Апоптоз - программируемая клеточная смерть
Апоптоз - программируемая клеточная смерть
У многоклеточных организмов – животных, растений и грибов – генетически
заложена программа гибели клеток. Формообразовательные процессы в
онтогенезе, позитивная и негативная селекция Т- и В-лимфоцитов у животных,
гиперчувствительный ответ растений на вторжение патогена, осенний листопад
– лишь несколько примеров программируемой клеточной смерти (ПКС). ПКС
способствует сохранению порядка и нормального функционирования
биологической системы, очищая от невостребованных, больных, закончивших
свой жизненный цикл или появившихся врезультате мутаций потенциально
опасных клеток.
7октября 2002 г. Нобелевский комитет по физиологии и медицине в Каролинском
институте Стокгольма объявил о присуждении премии С.Бреннеру , X.P.Xopвицу
и Дж.Салстону «за открытие в области генетической регуляции развития
органов и запрограммированной смерти клетки».
Тот факт, что онтогенез находится под генетическим контролем, вряд ли мог
кого-то удивить даже в далекие уже 70-е годы ушедшего XX в. Такой контроль
должен был быть, и нашел его Бреннер Двое других «нобелевцев» открыли «гены
смерти».
Давно уже было очевидно, что онтогенез невозможен без ликвидации отдельных
клеток, участков тканей и даже целых органов, возникающих на определенных
этапах индивидуального развития, чтобы затем исчезнуть при формировании
взрослого организма. Неясно было лишь, происходит такая ликвидация
посредством фагоцитоза или каким-то другим, пока неизвестным путем.
Свои эксперементы ученые проводили на нематоде Caenorhabditis
elegans.Этот объект
огромные преимущества :
a)очень мала (длиной около 1 мм )
б) прозрачна
в) живет всего пару недель. По этому было просто проследить судьбу каждой
из составляющих ее 959 от оплодотворенной яйцеклетки вплоть до взрослой
особи.Бреннер использовали мутаген(метилэтансульфонат) и получил мутации,
останавливающие развитие отдельны этапов онтогенеза, и идентифицировал
гены, ответственные за них.
Салстон обратил внимание на то, что взрослая нематода должна была бы
состоять из 1090кл. а не из 959 т. е. 131 кл. погибает в ходе онтогенеза
встав на путь запрограммированной смерти (апоптоза). Салон идентифицировал
первый ген клеточного самоубийства — nuc--1, небходимый для деградации ДНК
в умирающей клетке. В те же 70-е Хорвиц продол-ил исследование Бреннера
он открыл гены ced-З и ced-4, необходимые для клеточного самоубийства.
Впоследствии Хорвиц описол также ген ced-9, удерживающий клетку от
апоптоза, пока не пришло время, и нашел соответствующие гены у высших
животных и человека.
Апоптоз и некроз – два варианта клеточной смерти
Существует два различных вида клеточной смерти у животных – апоптоза и
некроза.
Картина апоптоза у животных – это переход фосфатидилсерина из внутреннего
монослоя цитоплазматической мембраны в наружный монослой, уменьшение объема
клетки, сморщивание цитоплазматической мембраны, конденсация
ядра(кариорексис и кариопикноз: кариорексис-маргинация гетерохроматина и
образование кольца из отдельных глыбок ; пикноз-сжатие ядер), разрывы нити
ядерной ДНК и последующий распад ядра на части, фрагментация клетки на
мембранные везикулы с внутриклеточным содержимым (апоптозные тельца),
фагоцитирующиеся макрофагами и клетками-соседями. Такая же участь постигает
клетку, когда в ней произошла мутация, которая может привести к опухолевому
разрастанию ткани, когда она становится ненужной для организма, например, в
процессе онтогенетического развития или, применительно к лимфоцитам, на
заключительных этапах инфекционного процесса, когда организм уже не
нуждается в дальнейшей выработке антител [5–7].
Есть и другая, патологическая, форма клеточной смерти – некроз. Такая
смерть постигает клетку, когда Т-киллер своевременно не распорядился
судьбой инфицированной клетки, наставив ее на путь апоптоза. Вирус или иной
паразит, размножившись в клетке, разрушает ее: клетка лизируется, ее
содержимое изливается наружу, в межклеточное пространство. Некоторые
внутриклеточные паразиты, включая простейшее Toxoplasma gondii (возбудитель
токсоплазмоза), способны к подавлению апоптоза . Новое поколение паразитов
устремляется в соседние клетки, нанося все больший и больший ущерб
организму. Начинается воспалительный процесс, исходом которого может быть
как выздоровление, так и гибель организма. Некротическую гибель могут
вызывать физические или химические повреждения, например, обморожение или
ожог, органические растворители, гипоксия, отравление, гипотонический шок и
др.
Наличие или отсутствие воспаления у животных используется как признак,
позволяющий отличить апоптоз от некроза.
Некроз характеризуется разрывом цитоплазматической и внутриклеточных
мембран, что приводит к разрушению органелл, высвобождению лизосомальных
ферментов и выходу содержимого цитоплазмы в межклеточное пространство (рис.
1). При апоптозе сохраняется целостность мембран, органеллы выглядят
морфологически интактными, а продукты дробления клетки, апоптозные тельца
(или везикулы) представляют собой отдельные фрагменты, окруженные мембраной
(рис. 1).
[pic]
Рис. 1. Изменение ультраструктуры клеток животных при некрозе и апоптозе. 1
– нормальная клетка, 2 – апоптотическое сморщивание клетки с образованием
пузырчатых выростов, 3 – фрагментация клетки с образованием апоптотических
везикул, 4 – набухание клетки при некрозе, 5 – некротическая дезинтеграция
клетки
Большинство ученых сходятся в мнении, что апоптоз наступает в результате
энзиматического распада хроматина в ядре клетки, при этом эндонуклеазы
клетки начинают разрезать молекулу ДНК с образованием моно- и олигомеров.
Нуклеазной атаке подвергаются не только эухроматиновые , но и
спирализованные уплотненные гетерохроматиновые участки ядра. Для того чтобы
запустить этот процесс клетка должна произвести ферменты - нуклеазы, а для
этого, в свою очередь, в клетке происходит усиление процессов транскрипции
(биосинтез РНК) и трансляции (биосинтез белка). Имеются данные, что
ингибиторы белкового синтеза - циклогексамид и пуромицин - предотвращают
энзиматический распад хроматина и могут предотвратить или отсрочить процесс
апоптоза. На даный момент известно несколько путей для апоптоза.
Во-первых это путь энзиматического переваривания межнуклеосомных
пространств и нарезание фрагментов размером в 200 нуклеотидов
2) во вторых это гетерохроматизация хроматина без разрезания ДНК
[pic]
1 ЭТАП - Воздействие на хроматин ядра нуклеазами и (или) ферментами
конденсации
2 ЭТАП - Образование фрагментов ДНК и (или) конденсация хроматина
3 ЭТАП - Резорбция хроматина (кариорексис и карилизис)
Как установлено интерфазная картина хромосом:
По этим представлениям в основе надхромосомной организации ядер у эукариот
лежит общее периферическое распределение интерфазных хромосом вблизи от
ядерной мембраны с прикреплением к ней участков хромосом, несущих
гетерохроматиновые блоки . Места прикрепления, как правило, связаны с
особой функциональной активностью тех или иных участков генома.
Ассоциированная с мембраной ДНК имеет более высокий уровень повторяющихся
последовательностей, чем основная часть ядерной ДНК. Как оказалось, в
результате апоптоза в первую очередь страдает именно эта часть молекулы
ДНК, примыкающая к ядерной мембране.
Молекулярные механизмы апоптоза
Апоптоз – многоэтапный процесс. Первый этап – прием сигнала, предвестника
гибели в виде информации, поступающей к клетке извне или возникающей в
недрах самой клетки. Сигнал воспринимается рецептором и подвергается
анализу.
Далее через рецепторы или их сочетания полученный сигнал последовательно
передается молекулам-посредникам (мессенджерам) различного порядка и в
конечном итоге достигает ядра, где и происходит включение программы
клеточного самоубийства путем активации летальных и/или репрессии
антилетальных генов. Однако существование ПКС (программируемая клеточная
смерть) в безъядерных системах (цитопластах – клетках, лишенных ядра)
показывает, что наличие ядра не является обязательным для реализации
процесса ].
Применительно к клеткам животных и человека апоптоз в большинстве случаев
связан с протеолитической активацией каскада каспаз – семейства эволюционно
консервативных цистеиновых протеаз, которые специфически расщепляют белки
после остатков аспарагиновой кислоты .
На основе структурной гомологии каспазы подразделяются на подсемейства
а) каспазы-1 (каспазы 1, 4, 5),
б) каспазы-2 (каспаза-2) и
в) каспазы-3 (каспазы 3, 6–10) .
Цистеиновые протеазы, по-видимому, участвуют также в ПКС у растений .
Однако апоптоз возможен и без участия каспаз: сверхсинтез белков-промоторов
апоптоза Bax и Bak индуцирует ПКС в присутствии ингибиторов каспаз .
В результате действия каспаз происходит:
1.активация прокаспаз с образованием каспаз;
2.расщепление антиапоптозных белков семейства Bcl-2. Подвергается
протеолизу ингибитор ДНКазы, ответственный за фрагментацию ДНК. В
нормальных клетках апоптозная ДНКаза CAD (caspase-activated DNase) образует
