Естественный апоптоз

История

Понятие «апоптоза» использовалось Lockshin & Williams в 1964 относительно развития ткани насекомого, приблизительно за восемь лет до того, как «апоптоз» был выдуман. С тех пор PCD стал более общими из этих двух условий.

Первое понимание механизма прибыло из изучения BCL2, продукта предполагаемого онкогена, активированного перемещениями хромосомы, часто находимыми при фолликулярной лимфоме. В отличие от других генов рака, которые способствуют раку стимулирующей пролиферацией клеток, BCL2 способствовал раку, останавливая клетки лимфомы от способности убить себя.

PCD был предметом увеличивающегося внимания и научно-исследовательских работ. Эта тенденция была выдвинута на первый план с премией Нобелевской премии 2002 года в Физиологии или Медицине Сидни Бреннеру (Соединенное Королевство), Х. Роберт Хорвиц (США) и Джон Э. Салстон (Великобритания).

Причины апоптоза клеток

Причиной запуска механизма запрограммированной клеточной гибели могут быть как естественные физиологические процессы, так и патологические изменения, вызванные внутренними дефектами или воздействием внешних неблагоприятных факторов.

В норме апоптоз уравновешивает процесс деления клеток, регулируя их количество и способствуя обновлению тканей. В таком случае причиной ЗГК служат определенные сигналы, входящие в систему контроля гомеостаза. С помощью апоптоза уничтожаются одноразовые или выполнившие свою функцию клетки. Так, повышенное содержание лейкоцитов, нейтрофилов и других элементов клеточного иммунитета по окончании борьбы с инфекцией устраняется именно за счет апоптоза.

Запрограммированная гибель является частью физиологического цикла репродуктивных систем. Апоптоз задействован в процессе оогенеза, а также способствует гибели яйцеклетки при отсутствии оплодотворения.

Классическим примером участия апоптоза клеток в жизненном цикле вегетативных систем является осенний листопад. Сам термин происходит от греческого слова apoptosis, что буквально переводится как «опадание».

Апоптоз играет важнейшую роль в эмбриогенезе и онтогенезе, когда в организме сменяются ткани и атрофируются определенные органы. Примером могут служить исчезновение перепонок между пальцами конечностей некоторых млекопитающих или отмирание хвоста при метаморфозе лягушки.

Естественный апоптоз

Апоптоз может быть спровоцирован накоплением дефектных изменений в клетке, возникших в результате мутаций, старения или ошибок митоза. Причиной запуска ЗГК могут быть неблагоприятная среда (недостаток питательных компонентов, дефицит кислорода) и патологические внешние воздействия, опосредованные вирусами, бактериями, токсинами и т. д. При этом если повреждающий эффект слишком интенсивен, то клетка не успевает осуществить механизм апоптоза и погибает в результате развития патологического процесса – некроза.

Естественный апоптоз

Эволюционное происхождение

Возникновение апоптоза в протестах возможно, но это остается спорным. Некоторые категоризируют смерть в тех организмах как нерегулируемую некрозом или непредвиденной смертью.

Биологи долго подозревали, что митохондрии произошли из бактерий, которые были включены как endosymbionts («сосуществующий внутри») больших эукариотических клеток. Именно Линн Маргулис с 1967 на защищенном эта теория, которая с тех пор стала широко принятой. Наиболее убедительное доказательство для этой теории — факт, что митохондрии обладают своей собственной ДНК и оборудованы аппаратом повторения и генами.

Этот эволюционный шаг был бы опасен для примитивных эукариотических клеток, которые начали охватывать энергопроизводящие бактерии, а также рискованный шаг для предков митохондрий, которые начали вторгаться в их первично-эукариотических хозяев. Этот процесс все еще очевиден сегодня между человеческими лейкоцитами и бактериями. Большую часть времени вторгающиеся бактерии уничтожены лейкоцитами; однако, химической войне, ведомой прокариотами весьма свойственно преуспеть с последствием, известным как инфекция его получающимся повреждением.

Одно из этих редких эволюционных событий, приблизительно за два миллиарда лет до подарка, позволило определенным эукариотам и энергопроизводящим прокариотам сосуществовать и взаимно извлечь выгоду из их симбиоза.

Эукариотические камеры Mitochondriate, живые сбалансированный между жизнью и смертью, потому что митохондрии все еще сохраняют свой репертуар молекул, которые могут вызвать самоубийство клетки. Этот процесс был теперь развит, чтобы произойти только, когда запрограммировано. Учитывая определенные сигналы к клеткам (таким как обратная связь от соседей, напряжения или повреждения ДНК), митохондрии выпускают caspase активаторы, которые вызывают вызывающий некроз клеток биохимический каскад. Также, механизм самоубийства клетки теперь крайне важен для всех наших жизней.

Апоптоз дефинитивных клеток

Отдельные клетки, как и организм в целом, подвергаются старению. Такие клетки называют дефинитивными клетками, или клетками в состоянии терминальной (конечной) дифференцировки. Каждый дифферон имеет свои дефинитивные клетки. Например, фиброциты — дефинитивные клетки фибробластического дифферона, гранулоциты крови и макрофаги — миеломоноцитарного дифферона, хондроциты и остеоциты — дефинитивные клетки соответственно хондро- и остеобластического дифферонов и т.п. Клетки, находящиеся в состоянии терминальной дифференцировки разрушаются, как правило, путём апоптоза.

Апоптоз аберрантных клеток

Апоптоз аберрантных клеток можно рассматривать как наиболее важный вариант естественного апоптоза, т.к. благодаря ему устраняются мутантные, в том числе диспластические, клетки, а также клетки, инфицированные вирусами.

Патология апоптоза аберрантных клеток

Патология апоптоза аберрантных клеток проявляется его недостаточностью.

1. Недостаточный апоптоз диспластических клеток (промалигницитов) — клеток, претерпевающих злокачественную трансформацию,— лежит в основе развития злокачественных новообразований.

2. Недостаточность апоптоза вирус-инфицированных клеток обусловлена специфическим влиянием вирусов на клеточные механизмы реализации программы апоптоза. Вирусы, особенно ДНК-содержащие, поражая клетку, блокируют эти механизмы. Тем самым они обеспечивают возможность использовать клеточные системы синтеза биополимеров для собственной репликации или геном клетки для длительного хранения своих копий (персистенция вируса).

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»): DR3, DR4, DR5. 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).

Типы

  • Апоптоз или некроз клеток Типа I.
  • Autophagic или некроз клеток Type II. (Цитоплазматический: характеризуемый формированием больших вакуолей, которые съедают органоиды в определенной последовательности до разрушения ядра.)

Апоптоз

Апоптоз — процесс апоптоза (PCD), который может появиться в многоклеточных организмах. Биохимические события приводят к характерным изменениям клетки (морфология) и смерть. Эти изменения включают blebbing, сжатие клетки, ядерную фрагментацию, уплотнение хроматина и хромосомную фрагментацию ДНК. Теперь считается, что — в контексте развития — клетки вызваны положительно совершить самоубийство пока в гомеостатическом контексте; отсутствие определенных факторов выживания может обеспечить стимул для самоубийства. Кажется, есть некоторое изменение в морфологии и действительно биохимии этих путей самоубийства; некоторая поступь путь «апоптоза», других после более обобщенного пути к удалению, но обоим обычно быть генетически и искусственно мотивированным. Есть некоторые доказательства, что определенные признаки «апоптоза», такие как активация эндонуклеазы могут быть поддельно вызваны, не затрагивая генетический каскад, однако, по-видимому истинный апоптоз и апоптоз должны быть генетически установлены. Также становится ясно, что mitosis и апоптоз — toggled или связанный в некотором роде и что достигнутый баланс зависит от сигналов, полученных от соответствующих факторов роста или выживания.

Аутофагия

Макроаутофагия, часто называемая аутофагией, является процессом catabolic, который приводит к autophagosomic-lysosomal ухудшению большой части цитоплазматическое содержание, неправильные совокупности белка и избыточные или поврежденные органоиды.

Аутофагия обычно активируется условиями питательного лишения, но была также связана с физиологическими, а также патологическими процессами, такими как развитие, дифференцирование, нейродегенеративные заболевания, напряжение, инфекция и рак.

Механизм

Критический регулятор индукции аутофагии — киназа mTOR, который, когда активировано, подавляет аутофагию, и если не активированный продвигает его. Три связанных киназы серина/треонина, киназа UNC-51-like-1,-2, и-3 (ULK1, ULK2, UKL3), которые играют подобную роль как дрожжи Atg1, акт вниз по течению mTOR комплекса. ULK1 и ULK2 формируют большой комплекс с гомологом млекопитающих связанного с аутофагией генного продукта (Atg) (mAtg13) и белок лесов FIP200. Комплекс класса III PI3K, содержа hVps34, Beclin-1, p150 и подобный Atg14 белок или ультрафиолетовое озарение связанный с сопротивлением ген (UVRAG), требуется для индукции аутофагии.

Гены ATG управляют autophagosome формированием через ATG12-ATG5 и LC3-II (ATG8-II) комплексы. ATG12 спрягается к ATG5 в подобной ubiquitin реакции, которая требует ATG7 и ATG10. Atg12–Atg5, сопряженный тогда, взаимодействует нековалентно с ATG16, чтобы сформировать большой комплекс. LC3/ATG8 расколот в его конечной остановке C протеазой ATG4, чтобы произвести цитозольный LC3-I. LC3-I спрягается к phosphatidylethanolamine (PE) также в подобной ubiquitin реакции, которая требует Atg7 и Atg3. Форма lipidated LC3, известного как LC3-II, присоединена к autophagosome мембране.

Аутофагия и апоптоз связаны и положительно и отрицательно, и обширная перекрестная связь существует между двумя. Во время дефицита питательных веществ, функций аутофагии как механизм провыживания, однако, чрезмерная аутофагия может привести к некрозу клеток, процесс, морфологически отличный от апоптоза. Несколько сигналов pro-apoptotic, таких как ФНО, СЛЕД, и FADD, также вызывают аутофагию. Кроме того, Bcl-2 запрещает Beclin-1-dependent аутофагию, таким образом функционируя и как провыживание и как anti-autophagic регулятор.

Другие типы

Помимо вышеупомянутых двух типов PCD, были обнаружены другие пути.

Названный «non-apoptotic апоптоз» (или «caspase-независимый апоптоз» или «necroptosis»), эти альтернативные маршруты до смерти так же эффективны как апоптоз и могут функционировать или как резервные механизмы или как главный тип PCD.

Другие формы апоптоза включают anoikis, почти идентичный апоптозу кроме его индукции; cornification, форма некроза клеток, исключительного к глазам; excitotoxicity; ferroptosis, зависимая от железа форма некроза клеток и вырождения Wallerian.

Растительные клетки подвергаются особым процессам PCD, подобного autophagic некрозу клеток. Однако некоторые общие черты PCD высоко сохранены и на заводах и на метазооне.

Факторы апоптоза

Структурно-морфологические и биохимические изменения при апоптозе осуществляются определенным набором специализированных клеточных инструментов, среди которых наиболее важными являются каспасы, нуклеазы и мембранные модификаторы.

Каспазы – группа ферментов, разрезающих пептидные связи по остаткам аспарагина, фрагментируя белки на крупные пептиды. До начала апоптоза присутствуют в клетке в неактивном состоянии из-за ингибиторов. Главной мишенью каспаз являются ядерные белки.

Нуклеазы – ответственны за разрезание молекул ДНК. Особо важна в развитии апоптоза активная эндонуклеаза CAD, разрывающая участки хроматина в областях линкерных последовательностей. В результате образуются фрагменты длиной 120-180 нуклеотидных пар. Комплексное воздействие протеолитических каспаз и нуклеаз приводит к деформации и фрагментации ядра.

Естественный апоптоз

Модификаторы клеточной мембраны – нарушают асимметричность билипидного слоя, превращая его в мишень для фагоцитирующих клеток.

Ключевая роль в развитии апоптоза принадлежит каспазам, которые поэтапно активируют все последующие механизмы деградации и морфологической перестройки.

Апоптоз дефинитивных клеток

Отдельные клетки, как и организм в целом, подвергаются старению. Такие клетки называют дефинитивными клетками, или клетками в состоянии терминальной (конечной) дифференцировки. Каждый дифферон имеет свои дефинитивные клетки. Например, фиброциты — дефинитивные клетки фибробластического дифферона, гранулоциты крови и макрофаги — миеломоноцитарного дифферона, хондроциты и остеоциты — дефинитивные клетки соответственно хондро- и остеобластического дифферонов и т.п. Клетки, находящиеся в состоянии терминальной дифференцировки разрушаются, как правило, путём апоптоза.

Апоптоз инволюции

При инволюции (физиологической атрофии) органов гибель их клеток происходит путём апоптоза. К физиологической атрофии относятся инволюция эмбриональных структур (в частности, провизорных органов), возрастная инволюция тимуса, постгравидарная инволюция эндометрия, инволюция секреторных отделов молочных желёз после периода лактации, атрофия половых желёз в климактерическом и постклимактерическом периодах и т.п.

Патология апоптоза инволюции

Патология апоптоза инволюции проявляется в виде его недостаточной или чрезмерной выраженности и лежит в основе дисхронии — нарушении темпов развития (ускорения их или замедления).

1. Вследствие недостаточности апоптоза инволюции происходит задержка (персистирование, персистенция) тканевых структур и органов в онтогенезе. Так, персистирование является одним из наиболее распространённых пороков развития, например, персистирование метанефрогенной бластемы в почке новорождённого, персистирование боталлова (артериального) протока или овального окна у ребёнка в возрасте старше 3 мес., персистирование эмбриональных щелей (дизрафия или арафия) с формированием расщелин губы, нёба, позвоночника, уретры.

Персистенция фолликула или жёлтого тела в яичниках приводит к нарушению менструально-овариального цикла и сопровождается маточными кровотечениями.

2. Редко встречающаяся форма патологии апоптоза инволюции — его чрезмерная выраженность. При этом ускорение процессов морфогенеза и дифференцировки приводит к преждевременной пренатальной инволюции и в дальнейшем к преждевременному старению всего организма или отдельных органов (прогерия).

Пути активации апоптоза

Передача сигнала для запуска апоптоза клетки может быть осуществлена двумя путями: рецепторным (или внешним) и митохондриальным. В первом случае процесс активируется через специфические рецепторы смерти, воспринимающие внешние сигналы, которыми служат белки семейства TNF (фактора некроза опухолей) или Fas-лиганды, расположенные на поверхности Т-киллеров.

В состав рецептора входит 2 функциональных домена: трансмембранный (предназначенный для связи с лигандом) и ориентированный внутрь клетки «домен смерти», индуцирующий апоптоз. Механизм рецепторного пути основывается на образовании DISC-комплекса, активирующего инициаторные каспазы 8 или 10.

Сборка начинается со взаимодействия домена смерти с внутриклеточными адапторными белками, которые, в свою очередь, связывают инициаторные прокаспазы. В составе комплекса последние превращаются в функционально-активные каспазы и запускают дальнейший апоптозный каскад.

Механизм внутреннего пути основан на активации протеолитического каскада особыми митохондриальными белками, выброс которых контролируется внутриклеточными сигналами. Выход компонентов органоидов осуществляется через образование огромных пор.

Особая роль в запуске принадлежит цитохрому с. Попадая в цитоплазму, этот компонент электротранспортной цепи связывается с белком Apaf1 (апоптотический фактор активации протеаз), что приводит к активации последнего. Затем Apaf1 связывают инициаторные прокаспазы 9, которые по механизму каскада запускают апоптоз.

Контроль внутреннего пути осуществляется особой группой белков семейства Bcl12, которые регулируют выход межмембранных компонентов митохондрий в цитоплазму. В составе семейства имеются как проапоптические, так и антиапоптические белки, баланс между которыми и определяет, будет ли запущен процесс.

К одним из мощных факторов, запускающих апоптоз по митохондриальному механизму, относятся реактивные формы кислорода. Еще одним значимым индуктором является белок р53, который активирует митохондриальный путь при наличии ДНК-повреждений.

Иногда запуск апоптоза клеток сочетает в себе сразу два пути: как внешний, так и внутренний. Последний обычно служит для усиления рецепторной активации.

Чем апоптоз отличается от некроза

Естественный апоптоз

Главное различие между апоптозом и некрозом заключается в причине клеточной деградации. В первом случае источником разрушения служат молекулярные инструменты самой клетки, которые работают под строгим контролем и требуют затрат энергии АТФ. При некрозе происходит пассивное прекращение жизнедеятельности из-за внешнего повреждающего воздействия.

Апоптоз – это естественный физиологический процесс, сконструированный таким образом, чтобы не вредить окружающим клеткам. Некроз – это неконтролируемое патологическое явление, возникающее в результате критических повреждений. Поэтому неудивительно, что механизм, морфология и последствия апоптоза и некроза во многом противоположны. Однако имеются и общие черты.

Характеристика процесса Апоптоз Некроз
объем клетки уменьшается увеличивается
целостность мембраны сохраняется нарушается
воспалительный процесс отсутствует развивается
энергия АТФ затрачивается не используется
фрагментация хроматина имеется присутствует
резкое падение концентрации АТФ есть есть
итог процесса фагоцитоз выброс содержимого в межклеточное пространство

В случае повреждения клетки запускают механизм запрограммированной гибели в том числе для того, чтобы не допустить некротического развития. Однако недавние исследования показали, что существует иная непатологическая форма некроза, которую также отнесли к ЗГК.

Роль каспаз в клеточной гибели

Семейство каспаз включает 14 белков. Часть из них не задействована в апоптозе, а остальные подразделяются на 2 группы: инициаторные (2, 8, 9, 10, 12) и эффекторные (3, 6 и 7), которые иначе называются каспазами второго эшелона. Все эти белки синтезируются в виде предшественников – прокаспаз, активируемых протеолитическим расщеплением, суть которого состоит в отсоединении N-концевого домена и разделении оставшейся молекулы на две части, в последствии ассоциирующиеся в димеры и тетрамеры.

Инициаторные каспазы необходимы для активации эффекторной группы, которая проявляет протеолитическую активность в отношении различных жизненно важных клеточных белков. К субстратам каспаз второго эшелона относятся:

  • ферменты репарации ДНК;
  • игибитор белка р-53;
  • поли-(ADP-рибозо)-полимераза;
  • ингибитор ДНК-азы DFF (разрушение этого белка приводит к активации эндонуклеазы CAD) и др.

Общее количество мишеней эффекторных каспаз насчитывает более 60 белков.

Ингибирование апоптоза клеток еще возможно на стадии активации инициаторных прокаспаз. Когда эффекторные каспазы вступают в действие, процесс становится необратимым.

admin
Оцените автора
( Пока оценок нет )
Добавить комментарий