Апоптоз.

Апоптоз – це програмована клітинна смерть (инициирующаяся під дією поза – або внутрішньоклітинних факторів) в розвитку якої активну роль приймають спеціальні та генетично запрограмовані внутрішньоклітинні механізми. Він, на відміну від некрозу активний процес, що вимагає певних енерговитрат. Спочатку намагалися розмежувати поняття «програмована клітинна загибель» і «апоптоз»: до першого терміну відносили усунення клітин в ембріогенезі, а до другого – програмовану смерть тільки зрілих диференційованих клітин. В даний час з’ясувалося, що ніякої доцільності в цьому немає (механізми розвитку клітинної загибелі однакові) і два поняття перетворилися на синоніми, хоча це об’єднання і не безперечно.

Перш ніж приступити до викладу матеріалу про роль апоптозу для життєдіяльності клітини (і організму) в нормі та патології, ми розглянемо механізм апоптозу. Їх реалізацію можна представити у вигляді поетапного розвитку наступних стадій:

1 стадіястадія ініціації (індукції).

Залежно від походження сигналу, що стимулює апоптоз, розрізняють:

  • внутрішньоклітинні стимули апоптозу. Серед них найбільш відомим відносять різні види опромінення, надлишок Н+, оксид азоту, вільні радикали кисню і ліпідів, гіпертермія та ін Всі вони можуть викликати різні пошкодження хромосом (розриви ДНК, порушення її конформації ін) і внутрішньоклітинних мембран (особливо мітохондрій). Тобто в даному випадку підставою для апоптозу служить «незадовільний стан самої клітини» (Мушкамбиров Н.П., Кузнєцов С. Л., 2003). Причому, пошкодження структур клітин має бути досить сильним, але не руйнівною. У клітини повинні зберегтися енергетичні та матеріальні ресурси для активації генів апоптозу і його ефекторних механізмів. Внутрішньоклітинний шлях стимуляції програмованої смерті клітини можна позначити як «апоптоз зсередини»;

  • трансмембранні стимули апоптозу, тобто, в цьому випадку він активується зовнішньої «сигналізацією», яка передається через мембранні або (рідше) внутрішньоклітинні рецептори. Клітина може бути цілком життєздатною, але, з позиції цілісного організму або «помилковою» стимуляції апоптозу, вона повинна загинути. Цей варіант апоптозу отримав назву «апоптоз по команді».

Трансмембранні стимули поділяються на:

  • «негативні» сигнали. Для нормальної життєдіяльності клітини, регуляції її поділу і розмноження необхідно вплив на неї через рецептори різних БАВ: факторів росту, цитокінів, гормонів. Серед інших ефектів, вони пригнічують механізми клітинної загибелі. І природно, дефіцит або відсутність даних БАВ активує механізми програмованої смерті клітини;

  • «позитивні» сигнали. Сигнальні молекули, такі як ФНОа, глюкокортикоїди, деякі антигени, адгезивні білки та ін., після взаємодії з клітинними рецепторами можуть запускати програму апоптозу.

На клітинних мембранах знаходиться група рецепторів, в завдання яких передача сигналу до розвитку апоптозу є основною, навіть єдиною функцією. Це, наприклад, білки групи DR (death receptos – рецептори смерті»): DR3, DR4, DR5. Найбільш добре вивчений Fas-рецептор, що з’являється на поверхні клітин (гепатоцитах) спонтанно або під впливом активації (зрілі лімфоцити). Fas-рецептор при взаємодії з Fas-рецептором (лігандом) Т-кілера запускає програму смерті клітини мішені. Однак, взаємодія Fas-рецептора з Fas-лігандом в областях, ізольованих від імунної системи, закінчується загибеллю самого Т-кілера (див. нижеигандом в областях, ізольованих від імунної системи, закінчується загибеллю самого Т-кілера ()ожно000000000000000000000000000).

Слід пам’ятати, що деякі сигнальні молекули апоптозу, в залежності від ситуації можуть навпаки, блокувати розвиток програмованої смерті клітин. Амбівалентність (подвійність прояв протилежних якостей) характерна для ФНП, ІЛ-2, інтерферону-γ та ін.

На мембранах еритроцитів, тромбоцитів, лейкоцитів, а так само клітин легенів і шкіри виявлені особливі антигени-маркери. На них синтезуються фізіологічні аутоантитіла, і вони, виконуючи роль опсонінов, сприяють фагоцитозу цих клітин, тобто загибель клітин відбувається путемаутофагоцитоза. З’ясувалося, що антигени-маркери з’являються на поверхні «старих» (пройшли свій шлях онтогенетичного розвитку) і пошкоджених клітинах, молоді та неушкоджені клітини їх не мають. Дані антигени отримали назву «антигени-маркери застарілих і пошкоджених клітин» або «білок третьої смуги». Поява білка третьої смуги контролюється геномом клітини. Отже, аутофагоцитоз можна розглядати, як варіант запрограмованої загибелі клітин.

  • Змішані сигнали. Це поєднане вплив сигналів першої і другої групи. Наприклад, апоптоз відбувається з лімфоцитами, активованих митогоном (позитивний сигнал), але не вступили в контакт з АГ (негативний сигнал).

2 стадіястадія програмування (контролю й інтеграції механізмів апоптозу).

Для цієї стадії характерно два діаметрально протилежних процесу, що спостерігаються після ініціації. Відбувається або:

  • реалізація пускового сигналу до апоптозу через активацію його програми (ефекторами є каспази і ендонуклеази);

  • блокується ефект пускового сигналу апоптозу.

Розрізняють два основних, але не виключають один одного, варіанти виконання стадії програмування (рис. 14):

Рис. 14. Каспазный каскад і його мішені

R– мембранний рецептор; К – каспази;AIF– мітохондріальна протеаза; Цит. З – цитохром с;Apaf-1 – цитоплазматичний білок;IAPs– інгібітори каспаз

1. Пряма передача сигналу (прямий шлях активації ефекторних механізмів апоптозу минаючи геном клітини) реалізується через:

  • адапторные білки. Наприклад, так здійснюється запуск апоптозу Т-кілером. Він активує каспазу-8 (адапторный білок). Аналогічно може діяти і ФНП;

  • цитохром С і протеазу ΑIF (мітохондріальна протеаза). Вони виходять з пошкодженої мітохондрії і активують каспазу-9;

  • гранзимы. Т-кілери синтезують білок перфорин, який утворює канали в плазмолемме клітини-мішені. Через ці канали в клітку проникають протеолітичні ферменти гранзимы, що виділяються все тим же Т-кілером і вони запускають каскад каспазной мережі.

2. Опосередкована передача сигналу. Вона реалізується за допомогою геному клітини шляхом:

  • репресії генів, що контролюють синтез білків-інгібіторів апоптозу (генів Bcl-2, Bcl-XL та ін). Білки Bcl-2 у нормальних клітинах входять до складу мембрани мітохондрій і закривають канали по яким з цих органоїдів виходять цитохром С і протеаза AIF;

  • експресії, активації генів, що контролюють синтез білків-активаторів апоптозу (гени Bax, Bad, Bak, Rb, P53 та ін). Вони, в свою чергу активують каспази (к-8, к-9).

На рис. 14 представлена орієнтовна схема каспазного принципу активації каспаз. Видно, що звідки б не запускався каскад, його вузловим моментом є каспаза 3. Вона активується і каспазой 8 і 9. Всього в сімействі каспаз – більше 10 ферментів. Локалізуються у цитоплазмі клітини в неактивному стані (прокаспазы). Положення всіх каспаз в цьому каскаді до кінця не з’ясовано, тому на схемі ряд з них відсутній. Як тільки активуються каспази 3,7,6 (можливо і їх інші типи) настає 3 стадія апоптозу.

3 стадіястадія реалізація програми (виконавча, эффекторная).

Безпосередніми виконавцями («катами» клітини) є вище зазначені каспази і ендонуклеази. Місцем прикладання їх дії (протеолізу) служать (рис. 14):

  • цитоплазматичні білки – білки цитоскелета (фодрин і актин). Гідролізом фодрина пояснюють зміну поверхні клітини – «гофрування» плазмолеми (поява на ній впячиваний і виступів);

  • білки деяких цитоплазматичних регуляторних ферментів: фосфоліпази А2, протеїнкінази С та ін;

  • ядерні білки. Протеоліз ядерних білків займає основне місце в розвитку апоптозу. Руйнуються структурні білки, білки ферментів реплікації і репарації (ДНК-протеїнкінази та ін), регуляторні білки (рRb та ін), білки-інгібіторів эндонуклеаз.

Иннактивация останньої групи – білків інгібіторів эндонуклеаз призводить до активації эндонуклеаз, другого «знаряддя» апоптозу. В даний час ендонуклеази і зокрема, Са2+, Мд2+ -залежна ендонуклеаза, розглядається як центральний фермент програмованої смерті клітини. Вона розщеплює ДНК не у випадкових місцях, а тільки в линкерных ділянках (з’єднувальні ділянки між нуклеосомами). Тому хроматин не лизируется, а тільки фрагментується, що визначає виключну, структурну межу апоптозу.

Внаслідок руйнування білка і хроматину в клітині формуються від неї відбрунькувуються різні фрагменти – апоптозні тільця. В них знаходяться залишки цитоплазми, органел, хроматину та ін.

4 стадіястадія видалення апоптотичних тілець (фрагментів клітини).

На поверхні апоптотичних тілець експресуються ліганди, вони розпізнаються рецепторами фагоцитів. Процес виявлення, поглинання і метаболизирования фрагментів загиблої клітини відбувається порівняно швидко. Це сприяє уникнути попадання змісту загиблої клітини в навколишнє середовище і тим самим, як зазначено вище, запальний процес не розвивається. Клітина йде з життя «спокійно», не турбуючи «сусідів» («тихий суїцид»).

Програмована клітинна загибель має важливе значення для багатьох фізіологічних процесів. З апоптозом пов’язані:

  • підтримання нормальних процесів морфогенезу – запрограмована смерть клітин у процесі ембріогенезу (імплантації, органогенезу) та метаморфоза;

  • підтримання клітинного гомеостазу (в тому числі ліквідація клітин з генетичними порушеннями та інфікованих вірусами). Апоптозом пояснюється фізіологічна інволюція і урівноваження мітозів у зрілих тканинах і органах. Наприклад, загибель клітин в активно проліферуючих і самообновляющихся популяціях – епітеліоцитів кишечнику, зрілих лейкоцитів, еритроцитів. Гормонально залежна інволюція – загибель ендометрію в кінці менструального циклу;

  • селекція різновидів клітин всередині популяції. Наприклад, формування антигенспецифічну складової імунної системи та управління її реалізацією ефекторних механізмів. З допомогою апоптозу відбувається вибракування непотрібних і небезпечних для організму клонів лімфоцитів (аутоагрессивных). Порівняно недавно (Griffith T. S., 1997) показали значення програмованої загибелі клітин в захисті «імунологічно привілейованих» зон (внутрішні середовища ока і насінників). При проходженні гісто-гематических бар’єрів даних зон (що трапляється рідко), ефекторні Т-лімфоцити гинуть (див. вище). Включення механізмів їх смерті забезпечується при взаємодії Fas-ліганда бар’єрних клітин з Fas-рецепторами Т-лімфоцита, тим самим запобігається розвиток аутоагресії.

Роль апоптозу в патології та види різних захворювань, пов’язаних з порушенням апоптозу представлені у вигляді схеми (рис. 15) і таблиці 1.

Звичайно, значення апоптозу в патології менше ніж некрозу (можливо, це пов’язано з недостатністю таких знань). Однак, проблема його в патології і має дещо інший характер: вона оцінюється за ступенем вираженості апоптозу — посилення або ослаблення при тих чи інших хворобах.