Физиологическое значение апоптоза в процессах органогенеза. Механизмы апоптоза. Этапы клеточной смерти
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.
Запрограммированная гибель клеток – неотъемлемый процесс жизнедеятельности любого организма. При нарушении этого процесса развивается ряд тяжелых заболеваний.
Что такое апоптоз?
Апоптоз – клеточная смерть, наступающая в результате запрограммированных процессов, протекающих в клетке на молекулярном уровне. При апоптозе клетка делится на несколько частей, окруженных клеточной мембраной, после чего клеточные фрагменты в течение нескольких минут (обычно, до 90 минут) перевариваются специальными клетками макрофагами.
Явление запрограммированной гибели клеток свойственно всем живым существам, в том числе и человеку. Ежедневно в организме человека погибает несколько десятков миллиардов клеток. Уничтоженные клетки в дальнейшем замещаются новыми клетками, образованными за счет клеточного деления (митоза).
Какова роль апоптоза?
Самоликвидация ненужных организму клеток – чрезвычайно важный процесс для нормальной жизнедеятельности любого организма. Одной из главных функций апоптоза явялется поддержание постоянства клеточной популяции. При образовании новой клеточной популяции (например, некоторых иммунных клеток) нужно учесть, что ряд клеток будут обязательно дефектными. То есть организму необходимо провести клеточную селекцию для сохранения только тез клеток, которые в полной мере будут справляться со своими функциями. В остальных же, дефектных клетках, запускает программа самоуничтожения.
Апоптоз также играет важную роль при заражении инфекционными агентами, в частности вирусными. При попадании в клетку вирус начинает усиленно размножаться, после чего клетка разрывается и миллионы вирусных частиц атакуют уже другие клетки. В ходе эволюции живые организмы научились бороться с таким явлением. Так ряд вирусов вызывают в клетке ряд изменений, которые воспринимаются, как сигнал к самоликвидации. Таким образом, уничтожив инфицированную клетку, организм не дает возможности распространиться вирусу.
Когда апоптоз не работает
В регуляции апоптоза задействовано множество молекулярных процессов, слаженное действие которых приводит к гибели «не угодных» организму клеток. Однако в силу определенных причин, до конца еще не ясных, происходит нарушение апоптозной регуляции. К сбою в системе может привести недостаточный синтез апоптозных белков и ферментов, а также воздействие специфических веществ, приводящих к снижению апоптозной активности клетки.
На сегодняшний день известно, что одним из регуляторов апоптоза выступает белок р53. При наличии в клетке ряда дефектов, в частности поломок генетического материала, белок р53 запускает цепочку молекулярных процессов, приводящих к развитию апоптоза. Мутация белка р53 приводит к невозможности выполнения его основной функции – запуска клеточной гибели.
Предотвратить запрограммированную гибель клеток могут и вирусы. Например, в генетическом материале некоторых вирусов могут быть закодированы специфические белки, тормозящие апоптоз клетки. В других случаях вирусная инфекция стимулирует выработку противоапоптозных белков самой клетки. Таким образом, вирус выключает программу апоптоза клетки и может бесконтрольно размножаться.
Выделяют несколько вариантов нарушения апоптоза:
- Чрезмерный апоптоз – патологические явление, приводящее к чрезмерной гибели клеточной популяции. Наблюдается такое явление при ВИЧ-инфекции, некоторых формах гепатита, хронической ишемии миокарда, нейродегенеративных и других заболеваниях.
- Недостаточный апоптоз, при котором количество умирающих клеток явно меньше, чем количество вновь образованных.
- Незавершенный апоптоз, при котором не происходит уничтожения апоптозных фрагментов клетками иммунной системы.
К чему приводит нарушение апоптоза?
Активированный протеин C может препятствовать апоптозу
Регуляция процессов программируемой гибели клеток может стать ключом к созданию нового эффективного средства для лечения инсульта.
Американские ученые успешно испытали на мышах вещество, уже нашедшее применение в
На сегодняшний день известно, что нарушение регуляции апоптоза может привести к ряду иммунологических и опухолевых заболеваний. В нормальных условиях в организме человека проходит жесткая селекция новообразованных иммунных клеток, так как некоторые из них могут обладать реактивностью по отношению к собственным клеткам организма. Если нарушается процесс самоуничтожения таких иммунных клеток, то развиваются заболевания.
Нарушение регуляции апоптоза клеточных популяций приводит к развитию ряда опухолевых процессов. В частности, доказан тот факт, что мутация белка р53 или нарушение его синтеза в организме может привести к развитию гормон-зависимой карциномы молочной железы, яичников и предстательной железы. Подобные нарушения также выявлены и при развитии лимфом.
Возможность воздействия на апоптозную систему явялется одним из направлений в поиске лекарственных средств от рака. Однако в некоторых случаях стимуляция апоптозной активности, наоборот – губительна для организма. В этой связи ученые и медики активно изучают природу данного явления, надеясь в будущем получить инструмент, с помощью которого можно было бы управлять апоптозом.
Апоптоз
Смерть клеток в организме может происходит 2 путями: некроза и апоптоза .
Апоптоз – это такой тип гибели клеток, при котором сама клетка активно участвует в процессе своей гибели, т.е. происходит самоуничтожение клетки. Апоптоз, в отличие от некроза, является процессом активным, после воздействия этиологических факторов запускается генетически запрограммированный каскад реакций, сопровождающийся активацией определенных генов, синтезом белков, ферментов, приводящих к эффективному и быстрому удалению клетки из ткани.
Причины апоптоза.
1. Во время эмбриогенеза апоптоз играет важную роль в разрушении различных тканевых зачатков и формировании органов.
2. Апоптозу подвергаются стареющие клетки, закончившие цикл своего развития, например, исчерпавшие запас цитокинов лимфоциты.
3. В растущих тканях определенная часть дочерних клеток подвергается апоптозу. Процент погибающих клеток может регулироваться системными и местными гормонами.
4. Причиной апоптоза может быть слабое воздействие повреждающих факторов, которые при большей интенсивности могут привести к некрозу (гипоксия, ионизирующее излучение, токсины и др.)
Патогенез апоптоза:
Клетка подвергается апоптозу, если в ядре происходит повреждение ДНК, которое не может быть исправлено системой репарации. За данным процессом следит белок, кодируемый геном р53. При невозможности устранения дефекта ДНК под действием р53-протеина активируется программа апоптоза.
На многих клетках имеются рецепторы, воздействие на которые вызывает активацию апоптоза. Наиболее изученными являются Fas-рецептор, обнаруженный на лимфоцитах, и рецептор к фактору некроза опухолей-альфа (TNF-α), обнаруженный на многих клетках. Данные рецепторы играют большую роль в удалении аутореактивных лимфоцитов и регуляции постоянства размера клеточной популяции по типу обратной связи.
Активировать апоптоз могут различные метаболиты и гормоны: противовоспалительные цитокины, стероидные гормоны, окись азота (NO) и свободные радикалы.
Апоптоз клеток активируется при недостатке кислорода в тканях. Причиной его активации может быть действие свободных радикалов, нарушение энергетически зависимых процессов репарации ДНК и др.
Апоптозу подвергаются клетки, утратившие связь с межклеточным матриксом, базальной мембраной или соседними клетками. Утрата данного механизма апоптоза в опухолевых клетках приводит к появлению способности метастазировать.
Некоторые вирусные белки могут активировать апоптоз клеток после самосборки вируса в зараженной клетке. Поглощение апоптотических телец соседними клетками ведет к их заражению вирусом. Вирус СПИДа также может активировать апоптоз незараженных клеток, имеющих на своей поверхности CD4-рецептор.
Также существуют факторы, препятствующие апоптозу. Замедлять апоптоз могут многие метаболиты и гормоны, например, половые гормоны, провоспалительные цитокины. Апоптоз может резко замедляться при дефектах в механизме гибели клетки, например, при мутации в гене р53 или активации генов, тормозящих апоптоз (bcl-2). Многие вирусы обладают способностью ингибировать апоптоз после встраивания собственной ДНК в геном клетки на период синтеза собственных структурных белков.
Морфологические проявления апоптоза
Апоптоз имеет свои отличительные морфологические признаки, как на светооптическом, так и на ультраструктурном уровне. Наиболее четко морфологические признаки выявляются при электронной микроскопии. Для клетки, подвергающейся апоптозу характерно:
Сжатие клетки. Клетка уменьшается в размерах; цитоплазма уплотняется; органеллы, которые выглядят относительно нормальными, располагаются более компактно. Предполагается, что нарушение формы и объема клетки происходит в результате активации в апоптотических клетках трансглютаминазы и цистеиновых протеаз (каспаз). Первая группа ферментов вызывает образование перекрестных связей в цитоплазматических белках, что приводит к формированию своеобразной оболочки под клеточной мембраной, подобно ороговевающим клеткам эпителия, а вторая группа ферментов разрушает белки в цитозоле.
Конденсация хроматина. Это наиболее характерное проявление апоптоза. ДНК расщепляется эндонуклеазами в местах, связывающих отдельные нуклеосомы, что приводит к образованию большого количества фрагментов, в которых число пар оснований делится на 180-200, которые затем конденсируются под ядерной мембраной. Ядро может разрываться на два или несколько фрагментов.
Формирование апоптотических телец. В апоптотической клетке формируются глубокие впячивания клеточной мембраны, что приводит к отшнуровке фрагментов клетки, т.е. формированию окруженных мембраной апоптотических телец, состоящих из цитоплазмы и плотно расположенных органелл, с или без фрагментов ядра.
Фагоцитоз апоптотических клеток или телец осуществляется окружающими здоровыми клетками, как макрофагами, так и паренхиматозными. Апоптотические тельца быстро разрушаются в лизосомах, а окружающие клетки либо мигрируют, либо делятся, чтобы заполнить освободившееся после гибели клетки пространство.
При окраске гематоксилином и эозином апоптоз определяется в единичных клетках или небольших группах клеток. Апоптотические клетки имеют округлую или овальную форму, интенсивно эозинофильную цитоплазму с плотными фрагментами ядерного хроматина. Поскольку сжатие клетки и формирование апоптотических телец происходит быстро и также быстро они фагоцитируются, распадаются или выбрасываются в просвет органа, то на гистологических препаратах апоптоз обнаруживается в случаях его значительной выраженности. К тому же апоптоз – в отличие от некроза – никогда не сопровождается воспалительной реакцией, что также затрудняет его гистологическое выявление.
Для выявления клеток, находящихся на ранних этапах апоптоза, используют специальные иммуногистохимические исследования, например, определение активированных каспаз или TUNEL-метод, визуализирующий разорванную эндонуклеазами ДНК.
Значение апоптоза.
1. Апоптоз имеет огромное значение в эмбриогенезе (включая имплантацию и органогенез). Нарушение гибели клеток в межпальцевых промежутках может привести в синдактилии, а отсутствие апоптоза избыточного эпителия при слиянии небных отростков или тканей, окружающих нервную трубку, приводит к нарушению слияния тканей с двух сторон, что проявляется расщеплением твердого неба и дефектом в тканях, ограничивающих спинномозговой канал, (spina bifida), соответственно.
2. Апоптоз играет важную роль в поддержании постоянства клеточного состава, особенно в гормон-чувствительных тканях. Замедление апоптоза приводит к гиперплазии тканей, ускорение – к атрофии. Он принимает участие в отторжении эндометрия во время менструального цикла, атрезии фолликулов в яичниках в менопаузе и регрессии ткани молочной железы после прекращения лактации.
3. В данный момент исследуется огромное количество лекарственных препаратов, направленных на регуляцию апоптоза в определенных тканях. Так, ускорение апоптоза иммунокомпетентных клеток можно использовать для лечения аутоиммунных заболеваний и предотвращения отторжения трансплантата, замедление апоптоза может использоваться для предотвращения апоптоза в тканях, испытывающих ишемию, повышенное внешнее давление или временно бездействующих тканях. Замедление апоптоза при вирусных инфекциях предотвращает распространение инфекции на соседние клетки.
4. Во всех опухолях наблюдается нарушение апоптоза в опухолевых клетках. Эта поломка может происходить на разных этапах апоптоза, например, может происходить мутация гена р53, что приведен к тому, что мутантный протеин-р53 будет накапливаться в клетке в избыточном количестве, но не будет вызывать апоптоз несмотря на дефекты в геноме клетки, что приведет к пролиферации клеток с нарушенным геномом, причем с каждым последующим делением нарушения в ДНК будут накапливаться. Иногда в опухолевых клетках может накапливаться и нормальный, или «дикий», протеин р53, если поломка в механизме апоптоза происходит на других уровнях. При хронических лимфоидных лейкемиях наблюдается накопление продуктов гена bcl-2, что приводит к патологическому удлинению срока жизни опухолевых клеток и резистентности клеток к различным проапоптотическим факторам. Иногда нарушается передача сигналов от рецепторов гибели клеток, например, с рецептора к TNF-α. TNF-α принимает участие в регуляции клеточной популяции по типу обратной связи. Все клетки в популяции выделяют TNF-α в небольших количествах; чем больше клеток в ткани, тем выше концентрация TNF-α, а значит и уровень апоптоза. Таким образом достигается баланс между пролиферацией и гибелью клеток. Опухолевые клетки теряют способность подвергаться апоптозу под действием этого цитокина, при этом он накапливается в большом количестве в опухолевой ткани. В результате этого TNF-α начинает в большом количестве попадать в кровоток и вызывать апоптоз паренхиматозных клеток во многих органах, приводя к кахексии.
Апоптоз — это генетически регулируемая программа клеточной гибели, которая имеет определенные морфологические критерии и биохимические маркеры. Эта программа очень важна для нормального развития многоклеточного орга-низма, сохранения нормального числа полноценных и своевременного удале-ния поврежденных клеток.
Термин «апоптоз» (гр. аро — полное, ptosis — падение, утрата) предложил в 1972 году J. F. Kerr, заимствовав его у Гиппократа, назвавшего так осенний листопад.
Известно, что действие сильных повреждающих факторов вызывает некроз клетки. Гибель клетки в этом случае обусловлена избыточной внешней энер-гией (физической, химической или биологической), нарушающей ее внут-риклеточный энергетический баланс и приводящей к потере структурной целостности.
В последние годы растет интерес к запрограммированной гибели клеток — апоптозу. Важно понимать, что фактор, вызывающий апоп-тоз, не обладает достаточной энергией для непосредственного повреждения клетки. Он лишь включает ее собственные механизмы самоуничтожения, т.е. апоптоз реализуется за счет внутренней энергии клетки и является таким же неотъемлемым свойством живого, как рост, пролиферация и размножение.
Возможности регуляции клеточной жизни всегда вызывали большой ин-терес биологов и врачей. Если процессы пролиферации являются достаточно изученными, то точка зрения на регуляцию разрушения (умирания) клеток пока еще не оформлена в окончательном виде в то же время при многих со-стояниях нарушения именно этой программы становятся определяющими для течения заболевания.
Апоптоз имеет четко выраженные и довольно хорошо изученные морфоло-гические критерии: уменьшение размеров, сморщивание клетки, конденсация и фрагментация ядра, разрушение цитоскелета при сохранении целостности клеточной мембраны .
Апоптотические тельца
Когда процесс внутренней деградации завершен, клетка представляет собой совокупность фрагментов цитоплазмы, окруженных мембранами (т. н. апоптотические тельца). Изоляция внутриклеточного содержимого элементами цито-леммы является главной причиной отсутствия асептического воспаления при апоптозе. Таким образом, гибель клетки путем апоптоза (в отличие от некроти-ческой) переносится организмом относительно «безболезненно». В последую-щем апоптотические тельца фагоцитируются макрофагами , где макромолеку-лы погибшей клетки расщепляются до мономеров.
Сегодня установлено множество факторов, способных индуцировать апо-птоз клетки. С другой стороны, некоторые воздействия могут повысить устой-чивость к запрограммированной гибели (табл. 1).
| I. Ингибиторы апоптоза |
| Физиологические ингибиторы |
|
| Гены вирусов |
|
| Фармакологические агенты |
|
| II. Индукторы апоптоза |
| Физиологические активаторы |
|
| Агенты, вызывающие повреждение |
|
| Агенты, связанные с лечением каких-либо заболеваний |
|
| Токсины |
|
Эффекторный механизм иммунных реакций
Регуляция иммунного ответа
Апоптоз иммунокомпетентных клеток является неотъемлемым компонен-том иммунных реакций. Установлено, что селекция антигенспецифических Т- и В-лимфоцитов сопровождается массовой гибелью активированных, но антигеннеспецифических лимфоцитов. С другой стороны, результатом иммун-ного ответа является накопление избыточного количества антигенспецифических Т- и В-клеток, что ведет к нарушению генетически детерминированного баланса клеток макроорганизма. Выравнивание клеточного баланса после уда-ления патогена обусловлено именно запрограммированной гибелью большей части антигенспецифических лимфоцитов.
Цитоплазматический апоптоз
Как уже указывалось, апоптоз является внутренним свойством клетки, свое-образной ее реакцией на различные внешние раздражители. Поэтому неуди-вительно, что в любой клетке человеческого организма функционирует целая система цитоплазматического апоптоза (рис. 32), Информация о структуре компонентов этой систе-мы содержится в геноме и передается от поколения к поколению. Указанную систему цитоплазматического апоптоза условно можно разделить на три части. Первая — это совокупность мембранных рецепторов, способных воспринимать проапоптотические сигналы из внутренней среды организма. Вторая — это комплекс цитоплазматических посредников, передающих воспринятый рецептором сигнал внутрь клетки к эффекторному звену. Третья — это эффекторное звено апоптоза, т.е. те компонен-ты, активация которых приводит к непосредственной гибели клетки.
Рецепторы апоптоза
Сегодня открыт целый ряд рецепторов, воспринимающих проапоптотические сигналы. Это Fas (CD95), TNF-R1 (рецептор 1-го типа к ФНО-α), DR3 (WS1-1), DR4 (TRAIL-рецептор 1), DR5 (1 RAIL-рецептор 2), DR6. Хотя указанные ре-цепторы приводят к одному и тому же биологическому эффекту, они относятся к разным семействам и поэтому отличаются по структуре. Так, Fas и TNF-R при-надлежат к семейству рецепторов к ФF10, а молекулы DR — к антигенам гис-тосовместимости. Общность их биологического действия обусловлена природой молекул, связанных с цитоплазматической частью рецептора. Такие молекулы по-лучили название доменов смерти Именно они и приводят к активации апоптоза. Наиболее изученными доменами смерти являются молекулы FADD и TRADD.
Ферменты апоптоза
Цитоплазматическими посредниками в системе апоптоза являются специ-альные ферменты, каспазы. Каспазы способны к последовательной активации друг друга, поэтому образуют своеобразный внутриклеточный каскад, включа-емый доменами смерти. Домены смерти находятся на внутренней поверхнос-ти цитолеммы в неактивном состоянии. При активации рецептора, с которым функционально связан тот или иной домен, происходит изменение конформа-ции обеих структур. Вследствие этого высвобождается активный центр домена, и он приобретает возможность взаимодействовать с каспазой 8 — инициатором всего каспазного каскада. Конечным компонентом этого каскада является каспаза 7. Именно этот фермент активирует латентную эндонуклеазу, оказывающую непосредственный повреждающий эффект на генетический материал клетки (разрывает ДНК в межнуклеосомных участках). Таким образом, эффекторным звеном системы апоптоза является латентная эндонуклеаза.
Митохондриальный апоптоз
Кроме цитоплазматических, в клетке содержится ком-плекс митохондриальных посредников апоптоза. Известно, что разрушение митохондриального аппарата приводит к неминуемой гибели клетки, посколь-ку последняя лишена энергетического обеспечения Для предотвращения не-кроза при повреждении митохондрий активируются указанные белки, обус-лавливающие более экономную апоптотическую гибель нежизнеспособной клетки. Таким образом, каскад апоптоза может реализовываться как по цито-плазматическому, так и по митохондриальному пути.
На этой странице материал по темам:
Явления запрограммированной клеточной гибели известны уже более 100 лет, но оставались «в тени» некробиотических процессов, которые на протяжении десятилетий изучались намного более активно, чем программируемая гибель. Этот вид клеточной гибели представляет собой важнейший интегральный компонент эмбриогенеза, морфогенеза и роста тканей, а также гормонозависимой инволюции. Он, наряду с лизосомальнойаутофагией , участвует в механизмах таких клеточных адаптации, какатрофия (уменьшение размеров клеток и числа функционирующих структур в них при сохранении жизнеспособности клетки) игипоплазия (уменьшение органа вследствие уменьшения числа клеток в нем при сохранении его жизнеспособности).
Так, например, показано, что инволютивные изменения в коре надпочечников после гипофизэктомии тормозятся актиномицином Д, а, значит, представляют собой активный процесс реализации некой программы саморазборки клеток.
Для обозначения процесса запрограммированной клеточной гибели, морфологически и патохимически отличного от некробиоза, предложен термин «апоптоз». Основатели учения об апоптозе, в частности, Дж. Керр и соавт, считали понятия «запрограммированная клеточная гибель» и «апоптоз» равнозначными. В последнее время имеется тенденция применять первый термин к процессам устранения клеток в раннем онтогенезе, а понятие апоптоз относить только к программируемой гибели зрелых дифференцированных клеток. Так, указывают на наличие аутофагии и отсутствие разрывов ДНК при эмбриональной клеточной гибели, в отличие от апоптоза зрелых клеток.
Вопрос о соотношении некробиоза и апоптоза и о приуроченности этих механизмов к естественной либо насильственной гибели клеток нуждается в обсуждении. Было бы упрощением сказать, что апоптоз – это исключительно процесс естественной гибели клеток, а некробиоз – насильственной. Деление на эти два процесса далеко не абсолютно. Выше, обсуждая паттерны некробиоза, мы уже много раз вынуждены были упоминать об апоптозе, так как между этими процессами много общего. Дело в том, что в ответ на минимальное повреждение или повреждение, не вызывающее быстрого развития глубокой гипоксии и выраженного энергодефицита, клетки могут включать специальную программу самоуничтожения и реагировать апоптозом. В этом случае, например, при действии ионизирующего излучения или вируса СПИДа, смерть клетки насильственна, но механизм ее не некробиотический, а апоптотический. Тельца Каунсильмена, обнаруживаемые при вирусном гепатите в печени, представляют собой результат апоптоза гепатоцитов под воздействием вирус-индуцированного повреждения. Это также насильственная гибель, но механизм ее не связан с быстропрогрессирующей гипоксией и позволяет клетке успеть включить программу саморазборки. Не подлежит сомнению насильственный характер гибели клеток-мишеней под воздействием фактора некроза опухолей. Однако, несмотря на свое категоричное название, данный биорегулятор вызывает в таргетных клетках не только некроз, но и апоптоз. При реализации некробиоза и апоптоза функционируют многие общие механизмы, например, увеличение цитоплазматической концентрации ионизированного кальция и образование свободных активных кислородных радикалов. Более того, при большей силе и интенсивности действия апоптогенный стимул может вызвать некробиоз, очевидно, вследствие того, что прогрессирующий энергодефицит не дает возможности клеткам реализовать энергетически «дорогую» динамику апоптоза.
Таблица 1
Типовые характеристики основных способов гибели клетки.
|
Некробиоз и некроз |
||
|
Морфологическая картина |
Конденсация и фрагментация цитоплазмы, конденсация и рексис ядра, аутофагия митохондрий, мембраны долго остаются стабильными. Нет перифокального воспаления и демаркации. Формируются апоптозные тельца, которые фагоцитируются. |
Кариопикноз или кариолизис, набухание и последующее сморщивание и кальциноз в митохондриях, раннее разрушение мембран, аутолиз клетки, перифокальное воспаление, демаркационный вал |
|
Патохимия |
Нет выраженного энергодефицита, упорядоченные межнуклеосомные разрывы ДНК, синтез БТШ, АРО-1 и других специальных белков, активация эндонуклеазы. Фрагментация цитоплазмы при участии цитоскелета. Тормозится блокаторами кальциевых каналов и актиномицином Д-1. |
Выраженный энергодефицит, гипергидратация клетки, ацидоз, гидролиз, диффузная деградация хроматина. Прекращение белкового синтеза. Парез и агрегация элементов цитоскелета. |
|
Этиология |
Воздействие умеренно сильных повреждений и специальные не повреждающие триггерные сигналы (гормоны, цитокины) |
Воздействие мощных экстремальных факторов |
Если некробиоз всегда сопровождается освобождением в окружающую ткань, а при массивном поражении – и в системный кровоток, медиаторов воспаления, в частности, липидных продуктов деструкции клеточных мембран, то апоптоз протекает без лейкоцитарной демаркации и перифокального воспаления, так как его механизм позволяет избежать значительного выделения медиаторов клеточного повреждения. Издание в 1996 году всеобъемлющей монографии, посвященной апоптозу, облегчает нашу задачу и делает возможным охарактеризовать в данной книге лишь наиболее общие и патофизиологически важные аспекты этой проблемы.
1. Устранение клеток в раннем онтогенезе.
2. Физиологическая инволюция и уравновешивание митозов в зрелых тканях и клеточных популяциях
3. Реализация процессов атрофии и регрессия гиперплазии
4. Альтруистический суицид мутантных и пораженных вирусами клеток
5. Клеточная гибель после слабого воздействия агентов, вызывающих при массированном поражении некроз.
Чтобы более наглядно представить отличия некробиоза и апоптоза, авторы предлагают подробно изучить приводимую таблицу.
Важно отметить, что некроз происходит после насильственной гибели клетки в результате каких-либо причин, вызывающих глубокую тканевую гипоксию, и всегда содержит литический компонент в виде либо лизосомального аутолиза, либо гетеролиза, вызываемого гидролазами фагоцитов. По современным представлениям, аутолиз при гибели клетки носит посмертный характер, а не является элементом некробиоза. Тем не менее, раннее и значительное повреждение клеточных мембран – неотъемлемая часть процессов некробиоза, и практически не наблюдается при апоптозе.
Апоптоз – генетически управляемый процесс, который может быть включен различными пусковыми сигналами без какого-либо существенного предварительного повреждения исполнительного аппарата клетки, хотя может и включиться после умеренного повреждения как альтруистическое самоубийство. Устранение клеток без повреждения возможно и при экспрессии антигена стареющих клеток. Возможно, что эти механизмы «ухода без скандала» комбинируются и/или взаимодействуют.
Принципиально важно, что при неспособности вступить в апоптоз возникает неограниченно пролиферирующий клон клеток, что ведет к серьезным нарушениям в многоклеточном организме и наблюдается, например, при онкологических заболеваниях. До сих пор в данной книге мы часто упоминали об относительной полезности и потенциальной патогенности различных запрограммированных защитных процессов и приводили примеры такой «вредной полезности». В данном случае мы видим основное противоречие патофизиологии, как бы, в обратном ракурсе. Иными словами, апоптоз в клеточном цикле выступает как минимальное запрограммированное зло и также иллюстрирует основное положение наших рассуждений, так как является приспособительной смертью, гибелью по программе и своего рода «полезным вредом» в чистом виде. В любом случае, наблюдения за злокачественными клетками, утратившими под действием онкогенов способность к апоптозу, доказывают, что для клеток утрата способности вовремя умереть – большое зло.
Апоптоз может начаться как ответ генов, программирующих клеточную саморазборку, на рецепторно-опосредоваиный сигнал (например, при стимуляции соответствующими биорегуляторами рецепторов ФНОили глюкокортикоидного рецептора лимфоцитов).
Не только ФНО и глюкокортикоиды, но и почти все цитокины, включая 13 интерлейкинов и 3 интерферона могут быть кодовыми сигналами апоптоза, причем в одних клетках они его запускают, а в других – ингибируют. Тканеспецифические факторы роста и гемопоэтины являются ингибиторами апоптоза для своих клеток-мишеней. Тропные гормоны гипофиза оказывают свой трофический эффект на железы-мишени также путем ингибирования апоптоза.
Сигнал может оказывать на клетку разнонаправленное в отношении апоптоза действие в зависимости от исходного состояния мишени, как это описано выше для ФНО.
В роли генетических индукторов апоптоза, срабатывающих в ответ на рецепторный сигнал, могут выступать гены FAS/АРО-1, с-мус, мах, р53,ced-З и другие. Подавление экспрессии некоторых генов, например,bcl-2, также вызывает апоптоз. Детальное изучение механизмов, с помощью которых продукты этих генов запускают или сдерживают апоптоз, только начато. Однако уже выяснено, что они могут усиливать образование активных кислородных радикалов (как белок АРО-1, гомологичный рецептору фактора некроза опухолей), регулировать перенос кальция в цитоплазму (как продукт генаbcl-2), запускать нейтральные протеазы цитозоля (как продукт генаced-3), связываться с ДНК (как димер белков мус-мах).
Принципиально важно, что апоптоз может быть индуцирован даже в безъядерных постклеточных структурах. Следовательно, первичным звеном апоптоза могут быть не только ядерные события, но и определенные метаболические изменения в цитоплазме или активация долгоживущих матричных РНК, как в случае с антигеном стареющих клеток.
Инициировать апоптоз могут активные кислородные радикалы (АКР). При умеренных повреждениях клетки в отсутствие гипоксии происходит редукция трансмембранного потенциала митохондрий и генерация ими АКР. Если антиоксидантные системы клетки не компенсируют сдвига редокс-потенциала, процесс прогрессирует. При условии отсутствия выраженного энергодефицита и сохранности генетического аппарата реализуется апоптоз, но глубокая гипоксия и выраженные повреждения ДНК инициируют некробиоз. При развитии апоптоза АКР изменяют условия взаимодействия кальция с кальмодулином и способствуют нарастанию цитоплазматической и внутриядерной активности (а при блокаде гена bcl-2 – и росту внутриклеточной концентрации) кальция.
Кальций-зависимое звено механизма апоптоза активирует кальпаины, что ведет к протеолизу белков цитоскелета, образованию цитоплазматических выпячиваний, разрушению межнуклеосомных связей в ядре. Активируется кальцийзависимая эндонуклеаза. Это провоцирует упорядоченные межнуклеосомные разрывы хроматина и фрагментацию ядра. Кальций-зависимая трансглютаминаза агрегирует цитозольные белки. Конечным этапом процесса служит распад клетки на апоптотические тельца и их аутофагоцитоз.
