Роль апоптоза в иммунной системе

Апоптоз

В организме здорового  человека клеточный гомеостаз определяется балансом между гибелью и пролиферацией клеток.

Апоптоз - программированная клеточная  гибель, энергетически зависимый, генетически контролируемый процесс, который запускается специфическими сигналами и способствует удалению ослабленных, ненужных или повреждённых клеток. Ежедневно, примерно около 5% клеток организма подвергаются апоптозу, а их место занимают новые клетки. Длительность всех процессов апоптоза составляет 15-120 минут.

Апоптоз – это биохимически специфический тип гибели клетки, который характеризуется активацией нелизосомных эндогенных эндонуклеаз, которые расщепляют ядерную ДНК на мелкие фрагменты.

Морфологически апоптоз проявляется  гибелью единичных, беспорядочно расположенных клеток, что сопровождается формированием округлых, окруженных мембраной телец (“апоптотические тельца”), которые тут же фагоцитируются окружающими клетками.

Это энергозависимый процесс, посредством  которого удаляются нежелательные  и дефектные клетки организма. Он играет большую роль в морфогенезе и является механизмом постоянного контроля размеров органов. При снижении апоптоза происходит накопление клеток (опухолевый рост). При увеличении апоптоза наблюдается прогрессивное уменьшение количества клеток в ткани (атрофия).

Апоптоз имеет свои отличительные  морфологические признаки, как на светооптическом, так и на ультраструктурном уровне. При окраске гематоксилином и эозином апоптоз определяется в единичных клетках или небольших группах клеток. Апоптотические клетки выглядят как округлые или овальные скопления интенсивно эозинофильной цитоплазмы с плотными фрагментами ядерного хроматина. Поскольку сжатие клетки и формирование апоптотических телец происходит быстро и также быстро они фагоцитируются, распадаются или выбрасываются в просвет органа, то на гистологических препаратах он обнаруживается в случаях его значительной выраженности. Апоптоз не сопровождается воспалительной реакцией.

 

Сравнительная характеристика некроза  и апоптоза

Признак	Апоптоз	Некроз
Индукция	Активируется физиологическими или патологическими стимулами	Различная в зависимости от повреждающего фактора
Распространенность	Одиночная клетка	Группа клеток
Биохимические изменения	Энергозависимая фрагментация ДНК эндогенными эндонуклеазами.	Нарушение или прекращение ионного обмена.
	Лизосомы интактные.	Из лизосом высвобождаются ферменты.
Распад ДНК	Внутриядерная конденсация  с расщеплением на фрагменты	Диффузная локализация в некротизированной клетке
Целостность клеточной мембраны	Сохранена	Нарушена
Морфология	Сморщивание клеток и  фрагментация с формированием апоптотических телец с уплотненным хроматином	Набухание и лизис  клеток
Воспалительный ответ	Нет	Обычно есть
Удаление погибших клеток	Поглощение (фагоцитоз) соседними клетками	Поглощение (фагоцитоз) нейтрофилами и макрофагами

 

Апоптоз – это механизм гибели клеток, который имеет ряд  биохимических и морфологических отличий от некроза.

Наиболее четко морфологические  признаки выявляются при электронной  микроскопии. Для клетки, подвергающейся апоптозу характерно:

Сжатие клетки. Клетка уменьшается в размерах; цитоплазма уплотняется; органеллы, которые выглядят относительно нормальными, располагаются более компактно. Предполагается, что нарушение формы и объема клетки происходит в результате активации в апоптотических клетках трансглютаминазы. Этот фермент вызывает прогрессивное образование перекрестных связей в цитоплазматических белках, что приводит к формированию своеобразной оболочки под клеточной мембраной, подобно ороговевающим клеткам эпителия.

Конденсация хроматина. Это наиболее характерное проявление апоптоза. Хроматин конденсируется по периферии, под мембраной ядра, при этом образуются четко очерченные плотные массы различной формы и размеров. Ядро же может разрываться на два или несколько фрагментов.

Механизм конденсации  хроматина обусловлен расщеплением ядерной ДНК в местах, связывающих  отдельные нуклеосомы, что приводит к развитию большого количества фрагментов, в которых число пар оснований делится на 180-200. При электрофорезе фрагменты дают характерную картину лестницы. Эта картина отличается от таковой при некрозе клеток, где длина фрагментов ДНК варьирует.

Фрагментация ДНК в  нуклеосомах происходит под действием  кальций чувствительной эндонуклеазы. Эндонуклеаза в некоторых клетках находится постоянно (например, в тимоцитах), где она активируется появлением в цитоплазме свободного кальция, а в других клетках синтезируется перед началом апоптоза.

Формирование в цитоплазме полостей и апоптотических телец: в апоптотической клетке первоначально формируются глубокие впячивания поверхности с образованием полостей, что приводит к фрагментации клетки и формированию окруженных мембраной апоптотических телец, состоящих из цитоплазмы и плотно расположенных органелл, с или без фрагментов ядра.

Фагоцитоз апоптотических клеток или телец осуществляется окружающими здоровыми клетками, или паренхиматозными, или макрофагами. Апоптотические тельца быстро разрушаются в лизосомах, а окружающие клетки либо мигрируют, либо делятся, чтобы заполнить освободившееся после гибели клетки пространство.  
Фагоцитоз апоптотических телец макрофагами или другими клетками активируется рецепторами на этих клетках: они захватывают и поглощают апоптотические клетки. Один из таких рецепторов на макрофагах – рецептор фибронектина, который является β₃-интегрином и активирует фагоцитоз апоптотических нейтрофилов.

 

Апоптоз принимает участие в  следующих процессах:

1. Запрограммированное разрушение клеток во время эмбриогенеза.
2. Гормонозависимая инволюция органов у взрослых (отторжение эндометрия во время менструального цикла, атрезия фолликулов в яичниках в менопаузе и регрессия молочной железы после прекращения лактации).
3. Удаление некоторых клеток при пролиферации клеточной популяции.
4. Гибель отдельных клеток в опухолях.
5. Гибель клеток иммунной системы, как В-, так и Т-лимфоцитов, после истощения запасов цитокинов, а также гибели аутореактивных Т-клеток в тимусе.
6. Патологическая атрофия гормонозависимых органов (атрофия предстательной железы после кастрации и истощения лимфоцитов в тимусе при терапии глюкокортикоидами).
7. Патологическая атрофия паренхиматозных органов после обтурации выводных протоков (в поджелудочной и слюнных железах, почках).
8. Гибель клеток, вызванная действием цитотоксических Т-клеток, например, при отторжении трансплантата и реакции “трансплантат против хозяина”.
9. Повреждение клеток при некоторых вирусных заболеваниях (при вирусном гепатите фрагменты апоптотических клеток обнаруживаются в печени, как тельца Каунсильмана).
10. Гибель клеток при действии различных повреждающих факторов, которые способны вызвать некроз, но действующих в небольших дозах (высокая температура, ионизирующее излучение, противоопухолевые препараты).

 

Запуск и торможение апоптоза

Так как апоптоз является строго регулируемым процессом, то его  запуск зависит от соотношения

• позитивных сигналов, необходимых для продолжения существования клетки
• негативных сигналов, провоцирующих гибель

К числу позитивных сигналов (факторы выживания) относятся

• фактор роста нейронов
• интерлейкин-2

Продолжительность жизни  многих клеток зависит от получения стимулирующего влияния от других клеток, также для многих – контакт с той поверхностью, где они растут

Негативными для клетки сигналами являются

• повышенный уровень окислителей внутри клетки
• повреждения ДНК такими агентами, как УФ облучение, Х-лучи, токсины
• накопление белков, неспособных к формированию нативной конформации
• активаторы клеточной гибели

• фактор некроза опухоли- α (TNF- α), соединяется с TNF-рецептором
• лимфотоксин (TNF- β), также соединяется с TNF-рецептором
• Fas-лиганд (FasL), связывается с Fas-рецептором (CD95)

Выбор направления сигнализации в сторону апоптоза в большой  степени зависит от экспрессии генов c-myc и p53. P53 связан с ДНК и реагирует на накопление нерепарированных разрывов ее нитей. При наличии множественных дефектов ДНК и при преобладании положительной сигнализации происходит перенаправление в сторону апотоза для предотвращения мутаций. Таким образом элиминируются потенциально злокачественные клетки. Ген p53 называют онкосупрессором.

При мутациях генов-онкосупрессоров происходит снижение апоптотической элиминации и нарастает риск развития злокачественных опухолей.

Среди генов, блокирующих  апоптоз

• bcl-2, bcl-x и bcl-1 гены. Они кодируют митохондриальные Bcl белки, которые запускают каспазные реакции апоптоза. Но при изменениях гена происходит супрессия апоптоза. Такие измененные гены присутствуют в клетках памяти и обеспечивают продолжительность их существования.

 

Механизмы апоптоза

Существуют три различных механизма апоптоза:

1. Генерируемый сигналами, появляющимися внутри клетки
2. Вызываемый активаторами клеточной гибели
3. Инициируемый фактором AIF

1) Митохондриальный путь апоптоза, запускаемый внутренними сигналами

• на поверхности внешней мембраны митохондрий имеются Bcl-2 белки,
• внутренние факторы (АО) активируют Bcl-2, и опосредованно Bax,
• Bax (связан с Bcl-2) вызывает перфорацию мембраны митохондрий,
• цитохром-C высвобождается в цитозоль,
• где за счет энергии АТФ соединяется с белком Apaf-1 (фактор, активирующий апоптотические протеазы),
• такой совместный комплекс формирует апоптосому
• апоптосома связывается с каспазой-9 (протеаза) и активирует ее,
• каспаза-9 расщепляется, активируя другие каспазы (3, 7),
• активация этих каспаз–"исполнителей" запускает реакции протеолиза

• расщепление структурных белков
• деградация хромосомной ДНК,

• происходит фагоцитоз клеток.

2) Путь активации рецепторов гибели, запускаемый внешними сигналами

• Fas- и TNF-рецепторы – интегральные мембранные белки, домены связывания которых располагаются на поверхности клеток –
• связываясь с комплементарными активаторами гибели (FasL, TNF)     передают сигнал начала апоптоза внутрь клетки, тем самым активируя
• каспазу-8, которая инициирует каскад реакций протелолиза
• и, в конечном итоге, фагоцитоз

Пример: связывание цитотоксичеких  T клеток с мишенью.

• продуцируют большое количество FasL на поверхности,
• который, связываясь с Fas вызывает апоптоз клетки-мишени

! Каждый из этапов апоптоза является обратимым. Полное уничтожение клетки гарантируется только после полного фагоцитоза.

3) Апоптоз-индуцирующий фактор (AIF)

Нейроны и, возможно, другие клетки располагают другим механизмом саморазрушения, который, в отличие от механизмов, описанных выше, не связан с активацией каспаз.

AIF – белок, который в норме расположен  между мембранами митохондрий. Когда клетка получает сигнал о необходимости ее гибели, AIF

• высвобождается из митохондрий (подобно высвобождению цитохрома),
• мигрирует в ядро,
• связывается с ДНК,
• вызывает разрушение ДНК и гибель клетки.

Такой механизм апоптоза особенно активно запускается при дефиците апоптозподавляющих сигналов от других клеток. Физиологический смысл процесса – в элиминации избыточных нервных клеток, конкурирующих за ограниченный фонд факторов выживания.

 

 

Роль апоптоза в иммунной системе

В период становления  иммунной системы и развития клеток, входящих в ее состав, апоптоз служит регулятором численности клеточных популяций и их «правильного» распределения в тканях, а также фактором селекции. Последняя функция проявляется при формировании клональной структуры популяций лимфоцитов. При иммунном ответе с помощью апоптоза контролируется интенсивность и подчинение ответа определенным правилам. Так, клетки, активируемые в условиях, при которых не может быть обеспечен полный активационный сигнал, элиминируются. Кроме того, апоптоз препятствует участию в иммунном ответе «отработавших» эффекторных клеток.