулярному весу и функциям:

· Белки с молекулярной массой 84-110 kD,

· Белки с молекулярной массой 70 kD,

· Белки с молекулярной массой 15-30 kD,

· Белки с молекулярной массой 8,5-12 kD.

Наиболее высокомолекулярные БТШ взаимодействуют с рецепторами стероидных гормонов, предупреждая в отсутствие стероидов ассоциацию рецепторов с хроматином. Это может рассматриваться как блокада осуществления стрессорных адаптационных программ до наступления стресса, который характеризуется высоким уровнем воздействия стероидных гормонов на клетки. В условиях стресса действие этой группы БТШ может служить предохранительным механизмом против избыточной стимуляции, а для некоторых клеток, где стероиды индуцируют запрограммированную гибель, например, для лимфоцитов, прямым «буфером», увеличивающим выживаемость.

Таким образом, БТШ – своеобразный механизм, сопрягающий стресс на уровне целостного организма и стрессорный ответ отдельных клеток. Так, БТШ hsp90 образует комплекс с рецепторами стероидов и увеличивает аффинность этих рецепторов. Более того, комплекс рецептора и данного БТШ способен связывать иммунофиллины – внутриклеточные мишени иммунодепрессантов типа циклоспорина. Возможно, это означает, что БТШ имеют прямое отношение к влиянию стресса на иммунитет.

БТШ 70 kD считается центральным звеном во всей системе белков теплового шока. Его и близкие к нему по массе БТШ называют шаперонины – от английского «shape» – форма, так как они осуществляют поддержание нативной конформации белков и сопровождают белковые молекулы после трансляции в различные отсеки клетки и к месту образования макромолекулярных комплексов. Эта функция «молекулярных шин» или солюбилизаторов энергозависима и предохраняет белки цитоплазмы и ядра от агрегации и денатурации, которая является неотъемлемой частью необратимого повреждения клеток. Продукты ограниченного протеолиза самого БТШ-70 могут служить молекулярными сигналами для экспрессии других БТШ. При повреждении клетки синтезируемый БТШ-70 мигрирует вядро и связывается с хроматином и ядрышком, взаимодействуя с топоизомеразой и гистонами. Предполагается, что это необходимо для предохранения от мутаций и обеспечивает условия для работы репаразной системы (либо через влияние на протеолиз белков хроматина, либо через восстановление конденсированного состояния хроматина).

В цитоплазме белки, близкие к БТШ-70, индуцируются при повреждении клетки и взаимодействуют с микротрубочками и микрофиламентами, вероятно, стабилизируя цитоскелет и увеличивая устойчивость клеток к механическому повреждению, денатурации и агрегации цитоплазматических белков. Агрегация элементов цитоскелета, в частности, прекератиновых промежуточных филаментов, является характерным неспецифическим компонентом повреждения клеток, а указанные агрегаты входят в состав вещества, образуемого в поврежденной клетке и известного в патологической анатомии как «алкогольный гиалин», так как оно впервые было описано Меллори в виде особых телец в поврежденных гепатоцитах алкоголиков. По-видимому, с возрастом способность некоторых клеток, в частности, адренокортикоцитов, генерировать БТШ-70, снижается, и это считают одним из возможных механизмов клеточного старения.

БТШ из группы 15-30 kD также способны взаимодействовать после повреждения клетки с элементами хроматина и оказывать действие на осуществление клеточного цикла, а также повышать устойчивость клеток к некрозу, по крайней мере, в миокарде. Этот эффект лежит в основе феномена, названного Ф.3.Меерсоном «адаптационной стабилизацией структур», что проявляется в увеличении резистентности клеток к гипоксии и аутолизу после кратковременного стресса. Очевидно, что БТШ могут, по крайней мере, частично обусловливать неспецифическое повышение устойчивости организма к острой гибели, наблюдаемое при стрессе.

Низкомолекулярная группа БТШ представлена убиквитинами. Убиквитины могут рассматриваться как рецепторы для специфических протеаз. Ядерные и цитоплазматические белки, к которым прикрепляются убиквитины, подлежат внелизосомальному протеолизу.

Ограниченный протеолиз как способ каскадной активации тех или иных ферментативно-рецепторных систем широко используется живыми клетками. На ограниченном протеолизе, при котором продукт протеолитической реакции является ферментом, ускоряющим следующий шаг протеолиза, построена работа системы комплемента, свертывающей и противосвертывающей систем крови, кининовой системы. Возможно, убиквитинизация необходима для устранения денатурированных белков или запуска протеолитических сигнальных систем в поврежденной клетке. При повреждении клеток убиквитины могут запустить протеолиз и в клеточных ядрах, вызывая лизис гистонов, антионкобелка р53 и циклина внутри клеточных ядер.

Считается, что протеолиз гистонов может приводить к запуску ферментов-эндонуклез и фрагментации хроматина, протеолиз циклина может останавливать размножение дефектных клеток, а протеолиз белка р53 может приводить к его активации и срабатыванию программы клеточной смерти. Убиквитинизация белков хроматина и повышение синтеза убиквитинов обнаруживается при апоптозе клеток настолько регулярно, что некоторые патологи считают эти белки маркерами апоптоза.

Таким образом, БТШ – элементы наиболее древних, неспецифических механизмов клеточной реактивности. БТШ способны оказывать цитопротекторное действие при повреждении, предохраняя клетку и от апоптоза и, в определенной степени, на ранних стадиях, до развития тяжелой гипоксии – также и от некроза. Первичная структура БТШ на 50-60% идентична у бактерий и человека. Иммунный ответ на БТШ микробов и паразитов, особенно, на иммунодоминантные БТШ-70, 65, 90, 10, запускает у человека перекрестный аутоаллергический процесс. Умеренный аутоиммунитет к БТШ-65 физиологичен, но его усиление может привести к развитию артрита и диабета.

Фундаментальным значением обладает, на наш взгляд, тот факт, что работа системы БТШ способна как предохранять клетки от преждевременной запрограммированной гибели (БТШ-70), так и индуцировать ее (убиквитнны). Повреждение способно индуцировать программы, устраняющие сами поврежденные клетки.

Немедленные гены предранней реакции

При повреждении клеток различных органов и тканей вне зависимости от причин этого повреждения происходит очень быстрая неспецифическая активация ряда генов (с-fos, с-jun, с-myc и nur-77), которые были условно объединены под названием «немедленные гены предранней реакции» (НГПР). Считается, что НГПР способны активировать клеточную пролиферацию в том случае, если их считывание в клетках происходит на фоне достаточного количества ростовых сигналов. Эти ростовые сигналы обеспечиваются тканеспецифическими факторами роста и обусловливают высокую активность ядерного фермента орнитиндекарбоксилазы и достаточные для клеточной пролиферации количества полиаминов – спермина и спермидина, Таким образом, работа НГПР может рассматриваться как подготовка к репаративным процессам при повреждении тканей. Вместе с тем, продукты тех же самых НГПР могут запустить процесс запрограммированной клеточной гибели, если ростостимулирующий фон недостаточен.

Ген с-myc является важным регулятором клеточного размножения, а при его сверхактивации наступает озлокачествление клетки, в связи с чем впервые он был описан, как протоонкоген, экспрессия которого обнаруживалась при злокачественной лимфоме Беркитта. Ген кодирует ядерный фосфопротеин, способствующий переходу клетки из G₁ в S-фазу митотического цикла. Предполагается, что ген может регулировать количество G₁-циклинов или орнитиндекарбоксилазы в клетке, возможно, через ДНК-связывающую и ДНК-димеризующую активность своих продуктов. Продукты гена с-myc образуют димеры с продуктами другого гена Мах, и этим гетеродимерам приписывается центральная роль и регуляции клеточного цикла. Во многих клетках активация данных генов при недостаточном уровне ростовых сигналов запускает апоптоз. Однако при апоптозе лимфоцитов под действием глюкокортикоидов экспрессия с-myc, наоборот, снижается. По некоторым данным, запуск гена с-myc может увеличить вероятность генетических рекомбинаций и амплификации генов в клетке. Это создает потенциальный риск соматических мутаций и видоизменения пролиферирующего клона.

Ген Nur-77 кодирует ядерный рецептор стероидных гормонов. Его активная экспрессия в различных клетках может быть достигнута при их повреждении или, как это ни парадоксально, при действии факторов роста. Имеются данные, что экспрессия генов стероидных рецепторов достигается при стрессе как клеточный коррелят общего адаптационного синдрома. Не исключено, что индукция апоптоза при участии данного гена ответственна за некоторые гематологические проявления стресса, например лимфопению и эозинопению.

Гены с-fos и с-jun известны как регуляторы клеточной пролиферации и гибели в эмбриогенезе. В зрелых дифференцированных клетках их активность подавлена и усиливается при повреждении. В тканях с очень коротким сроком жизни клеток (эпидермис) ген с-fos экспрессирован постоянно. В нейронах с-fos, с одной стороны, считается геном смерти, срабатывающим при апоптозе нейронов в результате ишемических или дегенеративно-дистрофических заболеваний ЦНС, а, с другой стороны, участвует во внутриклеточном опосредовании действия фактора роста нервов.

Такая биполярность эффектов, принадлежащих к сфере действия одной и той же регуляторной системы необъяснима, если придерживаться простой двоичной логики и разделять полом и защиту, как это делается в рамках доктрины монокаузализма. Непонятно, как совместить это с механическим постулатом, гласящим, что нажатие на одну и ту же кнопку должно давать один и тот же эффект. И здесь хочется напомнить читателю о фундаментальном принципе химической биорегуляции – принципе пермиссивности биологических эффектов регуляторов, открытом за 60 лет до описания НГПР блестящим отечественным патофизиологом Л. Р. Перельманом. Он обнаружил, что последствия паратиреоидэктомии у животных принципиально отличаются в зависимости оттого, на каком гормональном фоне она проводится. Обычно паратиреоидэктомия ведет из-за дефицита паратгормона к гипокальциемии и судорогам, что известно в патофизиологии, как «паратиреопривная тетания». Однако предварительная экстирпация семенников предотвращает судороги, вызванные паратиреоидэктомией, даже, несмотря на низкий уровень кальция.

Следовательно, одни химические сигналы могут изменять характер и результаты ответа клеток на другие, даже не обращаясь при этом к тем же самым клеточным рецепторам через иные звенья метаболизма. Пермиссивный принцип делает связи между сигналом и ответной реакцией неоднозначными, а саму химическую регуляцию клеток – ансамблевой, непохожей на простое последовательное нажатие кнопок-рецепторов на клавиатуре некой механической машинки. Через 47 лет после исследований Л. Р. Перельмана было обнаружено, что контроль экспрессии катехоламинового рецептора в клетках осуществляют глюкокортикоиды, тем самым был расшифрован один из молекулярных механизмов наиболее известного примера перельмановского «пермиссивного действия гормонов». Пермиссивное действие различных регуляторов клеточного роста, на наш взгляд, определяет и двойственный характер результатов экспрессии НГПР.

Таким образом, работа одних и тех же клеточных программ на разном пермиссивном фоне может приводить к диаметрально противоположным последствиям – гибели клетки или ее делению.

Антионкогены

Выше, при рассмотрении вопроса об антимутационных защитных механизмах клеток, мы уже упоминали об антионкогенах. Как и многие другие названия в медицине, данное наименование связано с обстоятельствами открытия первого из этого семейства генов гена Rb, наличие которого, даже в гетерозиготном состоянии, предохраняло носителей от развития злокачественной ретинобластомы. Соответственно роли гена Rb вся группа генов стала именоваться «супрессорами опухолей», или антионкогенами. На деле роль генов данной группы шире, чем функция, отраженная в их названии. Продукты антионкогенов, например, широко известного «молекулярного полицейского» гена р53, это регуляторы генной стабильности, останавливающие митотический цикл в мутировавших клетках встадии G₁. Остановка цикла дает мутантной клетке время для срабатывания репаразных механизмов. Если мутация не репарируется, продолжение экспрессии р53 и его аналогов ведет к запуску программы апоптоза клеток с поврежденной ДНК.

Исход «срабатывания» р53 зависит, как и для НГПР, от пермиссивного фона, создаваемого концентрацией других регуляторов роста и апоптоза. Ген р53 – важный участник гибели клеток, обусловленной радиацией и химическими мутагенами. Это означает, что клеточная гибель в подобных ситуациях не может рассматриваться как чистая модель «полома», поскольку содержит элементы запрограммированной и защитной, для организма в целом, гибели.

Белок третьей полосы (антиген стареющих клеток)

Рассматривая проблему наиболее общих, неспецифических изменений в экспрессии генов, вызываемых повреждением клетки, нельзя обойти стороной представления об антигене-маркере стареющих и поврежденных клеток. В начале 80-х годов Маргарет Кей и соавторы обнаружили, что один из белков поверхностной мембраны красных кровяных телец, движущийся при электрофорезе в составе третьей полосы и выполняющий функции ионного канала, практически отсутствует или скрыт поверхностными гликопротеидами мембраны в молодых клетках и, наоборот, активно экспрессируется в мембране старых и поврежденных эритроцитов. Впоследствии оказалось, что данная молекула является маркером, появляющимся на мембране после истечения онтогенетически отпущенного эритроцитам срока в 100 дней, то есть, в буквальном смысле, опознавательным знаком стареющих клеток.

Позднее и в других клеточных пулах у стареющих тромбоцитов, лейкоцитов, а затем и у клеток не костномозгового происхождения, например, в клетках легкого и кожи, был обнаружен тот же маркер. Таким образом, данному белку была отведена роль нетканеспецифического знака, связанного с терминацией жизненного цикла клеток. Выяснилось, что различные клеточные повреждения эритроцитов (от мутаций при микросфероцитозах, до гиповитаминоза при мегалобластических анемиях) ускоряют экспрессию маркера старения и укорачивают жизнь эритроцитов. Более того, устранение снабженных этим маркером клеток, как оказалось, происходит при участии аутофагоцитоза, а роль опсонинов, через которые фагоциты прикрепляются к обреченным на гибель клеткам, выполняют физиологические аутоантитела к маркеру старения.

Таким образом, маркер или антиген стареющих клеток оказался частью фундаментального механизма запрограммированного устранения из организма тех клеточных элементов, которые исчерпали вследствие изнашивания или повреждений свой генетический ресурс. Представления о внутриклеточном гемолизе посредством фагоцитоза как о механизме гибели клеток крови существовали и ранее, но не был ясен молекулярный механизм отбора клеток, подлежащих устранению.

Еще в 1884 году А.О.Ковалевский наблюдал исчезновение провизорных органов у личинок мухи при участии фагоцитов и пророчески предположил, что фагоцитоз не только и не столько защитный механизм, сколько способ устранения собственных клеток, отработавших свою онтогенетическую программу. Однако в дальнейшем внимание медиков сосредоточилось на защитной роли фагоцитоза и поколениям студентов и врачей казалась еретической сама мысль о том, что классический механизм защиты от чужого может быть также и способом повреждения своего.

После открытия антигена стареющих клеток можно говорить о конкретизации понятия «морфогенетическая роль фагоцитоза», введенного В.В.Максимовым. Оказывается, одним из неспецифических последствий повреждения клетки или ее онтогенетического старения может быть индукция специального маркера, провоцирующего запрограммированную насильственную гибель клетки путем аутофагоцитоза, а сам этот механизм дополняет запрограммированное самоубийство клеток, или апоптоз. Предполагается, что в безъядерных постклеточных структурах типа эритроцитов должны существовать ультрадолгоживущие РНК маркера старения, экспрессируемые только после того, как в них произойдут с течением времени или вследствие клеточного повреждения какие-то структурные изменения. Таким изменением может быть, например, утрата полиаденилового «хвоста» молекулы РНК, которое происходит постепенно и может играть роль клеточных «часов». Повреждение клетки может ход этих часов ускорить. По мнению Кей, антиген стареющих клеток может быть связан как с ионным транспортом, так и транспортом глюкозы.

Итак, последствия повреждения клеточных ядер неоднозначны, так как включаемые при этом генетические программы и саногенны и патогенны в одно и то же время. Конкретный результат определяется влиянием множества факторов, по сути, пермиссивных по отношению к данному сигналу или воздействию.