апоптоз клеток что это такое

Апоптоз – программируемая клеточная смерть

Природа снабдила клетки не только многочисленными механизмами защиты и репарации, но и целым набором «суицидальных» инструментов. Образно говоря, в каждой клетке есть своя собственная «гильотина».

Термин «апоптоз» состоит из двух греческих слов и означает в буквальном смысле «опадание листьев». Апоптозу подвергаются клетки, закончившие цикл своего развития, – стареющие, поврежденные, мутантные, инфицированные. В многоклеточных организмах апоптоз клетки задействован в процессах дифференциации и морфогенеза, а также в поддержании клеточного гомеостаза, формировании и функционировании иммунной системы.

В настоящее время продолжаются активные исследования регуляторов и активаторов апоптоза для установления более точной картины этого процесса. Хотя механизм апоптоза клетки уже установлен.

Существует множество определений понятия «апоптоз». В некоторых источниках под ним подразумевают явление программируемой клеточной смерти, сопровождаемой набором характерных цитологических признаков (маркеров апоптоза) и молекулярных процессов, имеющих различия у одноклеточных и многоклеточных организмов (то есть изменений в строении и функционировании клетки, характерных для этого процесса). Другие источники описывают клеточный апоптоз как форму гибели клетки, проявляющуюся в уменьшении ее размера, конденсации (уплотнении) и фрагментации хроматина, уплотнении наружной и цитоплазматической мембран без выхода содержимого клетки в окружающую среду.

Механизм апоптоза

Как включается в клетке программа апоптоза? Факторы и их пусковые механизмы мы можем условно разбить на две группы:

– митохондриальный механизм;
– рецепторный механизм.

Митохондриальный механизм

Возникает при неудовлетворительном состоянии клетки, которое может быть обусловлено различными видами облучения, изменением температуры, действием химических веществ, токсинов, стрессовыми ситуациями, нарушением питания клетки и недостатком кислорода в тканях.

При всем многообразии причин запуска механизм развития апоптоза однотипен. Он связан с повреждением митохондриальной мембраны, что приводит к выходу в цитоплазму цитохромов (дыхательных ферментов, прочно связанных с мембранами митохондрий, осуществляющих в клетке перенос электронов и водорода от окисляемых органических веществ к молекулярному кислороду, при этом образуется богатое энергией соединение – АТФ). Цитохром вместе с цитоплазматическим фактором APAF-1 (Apoptose protease activation factor), неактивной каспазой и АТФ составляют апоптосомальный комплекс. Фактор APAF-1 активирует каспазы (особые протеолитические ферменты, являющиеся цистеиновыми протеазами и представленные в клетке множественными вариантами). Предполагается, что эти ферменты образуют протеолитический каскад, взаимно активируя друг друга и приводя тем самым к деградации клетки. Также в реализации этих процессов участвуют митохондриальные белки семейства Всl-2.

Рецепторный механизм

Развитие апоптоза происходит постепенно. Сигнал для начала процесса клетка получает при активации особых рецепторов, находящихся на ее поверхности. В данном случае клетка вполне жизнеспособна, но с позиций целостного организма ей посылается сигнал о «самоликвидации». Рецепторы детектируют присутствие межклеточных сигналов и в ответ на это быстро запускают внутриклеточный механизм реализации апоптоза, объединяясь в особую группу – рецепторов гибели, отличающихся от других рецепторов наличием в цитоплазматической части клетки специального «домена смерти», необходимого для включения сигнала, приводящего к апоптозу. Среди таких рецепторов наиболее известен рецептор Fas, который взаимодействуя с соответствующим лигандом (лигандом FasL), трансмембранным белком Т-киллера, активируется и запускает программу смерти клетки, инфицированной вирусом.

Пролиферация клеток и апоптоз.

Другие активаторы апоптоза

Активировать апоптоз могут также различные метаболиты и гормоны: противовоспалительные цитокины, стероидные гормоны, окись азота и свободные радикалы. Все эти факторы в свою очередь вызывают чрезмерное повреждение хромосом, многочисленные разрывы ДНК, нарушения их конформации. Пусковым моментом могут стать также повреждения внутриклеточных мембран и перекисное окисление липидов.

Для более глубокого понимания механизмов регуляции необходимо упомянуть некоторые воздействия и факторы, играющие немаловажную роль в развитии апоптоза. В 90-х годах ХХ века был открыт ряд генов, участвующих в регуляции этого процесса. Один из них кодирует белок р53, являющийся активатором апоптоза. Повышение уровня белка р53 происходит в ответ на повреждения ДНК, при этом он индуцирует процесс разными механизмами: влиянием на клеточный цикл, стимуляцией экспрессии Fas-рецептора, воздействием на соседние клетки и пр. При действии белка р53 увеличивается время репарации ДНК, что защищает организм от распространения клеток с опасными мутациями. Важно подчеркнуть, что р53-зависимый апоптоз элиминирует из организма не только поврежденные клетки, но и клетки, в которых наблюдается нерегулируемая стимуляция процессов пролиферации.

Клетка подвергается апоптозу, если в ядре происходит повреждение ДНК, которое не может быть исправлено системой репарации. За данным процессом следит белок, кодируемый геном р53.

Механизм развития апоптоза: при апоптозе происходят необратимые изменения клеточной морфологии. Клетка уменьшается и фрагментируется на апоптотические тельца, при этом клеточная мембрана остается неповрежденной. Это предотвращает вытекание токсических и иммуногенных веществ в межклеточное пространство. В случае некроза клетка распухает, мембрана разрывается и содержимое клетки выходит наружу, что приводит к воспалению.

Апоптоз и некроз

Повреждение клеточных структур, ведущее к апоптозу, не должно быть чрезмерным, иначе процесс ее гибели становится неуправляемым и представляет собой уже другую форму гибели клетки – некроз.

Некроз – это патологический процесс, запускающийся в ответ на какое-либо внешнее или внутренне повреждение (инфекция, химическое воздействие, облучение, недостаточное кровоснабжение и т. д.). Некроз проявляется в набухании, денатурации и коагуляции цитоплазматических белков, разрушении клеточных органелл и, наконец, всей клетки. Основу некроза составляет нарушение целостности мембраны, обеспечивающей изоляцию клетки от внешней среды. Происходит выход лизосомальных ферментов из лизосом, которые и переваривают содержимое клетки, клетка набухает, происходит разрыв мембраны с разрушением субклеточных структур вследствие осмотического шока, при этом ДНК подвергается неконтролируемой фрагментации. Содержимое клетки выбрасывается во внеклеточную среду, где поглощается фагоцитами, что приводит к развитию воспалительной реакции в окружающих тканях.

В чем отличие некроза от апоптоза? При апоптозе размер клетки, наоборот, уменьшается, мембрана уплотняется, образуются вздутия, завершающиеся формированием клеточных фрагментов, содержащие обломки ядер (апоптические тельца). Контакты с соседними клетками ослабляются, ДНК подвергается строго упорядоченной фрагментации, поскольку ее нити обрываются только между нуклеосомами (структуры, в которых упакованы ДНК). При апоптозе сохраняется целостность мембран, органеллы выглядят морфологически интактными, а продукты дробления клетки, апоптозные тельца, представляют собой отдельные фрагменты, окруженные мембраной.

Таким образом, судьба клеток, подвергшихся апоптозу и некрозу, различна. Некротическая клетка лопается, и ее содержимое оказывается в межклеточном пространстве, вызывая повреждение соседних клеток и инициируя воспаление. Апоптические же клетки сохраняют непроницаемость и очень быстро поглощаются фагоцитами. Объясняется это тем, что на поверхности клетки в процессе апоптоза появляется ряд молекул (гликопротеины, фосфатидилсерин и др.), распознаваемых фагоцитами и служащих сигналом для осуществления фагоцитоза. Основные различия между апоптозом и некрозом отражены в таблице 1.

Таблица 1. Основные различия между апоптозом и некрозом

Показатель
Апоптоз
Некроз
Пусковой фактор
Повышение проницаемости мембран митохондрий или сигнал, воспринимаемый мембранными рецепторами
Неадекватные условия среды, токсические агенты
Скорость развития
1–4 ч
Менее часа
Причины гибели клетки
Нарушение энергетики клетки, деградация ДНК
Нарушение целостности мембраны, осмотические процессы
Изменение размера клетки
Уменьшение (сморщивание)
Увеличение (набухание)
Изменение ядра
Конденсация хроматина, фрагментация
Набухание
Изменение в цитоплазме
Конденсация цитоплазмы, уплотнение гранул
Лизис гранул
Изменение клеточной мембраны
Потеря микроворсинок, образование вздутий, уплотнений
Нарушение целостности
Состояние ДНК
Упорядоченная (межнуклеосомная) деградация
Неупорядоченная деградация
Энергозависимость
Зависит
Не зависит
Стадии апоптоза
Механизмы апоптоза сложны и многообразны. Они представляют собой сложнейший молекулярный каскад, изучением которого занимаются многие лаборатории по всему миру. Несомненная важность этих исследований в аспекте онкологии и геронтологии доказана успехами терапии онкологических заболеваний индукторами апоптоза раковых клеток.

В развитии апоптоза выделяют три стадии:

Индукция апоптоза.

Итак, апоптоз: активация процесса начинается с получения клеткой сигнала о том, что ее гибель необходима для дальнейшей жизнедеятельности организма. Индукторами апоптоза могут быть как внешние (внеклеточные) факторы, так и внутриклеточные сигналы. Сигнал воспринимается рецептором и далее последовательно передается молекулам-посредникам (мессенджерам) различного порядка и достигает ядра, где происходит включение программы клеточного «самоубийства». В ядре регистрируются первые морфологические признаки апоптоза – конденсация хроматина с формированием его осмиофильных скоплений, прилежащих к ядерной мембране. Позже появляются инвагинации (вдавления) ядерной мембраны, и происходит фрагментация ядра. В основе деградации хроматина лежит ферментативное расщепление ДНК. Сначала образуются фрагменты, включающие 700, 250, 70 тысяч пар оснований, затем – фрагменты, содержащие 30–50 тысяч пар оснований. После реализации этого этапа процесс становится необратимым.

Затем наступает межнуклеосомная дезинтеграция ДНК, то есть разрывы нитей ДНК, находящихся между нуклеосомами. Отделившиеся фрагменты ядра, ограниченные мембраной, называют апоптотическими тельцами. В цитоплазме происходит расширение эндоплазматического ретикулума, конденсация и сморщивание гранул.

Признаки апоптоза клетки

Важнейшим признаком апоптоза является снижение трансмембранного потенциала митохондрий и выход в цитоплазму различных апоптогенных факторов (цитохрома, прокаспаз, апоптоз-индуцирующего фактора). Именно нарушению барьерной функции митохондриальных мембран отводят ключевую роль в развитии многих типов апоптоза. Клеточная мембрана утрачивает ворсинчатость и образует пузыревидные вздутия. Клетки округляются и отделяются от субстрата. На поверхности клетки экспрессируются различные молекулы, распознаваемые фагоцитами, в результате чего происходит поглощение тела клетки другими клетками и его деградация в окружении лизосом фагоцитарных клеток.

Роль апоптоза в физиологических процессах организма

Современные сведения показывают, что имеется взаимосвязь между нарушениями регуляции апоптоза и целым рядом возрастных патологий и фенотипов старения. Одна из гипотез объяснения молекулярно-генетических механизмов старения организма постулирует: старение организма – это, по сути, апоптоз, старение ключевых клеток, гибель которых способна повлиять на физиологию всего организма. До сих пор идут дискуссии о роли апоптоза в процессе старения, при этом часть исследователей являются сторонниками теории клеточного апоптоза, придерживаясь мнения, что старение происходит в результате того, что в организме гибнет больше клеток, чем рождается, а отмирающие функциональные клетки заменяются соединительной тканью. Исходя из этой теории, старость – это болезнь, которую можно и нужно лечить, а программу старения организма возможно вывести из строя и тем самым выключить механизм, сокращающий нашу жизнь.

Людмила Бравинская, косметолог-методист, Одесский медицинский университет, Одесса

Источник

Апоптоз клеток что это такое

Апоптозом называется запрограммированная клеточная гибель. Этот процесс играет важную роль в росте и развитии организма, т. к. по мере созревания тканей некоторые клетки должны погибнуть, чтобы уступить место более дифференцированным и специализированным.

Если клетка не умирает и становится бессмертной, может развиться злокачественная опухоль. Впервые апоптоз был описан в 1970-е годы, но только в последнее время исследователи осознали его важную роль для развития организма, дифференцировки тканей и малигнизации.

Интерес к апоптозу возрос, когда выяснилось, что этот процесс находится под контролем генов, вовлеченных в злокачественную трансформацию, т. е. онкогенов, протоонкогенов и генов-супрессоров. Очевидно, что многие из этих генов активны во время развития организма.
Полагают, что изучение апоптоза и путей его регуляции позволит понять механизмы развития организма и старения. Утрата клеточного контроля над программированной клеточной гибелью ведет к развитию опухолей.

Стадия инициации апоптоза

Апоптоз — особый вид клеточной гибели, ответственный за устранение клеток в нормальных тканях. Тем не менее этот процесс наблюдается и при патологических процессах. Гистологически проявляется уменьшением клетки, буллезным разрушением клеточной мембраны и конденсацией клеточного ядра.

В итоге образуются апоптотические тельца, содержащие неповрежденные органеллы; окружающие клетки фагоцитируют эти тельца. Апоптоз не сопровождается воспалением, что отличает его от некроза. Последний сопровождается набуханием клетки, разрушением всех ее структур и развитием воспалительного ответа.

На молекулярном уровне при апоптозе происходит саморазрушение генома на мельчайшие фрагменты, осуществляемое ферментами самой клетки; в итоге при электрофорезе образующихся клеточных компонентов в полиакриламидном геле выявляется характерная «лестница» из фрагментов ДНК.

Стадия программирования апоптоза

Апоптоз играет важную роль в нормальном росте организма, а также в развитии и прогрессировании злокачественных опухолей. Спонтанный апоптоз встречается в злокачественных клетках и даже замедляет их рост.

Интенсивность этого процесса возрастает при облучении опухоли, проведении гормоно- и химиотерапии, при нагревании опухоли. В злокачественных опухолях апоптоз представляет механизм уничтожения клеток, в которых произошли канцерогенные изменения ДНК.

Однако если он заблокирован или подавлен мутациями контролирующих его генов, например BCL2 или ТР53, то эти клетки получают возможность свободно делиться и неограниченно накапливать мутации. Такая генетическая нестабильность — ранний этап развития злокачественных опухолей.

Стадия реализации апоптоза

Многие из современных методов лечения, например лучевая и химиотерапия, направлены на уничтожение клеток за счет повреждения их ДНК. Мутации гена BCL2 или ТР53 ухудшают эффективность лечения, т. к. подавляют клеточную гибель.

Более глубокое понимание процессов запрограммированной клеточной гибели может привести к разработке новых, более эффективных методов лечения. Ингибиторы апоптоза (например, протоонкоген BCL2) могут быть ответственны за развитие резистентности к противоопухолевым препаратам, позволяя выживать клеткам с патологической ДНК.

Вероятно, в дальнейшем будут выявлены и другие механизмы подавления апоптоза. Не следует думать, что этот процесс отражает нечто иллюзорное в биологической литературе, а термин принят только для описания отличной от некроза клеточной гибели. Апоптоз — фундаментальный процесс, контролируемый на молекулярном уровне, и можно надеяться, что его удастся расшифровать и использовать для медицинских нужд. Возможные механизмы апоптоза представлены на рисунке.

Редактор: Искандер Милевски. Дата обновления публикации: 18.3.2021

— Вернуться в оглавление раздела «Онкология»

Источник

Апоптоз

«Апоптоз» в переводе с греческого означает «опадение листьев» — в современное клеточной теории это понятие означает вид «клеточной смерти», генетически строго контролируемый процесс, зависящий как от внутренних, так и от внешних факторов.

В последнее десятилетие были открыты многие белки и молекулы, лежащие в основе механизма апоптоза, выяснена природа клеточных процессов и сигнальных каскадов, регулирующих процесс апоптоза. Ранее биологи предпочитали говорить о «программированной клеточной смерти» (синоним апоптоза), поскольку этот термин подчеркивал значимость клеточной программы в форме генов и белков, активированных во время фазы регулирования и исполнения данного вида «смерти (гибели) клеток».

Апоптоз — активный процесс, и часто ведет к активации каспазы. В отличие от некроза, при котором «смерть клетки» наступает после механического или патологического повреждения мембран и клеточных органелл и процесс которого сопровождается воспалительной реакцией с последующим выделением, участвующих в реакциях цитокинов, при апоптозе последние выделяются лишь в незначительном количестве.

С морфологической точки зрения параметры апоптоза включают в себя конденсацию хроматина и разложение ДНК на 180bp интернуклеосомальные фрагменты из-за эндонуклеазы, активированной каспазами. Во время апоптоза в клетке присутствуют фрагменты ДНК с большой молекулярной массой (50-300 kbp), отражающие активацию факторов, разрушающих ДНК, например, фактора, индуцирующего апоптоз.

С точки зрения психиатрии и неврологии представляет интерес тот факт, что некоторые субпопуляции нейронов могут иметь признаки апоптоза после различных повреждений (некроз после инсульта). Одновременное сочетание признаков некроза и апоптоза (разрушенные мембраны, фрагментированные ДНК) могут быть обнаружены в одном и том же нейроне. Более того, одни и те же химические вещества, например, каиновая кислота, стимулирующая глутаматные рецепторы нейронов и вызывающая эксайтотоксичность, могут привести как к апоптозу, так и к некрозу клетки. Вариант исхода в данном случае зависит от времени воздействия, концентрации активно действующего вещества, возраста организма и самого нейрона. Вообще нейронам свойственно подвергаться апоптозу, когда в наличие имеется достаточное количество энергии. Однако этот процесс может быть прекращен вследствие воздействия различных факторов, таких, как АТФ и функционирование митохондрий.

Уровень свободных радикалов (активных форм кислорода — АФК) играет большую роль в регуляции апоптоза с помощью вовлечения клеточных органелл, включая митохондрии. Образование АФК и оксидантный стресс участвуют в развитии нейродегенеративных заболеваний (болезнь Альцгеймера). При травме головного мозга описана парадоксальная реакция ингибирования выработки АФК одновременно с увеличением числа клеток, подвергнувшихся апоптозу.

Апоптоз происходит в нормальных пределах среди различных популяций развивающихся нейронов, однако, морфология гибнущих клеток отличается от морфологии классического апоптоза, при этом замедляется и кинетика «смерти клеток». Возможно, что нейроны могут подвергаться и апоптозу и аутофагической дегенерации во время одного и того же патологического процесса. Одновременная активация протеаз и сигнальных путей, согласованно действующих в клетке, является общим мотивом при многих заболеваниях головного мозга, сопровождающихся дисфункцией и гибелью нейронов. Некоторые авторы предлагают заменить термин «апоптоз» понятием «активная клеточная смерть» (активация клеточных процессов), а «некроз» — «пассивная клеточная смерть».

Источник

Апоптоз

Из Википедии — свободной энциклопедии

Апопто́з (др.-греч. ἀπόπτωσις «падение», от ἀπό- + πτῶσις «падение») — регулируемый процесс программируемой клеточной гибели, в результате которого клетка распадается на отдельные апоптотические тельца, ограниченные плазматической мембраной. Фрагменты погибшей клетки обычно очень быстро (в среднем за 90 минут [1] ) фагоцитируются макрофагами либо соседними клетками, минуя развитие воспалительной реакции. Морфологически регистрируемый процесс апоптоза продолжается 1—3 часа. [2] Одной из основных функций апоптоза является уничтожение дефектных (повреждённых, мутантных, инфицированных) клеток. В многоклеточных организмах апоптоз к тому же задействован в процессах дифференциации и морфогенеза, в поддержании клеточного гомеостаза, в обеспечении важных аспектов развития и функционирования иммунной системы. Апоптоз наблюдается у всех эукариотов, начиная от одноклеточных простейших и вплоть до высших организмов. В программируемой смерти прокариотов участвуют функциональные аналоги эукариотических белков апоптоза. [3]

Исследования программируемой клеточной смерти ведутся с конца 1960-х годов. Термин «апоптоз» был впервые употреблён в 1972 году в работе британских учёных — Дж. Керра, Э. Уайли и А. Керри. Одними из первых к изучению генетики и молекулярных механизмов апоптоза приступили С. Бреннер, Дж. Салстон и Р. Хорвиц, все трое в 2002 году были удостоены Нобелевской премии по физиологии или медицине за открытия в области генетической регуляции развития органов и за достижения в исследованиях программируемой клеточной смерти. В настоящее время установлены основные механизмы реализации апоптоза в эукариотических клетках, активно ведутся исследования регуляторов и активаторов апоптоза. Интерес учёных связан с возможностью применения знаний о программируемой клеточной смерти в медицине при лечении онкологических, аутоиммунных и нейродегенеративных заболеваний. [4]

В организме среднестатистического взрослого человека в результате апоптоза погибает ежедневно порядка 50—70 миллиардов клеток. Для среднестатистического ребёнка в возрасте от 8 до 14 лет число клеток, погибших путём апоптоза, составляет порядка 20—30 миллиардов в день. Суммарная масса клеток, которые на протяжении 1 года жизни подвергаются разрушению, эквивалентна массе тела человека. При этом восполнение утраченных клеток обеспечивается за счёт пролиферации — увеличения клеточной популяции путём деления. [5]

Источник

Еще раз об апоптозе

Каждый день в организме погибает большое количество клеток, а на смену им образуется равное количество новых: таково условие для поддержания клеточного гомеостаза. Удалить необходимо ненужные, старые и потенциально опасные. Одним из известных механизмов клеточной гибели является апоптоз, представляющий собой программируемый процесс.

Когда активируется апоптоз?

Физиологические ситуации:

Патологические ситуации:

Внутриклеточный протеолитический каскад

Активируют апоптоз внутриклеточные ферменты — каспазы (caspases). Они относятся к классу протеолитических ферментов (протеазы), так как расщепляют пептидные связи в белках. Буква «с» в «caspases» указывает на то, что в активном центре протеаз находится аминокислота цистеин, «asp» — на то, что расщепление последовательности аминокислот происходит после остатка аспарагиновой кислоты. Каспазы в клетке находятся в неактивной форме (в виде проферментов) и активируются только в процессе апоптоза.

Каспазами разрушается множество белков, среди которых белки ядерной пластинки и белок-ингибитор активности эндонуклеазы. Расщепление последнего ведет к тому, что эндонуклеаза начинает разрезать ДНК. Разрушаются белки цитоскелета и клеточной адгезии, которые соединяют клетки друг с другом. Такой каспазный каскад необратим.

Рисунок 1 | Разрушение каспазой ингибитора эндонуклеазы и последствия. Апоптоз может протекать по двум различным путям — по внешнему и внутреннему (митохондриальному)

Внешний путь апоптоза

Этот путь запускается при связывании лиганда с рецептором смерти, находящимся на плазматической мембране различных клеток. Рецепторы смерти (death receptors — DR) бывают нескольких видов: TNF-R1, FAS (CD95), DR3, TRAIL-R1, TRAIL-R2 и др. Все они трансмембранные белки, содержащие внеклеточную часть — лиганд-связывающий домен — и внутриклеточную часть — домен смерти.

Существует ингибиторный белок, ограничивающий внешний путь. Этот белок называется FLIP. Он похож на инициаторную каспазу, но не обладает ее функцией. FLIP с каспазой-8 образует DISC, однако каспаза-8 не становится активной и апоптотический сигнал блокируется. Этот тормозный механизм помогает предотвратить нежелательную активацию внешнего пути.

Рисунок 2 | Внешний путь апоптоза

Внутренний путь апоптоза зависит от митохондрий

Этот путь может быть запущен в ответ на повреждение ДНК, активацию онкогенов, избыток Ca 2+ в клетке, отсутствие факторов роста (пептидный или стероидный гормон, стимулирующий рост и дифференцировку клетки), неправильно сложенные белки.

Активация пути ведет к повышению проницаемости наружной мембраны митохондрий. Из-за этого в цитоплазму выходят цитохром c и другие митохондриальные белки, которые инициируют апоптоз.

В норме они находятся в межмембранном пространстве этих органелл. Ключевой белок во внутреннем пути — цитохром с (компонент электрон-транспортной цепи). Выйдя в цитоплазму, он приобретает новые функции и присоединяется к фактору апоптотической протеазы 1 (apoptotic protease activating factor-1 — Apaf1).

Так образуется колесоподобная структура — апоптосома. Апоптосома активирует инициаторные каспазы-9, в свою очередь активирующие эффекторные каспазы, что дает начало апоптозу.

Рисунок 3 | Внутренний путь апоптоза

Апоптоз-регулируемый процесс

За внутренний путь апоптоза отвечают белки семейства Bcl2. Они контролируют выход проапоптотических белков из митохондрий (например, цитохром c). Название дано в честь гена белка Bcl2, который сверхэкспрессирован в некоторых лимфомах В-клеток (B cell lymphoma). В это семейство входят более 20 белков, которые могут быть разделены в три группы на основании их функций и количестве гомологичных доменов (Bcl2 Homology).

Первая группа — проапоптотические белки, которые увеличивают выход митохондриальных белков и запуск апоптоза.

Вторая группа — антиапоптотические белки, которые подавляют апоптоз, блокируя выход митохондриальных белков. Оба вида могут связываться друг с другом в различных комбинациях, подавляя свои функции. Баланс между активностью двух видов белков определяет, выживет ли клетка или погибнет по внутреннему пути апоптоза.

Антиапоптотическая группа представлена белками Bcl2 и BclXL, которые имеют четыре BH домена (BH1-4). Эти белки находятся на наружной мембране митохондрий и сохраняют ее непроницаемость. Таким образом это предотвращает утечку цитохрома c и других белков.

Проапоптотические белки — Bax и Bak. У них есть три BH домена (BH1-3). После своей активации Bax и Bak повышают проницаемость внешней мембраны митохондрий. Возможно, это происходит путем образования канала, что позволяет белкам выходить из межмембранного пространства в цитоплазму. Bak даже в отсуствие апоптотического сигнала связан с наружной мембраной митохондрий, а Bах локализован в цитозоле и транспортируется к митохондрии только после апоптотического сигнала.

Третья группа содержит (тоже проапототические) белки Bad, Bim, Bid, Puma и Noxa. Они имеют один BH домен (BH3), третий из четырех доменов BH, поэтому и получили название BH3 only proteins. Белки BH3-only играют ключевую роль в регулировании и стимулировании апоптоза и, таким образом, служат привлекательной целью терапевтического вмешательства. Следует отметить, что BH3 домен является единственным общим доменом для всех членов семейства Bcl2. Он опосредует взаимодействия между проапоптотическими и антиапоптотические белками.

Как происходит регуляция?

Факторы роста и другие сигналы выживания стимулируют выработку антиапоптотических белков. Они ингибируют апоптоз путем связывания проапоптотических белков на митохондриальной мембране. BH3-only белки, напротив, нейтрализуют активность антиапоптотических белков, таким образом способствуя собиранию проапоптотических белков Вах и Вак на поверхности митохондрии. Это приводит к выходу митохондриальных белков наружу.

Знаменитый белок р53 часто называют «стражем генома», потому что он в ответ на повреждение ДНК запускает апоптоз. Если повреждения не могут быть исправлены, белок р53 (опухолевый супрессор) накапливается в клетке и активирует транскрипцию генов, кодирующих BH3-only белки Puma и Noxa. Также p53 действует на митохондрии и взаимодействует с антиапоптотическим белком Bcl-xL.

Белок ВН3-only Bid связует оба пути апоптоза. В норме он неактивен. Но при активации внешнего пути каспаза-8 переводит белок Bid в активную форму. Bid перемещается к наружной мембране митохондрии и ингибирует антиапоптотические белки, тем самым увеличивая сигнал смерти.

Рисунок 4 | Схема регуляции внутреннего пути апоптоза

Другие способы регуляции

Клетка использует надежные механизмы от ненужной активации каспаз. Например, защитником служит семейство белков-ингибиторов апоптоза (inhibitors of apoptosis — IAPs). У человека они представлены следующими видами: cIAP1 (BIRC2), cIAP2 (BIRC3), X-связанный IAP (XIAP) и др.

И еще о факторах выживания

Межклеточные сигналы регулируют деятельность клеток, в том числе и апоптоз. Необходим контроль, гарантирующий, что отдельные клетки ведут себя во благо всего организма, в противном случае их нужно удалить. Например, сигнальные белки, такие как Fas-лиганд, активируют рецепторы смерти и тем самым инициируют внешний путь апоптоза. Напротив, существуют факторы выживания — внеклеточные сигнальные молекулы, которые ингибируют апоптоз. Некоторые клетки требуют непрерывной сигнализации от других клеток, чтобы выживать. И это, по-видимому, помогает обеспечить жизнь только нужных клеток.

Рисунок 5 | (А) — Некоторые факторы выживания подавляют апоптоз, стимулируя выработку антиапоптотических белков, таких как Bcl2 или BclXL. (В) — Другие факторы активируют серин/треонин-протеинкиназу Akt (протеинкиназа B), которая путем фосфорилирования аминокислот серина и треонина приводит к инактивации проапоптотического белка Bad (он способствует апоптозу, так как он связывает и ингибирует Bcl2). После фосфорилирования Bad высвобождает Bcl2, который подавляет апоптоз. Активация этой протеинкиназы связана со многими злокачественными новообразованиями

Гибель нервной ткани

Рисунок 6 | Роль факторов выживания в гибели лишних нервных клеток

Каскады жизни и смерти

Каскад жизни

Факторы выживания для нейронов называются нейротрофическими факторами. Активация рецепторов нейротрофических факторов на пресинаптической мембране аксона приводит к увеличению факторов транскрипции, которые отвечают за образование антиапоптотических белков (Bcl-2, Bcl-xL), супероксиддисмутазы (подавляет повреждение клетки в результате окисления) и белков-ингибиторов апоптоза (IAP).

Каскад смерти

Рисунок 7 | Каскады жизни и смерти

Как убрать апоптотическую клетку?

Апоптоз — очень аккуратный процесс клеточной смерти. Апоптотическая клетка и ее фрагменты не разрываются и не выделяют свое содержимое, а вместо этого остаются нетронутыми. Они съедаются без следов, поэтому воспалительного ответа нет. Апоптотическую клетку поглощают фагоциты. Процесс поглощения зависит от наличия химических изменений на поверхности мембраны клетки.

К таким изменениям относится наличие фосфатидилсерина, который служит сигналом для фагоцитарных клеток. Этот фосфолипид обычно расположен только на внутренней поверхности плазматической мембраны, а при апоптозе переворачивается на наружную поверхность. Макрофаги не фагоцитируют здоровые клетки, хотя у здоровых клеток на их поверхности есть некоторый фосфатидилсерин.

Но здоровые клетки имеют еще и такие сигнальные белки на их поверхности, которые блокируют фагоцитоз. Таким образом, помимо наличия сигналов, таких как фосфатидилсерин, которые стимулируют фагоцитоз, апоптотические клетки должны инактивировать сигналы типа «не ешь меня», блокирующие фагоцитоз.

Рисунок 8 | Фагоциты удаляют апоптотическую клетку или ее части

Уклонение от апоптоза

Нарушение механизма клеточной смерти ключевой признак онкологического заболевания. Опухолевые клетки могут использовать различные механизмы для подавления апоптоза и приобретения устойчивости к апоптотическим агентам. Например, может наблюдается повышенная экспрессия антиапоптотических белков (Bcl-2) или мутации в генах проапоптотических белков (Вах).

Дефекты апоптоза могут позволить эпителиальным клеткам выживать во взвешенном состоянии без прикрепления к внеклеточному матриксу, что способствует метастазированию. Они также способствуют устойчивости перед цитолитическими Т-клетками и натуральными киллерами (NK), атакующими опухоли. Эти дефекты играют важную роль в устойчивости к лечению химиотерапией и лучевой терапией, увеличивая порог смерти клеток и требуя более высоких доз агентов, убивающих опухоль.

Успешное удаление раковых клеток с помощью нехирургических средств в конечном итоге достигается путем индукции апоптоза. Все цитотоксические противораковые средства, которые в настоящее время используются в клинических целях, вызывают апоптотическую гибель злокачественных клеток.

Рисунок 9 | Схематическое представление различных способов, из-за которых апоптотические пути могут быть нарушены

Терапия онкологических заболеваний и апоптоз

Ингибирование апоптоза лежит в основе развития всех опухолей. А значит, наиболее очевидной стратегией лечения является нацеленность на причины, которые подавляют гибель клеток. Для преодоления антиапоптотического эффекта белков Bcl-2 и Bcl-xL в опухолевых заболеваниях существует три стратегии:

Стратегия первая

Некоторые стероиды и ретиноиды активируют транскрипционные факторы, которые регулируют синтез мРНК. Они представляют собой потенциально «лекарственные» модуляторы транскрипции гена Bcl-2 и Bcl-xL. Например, экспрессия Bcl-2 зависит от эстрогена в молочной железе.

Следовательно, антиэстрогены, такие как тамоксифен, ингибируют экспрессию Bcl-2 в клеточных линиях рака молочной железы, способствуя развитию чувствительности к цитотоксическим противоопухолевым препаратам, таким как доксорубицин.

Стратегия вторая

Антисмысловые олигонуклеотиды — цель на мРНК. Антисмысловые олигонуклеотиды (Antisense oligonucleotides) представляют собой короткие последовательности одноцепочечной ДНК, которые могут связываться с мРНК, что сопровождается ее разрушением.

Модификация искусственных нуклеотидов делает нуклеотидную цепь устойчивой к расщеплению нуклеазами и повышают период полувыведения в организме. В данном случае использовалось добавление фосфоротиоата (PS) в основную цепь (замена одного из кислородных остатков фосфатной цепи на серу)

Стратегия третья

BH3 миметики — это вещества, связывающиеся с рецепторами белков, на которые действуют сами BH3. Они необходимы для активации апоптоза. Эти белки нейтрализуют антиапоптотическое белки Bcl2 или активируют Bak и Bax. Разработаны BH3-имитирующие молекулы, выполняющие те же функции, что и BH3 белки.

Например, вещество ABT-737, которое ингибирует Bcl2-белки. BH3-белки, взаимодействуют с длинной гидрофобной канавкой в белке Bcl2, тем самым инактивируя последние. Препарат ABT-737 был спроектирован с помощью кристаллической структуры этой канавки.

Р53 в качестве лекарственной цели

Ген белка р53 отключен из-за мутаций примерно у 50% всех злокачественных опухолей. Повышение производства белка р53 в клетке может быть методом противораковой терапии. В нормальных клетках белок p53 обычно поддерживается на низком уровне, поскольку он подвержен ингибированию белком MDM2. В ответ на повреждения ДНК p53 видоизменяется.

Это позволяет ему избежать контроля MDM2 и начать накапливаться в клетке. Содержание гена MDM2 увеличено в некоторых типах опухолей, поэтому активного белка р53 становится меньше. Взаимодействие между p53 и MDM2 является мишенью в противораковой терапии. С этой целью были разработаны препараты, которые блокируют белок-белковые взаимодействия. Среди них Nutlin-3, ингибирующий взаимодействие p53/MDM2.

Большая часть того, что известно об апоптозе, стала понятна только недавно. Основная идея разработки терапевтических препаратов для лечения рака основана на том факте, что поврежденные клетки обычно встают на путь апоптоза, поддерживая нормальное для ткани количество клеток. Однако это явление сильно нарушается в раковых клетках. Обнаружение ключевых участников апоптоза и их взаимодействие с другими значимыми участниками создает условия для поиска новых методов терапии рака.

Источник