Механизмы апоптоза.

.

Явления запрограммированной клеточной гибели известны уже более 100 лет (В.Флеминг, 1885), 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 лизосомальной аутофагией (см. выше) участвует в механизмах таких клеточных адаптаций , как атрофия (уменьшение размеров клеток и числа функционирующих структур в них при сохранении жизнеспособности клетки) и гипоплазия (уменьшение органа вследствие уменьшения числа клеток в нем при сохранении его жизнеспособности).

Так например, одним из авторов этой книги было показано, что инволютивные изменения в коре надпочечников после гипофизэктомии тормозятся актиномицином Д, а значит, представляют собой активный процесс реализации некой программы саморазборки клеток (А.Ш.Зайчик, 1978).

Для обозначения процесса запрограммированной клеточной гибели, морфологически и патохимически отличного от некробиоза, Н.Уолкер в 1968 году предложил термин “апоптоз”. Основатели учения об апоптозе, в частности, Дж. Керр и соавт. (1972), 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.

Авторам представляется принципиально важным, что апоптоз , в противоположность некробиозу, это разновидность клеточной гибели , если можно так выразиться, без сопутствующего скандала.

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 (“Программированная клеточная гибель” под ред. профессора В.С.Новикова) облегчает нашу задачу и делает возможным охарактеризовать в данной книге лишь наиболее общие и патофизиологически важные аспекты проблемы.

В.С. Новиков и соавторы выделяют следующие основные процессы, при которых доминирует гибель по типу апоптоза:

• устранение клеток в раннем онтогенезе

• физиологическая инволюция и уравновешивание митозов в зрелых тканях и клеточных популяциях

• реализация процессов атрофии и регрессия гиперплазии

• альтруистический суицид мутантных и пораженных вирусами клеток

• клеточная гибель после слабого воздействия агентов, вызывающих при массированном поражении некроз.

Ниже приводится сравнительная таблица, характеризующая ряд отличий некробиоза и апоптоза.

Табл. 5 Типовые характеристики основных способов гибели клетки

(по В.С.Новикову и соавторам, с изменениями и дополнениями):

характеристика	апоптоз	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 Д1	выраженный энергодефицит, гипергидратация клетки, ацидоз, гидролиз, диффузная деградация хроматина. Прекращение белкового синтеза. Парез и агрегация элементов цитоскелета.
этиология	воздействие умеренно сильных повреждений и специальные неповреждающие триггерные сигналы (гормоны, цитокины)	воздействие мощных экстремальных факторов

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 (см. выше - о морфогенетической роли аутофагоцитоза). 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” или по Э.Геккелю - “опасного приспособления”. 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-опосредованный сигнал (например, при стимуляции соответствующими биорегуляторами рецепторов ФНО или глюкокортикоидного рецептора лимфоцитов).

Не только ФНО и глюкокортикоиды, но и почти все цитокины, включая 12 интерлкейкинов 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/APO-1 , с-мус, мах , р53, сеd-3 и другие. Подавление экспрессии некоторых генов, например, всl -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 гена всl -2), запускать нейтральные протеазы цитозоля (как продукт гена сеd-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.

Г.А.Софронов и соавторы (1996) полагают, что 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 при 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 всl-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 (рис. 39).

Основные патохимические механизмы апоптоза частично охарактеризованы также в предыдущих разделах книги, при сравнении с некробиозом.

Повреждение и ответ на тканевом и органном уровне

Согласно определению А.А.Заварина, “Под тканью понимают систему элементов - клеток и межклеточных структур, имеющих общие морфобиохимические и системные характеристики и выполняющих общие функции “ (1976). Повреждение вызывает ответ, который на тканевом уровне обогащается реакциями межклеточного вещества и координированными взаимодействиями различных клеток. На органном уровне ответ на повреждение, прежде всего, связан с реакциями стромы, включая кровеносные сосуды микроциркуляторного русла данного органа (см. также выше стр. 59).

Наиболее общим локальным типовым неспецифическим ответом ткани или органа на повреждение служит воспаление.

Воспаление - сложный процесс, включающий несколько типовых патологических процессов более элементарного порядка. Это типовые нарушения микроциркуляции (ишемия, гиперемия, стаз), а также тромбоз.

Логика обсуждения типового ответа васкуляризованных тканей и органов на повреждение требует вначале краткого знакомства с нарушениями кровотока в поврежденной ткани или органе.