Клетъчна апоптоза: защо не винаги работи? Морфологични прояви на апоптоза Значение на апоптозата
Сайтът предоставя основна информация само за информационни цели. Диагностиката и лечението на заболяванията трябва да се извършват под наблюдението на специалист. Всички лекарства имат противопоказания. Необходима е консултация със специалист!
Какво е апоптоза?
Апоптоза- физиологична клетъчна смърт, която е вид генетично програмирано самоунищожение.Терминът "апоптоза" в превод от гръцки означава "падане". Авторите на термина са дали такова име на процеса на програмирана клетъчна смърт, защото именно с него се свързва есенното падане на изсъхнали листа. Освен това самото име характеризира процеса като физиологичен, постепенен и абсолютно безболезнен.
При животните най-яркият пример за апоптоза е, като правило, изчезването на опашката в жаба по време на метаморфоза от попова лъжичка до възрастен.
С израстването на жабата опашката й напълно изчезва, тъй като клетките й претърпяват постепенна апоптоза - програмирана смърт и усвояване на разрушените елементи от други клетки.
Феноменът на генетично програмирана клетъчна смърт се среща при всички еукариоти (организми, чиито клетки имат ядро). Прокариотите (бактериите) имат своеобразен аналог на апоптозата. Можем да кажем, че това явление е характерно за всички живи същества, с изключение на такива специални предклетъчни форми на живот като вирусите.
Както отделни клетки (обикновено дефектни), така и цели конгломерати могат да бъдат подложени на апоптоза. Последното е особено характерно за ембриогенезата. Например, експериментите на изследователите показват, че поради апоптоза по време на ембриогенезата, мембраните между пръстите на краката на пилетата изчезват.
Учените твърдят, че при хората вродени аномалии като слети пръсти на ръцете и краката също се появяват в резултат на нарушаване на нормалната апоптоза в ранните етапи на ембриогенезата.
Историята на откриването на теорията за апоптозата
Изучаването на механизмите и значението на генетично програмираната клетъчна смърт започва през шейсетте години на миналия век. Учените се интересуваха от факта, че клетъчният състав на повечето органи през целия живот на организма е практически еднакъв, но жизненият цикъл на различните видове клетки е значително различен. В този случай възниква постоянна подмяна на много клетки.Така относителното постоянство на клетъчния състав на всички организми се поддържа от динамичния баланс на два противоположни процеса – клетъчна пролиферация (деление и растеж) и физиологична смърт на остарели клетки.
Авторството на термина принадлежи на британски учени - J. Kerr, E. Wiley и A. Kerry, които първи излагат и обосновават концепцията за фундаментална разлика между физиологичната смърт на клетките (апоптоза) и тяхната патологична смърт (некроза).
През 2002 г. учени от лабораторията в Кеймбридж, биолозите С. Бренър, Дж. Сълстън и Р. Хоруиц, получиха Нобелова награда за физиология и медицина за разкриване на основните механизми на генетична регулация на развитието на органите и изследване на програмирана клетъчна смърт .
Днес десетки хиляди научни трудове са посветени на теорията на апоптозата, разкривайки основните механизми на нейното развитие на физиологично, генетично и биохимично ниво. В ход е активно търсене на регулаторите му.
Особен интерес представляват изследванията, които позволяват практическото приложение на регулацията на апоптозата при лечението на онкологични, автоимунни и невродистрофични заболявания.
Механизъм
Механизмът на развитие на апоптозата не е напълно изяснен досега. Доказано е, че процесът може да бъде предизвикан от ниски концентрации на повечето вещества, които причиняват некроза.Въпреки това, в повечето случаи генетично програмирана клетъчна смърт настъпва, когато се получават сигнали от молекули - клетъчни регулатори, като:
- хормони;
- антигени;
- моноклонални антитела и др.
Характерно е, че сигнал за развитие на апоптоза може да бъде както наличието на активиращи вещества, така и отсъствието на някои съединения, които предотвратяват развитието на програмирана клетъчна смърт.
Отговорът на клетката на сигнал зависи не само от нейната сила, но и от общото първоначално състояние на клетката, морфологичните особености на нейната диференциация и етапа на жизнения цикъл.
Един от основните механизми на апоптозата на етапа на нейното осъществяване е разграждането на ДНК, което води до фрагментация на ядрото. В отговор на увреждане на ДНК се задействат защитни реакции за възстановяването му.
Неуспешните опити за възстановяване на ДНК водят до пълно енергийно изчерпване на клетката, което се превръща в непосредствена причина за нейната смърт.
Механизмът на апоптоза - видео
Фази и етапи
Има три физиологични фази на апоптоза:1. Сигнал (активиране на специализирани рецептори).
2. Ефектор (образуването на единен път на апоптоза от хетерогенни ефекторни сигнали и стартиране на каскада от сложни биохимични реакции).
3. Дехидратация (букв. дехидратация - клетъчна смърт).
Освен това морфологично се разграничават два етапа на процеса:
1.
Първи етап - преапоптоза... На този етап размерът на клетката намалява поради нейното свиване, настъпват обратими промени в ядрото (уплътняване на хроматина и натрупването му по периферията на ядрото). В случай на излагане на някои специфични регулатори, апоптозата може да бъде спряна и клетката ще възобнови нормалния си живот.
2.
Вторият етап всъщност е апоптоза. Вътре в клетката настъпват груби промени във всички нейни органели, но най-значимите трансформации се развиват в ядрото и на повърхността на външната й мембрана. Клетъчната мембрана губи въси и обичайното сгъване, на повърхността й се образуват мехурчета - клетката сякаш кипи и в резултат на това се разпада на така наречените апоптотични тела, които се абсорбират от тъканните макрофаги и/или съседните клетки.
Морфологично детерминираният процес на апоптоза обикновено отнема от един до три часа.
Клетъчна некроза и апоптоза. Прилики и разлики
Термините некроза и апоптоза означават пълно прекратяване на клетъчната активност. Но апоптозата означава физиологична смърт, а некрозата означава нейната патологична смърт.Апоптозата е генетично програмирано прекратяване на съществуването, тоест по дефиниция има вътрешна причина за развитие, докато некрозата възниква в резултат на влиянието на свръхсилни външни фактори по отношение на клетката:
- липса на хранителни вещества;
- отравяне с токсини и др.
Освен това клетъчната смърт по време на процесите на некроза и апоптоза се различава морфологично - първата се характеризира с набъбване, а при втората клетката се свива и нейните мембрани се уплътняват.
По време на апоптозата клетъчните органели умират, но мембраната остава непокътната, така че се образуват така наречените апоптотични тела, които впоследствие се абсорбират от специализирани клетки – макрофаги или съседни клетки.
При некроза се получава разкъсване на клетъчната мембрана и съдържанието на клетката се освобождава навън. Започва възпалителна реакция.
Ако достатъчно голям брой клетки са претърпели некроза, възпалението се проявява с характерни клинични симптоми, известни от древни времена, като:
- болка;
- зачервяване (вазодилатация в засегнатата област);
- подуване (възпалителен оток);
- локално и понякога общо повишаване на температурата;
- повече или по-малко изразена дисфункция на органа, в който е възникнала некроза.
Биологично значение
Биологичното значение на апоптозата е както следва:
1. Осъществяването на нормалното развитие на тялото по време на ембриогенезата.
2. Предотвратяване на пролиферацията на мутирали клетки.
3.
Регулиране на имунната система.
4.
Предотвратяване на преждевременното стареене на организма.
Този процес играе водеща роля в ембриогенезата, тъй като много органи и тъкани претърпяват значителни трансформации по време на ембрионалното развитие. Много вродени дефекти са резултат от неадекватна апоптоза.
Като програмирано самоунищожение на дефектни клетки, този процес е мощна естествена защита срещу рак. Така, например, човешкият папиломен вирус блокира клетъчните рецептори, отговорни за апоптозата и по този начин води до развитие на рак на шийката на матката и някои други органи.
Благодарение на този процес се осъществява физиологичната регулация на Т-лимфоцитните клонове, които са отговорни за клетъчния имунитет на организма. Клетки, които не са в състояние да разпознаят протеини на собственото си тяло (и около 97% от тях узряват общо), се подлагат на апоптоза.
Липсата на апоптоза води до тежки автоимунни заболявания, докато нейното засилване е възможно при имунодефицитни състояния. Например, тежестта на протичането на СПИН корелира с интензифицирането на този процес в Т-лимфоцитите.
Освен това този механизъм е от голямо значение за функционирането на нервната система: той е отговорен за нормалното образуване на неврони, а също така може да причини ранно разрушаване на нервните клетки при болестта на Алцхаймер.
Една от теориите за стареенето на организма е теорията за апоптозата. Вече е доказано, че именно той е в основата на преждевременното стареене на тъканите, където клетъчната смърт остава непоправима (нервна тъкан, клетки на миокарда). От друга страна, недостатъчната апоптоза може да допринесе за натрупването на стареещи клетки в тялото, които нормално физиологично умират и се заменят с нови (ранно стареене на съединителната тъкан).
Ролята на теорията на апоптозата в медицината
Ролята на теорията на апоптозата в медицината се крие във възможността за намиране на начини за регулиране на този процес за лечение и профилактика на много патологични състояния, причинени от отслабване или, обратно, увеличаване на апоптозата.Изследванията се извършват едновременно в много посоки. На първо място, трябва да се отбележи научни изследвания в такава важна област на медицината като онкологията. Тъй като туморният растеж е причинен от дефект в генетично програмираната смърт на мутирали клетки, се проучва възможността за специфично регулиране на апоптозата с повишаване на нейната активност в туморните клетки.
Действието на някои химиотерапевтични лекарства, широко използвани в онкологията, се основава на интензифицирането на процесите на апоптоза. Тъй като туморните клетки са по-податливи на този процес, се избира доза от вещество, която е достатъчна за смъртта на патологични клетки, но относително безвредна за нормалните.
Изключително важно за медицината е и изследването на ролята на апоптозата в дегенерацията на тъканта на сърдечния мускул под влияние на циркулаторна недостатъчност. Група китайски учени (Lv X, Wan J, Yang J, Cheng H, Li Y, Ao Y, Peng R) публикуваха нови експериментални данни, които доказват възможността за изкуствено намаляване на апоптозата в кардиомиоцитите с въвеждането на определени инхибиторни вещества.
Ако теоретичните изследвания върху лабораторните съоръжения могат да бъдат приложени в клиничната практика, това ще бъде голяма крачка напред в борбата с коронарната болест на сърцето. Тази патология е на първо място сред причините за смърт във всички високоразвити страни, така че би било трудно да се надцени преходът от теория към практика.
Друго много обещаващо направление е разработването на методи за регулиране на този процес за забавяне на стареенето на организма. Теоретичните изследвания се провеждат в посока на създаване на програма, която съчетава повишаване на активността на апоптоза на стареещи клетки и едновременно увеличаване на пролиферацията на млади клетъчни елементи. Тук е постигнат известен напредък на теоретично ниво, но все още има дълъг път от теорията до практическите решения.
Освен това се извършват мащабни научни изследвания в следните области:
- алергология;
- имунология;
- лечение на инфекциозни заболявания;
- трансплантология;
Нашите клетки са самоубийствени
Освен това те могат да се самоубият по най-малката причина: прегряване, излагане на радиация, хипоксия... Те дори имат свои собствени антидепресанти!
Клетките постоянно получават сигнал от други клетки: „живей-живей-на живо” и прекъсването му веднага води до смърт.
Но понякога от „съседите“ идва съвсем различно послание.
Клетките се следят внимателно една друга и при неадекватно поведение изпращат сигнал за апоптоза – програмирана смърт.
Биологичната клетка е сложен и изключително интересен обект, по същество това е цял организъм, който се ражда, диша, храни, размножава и умира.
Но това не е изненадващо, защото огромна част от живите същества на нашата планета се състои само от една клетка.
Струва си да се прави разлика между апоптоза и некроза, която е клетъчна смърт в резултат на нараняване и увреждане.
Основната разлика е, че по време на апоптоза, която не се случва случайно, от остатъците от клетките се образуват апоптозни тела, които се изяждат от фагоцити, призвани за това, което предотвратява възпалението и отравянето на съседните клетки, а при некрозата смъртта на клетки и цели тъкани се появява, придружено от тежко възпаление.
Интересен факт е, че терминът "апоптоза" означава опадане на венчелистчета и листа в растенията (старогръцки ἀπόπτωσις - падащи листа).
Условно могат да се разграничат три етапа на апоптоза: иницииране или получаване на сигнал, ефекторният стадий, при който се задействат деградационните процеси и всъщност процесът на разрушаване и разграждане - образуването на апоптотични тела, последвано от изяждане от макрофагите.
Има 2 начина за иницииране: митохондриален и външен сигнал
Митохондриите са енергийните станции на нашето тяло, където всъщност протича процесът на клетъчно дишане с превръщането на кислорода във вода.
В училищните учебници митохондриите са изобразявани като такива удължени овали, разпръснати из клетката. Но не е така.
Ако погледнете участък от клетка, тогава наистина ще видите такава картина, но с триизмерна реконструкция на клетки, използвайки тези тънки участъци, учените откриха, че има само един митохондрий в клетката, но той има комплекс извита структура, така че на разрезите виждаме различните му израстъци.
Митохондриите са заобиколени от две клетъчни мембрани и между тях има протеини на апоптоза или апоптотични протеини, които се освобождават, когато външната мембрана се разкъса или в нея се образуват пори.
Всъщност това е ключовата фаза от началото на апоптозата.
Освободените протеини чрез поредица от биохимични реакции активират каспази – ензими, които разрушават други протеини.
Каспазите започват да унищожават всичко около мен, унищожавайки всички основни клетъчни структури.
В процеса на разрушаване на митохондриалната мембрана се освобождават не само протеини, но и водата започва активно да навлиза в митохондриите, което води до набъбване.
Вторият път на началото на апоптозата е сигнализирането.
На повърхността на клетките има рецептори за клетъчна смърт, специални лиганди, произведени от други клетки (някои от тях са активирани макрофаги, които по-късно изяждат остатъците), свързват се с тези лиганди и ги активират.
Рецепторите са голяма молекула, която седи в клетъчната мембрана и стърчи от двете страни: в клетката и навън.
Отвън лигандът сяда и сигнал се предава във вътрешността на рецептора в целия рецептор.
При втория стадий на апоптоза – ефектор, вече не е толкова важно как клетката е получила сигнала.
На този етап вътре започва истински апокалипсис и главната роля в него играят каспазите.
Вторият важен елемент на този етап е флавопротеинът AIF, който напуска митохондриите и активира ендонуклеазите – протеини, които разрушават ДНК на клетката.
Всъщност след тази станция клетката е град след ядрена бомбардировка.
При разрушаването на митохондриалната мембрана се освобождава и целият енергиен комплекс, който провокира образуването на реактивни кислородни видове вътре в клетката.
Свободните радикали започват верижни реакции, които разрушават съдържанието на клетката.
В този момент те вече не могат да бъдат задържани от антиоксиданти.
След това започва третият и последен етап - деградация.
Клетката губи формата си и се свива поради разрушаването на клетъчния скелет.
Макрофагите вече дежурят около умиращата клетка, готови да се нахвърлят върху останките.
В процеса на клетката на повърхността на мембраната се появяват сигнални протеини, които привличат гладни макрофаги и сега те вече поглъщат останките на мъртъв роднина.
Но клетките имат и антидепресанти, които поддържат тези процеси под контрол, като им пречат да реагират на най-малкия стрес – това са инхибитори на апоптотичните протеини.
Но веднага щом митохондриалната мембрана започне да освобождава предшествениците на апокалипсиса, протеинът SMAC също се освобождава, което дезактивира тези инхибитори и те стават безполезни.
След този етап апоптозата е трудно да се спре.
Не мислете, че апоптозата е изключително мрачен негативен феномен на нашето тяло.
С помощта на апоптозата се поддържа правилният брой и съотношение на различните клетки в тялото
Апоптозата играе важна роля в нашето развитие: например, разделянето на пръстите на ръцете и краката е следствие от програмирана клетъчна смърт.
Когато децата поникнат, още преди да се появи зъб, започва процесът на умиране на клетките на венците, така че зъбът лесно излиза.
Опашката на поповата лъжичка също не пада с появата на крака, а се деградира с помощта на същото явление.
Апоптозата е незаменима за предотвратяване на развитието на ракови тумори.
По време на нормалния ни живот огромен брой клетки в тялото претърпяват патологични промени и се прераждат в потенциално ракови клетки.
Съседните клетки, като бабите на пейките близо до входа, следят внимателно съседите си и при неадекватно поведение изпращат на клетката сигнал за апоптоза, още преди да се размножи и да стане опасна.
Поради тази причина през последните 20 години интересът към апоптозата се е увеличил значително като средство за превенция и борба с злокачествените тумори.
Това е естествен процес в тялото. Той включва контролирана последователност от събития, при които клетката сигнализира за самоунищожение. Апоптозата помага за контролиране на естествения процес на клетъчно делене чрез.
Защо клетките се подлагат на апоптоза?
Има няколко случая, когато клетките трябва да се самоунищожат. Например, естественият процес на менструация включва разграждането и отстраняването на тъкан от матката. Клетките също могат да претърпят увреждане или някакъв вид инфекция. Един от начините за премахване на тези клетки, без да се увреждат здравите клетки, е чрез апоптоза.
Какво се случва по време на апоптоза?
Апоптозата е сложен процес, който включва много събития. По време на апоптоза клетката задейства процес отвътре, което й позволява да се самоубие. Когато клетката изпитва някакъв вид значителен стрес, като увреждане на ДНК, се освобождават сигнали, които се активират за освобождаване на протеини, индуциращи апоптоза.
В резултат на това клетката претърпява намаляване на размера, тъй като нейните клетъчни компоненти се разпадат и кондензират. На повърхността се появяват мехурчета, които увеличават нейната пропускливост. След това клетката се разделя на по-малки фрагменти, наречени апоптотични тела. Тези фрагменти са затворени в мембрани, за да не увредят съседните клетки.
След това фагоцитните клетки, като например, поглъщат и унищожават апоптотичните тела, без да причиняват възпалителен отговор. Апоптозата може да се задейства и външно от химикали, които се свързват със специфични рецептори на повърхността на клетката. Това е път, използван от някои бели кръвни клетки за активиране на апоптоза в заразените клетки.
Апоптоза и рак
Някои видове рак продължават да съществуват в резултат на неспособността на клетката да се подложи на апоптоза. Туморните вируси променят клетките, като интегрират техния генетичен материал с ДНК на клетката гостоприемник. Тези вируси инициират производството на протеини, които спират процеса на апоптоза. Пример за това може да се види с папилома вируси, които са свързани с рак на маточната шийка. Раковите клетки, които не се развиват от вирусна инфекция, могат също да произвеждат вещества, които инхибират апоптозата и насърчават неконтролиран растеж. Радиационната и химическата терапия се използват за индуциране на апоптоза при някои видове рак.
Програмираната клетъчна смърт е неразделна част от живота на всеки организъм. Ако този процес бъде нарушен, се развиват редица сериозни заболявания.
Какво е апоптоза?
Апоптозата е клетъчна смърт, която настъпва в резултат на програмирани процеси, протичащи в клетката на молекулярно ниво. По време на апоптозата клетката се разделя на няколко части, заобиколени от клетъчна мембрана, след което клетъчните фрагменти се усвояват от специални клетки от макрофаги за няколко минути (обикновено до 90 минути).
Феноменът на програмирана клетъчна смърт е характерен за всички живи същества, включително и за хората. Всеки ден в човешкото тяло умират няколко десетки милиарда клетки. Разрушените клетки впоследствие се заменят с нови клетки, образувани чрез клетъчно делене (митоза).
Каква е ролята на апоптозата?
Самоелиминирането на ненужните за организма клетки е изключително важен процес за нормалното функциониране на всеки организъм. Една от основните функции на апоптозата е да поддържа постоянството на клетъчната популация. Когато се формира нова клетъчна популация (например някои имунни клетки), трябва да се има предвид, че определен брой клетки ще бъдат непременно дефектни. Тоест тялото трябва да извърши селекция на клетки, за да запази само онези клетки, които напълно ще се справят с функциите си. В останалите, дефектните клетки, стартира програмата за самоунищожение.
Апоптозата също играе важна роля при инфекция с инфекциозни агенти, по-специално вирусни. Когато попадне в клетка, вирусът започва да се размножава бързо, след което клетката се спуква и милиони вирусни частици атакуват други клетки. В хода на еволюцията живите организми са се научили да се справят с подобно явление. Така редица вируси предизвикват редица промени в клетката, които се възприемат като сигнал за самоунищожение. По този начин, унищожавайки заразената клетка, тялото не позволява на вируса да се разпространява.
Когато апоптозата не работи
В регулирането на апоптозата участват много молекулярни процеси, чието координирано действие води до смъртта на „нежелани” от организма клетки. Въпреки това, поради определени причини, които все още не са напълно изяснени, има нарушение на апоптотичната регулация. Недостатъчният синтез на апоптотични протеини и ензими, както и ефектът на специфични вещества, водещи до намаляване на апоптотичната активност на клетката, могат да доведат до срив в системата.
Към днешна дата е известно, че един от регулаторите на апоптозата е протеинът р53. При наличие на редица дефекти в клетката, по-специално разрушаване на генетичния материал, протеинът p53 задейства верига от молекулярни процеси, водещи до развитие на апоптоза. Мутацията на протеина р53 прави невъзможно изпълнението на основната му функция – предизвикване на клетъчна смърт.
Вирусите също могат да предотвратят програмирана клетъчна смърт. Например, в генетиченматериалът на някои вируси може да бъде кодиран със специфични протеини, които инхибират клетъчната апоптоза. В други случаи вирусна инфекция стимулира производството на антиапоптотични протеини в самата клетка. Така вирусът изключва програмата за клетъчна апоптоза и може да се размножава неконтролируемо.
Има няколко варианта на апоптозни нарушения:
- Прекомерната апоптоза е патологично явление, което води до прекомерна смърт на клетъчната популация. Това явление се наблюдава при ХИВ инфекция, някои форми на хепатит, хронична миокардна исхемия, невродегенеративни и други заболявания.
- Недостатъчна апоптоза, при която броят на умиращите клетки е очевидно по-малък от броя на новообразуваните клетки.
- Непълна апоптоза, при която не се случва разрушаването на апоптотичните фрагменти от клетките на имунната система.
До какво води нарушаването на апоптозата?
Активираният протеин С може да инхибира апоптозата
Регулирането на процесите на програмирана клетъчна смърт може да бъде ключът към създаването на ново ефективно лечение на инсулт.
Американски учени успешно тестваха върху мишки вещество, което вече намери приложение
Днес е известно, че нарушената регулация на апоптозата може да доведе до редица имунологични и туморни заболявания. При нормални условия в човешкото тяло се извършва строг подбор на новообразувани имунни клетки, тъй като някои от тях могат да бъдат реактивни по отношение на собствените клетки на тялото. Ако процесът на самоунищожение на такива имунни клетки е нарушен, тогава се развиват заболявания.
Дисрегулацията на апоптозата в клетъчните популации води до развитие на редица туморни процеси. По-специално, доказано е, че мутация на протеина р53 или нарушение на синтеза му в организма може да доведе до развитие на хормонално-зависим карцином на гърдата, яйчниците и простатната жлеза. Подобни нарушения са идентифицирани и с развитието на лимфоми.
Възможността за въздействие върху апоптотичната система е една от посоките в търсенето на лекарства за рак. Въпреки това, в някои случаи, стимулирането на апоптотичната активност, напротив, е пагубно за организма. В тази връзка учени и лекари активно изучават природата на това явление, надявайки се в бъдеще да получат инструмент, с който би било възможно да се контролира апоптозата.
Или избягването на програмирана клетъчна смърт на туморните клетки е най-важното свойство на злокачествения фенотип.
Обикновено апоптотичната програма присъства в латентна форма във всички клетки на тялото, тъй като е съвсем очевидно, че в тялото постоянно възниква увреждане на ДНК под въздействието на различни фактори по време на преминаването на клетката през клетъчния цикъл, т.е. възникват мутации.
Известно е, че в човешкото тяло през живота се случват 10 16 клетъчни деления. Спонтанните мутации възникват с честота от 10 6 на ген на клетъчен цикъл.
Така по време на живота на човек всеки ген може да претърпи мутация около 10 милиарда пъти (10 16 x 10 6 = 10 10) и до 1 милион соматични мутации се случват в тялото всеки ден.
И сред тях несъмнено има възможни водещи до рак. От тази гледна точка проблемът с рака не е толкова защо се появява, а защо се появява толкова рядко.
И ракът се появява, въпреки постоянното излагане на канцерогенни фактори, относително рядко, защото тялото има защитни механизми, насочени към поддържане на нормалния генотип на клетката. Трябва да се отбележи, че съдбата на клетките с определени генетични увреждания може да бъде различна.
Някои от мутиралите клетки умират поради жизненоважно увреждане на техния геном, някои се възстановяват, други се унищожават от самия организъм чрез апоптоза и накрая някои от мутиралите клетки ще оцелеят и в процеса на възпроизвеждане могат да се превърнат в източник на натрупване на потенциално онкогенни мутации и развитие на рак.
Обикновено генетичният фонд на клетката, въпреки нейната крехкост, е защитен от мощен ензимен апарат, който често осигурява разпознаване на мутирали и променени участъци на ДНК и тяхното възстановяване.
Ремонтът на ДНК се състои в изрязване на мутирали нуклеотиди с помощта на ендо- и екзонуклеази, синтезиране на нормална ДНК област с участието на ДНК полимераза и вмъкване на възстановената област във веригата на ДНК под действието на ензима лигаза. Така оригиналната генетично програмирана нуклеотидна последователност на увредената верига се пресъздава (фиг. 3.12).
Фигура 3.12. Репарационна схема за увреждане на ДНК и образуване на мутации [Novik AL, 2004].
Ако активността на системите за възстановяване-възстановяване е недостатъчна и увреждането на ДНК продължава, тогава в такива клетки се индуцира програмирана клетъчна смърт, което води до унищожаване, включително на мутантни клетки, способни на злокачествена трансформация.
Апоптоза (от гръцки apoptosis - отделяне) - програмирана клетъчна смърт или "смърт на клетка в резултат на самоунищожение" - активен, генетично контролиран процес. Терминът е предложен от Kerr J. et al. (1972) за обозначаване на промените, настъпващи в клетката по време на нейната физиологична смърт и водещи до намаляване на броя на клетките, за разлика от митозата, която осигурява увеличаване на техния брой.
Биологичното значение на апоптозата
Биологичното значение на апоптозата е, че тя е ключов механизъм за поддържане на генетична хомеостаза, която тялото използва за премахване на клетки, чието оцеляване е нежелателно: чужди, дефектни такива с пробиви в генома; мутантни или заразени с вирус; с неадекватна специфичност на рецепторите за различни регулатори на жизнената активност и др.В тялото във всяка единица време милиони клетки завършват своя цикъл, отработват своята „възраст“. За да се предотврати „запушването“ на организма от „изхабените“, „износени“ клетки, които са успели да изпълнят своята функция, в хода на еволюцията е разработен специален механизъм за тяхното елиминиране – апоптоза.
Способността да предизвикват самоунищожение (апоптоза) е съществено свойство на клетките да поддържат тъканната хомеостаза чрез поддържане на определен баланс между пролиферацията (митоза) и смъртта.
Апоптозата играе изключително важна роля в ембриогенезата, по-специално в регулирането на количеството мезодермална тъкан по време на образуването на органите и скелета. Апоптотичният механизъм също е в основата на унищожаването на чужди клетки от имунните клетки.
Клетъчната смърт по типа на апоптоза се проявява при много физиологични процеси: свързана с възрастта инволюция на органите (тимус), атрофия (на простатната жлеза след кастрация), регресия на хиперплазия, нормално функциониране на яйчниците и тестисите и накрая при унищожаването на мутантни клетки.
Механизъм за активиране на апоптоза
Зрелите диференцирани клетки в нормалното си състояние са устойчиви на индуциране на апоптоза, но стават чувствителни към нея след тяхното активиране. Това активиране се причинява от различни външни влияния чрез специфични рецептори и вътреклетъчни сигнали, причинени от експресията на някои протоонкогени.Те могат да бъдат физиологични - активиране на специални цитокини убийци, промени в хормоналния статус (циклични промени в ендометриума и др.), и нефизиологични - вътреклетъчно увреждане или неблагоприятни състояния (липса на растежни фактори, увреждане на ДНК, хипоксия и др.) .
В механизмите на активиране на апоптозата се разграничават два основни етапа: фаза на индукция (вземане на решение) и фаза на изпълнение (изпълнение на присъдата). В първата фаза сензорната система за апоптоза следи отклоненията от нормата във вътрешно- и извънклетъчната среда и определя по-нататъшната съдба на клетката: да живее или да умре.
Класът сензори са рецептори на клетъчната повърхност, които свързват сигнали за оцеляване или смърт. Като такива сигнали действат различни цитокини.
Когато се открият аномалии (например увреждане на ДНК, липса на растежни фактори, хипоксия и т.н.), с помощта на сензорни регулатори се задейства втората фаза на апоптозата, изпълнението на присъдата. Започва с активиране на каспази + ензими от семейството на цистеин протеиназа (т.нар. каспази за изпълнение).
Има два фундаментално различни пътя за активиране на каспаза. Един от тях се задейства в отговор на сигнал за активна смърт, предаван от специфични цитокини-убийци от групата на TNF (тумор некрозис фактор) към съответните рецептори (най-изследваните Fas), наречени рецептори на смъртта.
Апоптоза, причинена от активирани рецептори за смърт, се нарича инструктивна апоптоза. Във втория път на активиране на каспазата митохондриите играят ключова роля – митохондриална апоптоза.
В същото време различни увреждащи ефекти предизвикват повишаване на пропускливостта на митохондриалната мембрана и освобождаване на митохондриални протеини (главно цитохром С) в цитоплазмата, които активират каспазите чрез съответната каскада от реакции.
Протеините от семейството bcl-2, които имат или проапоптотична, или антиапоптотична активност, играят ключова роля в регулирането на пропускливостта на митохондриалната мембрана за цитохром С.
По този начин, в отговор на увреждане в човешките клетки, има два механизма, които предизвикват апоптоза: инструктивен, причинен от рецептори за смърт, и митохондриален, причинен от повишена пропускливост на мембраната. Между тях има взаимна регулация, което дава възможност за по-надеждно постигане на крайния ефект.
В резултат на това активираните по един или друг начин каспази протеолитично разцепват ключови структурни компоненти на клетката, което води до фрагментация на ДНК и разрушаване на клетката. В този случай цитоплазменият и ядреният скелети се разрушават, хромозомите се разграждат, ядрото се фрагментира, но без разкъсване на клетъчната мембрана.
Следователно такава клетка може да се използва от фагоцити и съседни клетки и дори тяхната масивна смърт не води до никакви патологични процеси. Процесът на протеолиза продължава 30-120 минути, след което сбръчканата клетка се абсорбира от макрофагите и обикновено изчезва в рамките на 24 часа (фиг. 3.13).
Ориз. 3.13. Фагоцитоза на апоптотична клетка от макрофаг [Филченков А.А., Стойка Р.С., 1999]. 1 - фрагментирано ядро; 2 - фрагменти от цитоплазма (апоптотични тела); 3 - фрагменти от апоптотична клетка се улавят от макрофаг.
Задачата на апоптозата е да използва клетъчни фрагменти, докато съдържанието й попадне в извънклетъчната среда и предизвика възпалителен процес. Външни морфологични прояви на апоптозна клетъчна смърт под формата на кариопикноза (свиване на ядрото), кариорексис (разпадане на ядрото на части), кондензация (компресия) на клетката и др., са известни отдавна и едва наскоро. доказано е, че това са частични прояви на апоптоза. Около клетките, които са претърпели апоптоза, не възниква възпалителен процес.
Клетъчната смърт по типа на апоптозата трябва да се различава от некрозата - друга форма на клетъчна смърт в тялото. Некрозата се инициира от нефизиологични агенти, а апоптозата се инициира както от физиологични, така и от нефизиологични. За разлика от некрозата, апоптозата се проявява не само в патологично променените тъкани, но и в нормалните тъкани.
Некрозата възниква, когато клетките са изложени на екстремни фактори и следователно може да се нарече патологична смърт. При некроза морфологичните промени като реакция на смъртоносно увреждане на клетките почти винаги започват с увреждане на плазмената мембрана, което не се случва при апоптоза.
Поради разкъсването на мембраната водните молекули и йони навлизат в клетката от извънклетъчното пространство и предизвикват подуване на структурите. В същото време, навлизането на съдържанието на цитоплазмата (включително лизозомни ензими) в извънклетъчното пространство причинява увреждане на тъканите и развитие на изразен възпалителен процес, който не се проявява по време на апоптоза.
В допълнение, единични клетки умират по време на апоптоза, а групи от тях умират по време на некроза. Разрушаването на клетките чрез апоптоза, в сравнение с некрозата, осигурява минимално увреждане на тъканите. Има и други разлики между тези процеси. Фигура 3.14 показва схематично две форми на клетъчна смърт.
Ориз. 3.14. Схематично представяне на две форми на клетъчна смърт [според Wylle A. et al., 1998].
Подобно на други физиологични процеси, апоптозата се регулира от голям брой гени. Ключовата роля в инициирането на програмата за апоптоза принадлежи на поддържащия ген p53. Поради специалното си значение, p53 е наречен геном на 20-ти век. p53 поддържа стабилността на генетичния апарат и контролира клетъчния цикъл.
Обикновено при увреждане на структурата на ДНК или други форми на генотоксичен стрес се забелязва бързо активиране на р53. Неговият протеин блокира клетъчния цикъл във фазата G1 до удвояване на ДНК и митоза, инициира и участва в процесите на възстановяване на ДНК. Това позволява на клетката да възстанови увредената част от ДНК, което предотвратява появата на мутантни клетки.
При тежки непоправими щети р53 задейства програмата за апоптоза и по този начин предотвратява патологичната пролиферация. Важно е да се подчертае, че р53-зависимата апоптоза елиминира от тялото не само увредените клетки, но и тези клетки, в които се наблюдава нерегулирана стимулация на пролиферация.
Ако р53 е мутирал, той се инактивира и спира да задейства апоптотичната каскада, която позволява на клетките с увредена ДНК да оцелеят по време на митоза, което от своя страна води до оцеляване на клетки, които са претърпели туморна трансформация (Фигура 3.15).
Ориз. 3.15. Регулаторен ефект на р53 антионкогена. Увреждането на гените създава условия за анормална клетъчна пролиферация.
Предполага се, че увеличаването на честотата на неоплазията с възрастта е свързано не с натрупване на мутации в клетъчния геном, а с свързани с възрастта нарушения на системата за възстановяване на ДНК.
Естествено, апоптозата се счита за мощна противотуморна защита. Инхибирането на процеса значително улеснява трансформацията на нормална клетка в ракова, тъй като различни мутации лесно ще се натрупват в клетки, неспособни на апоптоза.
Такива мутантни клетки, въпреки увреждането на ДНК, ще продължат активно да се размножават. Натрупването на критичен брой мутации неминуемо ще доведе до появата на неопастична клетка и образуването на злокачествен тумор (фиг. 3.16).
Ориз. 3.16. Нарушаване на процесите на пролиферация (Р) и апоптоза (А) на клетките по време на онкогенезата [Филченков А.А., Стойка Р.С., 1999].
Придобитата резистентност към апоптоза е отличителен белег на повечето, ако не и на всички туморни клонове. Избягването на апоптоза драстично повишава жизнеспособността на неопластичната клетка, което я прави по-малко чувствителна към антитуморни имунни фактори и терапевтични ефекти. Туморните клетки придобиват устойчивост към апоптоза по различни начини.
Към днешна дата е установено, че загубата на експресия върху клетъчната повърхност на рецептора на смъртта Fas може да доведе до отслабване на индукцията на апоптоза; нарушаване на проводимостта на апоптогенния сигнал към митохондриите и инхибиране на пропускливостта на митохондриалната мембрана за цитохром С; блокиране на активиране и/или рязко намаляване на живота на изпълняващите каспази.
Очевидно, наред с протеините, които активират апоптозата, има протеини, които я предотвратяват и има деликатен баланс между двете. Гените, насърчаващи апоптозата, принадлежат към супресорните гени (с изключение на p53, BAC, PML и др.). Гени, които блокират работата на този защитен механизъм - до протоонкогени (BCL1, BCL2 и др.).
Последните, когато се активират, неутрализират апоптотичната активност и рязко ще увеличат появата на постоянно пролифериращи мутантни клетъчни клонове и следователно вероятността от последващо развитие на злокачествени тумори от тях.
Смята се, че съотношението на броя на различните форми на BCL и р53 онкопротеини определя реостата на клетъчния живот и смърт. В тази връзка трябва да се отбележи, че поради съществуването на механизма на апоптоза е принципно невъзможно да се постигне безсмъртието на организма.
С течение на времето настъпва атрофия на клетките на органите, регулатори на жизнените функции на тялото и се развиват редица заболявания, които са обединени с общото име -