Гибель клеток
В организме постоянно происходит обновление клеток, отмирают одни и возникают новые. Т.е., гибель клеток является естественным процессом, необходимым для поддержания гомеостаза органов и организма в целом. «Правильная» гибель клеток является условием существования живых организмов.
Смерть клеток – развитие необратимых изменений, сложное явление, в котором принимают участие различные клеточные механизмы, многие из которых не поняты до конца.
Классификация форм клеточной гибели основана прежде всего на морфологических критериях, учитываются также ферментативные, функциональные и другие параметры.
«Основными» формами клеточной гибели считают апоптоз, гибель путем аутофагии, ороговение и некроз. Первые три – генетически детерминированные, их можно считать «программируемой» смертью клеток. Современное определение: программируемая клеточная гибель – гибель клетки, которая реализуется при участии ее генетического аппарата. Программируемую клеточную гибель противопоставляют некрозу, - «внезапной» гибели клетки под действием внешних факторов (температуры, механического повреждения).
К разряду «атипичных» форм клеточной гибели относят относительно редко встречающиеся варианты, с плохо изученными механизмами.
Апоптоз
Апоптоз часто называют «программируемой клеточной смертью», однако в настоящее время показано, что апоптоз – лишь один из вариантов программируемой клеточной гибели, существуют и другие, в частности, аутофагия.
Апоптоз – наиболее изученная форма программируемой клеточной гибели, и представляет собой нормальное физиологическое явление, необходимое для функционирования тканей взрослого организма, и для формирования органов в эмбриогенезе. Так, в течение суток у человека апоптозу подвергается 5х10^11 клеток крови, взамен которых из органов кроветворения поступают новые клетки.
Иммунная система использует механизм апоптоза для разрушения инфицированных вирусами клеток и поврежденных клеток, которые могут представлять опасность для организма в целом. Повреждения ДНК также могут вызывать апоптоз, элиминируя т.о. потенциально опасные мутации.
В эмбриогенезе апоптоз элиминирует промежуточные эмбриональные органы.
Апоптоз имеет свои морфологические характеристики, позволяющие отличать его от гибели клеток вследствие повреждений путем некроза. В процессе апоптоза происходит фрагментация ДНК между нуклеосомами, хроматин конденсируется, ядро приобретает характерный вид с «полулуниями» гомогенного хроматина очень высокой электронной плотности. Затем происходит фрагментация ядра, после чего клетка сморщивается и распадается на фрагменты. Фрагменты фагоцитируются макрофагами и окружающими клетками, происходит элиминация клетки из ткани. Т.е., при апоптозе главным морфологическим процессом является уплотнение ядра, конденсация хроматина и фрагментация ядра, а при некрозе – набухание, отек и разрыв клетки.
Несмотря на яркую микроскопическую картину апоптоза в световом и электронном микроскопе, при изучении апоптоза целесообразно использовать иммуногистохимическое выявление специфических апоптозных белков.
В настоящее время признается два пути индукции апоптоза – «внешний» посредством взаимодействия специфических сигналов, несущих Fas/Fas участки, и «внутренний» митохондриальный путь, индуцируемый внутренними факторами, когда активируются каспазы и выходит в цитоплазму цитохром-с. Биохимические параметры апоптоза достаточно хорошо изучены, выявлено огромное количество участвующих в апоптозе молекул, однако биологическое значение того или иного варианта не установлено.
Изучение генетических механизмов апоптоза у нематоды С. elegans выявило центральную роль генов ced-3, ced-4 и ced-9 в контроле программы апоптоза на клеточном уровне. Гомолог гена ced-9 у млекопитающих – онкоген Bcl-2 (“B-cell Lymphoma”), семейство Bcl-2 содержит более 20 членов. Исследование гена ced-3 выявило семейство из 18 cysteinyl aspartate proteases, и дало термин “caspases” («каспазы»). Каспазы регулируют и осуществляют апоптоз путем кливиджа более 400 субстратов, принимающих участие в различных метаболических процессах в клетке, а также в развитии организма в целом, в реакциях воспаления, дегенеративных заболеваниях и канцерогенезе.
Молекулярные события при развитии апоптоза зависят от многих факторов, но в целом выделяют два основных механизма апоптоза. Начало апоптоза – активация инициирующей каспазы-8, которая может вызываться двумя путями: (1) сигналом, пришедшим извне и воздействующим на «рецепторы смерти», и (2) так называемым «клеточным стрессом» - внутренними повреждениями клетки. При этом каспаза-8 вызывает активацию эффекторных каспаз посредством белка Bid, принадлежащего к семейству белков Bcl-2. При реализации механизма 1 инициирующая каспаза-8 непосредственно активирует эффекторные каспазы, главным образом, каспазу 3. В случае второго механизма, белок Bid вызывает нарушение проницаемости мембран митохондрий и выход в цитоплазму цитохрома с. В цитозоле цитохром с связывается с активирующим апоптотическую протеазу фактором Apaf-1, формируется мультимерный комплекс, называемый «апоптосома», который активирует каспазу-9, взаимодействующую с каспазой-3.
Эффекторные каспазы (каспаза-3) завершают цепь событий, приводящих к гибели клеток.
Вариантов развития апоптоза очень много, описаны его различные модификации, когда не выявляются «типичные» молекулярные события, поэтому зачастую основным критерием идентификации апоптоза является морфология ядра и клетки.
Белки семейства Bcl-2 регулируют и модулируют про- и анти-апоптотические сигналы в различных клеточных структурах, активацию каспаз, и, в конечно итоге, «отвечают» за принятие решения о гибели клетки. Белки этого семейства не только регулируют развитие апоптоза, вызывая выделение цитохрома с, но и выполняют множество регулирующих функций в здоровой клетке. Так, показано их участие в поддержании гомеостаза ЭПР, контроле целостности генома в ядре, реализации сигналов в синапсах, а также в регуляции деления митохондрий и клеточного метаболизма.
В 2009 г. комитет по номенклатуре гибели клеток (Nomenclature Committee on Cell Death (NCCD)) опубликовал рекомендации по использовании различных терминов, связанных с гибелью клеток.