Апоптоз - программируемая клеточная смерть
молекул прокаспазы-9 на мультимерной арматуре из APAF-1-цитохром-с-
комплексов, по-видимому, приводит к межмолекулярному протеолитическому
процессингу прокаспазы-9 с образованием активной каспазы-9. Зрелая каспаза-
9 затем расщепляет и активирует прокаспазу-3. [pic]
Флавопротеин AIF, будучи добавленным к изолированным ядрам из клеток HeLa,
вызывает конденсацию хроматина и фрагментацию ДНК, а при добавлении к
изолированным митохондриям печени крыс – высвобождение цитохрома с и
каспазы- AIF является митохондриальным эффектором ПКС у животных,
действующим независимо от каспаз .
Кроме рассмотренных компонентов, при нарушении наружной мембраны
митохондрий из межмембранного объема выделяется термолабильный фактор,
вызывающий необратимое превращение ксантиндегидрогеназы в ксантиноксидазу .
Ксантиндегидрогеназа катализирует зависимое от NAD+ окисление ксантина до
гипоксантина и последующее окисление гипоксантина до мочевой кислоты.
Ксантиноксидаза катализирует те же реакции, но не с NAD+, а с О2 в
качестве акцептора электронов. При этом образуются О2A, Н2О2, а из них – и
другие активные формы кислорода (АФК), которые разрушают митохондрии и
являются мощными индукторами апоптоза. Механизмы образования АФК, конечно,
не ограничиваются ксантиноксидазной реакцией. Главным источником АФК в
клетках являются митохондрии. Резкое увеличение АФК происходит при
возрастании мембранного потенциала в митохондриях, когда снижено
потребление ATP и скорость дыхания лимитируется ADP . Цитоплазматическая
мембрана макрофагов и нейтрофилов содержит О2A – генерирующую NADPH-
оксидазу.
В зависимости от пути, по которому осуществляется активация каспаз,
различают разные типы клеток [82]. Клетки типа I (в частности, линия
лимфобластоидных В-клеток SKW и T-клетки линии Н9) подвергаются ПКС по
пути, зависимому от апоптозных рецепторов плазматической мембраны без
участия митохондриальных белков. Клетки типа II (например, линии Т-клеток
Jurkat и СЕМ) погибают по пути апоптоза, зависимому от митохондриального
цитохрома с. ПКС, вызванная химиотерапевтическими соединениями, УФ- или і-
облучением, по-видимому, напрямую связана с апоптозной функцией
митохондрий.
Некоторые клетки, например, клетки эмбриональной нервной системы, включают
механизмы апоптоза, если они испытывают дефицит апоптозподавляющих сигналов
(называемых также факторами выживания) от других клеток. Физиологический
смысл процесса – в элиминации избыточных нервных клеток, конкурирующих за
ограниченный фонд факторов выживания. Эпителиальные клетки при отделении от
внеклеточного матрикса, вырабатывающего факторы выживания, тоже обречены на
ПКС. Факторы выживания связываются соответствующими цитоплазматическими
рецепторами, активируя синтез подавляющих апоптоз агентов и блокируя
стимуляторы апоптоза . Некоторые вещества (например, стероидные гормоны)
оказывают дифференцированный эффект на различные типы клеток –
предотвращают апоптоз одних типов клеток и индуцируют его у других
[2].((((Так, при наличии во внеклеточном матриксе факторов роста PDGF
(platelet-derived growth factor – тромбоцитарный фактор роста) или NGF
(nerve growth factor – фактор роста нервов) и цитокина интерлейкина-3 (IL-
3) проапоптозный белок Bad не активен .Факторы роста, связавшись со своим
рецептором на плазматической мембране, вызывают активацию цитозольной
протеинкиназы В, и катализирующей фосфорилирование Bad по Ser-136. IL-3
тоже связывается со своим рецептором на плазматической мембране и
активирует митохондриальную cAMP-зависимую протеинкиназу А , катализирующую
фосфорилирование Bad по Ser-112. Будучи фосфорилированным по обоим остаткам
серина, Bad образует комплекс с белком 14-3-3, располагающийся в
цитоплазме. Дефицит факторов роста и IL-3 воспринимается клеткой как сигнал
к апоптозу: происходит дефосфорилирование Bad, его внедрение в наружную
мембрану митохондрий, выход цитохрома с из митохондрий и последующая
активация каспазы-9 через APAF-1-зависимый механизм. )))))
3. В ряде случаев ПКС реализуется в результате комбинированного действия
двух путей – с участием и рецепторов плазматической мембраны, и
митохондриального цитохрома с. Так, повреждение ДНК ведет к накоплению в
клетке белкового продукта гена р53, который может останавливать деление
клеток и/или индуцировать апоптоз Белок р53 является фактором транскрипции,
регулирующим активность ряда генов. Предполагается, что ответная реакция на
образование белка р53 зависит от степени нарушения клеточного генома . При
умеренном нарушении генома происходит остановка клеточного деления,
осуществляется репарация ДНК, и клетка продолжает свое существование. При
чрезмерном нарушении генома, когда ДНК уже не поддается репарации,
включаются рецепторный и цитохром с-зависимый апоптозные каскады активации
каспаз.
4. Также Существует путь передачи сигнала ПКС с участием
эндоплазматического ретикулума (ЭР) . В ЭР локализована прокаспаза-12.
Нарушение внутриклеточного Ca2+-гомеостаза добавкой тапсигаргина или Ca2+-
ионофорного антибиотика А23187 ведет к апоптозу клеток, вызванному
превращением прокаспазы-12 в каспазу-12. ЭР-зависимый апоптоз связан с
болезнью Альцгеймера.
5. Цитотоксические лимфоциты, Т-киллеры, могут вызывать апоптоз у
инфицированных клеток с помощью белка перфорина. Полимеризуясь, перфорин
образует в цитоплазматической мембране клетки-мишени трансмембранные
каналы, по которым внутрь клетки поступают TNFb , гранзимы (фрагментины) –
смесь сериновых протеаз. Существенным компонентом этой смеси является
гранзим В – протеолитический фермент, превращающий прокаспазу-3 в активную
каспазу-3 .
6. Взаимодействие клеток с внеклеточным матриксом осуществляется с помощью
интегринов. Интегрины – большое семейство гетеродимерных мембранных белков,
которые участвуют в адгезии клеток, связывая внутриклеточный цитоскелет с
лигандами внеклеточного матрикса. Нарушение адгезии клеток индуцирует
апоптоз.
7. Особую форму апоптоза претерпевают эритроциты млекопитающих. Биогенез
эритроцитов из плюрипотентной стволовой клетки в костном мозге включает ряд
промежуточных этапов. На этапе эритробласта ядро изгоняется (выталкивается)
из клетки и пожирается макрофагом . Альтернативный вариант: кариорексис
(деструкция ядра) с образованием телец Жолли и их последующий распад и
лизис внутри клетки . Безъядерная клетка, называемая ретикулоцитом, в
дальнейшем теряет митохондрии и рибосомы и превращается в эритроцит. Потерю
ядра эритробластом можно рассматривать как особую форму ядерного апоптоза.
Выяснение его механизма позволило бы применить его для обезвреживания
опухолевых клеток.
Генетический контроль.
Существует две альтернативные точки зрения на генетический контроль
апоптоза. Согласно первой из них апоптоз представляет собой вариант
реализации генетических программ пролиферации и дифференцировки клетки. Об
этом, в частности, свидетельствует участие в апоптозе серинтреониновой
киназы, фактора транскрипции NF-kB, протоонкогена c-myc и других
регуляторов клеточного цикла. Согласно другой апоптоз имеет собственную
генетическую программу и механизм ее реализации.
Программированная смерть у растений.
Мало известно о механизме ПКС у растений. В сравнении с естественными
индукторами ПКС химические и физические воздействия методически более
привлекательны, поскольку вызывают синхронный апоптоз с высоким выходом
погибших клеток, что облегчает последующий анализ результатов. Так, апоптоз
у растений можно вызвать обработкой CN–, менадионом , тепловым воздействием
.
Показано , что NaCN (и менадион) вызывает разрушение ядер в эпидермальных и
устьичных клетках листьев гороха. Устьичные клетки значительно устойчивее к
CN–, чем эпидермальные. Свет ускоряет CN.-индуцированноеразрушение ядер в
устьичных клетках. Эффект света незначителен на эпидермальных клетках,
которые, в отличие от устьичных клеток, не содержат хлоропластов. Эти
данные могут указывать на возможное участие хлоропластов в CN–-
индуцированной гибели устьичных клеток. Антиоксиданты (ионол и витамин Е)
тормозят CN–-индуцированное разрушение ядер в эпидермальных клетках.
Витамин Е в значительной степени снимает эффект CN– на устьичные клетки.
Предполагается, что CN–, ингибируя каталазу и пероксидазы, приводит к
образованию и накоплению АФК, индуцирующих апоптоз. Подобно митохондриям,
играющим важную роль в апоптозе животных, возможно участие хлоропластов в
апоптозе растений .
Гиперчувствительный ответ на заражение патогенными возбудителями тоже
сопровождается накоплением АФК в клетках растений. Это обусловлено
подавлением экспрессии аскорбатпероксидазы и каталазы. Трансгенные растения
табака, у которых синтез этих ферментов подавлен, гиперчувствительны к
патогенам: у них ПКС вызывается низкими дозами патогенов, которые не
оказывают влияния на контрольные растения [103].
Действие менадиона как индуктора апоптоза, по-видимому, тоже связано с
образованием АФК: восстанавливаясь компонентами дыхательной цепи
митохондрий, менадион спонтанно окисляется О2 в одноэлектронной реакции.
Обработка протопластов табака менадионом ведет к выходу цитохрома с из
митохондрий в цитоплазму, деградации поли(ADP-рибозо)полимеразы (ПАРП),
фрагментации ДНК Таким образом, имеющиеся данные свидетельствуют об
общности механизмов ПКС у животных и растений.
СТАРЕНИЕ И АПОПТОЗ
Известный американский ученый Л.Хейфлик [2] в Медицинском центре детской
больницы Северной Каролины впервые доказал, что естественная
продолжительность жизни человека обусловлена числом митозов, которое могут
совершить клетки данного организма. Он брал кусочки кожи от эмбриона,
новорожденного и взрослого человека, разбивал их на отдельные клетки и
культивировал в специальной питательной среде. Оказалось, что клетки
эмбриона могут совершить около 50 делений, а затем в них наблюдаются все
признаки апоптотической смерти . У взрослого человека клетки могли
совершить уже не 50 а гораздо меньше делений, в зависимости от возраста
обследуемого пациента. Впоследствии было показано,что механизм старческого
апоптоза запускается и находиться в ядре.
В настоящее время для объяснения молекулярно-генетических механизмов
старения организма предложено три гипотезы.
1. Первая гипотеза особенно отчетливо развита в трудах профессора Ж.
Медведева, а также Л. Орджелом из Института им. Солка в США. Эти
исследователи считают, что старение это процесс накопления ошибок в
процессах транскрипции и трансляции и возникновении ферментов с дефектным
функционированием. При этом механизмы репарации не могут справится со все
возрастающим количеством дефектов.
2.Согласно второй гипотезе, предложенной также Ж.Медведевым 0,4% информации
содержащейся в ДНК клеточного ядра, используется клеткой постоянно на
протяжении ее жизни. Кроме того, многие гены в молекуле ДНК повторяются,
делая генетическую информацию в высокой степени избыточной. Ж. Медведев
предположил, что повторяющиеся последовательности обычно репрессированы, но
в случае значительного повреждения активного гена он заменяется одним из
идентичных резервных генов. Избыточность ДНК может, следовательно, служить
гарантией против внутренне присущей подверженности системы случайным
молекулярным повреждениям. Однако постепенно весь резерв генов будет
исчерпан и тогда начинают возникать патофизиологические изменения, которые
приведут к гибели клетки. Таким образом чем больше избыточной ДНК, тем
больше продолжительность жизни данного вида.
3.Третья гипотеза постулирует, что возрастные изменения представляют собой
продолжение нормальных генетических сигналов, регулирующих развитие
животного от момента его зачатия до полового созревания. Быть может даже
есть "гены старения" которые замедляют или даже закрывают биохимические
пути один за другим и ведут к предсказуемым возрастным изменениям. При этом
снижаются функциональные возможности клеток. Старение организма - это по
существу старение и апоптоз ключевых клеток, гибель которых способна
повлиять на физиологию всего организма.
