Механизмы апоптической смерти клеток

СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ

О МЕХАНИЗМАХ И ЗНАЧЕНИИ АПОПТОЗА

Основным законом клеточной кинетики является положение о том, что в единицу времени рождается и умирает одно и тоже количество клеток.

Механизмы и закономерности клеточной пролиферации достаточно хорошо изучены. Однако, в последнее десятилетие внимание биологов вновь привлекли проблемы механизмов и регуляции клеточной смерти.

Все клетки многоклеточных и некоторых одноклеточных организмов несут в себе генетически запрограммированную программу самоубийства. При ее активации наступает характерная, отличная от некроза, смерь клетки, называемая апоптозом.

Термин «апоптоз» был предложен в 1972 году от греческого apo – полное, ptosis – падение, утрата. J. Kerr заимствовал этот термин у Гиппократа, назвавшего так осенний листопад.

Апоптоз может быть включен множеством внутренних и внешних сигналов и направлен на освобождение от старых или наработанных в избытке клеток с нарушениями дифференцировки и повреждением генетического вещества, в том числе при вирусном заражении. Морфологические признаки апоптоза хорошо известны, являются следствием контролируемого самопереваривания, представлены сморщиванием клетки, конденсацией и фрагментацией ядра, разрушением цитоскелета и буллезным выпячиванием клеточной мембраны. Особенностью апоптоза является то, что умирающая клетка сохраняет целостность своей мембраны до полного завершения процесса и только тогда разрушение ее оболочки является сигналом для расположенных вблизи фагоцитов и завершения процесса клеточной дегенерации. Апоптические клетки, не подвергшиеся немедленному фагоцитозу, превращаются в мелкие, связанные с мембраной фрагменты, называемые апоптические тельца. Важной чертой апоптоза является то, что удаление умирающих клеток происходит без развития воспаления. В отличие от апоптоза, некроз представляет собой патологическую смерть клеток в результате их острого повреждения, разрыва оболочки, высвобождения содержимого цитоплазмы и индукции воспалительного процесса.

Механизмы апоптической смерти клеток

Пути реализации программы апоптоза зависят от индивидуальных особенностей клетки, характера и степени выраженности внешних и внутренних воздействий на нее.

Многое в механизмах апоптоза остается неясным, сигнальные пути передачи апоптического сигнала переплетаются с сигнальными путями других программ жизнедеятельности, создавая сложную картину внутри- и межклеточных взаимодействий, лежащих в основе регуляции и дифференцировки клеточного роста и развития.

Однако, некоторые механизмы апоптоза достаточно изучены, их обсуждение существенно для понимания многих вопросов регуляции кроветворения и иммуногенеза человека.

Процесс апоптоза может быть разделен на две фазы:

-формирование и проведение апоптических сигналов – фаза принятия решения;

- демонтаж клеточных структур – эффекторная фаза.

Рассмотрение цепочки апоптических событий начнем с завершающей стадии апоптоза.

Основными фигурантами эффекторной стадии апоптоза являются цистеиновые протеазы (каспазы). Каспазы расщепляют белки, являющиеся мишенями для их действия, характерным для апоптоза образом – в местах расположения аспарагиновых оснований. У человека обнаружено 14 видов каспаз. По своим функциональным особенностям все они могут быть разделены на 3 (три) группы:

- активаторы цитокинов (каспазы 1, 4, 5, 13);

-каспазы – индукторы активации эффекторных каспаз (каспазы 2, 8, 9, 10);

- эффекторные каспазы – исполнители апоптоза (каспазы 3, 6, 7).

Каспазы находятся в клетках в неактивном состоянии (прокаспазы). Активация каспаз происходит путем их протеолитического расщепления в местах расположения аспарагиновых оснований с последующей димеризацией образованных таким образом субъединиц.

Эффекторные каспазы, будичи активированными, начинают цепь протеолитических событий, целью которых является апоптический «демонтаж» клетки.

К ингибиторам эффекторных каспаз относятся белки семейства IAP, подавляющие активность каспаз 3 и 9. Интересно, что один из этих белков –Survin – обнаружен в опухолевых клетках большинства раков. С ним связывают резистентность опухолевых клеток к химиотерапии.

Исходя из решающей роли каспаз в процессе апоптоза, с биологической точки зрения апоптоз можно рассматривать, как клеточную смерть, индуцировааную каспазами.

Однако, каспазы являются основными, но не единственными ферментными системами, реализующими программу апоптоза. Иногда индукторами апоптоза являются активированные кальцием протеазы (кальпейн при апоптозе лейкемических клеток), сериновые и лизосомальные протеазы, эндонуклеазы.

Вне апоптического процесса каспазы находятся в неактивном состоянии. При необходимости эффекторные каспазы активируются особыми каспазами-индукторами. Их основные представители – каспазы 8 и 9. Эти каспазы рпи жизни клетки существуют в неактивном состоянии в форме прокаспаз. Выделяют 2(два) типа ведущих сигнальных путей:

1. Повреждение ДНК, радиация, действие токсичных агентов, действие глюкокортикоидов, прекращение цитокиновой регуляции, укорочение до критического уровны теломеров – активация каспазы 9. Повреждение ДНК вызыапет активацию гена p 53. Затем активируются проапоптические гены семейства bcl2 (Bax и Bid). Белки этих генов повышают проницаемость еммбраны митохондрий и выход в цитозоль цитохрома С, аденозинтрофосфорной кислоты (dАТФ), апоптозиндуцирующегоь факторыа (Aif) и ДНКазы, происходит апоптоз. Цитохром С вместе dАТФ активирует находящейся в цитозоле белок APAF-1, образуя апоптосому, в которой происходит активация каспазы 9. Последняя активирует каспазу 3, затем активируются другие каспазы, протеазы и ДНК-азы, происходит апоптоз. Высвобожденные из митохондрий Aif и ДНК-аза выполняют дополнительный внекаспазный путь апоптоза,реализуют свою активность непосредственно в ядре.

2. Проапоптические сигналы, возникающие при активации рецепторов «региона клеточной смерти» (например, Fas-R, TNF-R); активация каспазы 8. каспаза 8 способна к независимой активации каспазы 3. На этом пути может происходить и дополнительное вовлечение генов скмейства bcl2 путем активации каспазой 8 белков геноа Bid.

Модель апоптоза

Многое в регуляции апоптоза и его механизмах остается пока неясным. В частности, почему апоптозу могут подвергаться клетки, лишенные ядра, в условиях ареста белкового синтеза, изолированные ядра, находящиеся вне клеток. Клетки могут подвергаться апоптозу в любой стадии клеточного цикла, при этом их чувствительность к апоптическим стимулам различна.

Эти данные заставляют предположить, что отдельные компараменты клетки автономны в отношении апоптоза, а эффекторы его конституционально экспрессированы в каждой клетке, при этом контроль за их активностью может осуществляться с помощью как внутри-, так и внеклеточных сигналов.

Все это привело к созданию модели апоптоза, по которой каждая клетка при своем рождении как бы запрограммирована на самоуничтожение, условием ее жизни является временное блокирование этой программы, осуществляемое постоянно или с небольшими перерывами.

К наиболее серьезным биологическим ингибиторам апоптоза относятся ростовые факторы, экстрацеллюлярный матрикс, CD40-лиганд, нейтральные аминокислоты, цинк, эстрогены, андрогены. Механизм их действия неясен, его возможными путями могут быть снижение концентрации эффекторов апоптоза или снижение их активности до безвредного уровня, активация антиапоптических факторов.

Действие большинства ростовых факторов происходит через специфические рецепторы или FAS-R и реализуется через семью bcl-генов, индукция апоптоза может также происходить путем увеличения эндогенного уровня глюкокортикоидов – мощного проапоптического фактора.

Снижение или повышение способности клеток к апоптозу приводит к нарушению гомеостаза и может лежать в основе развития различной патологии.

Исследования последних лет показали, что патогенез многих болезней человека, в том числе рака, лейкозов, аутоиммунных болезней и вирусных инфекций, связан с неспособностью клеток подвергаться апоптозу. Такие болезни, как нейродегенеративные расстройства, СПИД, остеопороз, апластическая анемия и другие, могут быть связаны с повышенной способностью к апоптозу.