Морфологические проявления апоптоза

Целостность плазматической мембраны при апоптозе не нарушается, хотя происходит ее выпячивание и «пузырение» за счет изменений цитоскелета. При апоптозе цитоплазма клетки уплотняется, хроматин конденсируется, ядро подвергается сморщиванию и в дальнейшем распадается на отдельные везикулы. На заключительных стадиях апоптоза фрагментации подвергаются сами клетки с формированием, так называемых апоптозных телец – фрагментов хроматина, окруженных мембраной.

Наиболее частыми нарушениями являются уменьшение митохондрий в размерах и гиперплотность их матрицы, такие особенности часто называют «митохондриальный пикноз» (т.е., сморщивание). Правда, эксперименты, проведенные на симпатических нейронах, показали, что если апоптоз вызван фактором роста нервов (NFG), то потеря нейронов блокируется с помощью каспазных ингибиторов, то есть, что переход от нормальной структуры к конденсированной является обратимым процессом. Кроме того, сильно влияют на апоптоз клеточные распределения митохондрий; митохондрии, как правило, разбросаны по всей клетке. И при митохондриальной конденсации (пикнозе) и при перинуклеарной кластеризации во многих типах клеток можно наблюдать выделение проапоптического белка Bax, относящегося к семейству белков Bcl-2.

Модели протекания апоптоза

На поверхности каждой клетки имеются «смертельные рецепторы», способные улавливать апоптические сигналы. Многие сигналы смерти поступают на митохондрию посредством белков семейства Bcl-2, таких, как белки Bid и Bad. Эти белки работают специфически.

Рисунок 1.Различные механизмы апоптоза

1. В некоторых клетках белок Fas взаимодействует с трансмембранным белком, запуская тем самым программу смерти, что приводит к тримеризации Fas и формированию вызывающего клеточную смерть комплекса сигналов (DISC – death-inducing signaling complex). Этот комплекс так же называют апоптосомой, и он формируется путем объединения цитоплазматической области Fas, белка FADD и прокаспазы 8, способной к созданию активного фермента – каспазы 8.

Затем, каспаза 8 взаимодействует с белком Bid и расщепляет его до концевого продукта – t-Bid, который, активизирует Bax или Bax-подобные белки, способствующие активизации и выходу цитохрома С (смотри рисунок 5). Bax претерпевает морфологические изменения, олигомеризуется и встраивается во внешнюю мембрану митохондрии. Это способствует быстрому освобождению цитохрома с. Вполне возможно, что Bax вставляется в митохондрию прежде, чем олигомеризуется. Эти события могут быть вызваны посредством взаимодействия Bax с белком Bid или прокаспазой-8 вкупе с белками Bid и tBid, а так же, могут быть подавлены путем прямого взаимодействия Bax с белками Bcl-2 и Bcl-XL. Bax-подобный белок «Bak» активируется через аналогичные механизмы.

Рисунок 2. Высвобождение цитохрома С белком Bax

Есть, так же, вариант, когда t-Bid может активизировать цитохром С самостоятельно, без взаимодействия с Bax, встраиваясь в мембрану митохондрии и, вкупе с белком – порином, образуя канал проводимости.

После этого, в цитозоле, цитохром С активизирует каспазу 9, путем связывания Apaf-1 с АТФ/дАТФ и прокаспазой 9 (о комплексе которых уже говорилось ранее). После чего идет дальнейшее развитие апоптоза, сопровождающееся образованием новых каспаз и разрушением клетки.

2. Каспаза 8 может так же инициировать сигнальный путь, который не зависит от митохондрии, путем активизирования дальнейшего каскада реакций с образованием новых каспаз.

3. Белки Bad и Bax, перемещаясь по митохондрии, так же могут вызвать апоптоз, получив сигнал независимой от рецепторов смерти. В здоровых клетках Bad фосфорилируется в ответ на присутствие в клетке некоторых каспаз, таких как, Akt, митоген-активирующаяся протеиновая киназа (MAPC), Erk, PKA (протеинкиназа-А), Rsks (MAPK-активизирующаяся киназа) и PAK (p21-активизирующаяся киназа 1). Проще говоря, апоптоз не запускается в ответ на пролиферацию (разрастание) клеток.

Связывание Bad с сильными антиапоптозными белками Bcl-x_L и Bcl-2, находящимися на мембране митохондрии, инактивирует последние, что ведет к клеточной гибели. Однако, будучи фосфорилированным, Bad может образовывать комплекс с 14-3-3 белком в цитоплазме, предотвращая тем самым связь Bad с митохондриально локализованными Bcl-x_L и Bcl-2 и, таким образом, подавляя апоптоз. Два фосфорилированных сериновых остатка встраиваются в белковую последовательность 14-3-3. Фосфорилирование каждого остатка – как результат изоляции Bad в цитозоле.

4. При апоптозе Bad является дефосфорилированным и перемещается в митохондрии, где связывается с Bcl-x_L. Между тем, Bcl-x_L замещает Bad на Bax, тем самым подавляя апоптоз.

Если Bcl-2 включает механизм выживания клеток, то Bax ускоряет апоптоз. Bcl-2 и Bax могут образовывать гетеродимеры (причем, в данном случае, способности Bax заглушаются, и клетка выживает). Предполагается, что соотношение белков Bcl-2 и Bax может быть главной клеточной способностью к апоптозу.

Рисунок 3. Комбинации гетеродимеров, усиливающих и подавляющих апоптоз

Гетеродимер Bax + Bax способствуют клеточной смерти (рисунок слева) так же, как и комплекс Bcl-2 + Bcl-xs (рисунок справа).

Для активности, подавляющей смерть, Bcl-2 и Bcl-x_L должны сформировать димеры с протеином Вах, в то время как димеры с протеином Bad усиливают смерть.

Пять моделей высвобождения цитохрома С из митохондрии в процессе апоптоза

митохондрия апоптоз цитохром старение

Рисунок 4. Модели высвобождения цитохрома С

МОДЕЛЬ А. Внешняя мембрана митохондрии разрывается в результате набухания, что позволяет цитохрому С и другим белкам выйти из межмембранного пространства. Модель А отображает закрытие анионных каналов (VDAC) и нарушение АТФ-АДФ обмена.

При нормальных условиях протоны, которые накапливаются в межмембранном пространстве в результате переноса электрона посредством работы АТФ-синтетазного комплекса F1F0. Прекращение работы АТФ-синтетазного комплекса приводит к нарушению АТФ-АДФ обмена и накопление протонов в межмембранном пространстве, что способствует увеличению трансмембранного митохондриального потенциала, который ведет клетку к осмотическому набуханию.

МОДЕЛЬ Б. Эта модель предполагает, что поры на мембране митохондрии открываются, вследствие чего внутренняя проницаемость увеличивается и митохондрия набухает от воды и растворенных веществ, которые в неё вливаются через открытые поры.

Bax может заставить эту пору открыться за счет связывания с ANT (аденин-никлеотидным транслокатором) на контакте между внутренней и внешней мембраной или после перемещения во внутренней мембране митохондрии.

МОДЕЛИ С, Д и Е.

Крупные каналы в наружной мембране митохондрии позволяют выходить цитохрому С без повреждения митохондрии.

Эти каналы могут быть образованы только белком Bax (модель С), комплексом Bax + VDAC (модель Д), или может быть липидным каналом или белково-липидным комплексом, образованными после вставки Bax в наружную мембрану митохондрии (модель Е).