Разрушение/повреждение ДНК

Апоптоз запускается при повреждении ДНК. Важным регулятором этого процесса служит транскрипционный фактор — белок p53, который кодируется геном супрессором опухоли. Специальный белковый фактор MDM2 ингибирует активность p53 в ходе процесса убиквитинизации последнего. При повреждении ДНК фактор MDM2 угнетается, и это приводит к активации p53. Транскрипционный фактор p53 индуцирует транскрипцию многих генов, включая Bax, что поддерживает апоптоз за счет выхода из митохондрий цитохрома c и формирования апоптосом.

Ядерный фермент PARP-1 (Poly (ADP-Ribose) Polymerase) контролирует в клетке выбор между тремя состояниями: репарация ДНК, некроз или апоптоз. В процессе репарации ДНК PARP-1 катализирует присоединение полимера АДФ-рибозы из 50–200 остатков к ядерным белкам, таким как гистоны. Повышенная активность PARP-1 вызывает истощение NAD⁺ и последующее снижение уровня АТФ. Это приводит к ослаблению работы ионных насосов, нарушению осморегуляции и некрозу клетки. С другой стороны, истощениеNAD⁺ в митохондриях индуцирует выход из них в цитоплазму через образованные поры проницаемости флавопротеина AIF (Apoptosis Inducing Factor), который транслоцируется в ядро, расщепляет ДНК на фрагменты ~50 kb и в конечном итоге приводит к апоптозу.

Семейство Bcl-2объединяет множество белков-регуляторов апоптоза, обладающих как про-, так и антиапоптозной активностью. Белки этого семейства содержат BH (Bcl-2 Homology) домены: BH1, BH2, BH3 иBH4. Все белки семейства Bcl-2 участвуют в регуляции проницаемости мембраны митохондрий. Проапоптозные белки (Bax, Bak and BAD) содержат все 4 известные BH домены. Антиапоптозные белки (Bcl-2, Bcl-xL и Bcl-w) включают в свой состав не все BH домены. Так, проапоптозный белок Bid (BH3-Interacting Domain death agonist) и его усечённая форма tBid (truncated) образованы только BH3 доменом. Проапоптозные белки способствуют образованию пор перехода проницаемости в мембране митохондрий и таким образом поддерживают проницаемость для ряда факторов, активирующих апоптоз и выходящих из митохондрий в цитозоль (рис. 4-15). Антиапоптозные белки, наоборот, блокируют проницаемость мембраны митохондрий.

Рис. 4-15. Митохондрии — ключевой регулятор молекулярного механизма апоптоза.В жизнеспособной клетке проапоптозные (содержащие только домен BH3, Bax, Bak,) и антиапоптозные (Bcl-2) представители семейства белков-регуляторов апоптоза Bcl-2 находятся в антагонистических взаимоотношениях. В ответ на действие апоптозного стимула представители семейства Bcl-2, содержащие только домен BH3, активируются в результате усиления транскрипции (Bax, Noxa, Puma), внутриклеточного перераспределения (Bim, Bmf), дефосфорилирования (Bad) или протеолиза (Bid). Содержащие только домен BH3 активированные белки сдерживают действие антиапоптозное представителей семейства Bcl-2. Кроме того, они могут прямо индуцировать конформационные превращения белков Bax иBak, которые приобретают способность олигомеризоваться и встраиваться в митохондриальную мембрану, формируя поры или ассоциируясь с комплексом поры перехода проницаемости. В результате из внутренней мембраны митохондрий в цитозоль выходят проапоптозные факторы, такие как цитохром с, который участвует в сборке апоптосом и последующей активации каспазного каскада. [108]

Существуют разные представления о механизме регуляции проницаемости мембраны митохондрий со стороны белков-регуляторов апоптоза из семейства Bcl-2. Согласно одному из них, белки этого семейства образуют гомо- или гетеродимеры. В процессе димеризации участвует BH3 домен. Гетеродимеризация про- и антиапоптозных членов этого семейства подавляет активность проапоптозных белков. Согласно другому представлению, белки семейства Bcl-2 способны формировать ионные каналы, что показано для Bcl-xL, Bcl-2 и Bax на искусственных липидных мембранах. Наиболее популярно представление о формировании белками из семейства Bcl-2 пор перехода проницаемости. Эти каналы неселективны, через них могут транспортироваться любые молекулы с Mrменее 1,5 кД. Предполагается, что белок Bcl-2 ингибирует открытие пор перехода проницаемости, а проапоптозные белки, например Bax и Bak, поддерживают их проницаемость для цитохрома c и AIF. Существует предположение, что канал, сформированный проапоптозным белком Bax, позволяет цитохрому c выходить из митохондрий в цитозоль. Согласно другому предположению, этот канал позволяет молекулам воды проникать внутрь митохондрии и вызывать разрывы наружной мембраны. Вместе с тем имеются данные о том, что выход цитохрома c из митохондрий может осуществляться не через поры.

Некоторые белки семейства Bcl-2 могут регулировать апоптоз, не влияя на процесс проницаемости митохондриальной мембраны. Одно из предположений об антиапоптозной роли белка Bcl-xL основано на данных о возможности его связывания с адапторным белком APAF-1. Происходящее при этом секвестрирование APAF-1 снижает вероятность образования апоптосом и вступление клетки в апоптоз.

Рассмотренные выше ключевые молекулярные события апоптоза сведены в итоговую схему, которая поможет сформировать представление о всем процессе в целом (рис. 4-16).

Рис. 4-16. Основные молекулярные события при апоптозе.Апоптоз индуцируется различными вне- и внутриклеточными сигналами. Внеклеточными сигналами могут быть специальные сигналы смерти (TNF, FasL, TRAIL), которые, будучи лигандами, взаимодействуют со своими рецепторами смерти (TNFR1, Fas, DR5). Вызывающие смерть внеклеточные сигналы могут действовать на клетку не только через специальный рецепторный вход. Ими могут быть различные повреждающие факторы, облучение, стресс, действие фармакологических препаратов, вирусов и др. Опосредованная рецепторами смерти разновидность апоптоза инициируется сборкой смерть-индуцирующего сигнального комплекса DISC, который контролирует активацию инициаторной каспазы-8. Активированная каспаза-8 запускает каспазный каскад, действуя на эффекторные каспазы-3, -6 и -7, которые, в свою очередь, расщепляют многочисленные белки во всех компартментах клетки. Это повсеместное расщепление белков лежит в основе морфологических и биохимических сдвигов, характеризующих апоптоз. В некоторых клеточных системах подобные сдвиги являются достаточными для запуска апоптоза [сигнальный путь (апоптоз) 1 типа]. В других клеточных сиcтемах для вступления клетки в апоптоз сигнал из DISC должен быть усилен путём протеолитической активации инициаторной каспазой-8 содержащего только BH3-домен белка Bid с последующим вовлечением в процесс митохондриального сигнального пути [сигнальный путь (апоптоз) 2 типа]. На этом пути развития событий ключевым звеном является выход цитохрома c из митохондрий в цитозоль, который в присутствии АТФ запускает сборку апоптосомы из белка Apaf-1. Формирование апоптосомы обеспечивает процесс активации другой инициаторной каспазы —каспазы-9 с последующим включением каспазного каскада, начиная с каспазы-3. Другим проапоптозным фактором, выходящим как и цитохром c из митохондрий, является Smac/DIABLO (SecondMitochondrial Activator of Caspases/Direct IAP Binding protein with Low pI). Этот белок выходит из митохондрий через поры перехода проницаемости и подавляет активность ингибиторов апоптозных белков IAP (Inhibitors of Apoptosis Proteins) (c-IAP, XIAP, сурвивин и др.).IAP, такие как ливин, прямо подавляют активность определённых каспаз, например каспазы-3 и -8. Экспрессия IAP возрастает при действии на клетку через свои рецепторы факторов роста, что поддерживает выживание клеток. Этот эффект опосредуется увеличением экспрессии транскрипционного фактора NF-B, который также поддерживает экспрессию антиапоптозных белков из семейства Bcl-2 (Bcl-2, Bcl-X_L). Эти белки угнетают действие других белков, принадлежащих к семейству Bcl-2, но обладающих проапоптозным действием (Bax,Bak, Noxa, Puma). Апоптозные стимулы, возникающие в самой клетке, часто происходят из ядра вследствие повреждения ДНК при облучении, применении лекарств, стрессе. В большинстве случаев повреждение ДНК сопровождается активацией транскрипционного фактора p53, который поддерживает экспрессию проапоптозных членов семейства белков-регуляторов апоптоза Bcl-2 и рецепторов смерти и угнетает экспрессию противоапоптозных белков Bcl-2 и Bcl-X_L. Кроме ядра и митохондрий в апоптозе участвуют и другие органеллы. Так, эндоплазматическая сеть и лизосомы также вовлечены в апоптоз. [108]