Апоптоз (от др.-греч απόπτωσις — опадение, ноябрь) — наиболее распространенный тип запрограммированной клеточной смерти. Другими словами — это совокупность клеточных процессов, приводящих к гибели клетки. В отличие от другого вида клеточной смерти — некроза — при апоптозе не происходит разрушения цитоплазматической клеточной мембраны и, соответственно, содержание клетки не попадает во внеклеточную среду. Характерным признаком является фрагментация ДНК в мижнуклеосомальних участках специфической ендонуклезою — CAD (caspase activated DNase) на фрагменты с размером, кратным 180-200 нуклеотидов. В результате апоптоза происходит образование апоптичних телец — мембранных везикул, содержащих цельные органеллы и фрагменты ядерного хроматина. Эти тельца поглощаются соседними клетками или макрофагами в результате фагоцитоза. Так как внеклеточный матрикс НЕ поражается клеточными ферментами, даже при большом количестве апоптозных клеток, воспаление не наблюдается.

Процесс апоптоза необходимо для физиологического регулирования количества клеток организма, для уничтожения старых клеток, для формирования лимфоцитов, которые не являются реактивными к своим антигенов (аутоантигенов), для осеннего опадения листьев растений, для цитотоксического действия Т-лимфоцитов киллеров, для эмбрионального развития организма ( исчезновения кожных перепонок между пальцами у эмбрионов птиц) и другое.

Нарушение нормального апоптоза клеток приводит к неконтролируемому размножению клетки и появления опухоли.

Термин «апоптоз» был впервые употреблен 1972 Керром, Вилли и Керри, которые описали его как дополняющий, но противоположный митоза механизм регуляции популяции животных клеток.

Значение апоптоза

Апоптоз — неотъемлемая часть жизнедеятельности большинства многоклеточных организмов. Особенно важную роль он играет в процессах развития. Например конечности четвероногих закладываются как лопатообразные вырасти, а формирование пальцев происходит благодаря гибели клеток между ними. Также подлежат апоптоза больше не нужны клетки, таким образом частности разрушается хвост у головастиков во время метаморфоза. В нервной ткани позвоночных во время эмбрионального развития более половины нейронов погибают путем апоптоза сразу же после образования.

Также апоптоз является частью системы контроля за «качеством» клеток, он позволяет разрушать те из них, которые неправильно расположены, поврежденные, нефункциональные или потенциально опасные для организма. Примером могут быть T- и B-лимфоциты, которые погибают, если не несут полезных антиген-специфических рецепторов или несут аутореактивных. Путем апоптоза также умирает большинство лимфоцитов аткивованих при инфекции после ее преодоления.

У взрослых организмов одновременно регуляция пролиферации клеток и апоптоза позволяет поддерживать стали размеры целой особи и ее отдельных органов. Например, после вживавання препарата фенобарбитал, что стимулирует пролиферацию гепатоцитов, у крыс увеличивается печень. Однако, сразу же после прекращения действия этого вещества все лишние клетки подлежат апоптоза, в результате чего размер печени возвращается к нормальному.

Также апоптоз происходит, когда клетка «чувствует» большое количество внутренних повреждений, которые она не может репаруваты. Например, в случае повреждения ДНК клетка может трансформироваться в раковую, чтобы этого не произошло она, при нормальных условиях, «кончает жизнь самоубийством». Также погибает путем апоптоза большое количество клеток инфицированных вирусами.

Маркеры апоптичних клеток

Клетки, погибают путем апоптоза, можно распознать по ряду морфологических признаков. Они становятся меньше и более плотными (пикноз), округляются и теряют псевдоподии, в них разрушается цитоскелет, распадается ядерная мембрана, хроматин конденсируется и фрагментируется. На поверхности клеток появляется большое количество пузырьков, если клетки достаточно велики, то они распадаются на окружены мембранами фрагменты — апоптические тельца.

В апоптичних клетках кроме морфологических происходит также большое количество биохимических изменений. В частности ДНК разрезается специальными нуклеазами в линкерных участках между нуклеосомами на фрагменты равной длины. Поэтому при разделении всей ДНК апоптичнои клетки с помощью электрофореза можно наблюдать характерную «лесенку». Другой метод выявления фрагментации ДНК — мечения ее свободных концов с помощью метода TUNEL (T erminal deoxynucleotidyl transferase d U TP n ick e nd l abeling).

Изменения претерпевает также и плазматическая мембрана апоптичних клеток. При нормальных условиях отрицательно заряженный фосфолипид фосфатидилсерин содержится только в ее внутреннем (возвращенном к цитозоля) слое, однако во время апоптоза он «перескакивает» в наружный листок. Эта молекула служит сигналом «съешь меня» для ближних фагоцитов. Фосфатидилсерин-индуцированное поглощение апоптичних клеток, в отличие от других типов фагоцитоза, не приводит к выделению медиаторов воспаления. Описанная изменение плазмалеммы лежит в основе еще одного метода обнаружения клеток, погибающих путем апоптоза — покраска анексином V, специфически связывается с фосфатидилсерина.

Во время гибели клеток путем апоптоза они также теряют электрический потенциал, при нормальных условиях существует на внутренних мембранах митохондрий. Это явление можно использовать для выявления апоптичних клеток с помощью положительно заряженных флуоресцентных красителей, в норме накапливаются внутри митохондрий благодаря отрицательному заряду на внутренней поверхности их внутренних мембран. Во время апоптоза уровень закрашивания митохондрий существенно снижается. Маркером апоптоза также служит высвобождение цитохрома c из митохондрий в цитозоль.

Каспазы — медиаторы апоптоза

Клеточные системы, обеспечивающие прохождение апоптоза, аналогичные у всех животных, центральное место в них занимает семья белков каспазы. Каспазы — это протеазы, имеющие в активном центре остаток цистеина, и разрезают свои субстраты по специфическому остатка аспарагиновой кислоты (отсюда название: c от cysteine ​​и asp от aspartic acid). Каспазы синтезируются в клетке в виде неактивных прокаспаз, которые могут становиться субстратами для других, уже активированных каспаз, что режут их в одном или двух местах по остатку аспартата. Два образованные фрагменты — больший и меньший — соединяются между собой, формируя димер, что ассоциирует с таким же димером. Сформированный таким образом тетрамер и является активной протеазой, может разрезать белки-субстраты. Кроме участков, соответствующих большей и меньшей субъединицам, прокаспазы иногда также содержат ингибиторные продомен, которые деградируют после отщепления.

В результате расщепления и активации одних каспазы другими формируется протеалитичний каскад, который существенно усиливает сигнал и делает апоптоз с определенного момента необратимым процессом. Те прокаспазы, которые начинают этот каскад называются инициаторным, а их сусбтраты — эффекторными. После аткивации эффекторные каспазы могут расщеплять другие эффекторные прокаспазы или белки-мишени. К машиной эффекторных каспаз, что разрушаются при апоптоза относятся в частности белки ядерной ламины, розщелення которых приводит к распаду этой структуры. Также деградирует белок, при нормальных условиях подавляет эндонуклеазы CAD, вследствие этого начинается фрагментация ДНК. Расщепляются каспазами и белки цитоскелета и межклеточной адгезии, в результате чего апоптические клетки округляются и отсоединяются от соседних клеток, и таким образом становятся легче мишенью для фагоцитов.

Набор каспазы, необходимый для прохождения апоптоза зависит от типа ткани и пути, по которому активируется клеточная смерть. Например у мышей при «выключении» гена, кодирующего эффекторную каспазу-3, апоптоз не происходит в мозге, однако нормально протекает в других тканях.

Гены прокаспаз активны в здоровых клетках, а следовательно белки необходимы для протекания апоптоза постоянно присутствуют, нужна лишь их активация для запуска клеточного суицида. В состав инициаторных прокаспаз входит длинный продомен, содержащий CARD (caspase recruitment domain, домен привлечения каспазы). CARD позволяет инициаторным прокаспазы присоединяться к адаптерных белков образуя активационные комплексы, когда клетка получает сигнал, что стимулирует апоптоз. В активационных комплексах несколько молекул прокаспаз оказываются в непосредственной близости друг друга, чего достаточно для их перехода в активное состояние, после чего они разрезают друг друга.

Два лучше изучены сигнальные пути активации каскада каспазы в клетках млекопитающих называются внешний и внутренний (митохондриальный), каждый из них использует собственные инициаторным прокаспазы.

Пути активации апоптоза

Внешний путь

Клетка может получать сигнал, индуцирует апоптоз, извне, например, от цитотоксических лимфоцитов. В таком случае активируется так называемый внешний путь (extrinsic pathway), начинающийся с рецепторов смерти. Рецепторы смерти — это трансмембранные белки, принадлежащие к семейству рецепторов фактора некроза опухолей (ФНО), например сам рецептор ФНО и рецептор смерти Fas. Они формируют гомотримеры, в которых каждый мономер имеет внеклеточный лиганд-связывающий домен, трансмембранный домен и цитоплазматический домен смерти, через адаптерные белки привлекает и активирует прокаспазы.

Лиганды рецепторов смерти также гомотримерамы. Они родственны между собой и принадлежат к семейству сигнальных молекул фактора некроза опухолей. Например, цитотоксические лимфоциты несут на своей поверхности лиганды Fas, которые могут присоединяться к рецепторам смерти Fas на плазмалемме клеток-мишеней. В таком случае внутриклеточные домены этих рецепторов соединяются с адаптерним белками (FADD, Fas-associated death domain), а те в свою очередь привлекают инициаторным прокаспазы 8 и / или 10. В результате этой серии событий формируется сигнальный комплекс, индуцирует смерть, — DISC (death inducing signaling complex). После активации в этом комплексе инициаторным каспазы разрезают эффекторные прокаспазы и запускают апоптичнои каскад.

Многие клетки синтезируют молекулы, в определенной степени защищают их от активации внешнего пути апоптоза. Примером такой защиты может быть экспрессия так называемых рецепторов-приманок (decoy receptors), имеющих внеклеточные домены связывания лигандов, однако не цитоплазматических доменов сметри, а значит, не могут запускать апоптоза и конкурируют с обычными рецепторами смерти за лиганды. Клетки также могут продуцировать белки, блокирующие внешний путь апоптоза, например FLIP, похожий по структуре к прокаспаз 8 и 10, однако не протеалитичнои активности. Он подавляет связывание инициаторных прокаспаз с комплексом DISC.

Внутренний путь

Апоптоз также может запускаться изнутри клетки, например в случае ее травме, повреждению ДНК, недостатка кислорода, питательных веществ или внеклеточных сигналов выживания. У позвоночных этот сигнальный путь называется внутренним (intrinsic pathway) или митохондриальным, ключевым событием в нем является высвобождение определенных молекул с межмембранного пространства митохондрий. К таким молекул в частности принадлежит цитохром c, что в обычных условиях входит в электрон-транспортной цепи митохондрий. Цитохром c синтезируется митохондрии и выходит из нее благодаря формированию Митохондриальный апоптоз-индуцирующий канал (МАК) и выполняет регуляторную роль до наступления морфологических изменений, связанных с апоптозом. После выхода цитохрома с, происходит его связывание с адаптерним белком Apaf (apoptotic protease actiuating factor-l), вызывая Олигомеризация последнего в колесоподибну семичленну структуру, которая называется Апоптосома. Апоптосома привлекает и активирует инициаторным прокаспазу-9, которая затем может активировать инициаторным прокаспазы.

В некоторых клетках внешний путь апоптоза должен активировать внутренний для того чтобы эффективно уничтожить клетку. Внутренний путь строго регулируется белками семьи Bcl-2.

Регуляция внутреннего пути белками семьи Bcl-2

К семейству Bcl-2 принадлежат эволюционно консервативные белки, главной функцией которых является регуляция высвобождения цитохрома c и других молекул с мижмебранного пространства митохондрий. Среди них есть про-апоптические и анти-апоптические молекулы, которые могут взаимодействовать между собой в различных комбинациях, подавляя друг друга, баланс между их активностью и определять судьбу клетки.

Сейчас известно около 20 белков из этой семьи, все они содержат хотя бы один из четырех альфа-спиральных доменов гомологии Bcl2, называемых BH1-4 (bcl2 homology). Антиапоптични белки семьи Bcl2 содержат все четыре домены, к ним относятся сам Bcl-2, а также Bcl-X L, Bcl-w, Mcl-1 и A1. Проапоптични белки делятся на две группы, члены первой из которых содержат три BH-домены (BH1-3), это в частности Bak, Bax и Bok (последний экспрессируется только в тканях репродуктивных органов). Наиболее многочисленной среди семьи Bcl-2 является вторая группа проапоптичних белков, которые содержат только домен BH3 (BH3-only), к ней относятся Bim, Bid, Bad, Bik / Nbk, Bmf, Nix / BNIP3, Hrk, Noxa, Puma.

При нормальных условиях (то есть, когда клетка не проходит апоптоза) антиапоптични белки, такие как Bcl-2 и Bcl-X L, связываются с проапоптичнимы белками BH123 (Bax и Bak) и не позволяют им полимеризоваться во внешней мембране митохондрий образуя поры. В результате действия определенного апоптичнои стимула в клетке активируются или начинают синтезироваться проапоптични белки, содержащие только домен BH3. Они в свою очередь ингибируют антиапоптични белки, снимая их угнетающее эффект на Bak и Bax, или напрямую взаимодействуют с последними и способствуют их олигомеризации и образованию пор. Вследствие пермеабилизации внешней мембраны в цитозоль попадает цитохром c, а также другие медиаторы апоптоза, такие как AIF (англ. Apoptosis inducing factor).

Например, при недостатке сигналов выживания в клетке при посредничестве MAP-киназы JNK активируется экспрессия BH3 белка Bim, что запускает внутренний путь апоптоза. В случае повреждения ДНК происходит накопление супрессора опухолей p53, который стимулирует транскрипцию генов, кодирующих BH3 белки Puma и Noxa, которые также обеспечивают прохождение апоптоза. Еще один BH3 белок — Bid обеспечивает связь между внешним и внутренним путями апоптоза. После активации рецепторов смерти и, как следствие, каспазы-8, последняя разрезает Bid с образованием усеченной формы tBid (truncated Bid), которая перемещается в митохонрий, где подавляет Bcl-2.

Видео по теме

Изображения по теме

  • Апоптоз
  • Апоптоз
  • Апоптоз