Патофизиология апоптоза

Флавопротеин AIF, будучи добавленным к изолированным ядрам из клеток HeLa, вызывает конденсацию хроматина и фрагментацию ДНК, а при добавлении к изолированным митохондриям печени крыс – высвобождение цитохрома с и каспазы- AIF является митохондриальным эффектором ПКС у животных, действующим независимо от каспаз .

 

4.Стадия удаления  фрагментов погибших клеток

На поверхности апоптозных телец экспрессируются лиганды, с которыми взаимодействуют рецепторы фагоцитирующих клеток. Фагоциты быстро обнаруживают, поглощают и разрушают апоптозные тельца. Благодаря этому содержимое разрушенной клетки не попадает в межклеточное пространство, а при апоптозе отсутствует воспалительная реакция. Этот признак отличает апоптоз от некроза, который сопровождается развитием перинекротического воспаления.

Генетический контроль.

В настоящее время описаны  три пути активации генома при  апоптозе: индукция (экспрессия новых генов появляется после приложенного стимула); трансдукция (экспрессия генов не обязательна во время стимула); и высвобождение (активирование апоптоза связано с ингибированием экспрессии генов). Существует также ряд генетических механизмов, активность которых изменяется при большинстве видов клеточной гибели: гены c-myc, c-jun, c-fos, nur 77, противоопухолевые гены (р530), блокаторы апоптоза (bс 12). В настоящее время именно этим генам отводится регулирующая роль в процессах апоптоза. Активация данных генов отмечается и при других физиологических состояниях клетки - пролиферации и дифференцировке, однако в этих случаях направленность их активности изменяется и происходит в иные временные промежутки (удлинение или укорочение периода активности).

Генная регуляция апоптоза изучена на нематодах и сводится к процессам, представленным на рисунке.

Как видно, возможны несколько  видов клеточного ответа, которые  определяются как внутренней информацией, так и внешними стимулами. На рисунке  указаны также и основные гены, регулирующие процессы апоптоза.

 

 

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.

Действие гормонов опосредовано внутриклеточными специфическими рецепторами (для данных приведенных примеров). Рецептор, связывая лиганд, регулирует транскрипцию гормоночувствительных генов. Это могут быть гены, продукты которых регулируют продвижение клетки по клеточному циклу или апоптоз- специфические гены. Другими важными физиологическими регуляторами апоптоза являются цитокины. Цитокины - это обширная группа белков, регулирующих пролиферацию и дифференцировку клеток при связывании со специфическими рецепторами на клетках мишенях. В отличие от гормонов, цитокины действуют, в основном, на пара- и аутокринном уровне. Цитокины подразделяются на 3 большие группы (в зависимости от структуры и функции): ростовые факторы (колониестимулирующие факторы, эпидермальный фактор роста, инсулиноподобный фактор роста и т.д.), семейство Фактора некроза опухоли (ФНО) и спиральные цитокины (интерлейкины, интерфероны). Эффект цитокинов на клетки также неоднозначен: для одних клеток они выступают в роли индуктора апоптоза, для других - в роли ингибитора апоптоза. Это зависит от типа клетки, от стадии ее дифференцировки, от функционального состояния клетки.

Наиболее хорошо изучена  последовательность событий, приводящих клетку к апоптозу в результате взаимодействия белков из семейства ФНО со специфическими рецепторами. Ярким представителем этой группы белков является система Fas/Fas-L. Следует отметить, что для этой системы не известны другие функции, кроме как индукции апоптоза клетки. Fas/APO-l/CD-95 -рецептор, по структуре, относящийся к рецепторам семейства ФНО. Взаимодействие Fas с Fas-L (лиганд) или с моноклональными антителами приводит к апоптозу клетки. Fas конститутивно экспрессируется на поверхности клеток многих типов: на тимоцитах, лимфобластоидных клеточных линиях, активированных Т- и В- лимфоцитах, а также на фибробластах, гепатоцитах, кератиноцитах, миелоидных клетках. Ген Fas у человека локализован в длинном плече хромосомы 10 и состоит из 9 экзонов.

Fas-L является цитокином и относится к семейству цитокинов ФНО. Fas-L экспрессируется на активированных Т-лимфоцитах и натуральных киллерах, а также на клетках Сертоли и паренхимных клетках передней камеры глаза, что позволяет этим клеткам убивать любую Fas- экспрессирующую клетку, в том числе и активированный Т-лимфоцит. Этот механизм определяет появление защищенных от иммунной системы мест.

Важная роль в регуляции  апоптоза клеток иммунной системы принадлежит другим цитокинам -интерлейкинам, интерферонам. Интенсивно ведутся работы по выяснению апоптогенного действия интерлейкинов (ИЛ). Было обнаружено, что они являются индукторами апоптоза как в здоровых, так и в онкологических клетках и клеточных линиях. Например, ИЛ-12 индуцирует апоптоз натуральных киллеров, ИЛ-4 и ИЛ-10 - периферических моноцитов человека, ИЛ-10 - Т-лимфоцитов. Однако не только роль индукторов апоптоза свойственна интерлейкинам, не менее выраженный эффект цитокинов наблюдается в предотвращении апоптоза. При этом один и тот же ИЛ может быть как индуктором апоптоза, так и его ингибитором. Различия в ответе клеток наблюдаются для разных клеток-мишеней и, возможно, зависят от степени их дифференцировки и развития. Так, например, ИЛ-1 является индуктором апоптоза для клеток мышиной тиомы в случае ингибирования размножения клеток (фаза плато на кривой роста) и ингибитором апоптоза для этих же клеток в случае их интенсивного размножения (фаза роста). ИЛ-2 является ингибитором апоптоза Т-лимфоцитов, В- лимфоцитов. ИЛ-4 также ингибирует апоптоз Т-лимфоцитов и В- лимфоцитов. ИЛ-3, ИЛ-6, ИЛ-9 известны только как ингибиторы апоптоза клеток.

Неоднозначна и роль интерферонов (ИФ) по влиянию на клетки. В одних  случаях ИФ вызывает апоптоз (клетки костного мозга), в других - является ингибитором апоптогенного сигнала (периферические моноциты человека).

Эндогенным условием развития апоптоза может быть повышение внутриклеточного уровня Са2+, которое моделируется действием кальциевых ионофоров.

В последнее время особое внимание исследователей в развитии апоптоза в условиях гипоксии миокарда привлек протоонкоген c-myc.  Этот онкоген участвует в пролиферации как нормальных гладкомышечных клеток, так и, очевидно, вносит существенный вклад в патологию. В частности, деление гладкомышечных элементов в процессе развития атеросклероза является c-myc-зависимым. В гладкомышечных клетках, выделенных из атеросклеротических бляшек, содержание c-myc м-РНК оказалось выше, чем в нормальных гладкомышечных клетках.

Еще один фактор, играющий роль во включении механизма апоптоза, — это р53. Этот белок называют онкосупрессором, поскольку его присутствие приводит к гибели клеток с нарушениями в геноме, тогда как при мутациях гена р53 такие клетки выживают и часто становятся источником злокачественного роста. Белок р53 участвует также в индукции радиационного апоптоза. В норме белок р53 не экспрессируется; его экспрессия индуцируется облучением, действием противоопухолевых химиопрепаратов и ряда других агентов. Пока неясно, каким образом он воспринимает сигнал о разрывах ДНК и других генетических нарушениях.

Интересные данные касаются регуляции апоптоза пептидными ростовыми факторами. Имеются убедительные сведения о том, что факторы роста предотвращают развитие апоптоза в клетках. Удаление факторов роста из культуры клеток приводит к типичным апоптотических проявлениям.

Индукторами апоптоза являются также активные формы кислорода, появляющиеся в клетках в патологии. При этом, если клетка не может справиться с патологией другими механизмами запускается в последнюю очередь механизм апоптоза.

Обобщить все выше сказанное  поможет таблица

Активаторы  и ингибиторы апоптоза

Физиологический активатор	Патологические активаторы	Физиологический ингибитор
Семейство TNF: (FAS-лиганд, TNFa)	Белки теплового шока	Ростовой фактор
Нейротрансмиттеры	Вирусы	Экстрацеллюлярный матрикс
Удаление ростовых факторов	Онкогены: (c-myc, rel)	Нейтральные аминокислоты
Ca2+	Супрессор опухолей p53	Эстрогены
Глюкокортикостероиды	Цитотоксические Т-лимфоциты	Андрогены
NO	Оксиданты	IL-9
Ангиотензин	Свободные радикалы	Прововоспалительные цитокины
АТФ	УФ- и рентгеновское облучение	Bcl-2

Таким образом, наличие в  организме физиологических факторов -индукторов и ингибиторов апоптоза позволяет сделать вывод, что программированная гибель клетки зависит от соотношения факторов, вызывающих апоптоз и предотвращающих его, а также от регуляторных внутриклеточных механизмов. Необходимо также отметить, что индуцируют апоптоз как физиологические, так и патогенные факторы, отсюда можно предположить, что в зависимости от природы фактора и будет выявляться значение апоптоза.

Заболевания, связанные с нарушением апоптоза

Апоптоз лежит в основе патогенеза многих заболеваний, которые можно разделить на две группы.

Заболевания, связанные с  ингибированием апоптоза.

1. Опухоли.

2. Аутоиммунные болезни.

3. Вирусные инфекции (герпес, аденовирусы).

4. Заболевания, протекающие  с гиперэозинофильным синдромом.

5. Нейропролиферативные заболевания (шизофрения).

Заболевания, связанные с  усилением апоптоза

1. СПИД.

2. Нейродегенеративные заболевания (болезнь Альцгеймера, паркинсонизм, боковой амиотрофический склероз, атрофия мышц спины).

3. Болезни крови (миелодиспластический синдром, апластическая анемия).

4. Ишемические повреждения  (инфаркт миокарда, инсульт, реперфузионные повреждения).

5. Токсические повреждения  печени.

6. Заболевания почек.

Старение и апоптоз

Известный американский ученый Л.Хейфлик в Медицинском центре детской больницы Северной Каролины впервые доказал, что естественная продолжительность жизни человека обусловлена числом митозов, которое могут совершить клетки данного организма. Он брал кусочки кожи от эмбриона, новорожденного и взрослого человека, разбивал их на отдельные клетки и культивировал в специальной питательной среде. Оказалось, что клетки эмбриона могут совершить около 50 делений, а затем в них наблюдаются все признаки апоптотической смерти . У взрослого человека клетки могли совершить уже не 50 а гораздо меньше делений, в зависимости от возраста обследуемого пациента. Впоследствии  было показано,что механизм старческого апоптоза запускается и находиться в ядре.

В настоящее время для  объяснения молекулярно-генетических механизмов старения организма предложено три гипотезы.

1. Первая гипотеза особенно  отчетливо развита в трудах  профессора Ж. Медведева, а  также Л. Орджелом из Института им. Солка в США. Эти исследователи считают, что старение это процесс накопления ошибок в процессах транскрипции и трансляции и возникновении ферментов с дефектным функционированием. При этом механизмы репарации не могут справится со все возрастающим количеством дефектов.