Современные достижения в исследовании апоптоза

Формированием условий, способствующих массовому апоптозу целых клеточных популяций, объясняют такие драматические события эмбриогенеза, как утрата хвоста зародышами амфибий или атрофия у них гипохорды. В качестве причины внезапной утраты гемопоэтической функции печенью эмбрионов называют тотальный апоптоз кроветворных клеток, вследствие снижения восстановительного потенциала в их микроокружении. Это снижение обусловлено деятельностью гепатоцитов, которая приводит к ослаблению активности g -глутаматтрансферазы и уменьшению концентрации глутатиона.

Наконец, быстрая атрофия гормонально-зависимых тканей обусловлена апоптозом клеток в связи со снижением концентрации соответствующих гормонов. Процессы такого рода периодически совершаются в женских половых органах в течение менструального цикла. Аналогичные процессы в предстательной железе происходят при снижении концентрации андрогенов. Роль апоптоза в гомеостазе обновляющихся популяций клеток во взрослом организме прослежена также на примере кроветворных клеток, клеток сперматогенного эпителия, энтероцитов ворсинок слизистой тонкой кишки. Во всех этих клеточных популяциях апоптозу подвергаются клетки на определенных стадиях развития. Чувствительность клеток к апоптозу чаще всего определяется ослаблением экспрессии эндогенных ингибиторов апоптоза - Bcl-2, Bcl-xL и др. Так, в сперматогенном эпителии эти факторы экспрессируются слабее всего в мейотических и постмейотических клетках и сильно - в сперматогониях - в полном соответствии с подверженностью апоптозу первых и устойчивостью к нему вторых.

Но все приведенные выше примеры в связи с рядом причин оказались не до конца изучены, есть лишь одна область знаний, в которой роль апоптоза определялась достаточно точно и разносторонне - это иммунология

Один из примеров - реализация цитотоксической активности лимфоцитов. Клетки-мишени и естественных киллеров, и цитотоксических Т-лимфоцитов гибнут при морфологических и биохимических проявлениях апоптоза, хотя при этом примешиваются некоторые черты некротической гибели клеток. Эта двойственная природа гибели с преобладанием апоптоза может быть проанализирована на примере наиболее универсального механизма действия киллеров, состоящего в формировании в мембране клетки-мишени пор, образованных вследствие полимеризации перфорина, и поступления через эти поры сериновых протеаз — гранзимов (главным образом гранзима В), который включает механизм апоптоза. Перфориновые поры, как правило, недостаточны для того, чтобы нарушить ионный гомеостаз клетки и вызвать ее отек и разрыв мембраны, хотя в определенный момент могут включиться и эти процессы. Однако раньше успевают сработать эффекты, обусловленные “впрыскиванием” гранзимов, которые проявляются в форме апоптоза.

Еще одна область функционирования иммунной системы, для которой оказалась важной реализация апоптоза — изоляция “иммунологически привилегированных” зон от проявлений активности эффекторных клеток иммунной системы. Недавно выяснилось, что по крайне мере две такие зоны - внутренние среды глаза и семенников - выстланы клетками, экспрессируюшими Fas-лиганд. В глазу его несут клетки эпителия, эндотелия, радужки, сетчатки, ресничных телец, в семенниках — эпителиальные, эндотелиальные и сертолиевы клетки. В результате эффекторные Т-лимфоциты, экспрессирующие Fas-рецептор, неизбежно гибнут в процессе миграции через этот барьер вследствие взаимодействия этого рецептора с Fas-лигандом барьерных клеток, приводящего к реализации апоптоза агрессивных мигрантов.

Таким образом, апоптоз является одним из ключевых процессов, определяющих формирование антигеноспецифической составляющей иммунной системы и в значительной степени — реализацию ее эффекторных функций. В особенности важной оказывается роль апоптоза и обеспечении неотвечаемости лимфоцитов в отношении собственных компонентой организма, что достигается, с одной стороны, путем формирования аутотолерантности вследствие апоптоза аутореактивных клонов лимфоцитов, с другой - путем исключения некоторых областей организма из-под контроля иммунной системы с помощью заслона, преодолевая который, активированные клетки подвергаются апоптозу.

Апоптотическая гибель клеток наблюдается при различных патологических состояниях. Этим путем осуществляется гибель клеток в эндокринно-зависимых тканях, при уменьшении концентрации соответствующего гормона (например, клеток простаты после кастрации и коры надпочечников после подавления синтеза АКТГ глюкокортикоидами). Гибель клеток путем апоптоза происходит также при уменьшении кровоснабжения органа (ишемическая болезнь сердца). Интенсивно изучается роль апоптоза в детерминации сердечной недостаточности. Специфические рецепторы клеточной гибели FAS/APO-1 широко представлены практически во всех клеточных структурах. Обнаружено увеличение рецепторной экспрессии в лимфоцитах и миокардиоцитах больных сердечной недостаточностью, что сочеталось с повышением их апоптозного индекса.

Признаки апоптоза выявляются также при различных формах сердечно-сосудистых патологий: дисфункции эндотелия, перенапряжении сосудистой стенки, ишемических и реперфузионных ее нарушениях, атеросклеротических изменениях, ишемическом инсульте и др.

Повышенная предрасположенность к апоптозу лимфоцитов и усиление экспрессии Fas-L гранулоцитами выявлено у больных с системной красной волчанкой. В результате быстрой гибели нейронов возникают болезни Альцгеймера и Паркинсона.

В гепатоцитах, пораженных вирусом гепатита С, определяется повышенная экспрессия Fas, что приводит к их быстрой гибели под воздействием цитотоксичеких Т-лимфоцитов. Похожие изменения происходят в клетках щитовидной железы при тиреоидите Хашимото.

Большой интерес представляют данные о значении апоптоза в развитии различного рода нефропатий, прогрессирование которых характеризуется одной общей особенностью – клеточной пролиферацией с накоплением внеклеточного матрикса и последующим сморщиванием ткани. При этом компоненты матрикса влияют на чувствительность мезангия к различным индукторам апоптоза, что приводит к значительным потерям гломерулярных клеток и развитию гломерулосклероза. Однако недостаточность почечных функций определяется в первую очередь наличием тубулоинтерстициальных нарушений, а не гломерулосклерозом. Разрушение клеток канальцевого эпителия, наряду с некрозом, может происходить и путем апоптоза, который, в ряде случаев является основной причиной развития острой почечной недостаточности.

При стрессе апоптозу принадлежит роль одного из ключевых механизмов, определяющих специфику реакции организма на стрессор. Его участие в реализации стрессорной реакции связано с повышенным выделением стероидных гормонов корой надпочечников. Именно чувствительностью к действию стероидов определяется спектр тканей, поражаемых при стрессе. К таким тканям относятся в первую очередь лимфоидная ткань (особенно кора вилочковой железы) и слизистые оболочки, прежде всего кишечника. Результатом является такое типичное проявление стресса, как опустошение лимфоидных органов.

Несмотря на то, что ключевая роль апоптоза в реализации физиологических процессов, связанных с поддержанием клеточного гомеостаза, не вызывает сомнений, показано, что апоптоз является также обязательной составляющей в реализации большинства типовых патологических процессов. Поэтому рассматривать апоптоз только как физиологию или патологию в организме невозможно.

Апоптоз и иммунитет

С 1990-х годов апоптоз активно изучается, поскольку выяснилось, что нарушения апоптоза приводят к различным болезням. Так, недостаток апоптоза приводит к раку и другим опухолям; избыток апоптоза приводит к потере клеток, например при нейродегенеративных процессах.

Апоптоз наступает, в частности, если клетка заражена вирусом или слишком сильно повреждена агрессивными химическими агентами или ионизирующим излучением (например, рентгеновскими лучами). Решение об апоптозе клетки может принять она сама, соседние клетки или иммунные клетки. Если клетка не в состоянии произвести апоптоз из-за мутации или заражения вирусом, она может начать делиться бесконтрольно, что приводит к опухоли. Так, человеческий папилломавирус использует свой ген Е6, чтобы разрушить белок p53, критически важный для апоптоза. В результате этот вирус приводит к развитию рака шейки матки, то есть является онковирусом.

Апоптоз важен для иммунитета: Т-клетки, созревая в тимусе, тестируются на способность распознать чужеродный антиген. Те из них, кто не способен это сделать (а это около 97% всех вновь созревающих клеток), приговариваются к апоптозу. Следующий тест - тест на безопасность «для своих»: клетки, слишком сильно реагирующие на собственные белки, тоже приговариваются к апоптозу.

В дальнейшем, встретив клетку с чужеродным белком, Т-клетки и B-клетки подают ей сигнал на совершение апоптоза.

Апоптоз и гомеостаз нормального развития

Апоптоз играет важную роль в поддержании гомеостаза. Ежедневно у здорового человека возникает от 50 до 70 миллиардов новых клеток, и такое же количество их гибнет, в основном за счёт апоптоза. За год обновляется столько клеток, что их общий вес равен весу тела.

В отличие от некроза, при котором клетка раздувается и лопается, выбрасывая своё содержимое (потенциально вредное) в межклеточное пространство, при апоптозе клетка сжимается и часто делится на части. В результате остатки клетки могут быть поглощены (путём фагоцитоза) соседними клетками или макрофагами.

Апоптоз играет важную роль в развитии эмбрионов и морфогенезе животных и растений. Так, например, разделение пальцев у эмбриона требует, чтобы клетки, находящиеся между пальцами, погибли.

Роль апоптоза в защите от онкологических заболеваний

Современная химиотерапия опухолей часто базируется на усилении апоптоза в раковых клетках исходя из того, что они более чувствительны к нему, нежели обычные не-раковые клетки. К сожалению, на продвинутых стадиях опухолевого процесса апоптоз в раковых клетках, как правило, подавлен. Некоторые интерфероны усиливают экспрессию гена p53, помогая апоптозу. В результате эти интерфероны помогают борьбе с раком. Новое лекарство от рака лёгких гефитиниб ингибирует белок-рецепторную протеинкиназу EGFR-тирозинкиназа (EGFR tyrosine kinase), которая производится в раковых клетках лёгких и запускает каскад реакций, активирующих апоптоз. В результате гефитиниб используется для лечения рака лёгких с минимумом побочных эффектов. Лилинг Янг (Liling Yang) и др. обнаружили, что в одном из типов раковых клеток лёгких, NCI-H460, апоптоз блокируется избыточным выделением вещества, которое назвали X-linked inhibitor of apoptosis protein (XIAP). Этот ингибитор, связываясь с каспазой-9, подавляет действие цитохрома С. Янг и её соавторы синтезировали пептид SmacN7, уничтожающий XIAP-ы, благодаря чему апоптоз снова начал действовать, и раковые опухоли у мышей стали уменьшаться.

Апоптоз и различные заболевания

Апоптоз привлек к себе внимание кардиологов как потенциальный патогенетический фактор при различных сердечно-сосудистых заболеваниях. Морфологические признаки апоптоза обнаружены как в сосудах, так и в самом миокарде в ответ на воздействие гипоксии, окислительного стресса, реперфузии при ишемии миокарда, постинфарктных изменениях и при развитии сердечной недостаточности. Апоптоз пейсмейкерных клеток может играть роль в генезе внезапной коронарной смерти. В настоящее время интенсивно исследуются процессы апоптоза в патогенезе дилатационной и ишемической кардиомиопатий, аритмогенной дисплазии правого желудочка, отторжения трансплантата при аортокоронарном шунтировании. Наиболее изученными являются апоптотические процессы при формировании коронарного атеросклероза. Массивная клеточная гибель наряду с накоплением липидной и коллагеновой массы, скоплением пенистых клеток, гладкомышечных элементов и макрофагов является одной из основных морфологических характеристик атеросклеротической бляшки. В центре бляшки выделяют так называемое некротическое ядро, которое при изъязвлении бляшки является источником тромбообразования с последующей ишемией и инфарктом. До недавних пор считалось, что причиной гибели клеток внутри атеросклеротической бляшки является прямое токсическое воздействие на клетки, например, свободных радикалов, образующихся при перекисном окислении липидов. Однако в настоящее время можно с определенной уверенностью утверждать, что основной вклад в суммарную клеточную гибель при атеросклерозе вносит апоптоз. Все клеточные элементы, обнаруживаемые в атеросклеротических бляшках, подвергаются программированной гибели.

Гомазков отмечает, что биохимические и морфоцитологические признаки апоптоза выявляются в большом спектре экспериментальных нейродегенеративных расстройств: транзиторной церебральной ишемии, вызванной окклюзией церебральной артерии; интрацеребральной геморрагии; на моделях эпилептогенных судорог, локальном термическом повреждении мозга. Апоптоз включается в патологии любых проявлений ишемических и травматических повреждений нервной ткани, включая нарушения спинного мозга, деменциальные изменения, связанные с развитием болезней Альцгеймера, Паркинсона, сенильной деменцией, врожденными патологиями мозга и другими. При этом о некрозе, как о процессе идущем параллельно с апоптозом как в исследованиях А.Г. Басакьяна, А.В. Баскова и других вообще не сказано ни слова.

В реализации и контроле апоптоза участвуют многочисленные внутриклеточные факторы, он может быть вызван действием разнообразных внешних агентов, и от его осуществления зависят многие важные процессы, реализуемые на уровне организма. Из этого следует неизбежность существования патологии, связанной с нарушениями в звеньях индукции и регуляции апоптоза. Хотя этот аспект патологии привлек к себе внимание относительно недавно и не подвергнут исчерпывающему изучению, накопленных данных достаточно, чтобы с определенностью подтвердить высказанное выше суждение. Патологии, связанные с разрегулированием апоптоза можно разделить на две группы: связанные с ослаблением или же усилением апоптоза.

На основании знаний о роли апоптоза в осуществлении различных процессов можно предположить, что недостаточность проявления апоптоза должна отразиться на процессах морфогенеза, элиминации клеток с генетическими поломками, становлении аутотолерантности и проявляться в форме разного рода дефектов развития, аутоиммунных процессах и злокачественных опухолях. Поскольку среди последствий генетически обусловленного ослабления апоптоза в иммунной системе доминируют проявления системной аутоиммунной патологии, возник вопрос о состоянии апоптоза и связанных с ним факторов при аутоиммунных заболеваниях человека, прежде всего при системной красной волчанке. Хотя при системной красной волчанке апоптоз лимфоцитов при соответствующих условиях осуществляется, при этом заболевании и некоторых других коллагенозах (например, ювенильном ревматоидном артрите) обнаружена препятствие в реализации апоптоза активированных лимфоцитов или Т-клеток, подвергающихся отрицательной селекции на периферии. Еще одну большую группу заболеваний, к генезу которых имеет отношение подавление апоптоза, образуют злокачественные опухоли. При этом нарушается элиминация апоптозом клеток с дефектной ДНК.