Апоптоз - запрограммированная клеточная смерть. Апоптоз клетки
«Программируемая гибель? А, это называется апоптоз», - скажет просвещенный читатель. На самом деле апоптоз - лишь один из многих видов программируемой клеточной смерти. Создавая сложные структуры и поддерживая их существование, природа, как Микеланджело, постоянно отсекает лишнее; клетки должны умирать, чтобы жил организм. И подобно всем жизненно важным биологическим процессам, программируемая гибель клеток - ключ к лечению многих заболеваний.
Статья написана по материалам лекции, прочитанной автором на Зимней научной школе «Современная биология и биотехнологии будущего».
39 километров кишечника
Гибель клетки может быть пассивным или активным процессом. Пассивный - смерть от повреждений, которые клетка неспособна починить. Активный процесс имеет место, когда клетка выполнила свою функцию и должна уйти со сцены, уступить дорогу другим клеткам. Характерный пример - эмбриональное развитие: формирование органа в растущем организме происходит не только за счет роста и деления клеток, но и за счет удаления «лишних». Впрочем, и после повреждения может включаться активный процесс гибели: «плановое» устранение бывает предпочтительнее неуправляемого распада.
Любая популяция клеток регулируется тремя процессами, одинаково важными: деление, дифференцировка - превращение молодых клеток в зрелые (при этом их количество может как увеличиваться, так и уменьшаться) и гибель клеток. Тело взрослого человека состоит из десятков триллионов клеток, и ежедневно каждый из нас теряет десятки миллиардов из них, в пересчете на вес - примерно килограмм. Само собой разумеется, потерю восполняют новые клетки, так что мы не теряем по килограмму в день. (Кстати, жировые клетки, которым желают погибели многие худеющие, с возрастом могут прибавляться в числе, а умирают неохотно.) Все мы знаем, как слущивается и обновляется поверхностный слой кожи - эпидермис. В числе наиболее активно гибнущих - клетки эпителия кишечника: на протяжении жизни человека они заменяются примерно 4000 раз. Если бы старые клетки не погибали, то за 70 лет наш кишечник достиг бы длины 39 км! Активно обновляются и клетки костного мозга - за те же 70 лет организм производит их около трех тонн. Еще один пример - тимус, в котором рождаются и созревают клетки иммунной системы. Примерно 90% тимоцитов - так называют лимфоциты, пока они находятся в тимусе, - в нем же и погибают, и лишь 10% выходит за его пределы.
В индивидуальном развитии человека или любого другого существа тоже не обойтись без программируемой гибели клеток. Хрестоматийный пример апоптоза - исчезновение хвоста у головастика; интересно, что этот процесс вместе с другими метаморфозами регулируется изменением уровня тироидного гормона в крови. А чтобы у животного сформировались пальцы на лапе, должны исчезнуть клетки, расположенные между зачатками пальцев (рис. 1). Программируемая гибель клеток участвует и в созревании половых органов, и в развитии мозга. Погибшие при апоптозе клетки организма должны быть съедены соседними клетками либо макрофагами - профессионалами пожирания. Благодаря этому апоптоз почти никогда не сопровождается воспалением. Подробнее об этом можно прочитать в недавно опубликованных статьях (H. Yamaguchi et al., 2014, , eLIFE, 3:e02172; D. Wallach, A. Kovalenko, 2014, Apoptosis: Keeping inflammation at bay , eLIFE, 3:e02583).
Очевидно, что смерть клеток должна строго регулироваться, они должны погибать в определенное время и в определенном месте, иначе в организме воцарится хаос.
Бабочка и червь
Феномен программируемой гибели клеток известен уже более ста лет, но до середины прошлого века он почти не привлекал внимания ученых. Автором термина «программируемая клеточная смерть» стал американский клеточный биолог Ричард Локшин. В середине 60-х годов прошлого века он был аспирантом у Кэрролла Уильямса в Гарвардском университете и, по его собственным рассказам, уже начинал волноваться - четыре года в аспирантуре, и все еще никаких публикаций! Однако в 1964–1965 годы вышло сразу пять статей Локшина и Уильямса под общим названием “Programmed cell death”. Объектом их исследований был шелкопряд - в метаморфозе бабочки удаление «ненужных» структур совершенно необходимо.
Важную роль в развитии этого направления сыграла работа доктора Таты (J. R. Tata, C. C. Widnell, Biochemical Journal , 1966, 98, 604–620), который показал, что процесс гибели клеток требует синтеза РНК и белков. Это значило, что гибель бывает не случайной, а генетически детерминируемой, происходящей «по свободному выбору» клетки или организма.
Тогда же, в 60-е, биолог Сидней Бреннер, выходец из Южной Африки, работавший в Великобритании, предложил новый модельный объект для исследования индивидуального развития организмов - червячка Caenorhabditis elegans , обитающего в почве. Эти крошечные существа интересны тем, что тела взрослых особей состоят из строго определенного числа клеток, участь каждой из которых предопределена. Через четыре десятилетия, в 2002 году, Сидней Бреннер вместе с Робертом Хорвитцом и Джоном Салстоном получили Нобелевскую премию по физиологии или медицине за идентификацию генов нематоды, контролирующих развитие органов и программируемую гибель клеток.
С другой стороны, медицине еще в XIX веке были известны явления, которые мы теперь называем апоптозом (например, редукция эпителия матки во второй половине менструального цикла). В 1965 году этой темой заинтересовался австралийский патолог Джон Керр из Квинслендского университета. Исследуя электронно-микроскопические препараты тканей, он обнаружил картину клеточной смерти, принципиально отличную от некроза. Позднее он приехал на саббатикал в Шотландию, в Абердинский университет, по приглашению Аластора Карри - одного из самых известных патологов того времени. (Слово «саббатикал» в данном случае можно перевести на русский как «творческий отпуск».) Результатом их совместной работы стала знаменитая ныне статья «Апоптоз как фундаментальный биологический феномен с множественными функциями в регуляции кинетики тканей». Третьим соавтором был Эндрю Уайли, аспирант Карри. Термин «апоптоз» авторам предложил Джеймс Кормак, профессор греческого языка в Абердинском университете. Это слово может быть переведено как опадание листьев, лепестков, но его также употребляли Гиппократ и Гален, обозначая отмирание и потерю ненужных организму частиц.
Любопытно, что трое соавторов посылали свою статью в ведущие журналы того времени и везде ее отклоняли, оценивая тему как малоинтересную. Карри был членом редколлегии British Journal of Cancer , и он уговорил редактора принять статью к публикации (Kerr, Wyllie, Currie, 1972, 26, 4, 239–257, DOI:10.1038/bjc.1972.33). Это «любезное одолжение» в дальнейшем сильно увеличило импакт-фактор журнала - статью цитировали тысячи раз и продолжают цитировать по сей день. В настоящее время эта тематика никому не кажется бесперспективной. По моим подсчетам, каждые 24 минуты появляется новая публикация, включающая термины «апоптоз», «некроз», «аутофагия» или «программируемая гибель клеток».
Пересадки на путях гибели
Исследование программируемой клеточной смерти имеет не только фундаментальное, но и прикладное значение: сегодня это важный аспект клинической медицины. Причиной многих хронических заболеваний оказались изменения в регуляции процесса гибели клеток. Изменения могут иметь генетическое или иное происхождение, но, так или иначе, патология характеризуется избыточной гибелью клеток или выживанием дефектных, которые должны были погибнуть. К первой категории относятся некоторые нейродегенеративные, гематологические, иммунные, инфекционные и метаболические заболевания. Вторая категория - появление в организме «лишних», потенциально дефектных клеток - это прежде всего опухоли и предопухолевые состояния, но также аутоиммунные, инфекционные, метаболические и гематологические заболевания. Для понимания патофизиологии этих многочисленных заболеваний принципиально важно узнать, из-за чего и где произошел сбой.
Механизмы регуляции клеточной смерти оказались весьма сложными, и, несмотря на колоссальный прогресс в этой области, многое остается непонятным. Необходимо детально разобраться в сигнальных путях, приводящих к гибели клетки. Сейчас считается, что существует основной, сердцевинный (коровый) путь с ответвлениями, которые ведут или к специфическим механизмам гибели клеток в отдельных тканях, или к патологиям.
Номенклатурный комитет по исследованию гибели клеток, в который я имею честь входить, по совокупности морфологических и биохимических изменений выделил четыре типичных вида клеточной смерти - апоптоз, некроз, аутофагию и корнификацию (ороговение), а также восемь атипичных видов. Каждый из них протекает по своему пути. При этом нельзя сказать, что типичные важнее атипичных, они просто лучше изучены.
Во второй группе есть по крайней мере два типа гибели, которые известны всем если не по названию, то как явление. Например, когда молодая мать перестает кормить младенца и объем груди уменьшается, клетки молочной железы гибнут по специфическому пути, который называется аноикис. Другой пример - митотическая катастрофа, массовая гибель клеток, которая наблюдается после несильного радиационного воздействия, а также после некоторых других стрессовых факторов, например химиотерапии. При этом клетка «застревает» в одной из фаз деления (митоза), а затем либо может бесконтрольно расти и увеличивать свой объем, либо погибает. И хорошо, что погибает: клетке с нарушенным хромосомным набором лучше сойти со сцены.
Митотическая катастрофа была описана еще в 80-е годы ХХ века, однако не было понятно, в частности, считать ли ее разновидностью программируемой смерти или пассивной гибелью из-за «поломки». Внести ясность посчастливилось двум лабораториям - нашей в Каролинском институте и коллег из Франции. Моя аспирантка Хелин Вакифахметоглу выяснила, что митотическая катастрофа может протекать либо в виде апоптоза, либо в виде некроза, в зависимости от того, какие белки экспрессируются в той или иной ткани, и это не просто поломка, а именно программируемое событие (Vakifahmetoglu H., Olsson M., Zhivotovsky B., “Death through a tragedy: mitotic catastrophe”, Cell Death and Differentiation , 2008; 15: 1153–1162). Исследования в данном направлении продолжаются в нашей лаборатории в МГУ.
Самое интересное, что между путями гибели клеток имеются своего рода пересадочные станции, и это еще усложняет картину, делая ее похожей на схему метрополитена в мегаполисе вроде Нью-Йорка или Москвы. Почему в разных клетках и тканях работают различные формы гибели, что нужно сделать, чтобы, скажем, раковая клетка, у которой заблокирован один из путей гибели, «сделала пересадку» и направилась по другому пути, - все эти вопросы изучаются в настоящее время.
Несколько лет назад Европейский союз выделил 12 миллионов евро на поддержку исследовательского проекта, в котором участвовали биологи- экспериментаторы, врачи, специалисты по математическому моделированию из 12 стран. Мне посчастливилось руководить этим проектом. Его задачей было исследовать сигнальные пути, ведущие к апоптозу и другим типам гибели клеток при ВИЧ-инфекции и онкологических заболеваниях, в частности раке легких, а также в нормальных клетках. (Выбор пал на эти заболевания не только из-за их большой значимости: при СПИДе наблюдается избыточная гибель клеток, при раке - недостаточная.) Эксперименты проводили на клеточных культурах человека, на модельных организмах - дрожжах, нематоде C. elegans и мышах, выполняли также клинические испытания. Проект завершился в 2013 году; в результате удалось получить тесты для выявления патологий и разработать подходы к новым методам терапии.
Что касается теоретического выхода - итоговая схема путей клеточной гибели (рис. 2) довольно сложна, и рассказать о ней полностью в короткой статье невозможно. И все же нетрудно заметить, что перспективных мишеней для воздействия довольно много (на схеме они обозначены минусами). На этих этапах клеточную смерть можно остановить или, если заменить минусы плюсами, ускорить.
Каспазы, «страж генома» и другие
Одна из сложностей состоит в том, что белки, участвующие в регуляции гибели клеток, выполняют и другие функции. Это и понятно: трудно представить, чтобы рациональная природа создала специальную систему исключительно для умерщвления клеток. По логике вещей, составляющие этой системы должны в норме делать какую-нибудь полезную работу, а при необходимости мобилизоваться, чтобы убрать патологические клетки. Такая многофункциональность усложняет терапию: воздействуя на звено апоптозного пути, важно не помешать работе этого компонента в нормальной ткани.
Почетное место в апоптотической форме клеточной гибели занимают каспазы - семейство из тринадцати белков, разделенных на две группы, которые участвуют в развитии апоптоза или воспаления. Каспазы относятся к протеазам - ферментам, расщепляющим другие белки, причем результаты этой их активности могут быть самыми разными, даже когда речь идет об одном и том же ферменте, но в разных тканях и при различных условиях. Так, при окислительном стрессе каспаза 1 расщепляет интерлейкин 1В, превращая его в активную форму. (Интерлейкины играют центральную роль в иммунных и воспалительных процессах.) Это может быть причиной ишемии в клетках печени и миокарда; на клеточном уровне происходит апоптоз, который в случае нарушений фагоцитоза может трансформироваться в некроз. В печеночной ткани та же каспаза может расщепить белок, приводя к переключению апоптотической программы в аутофагическую, а затем и к геморрагическому шоку. С другой стороны, если полностью убрать этот белок, это вызывает гибель клеток печени по типу некроза.
В 1990–2000-е годы многие фармацевтические фирмы вкладывали огромные деньги в разработку ингибиторов каспаз. Теперь практически все прекратили работу в этом направлении, поскольку ингибиторы оказались токсичными, - именно потому, что блокируют нормальную функцию каспаз в клетках. В настоящее время ингибиторы каспаз используют лишь в экстренных ситуациях, например при остром циррозе печени, когда необходимо как можно скорее остановить разрушение ткани. Другой пример - такое тяжелое заболевание, как болезнь Крона: хроническое воспаление всех отделов желудочно-кишечного тракта, от полости рта до прямой кишки, с образованием свищей, инфекционными осложнениями и прочими проблемами. При лечении болезни Крона (а также ревматоидного артрита и язвенного колита) хорошо показал себя препарат инфликсимаб, в России известный как ремикейд, - он действует как раз через каспазу-1.
Белки семейства IAP - ingibitors of apoptosis proteases - в соответствии с названием, ингибируют апоптотические протеазы, то есть каспазы, тем самым выключая апоптоз. В нормальных клетках белки IAP может обезвредить митохондриальный белок SMAC (second mitochondria-derived activator of caspases ) - он выходит из митохондрий, соединяется с IAP и убирает их функцию. Логично было использовать этот эффект для терапии. И действительно, низкомолекулярные миметики SMAC (небольшие молекулы, имитирующие функцию этого белка) показали себя достаточно эффективными при терапии глиомы - опухоли мозга (рис. 3). По некоторым обмолвкам врачей в российских СМИ можно предположить, что подобными препаратами (но, конечно, не только ими) лечили в США певицу Жанну Фриске.
Http:="" target="_blank">10.1038/nm735). В настоящее время данные миметики SMAC находятся на третьей фазе клинических испытаний" border=0 >
Следующий важный элемент схемы - Bcl-2. Перенос его гена с одной хромосомы на другую (транслокация) ассоциируется с лимфомой В-клеток. Отсюда название белка и его гена - аббревиатура B cell lymphoma. В 80-е годы ХХ века австралийский биолог Дэвид Во с коллегами показал, что этот белок работает как антиапоптотический, препятствуя гибели В-клеток; вскоре это подтвердили и другие исследователи. Таким образом, впервые было доказано, что белки, участвующие в негативной регуляции гибели клеток, могут работать как онкогены: если апоптоз блокирован и дефектные клетки не погибают, заболевание развивается.
С этой публикацией связана интересная история. Дэвид Во в то время был аспирантом в Институте медицинских исследований Уолтера и Элизы Холл в Мельбурне. Его научный руководитель, доктор Сьюзен Кори, результаты Дэвида по Bcl-2 встретила холодно. Но Дэвид, будучи упорным человеком, отправился за поддержкой к своему второму руководителю - доктору Джерри Адамсу, и тот решил, что работа заслуживает внимания. Интрига заключалась в том, что второй руководитель был мужем первого. Итогом рабочих и, возможно, внерабочих дискуссий стала совместная публикация руководителей и аспиранта (D. L. Vaux, S. Cory, J. M. Adams, Nature , 1988, 335, 440–442).
Сейчас известно целое семейство белков Bcl-2 - регуляторов апоптоза, названное в честь первого такого белка. Одни из них подавляют гибель клетки, другие ее активируют, причем последние разделяются на две группы. Это создает проблемы при лекарственном воздействии на них. Делались попытки, например в компании «Genentech», выключить ген Bcl-2 с помощью антисмысловой ДНК или РНК. (Понятно, что, если удалить из клетки антиапоптотический белок, должен развиться апоптоз.) На клетках в культуре все получалось отлично, но, когда перешли к экспериментам на животных, оказалось, что клетки по-прежнему нечувствительны к гибели, хотя уровень белка-мишени падает - его замещает другой белок семейства. При использовании антисмысловых молекул к двум белкам повысился уровень третьего... Нужно было искать другие подходы.
Белок еще более знаменитый, чем Bcl-2 и каспазы, - антионкоген р53, который часто называют «стражем генома». У него много функций, но то, что знают о нем все, - р53 активируется в ответ на стрессовые стимулы и другие факторы, способные привести к мутациям в ДНК, и включает гибель клетки. Мутации в гене этого белка часто бывают связаны с онкологическими заболеваниями. Нормальный же белок p53 заставляет клетку погибнуть в апоптозе, убирая антиапоптотическую функцию Bcl-2. Следовательно, если причина онкологического заболевания - мутация в p53, потенциально хорошим лекарством будет вещество, которое выключало бы функцию белков семейства Bcl-2. Нет активности антиапоптотических белков - есть апоптоз, и р53 уже не нужен.
Такие соединения действительно существуют. Первое из них, под названием ABT 737, в середине прошлого десятилетия было получено американской фармацевтической корпорацией “Abbott Laboratories”. Более совершенный «потомок» этого препарата, ABT 199, активный при лейкемии и лимфоме В-клеток, сейчас проходит третью фазу клинических испытаний.
Конечно, при проблемах с р53 можно использовать не только этот подход. Все варианты трудно перечислить: используется и генная терапия - внедрение гена нормального р53 в аденовирусном векторе, и целенаправленное уничтожение клеток, дефектных по этому гену. Перспективны для применения в клинике и активация нормального, но «спящего» р53, и реактивация мутантного белка. Уже имеются низкомолекулярные соединения, которые воздействуют на различные участки (домены) р53 и восстанавливают его функцию. Формулы двух таких молекул, PRIMA-1 и RITA, впервые исследованных в Каролинском институте, под руководством Галины Селивановой и Класа Вимана, представлены на рисунке. Я совместно с Класом Виманом работал с соединением PRIMA-1, восстанавливающим функцию мутантного р53, и нам удалось показать, что в зависимости от ситуации он может вызывать или апоптоз, или аутофагию.
В настоящее время большое значение придается изучению медицинских аспектов явления аутофагии - «самопожирания» клетки. При аутофагии внутренние структуры клетки доставляются в лизосомы - пузырьки с ферментами, расщепляющими биомолекулы, и там разрушаются. Впервые аутофагию описал в 1963 году бельгийский биолог Кристиан де Дюв, лауреат Нобелевской премии 1974 года по физиологии или медицине (см. «Химию и жизнь», 2013, №11). Аутофагия сама по себе - сложное явление, в разных случаях она управляется различными механизмами.
Интересно, что аутофагия в опухоли может как подавлять ее развитие, так и способствовать ему. Однако совокупность последних данных говорит о том, что можно заставить аутофагию работать только на гибель опухоли. Не исключено, что удастся как-то использовать связь между аутофагией и апоптозом, переключения между этими двумя маршрутами.
Возможности аутофагии в борьбе с онкологическими заболеваниями наши лаборатории в МГУ и в Каролинском институте изучают совместно с клиницистами из Российского онкологического научного центра имени Н. Н. Блохина. Идея выглядела парадоксально: не стимулировать, а подавить аутофагию в клетках опухоли. Известно, что при этом в клетке накапливаются активные формы кислорода (АФК) и она становится более чувствительной к инициации процесса гибели. Мы попытались проверить это на практике и убедились, что идея работает: ингибирование аутофагии на определенных участках привело к накоплению АФК, и, если в этот момент подействовать специфическими противоопухолевыми препаратами, можно эффективно убить опухоль. Замечу, что эта работа была выполнена только на аденокарциноме легкого, мы не проверяли результаты ни на каких других видах новообразований, и наше представление о механизме пока остается рабочей гипотезой.
«Работайте старательно, но быстро»
Из всего сказанного выше следует важный вывод: когда вы слышите о волшебном препарате, который «лечит все виды онкологии», то можете быть уверены, что это блеф. Рак нельзя вылечить одним-единственным препаратом, потому что у него нет одной-единственной причины. Это системное заболевание, и, чтобы бороться с ним, необходимо полностью проанализировать систему, понять, что и где неправильно работает. Только при комплексном лечении удается достичь результатов. Например, ABT 199 действительно эффективен против В-клеточной лимфомы, но, чтобы полностью убить опухоль, его назначают в комплексе с другими веществами. И важно определить, какие препараты следует применять в каждом конкретном случае.
Характерный пример - рак легкого. Это название объединяет по крайней мере четыре разных заболевания: мелкоклеточный и немелкоклеточный рак, который, в свою очередь, делится еще на три вида: аденокарциному, плоскоклеточный и крупноклеточный рак. Это деление отнюдь не формальное: у них абсолютно разные генетические основы, биохимия, этиология, общего - только локализация в легком. Конечно же и лечить их нельзя одинаково.
Нужно учитывать еще и такой фактор, как индивидуальная чувствительность больных к терапии. Около 15 лет назад в США был создан препарат для лечения аденокарциномы и других немелкоклеточных раков, получивший название Иресса (гефитиниб). Испытания на клетках в культуре и на животных показали хорошие результаты, и, поскольку рак легких очень распространен в Японии, американское Агентство по контролю пищевых продуктов и лекарств (FDA) решило проводить третью фазу клинических испытаний именно там. Примерно треть пациентов с аденокарциномой легкого отвечала на терапию - великолепное достижение. Но когда FDA допустило этот препарат к применению в США, произошло фиаско: эффект был всего у 2% больных. Дело в том, что Иресса - ингибитор рецептора эпидермального фактора роста EGF, известного как онкоген, а при аденокарциноме могут быть мутации в гене этого белка. В Японии определенная мутация, ранее не известная, встречалась у 30% пациентов, а в Америке приблизительно у 2% - им-то и помогал препарат. Не случайно Евросоюз поддерживает сейчас большую программу персональной медицины. Программа весьма дорогостоящая, но без нее не продвинуться вперед.
Хотя пока не приходится говорить о полной победе над раком, в последние годы достигнуты большие успехи, в том числе благодаря исследованиям в такой «неприкладной» области, как программируемая гибель клеток. Поэтому более чем странно слышать от компетентных лиц, занимающих высокие посты, что в задачи Министерства здравоохранения РФ «не входит исследование фундаментальных аспектов медицины». Не будет фундаментальных исследований - не будет и практических результатов. Но разумеется, одной фундаментальной науки недостаточно. Путь от идеи до разрешенного к применению лекарства - скрининг, оптимизация, выбор среди кандидатов, все необходимые тесты, затем клинические испытания - при самых благоприятных условиях займет примерно десять лет и обойдется в миллиард долларов. Таковы общемировые тенденции, и на этом не стоит экономить: цена ошибки может быть слишком высокой.
В заключение я хотел бы передать молодым читателям совет, который сам услышал, когда был аспирантом третьего года обучения. В те годы в Ленинграде жил и работал академик Евгений Михайлович Крепс, директор Института эволюционной физиологии и биохимии имени И. М. Сеченова. Это был очень своеобразный и безумно интересный человек. B 1937 году его арестовали за якобы «вредительскую деятельность в пользу ряда западных государств», несколько лет он провел в лагерях. Однако случилось чудо: после вмешательства академика Л. А. Орбели Евгений Михайлович был освобожден по пересмотру дела «ввиду отсутствия состава преступления», вернулся в Ленинград и продолжил занятия наукой. Я пришел к нему, чтобы попросить представить нашу статью в журнал «Доклады Академии наук СССР». Евгений Михайлович сказал: хорошо, я посмотрю и вам позвоню. Честно говоря, я не особенно надеялся на это, слишком суров был его взгляд. Однако день спустя действительно раздался звонок, он пригласил меня к себе и попросил объяснить, что такое гибель клеток. Я объяснил, как мог. Особенно Евгению Михайловичу понравилось то, что патофизиологию некоторых неврологических заболеваний возможно будет объяснить феноменом программируемой гибели клеток, хотя в то время подобных работ было совсем мало. Он согласился представить статью, которая затем благополучно вышла в журнале. И сказал такую фразу: «Знаете, Боря, вы молодой, но время летит. Одному ученому хватит лет тридцать - сорок, чтобы стать академиком или даже лауреатом Нобелевской премии, а другому может понадобиться для этого лет двести, если он доживет. Поэтому работайте быстро, но старательно». Причины, по которым придется ждать и откладывать задуманное, найдутся всегда. Но следует избегать промедлений там, где это зависит от нас.
Является естественным процессом в организме. Он включает в себя контролируемую последовательность событий, в которых клетка сигнализируют о самоуничтожении. Апоптоз помогает контролировать естественный процесс деления клеток посредством .
Почему клетки проходят апоптоз?
Существует несколько случаев, когда клеткам необходимо самоуничтожение. Например, естественный процесс менструации включает в себя распад и удаление ткани из матки. Также клетки могут подвергнутся повреждению или некоторым типам инфекции. Один из способов убрать эти клетки, не причинив вреда здоровым клеткам, является апоптоз.
Что происходит во время апоптоза?
Апоптоз - сложный процесс, который включает в себя множество событий. Во время апоптоза клетка вызывает процесс изнутри, что позволяет ей совершить самоубийство. Если клетка испытывает некоторый тип значительного стресса, такой как повреждение ДНК, то высвобождаются сигналы, которые активируют для высвобождения белков индуцирующих апоптоз.
В результате клетка подвергается уменьшению размера, поскольку ее клеточные компоненты и разрушаются и конденсируются. На поверхности появляются пузырьки, повышающие ее проницаемость. Затем клетка разделяется на более мелкие фрагменты, называемые апоптозными телами. Эти фрагменты заключены в мембраны, чтобы не повредить соседние клетки.
Затем фагоцитарные клетки, такие как , поглощают и разрушают апоптотические тела, не вызывая воспалительную реакцию. Апоптоз также может запускаться снаружи химическими веществами, которые связываются с конкретными рецепторами на поверхности клетки. Это путь, используемый некоторыми лейкоцитами для активации апоптоза в инфицированных клетках.
Апоптоз и рак
Некоторые виды рака сохраняются в результате неспособности клетки пройти апоптоз. Опухолевые вирусы меняют клетки путем интеграции их генетического материала с ДНК клетки-хозяина. Эти вирусы инициируют производство белков, останавливающими процесс апоптоза. Пример этого можно увидеть с вирусами папилломы, которые связывают с раком шейки матки. Раковые клетки, которые не развиваются из вирусной инфекции, могут также продуцировать вещества, ингибирующие апоптоз и способствуют неконтролируемому росту. Радиационная и химическая терапия используется для индукции апоптоза при некоторых видах рака.
Определение апоптоза. Апоптоз – феномен наследственно запрограммированной смерти клеток. Каждая клетка при своем рождении как бы запрограммирована на самоуничтожение. Условие ее жизни – блокирование этой суицидальной программы.
Апоптоз реализуется для клеток:
Старых, отживших свой срок;
Клеток с нарушениями дифференцировки;
Клеток с нарушениями генетического аппарата;
Клеток, пораженных вирусами.
Морфологические признаки апоптоза.
Сморщивание клетки;
Конденсация и фрагментация ядра;
Разрушение цитоскелета;
Буллезное выпячивание клеточной мембраны.
Особенность апоптоза – апоптоз не вызывает воспаления в окружающих тканях.Причина - сохранность мембраны и → изоляция повреждающих факторов цитоплазмы до полного завершения процесса (О 2 - , Н 2 О 2 , лизосомальные ферменты). Эта особенность – важная позитивная черта апоптоза, в отличие от некроза. При некрозе мембрана повреждается (или разрывается) сразу же. Поэтому при некрозе содержимое цитоплазмы высвобождается (О 2 - , Н 2 О 2 , лизосомальные ферменты). Возникает повреждение соседних клеток и воспалительный процесс. Важная черта апоптоза - удаление умирающих клеток происходит без развития воспаления.
Процесс апоптоза - может быть разделен на 2 (две) фазы:
1. Формирование и проведение апоптических сигналов – фаза принятия решения.
2. Демонтаж клеточных структур – эффекторная фаза.
1-я фаза – принятия решения (=формирование и принятие апоптических сигналов). Это фаза принятия стимулов для апоптоза. В зависимости от характера стимулов, может быть 2 (два) типа сигнальных путей:
1) повреждение ДНК в результате радиации, действия токсических агентов, глюкокортикоидов и т.д.
2) активация рецепторов «региона клеточной смерти» . Рецепторы «региона клеточной смерти» - это группа рецепторов на мембранах любых клеток, которые воспринимают проапоптические стимулы. Если количество и активность таких рецепторов увеличивается, то увеличивается количество апоптически гибнущих клеток. К рецепторам «региона клеточной смерти» относятся: а) TNF-R (связывается с фактором некроза опухолей и активирует апоптоз); б) Fas-R (к); в) CD45-R (связывается с антителами и активирует апоптоз).
В зависимости от типа сигнала, существует 2 (два) основных способа апоптоза: а) в результате повреждения ДНК;
б) в результате самостоятельной активации рецепторов «региона клеточной смерти» без повреждения ДНК.
2-я фаза – эффекторная (=демонтаж клеточных структур. Основные фигуранты эффекторной фазы:
Цистеиновые протеазы (каспазы);
Эндонуклеазы;
Сериновые и лизосомальные протеазы;
Протеазы, активированные Ca ++ (кальпейн)
Но! Среди них основные эффекторы демонтажа клеточных структур – каспазы.
Классификация каспаз - 3 (три) группы:
Эффекторные каспазы - каспазы 3, 6, 7.
Индукторы активации эффекторных каспаз – каспазы 2, 8, 9, 10. = активаторы цитокинов – каспазы 1, 4, 5, 13.
Эффекторные каспазы – каспазы 3, 6, 7. Это непосредственные исполнители апоптоза. Эти каспазы находятся в клетке в неактивном состоянии. Активированные эффекторные каспазы начинают цепь протеолитических событий, целью которых является «демонтаж» клетки. Их активируют индукторы активации эффекторных каспаз.
Индукторы активации эффекторных каспаз – каспазы 2, 8, 9, 10. Основные индукторы – каспазы 8 и 9 . Они активируют эффекторные каспазы. Механизм – расщепление аспарагиновых оснований с последующей димеризацией активных субъединиц. Эти каспазы при обычном состоянии в клетках неактивны, существуют в форме прокаспаз.
Активация тех или иных индукторов зависит от типа сигнального пути:
1. При повреждении ДНК задействован сигнальный путь № 1, активируется каспаза № 9.
2. При активации рецепторов клеточной смерти задействован сигнальный путь № 2, активируется каспаза № 8.
Сигнальный путь № 1 (связан с повреждением ДНК)
Повреждение ДНК
Активация гена р53 и продукция соответствующего белка
Активация проапоптических генов семейства BCL-2 (BAX и BID)
Образование белков этих генов
Активация каспазы 9
Активация каспазы 3
Сигнальный путь № 2
(связан с активацией «региона клеточной смерти»)
Лиганд + рецепторы «региона клеточной смерти»
Активация каспазы № 8
Независимая активация каспазы № 3
Активация других каспаз и протеаз
Регуляция апоптоза. Исследования последних лет привели к созданию модели апоптоза. По этой модели каждая клетка при своем рождении запрограммирована на самоуничтожение. Следовательно, условием ее жизни является блокирование этой суицидальной программы. Основная задача регуляции апоптоза – держать эффекторные каспазы в неактивном состоянии, но быстро переводить их в активную форму в ответ на минимальное действие соответствующих индукторов.
Отсюда, понятие ингибиторов и активаторов апоптоза.
Ингибиторы апоптоза (=антиапоптические факторы). К наиболее серьезным ингибиторам апоптоза относятся ростовые факторы. Другие: нейтральные аминокислоты, цинк, эстрогены, андрогены, некоторые белки.
Пример: Белки семейства IAP – подавляют активность каспаз 3 и 9. Запомнить: один из этих белков (Survin) обнаружен в опухолевых клетках. С ним связывают резистентность опухолевых клеток к химиотерапии
Активаторы апоптоза (=проапоптические факторы). Это проапоптические гены и их продукция: а) гены семейства BCL-2 (BAX и BID); б) гены Rb и P53 (запускают апоптоз, если клетка задержана механизмом checkpoint.
Резюме. Патогенез многих заболеваний, в том числе и опухолевых, связан со снижением способности клеток подвергаться апоптозу. Отсюда накопление поврежденных клеток и формирование опухоли.
ПАТОФИЗИОЛОГИЯ КЛЕТОЧНОГО ДЕЛЕНИЯ
Основное отличие деления здоровой и опухолевой клетки:
Деление здоровой клетки регулируется паракринным и эндокринным способом. Клетка подчиняется этим сигналам и делится только в том случае, если организм нуждается в образовании новых клеток данного вида.
Деление опухолевой клетки регулируется аутокринным способом. Опухолевая клетка сама образует митогенные стимуляторы и сама же делится под их влиянием. Она не отвечает на паракринные и эндокринные стимулы.
Существует 2(два) механизма опухолевой трансформации клеток:
1. Активация онкогенов.
2. Инактивация генов-супрессоров.
АКТИВАЦИЯ ОНКОГЕНОВ
Прежде всего 2 (два) главных понятия: = протоонкогены;
Онкогены.
Протоонкогены – это нормальные, неповрежденные гены, которые контролируют деление здоровой клетки.
К протоонкогенам относятся гены, контролирующие образование и работу:
1. Ростовых факторов.
2. Мембранных рецепторов к ростовым факторам, например тирозинкиназных рецепторов.
3. Ras-белков.
4. MAP-киназ, участниц МАР-киназного каскада.
5. Транскрипционных факторов AP-1.
Онкогены – поврежденные протоонкогены. Процесс повреждения протоонкогена и трансформация его в онкоген называется активация онкогена.
Механизмы активации онкогена.
1. Включение (вставка) промотора. Промотор – это участок ДНК, с которым связывается РНК-полимераза протоонкогена. Необходимое условие – промотор должен находится в непосредственной близости с протоонкогеном. Отсюда варианты: а) промотор - ДНК-копия онкорнавирусов; б) «прыгающие гены» - участки ДНК, способные перемещаться и встраиваться в разные участки генома клетки.
2. Амплификация – увеличение числа протоонкогенов или появление копий протоонкогенов. Протоонкогены в норме обладают небольшой активностью. При увеличении числа или появлении копий их общая активность значительно возрастает и это может привести к опухолевой трансформации клетки.
3. Транслокация протоонкогенов. Это перемещение протоонкогена в локус с функционирующим промотором.
4. Мутации протоонкогенов.
Продукция онкогенов. Онкогены образуют свои белки. Эти белки называются «онкобелки».
Синтез онкобелков называется «экспрессия активных клеточных онкогенов».
Онкобелки – в основе своей есть аналоги белков протоонкогенов: ростовых факторов, Ras-белков, МАР-киназ, транскрипционных факторов. Но есть количественные и качественные отличия онкогенов от белков протоонкогенов.
Отличия онкобелков от нормальной продукции протоонкогенов:
1. Увеличение синтеза онкобелков по сравнению с синтезом белков протоонкогенов.
2. Онкобелки имеют структурные отличия от белков протоонкогенов.
Механизм действия онкобелков.
1. Онкобелки соединяются с рецепторами для факторов роста и образуют комплексы, постоянно генерирующие сигналы к делению клетки.
2. Онкобелки повышают чувствительность рецепторов к факторам роста или понижают чувствительность к ингибиторам роста.
3. Онкобелки могут сами действовать как факторы роста.
ИНАКТИВАЦИЯ ГЕНОВ-СУПРЕССОРОВ
Гены-супрессоры: Rb и р53.
Их продукция – соответствующие белки.
Инактивация генов-супрессоров (наследственное или приобретенное) ведет к пропуску в митоз клеток с поврежденной ДНК, размножению и накоплению этих клеток. Это – возможная причина формирования опухоли.
ОПУХОЛЕВЫЙ РОСТ: ОПРЕДЕЛЕНИЕ, ПРИЧИНЫ УВЕЛИЧЕНИЯ КОЛИЧЕСТВА ЗЛОКАЧЕСТВЕННЫХ ЗАБОЛЕВАНИЙ
Опухоль – патологическое разрастание, отличающееся от других патологических разрастаний наследственно закрепленной способностью к неограниченному неконтролируемому росту.
Другие патологические разрастания – гиперплазия, гипертрофия, регенерация после повреждения.
Причины увеличения количества злокачественных заболеваний среди населения:
1. Увеличение продолжительности жизни.
2. Улучшение качества диагностики → увеличение выявляемости онкологических заболеваний.
3. Ухудшение экологической обстановки, увеличение содержания канцерогенных факторов в окружающей среде.
ДОБРОКАЧЕСТВЕННЫЕ И ЗЛОКАЧЕСТВЕННЫЕ ОПУХОЛИ
Единой классификации опухолей до сих пор не создано. Причина:
1. Большое разнообразие признаков, характерных для различных опухолей.
2. Недостаточность знания их этиологии и патогенеза.
В основе современных классификаций - главные морфологические и клинические признаки опухолей.
На основе клинической характеристики все опухоли делят на доброкачественные и злокачественные.
Доброкачественные опухоли:
1. Клетки опухоли морфологически идентичны или похожи на нормальные клетки-предшественники.
2. Степень дифференцировки опухолевых клеток – достаточно высокая.
3. Скорость роста – медленная, в течение многих лет.
4. Характер роста – экспансивный, т.е. во время роста опухоли соседние ткани раздвигаются, иногда сдавливаются, но обычно не повреждаются.
5. Отграниченность от окружающих тканей – четкая.
6. Способность к метастазированию – отсутствует.
7. Отсутствие выраженного неблагоприятного воздействия на организм. Исключение: опухоли, расположенные вблизи жизненно важных центров. Пример: опухоль головного мозга, сдавливающая нервные центры.
Злокачественные опухоли.
1. Клетки опухоли морфологически отличаются от нормальной клетки-предшественницы (часто до неузнаваемости).
2. Степень дифференцировки опухолевых клеток – низкая.
3. Скорость роста – быстрая.
4. Характер роста – инвазивный, т.е. опухоль прорастает в соседние структуры. Способствующие факторы:
Приобретение опухолевыми клетками способности отшнуровываться от опухолевого узла и активно перемещаться;
Способность опухолевых клеток продуцировать «канцероагрессины». Это белки, которые проникают в окружающие нормальные ткани и стимулируют хемотаксис для опухолевых клеток.
Уменьшение сил клеточной адгезии. Это облегчает отшнуровку опухолевых клеток от первичного узла и их последующее движение.
Уменьшение контактного торможения.
5. Отграниченность от окружающих тканей – нет.
6. Способность к метастазированию – выражена.
7. Воздействие на организм – неблагоприятное, генерализованное.
Апоптоз – это программированная клеточная смерть (инициирующаяся под действием вне- или внутриклеточных факторов) в развитии которой активную роль принимают специальные и генетически запрограммированные внутриклеточные механизмы . Он, в отличие от некроза активный процесс, требующий определенных энергозатрат . Первоначально пытались разграничить понятия «программированная клеточная гибель » и «апоптоз »: к первому термину относили устранение клеток в эмбриогенезе, а ко второму – программированную смерть только зрелых дифференцированных клеток. В настоящее время выяснилось, что никакой целесообразности в этом нет (механизмы развития клеточной гибели одинаковы) и два понятия превратились в синонимы, хотя это объединение и не бесспорно.
Прежде чем приступить к изложению материала о роли апоптоза для жизнедеятельности клетки (и организма) в норме и патологии, мы рассмотрим механизм апоптоза. Их реализацию можно представить в виде поэтапного развития следующих стадий:
1 стадия – стадия инициации (индукции) .
В зависимости от происхождения сигнала, стимулирующего апоптоз, различают:
внутриклеточные стимулы апоптоза . Среди них к наиболее известным относят – разные виды облучения, избыток Н + , оксид азота, свободные радикалы кислорода и липидов, гипертермия и др. Все они могут вызывать различные повреждения хромосом (разрывы ДНК, нарушения ее конформации др.) и внутриклеточных мембран (особенно митохондрий). То есть в данном случае поводом для апоптоза служит «неудовлетворительное состояние самой клетки» (Мушкамбиров Н.П., Кузнецов С.Л., 2003). Причем, повреждение структур клеток должно быть достаточно сильным, но не разрушительным. У клетки должны сохраниться энергетические и материальные ресурсы для активации генов апоптоза и его эффекторных механизмов. Внутриклеточный путь стимуляции программированной смерти клетки можно обозначить как «апоптоз изнутри »;
трансмембранные стимулы апоптоза , т.е., в этом случае он активируется внешней «сигнализацией», которая передается через мембранные или (реже) внутриклеточные рецепторы. Клетка может быть вполне жизнеспособной, но, с позиции целостного организма или «ошибочной» стимуляции апоптоза, она должна погибнуть. Этот вариант апоптоза получил название «апоптоз по команде ».
Трансмембранные стимулы подразделяются на:
«отрицательные » сигналы. Для нормальной жизнедеятельности клетки, регуляции ее деления и размножения необходимо воздействие на нее через рецепторы различных БАВ: факторов роста, цитокинов, гормонов. Среди прочих эффектов, они подавляют механизмы клеточной гибели. И естественно, дефицит или отсутствие данных БАВ активирует механизмы программированной смерти клетки;
«положительные » сигналы. Сигнальные молекулы, такие как ФНОα, глюкокортикоиды, некоторые антигены, адгезивные белки и др., после взаимодействия с клеточными рецепторами могут запускать программу апоптоза.
На клеточных мембранах находится группа рецепторов, в задачу которых передача сигнала к развитию апоптоза является основной, возможно даже единственной функцией. Это, например, белки группы DR (death receptos – «рецепторы смерти »): DR 3 , DR 4 , DR 5 . Наиболее хорошо изучен Fas-рецептор, появляющийся на поверхности клеток (гепатоцитах) спонтанно или под влиянием активации (зрелые лимфоциты). Fas-рецептор при взаимодействии с Fas-рецептором (лигандом) Т-киллера запускает программу смерти клетки мишени. Однако, взаимодействие Fas-рецептора с Fas-лигандом в областях, изолированных от иммунной системы, заканчивается гибелью самого Т-киллера (см. нижеигандом в областях, изолированных от иммунной системы, заканчивается гибелью самого Т-киллера ()ожно000000000000000000000000000).
Следует помнить, что некоторые сигнальные молекулы апоптоза, в зависимости от ситуации могут наоборот, блокировать развитие программированной смерти клеток. Амбивалентность (двойственное проявление противоположных качеств) характерна для ФНО, ИЛ-2, интерферона γ и др.
На мембранах эритроцитов, тромбоцитов, лейкоцитов, а так же клеток легкого и кожи обнаружены особые антигены-маркеры . На них синтезируются физиологические аутоантитела , и они, выполняя роль опсонинов , способствуют фагоцитозу этих клеток, т.е. гибель клеток происходит путемаутофагоцитоза . Выяснилось, что антигены-маркеры появляются на поверхности «старых» (прошедших свой путь онтогенетического развития) и поврежденных клетках, молодые и неповрежденные клетки их не имеют. Данные антигены получили название «антигены-маркеры стареющих и поврежденных клеток» или «белок третьей полосы». Появление белка третьей полосы контролируется геномом клетки. Следовательно, аутофагоцитоз можно рассматривать, как вариант запрограммированной гибели клеток .
Смешанные сигналы. Это сочетанное воздействие сигналов первой и второй группы. Например, апоптоз происходит с лимфоцитами, активированных митогоном (положительный сигнал), но не вступивших в контакт с АГ (отрицательный сигнал).
2 стадия – стадия программирования (контроля и интеграции механизмов апоптоза).
Для этой стадии характерно два, диаметрально противоположных процесса, наблюдающихся после инициации. Происходит либо:
реализация пускового сигнала к апоптозу через активацию его программы (эффекторами являются каспазы и эндонуклеазы);
блокируется эффект пускового сигнала апоптоза.
Различают два основных, но не исключающих друг друга, варианта исполнения стадии программирования (рис. 14):
Рис. 14. Каспазный каскад и его мишени
R– мембранный рецептор; К – каспазы;AIF– митохондриальная протеаза; Цит. С – цитохром с;Apaf-1 – цитоплазматический белок;IAPs– ингибиторы каспаз
1. Прямая передача сигнала (прямой путь активации эффекторных механизмов апоптоза минуя геном клетки) реализуется через:
адапторные белки. Например, так осуществляется запуск апоптоза Т-киллером. Он активирует каспазу-8 (адапторный белок). Аналогично может действовать и ФНО;
цитохром С и протеазу ΑIF (митохондриальная протеаза). Они выходят из поврежденной митохондрии и активируют каспазу-9;
гранзимы. Т-киллеры синтезируют белок перфорин, который образует каналы в плазмолемме клетки-мишени. Через эти каналы в клетку проникают протеолитические ферменты гранзимы , выделяемые все тем же Т-киллером и они запускают каскад каспазной сети.
2. Опосредованная передача сигнала. Она реализуется с помощью генома клетки путем:
репрессии генов, контролирующих синтез белков-ингибиторов апоптоза (гены Bcl-2, Bcl-XL и др). Белки Bcl-2 в нормальных клетках входят в состав мембраны митохондрий и закрывают каналы по которым из этих органоидов выходят цитохром С и протеаза AIF;
экспрессии, активации генов, контролирующих синтез белков-активаторов апоптоза (гены Bax, Bad, Bak, Rb, P 53 и др.). Они, в свою очередь активируют каспазы (к-8, к-9).
На рис. 14 представлена примерная схема каспазного принципа активации каспаз. Видно, что откуда бы не запускался каскад, его узловым моментом является каспаза 3. Она активируется и каспазой 8 и 9. Всего в семействе каспаз – более 10 ферментов. Локализуются в цитоплазме клетки в неактивном состоянии (прокаспазы). Положение всех каспаз в данном каскаде до конца не выяснено, поэтому на схеме ряд из них отсутствует. Как только активируются каспазы 3,7,6 (возможно и их другие типы) наступает 3 стадия апоптоза.
3 стадия – стадия реализация программы (исполнительная, эффекторная).
Непосредственными исполнителями («палачами» клетки) являются выше указанные каспазы и эндонуклеазы. Местом приложения их действия (протеолиза) служат (рис. 14):
цитоплазматические белки – белки цитоскелета (фодрин и актин). Гидролизом фодрина объясняют изменение поверхности клетки – «гофрирование» плазмолеммы (появление на ней впячиваний и выступов);
белки некоторых цитоплазматических регуляторных ферментов: фосфолипазы А 2 , протеинкиназы С и др.;
ядерные белки. Протеолиз ядерных белков занимает основное место в развитии апоптоза. Разрушаются структурные белки, белки ферментов репликации и репарации (ДНК-протеинкиназы и др.), регуляторные белки (рRb и др.), белки-ингибиторов эндонуклеаз.
Иннактивация последней группы – белков ингибиторов эндонуклеаз приводит к активации эндонуклеаз, второму « орудию » апоптоза . В настоящее время эндонуклеазы и в частности, Са 2+ , Мg 2+ -зависимая эндонуклеаза , рассматривается как центральный фермент программируемой смерти клетки. Она расщепляет ДНК не в случайных местах, а только в линкерных участках (соединительные участки между нуклеосомами). Поэтому хроматин не лизируется, а только фрагментируется, что определяет отличительную, структурную черту апоптоза.
Вследствие разрушения белка и хроматина в клетке формируются и от нее отпочковываются различные фрагменты – апоптозные тельца. В них находятся остатки цитоплазмы, органелл, хроматина и др.
4 стадия – стадия удаления апоптозных телец (фрагментов клетки).
На поверхности апоптозных телец экспрессируются лиганды, они распознаются рецепторами фагоцитов. Процесс обнаружения, поглощения и метаболизирования фрагментов погибшей клетки происходит сравнительно быстро. Это способствует избежать попадания содержания погибшей клетки в окружающую среду и тем самым, как отмечено выше, воспалительный процесс не развивается. Клетка уходит из жизни «спокойно», не беспокоя «соседей» («тихий суицид»).
Программированная клеточная гибель имеет важное значение для многих физиологических процессов . С апоптозом связаны:
поддержание нормальных процессов морфогенеза – запрограммированная смерть клеток в процессе эмбриогенеза (имплантации, органогенеза) и метаморфоза;
поддержание клеточного гомеостаза (в том числе ликвидация клеток с генетическими нарушениями и инфицированных вирусами). Апоптозом объясняется физиологическая инволюция и уравновешивание митозов в зрелых тканях и органах. Например, гибель клеток в активно пролиферирующих и самообновляющихся популяциях – эпителиоцитов кишечника, зрелых лейкоцитов, эритроцитов. Гормонально-зависимая инволюция – гибель эндометрия в конце менструального цикла;
селекция разновидностей клеток внутри популяции. Например, формирование антигенспецифической составляющей иммунной системы и управление реализацией ее эффекторных механизмов. С помощью апоптоза происходит выбраковка ненужных и опасных для организма клонов лимфоцитов (аутоагрессивных). Сравнительно недавно (Griffith T.S., 1997) показали значение программированной гибели клеток в защите «иммунологически привилегированных» зон (внутренние среды глаза и семенников). При прохождении гисто-гематических барьеров данных зон (что случается редко), эффекторные Т-лимфоциты гибнут (см. выше). Включение механизмов их смерти обеспечивается при взаимодействии Fas-лиганда барьерных клеток с Fas-рецепторами Т-лимфоцита, тем самым предотвращается развитие аутоагрессии.
Роль апоптоза в патологии и виды различных заболеваний связанных с нарушением апоптоза представлены в виде схемы (рис. 15) и таблицы 1.
Конечно, значение апоптоза в патологии меньше чем некроза (возможно, это связано с недостаточностью таких знаний). Однако, проблема его в патологии имеет и несколько иной характер: она оценивается по степени выраженности апоптоза — усиление или ослабление при тех или иных болезнях.
Сайт предоставляет справочную информацию исключительно для ознакомления. Диагностику и лечение заболеваний нужно проходить под наблюдением специалиста. У всех препаратов имеются противопоказания. Консультация специалиста обязательна!
Что такое апоптоз?
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 теории апоптоза
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.
Механизм
Механизм развития апоптоза на сегодняшний день до конца не изучен. Доказано, что процесс может индуцироваться малыми концентрациями большинства веществ, вызывающих некроз.Однако в большинстве случаев генетически запрограммированная гибель клеток происходит при поступлении сигналов от молекул – клеточных регуляторов, таких как:
- гормоны;
- антигены;
- моноклональные антитела и др.
Характерно, что сигналом к развитию апоптоза может быть как наличие активирующих веществ, так и отсутствие некоторых соединений, препятствующих развитию запрограммированной смерти клетки.
Ответ клетки на сигнал зависит не только от его силы, но и от общего исходного состояния клетки, морфологических особенностей ее дифференцировки, стадии жизненного цикла.
Одним из базовых механизмов апоптоза на стадии его реализации является деградация ДНК, в результате чего происходит фрагментация ядра. В ответ на повреждение ДНК запускаются защитные реакции, направленные на ее восстановление.
Неудачные попытки восстановить ДНК приводят к полному энергетическому истощению клетки, что и становится непосредственной причинной ее гибели.
Механизм апоптоза - видео
Фазы и стадии
Различают три физиологические фазы апоптоза:1. Сигнальная (активация специализированных рецепторов).
2. Эффекторная (формирование из разнородных эффекторных сигналов единого пути апоптоза, и запуск каскада сложных биохимических реакций).
3. Дегидратационная (букв. обезвоживание – гибель клетки).
Кроме того, морфологически выделяют две стадии процесса:
1.
Первая стадия – преапоптоз
. На этой стадии происходит уменьшение размеров клетки за счет ее сморщивания, возникают обратимые изменения в ядре (уплотнение хроматина и скопление его по периферии ядра). В случае воздействия некоторых специфических регуляторов апоптоз может быть остановлен, и клетка возобновит свою нормальную жизнедеятельность.
2.
Вторая стадия – собственно апоптоз. Внутри клетки происходят грубые изменения во всех ее органеллах, однако наиболее значимые превращения развиваются в ядре и на поверхности ее внешней мембраны. Клеточная мембрана теряет ворсинки и обычную складчатость, на ее поверхности формируются пузырьки – клетка как бы кипит, и в результате распадается на так называемые апоптические тельца, поглощаемые тканевыми макрофагами и/или соседними клетками.
Морфологически определяемый процесс апоптоза занимает, как правило, от одного до трех часов.
Некроз и апоптоз клетки. Сходство и различие
Терминами некроз и апоптоз обозначают полное прекращение жизнедеятельности клетки. Однако апоптозом обозначают физиологическое отмирание, а некрозом – ее патологическую гибель.Апоптоз является генетически запрограммированным прекращением существования, то есть по определению имеет внутреннюю причину развития, в то время как некроз происходит в результате воздействия сверхсильных внешних, по отношению к клетке, факторов:
- недостаток питательных веществ;
- отравление токсинами и т.п.
Кроме того, гибель клетки при процессах некроза и апоптоза отличается морфологически – первый характеризуется её набуханием, а при втором происходит сморщивание клетки, и уплотнение ее мембран.
Во время апоптоза происходит гибель клеточных органелл, однако мембрана сохраняется в целостности, так что образуются, так называемые, апоптические тельца, которые впоследствии поглощаются специализированными клетками – макрофагами или клетками-соседями.
При некрозе происходит разрыв клеточной мембраны, и содержимое клетки выходит наружу. Начинается воспалительная реакция.
Если некрозу подверглось достаточно большое количество клеток, воспаление проявляется известными с древности характерными клиническими симптомами , такими как:
- боль;
- покраснение (расширение сосудов в области поражения);
- припухлость (воспалительный отек);
- местное, а иногда и общее повышение температуры ;
- более или менее выраженное нарушение функции органа, в котором произошел некроз.
Биологическое значение
Биологическое значение апоптоза заключается в следующем:
1. Осуществление нормального развития организма в период эмбриогенеза.
2. Предотвращение размножения мутировавших клеток.
3.
Регуляция деятельности иммунной системы.
4.
Предотвращение преждевременного старения организма.
Данный процесс играет ведущую роль в эмбриогенезе, поскольку многие органы и ткани претерпевают значительные трансформации во время эмбрионального развития. Многие врожденные дефекты возникают вследствие недостаточной активности апоптоза.
Как запрограммированная самоликвидация дефектных клеток, данный процесс является мощной природной защитой против онкологических заболеваний. Так, к примеру, вирус папилломы человека блокирует клеточные рецепторы, ответственные за апоптоз и, таким образом, приводит к развитию рака шейки матки и некоторых других органов.
Благодаря данному процессу происходит физиологическая регуляция клонов Т-лимфоцитов , ответственных за клеточный иммунитет организма. Клетки, неспособные распознавать белки собственного организма (а таких в общей сложности созревает около 97%), подвергаются апоптозу.
Недостаточность апоптоза приводит к тяжелым аутоиммунным заболеваниям, в то время как его усиление возможно при иммунодефицитных состояниях. К примеру, тяжесть течения СПИДа коррелирует с усилением данного процесса у Т-лимфоцитов.
Кроме того, этот механизм имеет большое значение для функционирования нервной системы: он ответственен за нормальное формирование нейронов, и он же может вызывать раннее разрушение нервных клеток при болезни Альцгеймера .
Одна из теорий старения организма – теория апоптоза. Уже доказано, что именно он лежит в основе преждевременного старения тканей, где гибель клеток остается невосполнимой (нервная ткань, клетки миокарда). С другой стороны, недостаточный апоптоз может способствовать накоплению в организме стареющих клеток, которые в норме физиологически отмирают, и заменяются новыми (раннее старение соединительной ткани).
Роль теории апоптоза в медицине
Роль теории апоптоза в медицине заключается в возможности поиска путей регуляции этого процесса для лечения и профилактики многих патологических состояний, вызванных ослаблением или, наоборот, усилением апопоптоза.Исследования ведутся одновременно во многих направлениях. Прежде всего, следует отметить научные изыскания в такой значимой области медицины, как онкология . Поскольку опухолевый рост вызван дефектом генетически запрограммированной гибели мутировавших клеток, изучается возможность специфической регуляции апоптоза, с повышением его активности в опухолевых клетках.
Действие некоторых химиотерапевтических препаратов, широко применяемых в онкологии, основано на усилении процессов апоптоза. Так как опухолевые клетки более склонны к данному процессу, подбирается доза вещества, достаточная для гибели патологических клеток, но относительно безвредная для нормальных.
Также чрезвычайно важны для медицины исследования, изучающие роль апоптоза в дегенерации ткани сердечной мышцы под влиянием недостаточности кровообращения. Группа китайских ученых (Lv X, Wan J, Yang J, Cheng H, Li Y, Ao Y, Peng R) опубликовала новые экспериментальные данные, которые доказывают возможность искусственного снижения апоптоза в кардиомиоцитах при введении определенных веществ-ингибиторов.
Если теоретические исследования на лабораторных объектах удастся применить в клинической практике – это будет большой шаг вперед в борьбе с ишемической болезнью сердца . Данная патология занимает первые позиции среди причин смерти во всех высокоразвитых странах, так что переход от теории к практике трудно было бы переоценить.
Еще одно весьма перспективное направление – разработка методов регуляции данного процесса для замедления старения организма. Теоретические исследования ведутся в направлении создания программы, сочетающей повышение активности апоптоза стареющих клеток, и одновременного усиления пролиферации молодых клеточных элементов. Здесь достигнуты определенные успехи на теоретическом уровне, однако до перехода от теории к практическим решениям еще далеко.
Кроме того, масштабные научные исследования проводятся в следующих направлениях:
- аллергология;
- иммунология;
- терапия инфекционных заболеваний;
- трансплантология;