Современные достижения в исследовании апоптоза

Апоптоз - активная форма реакции ИКК не только на неблагоприятные, но и на физиологические, и на активирующие (антигены, митогены) воздействия. Апоптоз ИКК обусловлен взаимодействием рецептора Fas (CD 95/Apo 1) и его лиганда Fas-L, которые экспрессируются на них. Экспрессия Fas увеличивается под влиянием интерферона-г и ИЛ-2. Индукция Fas-L наступает при антигенной стимуляции (Moulian N. et al., 1998). Установлено, что более 95% тимоцитов, поступающих в вилочковую железу (тимус), удаляются путем апоптоза в ходе их селекции и облучения (Wylle A.H., 1980). Апоптоз в тимусе совершается без системы Fas/Fas-L. Апоптоз Т-клеток внутри тимуса обусловлен действием агентов, среди которых глюкокортикоиды или продукты со сходным действием, а также комплексы рецепторовTCR-CD3 с антигенами.

Большинство незрелых Т-лимфоцитов погибает на ранних этапах своего развития из-за неправильного направления Т-рецептора, или аутореактивности. На периферии зрелые Т-клетки распознают собственные антигены и гибнут при периферической клональной делеции с участием Fas-рецепторов в силу активации их аутоантигенами. Имеются и мембранные молекулы, способные модифицировать активационный сигнал (CD4 и CD8), их перекрестное сшивание активирует апоптоз через TCR-CD3. Защищают клетки от активационного апоптоза мембранные молекулы: для В-лимфоцитов - CD40, для Т-лимфоцитов - CD28.

Апоптомз (греч. брьрфщуйт - опадание листьев) - явление программируемой клеточной смерти, сопровождаемой набором характерных цитологических признаков (маркеров апоптоза) и молекулярных процессов, имеющих различия у одноклеточных и многоклеточных организмов.

Апоптоз - форма гибели клетки, проявляющаяся в уменьшении её размера, конденсации и фрагментации хроматина, уплотнении наружной и цитоплазматической мембран без выхода содержимого клетки в окружающую среду. Несмотря на то, что обычно более принципиальным является аспект программированности и активный характер гибели, чем сопутствующие ей морфологические изменения, чаще используется термин «апоптоз», вероятно, из-за его краткости. Содержание

История

Термин введён в 1972 году Керром с соавторами для обозначения формы гибели клеток, прототипом которой является гибель тимоцитов под действием глюкокортикоидов. Эта форма клеточной смерти была отождествлена с ранее описанной программированной гибелью клеток: разница в обозначениях отражает способы идентификации гибели - морфологический в первом и биохимический во втором случае. Несмотря на критику, это отождествление, допускающее использование двух терминов как равнозначных, сохраняется до настоящего времени.

Было предложено различать два типа клеточной смерти: апоптоз и некроз. Принципиальное различие: тогда как некроз является результатом незапланированного события и происходит спонтанно, апоптоз является чётко регулируемым процессом элиминации клетки. Некроз развивается при воздействии внешних по отношению к клетке повреждающих агентов и неадекватных условий среды (гипоосмия, крайние значения рН, гипертермия, механические воздействия, действие агентов, повреждающих мембрану, формирование пор в мембране с участием факторов комплемента).

Различие апоптоза и некроза

Программированная гибель является результатом реализации генетической программы или ответом на внешние силы и требует затрат энергии и синтеза макромолекул de novo. Главное отличие некроза от апоптоза, в том, что некроз - это смерть клетки вследствие её повреждения (химического, термического, рентгеновского излучения и т.д.). Апоптоз - это запрограммированная клеточная гибель, которая происходит вследствие работы многих ферментов, как самой клетки, так, возможно, и других клеток-соседей.

Во время некроза клетка вакуолизируется (изменяется строение наружной плазматической мембраны, по градиенту концентрации вода поступает внутрь клетки, все органеллы начинают набухать), лизосомы переваривают все содержимое клетки, клетка лопается. Её содержимое выбрасывается во внеклеточное пространство, что, следовательно, вызывает воспаление, и в дальнейшем поглощается фагоцитами.

Характерными признаками апоптоза, позволяющими отличить его от некроза, являются: переход фосфатидилсерина из внутреннего монослоя цитоплазматической мембраны в наружный монослой, выход цитохрома С из межмембранного пространства митохондрий в цитоплазму, активация цистеиновых протеиназ (каспаз), образование активных форм кислорода, сморщивание (blebbing) цитоплазматической мембраны, уменьшение объёма клетки, разрывы нитей ядерной ДНК в межнуклеосомальных участках, конденсация хроматина по периферии ядра, последующий распад ядра на части, фрагментация клеток на везикулы с внутриклеточным содержимым - апоптотические тельца. Апоптотические тела захватываются соседними клетками, могут и фагоцитами, как в случае некроза. Выброса клеточного содержимого не происходит, воспаления не возникает. Некроз характерен для группы клеток, апоптоз для одной.

Как сейчас известно, кроме апоптоза, есть и другие виды программируемой клеточной смерти. Они характеризуются другими наборами признаков, но все они являются тщательно регулируемыми процессами. Апоптоз является полезным и необходимым для жизнедеятельности существа процессом.

Апоптоз универсально распространен в мире многоклеточных организмов: аналогичные ему проявления описаны у дрожжей, трипаносом и некоторых других одноклеточных. Ему подвержены все виды тканей. Однако в подавляющем большинстве объектом изучения являются лимфоциты млекопитающих, прежде всего тимоциты: они легко подвергаются апоптозу, их удобно культивировать, и они хорошо изучены в различных отношениях. В то же, как уже было сказано, в связи с появлением методических возможностей по регистрации различных проявлений апоптоза он изучается и на других клеточных популяциях.

Апоптоз обычно противопоставляется другой форме гибели клеток — некрозу, который развивается при воздействии внешних по отношению к клетке повреждающих агентов и неадекватных условий среды (гипоосмия, крайние значения рН, гипертермия, механические воздействия, влияние агентов, повреждающих мембрану, формирование пор в мембране с участием факторов комплемента) и проявляется набуханием клетки и разрывом наружной мембраны с выходом содержимого клетки в среду. При этом взаимосвязь между апоптозом и некрозом рассматривается двояко.

Профессор В.П. Скулачев подчеркивает важность именно апоптотической гибели клеток взамен некротической. Объясняет это с нескольких позиций. Во-первых, апоптоз – это последний рубеж в защите организмом интактности ДНК. Если до этого все механизмы не смогли справиться с возникающей патологией, то остается один – последний, названный им «самурайским законом биологии». Закон этот означает, что любая сложная биологическая система (начиная с органелл и выше) всегда готова к самоликвидации. Она кончает с собой, если становится опасной для самого существования живой системы, занимающей более высокую ступень в иерархии существования жизни. При некрозе же, клетка гибнет вследствие нарушения факторов ее жизнеобеспечения, а с измененным ДНК, не нарушающим его, она способна существовать. Во-вторых, в отличие от некроза, апоптоз - это гибель клеток без аутолиза ферментами лизосом, измененная клетка поглощается фагоцитом. Весь процесс проходит без возникновения воспалительной реакции. Это определяет апопотоз как наиболее благоприятный путь для организма. Но исследования показывают, что высокая лизосомальная и аутофагоцитарная активность, наблюдаемая в пораженных кардиомиоцитах, свидетельствует о наличии саморазрушающего процесса цитоплазматической дегенерации, осуществляемого под контролем самоконтролируемого запрограммированного аутолиза. Также было показано, что хронический саморазрушающий протеолиз в пораженных кардиомиоцитах, хотя и не связан с типичной апоптозной морфологией ядер или цитоплазмы, но может привести к контролируемой смерти кардиомиоцитов.

С другой стороны некроз и апоптоз рассматриваются как два совместно протекающих процесса. Этот подход объясняется терапевтическим мышлением. С этой позиции апоптоз, как и некроз – это негативные процессы. Против различных видов гибели клеток направлены массы терапевтических методов и приемов. Борьба с апоптозом в некоторых случаях принимает порой даже большее значение. Морфологические исследования указывают на присутствие двух путей гибели клеток при травматическом повреждении спинного мозга: непосредственного некротического повреждения и отсроченной апоптозной гибели клеток. При этом апоптоз продолжается до 14 дней после травмы и затрагивает нейроны и глию на значительном удалении от травматического очага, захватывая первично интактные участки мозга, и приводя к образованию большего очага повреждения, чем начальная травма. Другими словами, суммарное число погибших клеток спинного мозга значительно превышает количество разрушенных в момент травмы.

Изучение апоптоза тубулярных клеток почки свидетельствует о том, что одни и те же физические и токсические факторы в зависимости от дозы и экспозиции могут индуцировать апоптоз либо некроз. Сравнительная таблица (см. таб. 1), данная А.А. Ярилиным, говорит о принципиальной разности в механизмах и клеточных изменениях при обоих процессах. Поэтому, на мой взгляд, апоптоз и некроз можно сравнивать лишь по биологическому значению для организма в данном конкретном случае, причем значение некроза всегда неблагоприятное, а апоптоза может меняться. Некроз из сравнения представляет собой совершенно иное явление, единственное общими между апоптозом и некрозом – это исход для клетки – всегда гибель, но опять таки принципиально различными путями.

Таблица 1. Сравнительная характеристика апоптоза и некроза клеток [26]

Причины апоптоза

Феномен апоптоза является результатом действия различных факторов, приводящих к гибели клетки. Это могут быть неспецифические факторы, такие как температура, токсические агенты, оксиданты, свободные радикалы, гамма- и УФ- излучение, бактериальные токсины и др. Во всех этих случаях происходит индукция апоптоза, но при увеличении дозы соответствующего агента развивается некроз клетки. К настоящему времени известно, что апоптоз могут вызывать как внутриклеточные сигналы, так и внешние, опосредующие свое действие через рецепторные системы, которые сами по себе не являются токсическими или деструктивными. В целом, если идет речь о физиологических факторах, то следует применять термин регуляция апоптоза клетки, поскольку известна группа физиологических активаторов и ингибиторов апоптоза. Физиологические регуляторы апоптоза клетки вызывают повышенный интерес исследователей. В первую очередь рассмотрим регуляцию апоптоза клеток гормонами. В эндокринологии давно известно, что удаление эндокринной железы приводит к массовой инволюции клеток-мишеней. Механизм этого явления долго не был известен, и только открытие явления апоптоза дало толчок к изучению процессов, лежащих в основе действия гормонов на жизнеспособность клеток. Так, кастрация приводит к атрофии железистых клеток простаты.

Введение андрогенов предотвращает этот процесс. Т.е. андрогены являются ингибиторами апоптоза для клеток простаты. В тоже время они являются индукторами апоптоза для фолликулярных клеток яичника. На данном примере можно видеть, как одни и те же гормоны являются ингибиторами апоптоза для одних клеток и индукторами апоптоза для других. Также изучено противоположное действие по регуляции апоптоза одним и тем же гормоном в зависимости от стадии дифференцировки клетки. Так эстрогены являются ингибиторами апоптоза эпителия матки в начале менструального цикла и индуктором апоптоза - в конце цикла. Ингибитором апоптоза эпителия матки в конце цикла будут прогестерон. Центральное место в исследовании апоптогенного действия гормонов принадлежит изучению влияния глюкокортикоидов на лимфоидные клетки.

Чувствительность незрелых тимоцитов к глюкокортикоидо-индуцированному апоптозу характерна для многих биологических видов, в том числе для человека, грызунов и птиц. Чувствительность Т-клеток к глюкокортикоидам зависит от стадии развития лимфоцитов. Пре-Т-клетки костного мозга и незрелые Т-клетки тимуса чувствительны к физиологическим дозам глюкокортикоидов. Было показано, что определенные субпопуляции зрелых Т-лимфоцитов (натуральные киллеры, цитотоксические Т-лимфоциты) претерпевают апоптоз под действием глюкокортикоидов. В- клетки также чувствительны к глюкокортикоидам в зависимости от стадии своего развития. Пре- В- клетки и незрелые В- клетки гибнут путем апоптоза под действием глюкокортикоидов. Зрелые В- лимфоциты нечувствительны к глюкокортикоидам.