Апоптоз

Апоптоз — вид запрограммированной клеточной гибели, реализующийся вследствие последовательной активации «генов смерти» и ферментов «суицидального биохимического пути». Термин апоптоз предложен J.F. Kerr c cсоавторами (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.

Термин может употребляться в широком и узком смыслах. В широком смысле слова, апоптоз является выражением определённого вида запрограммированной клеточной смерти в норме и патологии. В узком же смысле слова термин апоптоз применим только для случаев патологии.

Апоптоз, как вид запрограммированной клеточной гибели, имеет определённые морфологические проявления и биохимические механизмы.

Клеточная гибель совершается при участии белковых продуктов определённых генов, хотя в ряде случаев сходные морфологические изменения могут быть получены и без активации генов.

Биологический смысл апоптоза заключается в элиминации повреждённых клеток и, находясь в динамическом равновесии между процессами пролиферации и дифференцировки клеток способности поддерживать тканевой гомеостаз на определённом уровне.

Апоптоз и запрограммированная смерть клеток. Смерть клеток без предварительных необратимых повреждений, в результате включения генетической программы, предопределяющей её гибель, была названа Lockshin и Williams (1964 г.) «запрограммированной клеточной смертью». Такая гибель встречается в случаях, когда в целях развития, роста и выживания тканей возникает необходимость избавиться от повреждённых, отработанных клеток. Возникает парадоксальная ситуация: клетка жертвует своей жизнью, идёт на самоубийство, ради сохранения целого (ткани, органа, организма). Таким образом, биологическое значение программной клеточной гибели заключается в поддержании жизни.

Запрограммированная клеточная гибель является составной частью таких биологических процессов как эмбриональное развитие, морфогенез и метаморфоз организмов. В многоклеточных организмах баланс между запрограммированной клеточной гибелью и митозом обеспечивает тканевой гомеостаз.

Термины «запрограммированная клеточная гибель» и «апоптоз» не являются синонимами. Термин «запрограммированная клеточная гибель» используется в узком и в широком понимании. В узком смысле слова запрограммированная клеточная гибель противопоставляется апоптозу, поскольку она совершается в норме в ходе развития организма и при обеспечении тканевого гомеостаза. В то же время апоптоз (самоубийство клетки) развивается в условиях патологии и совершается по определённым механизмам. В широком понимании термин «запрограммированная клеточная гибель» включает в себя не только смерть путём апоптоза, но и ряд других видов клеточной гибели, таких как: вакуолярная или аутофагическая, атрофическая гибель, а также смерть путём терминальной дифференцировки.

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. Примером исчезновения клеток путём апоптоза может служить инволюция мюллерова и вольфова протоков, межпальцевых перепонок, формировании просветов в полостных органах (в сердце). Апоптоз наблюдается при атрофии зрелых тканей под влиянием или при отмене эндокринных стимулов при росте и старении организма. В норме апоптоз является механизмом возрастной атрофии тимуса, инволюции ткани эндометрия и предстательной железы, молочных желёз после прекращения лактации, а также апоптоз B- и T-лимфоцитов после прекращения действия на них стимулирующего действия соответствующих цитокинов при завершении имунных реакций.

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. Не исключено участие в процессах конденсации цитоплазмы белков цитоскелетона, прежде всего β-тубулина, усиление синтеза которого отмечается в клетках при апоптозе.

● Разрушение ядра кальций/магний-зависимой эндонуклеазой, расщепляющей молекулы ДНК в участках между нуклеосомами, что приводит к формированию однотипных по размерам фрагментов ДНК. Масса этих фрагментов кратна массе одной нуклеосомы, состоящей из 200 пар оснований, а каждый фрагмент содержит от одной до нескольких нуклеосом. Своеобразное расщепление ДНК при апоптозе имеет и свое морфологическое выражение в виде особой структуры хроматина.

● Повреждение структуры клеточной мембраны, сопровождающееся перемещением фосфатидилсерина с внутренней на наружную поверхность цитолеммы. Изменение биохимической организации цитолеммы при апоптозе имеет решающее значение в распозновании 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-α, ТФР-β). При этом отмена сигналов, блокирующих апоптоз, способна его индуцировать. Некоторые проапоптогенные факторы воздействуют сразу на внутриклеточные струтктуры. Например, глюкокортикоиды вызывают апопотоз клеток путём взаимодействия с соответствующими рецепторами, расположенными на ядерной мембране.

Наибольшое 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 апоптоза) 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, к ним относятся: 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.

Высвободившись из митохондрий, цитохром C взаимодействует с проапоптозным фактором, активирующим протеазы (Apaf-1), аналогом гена ced 9 нематод, и тем самым индуцирует начало протеолитического каскада в клетке, определяющего её смерть.

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 раделяют белки цитоскелетона и матрикса клетки, но основной целью их действия является ядро и ядерные белки, участвующие в транскрипции, репликации и репарации ДНК. В частности, каспаза 3 превращает неактивную форму цитоплазматической ДНКазы 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.