Процесс, при котором клетка может убивать сама себя, называется запрограммированной клеточной гибелью (ЗГК). Этот механизм имеет несколько разновидностей и играет важнейшую роль в физиологии различных организмов, особенно многоклеточных. Самой часто встречающейся и хорошо изученной формой ЗГК является апоптоз.

Что такое апоптоз

Апоптоз - это контролируемый физиологический процесс самоуничтожения клетки, характеризующийся поэтапным разрушением и фрагментацией ее содержимого с формированием мембранных пузырьков (апоптозных телец), впоследствии поглощаемых фагоцитами. Этот генетически заложенный механизм активируется под воздействием определенных внутренних или внешних факторов.

При таком варианте гибели клеточное содержимое не выходит за пределы мембраны и не вызывает воспаление. Нарушения в регуляции апоптоза приводят к серьезным патологиям, таким как неконтролируемые клеточные деления или дегенерация тканей.

Апоптоз представляет собой лишь одну из нескольких форм запрограммированной гибели клетки (ЗГК), поэтому отождествлять эти понятия ошибочно. К известным видам клеточного самоуничтожения относят также митотическую катастрофу, аутофагию и программированный некроз. Другие механизмы ЗГК пока не изучены.

Причины апоптоза клеток

Причиной запуска механизма запрограммированной клеточной гибели могут быть как естественные физиологические процессы, так и патологические изменения, вызванные внутренними дефектами или воздействием внешних неблагоприятных факторов.

В норме апоптоз уравновешивает процесс деления клеток, регулируя их количество и способствуя обновлению тканей. В таком случае причиной ЗГК служат определенные сигналы, входящие в систему контроля гомеостаза. С помощью апоптоза уничтожаются одноразовые или выполнившие свою функцию клетки. Так, повышенное содержание лейкоцитов, нейтрофилов и других элементов клеточного иммунитета по окончании борьбы с инфекцией устраняется именно за счет апоптоза.

Запрограммированная гибель является частью физиологического цикла репродуктивных систем. Апоптоз задействован в процессе оогенеза, а также способствует гибели яйцеклетки при отсутствии оплодотворения.

Классическим примером участия апоптоза клеток в жизненном цикле вегетативных систем является осенний листопад. Сам термин происходит от греческого слова apoptosis, что буквально переводится как "опадание".

Апоптоз играет важнейшую роль в эмбриогенезе и онтогенезе, когда в организме сменяются ткани и атрофируются определенные органы. Примером могут служить исчезновение перепонок между пальцами конечностей некоторых млекопитающих или отмирание хвоста при метаморфозе лягушки.

Апоптоз может быть спровоцирован накоплением дефектных изменений в клетке, возникших в результате мутаций, старения или ошибок митоза. Причиной запуска ЗГК могут быть неблагоприятная среда (недостаток питательных компонентов, дефицит кислорода) и патологические внешние воздействия, опосредованные вирусами, бактериями, токсинами и т. д. При этом если повреждающий эффект слишком интенсивен, то клетка не успевает осуществить механизм апоптоза и погибает в результате развития патологического процесса - некроза.

Морфологические и структурно-биохимические изменения клетки во время апоптоза

Процесс апоптоза характеризуется определенным набором морфологических изменений, которые с помощью микроскопии можно наблюдать в препарате ткани in vitro.

К основным признакам, характерным для апоптоза клеток, относят:

• перестраивание цитоскелета;
• уплотнение клеточного содержимого;
• конденсацию хроматина;
• фрагментацию ядра;
• уменьшение объема клетки;
• сморщивание контура мембраны;
• образование пузырьков на клеточной поверхности,
• деструкцию органоидов.

У животных эти процессы завершаются образованием апоптоцитов, которые могут быть поглощены как макрофагами, так и соседними клетками ткани. У растений формирования апоптозных телец не происходит, а после деградации протопласта сохраняется остов в виде клеточной стенки.

Помимо морфологических изменений, апоптоз сопровождается рядом перестроек на молекулярном уровне. Происходит повышение липазной и нуклеазной активностей, которые влекут за собой фрагментацию хроматина и многих белков. Резко увеличивается содержание сАМФ, изменяется структура клеточной мембраны. В растительных клетках наблюдается образование гигантских вакуолей.

Чем апоптоз отличается от некроза

Главное различие между апоптозом и некрозом заключается в причине клеточной деградации. В первом случае источником разрушения служат молекулярные инструменты самой клетки, которые работают под строгим контролем и требуют затрат энергии АТФ. При некрозе происходит пассивное прекращение жизнедеятельности из-за внешнего повреждающего воздействия.

Апоптоз - это естественный физиологический процесс, сконструированный таким образом, чтобы не вредить окружающим клеткам. Некроз - это неконтролируемое патологическое явление, возникающее в результате критических повреждений. Поэтому неудивительно, что механизм, морфология и последствия апоптоза и некроза во многом противоположны. Однако имеются и общие черты.

В случае повреждения клетки запускают механизм запрограммированной гибели в том числе для того, чтобы не допустить некротического развития. Однако недавние исследования показали, что существует иная непатологическая форма некроза, которую также отнесли к ЗГК.

Биологическое значение апоптоза

Несмотря на то что апоптоз приводит к клеточной гибели, его роль для поддержания нормальной жизнедеятельности всего организма очень велика. Благодаря механизму ЗГК осуществляются следующие физиологические функции:

• поддержание баланса между пролиферацией и смертью клеток;
• обновление тканей и органов;
• устранение дефектных и "старых" клеток;
• защита от развития патогенного некроза;
• смена тканей и органов при эмбрио- и онтогенезе;
• удаление ненужных элементов, выполнивших свою функцию;
• устранение клеток, нежелательных или опасных для организма (мутантных, опухолевых, зараженных вирусом);
• предотвращение развития инфекции.

Таким образом, апоптоз является одним из способов поддержания клеточно-тканевого гомеостаза.

Этапы клеточной смерти

То, что происходит с клеткой при апоптозе, является результатом сложной цепочки молекулярных взаимодействий между различными ферментами. Реакции проходят по типу каскада, когда одни белки активируют другие, способствуя постепенному развитию сценария гибели. Этот процесс можно разделить на несколько этапов:

1. Индукция.
2. Активация проапоптических белков.
3. Активация каспаз.
4. Разрушение и перестройка клеточных органелл.
5. Формирование апоптоцитов.
6. Подготовка клеточных фрагментов к фагоцитозу.

Синтез всех компонентов, необходимых для запуска, реализации и контроля каждого этапа заложен генетически, почему апоптоз и называют запрограммированной гибелью клетки. Активация этого процесса находится под строгим контролем регуляторных систем, включающих в том числе и различные ингибиторы ЗГК.

Молекулярные механизмы апоптоза клетки

Развитие апоптоза обуславливается совокупным действием двух молекулярных систем: индукционной и эффекторной. Первый блок отвечает за контролируемый запуск ЗГК. В него входят так называемые рецепторы смерти, Cys-Asp-протеазы (каспазы), ряд митохондриальных компонентов и проапоптических белков. Все элементы индукционной фазы можно разделить на тригеры (участвуют в индукции) и модуляторы, обеспечивающие трансдукцию сигнала смерти.

Эффекторную систему составляют молекулярные инструменты, обеспечивающие деградацию и перестройку клеточных компонентов. Переход между первой и второй фазами осуществляется на этапе протеолитического каспазного каскада. Именно за счет компонентов эффекторного блока происходит гибель клетки при апоптозе.

Факторы апоптоза

Структурно-морфологические и биохимические изменения при апоптозе осуществляются определенным набором специализированных клеточных инструментов, среди которых наиболее важными являются каспасы, нуклеазы и мембранные модификаторы.

Каспазы - группа ферментов, разрезающих пептидные связи по остаткам аспарагина, фрагментируя белки на крупные пептиды. До начала апоптоза присутствуют в клетке в неактивном состоянии из-за ингибиторов. Главной мишенью каспаз являются ядерные белки.

Нуклеазы - ответственны за разрезание молекул ДНК. Особо важна в развитии апоптоза активная эндонуклеаза CAD, разрывающая участки хроматина в областях линкерных последовательностей. В результате образуются фрагменты длиной 120-180 нуклеотидных пар. Комплексное воздействие протеолитических каспаз и нуклеаз приводит к деформации и фрагментации ядра.

Модификаторы клеточной мембраны - нарушают асимметричность билипидного слоя, превращая его в мишень для фагоцитирующих клеток.

Ключевая роль в развитии апоптоза принадлежит каспазам, которые поэтапно активируют все последующие механизмы деградации и морфологической перестройки.

Роль каспаз в клеточной гибели

Семейство каспаз включает 14 белков. Часть из них не задействована в апоптозе, а остальные подразделяются на 2 группы: инициаторные (2, 8, 9, 10, 12) и эффекторные (3, 6 и 7), которые иначе называются каспазами второго эшелона. Все эти белки синтезируются в виде предшественников - прокаспаз, активируемых протеолитическим расщеплением, суть которого состоит в отсоединении N-концевого домена и разделении оставшейся молекулы на две части, в последствии ассоциирующиеся в димеры и тетрамеры.

Инициаторные каспазы необходимы для активации эффекторной группы, которая проявляет протеолитическую активность в отношении различных жизненно важных клеточных белков. К субстратам каспаз второго эшелона относятся:

• ферменты репарации ДНК;
• игибитор белка р-53;
• поли-(ADP-рибозо)-полимераза;
• ингибитор ДНК-азы DFF (разрушение этого белка приводит к активации эндонуклеазы CAD) и др.

Общее количество мишеней эффекторных каспаз насчитывает более 60 белков.

Ингибирование апоптоза клеток еще возможно на стадии активации инициаторных прокаспаз. Когда эффекторные каспазы вступают в действие, процесс становится необратимым.

Пути активации апоптоза

Передача сигнала для запуска апоптоза клетки может быть осуществлена двумя путями: рецепторным (или внешним) и митохондриальным. В первом случае процесс активируется через специфические рецепторы смерти, воспринимающие внешние сигналы, которыми служат белки семейства TNF или Fas-лиганды, расположенные на поверхности Т-киллеров.

В состав рецептора входит 2 функциональных домена: трансмембранный (предназначенный для связи с лигандом) и ориентированный внутрь клетки "домен смерти", индуцирующий апоптоз. Механизм рецепторного пути основывается на образовании DISC-комплекса, активирующего инициаторные каспазы 8 или 10.

Сборка начинается со взаимодействия домена смерти с внутриклеточными адапторными белками, которые, в свою очередь, связывают инициаторные прокаспазы. В составе комплекса последние превращаются в функционально-активные каспазы и запускают дальнейший апоптозный каскад.

Механизм внутреннего пути основан на активации протеолитического каскада особыми митохондриальными белками, выброс которых контролируется внутриклеточными сигналами. Выход компонентов органоидов осуществляется через образование огромных пор.

Особая роль в запуске принадлежит цитохрому с. Попадая в цитоплазму, этот компонент электротранспортной цепи связывается с белком Apaf1 (апоптотический фактор активации протеаз), что приводит к активации последнего. Затем Apaf1 связывают инициаторные прокаспазы 9, которые по механизму каскада запускают апоптоз.

Контроль внутреннего пути осуществляется особой группой белков семейства Bcl12, которые регулируют выход межмембранных компонентов митохондрий в цитоплазму. В составе семейства имеются как проапоптические, так и антиапоптические белки, баланс между которыми и определяет, будет ли запущен процесс.

К одним из мощных факторов, запускающих апоптоз по митохондриальному механизму, относятся реактивные формы кислорода. Еще одним значимым индуктором является белок р53, который активирует митохондриальный путь при наличии ДНК-повреждений.

Иногда запуск апоптоза клеток сочетает в себе сразу два пути: как внешний, так и внутренний. Последний обычно служит для усиления рецепторной активации.

Существуют два хорошо охарактеризованных пути апоптоза: с участием рецепторов клеточной гибели (внешний путь) и с участием митохондрий (собственный путь)

Активация каспаз и апоптоз индуцируются связыванием специфических лигандов из группы TNF со своими рецепторами (рецепторы клеточной гибели)

У позвоночных активация каспаз происходит при различных путях . На рисунке ниже представлены два хорошо известных пути. Это путь с участием рецепторов клеточной гибели (который также называется внешний путь) и путь с участием митохондрий (собственный путь). Хотя между обоими путями имеется несколько существенных различий, они обладают чертой сходства, котороая заключается в том, что каждый включает этап активации инициирующей каспазы по механизму индуцированного сближения с последующей активацией эффекторных каспаз.

Вместе с тем, наблюдается некоторый перекрест между двумя механизмами , поскольку путь с участием рецепторов клеточной гибели может включать элементы митохондриального пути.

Представляют собой подгруппу относящихся к семейству рецепторов фактора некроза опухоли (TNFR) позвоночных. Они включают TNFR1, Fas (также называемый CD95 или АРО-1) и TRAIL (TRAIL-R1, -R2 у человека, также называемые DR4 и DR5). На рисунке ниже представлены различные типы рецепторов клеточной гибели.

Эти тримерные рецепторы связываются со специфическими лигандами (TNF, Fas-лигандом или TRAIL соответственно) и могут быстро запускать в клетках процесс апоптоза. Лиганды продуцируются различными клетками, включая клетки иммунной системы, часто в ответ на факторы, вызывающие воспаление.

Рецепторы гибели клеток содержат домен смерти, расположенный внутри клетки. Эти домены, как и домены CARD, DED и PYR, представляют собой еще один пример складок смерти, и они взаимодействуют с доменами смерти в адаптерных молекулах.

Находятся на поверхности клеток в виде тримеров, и, вероятно, соответствующие лиганды располагаются в виде кластеров, которые связаны с двумя и более этих тримеров. Такое расположение делает рецепторы доступными для взаимодействия с внутриклеточными белками. После связывания между собой доменов гибели Fas/CD95 и рецепторов TRAIL, они ассоциируют с адаптерным белком FADD (Fas-associated death domain). Эта ассоциация возникает при участии домена гибели FADD белка.

При этом в клетке молекулы FADD сближаются, и становится доступным другой регион белка, содержащий DED.

Домен DED белка FADD теперь связывается с DED-участками продомена мономера каспазы-8, что приводит к образованию димеров и активации инициаторной каспазы по механизму индуцированного сближения. После связывания рецептора гибели быстро образуется комплекс, содержащий FADD (за счет взаимодействия с доменом гибели). FADD связан с каспазой-8 (за счет взаимодействия с DED). Это сигнальный комплекс, индуцирующий клеточную гибель (англ, death-inducing signaling complex, DISC).

Активированная каспаза-8 начинает расщеплять в клетке субстраты, включая эффекторные каспазы-3 и -7, и происходит апоптоз. На рисунке ниже представлена последовательность событий при развитии апоптоза с участием рецепторов клеточной гибели.

Известно много примеров апоптоза , происходящего с участием рецепторов клеточной гибели. Этот путь особенно характерен для функционирования эффекторов иммунной системы и для регуляции иммунных процессов. Внешний путь апоптоза также реализуется в клетках другого происхождения, включая нейроны. В настоящее время в качестве возможного противоопухолевого средства исследуется TRAIL, который обладает способностью индуцировать апоптоз в клетках некоторых опухолей.

В соответствии с установленной ролью Fas в иммунной системе у людей, а также у мышей, несущих мутации, затрагивающие Fas или его лиганд, наблюдается заболевание, при котором происходит массивное разрастание лимфатических органов. Это разрастание обусловлено накоплением измененной популяции Т-клеток. У больных также отмечаются аномалии В-лимфоцитов, включающие продуцирование аутоиммунных антител и развитие В-клеточных лимфом.

Представлены два пути реализации апоптоза у позвоночных.
Путь через рецепторы клеточной гибели (также носящий название внешний путь) запускается, когда специфические лиганды гибели, относящиеся к семейству TNF, находят свои рецепторы.
Митохондриальный путь (также называемый внутренним, или собственным, путем)
реализуется при нарушении проницаемости наружной мембраны митохондрий в результате взаимодействий белков семейства Bcl-2 и высвобождения межмембранных белков.
К числу последних относится цитохром С, который при взаимодействии с белками цитозоля запускает активацию каспаз.
Эти процессы подробно рассмотрены в последующих статьях на сайте.
Рецепторы клеточной гибели относятся к семейству TNF-рецепторов,
у которых со стороны клетки расположены домены клеточной гибели.
На поверхности многих типов клеток позвоночных эти рецепторы существуют в виде тримеров. При связывании лиганда с рецептором клеточной гибели на поверхности клетки, адаптерный белок FADD присоединяется к нему с клеточной стороны.
Это происходит при взаимодействии доменов клеточной гибели (DD)-(DD).
Затем при участии эффекторных доменов клеточной гибели (DED)-(DED) к белку FADD присоединяется каспаза-8.
При димеризации каспазы-8 фермент активируется по механизму индуцированной близости.
Активная каспаза расщепляет и активирует эффекторные каспазы, которые вызывают апоптоз.
Комплекс, содержащий рецептор клеточной гибели, FADD и каспазу-8, называется сигнальным комплексом индукции клеточной гибели (DISC).

» был впервые применен в 1972 г. Kerr, Wyllie et Currie для описания особой морфологической формы генетически запрограммированной гибели клеток, отличающейся от некроза.

Апоптоз является гомеостатическим механизмом, поддерживающим постоянство клеточной популяции в тканях, а также защитным механизмом при иммунных реакциях или при повреждении клеток при заболеваниях и при воздействии инфекционных агентов.

Апоптоз обусловлен процессами, которые вызывают активацию группы цистеиновых протеаз, называемых «каспазы», каскадный комплекс которых обуславливает в конечном итоге гибель клеток.

Поскольку клетки при апоптозе не освобождают свое содержимое в окружающие ткани и быстро фагоцитируются макрофагами, воспалительная реакция обычно отсутствует. Следует отметить, что пикноз и кариорексис не являются исключительным признаком апоптоза и могут быть частью цитоморфологического спектра при некрозе.

Ионизирующее излучение , химиопрепараты приводят к повреждению ДНК в клетках, что вызывает их гибель посредством в53-зависимого пути. Воздействие воспалительных агентов в малых дозах (гипоксия, радиация, повышение температуры) индуцирует апоптоз, вызывая некроз при воздействии в больших дозах.

При некрозе потеря клеточной мембраны приводит к освобождению цитоплазматического содержимого в окружающие ткани, посылая сигналы хемотаксиса, приводящего к клеточному воспалению. Хемотаксические факторы подразделяются на две категории: короткого и дальнего действия, формирующие навигационные сигналы в локальной области тканей, приводящие к миграции макрофагов из циркуляции.

Кроме того, радикально изменяется плазматическая мембрана апоптотических клеток: изменяется ее проницаемость, топология липидов с потерей фосфолипидной асимметрии, окисления и восстановления анионных фосфолипидов, фосфатидилсеринов с выходом их из клетки.

Изменяется также расположение углеводов на мембране, и различные белки (включая кальретикулин, аннексин 1), большие субъединицы инициирующего трансляцию фактора 3, ДНК, переносятся к поверхности апоптотических клеток и взаимодействуют (прямо или косвенно) с фагоцитами.

Такое изменение расположения макромолекул на поверхности апоптотических клеток является ключевым моментом во взаимодействии с фагоцитами. В процессе апоптоза происходит также потеря ингибиторных молекул (CD31 и CD47) с поверхности клеток (механизм «не ешь меня») с последующим взаимодействием апоптотических клеток с фагоцитами. Ниже схематически представлено большинство молекул, вовлеченных во взаимодействие между фагоцитами и апоптотичес-кими клетками (рис. 6).

Рис. 6. Молекулы, вовлеченные во взаимодействие между фагоцитами и апоптотическими клетками

Примечание: ABCA, АТФ-связывающиий кассетный транспортер A1; ACAMPs, апоптотические клеточно-связанные молекулярные партнеры; ASGP-R, рецептор асиалогликопротеина; 2GPI, 2 гликопротеин1; 2GPI-R, 2GPI-рецептор; интегрины, включая CR3 иCR4 ; BAI1, ангиогенный мозгово-специфический ингибитор; C1q, первый компонент комплемента; CHO, карбогидраты; CRP, С-реактивный белок; CRT, кальретикулин; CH3CR1, рецептор фракталькина; Del-1, эндотелиальный развивающий локус-1; FKN, фракталькин; GA, G-протеин-связанный LPC рецептор; Gas-6, фактор остановки роста-6; iC3b, инактивирующий комплемент фрагмент C3b; ICAM-3 (CD50), молекула-3 внутриклеточной адгезии; Lox-1, рецептор окисленного липопротеина низкой плотности; LPC, лизофосфатидил холин; MER, миелоидная эпителиальная репродуктивная тирозин киназа; MFG-E8, глобулин молочного жира эпидермального ростового фактора-8; Ox-PL, окисленный фосфолипид; P2Y2, G-протеин-связанный ядерный рецептор; PE, фосфатидилэтаноламин; PS, фосфатидилсерин; SAP, сывороточный амилоидный протеин; SHPS-1, гомолог2 доменсодержащего протеина субстрата-1 тирозин киназы; SR-AI, удаляющий рецептор (мусорщик) AI; SR-BI, удаляющий рецептор BI; TIM-1/4, молекулы Т-клеточного иммуноглобулина и муцин-содержащего домена; TSP-1, тромбоспондин-1.

Изменения клеток при апоптозе

Для клетки, подвергшейся апоптозу, характерно следующее.

Сжатие клетки. Клетка уменьшается в размерах, цитоплазма уплотняется; органеллы, которые выглядят нормальными, располагаются более компактно. Предполагается, что нарушение формы и объема клетки происходит в результате активации в апоптотических клетках трансглютаминазы.

Этот фермент вызывает прогрессивное образование перекрестных связей в цитоплазматических белках, что приводит к формированию своеобразной оболочки под клеточной мембраной.

Конденсация хроматина

Это наиболее характерное проявление апоптоза. Хроматин конденсируется по периферии, под мембраной ядра, при этом образуются четко очерченные плотные массы разной формы и размеров.

Ядро может разрываться на несколько фрагментов. Конденсация хроматина обусловлена расщеплением ядерной ДНК в местах, связывающих отдельные нуклеосомы, что приводит к образованию большого количества фрагментов, в которых число пар оснований составляет 180-200.

При электрофорезе фрагменты дают характерную картину лестницы (клеваж ДНК). Фрагментация ДНК в нуклеосомах происходит под действием кальций чувствительной эндонуклеазы.

Эндонуклеаза в некоторых клетках находится постоянно; в тимоцитах она активируется появлением в цитоплазме свободного кальция, а в других клетках синтезируется перед началом апоптоза.

Формирование апоптотических телец

В апоптотической клетке первоначально формируются глубокие впячивания поверхности с образованием полостей, что приводит к фрагментации клетки и формированию окруженных мембраной апоптотических телец, состоящих из цитоплазмы и плотно расположенных органелл с фрагментами ядра или без таковых.

Апоптотические тельца быстро разрушаются в лизосомах макрофагов, а окружающие клетки либо мигрируют, либо делятся, чтобы заполнить освободившееся после гибели клетки пространство. Фагоцитоз апоптотических телец макрофагами или другими клетками активируется рецепторами на данных клетках: они захватывают и поглощают эти тельца.

В табл. 5 приводятся сравнительные данные по морфологическим изменениям при апоптозе и некрозе

Таблица 5. Морфологические изменения при апоптозе и некрозе

Геном человека содержит около 13 каспаз, их количество зависит от генетического полиморфизма. Каспазы присутствуют в цитоплазме в виде проэнзимов и активируются до полностью функциональных протеаз путем расщепления энзима на малую и большую субъединицы и дальнейшего отщепления от их N-концевых доменов.

Затем субъединицы собираются в тетрамер с двумя активными центрами. Расщепление прокаспаз могут осуществлять различные протеазы, в том числе и другие каспазы. По выполняемой каспазами функции их разделяют на две группы: инициаторные каспазы (8, 9 и 10) и эффекторные каспазы (3, 6, и 7). После того, как каспазы из первой группы активируют эффекторные каспазы, процесс апоптоза оказывается необратимым.

Расщепление каспазами ряда ключевых субстратов приводит к фрагментации ДНК и деструкции клетки. Для активации каспаз существует несколько путей, два из которых наиболее изучены и привлекают большое внимание в последнее время. Эти два пути апоптоза обычно обозначаются как внешний и внутренний путь.

Ниже представлено схематическое изображение разных путей апоптоза

Рис. 7. Схемы внешнего и внутреннего путей апоптоза, а также перфорин/гранзимного пути, который действует по каспазонезависимому пути. Результаты всех путей приводят к цитоморфологическим изменениям, включая сморщивание клеток, конденсацию хроматина, образование цитоплазматических и апоптотических телец, что в итоге приводит к фагоцитозу апоптотических телец

Внутренний путь апоптоза (intrisic pathway)

При активации каспаз по внутреннему пути (intrinsic pathway) центром инициации апоптоза являются митохондрии. Стимуляция внутреннего пути продуцирует внутриклеточные сигналы, которые могут действовать как положительно, так и отрицательно.

Негативные сигналы включают отсутствие факторов роста, гормонов и цитокинов, что ведет к нарушениям супрессии программы клеточной смерти, активируя апоптоз. Другие положительные стимулы включают радиацию, токсины, гипоксию, гипертермию, вирусные инфекции и свободные радикалы.

Все эти стимулы вызывают изменения внутренней мембраны митохондрий, результатом чего является открытие пор митохондриальной проницаемости, потеря митохондриального мембранного потенциала и освобождение двух наиболее больших групп проапоптотических протеинов. В митохондрии сходятся многие сигналы, вызывающие повреждение ДНК, нарушения микротрубочек, факторов роста, что вызывает освобождение из этих органелл в цитозол цитохрома с и других апоптогенных белков.

В цитозоле цитохром с связывается с белком, активирующим каспазы, апоптотическим протеазе -активирующим фактором 1 (Apafl). Apafl играет роль арматуры, на которой происходит аутокаталитический процессинг каспазы-9. В результате зависимого от гидролиза аденозинтрифосфата (АТФ) конформационного изменения Apaf1 приобретает способность связывать цитохром с.

Связав цитохром с, Apafl претерпевает дальнейшее конформационное изменение, способствующее его олигомеризации в гептаметрический комплекс и открывающее доступ каспазоизменяющего домена (CARD) Apafl для прокаспазы-9, которая также содержит CARD-домен.

В результате формируется мультипротеиновая структура, известная как «апоптосома». Связь Apafl с прокаспазой-9 обусловлена CARDs посредством гомотипического соединения (CARD-CARD). Активация апоптосомо-ассоциированной протеазы каспазы-9 инициирует протеолитический каскад, который активирует клеваж каспазы-9 и активирует прокаспазу-3.

Другая группа проапоптотических протеинов, апоптоз-индуцирующих факторов (AIF), эндонуклеазы G и CAD (каспазоактивируемая ДНКаза), освобождаются из митохондрий в процессе апоптоза. AIF фрагментирует ДНК и обуславливает конденсацию периферического ядерного хроматина.

Эндонуклеаза G перемещается в ядро, где расщепляет ядерный хроматин, образуя фрагменты олигонуклеосомальной ДНК. AIF и эндонуклеаза G действуют по каспазонезависимому пути. CAD последовательно освобождается из митохондрий и перемещается в ядро, где приводит к фрагментации олигонуклеосомальной ДНК и распространенной конденсации хроматина.

Контроль и регулирование данного митохондриального пути осуществляется белками семейства Bcl-2. Протеин гена-супрессора р53 играет критическую роль в регуляции белков семейства Bcl-2. Семейство белков Bcl-2 контролирует проницаемость митохондриальной мембраны и может действовать проапоптотически или антиапоптотически. Хотя геном человека содержит 25 членов этого семейства, только 6 из них являются антиапоптотическими.

Семейство белков Bcl-2 можно разделить на три основные группы:

1. Антиапоптогенные молекулы, такие как Bcl-2, Bcl-XL, Mcl-1, Bcl-W, Bfl-1, Bcl-B. Все они обладают антиапоптозной активностью, имеют четыре группы гомологичных последовательностей - ВН1, ВН2, ВН3 и ВН4 домены, хотя у некоторых из них домен ВН4 отсутствует. Эти молекулы представляют мембранные белки, находящиеся в митохондрии, эндоплазматическом ретикулуме и в ядерной мембране.
2. Проапоптогенные молекулы Bax, Bad, Bak, Mtd(Bok) и Diva имеют гомологичные последовательности ВН1, ВН2 и ВН3, а ВН4 домен у них отсутствует.
3. Проапоптогенные белки, содержащие только ВН3 домен: Bik, Bid, Bim, Hrk (DR5), Blk, Bnip3, Bnip3L.

Они в основном локализованы в цитозоле или связаны с цитоскелетом.
ВН1 -3 домены играют важную роль в формировании гетеро-и гомодимеров между проапоптогенными и антиапоптогенными членами семейства, и клеточные уровни этих димеров играют определяющую роль в судьбе клетки.

Гетеродимеризация происходит путем взаимодействия ВН3 домена проапоптогенного белка с гидрофобным комплексом, образованным ВН1, ВН2 и ВН3 доменами антиапоптогенных белков.
Домены ВН1, ВН2 и ВН4 необходимы для антиапоптогенной активности белка, в то время как ВН3 домен необходим для протоапоптогенной активности.

Функция белка Bcl-2 может быть дополнена возможностью посттрансляционной модификации с помощью фосфорилирования. Близкий ген, Bcl-x кодирует два белка, различающихся сплайсингом РНК, Bcl-xL и Bcl-xS. Так же как Bcl-2, белок Bcl-xL ингибирует апоптоз, в то время как белок Bcl-xS оказывает негативный эффект на функцию Bcl-2 и Bcl-xL.

Повышенная экспрессия генов этих белков может приводить к устойчивости к большинству вызывающих апоптоз стимулов, так как к этим белкам сходится множество путей апоптоза. Гиперэкспрессия некоторых антиапоптотических протеинов доказана при различных гематологических новообразованиях. Например, повышение уровня белка Bcl-2 в результате t(14; 18), вовлекающей ген BCL2, наблюдается в 80-90% случаев фолликулярной неходжкинской лимфомы.

Рис. 8. Схема апоптоза с участием всех ключевых факторов

Примерно 1/3 пациентов с диффузной В-крупноклеточной лимфомой имеют патологическое повышение уровня Bcl-2 (часто в ассоциации с t(14;18) или амплификацией гена), что коррелирует со снижением продолжительности жизни, несмотря на проведение комбинированной химиотерапии с включением ритуксимаба (анти-CD20 антител).

Большинство пациентов с ХЛЛ содержат повышенный уровень Bcl-2, ассоциированный с гипометилированием гена BCL2. В противоположность генетическим изменениям, активирующим антиапоптотические гены BCL2 и MCL1, при лейкозах и лимфомах с нестабильными микросателлитами часто происходят мутации, инактивирующие проапоптотический ген BAX.

Баланс между проапоптотическими и антиапоптотическими регуляторами апоптоза является основным механизмом, обеспечивая выживаемость длительно живущих клеток и замену ими короткоживущих клеток в различных тканях, включая костный мозг, тимус и периферические лимфоидные ткани. Дисбаланс этих протеинов в конечном итоге приводит к избирательным преимуществам в выживании клеток, что приводит к развитию новообразований.

Номенклатура основных белков внутреннего пути апоптоза приведена в табл. 6.

Таблица 6. Номенклатура основных белков внутреннего пути апоптоза

Внешний путь апоптоза (extrinsic pathway)

При внешнем пути апоптоза вначале происходит трансмембранное освобождение посредством фактора некроза опухоли (ФНО) рецептора смерти. Гибель клеток посредством внешнего пути апоптоза, в частности, химиорезистентных клеток, часто происходит при нарушениях по внутреннему пути, что дает преимущества при воздействии цитостатиков, ионизирующего излучения при выключении апоптоза клеток по митохондриальному пути.

Семейство цитокинов ФНО состоит у человека из 18 членов. Некоторые из рецепторов семейства ФНО передают сигналы преимущественно для выживания клеток путем связывания внутриклеточного опухолевого рецептор-ассоциированного фактора (TRAF), семейства адаптерных белков. Блокирование этих рецепторов представляет новую стратегию в терапии лимфоидных опухолей. Другие члены семейства ФНО напрямую включают апопотоз, в частности, те, которые содержат «домен смерти» в их цитозольной части.

Стратегия для применения вызывающих апоптоз лиганд семейства ФНО включает: рекомбинантные лиганды, экспрессируемые только экстрацеллюлярной частью мембранных протеинов; моноклональные антитела, которые связывают рецепторы и включают апоптоз.

Подгруппа рецепторов семейства ФНО имеет цитоплазматический домен, состоящий из 80 аминокислот, именуемый «домен смерти» (DD), который при внутриклеточном взаимодействии с белками-адаптерами привязывает эти рецепторы к специфическим каспазам. Домен смерти играет основную роль в передаче сигнала смерти с поверхности клетки по внутриклеточному пути.

Связавшись с лигандом, рецепторы семейства ФНО образуют кластеры цитозольного DD на мембране, изменяя каспазосвязанный адаптерный протеин. Образующееся соединение адаптерного Fas-ассоциированного протеина с доменом смерти (FADD) состоит из DD и содержащего эффектор домена смерти (DED). DED в составе FADD связывает DED-содержащие прокаспазы (в частности, каспазы 8 и 10), формируя «смерть-индуцирующий сигнальный комплекс» (DISC), в результате чего происходит активация каспаз.

После активации каспазы-8 включается заключительная фаза апоптоза. Апоптоз, обусловленный рецептором смерти, может ингибироваться протеином c-FLIP (протеин, ингибирующий FLICE), который связывается с FADD и каспазой-8, делая их неэффективными.

Ниже представлена схема пути активации каспаз.

Рис. 9. Пути активации каспаз

Наличие дополнительных путей апоптоза включает:

1) путь апоптоза, индуцированный цитотоксическими лимфоцитами (CTL) и натуральными киллерами (NK), при котором сериновая протеаза гранзим В проникает внутрь клетки;
2) путь стресса эндоплазматического ретикулума (ER) с вовлечением каспазы-12;
3) р53-индуцированный путь, опосредoванный р53-индуцированным доменом смерти (PIDD), который связывает адапторный протеин ICH-1/протеин-3 (CED-3) домена смерти с доменом смерти, как активатором каспазы-2.

Номенклатура основных белков внешнего пути апоптоза приведена в табл. 7.

Таблица 7. Номенклатура основных белков внешнего пути апоптоза

Перфорин-гранзимный путь апоптоза (perforin-granzime pathway)

Цитотоксические Т-лимфоциты способны уничтожать клетки-мишени посредством внутреннего пути и FasL/FasR взаимодействия, что является основным способом апоптоза, вызываемого цитотоксическими лимфоцитами. Но они способны также осуществлять свой цитотоксический эффект в отношении опухолевых или инфицированных вирусом клеток посредством нового пути. Он осуществляется посредством секреции молекул перфорина.

Полимеризуясь, перфорин образует в цитоплазматической мембране клетки-мишени трансмембранные каналы с последующим проникновением в клетки ФНО-в и гранзимов А и В - смеси сериновых протеаз. Гранзим В активирует прокаспазу-10 и может расщеплять ингибитор каспазактивируемой ДНКазы, а также использовать митохондриальный путь для амплификации сигнала смерти и вызывать освобождение цитохрома с.

Кроме того, гранзим В может напрямую активизировать каспазу-3, что может индуцировать заключительную фазу апоптоза. Таким образом, митохондриаль-ный путь и прямая активация каспазы-3 являются основными путями индуцированного гранзимом В уничтожения клеток.

Гранзим А также вызывает апоптоз, активируя каспазонезависимый путь апоптоза. Он расщепляет посредством активации ДНКазы продукт гена тумор-супрессора, вызывая апоптоз опухолевых клеток. Инактивация этого белка ведет к апоптозу вследствие блокирования восстановления ДНК и структуры хроматина.

Внешний и внутренний пути апоптоза заканчиваются в экзекутивной (исполнительной) фазе. Эта фаза начинается с активации экзекутивных («казнящих») каспаз, которые активируют цитоплазматические эндонуклеазы с деградацией ядерного материала, и активируют протеазы с последующей деградацией ядерных протеинов и протеинов цитоскелета. Каспаза-3 является наиболее важной экзекутивной каспазой и может активироваться любой каспазой (каспаза-8, каспаза-9 или каспаза-10).

Номенклатура основных белков экзекутивного пути апоптоза представлена в табл. 8.

Таблица 8. Номенклатура основных белков экзекутивного пути апоптоза

Е.В. Зуховицкая, А.Т. Фиясь

У большинства клеток млекопитающих при апоптозе происходит разрыв наружной мембраны митохондрий и выход в цитозоль содержимого их межмембранного пространства

Ключевым событием при этом является повышение проницаемости наружной мембраны митохондрий (МОМР)

Большинство форм у позвоночных реализуется не через рецепторы клеточной гибели, а по митохондриальному пути. При этом происходит разрыв наружной мембраны митохондрий, и растворимые белки межмембранного пространства (расположенного между наружной и внутренней мембраной) выходят в цитозоль.

Проницаемость наружной мембраны митохондрий (MOMP) представляет собой тонко регулируемый процесс, и ее повышение является ключевым событием в запуске апоптоза.

На рисунке ниже представлены этапы митохондриального пути запуска апоптоза, которые мы детально обсудим в последующих статьях на сайте (рекомендуем пользоваться формой поиска выше).

К числу белков, высвобождающихся при повышении MOMP , относится холоцитохром с, который, контактируя с белками цитозоля, играет основную роль в активации каспаз. Эта его роль полностью отлична от той, которую он играет в митохондриях, осуществляя перенос электронов в транспортной цепи от комплекса III к комплексу IV.

В активации каспаз при митохондриальном пути запуска апоптоза также участвуют другие белки, выходящие в цитоплазму при повышении МОМР.

Когда при апоптозе повышается проницаемость митохондрий, это происходит внезапно, и через короткое время из всех митохондрий в клетке выходят белки. При апоптозе в клеточной популяции невозможно предугадать, когда произойдет повышение МОМР в отдельной клетке, но если оно наступило, то через несколько минут завершается. Поэтому нецелесообразно исследовать повышение МОМР на клеточной популяции, и большая часть современных сведений об этом процессе получена на иозированных митохондриях или на одиночных клетках.
Рисунок ниже иллюстрирует выход цитохрома с (область, флуоресцирующая зеленым цветом) из митохондрий (флуоресцируют красным).

Сигнал индукции апоптоза запускает серию процессов с участием семейства белков Bcl-2, которые функционируют как ингибиторы (антиапоптотические белки) или промоторы апоптоза (проапоптотические белки).
В результате, происходит активация проапоптотических мультидоменных белков семейства BcL-2, и во всех митохондриях клетки увеличивается проницаемость наружных мембран.
При нарушении проницаемости наружной мембраны митохондрий (МОМР) белки, содержащиеся в межмембранном пространстве, включая цитохром с, диффундируют в цитозоль.
Цитохром активирует APAF-1. При этом активируется инициаторная каспаза-9, которая расщепляет и активирует эффекторные каспазы, вызывая апоптоз. Для идентификации митохондрий клетки, экспрессирующие цитохром с в комплексе с зеленым флуоресцирующим белком (цитохром c-GFP),
были прокрашены тетраметилродаминэтиловым эфиром (красная флуоресценция) (фотография слева).
После индукции апоптоза из митохондрий в цитозоль внезапно начал выходить цитохром c-GFP (фотография справа сделана через несколько часов после индукции).
Подтверждение активации каспаз было получено через несколько минут.

- Вернуться в содержание раздела " " на нашем сайте