Или уклонение от программированной клеточной смерти опухолевых клеток - важнейшее свойство злокачественного фенотипа.
В норме апоптозная программа присутствует в латентной форме во всех клетках организма, поскольку вполне очевидно, что в организме под влиянием различных факторов при прохождении клеткой клеточного цикла постоянно происходят повреждения ДНК, т.е. возникают мутации.
Известно, что в течение жизни в организме человека происходит 10 16 клеточных делений. Спонтанные мутации происходят с частотой - 10 6 на ген за клеточный цикл.
Таким образом, в течение жизни человека каждый ген вполне может подвергнуться мутированию около 10 миллиардов раз (10 16 х10 6 = 10 10), а ежедневно в организме происходит до 1 млн соматических мутаций.
И среди них, несомненно, возможны, ведущие к раку. С этих позиций проблема рака не столько в том, почему он возникает, а в том, почему он возникает так редко.
А возникает рак, несмотря на постоянное воздействие канцерогенных факторов, относительно редко потому, что в организме существуют механизмы защиты, направленные на сохранение нормального генотипа клетки. Необходимо отметить, что судьба клеток с теми или иными генетическими повреждениями может быть различной.
Часть мутированных клеток гибнет из-за витальных повреждений их генома, часть восстанавливается, часть организм уничтожает сам посредством апоптоза и, наконец, часть мутированных клеток выживет и в процессе размножения может стать источником накопления потенциально онкогенных мутаций и развития рака.
В норме генетический фонд клетки, несмотря на его хрупкость, защищен мощным ферментным аппаратом, часто обеспечивающим распознавании мутированных и измененных участков ДНК и их восстановление.
Репарация ДНК заключается в «вырезании» мутированных нуклеотидов с помощью эндо- и экзонуклеаз, синтеза нормального участка ДНК при участии ДНК-полимеразы и встраивании восстановленного участка в цепь ДНК под действием фермента лигазы. Тем самым воссоздается исходная генетически запрограммированная нуклеотидная последовательность поврежденной нити (рис. 3.12).
Рис 3.12. Схема репарации при повреждении ДНК и формирование мутации [Новик А.Л., 2004].
Если же активность репарационно-восстановительных систем недостаточна и повреждения в ДНК сохраняются, то в таких клетках индуцируется программируемая клеточная гибель, что приводит к уничтожению, в том числе и мутантных клеток, способных к злокачественной трансформации.
Апоптоз (от греч. apoptosis - опадание) - запрограммированная гибель клетки или «смерть клетки в результате самоуничтожения» - активный, генетически контролируемый процесс. Термин был предложен Kerr J. и соавт. (1972) для обозначения происходящих изменений в клетке во время ее физиологической гибели и ведущих к уменьшению числа клеток в противоположность митозу, обеспечивающему увеличение их числа.
Биологическое значение апоптоза
Биологическое значение апоптоза состоит в том, что это ключевой механизм поддержки генетического гомеостаза, который организм использует для удаления клеток, чье выживание нежелательно: чужеродных, дефектных с поломками в геноме; мутантных или зараженных вирусом; с неадекватной специфичностью рецепторов к различным регуляторам жизнедеятельности и т.д.В организме в каждую единицу времени миллионы клеток завершают свой цикл, отрабатывают «свой век». Для предотвращения «засорения» организма от успевших выполнить свою функцию «отработанных», «изношенных» клеток в ходе эволюции выработался специальный механизм их ликвидации - апоптоз.
Способность запускать самоликвидацию (апоптоз), является неотъемлемым свойством клеток для поддержания тканевого гомеостаза путем сохранения определенного баланса между пролиферацией (митозом) и гибелью.
Апоптоз играет исключительно важную роль в эмбриогенезе, в частности в регуляции количества мезодермальной ткани при формировании органов и скелета. В основе уничтожения иммунными клетками чужеродных также лежит апоптотический механизм.
Гибель клеток по типу апоптоза происходит при многих физиологических процессах: возрастной инволюции органов (тимус), атрофии (предстательной железы после кастрации), регрессии гиперплазии нормапьном функционировании яичников и семенников и, наконец, в уничтожении мутантных клеток.
Механизм активации апоптоза
Зрелые дифференцированные клетки в обычном состоянии устойчивы к индукции апоптоза, но становятся чувствительными к нему после своей активации. Такую активацию вызывают различные внешние воздействия через специфические рецепторы и внутриклеточные сигналы, вызванные экспрессией некоторых протоонкогенов.Они могут быть физиологическими - активация специальных киллерных цитокинов, изменения гормонального статуса (цикличное изменение эндометрия и др.), и нефизиологическими - внутриклеточные повреждения или неблагоприятные условия (нехватка факторов роста, повреждения ДНК, гипоксия и т.д.).
В механизмах активации апоптоза выделяют два основных этапа: фазу индукции (принятия решения) и фазу экзекуции (исполнения приговора). В первую фазу система сенсоров апоптоза отслеживает отклонения от нормы внутри- и внеклеточной среды и определяет дальнейшую судьбу клетки: жить ей или умереть.
Класс сенсоров представляет собой рецепторы клеточной поверхности, которые связывают сигналы выживания или смерти. В качестве таких сигналов выступают различные, цитокины.
При выявлении аномалий (например, повреждение ДНК, нехватка факторов роста, гипоксия и др.) посредством сенсорных регуляторов запускается вторая фаза апоптоза - исполнения приговора. Начинается она с активации каспаз + ферментов семейства цистеиновых протеиназ (так называемые казнящие каспазы).
Существует два принципиально разных пути активации каспаз. Один из них запускается в ответ на активный сигнал смерти, передаваемый специфическими киллерными цитокинами группы ФНО (фактор некроза опухолей) на соответствующие рецепторы (наиболее изучены Fas), называемые рецепторами смерти.
Апоптоз, вызванный активированными рецепторами смерти, называется инструктивным апоптозом. При втором пути активации каспаз ключевую роль играют митохондрии - митохондриальный апоптоз.
При этом различные повреждающие воздействия вызывают увеличение проницаемости мембраны митохондрий и выход в цитоплазму митохондриальны белков (в основном цитохрома С), которые через соответствующий каскад реакций и активируют каспазы.
Ключевую роль в регуляции проницаемости митохондриальной мембраны для цитохрома С играют белки семейства bcl-2, обладающие либо проапоптотическими, либо антиапоптотическими активностями.
Таким образом, в клетках человека в ответ на повреждения существует два механизма, запускающих апоптоз: инструктивный, вызываемый рецепторами смерти, и митохондриальный, обусловленный повышенной проницаемостью мембран. Между ними существует взаиморегуляция, что позволяет надежнее достигать конечного эффекта.
В итоге активированные тем или иным путем каспазы протеолитически расщепляют ключевые структурные компоненты клетки, что приводит к фрагментации ДНК и деструкции клетки. При этом цитоппазматический и ядерный скелеты разрушаются, хромосомы деградируют, ядро фрагментируется, но без разрыва клеточной мембраны.
Поэтому такая клетка может быть утилизирована фагоцитами и соседними клетками, и даже массовая их гибель не приводит к каким-либо патологическим процессам. Процесс протеолиза продолжается 30-120 минут, затем сморщенная клетка поглощается макрофагами и исчезает обычно в течение 24 часов (рис. 3.13).
Рис. 3.13. Фагоцитоз апоптотической клетки макрофагом [Фильченков А.А., Стойка Р.С., 1999]. 1 - фрагментированное ядро; 2 - фрагменты цитоплазмы (апоптотические тельца): 3 - фрагменты апоптотической клетки захвачены макрофагом.
Задачей апоптоза является утилизация фрагментов клетки пока ее содержимое не попало во внеклеточную среду и не вызвало воспалительного процесса. Внешние морфологические проявления апоптотической гибели клеток в виде кариопикноза (сморщивание ядра), кариорексиса (распад ядра на части), конденсации (сжатия) клетки и др. были известны давно и только в последнее время показано, что это частные проявления апоптоза. Вокруг клеток, подвергшихся апоптозу, воспалительный процесс не возникает.
Гибель клеток по типу апоптоза следует отличать от некроза - другой формы гибели клеток организма. Некроз инициируется нефизиологическими агентами, а апоптоз - и физиологическими, и нефизиологическими. В отличие от некроза, апоптоз встречается не только в патологически измененных, но и нормальных тканях.
Некроз происходит в случае, когда клетки подвергаются действию экстремальных факторов и поэтому его можно назвать патологической гибелью. При некрозе морфологические изменения как реакция на летальное повреждение клетки, почти всегда начинается с повреждения плазматической мембраны, что не бывает при апоптозе.
Из-за разрыва мембраны в клетку из внеклеточного пространства поступают молекулы воды и ионов и вызывают набухание структур. Одновременно попадание содержимого цитоплазмы (в том числе лизосомальных ферментов) во внеклеточное пространство вызывает повреждения тканей и развитие выраженного воспалительного процесса, что не происходит при апоптозе.
Кроме того, при апоптозе отмирают одиночные клетки, а при некрозе - их группы. Уничтожение клеток путем апоптоза по сравнению с некрозом обеспечивает минимальное повреждение тканей. Между этими процессами имеются и другие различия. На рисунке 3.14 схематически представлены две формы гибели клеток.
Рис. 3.14. Схематическое представление о двух формах гибели клеток [по Wyllle А. и соавт., 1998].
Как и другие физиологические процессы, апоптоз регулируется большим числом генов. Ключевая роль в запуске программы апоптоза принадлежит гену-cупpeccopy р53. Вследствие особой значимости р53 был назван геном XX века. р53 поддерживает стабильность генетического аппарата и осуществляет контроль над клеточным циклом.
В норме, при повреждениях структуры ДНК или других формах генотоксического стресса отмечается быстрая активация р53. Его белок блокирует клеточный цикл в фазе G1 до удвоения ДНК и митоза, инициирует и участвует в процессах репарации ДНК. Это позволяет клетке восстанавливать поврежденный участок ДНК, что предотвращает появление мутантных клеток.
При тяжелых неустранимых повреждениях р53 запускает программу апоптоза и тем самым предупреждает патологическую пролиферацию. Важно подчеркнуть, что р53-зависимый апоптоз элиминирует из организма не только поврежденные, но и те клетки, в которых наблюдается нерегулируемая стимуляция пролиферации.
Если р53 мутирует, он инактивируется и перестает запускать апоптозный каскад, что дает возможность сохраняться клеткам с поврежденной ДНК во время митоза, а это в свою очередь приводит к выживанию клеток, подвергшихся опухолевой трансформации (рис 3.15).
Рис. 3.15. Регулирующее влияние антионкогена р53 . Повреждение гена создает условия для патологической клеточной пролиферации.
Предполагается, что увеличение частоты неоплазии с возрастом связано не с накоплением мутаций в геноме клеток, а с возрастными нарушениями системы репарации ДНК.
Естественно, апоптоз рассматривается как мощная противоопухолевая защита. Угнетение процесса резко облегчает превращение нормальной клетки в раковую, так как в неспособных к апоптозу клетках легко будут накапливаться различные мутации.
Такие клетки-мутанты, несмотря на повреждения ДНК, будут продолжать активно размножаться. Накопление критического количества мутаций неизбежно приведет к появлению неоппастической клетки и формированию злокачественной опухоли (рис. 3.16).
Рис. 3.16. Нарушение процессов пролиферации (П) и апоптоза (А) клеток при онкогенезе [Фильченков А.А., Стойка Р.С., 1999].
Приобретенная резистентность к апоптозу является признаком большинства, если не всех опухолевых клонов. Уход от апоптоза резко повышает жизнеспособность неопластической клетки, делает ее менее чувствительной к факторам противоопухолевого иммунитета и терапевтическим воздействиям. Опухолевые клетки приобретают резистентность к апоптозу различными путями.
На сегодня установлено, что к ослаблению индукции апоптоза могут привести потеря экспрессии на поверхности клетки рецептора смерти Fas; нарушения проведения апоптогенного сигнала к митохондриям и ингибирование проницаемости митохондриальной мембраны для цитохрома С; блокирование активации и/или резкое уменьшение времени жизни казнящих каспаз.
Очевидно, наряду с белками, включающими апоптоз, есть белки, препятствующие ему, и между теми и другими существует тонкий баланс. Гены, способствующие апоптозу, относятся к генам-супрессорам (кроме р53, ВАХ, PML и др.). Гены, блокирующие работу этого защитного механизма - к протоонкогенам (BCL1, BCL2 и др.).
Последние при их активации нейтрализуют апоптозную активность и будут резко увеличивать появление постоянно пролиферирующих мутантных клеточных клонов, а, следовательно, и вероятность последующего развития из них злокачественных опухолей.
Считается, что соотношение количества различных форм онкобелков группы BCL и р53 определяет реостат жизни и смерти клетки. В связи с этим следует заметить, что вследствие существования механизма апоптоза принципиально невозможно достигнуть бессмертия организма.
С течением времени наступает атрофия клеток органов, регуляторов жизнедеятельности организма и развивается ряд заболеваний, которые объединяют общим названием -
Явления запрограммированной клеточной гибели известны уже более 100 лет, но оставались «в тени» некробиотических процессов, которые на протяжении десятилетий изучались намного более активно, чем программируемая гибель. Этот вид клеточной гибели представляет собой важнейший интегральный компонент эмбриогенеза, морфогенеза и роста тканей, а также гормонозависимой инволюции. Он, наряду с лизосомальнойаутофагией , участвует в механизмах таких клеточных адаптации, какатрофия (уменьшение размеров клеток и числа функционирующих структур в них при сохранении жизнеспособности клетки) игипоплазия (уменьшение органа вследствие уменьшения числа клеток в нем при сохранении его жизнеспособности).
Так, например, показано, что инволютивные изменения в коре надпочечников после гипофизэктомии тормозятся актиномицином Д, а, значит, представляют собой активный процесс реализации некой программы саморазборки клеток.
Для обозначения процесса запрограммированной клеточной гибели, морфологически и патохимически отличного от некробиоза, предложен термин «апоптоз». Основатели учения об апоптозе, в частности, Дж. Керр и соавт, считали понятия «запрограммированная клеточная гибель» и «апоптоз» равнозначными. В последнее время имеется тенденция применять первый термин к процессам устранения клеток в раннем онтогенезе, а понятие апоптоз относить только к программируемой гибели зрелых дифференцированных клеток. Так, указывают на наличие аутофагии и отсутствие разрывов ДНК при эмбриональной клеточной гибели, в отличие от апоптоза зрелых клеток.
Вопрос о соотношении некробиоза и апоптоза и о приуроченности этих механизмов к естественной либо насильственной гибели клеток нуждается в обсуждении. Было бы упрощением сказать, что апоптоз – это исключительно процесс естественной гибели клеток, а некробиоз – насильственной. Деление на эти два процесса далеко не абсолютно. Выше, обсуждая паттерны некробиоза, мы уже много раз вынуждены были упоминать об апоптозе, так как между этими процессами много общего. Дело в том, что в ответ на минимальное повреждение или повреждение, не вызывающее быстрого развития глубокой гипоксии и выраженного энергодефицита, клетки могут включать специальную программу самоуничтожения и реагировать апоптозом. В этом случае, например, при действии ионизирующего излучения или вируса СПИДа, смерть клетки насильственна, но механизм ее не некробиотический, а апоптотический. Тельца Каунсильмена, обнаруживаемые при вирусном гепатите в печени, представляют собой результат апоптоза гепатоцитов под воздействием вирус-индуцированного повреждения. Это также насильственная гибель, но механизм ее не связан с быстропрогрессирующей гипоксией и позволяет клетке успеть включить программу саморазборки. Не подлежит сомнению насильственный характер гибели клеток-мишеней под воздействием фактора некроза опухолей. Однако, несмотря на свое категоричное название, данный биорегулятор вызывает в таргетных клетках не только некроз, но и апоптоз. При реализации некробиоза и апоптоза функционируют многие общие механизмы, например, увеличение цитоплазматической концентрации ионизированного кальция и образование свободных активных кислородных радикалов. Более того, при большей силе и интенсивности действия апоптогенный стимул может вызвать некробиоз, очевидно, вследствие того, что прогрессирующий энергодефицит не дает возможности клеткам реализовать энергетически «дорогую» динамику апоптоза.
Таблица 1
Типовые характеристики основных способов гибели клетки.
|
Некробиоз и некроз |
||
|
Морфологическая картина |
Конденсация и фрагментация цитоплазмы, конденсация и рексис ядра, аутофагия митохондрий, мембраны долго остаются стабильными. Нет перифокального воспаления и демаркации. Формируются апоптозные тельца, которые фагоцитируются. |
Кариопикноз или кариолизис, набухание и последующее сморщивание и кальциноз в митохондриях, раннее разрушение мембран, аутолиз клетки, перифокальное воспаление, демаркационный вал |
|
Патохимия |
Нет выраженного энергодефицита, упорядоченные межнуклеосомные разрывы ДНК, синтез БТШ, АРО-1 и других специальных белков, активация эндонуклеазы. Фрагментация цитоплазмы при участии цитоскелета. Тормозится блокаторами кальциевых каналов и актиномицином Д-1. |
Выраженный энергодефицит, гипергидратация клетки, ацидоз, гидролиз, диффузная деградация хроматина. Прекращение белкового синтеза. Парез и агрегация элементов цитоскелета. |
|
Этиология |
Воздействие умеренно сильных повреждений и специальные не повреждающие триггерные сигналы (гормоны, цитокины) |
Воздействие мощных экстремальных факторов |
Если некробиоз всегда сопровождается освобождением в окружающую ткань, а при массивном поражении – и в системный кровоток, медиаторов воспаления, в частности, липидных продуктов деструкции клеточных мембран, то апоптоз протекает без лейкоцитарной демаркации и перифокального воспаления, так как его механизм позволяет избежать значительного выделения медиаторов клеточного повреждения. Издание в 1996 году всеобъемлющей монографии, посвященной апоптозу, облегчает нашу задачу и делает возможным охарактеризовать в данной книге лишь наиболее общие и патофизиологически важные аспекты этой проблемы.
1. Устранение клеток в раннем онтогенезе.
2. Физиологическая инволюция и уравновешивание митозов в зрелых тканях и клеточных популяциях
3. Реализация процессов атрофии и регрессия гиперплазии
4. Альтруистический суицид мутантных и пораженных вирусами клеток
5. Клеточная гибель после слабого воздействия агентов, вызывающих при массированном поражении некроз.
Чтобы более наглядно представить отличия некробиоза и апоптоза, авторы предлагают подробно изучить приводимую таблицу.
Важно отметить, что некроз происходит после насильственной гибели клетки в результате каких-либо причин, вызывающих глубокую тканевую гипоксию, и всегда содержит литический компонент в виде либо лизосомального аутолиза, либо гетеролиза, вызываемого гидролазами фагоцитов. По современным представлениям, аутолиз при гибели клетки носит посмертный характер, а не является элементом некробиоза. Тем не менее, раннее и значительное повреждение клеточных мембран – неотъемлемая часть процессов некробиоза, и практически не наблюдается при апоптозе.
Апоптоз – генетически управляемый процесс, который может быть включен различными пусковыми сигналами без какого-либо существенного предварительного повреждения исполнительного аппарата клетки, хотя может и включиться после умеренного повреждения как альтруистическое самоубийство. Устранение клеток без повреждения возможно и при экспрессии антигена стареющих клеток. Возможно, что эти механизмы «ухода без скандала» комбинируются и/или взаимодействуют.
Принципиально важно, что при неспособности вступить в апоптоз возникает неограниченно пролиферирующий клон клеток, что ведет к серьезным нарушениям в многоклеточном организме и наблюдается, например, при онкологических заболеваниях. До сих пор в данной книге мы часто упоминали об относительной полезности и потенциальной патогенности различных запрограммированных защитных процессов и приводили примеры такой «вредной полезности». В данном случае мы видим основное противоречие патофизиологии, как бы, в обратном ракурсе. Иными словами, апоптоз в клеточном цикле выступает как минимальное запрограммированное зло и также иллюстрирует основное положение наших рассуждений, так как является приспособительной смертью, гибелью по программе и своего рода «полезным вредом» в чистом виде. В любом случае, наблюдения за злокачественными клетками, утратившими под действием онкогенов способность к апоптозу, доказывают, что для клеток утрата способности вовремя умереть – большое зло.
Апоптоз может начаться как ответ генов, программирующих клеточную саморазборку, на рецепторно-опосредоваиный сигнал (например, при стимуляции соответствующими биорегуляторами рецепторов ФНОили глюкокортикоидного рецептора лимфоцитов).
Не только ФНО и глюкокортикоиды, но и почти все цитокины, включая 13 интерлейкинов и 3 интерферона могут быть кодовыми сигналами апоптоза, причем в одних клетках они его запускают, а в других – ингибируют. Тканеспецифические факторы роста и гемопоэтины являются ингибиторами апоптоза для своих клеток-мишеней. Тропные гормоны гипофиза оказывают свой трофический эффект на железы-мишени также путем ингибирования апоптоза.
Сигнал может оказывать на клетку разнонаправленное в отношении апоптоза действие в зависимости от исходного состояния мишени, как это описано выше для ФНО.
В роли генетических индукторов апоптоза, срабатывающих в ответ на рецепторный сигнал, могут выступать гены FAS/АРО-1, с-мус, мах, р53,ced-З и другие. Подавление экспрессии некоторых генов, например,bcl-2, также вызывает апоптоз. Детальное изучение механизмов, с помощью которых продукты этих генов запускают или сдерживают апоптоз, только начато. Однако уже выяснено, что они могут усиливать образование активных кислородных радикалов (как белок АРО-1, гомологичный рецептору фактора некроза опухолей), регулировать перенос кальция в цитоплазму (как продукт генаbcl-2), запускать нейтральные протеазы цитозоля (как продукт генаced-3), связываться с ДНК (как димер белков мус-мах).
Принципиально важно, что апоптоз может быть индуцирован даже в безъядерных постклеточных структурах. Следовательно, первичным звеном апоптоза могут быть не только ядерные события, но и определенные метаболические изменения в цитоплазме или активация долгоживущих матричных РНК, как в случае с антигеном стареющих клеток.
Инициировать апоптоз могут активные кислородные радикалы (АКР). При умеренных повреждениях клетки в отсутствие гипоксии происходит редукция трансмембранного потенциала митохондрий и генерация ими АКР. Если антиоксидантные системы клетки не компенсируют сдвига редокс-потенциала, процесс прогрессирует. При условии отсутствия выраженного энергодефицита и сохранности генетического аппарата реализуется апоптоз, но глубокая гипоксия и выраженные повреждения ДНК инициируют некробиоз. При развитии апоптоза АКР изменяют условия взаимодействия кальция с кальмодулином и способствуют нарастанию цитоплазматической и внутриядерной активности (а при блокаде гена bcl-2 – и росту внутриклеточной концентрации) кальция.
Кальций-зависимое звено механизма апоптоза активирует кальпаины, что ведет к протеолизу белков цитоскелета, образованию цитоплазматических выпячиваний, разрушению межнуклеосомных связей в ядре. Активируется кальцийзависимая эндонуклеаза. Это провоцирует упорядоченные межнуклеосомные разрывы хроматина и фрагментацию ядра. Кальций-зависимая трансглютаминаза агрегирует цитозольные белки. Конечным этапом процесса служит распад клетки на апоптотические тельца и их аутофагоцитоз.
Сайт предоставляет справочную информацию исключительно для ознакомления. Диагностику и лечение заболеваний нужно проходить под наблюдением специалиста. У всех препаратов имеются противопоказания. Консультация специалиста обязательна!
Что такое апоптоз?
Апоптоз – физиологическая смерть клетки, представляющая собой своеобразную генетически запрограммированную самоликвидацию.Термин "апоптоз" в переводе с греческого означает "опадающий". Авторы термина дали такое название процессу запрограммированной смерти клеток потому, что именно с ним связано осеннее опадание увядших листьев. Кроме того, само название характеризует процесс как физиологический, постепенный и абсолютно безболезненный.
У животных в качестве наиболее яркого примера апоптоза, как правило, приводят исчезновение хвоста у лягушки во время метаморфозы из головастика во взрослую особь.
По мере взросления лягушонка хвост полностью исчезает, поскольку его клетки подвергаются постепенному апоптозу – запрограммированной смерти, и поглощению деструктированных элементов другими клетками.
Явление генетически запрограммированной гибели клеток встречается у всех эукариотов (организмов, клетки которых имеют ядро). Прокариоты же (бактерии) имеют своеобразный аналог апоптоза. Можно сказать, что данный феномен характерен для всего живого, за исключением таких особых доклеточных форм жизни, как вирусы .
Апоптозу могут подвергаться как отдельные клетки (как правило, дефектные), так и целые конгломераты. Последнее особенно характерно для эмбриогенеза. К примеру, опыты исследователей доказали, что благодаря апоптозу во время эмбриогенеза исчезают перепонки между пальцами на лапках у цыплят.
Ученые утверждают, что у человека такие врожденные аномалии, как сросшиеся пальцы на руках и ногах, также возникают вследствие нарушения нормального апоптоза на ранних стадиях эмбриогенеза.
История открытия теории апоптоза
Изучение механизмов и значения генетически программируемой клеточной смерти началось еще в шестидесятых годах прошлого века. Ученых заинтересовал тот факт, что клеточный состав большинства органов на протяжении жизни организма практически одинаков, а вот жизненный цикл различных типов клеток значительно отличается. При этом происходит постоянная замена многих клеток.Таким образом, относительное постоянство клеточного состава всех организмов поддерживается динамическим равновесием двух противоположных процессов – клеточной пролиферации (деление и рост) и физиологического отмирания отживших клеток.
Авторство термина принадлежит британским ученым – Дж. Керру, Э. Уайли и А. Керри, которые впервые выдвинули и обосновали концепцию о принципиальном различии физиологической смерти клеток (апоптоз), и их патологической гибели (некроз).
В 2002 году ученые из кембриджской лаборатории, биологи С. Бреннер, Дж. Салстон и Р. Хорвиц, получили Нобелевскую Премию по физиологии и медицине за раскрытие основных механизмов генетической регуляции развития органов и исследования программируемой клеточной смерти.
Сегодня теории апоптоза посвящены десятки тысяч научных работ, раскрывающие основные механизмы его развития на физиологическом, генетическом и биохимическом уровнях. Ведется активный поиск его регуляторов.
Особенно большой интерес представляют исследования, дающие возможность практического применения регуляции апоптоза при лечении онкологических, аутоиммунных и нейродистрофических заболеваний.
Механизм
Механизм развития апоптоза на сегодняшний день до конца не изучен. Доказано, что процесс может индуцироваться малыми концентрациями большинства веществ, вызывающих некроз.Однако в большинстве случаев генетически запрограммированная гибель клеток происходит при поступлении сигналов от молекул – клеточных регуляторов, таких как:
- гормоны;
- антигены;
- моноклональные антитела и др.
Характерно, что сигналом к развитию апоптоза может быть как наличие активирующих веществ, так и отсутствие некоторых соединений, препятствующих развитию запрограммированной смерти клетки.
Ответ клетки на сигнал зависит не только от его силы, но и от общего исходного состояния клетки, морфологических особенностей ее дифференцировки, стадии жизненного цикла.
Одним из базовых механизмов апоптоза на стадии его реализации является деградация ДНК, в результате чего происходит фрагментация ядра. В ответ на повреждение ДНК запускаются защитные реакции, направленные на ее восстановление.
Неудачные попытки восстановить ДНК приводят к полному энергетическому истощению клетки, что и становится непосредственной причинной ее гибели.
Механизм апоптоза - видео
Фазы и стадии
Различают три физиологические фазы апоптоза:1. Сигнальная (активация специализированных рецепторов).
2. Эффекторная (формирование из разнородных эффекторных сигналов единого пути апоптоза, и запуск каскада сложных биохимических реакций).
3. Дегидратационная (букв. обезвоживание – гибель клетки).
Кроме того, морфологически выделяют две стадии процесса:
1.
Первая стадия – преапоптоз
. На этой стадии происходит уменьшение размеров клетки за счет ее сморщивания, возникают обратимые изменения в ядре (уплотнение хроматина и скопление его по периферии ядра). В случае воздействия некоторых специфических регуляторов апоптоз может быть остановлен, и клетка возобновит свою нормальную жизнедеятельность.
2.
Вторая стадия – собственно апоптоз. Внутри клетки происходят грубые изменения во всех ее органеллах, однако наиболее значимые превращения развиваются в ядре и на поверхности ее внешней мембраны. Клеточная мембрана теряет ворсинки и обычную складчатость, на ее поверхности формируются пузырьки – клетка как бы кипит, и в результате распадается на так называемые апоптические тельца, поглощаемые тканевыми макрофагами и/или соседними клетками.
Морфологически определяемый процесс апоптоза занимает, как правило, от одного до трех часов.
Некроз и апоптоз клетки. Сходство и различие
Терминами некроз и апоптоз обозначают полное прекращение жизнедеятельности клетки. Однако апоптозом обозначают физиологическое отмирание, а некрозом – ее патологическую гибель.Апоптоз является генетически запрограммированным прекращением существования, то есть по определению имеет внутреннюю причину развития, в то время как некроз происходит в результате воздействия сверхсильных внешних, по отношению к клетке, факторов:
- недостаток питательных веществ;
- отравление токсинами и т.п.
Кроме того, гибель клетки при процессах некроза и апоптоза отличается морфологически – первый характеризуется её набуханием, а при втором происходит сморщивание клетки, и уплотнение ее мембран.
Во время апоптоза происходит гибель клеточных органелл, однако мембрана сохраняется в целостности, так что образуются, так называемые, апоптические тельца, которые впоследствии поглощаются специализированными клетками – макрофагами или клетками-соседями.
При некрозе происходит разрыв клеточной мембраны, и содержимое клетки выходит наружу. Начинается воспалительная реакция.
Если некрозу подверглось достаточно большое количество клеток, воспаление проявляется известными с древности характерными клиническими симптомами , такими как:
- боль;
- покраснение (расширение сосудов в области поражения);
- припухлость (воспалительный отек);
- местное, а иногда и общее повышение температуры ;
- более или менее выраженное нарушение функции органа, в котором произошел некроз.
Биологическое значение
Биологическое значение апоптоза заключается в следующем:
1. Осуществление нормального развития организма в период эмбриогенеза.
2. Предотвращение размножения мутировавших клеток.
3.
Регуляция деятельности иммунной системы.
4.
Предотвращение преждевременного старения организма.
Данный процесс играет ведущую роль в эмбриогенезе, поскольку многие органы и ткани претерпевают значительные трансформации во время эмбрионального развития. Многие врожденные дефекты возникают вследствие недостаточной активности апоптоза.
Как запрограммированная самоликвидация дефектных клеток, данный процесс является мощной природной защитой против онкологических заболеваний. Так, к примеру, вирус папилломы человека блокирует клеточные рецепторы, ответственные за апоптоз и, таким образом, приводит к развитию рака шейки матки и некоторых других органов.
Благодаря данному процессу происходит физиологическая регуляция клонов Т-лимфоцитов , ответственных за клеточный иммунитет организма. Клетки, неспособные распознавать белки собственного организма (а таких в общей сложности созревает около 97%), подвергаются апоптозу.
Недостаточность апоптоза приводит к тяжелым аутоиммунным заболеваниям, в то время как его усиление возможно при иммунодефицитных состояниях. К примеру, тяжесть течения СПИДа коррелирует с усилением данного процесса у Т-лимфоцитов.
Кроме того, этот механизм имеет большое значение для функционирования нервной системы: он ответственен за нормальное формирование нейронов, и он же может вызывать раннее разрушение нервных клеток при болезни Альцгеймера .
Одна из теорий старения организма – теория апоптоза. Уже доказано, что именно он лежит в основе преждевременного старения тканей, где гибель клеток остается невосполнимой (нервная ткань, клетки миокарда). С другой стороны, недостаточный апоптоз может способствовать накоплению в организме стареющих клеток, которые в норме физиологически отмирают, и заменяются новыми (раннее старение соединительной ткани).
Роль теории апоптоза в медицине
Роль теории апоптоза в медицине заключается в возможности поиска путей регуляции этого процесса для лечения и профилактики многих патологических состояний, вызванных ослаблением или, наоборот, усилением апопоптоза.Исследования ведутся одновременно во многих направлениях. Прежде всего, следует отметить научные изыскания в такой значимой области медицины, как онкология . Поскольку опухолевый рост вызван дефектом генетически запрограммированной гибели мутировавших клеток, изучается возможность специфической регуляции апоптоза, с повышением его активности в опухолевых клетках.
Действие некоторых химиотерапевтических препаратов, широко применяемых в онкологии, основано на усилении процессов апоптоза. Так как опухолевые клетки более склонны к данному процессу, подбирается доза вещества, достаточная для гибели патологических клеток, но относительно безвредная для нормальных.
Также чрезвычайно важны для медицины исследования, изучающие роль апоптоза в дегенерации ткани сердечной мышцы под влиянием недостаточности кровообращения. Группа китайских ученых (Lv X, Wan J, Yang J, Cheng H, Li Y, Ao Y, Peng R) опубликовала новые экспериментальные данные, которые доказывают возможность искусственного снижения апоптоза в кардиомиоцитах при введении определенных веществ-ингибиторов.
Если теоретические исследования на лабораторных объектах удастся применить в клинической практике – это будет большой шаг вперед в борьбе с ишемической болезнью сердца . Данная патология занимает первые позиции среди причин смерти во всех высокоразвитых странах, так что переход от теории к практике трудно было бы переоценить.
Еще одно весьма перспективное направление – разработка методов регуляции данного процесса для замедления старения организма. Теоретические исследования ведутся в направлении создания программы, сочетающей повышение активности апоптоза стареющих клеток, и одновременного усиления пролиферации молодых клеточных элементов. Здесь достигнуты определенные успехи на теоретическом уровне, однако до перехода от теории к практическим решениям еще далеко.
Кроме того, масштабные научные исследования проводятся в следующих направлениях:
- аллергология;
- иммунология;
- терапия инфекционных заболеваний;
- трансплантология;
Министерство Образования Российской Федерации
Удмуртский Государственный Университет
"Апоптоз"
Выполнила: Пермитина Л.А.
Студентка 5 курса БХФ
Ижевск, 2015
Морфологические проявления апоптоза
Сжатие клетки
Конденсация хроматина
Формирование в цитоплазме полостей и апоптотических телец
Механизм апоптоза
Регуляция апоптоза
Автономный механизм апоптоза
Снижение апоптоза
Ускорение апоптоза
Значение апоптоза в развитии организма и патологических процессах
Список литературы
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 избавляет организм от ослабленных, ненужных или повреждённых клеток. Ежедневно, примерно около 5% клеток организма подвергаются апоптозу, а их место занимают новые клетки. В процессе апоптоза клетка исчезает бесследно в течение 15-120 минут.
Апоптоз - это биохимически специфический тип гибели клетки, который характеризуется активацией нелизосомных эндогенных эндонуклеаз, которые расщепляют ядерную ДНК на маленькие 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, пример - опухолевый рост. При увеличении апоптоза наблюдается прогрессивное уменьшение количества клеток в ткани, пример - атрофия.
Морфологические проявления апоптоза
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. К тому же апоптоз - в отличие от некроза - никогда не сопровождается воспалительной реакцией, что также затрудняет его гистологическое выявление.
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 (рис.1):
Рис.1. Последовательность ультраструктурных изменений при апоптозе (справа) и некрозе (слева): 1 - нормальная клетка; 2 - начало апоптоза; 3 - фрагментация апоптотической клетки; 4 - фагоцитоз апоптотических телец окружающими клетками; 5 - гибель внутриклеточных структур при некрозе; 6 - разрушение клеточной мембраны.
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 изучен достаточно хорошо. Он 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. Однако еще не установлено, каким образом после расщепления ДНК эндонуклеазой происходит конденсация хроматина.
Апоптоз — это генетически запрограммированное самоубийство клетки. Данный процесс может происходить в различных ситуациях, прежде всего в процессе эмбрионального развития либо в случаях серьёзных повреждений генетического материала при воздействии на клетки специфических сигналов, побуждающих их к самоуничтожению.
Смерть живой клетки может произойти двумя путями — апоптоза или некроза. Хотя конечный результат обоих процессов для клетки одинаков, в их протекании наблюдаются существенные различия. Некроз — это спонтанное, неконтролируемое омертвение клеток и тканей под воздействием неблагоприятных механических, физических или химических факторов, а вот апоптотическая гибель клетки является следствием активации ряда белковых соединений, транскрипционных и генных факторов.
Важным различием между некрозом и апоптозом является и тот факт, что при некрозе происходит совершенно беспорядочная фрагментация ДНК, за которой следует её необратимый структурно-функциональный распад и выброс содержимого омертвевшей клетки наружу. Частицы мёртвых клеток вылавливаются специализированными клетками иммунной системы, и эта защитная реакция организма сопровождается острым воспалительным процессом в области некроза. Апоптоз же затрагивает одиночные клетки, не распространяясь на целые участки тканей.
Апоптоз как генетически запрограммированное самоубийство клетки играет ключевую роль в ряде процессов развития организма, его нормальной жизнедеятельности и регенерации тканей. Данное явление повсеместно используется живыми организмами в целях контролируемой ликвидации клеток на разных стадиях развития особи. Апоптоз играет жизненно важную роль в развитии нервной системы. Он же, в частности, делает возможным формирование частей тела в результате отмирания ненужных участков тканей; так, наши ладони формируются именно путём разрушения клеток в межпальцевых промежутках. Как показывают исследования, апоптоз приобретает ключевое значение по завершении процессов развития организма, обеспечивая планомерную замену старых клеток новыми и регулируя их численность в соответствии с потребностями зрелого организма.
К известным примерам гормон-зависимой апоптотической гибели клеток относится отторжение эндометрия во время менструального цикла, атрофия простаты после кастрации и регрессия молочной железы после прекращения лактации. Кроме того, апоптоз выполняет важную защитную функцию, помогая организму избавляться от опасных для него клеток, образующихся в процессе онтогенеза, в том числе клеток злокачественных опухолей или инфицированных вирусами.
Сегодня считается, что формирование механизма апоптотической гибели клеток является одним из самых ранних и фундаментальных достижений эволюции, результатом которой стало появление всё более сложных многоклеточных организмов. Хотя апоптоз еще не раскрыл учёным всех своих тайн, основные его этапы уже достаточно хорошо изучены. Первой легко узнаваемой стадией этого процесса является сжатие клетки и конденсация хроматина на одном из полюсов мембраны клеточного ядра.
При этом образуются чётко очерченные плотные массы различной формы и размеров. На следующей стадии происходит конденсация цитоплазмы и формирование в ней полостей, что приводит к образованию углублений в гладкой поверхности клеточной мембраны и, в конечном счете, к фрагментации клетки. Характерные морфологические изменения в апоптотических клетках сопровождаются каскадом весьма сложных биохимических реакций, в которых участвует большое число специализированных белковых соединений. Хотя запуск программы апоптоза сопряжен с активированием или распадом многих клеточных белков, а набор участвующих в этом процессе генов и белков может изменяться в зависимости от типа клетки и сигнала, индуцирующего её самоуничтожение, существует строго определенная группа белков, без которых апоптоз был бы вообще невозможен.
Они состоят из двух элементов разной величины. По характеру выполняемых функций данные белки можно отнести к типу внутриклеточных протеолитических ферментов, переваривающих другие белки. Они вступают в действие по каскадной схеме — активация одной частицы пробуждает следующие за нею по цепочке, необратимо ставя клетку на путь апоптоза. С усилением активности происходит фрагментация определенных белков. Одни из них при этом разрушаются и активируются, а другие в результате отсечения определённых фрагментов обретают способность расщеплять ДНК в клеточном ядре. Сигнал к активации особых белков и запуску программы самоуничтожения клетки могут подать самые разные факторы. К важнейшим из них принадлежат ионизирующее излучение, свободные кислородные радикалы, недостаток факторов роста, некоторые антитела и фактор некроза опухолей. В зависимости от характера фактора, его интенсивности, длительности воздействия и типа клетки рано или поздно происходит запуск программы её самоуничтожения.
Видео — механизм апоптоза.
Постижение механизмов апоптоза имеет принципиальное значение не только для изучения процессов дифференциации и формирования тканей в ходе эмбрионального развития. В нормально функционирующем организме генерирование и гибель клеток находится в состоянии неустойчивого равновесия, и нарушения процессов апоптоза выступают прямой или опосредованной причиной многих заболеваний. Доказано ускорение апоптоза при синдроме приобретенного иммунодефицита. Особый интерес представляет роль апоптоза в случае инфицирования организма вирусом ВИЧ, приводящим к развитию СПИД: у больных этим тяжким недугом самоуничтожению подвергаются даже не зараженные вирусом Т-лимфоциты. Происходит это потому, что некоторые белки, закодированные генами вируса, заставляют клетки иммунной системы человека наращивать выработку белков, повышающих вероятность апоптоза даже у здоровых лимфоцитов.
Если бы удалось затормозить процесс запрограммированной гибели неинфицированных лимфоцитов, это позволило бы существенно отдалить момент проявления у больных клинических симптомов СПИД. С другой стороны, наиболее распространенной проблемой, связанной со слишком низкими темпами апоптоза, является развитие злокачественных новообразований. Опухолевые клетки попросту игнорируют сигналы, понуждающие их к самоуничтожению, каким-то образом предотвращая появление или активацию особых белков. Сегодня многие научные коллективы во всем мире работают над возможностями внедрения в опухолевые клетки активных генов, кодирующих белки, либо над синтезом химических препаратов, повышающих активность в опухолевых клетках.
Первые труды по проблемам апоптоза начали появляться в научной литературе в начале 1970 годов. Поначалу они не вызвали широкого интереса в научном сообществе, однако рубеж 10 и 11 веков ознаменовался лавинообразным ростом исследований генетически запрограммированной клеточной смерти, и ныне в научной периодике ежегодно появляются тысячи статей, посвященных разным аспектам этого явления. Добытые учеными данные, без сомнения, приближают нас к успешному лечению СПИД и злокачественных опухолей.