Апоптоз

Апоптоз — вид запрограммированной клеточной гибели, реализующийся вследствие последовательной активации «генов смерти» и ферментов «суицидального биохимического пути». Термин апоптоз предложен J.F. Kerr c соавт. (1972 г.) для обозначения особого вида запрограммированной смерти отдельных клеток в ткани, морфологически отличающегося от некроза. Авторы образно сравнили апоптоз с падением с деревьев увядших листьев (см. ).

Этиология и патогенез

Причины и условия развития апоптоза многообразны. Апоптоз закономерно развивается в ходе процессов эмбрионального развития, поддержания тканевого гомеостаза, иммунных реакций, элиминации повреждённых клеток, при старении.

Программа апоптоза может быть запущена либо в результате поступления сигнала клеточной гибели, либо при прекращении поступления факторов выживания. Примером сигнала к апоптозу может стать связывание фактора некроза опухоли (ФНО) с соответствующим рецептором, расположенным на поверхности лимфоцитов. Аналогичный эффект оказывает связывание глюкокортикоидов с ядерными рецепторами лимфоцитов, находящихся в вилочковой железе. Прекращение поступления гормонов или факторов роста, необходимых для выживания определённых клеток, становится «отрицательным» сигналом к апоптозу. Так, снижение концентрации тестостерона в крови после кастрации сопровождается апоптозом клеток предстательной железы.

В норме апоптоз имеет место в ходе эмбриогенеза на стадиях преимплантации, имплантации плодного яйца, органогенеза, а также морфогенеза. Основная биологическая роль апоптоза в норме — установление равновесия между процессами пролиферации и гибели клеток, что при сбалансированности их пролиферации и апоптоза обеспечивает стабильное состояние организма. Преобладание пролиферации над апоптозом приводит к росту тканей, а при относительном усилении апоптоза по сравнению с пролиферацией возникает атрофия.

В патологии значение апоптоза также велико. Все этиологические факторы, вызывающие некроз (термические влияния, радиация, цитотоксические противораковые лекарственные препараты, гипоксия), в небольших дозах и при кратковременном воздействии способны вызывать и апоптоз.

Патогенез апоптоза включает в себя биохимические и генетические механизмы его регуляции. Биохимические механизмы регуляции апоптоза условно могут быть разделены на группы: расщепление, сшивание белков.

 Расщепление белков цистеиновыми протеазами (каспазы).

 Сшивание белков трансглютаминазами в единую связанную сеть и обезвоживание клеток за счёт действия особых селективных ферментных транспортных систем, регулирующих обмен ионов калия, натрия, хлора и воды.

 Разрушение ядра кальций/магний-зависимой эндонуклеазой, расщепляющей молекулы ДНК в участках между нуклеосомами, что приводит к формированию однотипных по размерам фрагментов ДНК.

 Повреждение структуры клеточной мембраны, сопровождающееся перемещением фосфатидилсерина с внутренней на наружную поверхность цитолеммы. Изменение биохимической организации цитолеммы при апоптозе имеет решающее значение в распознавании и немедленном фагоцитозе апоптозных телец соседними клетками, что предупреждает попадание различных биологически активных субстанций в окружающую среду и тем самым предотвращает воспалительную и другие патологические реакции.

Большая группа генов и их белковых продуктов регулируют процессы апоптоза в клетках. Условно их можно разделить на группы в соответствии с фазами апоптоза: передающие сигнал от клеточной мембраны в клетку, передающие сигнал внутри клетки (конролирующие и интегрирующие), осуществляющие апоптоз, регулирующие фагоцитоз апоптозных телец.

Индуцирующие апоптоз сигналы поступают в клетку через клеточные мембраны. Ряд веществ через взаимодействие с соответствующими рецепторами клеточной мембраны могут передавать негативный сигнал, блокирующий апоптоз (гормоны, факторы роста), другие — позитивный, индуцирующий апоптоз (Fas-лиганды, ФНО-, ТФР-).

Наибольшее значение на внутриклеточной фазе передачи апоптогенного сигнала играют члены семейства bcl и bax генов, bcl-2 связывающий протеин (Apaf-1), семейство цистеиновых протеаз (каспаз), р53, Rb, c-vec, c-fos, c-jun. Члены семейства bcl-2 и bax, расположенные в митохондриях, регулируют проницаемость наружной митохондриальной мембраны и тем самым могут способствовать или препятствовать выходу из митохондрий цитохрома С, важнейшего триггера апоптоза. Члены семейства bcl-2 препятствуют апоптозу (ингибиторы апоп

тоза) и представлены следующими членами семейства: bcl-2, bcl-XL. Bcl-2 является аналогом ced 9 гена нематоды С. elegans. Члены семейства, индуцирующие апоптоз, носят название промотор апоптоза (bах, bаd). Все члены данного семейства способны взаимодействовать друг с другом и образовывать гетеродимеры, при этом наличие в составе гетеродимеров промоторов апоптоза является решающим в плане их функциональной активности. Гетеродимеры — промоторы апоптоза из bcl-2 семейства вызывают повышение проницаемости наружной мембраны митохондрий и высвобождение цитохрома C, что считается одним из наиболее ранних событий апоптоза.

Протеолитические ферменты, участвующие в работе протеолитического каскада, могут быть подразделены на конролирующие, интегрирующие и представлены семейством протеаз, работающих как цистеиновые протеазы (cysteine, отсюда первая буква «к» в названии этих протеаз), способных расщеплять аспарагиновую кислоту («aspase»). Каспазы расщепляют белки цитоскелетона и матрикса клетки, но основной целью их действия являются ядро и ядерные белки, участвующие в транскрипции, репликации и репарации ДНК. В частности, каспаза 3 превращает неактивную форму цитоплазматической ДНК-азы в активную, вызывающую внутринуклеосомальное расщепление ядерной ДНК.

Элиминация апоптозных телец осуществлятся путём фагоцитоза их неспециализированными фагоцитами (соседними клетками) и макрофагами. Процесс происходит настолько быстро, что наблюдать его в гистологических препаратах чрезвычайно сложно, а кроме того, при этом не успевает развиться воспалительная реакция. Немедленный фагоцитоз обеспечивается особыми адгезивными свойствами апоптозных телец за счёт экспрессии на их мембранах определённых молекул, связывающихся с фосфатидилсериновыми и тромбоспондиновыми рецепторами и лектинами. Немедленный фагоцитоз апоптозных телец считается основным фактором, блокирующим воспалительную реакцию на погибшие клетки. Таким образом, апоптоз совершается очень быстро, в среднем менее чем за 30 мин, и без воспалительной реакции. Апоптозные тельца могут удаляться также с секретом или лимфо- и кровотоком. Можно выделить три варианта нарушений регуляции апоптоза, обнаруживаемых при различных заболеваниях человека: чрезмерный апоптоз по сравнению с пролиферацией, недостаточный апоптоз по отношению к уровню пролиферативных процессов, незавершённый апоптоз в связи с отсутствием фагоцитоза апоптозных телец.

Морфология (см. )

При световой микроскопии в нормальных тканях клетки в состоянии апоптоза наблюдать крайне трудно в связи с его относительной редкостью, а также немедленным фагоцитозом соседними клетками фрагментов распавшихся клеток (апоптозных телец). Кроме того, при рутинных окрасках апоптоз легко можно спутать с некрозом, сопровождающимся кариорексисом и кариопикнозом. Поэтому наиболее достоверными морфологическими методами верификации апоптоза считаются способы, основанные на обнаружении неспаренных участков ДНК в местах её расщепления эндонуклеазами и иммуногистохимические методы выявления некоторых видов каспаз, промоторов апоптоза и мембранных рецепторов, индуцирующих апоптоз.

Сравнительная характеристика некроза и апоптоза

Некроз и апоптоз являются разновидностями смерти клеток в живом организме.

Отличия апоптоза от некроза связаны с различиями в их распространённости, генетическими, биохимическими, морфологическими и клиническими проявлениями. Существенным отличием апоптоза от некроза является то, что апоптоз распостраняется всегда только на отдельные клетки или их группы, в то время как некроз может захватывать территорию начиная от части клетки до целого органа.

В отличие от некроза разрушение ядра при апоптозе происходит с участием специальных кальций/магний-зависимых эндонуклеаз, расщепляющих молекулы ДНК в участках между нуклеосомами, что приводит к формированию однотипных по размерам фрагментов ДНК, что имеет и своё морфологическое выражение в виде особой структуры хроматина. В цитоплазме клетки, подвергшейся апоптозу, никогда не наблюдается активации гидролитических ферментов, как это бывает при некрозе. Напротив, все органеллы долгое время остаются сохранными и подвергаются конденсации, что связывают с процессами сшивания белковых молекул трансглютаминазами, а также обезвоживания клеток за счёт действия особых селективных ферментных транспортных систем, регулирующих обмен ионов калия, натрия, хлора и воды. Морфологические отличия апоптоза от некроза касаются в основном ультраструктурных перестроек и наиболее достоверно выявляются специальными мофологическими методами.

Нарушения регуляции апоптоза в патологии и его клиническое значение

Нарушение регуляции апоптоза приводит к возникновению дисбаланса между процессами митоза и гибели клеток в тканях, что отражается на тканевом гомеостазе. Подобные изменения обнаруживают при многих заболеваниях. Выделяют чрезмерный, недостаточный, незавершённый апоптоз.

 Чрезмерный апоптоз. Приводит к чрезмерной клеточной гибели (ВИЧ-инфекция, фульминантные формы гепатитов В и С) или к атрофии (нейродегенеративные заболевания, хроническая ишемия миокарда).

 Недостаточный апоптоз по отношению к уровню пролиферативных процессов. Наблюдается при гиперпластических процессах, опухолевом росте, аутоиммунных болезнях. Снижение уровня апоптоза в тканях способствует выживанию мутированных клеток и может способствовать развитию опухолей, что наблюдается при мутациях p53 и в гормонально-зависимых карциномах молочной железы, предстательной железы и яичника. Недостаточный апоптоз «запрещённых» клонов активированных по каким-либо причинам B-лимфоцитов, продуцирующих аутоантитела, может приводить к развитию аутоиммунных болезней.

 Незавершённый апоптоз в связи с отсутствием фагоцитоза апоптозных телец. Наблюдается при раке лёгкого. Незавершённый характер апоптоза, без последующего фагоцитоза апоптозных телец, можно считать проявлением его патологии при опухолевом росте. Незавершённый апоптоз может являться мощным источником митогенетических факторов, стимулирующих пролиферацию живых опухолевых клеток. Таким образом, можно предположить, что незавершённый апоптоз в раке лёгкого с последующим аутолизом апоптозных телец может ещё в большей степени стимулировать рост опухоли.

Значение апоптоза для клиники велико, поскольку его развитие связано с большинством общепатологических процессов. Особое значение апоптоз имеет для появления атрофии, иммунопатологических процессов, воспаления и опухолевого роста. Примером апоптоза в условиях патологии могут служить процессы атрофии паренхимы органов после обтурации выводных протоков (атрофия поджелудочной и околоушной слюнной желёз) или мочеточников (атрофия почек при гидронефрозе). Апоптоз может развиваться при повреждающем действии вирусов на клетки. Например, при вирусных гепатитах отмечается апоптоз гепатоцитов — тельца Каунсилмена. Апоптоз клеток воспалительного инфильтрата наблюдается в очагах иммунного (лимфоциты) и гнойного (полиморфно-ядерные лейкоциты) воспаления. Гибель B- и T-лимфоцитов, а также смерть клеток-мишеней в ходе реакций клеточного иммунитета и отторжения трансплантата также происходит путём апоптоза. Апоптоз развивается в корковых клетках тимуса при воздействии кортикостероидных гормонов и формировании иммунологической толерантности. Большое значение апоптоз имеет при опухолевом росте и может быть искусственно усилен химиотерапевтическими и лучевыми воздействиями на опухоль.