Клеточная смерть: апоптоз или некроз
В формировании современных представлений об апоптозе важное место занимает работа [ Kerr, ea 1972 ] о существовании двух различных видов клеточной смерти у животных - апоптоза и некроза. Вот пример апоптоза из области иммунологии. Вирусы, некоторые бактерии, грибы и простейшие являются внутриклеточными паразитами. Хотя специфичные к ним антитела вырабатываются организмом человека или животного, они не могут настигнуть вредителя, затаившегося в цитоплазме, под покровом клеточной стенки жертвы. И тогда в ход вступают цитотоксические T-лимфоциты (Т- киллеры). Они убивают клетки, ставшие жертвами инфекционного возбудителя, и тем самым прекращают его дальнейшее размножение. Обладая аппаратом распознавания зараженной клетки (клетки-мишени) среди массы здоровых клеток, Т-киллер вызывает ее гибель, включая программу самоубийства клетки-мишени - генетически запрограммированную клеточную смерть, или апоптоз.
Апоптозные клетки в противоположность некротическим не были найдены в соприкосновении друг с другом, они располагаются по одиночке или небольшими группами и разбросаны по всей ткани. Апоптозные клетки имеют меньший размер, неизмененные мембраны и органеллы наряду с признаками сморщивания цитоплазмы и множественными цитоплазматическими мембран-связанными выпячиваниями. Благодаря сохранности мембран не происходит распространения литических ферментов в окружающие клетки, в связи с чем не наблюдается их повреждения и воспалительной реакции ткани, что в настоящее время признано одним из важных морфологических отличий апоптоза от некроза [ Waters C. 1997 ]. И сморщенные клетки, и апоптозные тельца содержат нетронутые массы конденсированного хроматина. Результатом последовательной деструкции ДНК в апоптозных клетках является невозможность их репликации (воспроизведения) и участия в межклеточных взаимодействиях, так как эти процессы требуют синтеза новых протеинов. Умирающие клетки эффективно удаляются из ткани с помощью механизма фагоцитоза , включающегося в первые минуты-часы после смерти. При ограниченной способности к фагоцитозу и сохранении апоптозных клеток в ткани более 1-2 дней их мембраны также дезинтегрируются и возникает "вторичный" некроз (лизис клетки, умершей апоптозной смертью) [ Waters C. 1997 ]. Основные различия процессов некроза и апоптоза суммированы в табл. 10.1 .
Интересно отметить, что морфологические изменения, ассоциирующиеся с апоптозом, были описаны почти за 100 лет до наблюдения J.F.R.Кеrr с соавт. В 1885 г. W.Flemming продемонстрировал полулунья пикнотического хроматина, типичные для апоптоза. В 1886 г. ботаник G.Berthold установил, что денатурация протеина ответственна за определенные формы клеточной смерти. В 1951 г. A.Glucksmann классифицировал различные формы клеточной смерти, выделив специфичную для эмбриона. В 1964 г. R.A.Lockshin и С.М.Williams, изучая метаморфоз насекомых, заметили регулярность, с которой специфические клетки умирают в явно предопределенной последовательности, и ввели термин - " программированная клеточная смерть ". В 1966 г. было доказано, что подобная программированная смерть требует синтеза белков, что подчеркивает активную роль клетки в собственной смерти [ Tata J.R. 1966 ].
J.F.R.Кеrr с соавт. [ Kerr J.F.R., Wyllie A.H. 1972 ] обнаружили апоптозные клетки и в патологических, и в физиологических условиях. Впоследствии выяснилось [ Majno G., Joris I. 1995 ], что апоптоз является неотъемлемой составной частью процессов развития и гомеостаза зрелой ткани. В норме организм использует этот генетически запрограммированный механизм в эмбриогенезе для уничтожения избытка клеточного материала на ранней стадии развития тканей, в частности в нейронах, не установивших контакты с клетками-мишенями и лишенных таким образом трофической поддержки из этих клеток [ Davies A.M. 1988 ]. В зрелом возрасте интенсивность апоптоза в центральной нервной системе млекопитающих существенно снижается, хотя остается высокой в других тканях [ Majno G., Joris I. 1995 ]. В основе нормальной смены клеток лежат процессы апоптоза. Выраженное подавление апоптозной смерти приводит к развитию онкологических заболеваний [ Hockenbery D.M. 1995 ]. Устранение пораженных вирусами клеток, развитие иммунного ответа также сопровождаются необходимой апоптозной реакцией.
Типичные признаки апоптоза у животных - это переход фосфатидилсерина из внутреннего монослоя цитоплазматической мембраны в наружный монослой, уменьшение объема клетки, сморщивание цитоплазматической мембраны, конденсация ядра , разрывы нити ядерной ДНК и последующий распад ядра на части, фрагментация клетки на мембранные везикулы с внутриклеточным содержимым ( апоптозные тельца ), фагоцитируемые макрофагами и клетками- соседями. Такая же участь постигает клетку, когда в ней произошла мутация, которая может привести к опухолевому разрастанию ткани, когда она становится ненужной для организма, например, в процессе онтогенетического развития или, применительно к лимфоцитам, на заключительных этапах инфекционного процесса, когда организм уже не нуждается в дальнейшей выработке антител [ Cohen, ea 1993 , Thompson, ea 1995 , Jacobson, ea 1997 ].
При апоптозе сохраняется целостность мембран, органеллы выглядят морфологически интактными, а продукты дробления клетки, апоптозные тельца (или везикулы) представляют собой отдельные фрагменты, окруженные мембраной ( рис. 1 сам ).
Есть и другая, патологическая, форма клеточной смерти - некроз .
Апоптоз тесно ассоциируется с программированной клеточной смертью [ Lockshin R.A., Williams C.M. 1964 , Lockshin R.A., Williams C.M. 1965 ]. Вместе с тем термин " программированная клеточная смерть " в большей степени отражает функциональное назначение этого процесса, представляющего естественную часть жизни многоклеточного организма, связанного с метаморфозом и развитием [ Hedgecock E.M., Salston J.E. 1983 , Oppenheim R.W. 1991 ]. В то же время термин "апоптоз" предложен для описания типа клеточной смерти, характеризующегося определенным набором морфологических черт [ Schwartz L.M., Osborne B.A. 1993 ]. В настоящее время наряду с апоптозом выделяют и другие варианты программированной клеточной смерти.
Механизмы апоптоза "запускаются" тогда, когда вредное воздействие недостаточно сильно, чтобы вызвать некроз [ Лушников Е.Ф., Загребин В.М. 1987 , Waters C. 1997 ]. Организм отвечает на грозящую опасность массовой гибели клеток своеобразной защитой -самоубийством сравнительно небольшого числа клеток, чтобы последствия патологических воздействий оказались не так велики.
Форма клеточной гибели - по пути апоптоза или некроза - во многом определяется внутриклеточной концентрацией NAD* и АТР. Снижение уровня NADH [ Oliver, ea 1999 ] и ATP [ Tsujimoto, ea 1997 , Nicotera, ea 1997 , Leist, ea 1997 ] ведет к индукции некроза. В нормальном организме апоптоз - механизм для поддержания гомеостаза. Как гипофункция, так и гиперфункция апоптоза ведут к нарушению гомеостаза. Итак, апоптоз - естественный этап в жизнедеятельности клеток животных. Интерес к организации апоптоза рос экспоненциально с выяснением его жизненно-важной роли в процессах нормального развития, гомеостаза тканей и защиты от канцерогенеза [ Raff ea 1992 ] и с пониманием того, что нарушенный апоптоз может приводить к раку и, возможно, к развитию автоиммунных и дегенеротивных болезней [ Cory ea 1994 , Thompson ea 1997 ]. Глубокий генетический анализ нематоды Caenorhabditis elegans выявил два белка, ced3 и ced4 , важные для программированной смерти клеток в процессе развития червя, и третий, ced-9 , который может предотвратить влияние первых двух [ Ellis ea 1986 ].
Первый регулятор у млекопитающих был обнаружен, когда неожиданно было понято, что Bcl-2 , ген активируемый транслокацией хромосомы в фолликулярной лимфоме человека [ Tsujimoto ea 1984 ], позволяет выживать цитокин-зависящим гематопоиэтическим клеткам в покойном состоянии при отсутствии цитокина [ Vaux ea 1988 ]. Это открытие, подтвержденное в других клеточных линиях и на трансгенных мышах [ Cory ea 1994 ], показало, что выживание клеток и пролиферация находятся под различающимся генетическим контролем и что нарушения в обоих очень вероятно дают вклад в кацерогенез .
Механизм апоптоза замечательно универсален ( Рис 1 ), невзирая на большую сложность организации млекопитающих.
Было показано, что CED9 и Bcl-2 являются функциональноыми и структурными гомологами [ Vaux ea 1992 ] и их функции связанные с выживанием оппонируются или близкими родственниками Bcl-2, такими как Bax [ Oltvai ea 1993 ] или дальними родственниками, такими как белок млекопитающих Bik (также называемый Nbk) [ Boyd ea 1995 ] и белок нематоды ECL-1 [ Conradt ea 1998 ].
Фаза экзекуции клеточной смерти была понята, когда было доказано что CED-3 относится к новому семейству протеаз, которые теперь называют каспазами , чья последовательная активация и последующее целевое разрезание ключевых белков обеспечивают разборку клетки [ Thornberry ea 1998 ]. Синтез каспаз как минимально активных предшественников предотвращает их преждевременную активацию и долго представлявший загадку CED-4 и его гомолог у млекопитающих Apaf-1 [ Zou ea 1997 ] теперь признаны как адаптеры для запуска автокатализа, который инициирует протеолитический каскад [ Thornberry ea 1998 ]. См. обзоры [ Cory ea 1994 , Thompson ea 1997 , Kroemer ea 1998 , Reed ea 1997 ] и статьи [ Thornberry ea 1998 , Ashkenazi ea 1998 , Green ea 1998 , Evan ea 1998 ].
Смотрите также:
