 |
Апоптоз является общебиологическим механизмом, ответственным за поддержание постоянства численности клеток, формообразование, выбраковку дефектных клеток в органах и тканях.
|
|
|
|
Опытным путем установили, что разрушение клеток имеет три уровня регуляции: генетический контроль, межклеточные взаимодействия и организменный.
Наилучшим образом генетический контроль апоптоза иллюстрирует недавно открытый ген p53. Белок, контролируемый этим геном, обладает способностью при определенных условиях блокировать клеточное деление, митоз, и запускать механизмы апоптоза. Вызванная повреждением ДНК остановка клеточного цикла в сочетании с невозможностью молекулярной репарации (восстановления) измененного наследственного материала может с участием белка, синтез которого контролирует ген p53, приводить к активации процесса самоликвидации, апоптоза дефектной клетки. Мутации и дефекты этого гена или регулирующих его активность нуклеотидных фрагментов ДНК встречаются в опухолевых клетках и обнаружены у 55—70% раковых больных.
Механизмы апоптоза сложны и многообразны, представляют собой сложнейший молекулярный каскад, изучением которого занимаются многие и многие лаборатории по всему миру. Несомненная важность этих исследований в аспекте онкологии и геронтологии доказана успехами терапии онкологических заболеваний индукторами апоптоза раковых клеток.
В механизмах апоптоза выделяется два этапа смертельный приказ, активация генов.
Начнем с первого этапа: смертельный приказ.
С того, что клетка получает " приказ умереть", ее гибель необходима для дальнейшей жизнедеятельности организма. Это происходит с помощью сигналов из внеклеточной среды, которые клетка воспринимает с помощью своего рецепторного аппарата. Иногда сигналом для начала апоптоза может быть и отсутствие необходимого сигнала.
|
|
|
В результате контакта сигнальных молекул с наружной частью белка-рецептора этот рецептор претерпевает структурные изменения. Структурная перестройка захватывает и внутриклеточную часть молекулы рецептора. Она может либо обладать определенной ферментативной активностью сама, либо быть тесно связана с некоторыми клеточными ферментами. Изменение активности рецепторной молекулы приводит к активации фермента.
Часто речь идет об изменении концентрации ионов кальция, а также некоторых относительно мелких фосфорсодержащих органических соединений относящихся к классу нуклеотидов. Активные соединения появляются и в результате гидролиза определенных липидов клеточной мембраны. В свою очередь, все это ведет к присоединению или отсоединению остатков фосфата от молекул белковых регуляторов (фосфорилирование), способных влиять на генетический аппарат клетки. Фосфорилирование и дефосфорилирование (отщепление остатка фосфорной кислоты), а также некоторые другие биохимические модификации меняют активность этих регуляторов.
Известны два структурно гомологичных рецептора THF, р55 и р75 (THF-RI, THF-RII, соответственно), относящиеся к трасмембранным белкам I типа. Кроме этого задействованы" рецепторы смерти" CD95. Рецеторы СD 95 и рецепторы TNF принадлежат к растущему суперсемейству рецепторов, имеющих гомологию в экстраклеточных доменах. Семейство включает в себя также рецептор факторы роста нервов, В-клеточный антиген CD40, маркер активации Т-лимфоцитов CD27и некоторые гомологичные белки млекопитающих и вирусов.
CD95 и TNF-R1 имеют дополнительную гомологичную последовательность во внутриклеточной части молекул. Этот трансдукции цитотоксического (повреждающего клетку) сигнала. Цитоплазматический С-конец CD95 содержит также " домен спасения", удаление которого усиливает цитотоксическую активность рецептора.
|
|
|
Интенсивные исследования сигнальных механизмов апоптоза, индуцированного антителами к CD95/CD95-L и TNF, привели к значительному прогрессу в двух направлениях - идентификация белков, взаимодействующих с CD95 и TNF-R1, и выяснение участия в процессе вторичного месседжера церамида
" Домен смерти" TNF-R1 взаимодействует также с серин/треониновой протеинкиназой и фосфорилируется этим ферментом. 30 С-концевых аминокислотных остатков ингибируют связывание рецептора с протеинкиназой. Роль этих событий в передаче цитотоксического сигнала неясна. Недавно описана тирозиновая фосфатаза, FAP-1, взаимодействующая с 15 С-концевыми аминокислотами CD95, " доменом спасения". Гиперэкспрессия FAP-1 подавляет апоптоз, опосредованный CD95.
Описанные белки участвуют, по-видимому, в начальных этапах передачи сигнала. Другая группа данных свидетельствует о том, что и CD95-L или антитела к CD95, и TNF активируют сфингомиленовый путь передачи. Поздние этапы клеточной гибели, индуцированной через CD95 и TNF-R1, таковы же, как при классическом апоптозе. Гибель клеток может быть предотвращена crmA, что указывает на участие ICE-подобных протеаз. Bcl-2 подавляет апоптоз, индуцированный через CD95 и TNF-R1, по крайней мере на некоторых клеточных линиях.
В клетках, подвергшихся воздействию индуктора апоптоза, резко снижается мембранный потенциал (Dy) митохондрий. Падение Dy обусловлено увеличением проницаемости внутренней мембраны митохондрий вследствие образования гигантских пор. Разнообразны факторы, вызывающие раскрытие пор. К ним относятся истощение клеток восстановленным глутатионом, NAD(P)H, ATP и ADP, образование активных форм кислорода, разобщение окислительного фосфорилирования протонофорными соединениями, увеличение содержания Ca2+ в цитоплазме. Образование пор в митохондриях можно вызвать церамидом, NO, каспазами, амфипатическими пептидами, жирными кислотами. Поры имеют диаметр 2, 9 нм, позволяющий пересекать мембрану веществам с молекулярной массой 1, 5 кДа и ниже. Следствием раскрытия поры является набухание митохондриального матрикса, разрыв наружной мембраны митохондрий и высвобождение растворимых белков межмембранного объема. Среди этих белков – ряд апоптогенных факторов: цитохром С, прокаспазы 2, 3 и 9, белок AIF (apoptosis inducing factor), представляющий собой флавопротеин с молекулярной массой 57 кДа.
|
|
|
Образование гигантских пор не является единственным механизмом выхода межмембранных белков митохондрий в цитоплазму. Предполагается, что разрыв наружной мембраны митохондрий может быть вызван гиперполяризацией (переход заряда в отрицательную область) внутренней мембраны. Возможен и альтернативный механизм, без разрыва мембраны, – раскрытие гигантского белкового канала в самой наружной мембране, способного пропускать цитохром С и другие белки из межмембранного пространства.
Высвобождаемый из митохондрий цитохром с вместе с цитоплазматическим фактором APAF-1(apoptosis protease activating factor-1) участвует в активации каспазы-9.
APAF-1 – белок с молекулярной массой 130 кДа, содержащий CARD-домен (caspase activation and recruitment domain) образует комплекс с прокаспазой-9 в присутствии цитохрома с и dATP или АТР. Из этих субъединиц собираются жесткие, симметричные структуры, наподобие веера или пропеллера. APAF-1 играет роль арматуры, на которой происходит аутокаталитический процессинг каспазы-9. Предполагается, что в результате зависимого от гидролиза dATP (или АТР) конформационного изменения APAF-1 приобретает способность связывать цитохром С. Связав цитохром с, APAF-1 претерпевает дальнейшее конформационное изменение, способствующее его олигомеризации и открывающее доступ CARD-домена APAF-1 для прокаспазы-9, которая тоже содержит CARD-домен. Так образуется конструкция, называемая тоже апоптосомой, с молекулярной массой > 1, 3 млн дальтон, в составе которой – не менее 8 субъединиц APAF-1. Благодаря гомофильному CARD-CARD-взаимодействию с APAF-1 в эквимолярном соотношении связывается прокаспаза-9, а затем прокаспаза-9 связывает прокаспазу-3. Пространственное сближение молекул прокаспазы-9 на мультимерной арматуре из APAF-1-цитохром-с-комплексов, по-видимому, приводит к межмолекулярному протеолитическому процессингу (модификации) прокаспазы-9 с образованием активной каспазы-9. Зрелая каспаза-9 затем расщепляет и активирует прокаспазу-3.
|
|
|
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 гибели клеток у животных, действующим независимо от каспаз.
Кроме рассмотренных компонентов, при нарушении наружной мембраны митохондрий из межмембранного объема выделяется термолабильный фактор, вызывающий необратимоепревращение 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. 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. Гибель клеток, 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 смерть. 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. 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.
|
|
|
Существуют другие пути апоптоза. В ряде случаев апоптоз реализуется в результате комбинированного действия двух путей – с участием и рецепторов плазматической мембраны, и митохондриального цитохрома C. 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.
Также Существует путь передачи летального сигнала 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 сболезнью Альцгеймера.
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.
Взаимодействие клеток с внеклеточным матриксом осуществляется с помощь интегринов. Интегрины – большое семейство гетеродимерных мембранных белков, которые участвуют в адгезии клеток, связывая внутриклеточный цитоскелет с лигандами внеклеточного матрикса. Нарушение адгезии клеток индуцирует апоптоз. 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 (остатки хроматина) 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.
На втором этапе запрограммированной смерти клеток внутриклеточные регуляторы, получив важные инструкции, вносят поправки в работу отдельных генов. Работа эта, как известно, заключается в образовании РНК, а затем и белков. Таким образом, в результате срабатывания генетической программы, первоначально запущенной сигналом с рецептора, происходит изменение набора внутриклеточных РНК и белков. В конечном счете появляются или активируются ферменты - протеазы и нуклеазы.
Ферменты расщепляют содержимое клетки, которое затем поглощается фагоцитами
Многоклеточный организм можно рассматривать как клон клеток, развивающихся из одноклеточной зиготы. Почему же клетки дефинитивного организма становятся непохожими друг на друга? Существует мнение, что функциональное и морфологическое разнообразие клеток организма обусловлено их окружением, т. е. той средой, в которой клетка живет и размножается. Эта среда окружения клетки получила название позиционной информации или информации положения.
Дифференцировка и специализация клеток – это процесс взаимодействия эндогенной генетической информации и экзогенной эпигенетической информации (пространственной информации). Ведущее место в дифференцировке и специализации принадлежит информации положения клетки, которая определяется рядом факторов:
1. градиенты концентрации химических веществ
2. векторы электромагнитных полей
3. контактные взаимоотношения между клетками
4. эмбриональная индукция
Клетка, способная воспринимать позиционную информациюназывается компетентной. В этой клетке под влиянием эпигенетических факторов геном подразделяется на экспрессированные (рабочие) и репрессированные (спящие) гены. Экспрессированные гены в свою очередь делятся на конституитивные и индуцибельные. Конституитивные гены отвечают за общие для всех клеток организма свойства (раздражимость, подвижность, обмен веществ и т. д. ). Индуцибельные гены определяют дифференцировку и специализацию клеток.
Клетка, которая под влиянием позиционной информации получила программу своего развития (индуцибельные гены) называется детерминированной или коммитированной. В результате дифференцировки клетки, которая идет по пути усложнения ее организации, она становится специализированной и начинает выполнять соответствующие функции.
Изоморфные клетки объединяются в группы, каждая из которых начинает выполнять элементарную первичную функцию. Принято считать, что в организме имеется четыре первичных функции и в отношении каждой формируется присущий только ей тип ткани:
1. пограничная или разграничительная функция - эпителиальные ткани;
2. организация внутренней среды - мезенхимные ткани;
3. двигательная функция - мышечные ткани;
4. способность отвечать на раздражители адекватной реакцией – возбуждением и передавать возбуждение на исполнительные органы – нервная ткань.
Индивидуальное развитие тканей повторяет их филогенез, т. е. находится в рамках основного биогенетического закона – онтогенез есть краткое и неполное повторение филогенеза. Следовательно, четыре типа тканей, возникшие у первых многоклеточных, в последующем у всех представителей животного мира развивались параллельно (А. А. Заварзин). Это значит, что у современных животных и человека имеются одинаковые четыре типа тканей. Виды тканей являются производными основных типов, могут различаться. Видовую дивергенцию ткани обеспечивают функция и экология органов, в которых они находятся, т. е. вид ткани зависит от среды, в которой она функционирует.
Ткань – это исторически сложившаяся система клеток и межклеточного вещества, выполняющих в организме одну из первичных функций.
Ткань – частная система организма, имеющая дифферонную организацию, выполняющая одну из элементарных функций организма.
Эпителиальные ткани – это группа пограничных тканей, выполняющих в организме защитную, всасывающую и выделительную функции. Эти ткани индивидуализируют организм, выделяют из внешней среды и одновременно связывают с ней. Эпителиальные ткани формируются их всех трех зародышевых листков. В соответствии с этим различают: эктодермальные эпителии, которые развиваются из наружного зародышевого листка и обладают хорошо выраженными защитными свойствами, например, эпидермис кожи, эпителий роговицы глаза, эпителий ротовой полости; энтодермальные эпителии – развиваются из внутреннего зародышевого листка, выстилает желудок и кишечник, участвует в пищеварении, имеет хорошо развитую всасывательную и выделительную функции; мезодермальный эпителий (целонефродермальный) развивается из среднего зародышевого листка; к этому типу относится мезотелий, потерявший защитные функции, но обладающий хорошими всасывательными возможностями и эпителий нефронов почки с выделительными и реабсорбционными свойствами.
Выделяют покровный и железистый эпителий: покровный эпителий занимает пограничное положение, участвуя в образовании кожных покровов, выстилая полости внутренних органов - желудка, кишечника, мочевого пузыря, дыхательной системы, входя в состав серозных оболочек; железистый эпителий погружается во внутреннюю среду организма, формируя экзокринные и эндокринные железы.
|
|
|
