Пути программируемой клеточной гибели

ПУТИ ПРОГРАММИРУЕМОЙ КЛЕТОЧНОЙ ГИБЕЛИ

Программируемая клеточная гибель (ПКГ) — механизм, широко распространенный в различных царствах живого, включая прокариот, который обеспечивает контроль за клеточной популяцией в многоклеточном организме — уравновешивание эффекта пролиферации и элиминации клеток. В 1966 г. в журнале «Science» появилась статья Р.Сандерса, в которой автор высказал предположение, что старение и гибель клеток в эмбрио- и морфогенезе — результат активации особой генетической программы, запускаемой специфическими внутриклеточными и внешними сигналами. В последние годы выделяют несколько типов ПКГ: апоптоз, аутофагическую гибель и программированный некроз (D.Ogier, 2003). В свою очередь, апоптоз может быть подразделен на апоптоз одноядерных клеток и митотическую катастрофу. Описано не менее 5 форм апоптоза как континиума с программируемым некрозом (concomitantly с apoptosis — aponecrotic): апоптоз, автохизис, анойкис, параптоз, митапаптоз (LFormigli, 2004). Относительно терминологии. Комитет по спецификации клеточной гибели рекомендует считать некрозом погибшую клетку, независимо от пути развития гибели (S.Levin, 1999).

 

Ключевые слова:

программируемая

клеточная гибель;

митотическая

катастрофа;

программированный

некроз; перекисное

окисление липидов;

апоптоз

Е.И. Антонова,

доктор  биологических наук, профессор,

О.З. Мкртчан,

доктор биологических

наук, профессор

ГОУВПО  «Омский

государственный

педагогический

университет»

e-mail:

antonovaeil @yandex.ru 

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА И ЗНАЧЕНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ПУТЕЙ ПКГ

1. Эволюционно апоптоз возник у прокариот как механизм противовирусной защиты (N.Charles, 2005) и был закреплен у одноклеточных эукариот. Развитие апоптоза шло параллельно с развитием эукариотических клеток. Механизм современного апоптоза в многоклеточном организме является видоизмененной в эволюции реакции предшественников митохондрий на воздействие факторов, способных вызывать повреждения клетки-хозяина и стремление эндо-симбионта выйти из симбиотических отношений. Считается, что Вс12-р53-зависимый механизм апоптоза изначально кодировался митохондриальным геномом. Принципиальным отличием апоптоза является то, что в процессе гибели плазматическая мембрана клетки сохраняет свою целостность. Завершается апоптоз образованием апоптотических телец и их фагоцитозом органоспецифичными макрофагами или соседними клетками. Следовательно, не проявляется генерализованный ответ организма в виде воспалительной реакции. Этот процесс впервые описан в 1972 г. Kerr под названием «программированная клеточная гибель». Происхождение самого термина относится к 1993 г.,

 

когда Greek предложил его в соответствии со смысловой ассоциацией со словом «листопад».

Апоптоз появляется в  течение эмбрионального развития, особенно в комплексе органов, где субпопуляция клеток избирательно уничтожается. Очень демонстративны в этом отношении организмы, жизненный цикл которых происходит с метаморфозом. У бабочки на стадии куколки происходит апоптоз практически 90% клеток гусеницы, и возникают новые ткани и органы. Нарушение апоптоза в эмбриогенезе может приводить к внутриутробной гибели плода, врожденным уродствам или различным заболеваниям, в том числе злокачественным. При повышении клеточной выживаемости, т.е. ин-гибировании процессов апоптоза, развиваются рак, аутоиммунные заболевания, нейропроли-феративные заболевания (шизофрения и аутизм и др.). В свою очередь, понижение клеточной выживаемости, следовательно, активация апоптоза, играет роль в патогенезе СПИДа, нейроде-генеративных заболеваний (болезни Альцгей-мера и Паркинсона), ишемических состояний (инсульт и инфаркт), диабета.

Апоптоз обеспечивает гормон-зависимую  инволюцию органов у взрослых организмов. Проблема гормональной регуляции  апоптоза особенно хорошо изложена в  отношении юве-нильного гормона  насекомых, гормоне щитовидной железы — тироксине. Во взрослом организме биологическая роль апоптоза сводится к регулированию численности популяции и к элиминации клеток, вредных для организма — мутантных или пораженных вирусом. Другая важная функция апоптоза — удаление клеток-инвалидов и клеток-диссидентов с серьезными нарушениями структуры или функции генетического аппарата, гибели отдельных клеток в опухолях. Существование программы клеточной гибели может быть эффективно использовано в медицине. В частности, стимуляция апоптозной системы — одно из направлений противораковой терапии. С другой стороны, избыточный апоптоз может сам по себе быть причиной гибели клеток иммунной системы, вызванных действием цитотоксических Т-клеток, например при отторжении трансплантата. 

2. В качестве второго типа ПКГ выделяют 
запуск программы аутофагии (D.Ogier, 2003; 
B.Levine, 2004; P. Codogno, 2005). Последние 
исследования значительно расширили пред 
ставления о «lysosomal autophagic» как о пути 
ПКГ, регулирующем рост, гомеостаз, развитие 
организма в норме и в патологических процес 
сах, молекулярные механизмы которой являют 
ся эволюционно консервативными (A.Kelekar, 
2006). Аутофагия — это процесс деградации ор- 
ганелл и цитоплазматического материала, кото 
рый происходит при участии внутриклеточных 
специализированных мембранных структур — 
аутофагосом (J.Oliver, 2006). Аутофагосомы — 
двухмембранные образования, внутри которых 
помещается клеточный материал (органелла 
или часть цитозоля), подлежащий разрушению. 
При нехватке питательных соединений в про 
цессе аутофагии начинается утилизация части 
своих цитозольных белков и органелл как аль 
тернативный источник питания. Нарушения 
процессов аутофагии вызывают некоторые он 
кологические, нейродегенеративные заболева- 
ния, болезни печени. В условиях физиологичес 
кой нормы самый высокий уровень аутофагии 
выявлен в клетках Лейдига яичек крысы.

В отличие от апоптоза, который может запускаться в разных фазах клеточного цикла, в том числе и собственно в митозе в форме ми-тотической катастрофы, аутофагическая гибель развивается преимущественно в непролифери-рующих клетках (С₀-фаза и терминальная диф-ференцировка).

Аутофагия является альтернативным путем ПКГ в случае, если программа  апоптоза не способна реализоваться, но при этом программа аутофагии реализуется через механизм апоптоза. В свою очередь, ингибирование аутофагии вызывает апоптоз (N. Kourtis, 2008).

3. Понятие «митотическая катастрофа» 
(MCD) было введено для обозначения гибели 
клеток, в которых проявлялись признаки пато 
логии митоза. Согласно одним представлени 
ям, митотическая катастрофа — это реализация 
апоптотической программы в процессе митоза 
(M.Castedo et al., 2004). При этом сегрегация 
хромосом отсутствует и клетка блокируется в

 

одной из фаз митоза. Как  правило, блок происходит в так называемом К-митозе (колхицино-подобном митозе). Далее происходят активация каспаз и последующие деструктивные события по типу апоптотических. Митохондриальный путь активации программы апоптоза считают преобладающим при гибели клеток собственно в митозе. Второй подтип MCD — гибель клеток, перешедших после аномального митоза в следующую Gj-фазу без нормальной сегрегации хромосом и образования дочерних клеток — постмитотическая гибель полиплоидных клеток (М. Blank, 2006).

Митотическая катастрофа принципиально отличается от апоптоза одноядерных клеток и аутофагической гибели тем, что нарушение ее программы может существенно повлиять на хромосомный состав клеток. Если в тетрапло-идной клетке, возникшей в результате нарушения сегрегации хромосом, механизмы, ведущие к апоптозу или действующие в пункте проверки Gj-фазы, неактивны, то такая клетка может пройти очередной клеточный цикл и митоз. Как известно, деление полиплоидных клеток часто сопровождается многополюсностью веретена, в результате чего после сегрегации хромосом могут возникать анеуплоидные клетки. Анеуплои-дия может вести, в свою очередь, к отсутствию пунктов контроля пролиферации и нарушению механизмов гибели клеток. Клоны потомков таких клеток могут служить основой для трансформации клеток и роста опухолей (M.Castedo et al., 2004). Обнаружено, что если сестринские клетки, образовавшиеся в результате многополюсного митоза и являющиеся анеуплоидными, подвергнуть апоптотическому воздействию, то погибает лишь часть таких клеток. Другие сестринские клетки остаются жизнеспособными, правда, неясно, как долго эти клетки продолжают жить.

4. Понятие «программированный некроз» (ПН) сформировалось на основании данных о существовании сигнального пути инициации некроза в ответ на связывание рецепторов с молекулами TNF, на фоне подавления апоптоза. «Выбор» пути гибели клетки в этом случае определяется на уровне чекпойнт систем (checpiont) 

клеточного цикла клетки. И если у клеток с поврежденной ДНК нарушены механизмы апоптоза, они погибают путем ПН. Это приводит к массивному выбросу индукторов воспаления и к миграции иммунных клеток к очагу поражения. В таких условиях клетки проявляют «некротический» фенотип с признаками частичного хро-матолизиса (P.Storz, 2005).

ПН представляет собой  нормальные физиологические процессы, которые становятся деструктивными при неблагоприятных условиях (М. Artal-Sanz, 2005). ПКГ путем ПН снижает риск передачи дочерним клеткам мутаций и способствует активации иммунного ответа ПН, который может запускаться в разных фазах клеточного цикла, в том числе и собственно в митозе в форме митотической катастрофы.

В эмбриональный  период вольфовы протоки в процессе развития особей женского пола и мюл-леровы каналы у особей мужского пола вначале развиваются, а затем подвергаются ПН. Эти процессы, подобно всем другим онтогенетическим событиям, находятся под контролем генов. Также специфическим примером реализации программы ПН в ходе нормального развития организма служит развитие конечностей у птиц (отделение большой берцовой кости от малой и лучевой от локтевой, некроз межпальцевых участков). Для клеток, инфицированных вирусом vaccinia virus, ПН может быть не только вариантом гибели в условиях подавления апоптоза, но и выполнять функцию усиления иммунных реакций в ответ на инфицирование микроорганизмами.

Недавние исследования молекулярного механизма ПН доказали, что механизм некротической клеточной гибели эволюционно высококонсервативен и почти одинаков от нематоды до человека. Однако в отличие от механизмов апоптоза механизмы ПН не эволюционировали специфическим образом.

ИНДУКТОРЫ И ИНГИБИТОРЫ ПУТЕЙ ПКГ

Запуск ПКГ может  осуществляться как специфическими танатогенными сигналами (цито-кинами, гормонами), так и неспецифическими

 

(радиация, гипертермия,  гипотермия, токсические агенты, оксиданты, АФК, g- и УФ-излучение, повреждение мембран, потеря контакта с внеклеточным матриксом, бактериальные токсины и др.). Их влияние на клетки неоднозначно и тканеспецифично: для одних клеток они выступают в роли индуктора, для других — ингибитора. Это зависит от типа клетки, стадии ее диффе-ренцировки и функционального состояния. Так, в частности, индукторами апоптоза считаются гены — bcl-2 онкоген, белок Ьах, ген р53. Ингибиторами являются факторы роста, клеточный матрикс, половые стероиды, некоторые вирусные белки, гены Вах, bcl-xL. Наиболее часто внешняя активация апоптоза осуществляется в результате развития эксайтотоксичности (англ. excite — возбуждать). Основа этого феномена — нарушение проницаемости ионотрофных рецепторов, регулирующих содержание К⁺, Na⁺, C1", Са²⁺ во вне- и внутриклеточном пространстве в результате воздействия возбуждающих ней-ротрансмиттеров (аспартата и глутамата). Результат активации ионотрофных рецепторов — повышенный вход Са²⁺ в клетку с последующей стимуляцией протеаз и разрушением клеточных структур. Этот процесс сопровождается также возрастанием ПОЛ и последующим развитием окислительного стресса. Перекись водорода, которая генерируется апоптическимим клетками и диффундирует в окружающую среду, инициирует апоптоз в соседних.

Классические причины, приводящие к ПН — гипертермия, ингибирование  окислительного фосфорилирования, гликолиза  или цикла Креб-са, истощение НАД⁺, АТФ, гипоксия, физические повреждения. Ингибиторы ПН, как, в прочем, и апоптоза, — антиоксиданты (N.Holler et al., 2000). Определяющими детерминантами ПН являются механизмы ионного гомеостаза, выходящие за пределы критического уровня. Нарушения ионного гомеостаза, не достигающие критического уровня, вызывают апоптоз.

Стимулами к запуску  аутофагии являются: отсутствие факторов роста, питательных веществ, наличие поврежденных органелл, гипоксия, бактериальное заражение (N.Mizushima, 2004; B.Levine, 2004; T.Yorimitsu, 2006). 

Причиной MCD считают нарушение процессов контроля в клетках, повреждения ДНК, нарушения сборки веретена (М. Castedo, et al., 2004). Ключевым моментом в блокировании клеточного цикла и в индукции в этих клетках апоптоза является экспрессия р53. Включение программы MCD может вести не только к гибели делящихся клеток, но и к такому явлению, как цитогенети-ческая катастрофа.

Выделяют  несколько путей запуска программ ПКГ. Это могут быть как внутриклеточные сигналы (митохондрии, ЭПР, аппарат Гольджи, повреждения ДНК, лизосомы), так и внешние, опосредующие свое действие через рецепторные системы плазматических мембран клетки, сами по себе не являющиеся токсическими или деструктивными. Например, нарушение структуры ДНК (так называемая генотоксичностъ) определяет активацию и запуск чекпоинт системы и ее основного регулятора р53 (Е.М.Константинов, 2003) с последующей репарацией ДНК. Если же процессы репарации не реализуются, то в клетках запускается программа апоптоза.

МОРФОЛОГИЧЕСКИЕ

ПРИЗНАКИ РАЗЛИЧНЫХ ПУТЕЙ ПКГ

При аутофагической гибели деятельность аутофагосом и лизосом ведет к тому, что в клетке перевариваются практически все мембранные органеллы. Активированные нуклеазы фрагмен-тируют ДНК ядра, но не на олигонуклеосомные фрагменты, как это происходит при апоптозе. Морфологическими проявлениями аутофагии являются частичная конденсация хроматина, пикноз ядра, гипертрофия цистерн ЭПР, аппарата Гольджи и лизосом, длительная сохранность микротрубочек и промежуточных филаментов, увеличивается проницаемость мембран митохондрий. В итоге остается клеточный дебрис клетки, окруженный плазматической мембраной, который фагоцитируется органо- или тка-неспецифическими макрофагами.

Апоптоз определяется в  единичных клетках или группах  клеток, не сопровождается воспалительной реакцией и протекает в несколько этапов — сигналинг, трансляция сигнала, эф-