Апоптоз клеток: почему он не всегда работает? Морфологические проявления апоптоза Значение апоптоза
Сайт предоставляет справочную информацию исключительно для ознакомления. Диагностику и лечение заболеваний нужно проходить под наблюдением специалиста. У всех препаратов имеются противопоказания. Консультация специалиста обязательна!
Что такое апоптоз?
Апоптоз – физиологическая смерть клетки, представляющая собой своеобразную генетически запрограммированную самоликвидацию.Термин "апоптоз" в переводе с греческого означает "опадающий". Авторы термина дали такое название процессу запрограммированной смерти клеток потому, что именно с ним связано осеннее опадание увядших листьев. Кроме того, само название характеризует процесс как физиологический, постепенный и абсолютно безболезненный.
У животных в качестве наиболее яркого примера апоптоза, как правило, приводят исчезновение хвоста у лягушки во время метаморфозы из головастика во взрослую особь.
По мере взросления лягушонка хвост полностью исчезает, поскольку его клетки подвергаются постепенному апоптозу – запрограммированной смерти, и поглощению деструктированных элементов другими клетками.
Явление генетически запрограммированной гибели клеток встречается у всех эукариотов (организмов, клетки которых имеют ядро). Прокариоты же (бактерии) имеют своеобразный аналог апоптоза. Можно сказать, что данный феномен характерен для всего живого, за исключением таких особых доклеточных форм жизни, как вирусы .
Апоптозу могут подвергаться как отдельные клетки (как правило, дефектные), так и целые конгломераты. Последнее особенно характерно для эмбриогенеза. К примеру, опыты исследователей доказали, что благодаря апоптозу во время эмбриогенеза исчезают перепонки между пальцами на лапках у цыплят.
Ученые утверждают, что у человека такие врожденные аномалии, как сросшиеся пальцы на руках и ногах, также возникают вследствие нарушения нормального апоптоза на ранних стадиях эмбриогенеза.
История открытия теории апоптоза
Изучение механизмов и значения генетически программируемой клеточной смерти началось еще в шестидесятых годах прошлого века. Ученых заинтересовал тот факт, что клеточный состав большинства органов на протяжении жизни организма практически одинаков, а вот жизненный цикл различных типов клеток значительно отличается. При этом происходит постоянная замена многих клеток.Таким образом, относительное постоянство клеточного состава всех организмов поддерживается динамическим равновесием двух противоположных процессов – клеточной пролиферации (деление и рост) и физиологического отмирания отживших клеток.
Авторство термина принадлежит британским ученым – Дж. Керру, Э. Уайли и А. Керри, которые впервые выдвинули и обосновали концепцию о принципиальном различии физиологической смерти клеток (апоптоз), и их патологической гибели (некроз).
В 2002 году ученые из кембриджской лаборатории, биологи С. Бреннер, Дж. Салстон и Р. Хорвиц, получили Нобелевскую Премию по физиологии и медицине за раскрытие основных механизмов генетической регуляции развития органов и исследования программируемой клеточной смерти.
Сегодня теории апоптоза посвящены десятки тысяч научных работ, раскрывающие основные механизмы его развития на физиологическом, генетическом и биохимическом уровнях. Ведется активный поиск его регуляторов.
Особенно большой интерес представляют исследования, дающие возможность практического применения регуляции апоптоза при лечении онкологических, аутоиммунных и нейродистрофических заболеваний.
Механизм
Механизм развития апоптоза на сегодняшний день до конца не изучен. Доказано, что процесс может индуцироваться малыми концентрациями большинства веществ, вызывающих некроз.Однако в большинстве случаев генетически запрограммированная гибель клеток происходит при поступлении сигналов от молекул – клеточных регуляторов, таких как:
- гормоны;
- антигены;
- моноклональные антитела и др.
Характерно, что сигналом к развитию апоптоза может быть как наличие активирующих веществ, так и отсутствие некоторых соединений, препятствующих развитию запрограммированной смерти клетки.
Ответ клетки на сигнал зависит не только от его силы, но и от общего исходного состояния клетки, морфологических особенностей ее дифференцировки, стадии жизненного цикла.
Одним из базовых механизмов апоптоза на стадии его реализации является деградация ДНК, в результате чего происходит фрагментация ядра. В ответ на повреждение ДНК запускаются защитные реакции, направленные на ее восстановление.
Неудачные попытки восстановить ДНК приводят к полному энергетическому истощению клетки, что и становится непосредственной причинной ее гибели.
Механизм апоптоза - видео
Фазы и стадии
Различают три физиологические фазы апоптоза:1. Сигнальная (активация специализированных рецепторов).
2. Эффекторная (формирование из разнородных эффекторных сигналов единого пути апоптоза, и запуск каскада сложных биохимических реакций).
3. Дегидратационная (букв. обезвоживание – гибель клетки).
Кроме того, морфологически выделяют две стадии процесса:
1.
Первая стадия – преапоптоз
. На этой стадии происходит уменьшение размеров клетки за счет ее сморщивания, возникают обратимые изменения в ядре (уплотнение хроматина и скопление его по периферии ядра). В случае воздействия некоторых специфических регуляторов апоптоз может быть остановлен, и клетка возобновит свою нормальную жизнедеятельность.
2.
Вторая стадия – собственно апоптоз. Внутри клетки происходят грубые изменения во всех ее органеллах, однако наиболее значимые превращения развиваются в ядре и на поверхности ее внешней мембраны. Клеточная мембрана теряет ворсинки и обычную складчатость, на ее поверхности формируются пузырьки – клетка как бы кипит, и в результате распадается на так называемые апоптические тельца, поглощаемые тканевыми макрофагами и/или соседними клетками.
Морфологически определяемый процесс апоптоза занимает, как правило, от одного до трех часов.
Некроз и апоптоз клетки. Сходство и различие
Терминами некроз и апоптоз обозначают полное прекращение жизнедеятельности клетки. Однако апоптозом обозначают физиологическое отмирание, а некрозом – ее патологическую гибель.Апоптоз является генетически запрограммированным прекращением существования, то есть по определению имеет внутреннюю причину развития, в то время как некроз происходит в результате воздействия сверхсильных внешних, по отношению к клетке, факторов:
- недостаток питательных веществ;
- отравление токсинами и т.п.
Кроме того, гибель клетки при процессах некроза и апоптоза отличается морфологически – первый характеризуется её набуханием, а при втором происходит сморщивание клетки, и уплотнение ее мембран.
Во время апоптоза происходит гибель клеточных органелл, однако мембрана сохраняется в целостности, так что образуются, так называемые, апоптические тельца, которые впоследствии поглощаются специализированными клетками – макрофагами или клетками-соседями.
При некрозе происходит разрыв клеточной мембраны, и содержимое клетки выходит наружу. Начинается воспалительная реакция.
Если некрозу подверглось достаточно большое количество клеток, воспаление проявляется известными с древности характерными клиническими симптомами , такими как:
- боль;
- покраснение (расширение сосудов в области поражения);
- припухлость (воспалительный отек);
- местное, а иногда и общее повышение температуры ;
- более или менее выраженное нарушение функции органа, в котором произошел некроз.
Биологическое значение
Биологическое значение апоптоза заключается в следующем:
1. Осуществление нормального развития организма в период эмбриогенеза.
2. Предотвращение размножения мутировавших клеток.
3.
Регуляция деятельности иммунной системы.
4.
Предотвращение преждевременного старения организма.
Данный процесс играет ведущую роль в эмбриогенезе, поскольку многие органы и ткани претерпевают значительные трансформации во время эмбрионального развития. Многие врожденные дефекты возникают вследствие недостаточной активности апоптоза.
Как запрограммированная самоликвидация дефектных клеток, данный процесс является мощной природной защитой против онкологических заболеваний. Так, к примеру, вирус папилломы человека блокирует клеточные рецепторы, ответственные за апоптоз и, таким образом, приводит к развитию рака шейки матки и некоторых других органов.
Благодаря данному процессу происходит физиологическая регуляция клонов Т-лимфоцитов , ответственных за клеточный иммунитет организма. Клетки, неспособные распознавать белки собственного организма (а таких в общей сложности созревает около 97%), подвергаются апоптозу.
Недостаточность апоптоза приводит к тяжелым аутоиммунным заболеваниям, в то время как его усиление возможно при иммунодефицитных состояниях. К примеру, тяжесть течения СПИДа коррелирует с усилением данного процесса у Т-лимфоцитов.
Кроме того, этот механизм имеет большое значение для функционирования нервной системы: он ответственен за нормальное формирование нейронов, и он же может вызывать раннее разрушение нервных клеток при болезни Альцгеймера .
Одна из теорий старения организма – теория апоптоза. Уже доказано, что именно он лежит в основе преждевременного старения тканей, где гибель клеток остается невосполнимой (нервная ткань, клетки миокарда). С другой стороны, недостаточный апоптоз может способствовать накоплению в организме стареющих клеток, которые в норме физиологически отмирают, и заменяются новыми (раннее старение соединительной ткани).
Роль теории апоптоза в медицине
Роль теории апоптоза в медицине заключается в возможности поиска путей регуляции этого процесса для лечения и профилактики многих патологических состояний, вызванных ослаблением или, наоборот, усилением апопоптоза.Исследования ведутся одновременно во многих направлениях. Прежде всего, следует отметить научные изыскания в такой значимой области медицины, как онкология . Поскольку опухолевый рост вызван дефектом генетически запрограммированной гибели мутировавших клеток, изучается возможность специфической регуляции апоптоза, с повышением его активности в опухолевых клетках.
Действие некоторых химиотерапевтических препаратов, широко применяемых в онкологии, основано на усилении процессов апоптоза. Так как опухолевые клетки более склонны к данному процессу, подбирается доза вещества, достаточная для гибели патологических клеток, но относительно безвредная для нормальных.
Также чрезвычайно важны для медицины исследования, изучающие роль апоптоза в дегенерации ткани сердечной мышцы под влиянием недостаточности кровообращения. Группа китайских ученых (Lv X, Wan J, Yang J, Cheng H, Li Y, Ao Y, Peng R) опубликовала новые экспериментальные данные, которые доказывают возможность искусственного снижения апоптоза в кардиомиоцитах при введении определенных веществ-ингибиторов.
Если теоретические исследования на лабораторных объектах удастся применить в клинической практике – это будет большой шаг вперед в борьбе с ишемической болезнью сердца . Данная патология занимает первые позиции среди причин смерти во всех высокоразвитых странах, так что переход от теории к практике трудно было бы переоценить.
Еще одно весьма перспективное направление – разработка методов регуляции данного процесса для замедления старения организма. Теоретические исследования ведутся в направлении создания программы, сочетающей повышение активности апоптоза стареющих клеток, и одновременного усиления пролиферации молодых клеточных элементов. Здесь достигнуты определенные успехи на теоретическом уровне, однако до перехода от теории к практическим решениям еще далеко.
Кроме того, масштабные научные исследования проводятся в следующих направлениях:
- аллергология;
- иммунология;
- терапия инфекционных заболеваний;
- трансплантология;
Наши клетки — склонны к самоубийству
Более того, они могут покончить с собой по малейшему поводу: перегрев, радиационное облучение, гипоксия... У них даже есть свои антидепрессанты!
Клетки всё время получают сигнал от других клеток: «живи-живи-живи» и прерывание его сразу приводит к смерти.
Но иногда от «соседей» поступает совсем другое послание.
Клетки внимательно следят друг за другом, и при неадекватном поведении посылают сигнал апоптоза — запрограммированной смерти.
Биологическая клетка — это сложный и крайне интересный объект, по сути своей она является целым организмом, который рождается, дышит, питается, размножается и умирает.
Но это не удивительно, ведь огромная часть живых существ на нашей планете состоят только из одной клетки.
Стоит отличать апоптоз от некроза, который является гибелью клеток в результате травмы и повреждения.
Основное отличие — при апоптозе, которые не происходит случайно, из остатков клеток образуются апоптические тела, которые поедаются вызванными для этого фагоцитами, что препятствует воспалению и отравлению соседних клеток, а при некрозе происходит отмирание клеток и целых тканей, сопровождающееся сильным воспалением.
Интересный факт, что термин «апоптоз» означал опадание лепестков и листьев у растений (др.-греч. ἀπόπτωσις — опадание листьев).
Условно можно выделить три стадии апоптоза: инициация или получение сигнала, эффекторная стадия, в которой запускаются процессы деградации и, собственно, процесс разрушения и деградация — формирование апоптических тел с последующим поеданием макрофагами.
Выделяют 2 пути инициации: митохондриальный и внешний сигнал
Митохондрии — энергетические станции нашего организма, там собственно и происходит процесс клеточного дыхания с превращением кислорода в воду.
В школьных учебниках митохондрии изображались как такие вытянутые овалы разбросанные по всех клетке. Но это не совсем так.
Если посмотреть на срез клетки, то вы действительно увидите такую картину, но при трехмерной реконструкции клеток по этим тонким срезам ученые обнаружили, что митохондирия в клетке всего одна, но она имеет сложную изогнутую структуру, поэтому на срезах мы видим различные ее выросты.
Митохондрии окружены двумя клеточными мембранами и между ними находятся белки апоптоза или апоптические белки, которые вырываются на свободу при разрыве внешней мембраны или формировании в ней пор.
Собственно это и является ключевой фазой начала апоптоза.
Освободившиеся белки через ряд биохимических реакций активируют каспазы — ферменты, которые разрушают другие белки.
Каспазы начинаю крушить все вокруг себя, разрушая все основные клеточные структуры.
В процессе разрушения митохондриальной мембраны не только высвобождаются белки, но и вода начинает активно поступать в митохондрию, вызывая ее разбухание.
Второй путь начала апоптоза — сигнальный.
На поверхности клеток есть рецепторы клеточной гибели, специальные лиганды, продуцируемые другими клетками (части это бывают активированные макрофаги, которые позже и подъедают остатки), связываются с этими лигандами и активируют их.
Рецепторы представляют собой большую молекулу, которая сидит в клеточной мембране и выступает с обоих сторон: внутрь клетки и наружу.
С наружной стороны садится лиганд и по всему рецептору передается сигнал на внутреннюю сторону.
На второй стадии апоптоза — эффекторной, уже не так важно как клетка получила сигнал.
На этой стадии внутри начинается настоящий апокалипсис и главную роль в нем играют каспазы
Второй важный элемент этой стадии — флавопротеин AIF, который выходит из митохондрий и активируют эндонуклеазы — белки, которые разрушают ДНК клетки.
Фактически, после этой стации клетка представляет собой город после ядерной бомбежки.
Во время разрушения митохондриальной мембраны также высвобождается весь энергетический комплекс, который провоцируют образование активных форм кислорода внутри клетки.
Свободные радикалы запускают цепные реакции, которые способствуют разрушению содержимого клетки.
В этот момент их уже нельзя сдержать антиоксидантами.
После этого начинается третья и последняя стадия — деградация.
Клетка теряет свою форму и сжимается из-за разрушения клеточного скелета.
Вокруг умирающей клетки уже дежурят макрофаги, готовые набросится на останки.
В процессе клетки, на поверхности мембраны появляются сигнальные белки, которые привлекают голодных макрофагов и вот, они уже поглощают останки погибшего сородича.
Но и у клеток есть антидепрессанты, которые держат эти процессы под контролем не давая среагировать на малейший стресс — это ингибиторы апоптических белков.
Но, как только мембрана митохондрий начинает выпускать предшественников апокалипсиса, на волю вырывается и белок SMAC, который деактивируют эти ингибиторы и они становятся бесполезны.
После этой стадии апоптоз уже сложно остановить.
Не стоит думать, что апоптоз — исключительно мрачно-негативное явление нашего организма.
С помощью апоптоза поддерживается правильное количество и соотношение различных клеток в организме
Апоптоз играет далеко не последнюю роль в нашем развитии: например, разделение пальцев на руках и ногах является следствием запрограммированной гибели клеток.
При прорезании зубов у детей еще до того, как появится зуб, начинается процесс гибели клеток десны, чтобы зубу было легко выйти.
Хвост у головастиков также не отваливается с появлением ног, а деградирует с помощью того же явления.
Апоптоз незаменим при предотвращении развития раковых опухолей.
Во время нашей обычной жизни огромное количество клеток в организме претерпевают патологические изменения и перерождаются в потенциально раковые клетки.
Соседние клетки, как и бабушки на скамейки около подъезда, внимательно следят за своими соседями и при неадекватном поведении посылают клетке сигнал апоптоза еще до того, как она размножится и станет опасна.
Собственно по этой причине за последние 20 лет сильно возрос интерес к апоптозу, как средству для предотвращения и борьбы со злокачественными опухолями.
Является естественным процессом в организме. Он включает в себя контролируемую последовательность событий, в которых клетка сигнализируют о самоуничтожении. Апоптоз помогает контролировать естественный процесс деления клеток посредством .
Почему клетки проходят апоптоз?
Существует несколько случаев, когда клеткам необходимо самоуничтожение. Например, естественный процесс менструации включает в себя распад и удаление ткани из матки. Также клетки могут подвергнутся повреждению или некоторым типам инфекции. Один из способов убрать эти клетки, не причинив вреда здоровым клеткам, является апоптоз.
Что происходит во время апоптоза?
Апоптоз - сложный процесс, который включает в себя множество событий. Во время апоптоза клетка вызывает процесс изнутри, что позволяет ей совершить самоубийство. Если клетка испытывает некоторый тип значительного стресса, такой как повреждение ДНК, то высвобождаются сигналы, которые активируют для высвобождения белков индуцирующих апоптоз.
В результате клетка подвергается уменьшению размера, поскольку ее клеточные компоненты и разрушаются и конденсируются. На поверхности появляются пузырьки, повышающие ее проницаемость. Затем клетка разделяется на более мелкие фрагменты, называемые апоптозными телами. Эти фрагменты заключены в мембраны, чтобы не повредить соседние клетки.
Затем фагоцитарные клетки, такие как , поглощают и разрушают апоптотические тела, не вызывая воспалительную реакцию. Апоптоз также может запускаться снаружи химическими веществами, которые связываются с конкретными рецепторами на поверхности клетки. Это путь, используемый некоторыми лейкоцитами для активации апоптоза в инфицированных клетках.
Апоптоз и рак
Некоторые виды рака сохраняются в результате неспособности клетки пройти апоптоз. Опухолевые вирусы меняют клетки путем интеграции их генетического материала с ДНК клетки-хозяина. Эти вирусы инициируют производство белков, останавливающими процесс апоптоза. Пример этого можно увидеть с вирусами папилломы, которые связывают с раком шейки матки. Раковые клетки, которые не развиваются из вирусной инфекции, могут также продуцировать вещества, ингибирующие апоптоз и способствуют неконтролируемому росту. Радиационная и химическая терапия используется для индукции апоптоза при некоторых видах рака.
Запрограммированная гибель клеток – неотъемлемый процесс жизнедеятельности любого организма. При нарушении этого процесса развивается ряд тяжелых заболеваний.
Что такое апоптоз?
Апоптоз – клеточная смерть, наступающая в результате запрограммированных процессов, протекающих в клетке на молекулярном уровне. При апоптозе клетка делится на несколько частей, окруженных клеточной мембраной, после чего клеточные фрагменты в течение нескольких минут (обычно, до 90 минут) перевариваются специальными клетками макрофагами.
Явление запрограммированной гибели клеток свойственно всем живым существам, в том числе и человеку. Ежедневно в организме человека погибает несколько десятков миллиардов клеток. Уничтоженные клетки в дальнейшем замещаются новыми клетками, образованными за счет клеточного деления (митоза).
Какова роль апоптоза?
Самоликвидация ненужных организму клеток – чрезвычайно важный процесс для нормальной жизнедеятельности любого организма. Одной из главных функций апоптоза явялется поддержание постоянства клеточной популяции. При образовании новой клеточной популяции (например, некоторых иммунных клеток) нужно учесть, что ряд клеток будут обязательно дефектными. То есть организму необходимо провести клеточную селекцию для сохранения только тез клеток, которые в полной мере будут справляться со своими функциями. В остальных же, дефектных клетках, запускает программа самоуничтожения.
Апоптоз также играет важную роль при заражении инфекционными агентами, в частности вирусными. При попадании в клетку вирус начинает усиленно размножаться, после чего клетка разрывается и миллионы вирусных частиц атакуют уже другие клетки. В ходе эволюции живые организмы научились бороться с таким явлением. Так ряд вирусов вызывают в клетке ряд изменений, которые воспринимаются, как сигнал к самоликвидации. Таким образом, уничтожив инфицированную клетку, организм не дает возможности распространиться вирусу.
Когда апоптоз не работает
В регуляции апоптоза задействовано множество молекулярных процессов, слаженное действие которых приводит к гибели «не угодных» организму клеток. Однако в силу определенных причин, до конца еще не ясных, происходит нарушение апоптозной регуляции. К сбою в системе может привести недостаточный синтез апоптозных белков и ферментов, а также воздействие специфических веществ, приводящих к снижению апоптозной активности клетки.
На сегодняшний день известно, что одним из регуляторов апоптоза выступает белок р53. При наличии в клетке ряда дефектов, в частности поломок генетического материала, белок р53 запускает цепочку молекулярных процессов, приводящих к развитию апоптоза. Мутация белка р53 приводит к невозможности выполнения его основной функции – запуска клеточной гибели.
Предотвратить запрограммированную гибель клеток могут и вирусы. Например, в генетическом материале некоторых вирусов могут быть закодированы специфические белки, тормозящие апоптоз клетки. В других случаях вирусная инфекция стимулирует выработку противоапоптозных белков самой клетки. Таким образом, вирус выключает программу апоптоза клетки и может бесконтрольно размножаться.
Выделяют несколько вариантов нарушения апоптоза:
- Чрезмерный апоптоз – патологические явление, приводящее к чрезмерной гибели клеточной популяции. Наблюдается такое явление при ВИЧ-инфекции, некоторых формах гепатита, хронической ишемии миокарда, нейродегенеративных и других заболеваниях.
- Недостаточный апоптоз, при котором количество умирающих клеток явно меньше, чем количество вновь образованных.
- Незавершенный апоптоз, при котором не происходит уничтожения апоптозных фрагментов клетками иммунной системы.
К чему приводит нарушение апоптоза?
Активированный протеин C может препятствовать апоптозу
Регуляция процессов программируемой гибели клеток может стать ключом к созданию нового эффективного средства для лечения инсульта.
Американские ученые успешно испытали на мышах вещество, уже нашедшее применение в
На сегодняшний день известно, что нарушение регуляции апоптоза может привести к ряду иммунологических и опухолевых заболеваний. В нормальных условиях в организме человека проходит жесткая селекция новообразованных иммунных клеток, так как некоторые из них могут обладать реактивностью по отношению к собственным клеткам организма. Если нарушается процесс самоуничтожения таких иммунных клеток, то развиваются заболевания.
Нарушение регуляции апоптоза клеточных популяций приводит к развитию ряда опухолевых процессов. В частности, доказан тот факт, что мутация белка р53 или нарушение его синтеза в организме может привести к развитию гормон-зависимой карциномы молочной железы, яичников и предстательной железы. Подобные нарушения также выявлены и при развитии лимфом.
Возможность воздействия на апоптозную систему явялется одним из направлений в поиске лекарственных средств от рака. Однако в некоторых случаях стимуляция апоптозной активности, наоборот – губительна для организма. В этой связи ученые и медики активно изучают природу данного явления, надеясь в будущем получить инструмент, с помощью которого можно было бы управлять апоптозом.
Или уклонение от программированной клеточной смерти опухолевых клеток - важнейшее свойство злокачественного фенотипа.
В норме апоптозная программа присутствует в латентной форме во всех клетках организма, поскольку вполне очевидно, что в организме под влиянием различных факторов при прохождении клеткой клеточного цикла постоянно происходят повреждения ДНК, т.е. возникают мутации.
Известно, что в течение жизни в организме человека происходит 10 16 клеточных делений. Спонтанные мутации происходят с частотой - 10 6 на ген за клеточный цикл.
Таким образом, в течение жизни человека каждый ген вполне может подвергнуться мутированию около 10 миллиардов раз (10 16 х10 6 = 10 10), а ежедневно в организме происходит до 1 млн соматических мутаций.
И среди них, несомненно, возможны, ведущие к раку. С этих позиций проблема рака не столько в том, почему он возникает, а в том, почему он возникает так редко.
А возникает рак, несмотря на постоянное воздействие канцерогенных факторов, относительно редко потому, что в организме существуют механизмы защиты, направленные на сохранение нормального генотипа клетки. Необходимо отметить, что судьба клеток с теми или иными генетическими повреждениями может быть различной.
Часть мутированных клеток гибнет из-за витальных повреждений их генома, часть восстанавливается, часть организм уничтожает сам посредством апоптоза и, наконец, часть мутированных клеток выживет и в процессе размножения может стать источником накопления потенциально онкогенных мутаций и развития рака.
В норме генетический фонд клетки, несмотря на его хрупкость, защищен мощным ферментным аппаратом, часто обеспечивающим распознавании мутированных и измененных участков ДНК и их восстановление.
Репарация ДНК заключается в «вырезании» мутированных нуклеотидов с помощью эндо- и экзонуклеаз, синтеза нормального участка ДНК при участии ДНК-полимеразы и встраивании восстановленного участка в цепь ДНК под действием фермента лигазы. Тем самым воссоздается исходная генетически запрограммированная нуклеотидная последовательность поврежденной нити (рис. 3.12).
Рис 3.12. Схема репарации при повреждении ДНК и формирование мутации [Новик А.Л., 2004].
Если же активность репарационно-восстановительных систем недостаточна и повреждения в ДНК сохраняются, то в таких клетках индуцируется программируемая клеточная гибель, что приводит к уничтожению, в том числе и мутантных клеток, способных к злокачественной трансформации.
Апоптоз (от греч. apoptosis - опадание) - запрограммированная гибель клетки или «смерть клетки в результате самоуничтожения» - активный, генетически контролируемый процесс. Термин был предложен Kerr J. и соавт. (1972) для обозначения происходящих изменений в клетке во время ее физиологической гибели и ведущих к уменьшению числа клеток в противоположность митозу, обеспечивающему увеличение их числа.
Биологическое значение апоптоза
Биологическое значение апоптоза состоит в том, что это ключевой механизм поддержки генетического гомеостаза, который организм использует для удаления клеток, чье выживание нежелательно: чужеродных, дефектных с поломками в геноме; мутантных или зараженных вирусом; с неадекватной специфичностью рецепторов к различным регуляторам жизнедеятельности и т.д.В организме в каждую единицу времени миллионы клеток завершают свой цикл, отрабатывают «свой век». Для предотвращения «засорения» организма от успевших выполнить свою функцию «отработанных», «изношенных» клеток в ходе эволюции выработался специальный механизм их ликвидации - апоптоз.
Способность запускать самоликвидацию (апоптоз), является неотъемлемым свойством клеток для поддержания тканевого гомеостаза путем сохранения определенного баланса между пролиферацией (митозом) и гибелью.
Апоптоз играет исключительно важную роль в эмбриогенезе, в частности в регуляции количества мезодермальной ткани при формировании органов и скелета. В основе уничтожения иммунными клетками чужеродных также лежит апоптотический механизм.
Гибель клеток по типу апоптоза происходит при многих физиологических процессах: возрастной инволюции органов (тимус), атрофии (предстательной железы после кастрации), регрессии гиперплазии нормапьном функционировании яичников и семенников и, наконец, в уничтожении мутантных клеток.
Механизм активации апоптоза
Зрелые дифференцированные клетки в обычном состоянии устойчивы к индукции апоптоза, но становятся чувствительными к нему после своей активации. Такую активацию вызывают различные внешние воздействия через специфические рецепторы и внутриклеточные сигналы, вызванные экспрессией некоторых протоонкогенов.Они могут быть физиологическими - активация специальных киллерных цитокинов, изменения гормонального статуса (цикличное изменение эндометрия и др.), и нефизиологическими - внутриклеточные повреждения или неблагоприятные условия (нехватка факторов роста, повреждения ДНК, гипоксия и т.д.).
В механизмах активации апоптоза выделяют два основных этапа: фазу индукции (принятия решения) и фазу экзекуции (исполнения приговора). В первую фазу система сенсоров апоптоза отслеживает отклонения от нормы внутри- и внеклеточной среды и определяет дальнейшую судьбу клетки: жить ей или умереть.
Класс сенсоров представляет собой рецепторы клеточной поверхности, которые связывают сигналы выживания или смерти. В качестве таких сигналов выступают различные, цитокины.
При выявлении аномалий (например, повреждение ДНК, нехватка факторов роста, гипоксия и др.) посредством сенсорных регуляторов запускается вторая фаза апоптоза - исполнения приговора. Начинается она с активации каспаз + ферментов семейства цистеиновых протеиназ (так называемые казнящие каспазы).
Существует два принципиально разных пути активации каспаз. Один из них запускается в ответ на активный сигнал смерти, передаваемый специфическими киллерными цитокинами группы ФНО (фактор некроза опухолей) на соответствующие рецепторы (наиболее изучены Fas), называемые рецепторами смерти.
Апоптоз, вызванный активированными рецепторами смерти, называется инструктивным апоптозом. При втором пути активации каспаз ключевую роль играют митохондрии - митохондриальный апоптоз.
При этом различные повреждающие воздействия вызывают увеличение проницаемости мембраны митохондрий и выход в цитоплазму митохондриальны белков (в основном цитохрома С), которые через соответствующий каскад реакций и активируют каспазы.
Ключевую роль в регуляции проницаемости митохондриальной мембраны для цитохрома С играют белки семейства bcl-2, обладающие либо проапоптотическими, либо антиапоптотическими активностями.
Таким образом, в клетках человека в ответ на повреждения существует два механизма, запускающих апоптоз: инструктивный, вызываемый рецепторами смерти, и митохондриальный, обусловленный повышенной проницаемостью мембран. Между ними существует взаиморегуляция, что позволяет надежнее достигать конечного эффекта.
В итоге активированные тем или иным путем каспазы протеолитически расщепляют ключевые структурные компоненты клетки, что приводит к фрагментации ДНК и деструкции клетки. При этом цитоппазматический и ядерный скелеты разрушаются, хромосомы деградируют, ядро фрагментируется, но без разрыва клеточной мембраны.
Поэтому такая клетка может быть утилизирована фагоцитами и соседними клетками, и даже массовая их гибель не приводит к каким-либо патологическим процессам. Процесс протеолиза продолжается 30-120 минут, затем сморщенная клетка поглощается макрофагами и исчезает обычно в течение 24 часов (рис. 3.13).
Рис. 3.13. Фагоцитоз апоптотической клетки макрофагом [Фильченков А.А., Стойка Р.С., 1999]. 1 - фрагментированное ядро; 2 - фрагменты цитоплазмы (апоптотические тельца): 3 - фрагменты апоптотической клетки захвачены макрофагом.
Задачей апоптоза является утилизация фрагментов клетки пока ее содержимое не попало во внеклеточную среду и не вызвало воспалительного процесса. Внешние морфологические проявления апоптотической гибели клеток в виде кариопикноза (сморщивание ядра), кариорексиса (распад ядра на части), конденсации (сжатия) клетки и др. были известны давно и только в последнее время показано, что это частные проявления апоптоза. Вокруг клеток, подвергшихся апоптозу, воспалительный процесс не возникает.
Гибель клеток по типу апоптоза следует отличать от некроза - другой формы гибели клеток организма. Некроз инициируется нефизиологическими агентами, а апоптоз - и физиологическими, и нефизиологическими. В отличие от некроза, апоптоз встречается не только в патологически измененных, но и нормальных тканях.
Некроз происходит в случае, когда клетки подвергаются действию экстремальных факторов и поэтому его можно назвать патологической гибелью. При некрозе морфологические изменения как реакция на летальное повреждение клетки, почти всегда начинается с повреждения плазматической мембраны, что не бывает при апоптозе.
Из-за разрыва мембраны в клетку из внеклеточного пространства поступают молекулы воды и ионов и вызывают набухание структур. Одновременно попадание содержимого цитоплазмы (в том числе лизосомальных ферментов) во внеклеточное пространство вызывает повреждения тканей и развитие выраженного воспалительного процесса, что не происходит при апоптозе.
Кроме того, при апоптозе отмирают одиночные клетки, а при некрозе - их группы. Уничтожение клеток путем апоптоза по сравнению с некрозом обеспечивает минимальное повреждение тканей. Между этими процессами имеются и другие различия. На рисунке 3.14 схематически представлены две формы гибели клеток.
Рис. 3.14. Схематическое представление о двух формах гибели клеток [по Wyllle А. и соавт., 1998].
Как и другие физиологические процессы, апоптоз регулируется большим числом генов. Ключевая роль в запуске программы апоптоза принадлежит гену-cупpeccopy р53. Вследствие особой значимости р53 был назван геном XX века. р53 поддерживает стабильность генетического аппарата и осуществляет контроль над клеточным циклом.
В норме, при повреждениях структуры ДНК или других формах генотоксического стресса отмечается быстрая активация р53. Его белок блокирует клеточный цикл в фазе G1 до удвоения ДНК и митоза, инициирует и участвует в процессах репарации ДНК. Это позволяет клетке восстанавливать поврежденный участок ДНК, что предотвращает появление мутантных клеток.
При тяжелых неустранимых повреждениях р53 запускает программу апоптоза и тем самым предупреждает патологическую пролиферацию. Важно подчеркнуть, что р53-зависимый апоптоз элиминирует из организма не только поврежденные, но и те клетки, в которых наблюдается нерегулируемая стимуляция пролиферации.
Если р53 мутирует, он инактивируется и перестает запускать апоптозный каскад, что дает возможность сохраняться клеткам с поврежденной ДНК во время митоза, а это в свою очередь приводит к выживанию клеток, подвергшихся опухолевой трансформации (рис 3.15).
Рис. 3.15. Регулирующее влияние антионкогена р53 . Повреждение гена создает условия для патологической клеточной пролиферации.
Предполагается, что увеличение частоты неоплазии с возрастом связано не с накоплением мутаций в геноме клеток, а с возрастными нарушениями системы репарации ДНК.
Естественно, апоптоз рассматривается как мощная противоопухолевая защита. Угнетение процесса резко облегчает превращение нормальной клетки в раковую, так как в неспособных к апоптозу клетках легко будут накапливаться различные мутации.
Такие клетки-мутанты, несмотря на повреждения ДНК, будут продолжать активно размножаться. Накопление критического количества мутаций неизбежно приведет к появлению неоппастической клетки и формированию злокачественной опухоли (рис. 3.16).
Рис. 3.16. Нарушение процессов пролиферации (П) и апоптоза (А) клеток при онкогенезе [Фильченков А.А., Стойка Р.С., 1999].
Приобретенная резистентность к апоптозу является признаком большинства, если не всех опухолевых клонов. Уход от апоптоза резко повышает жизнеспособность неопластической клетки, делает ее менее чувствительной к факторам противоопухолевого иммунитета и терапевтическим воздействиям. Опухолевые клетки приобретают резистентность к апоптозу различными путями.
На сегодня установлено, что к ослаблению индукции апоптоза могут привести потеря экспрессии на поверхности клетки рецептора смерти Fas; нарушения проведения апоптогенного сигнала к митохондриям и ингибирование проницаемости митохондриальной мембраны для цитохрома С; блокирование активации и/или резкое уменьшение времени жизни казнящих каспаз.
Очевидно, наряду с белками, включающими апоптоз, есть белки, препятствующие ему, и между теми и другими существует тонкий баланс. Гены, способствующие апоптозу, относятся к генам-супрессорам (кроме р53, ВАХ, PML и др.). Гены, блокирующие работу этого защитного механизма - к протоонкогенам (BCL1, BCL2 и др.).
Последние при их активации нейтрализуют апоптозную активность и будут резко увеличивать появление постоянно пролиферирующих мутантных клеточных клонов, а, следовательно, и вероятность последующего развития из них злокачественных опухолей.
Считается, что соотношение количества различных форм онкобелков группы BCL и р53 определяет реостат жизни и смерти клетки. В связи с этим следует заметить, что вследствие существования механизма апоптоза принципиально невозможно достигнуть бессмертия организма.
С течением времени наступает атрофия клеток органов, регуляторов жизнедеятельности организма и развивается ряд заболеваний, которые объединяют общим названием -