Апоптоз – физиологическая (запрограммированная) гибель клеток

Апоптоз (от греч. apoptosis – листопад) – «смерть клетки в результате самоубийства (самоуничтожения)» – активный, генетически контролируемый процесс клеточной гибели, регулируемый внутренней программой, которая запускается внешними факторами. Развитие апоптоза индуцируется особыми генами (киллерными генами), которые обеспечивают синтез ряда веществ, обусловливающих разрушение клетки. Обнаружены также "гены-спасители", экспрессия которых противодействует развертыванию программы апоптоза (наиболее изученным ингибитором апоптоза служит ген bcl-2).

Апоптоз представляет собой энергоемкий процесс и сопровождается активацией сигнальных систем в клетке. Он обычно происходит асинхронно в отдельных клетках или мелких клеточных группах, разделенных численно превосходящими жизнеспособными клетками. Апоптоз наблюдается в различных тканях человека и животных в норме, патологии, эмбриональном развитии и у взрослого.

Сигналы, запускающие генетическую программу апоптоза, обладают специфичностью для клеток различных тканей. К наиболее общим индуцирующим сигналам относятся:

(1) Нарушение баланса регуляторных воздействий, поддерживающих нормальную дифференцировку и функциональную активность клеток, например, вследствие дефицита стимулирующих факторов (гормонов, факторов роста, некоторых цитокинов), потери контакта с другими клетками или компонентами межклеточного вещества и др. К этой же категории сигналов, вероятно, относятся и те, что возникают в клетке при ее естественном старении;

(2) Воздействие физиологических активаторов (индукторов) апоптоза. ФНО (фактора некроза опухолей), ИФНγ (интерферона-γ), ТФР β(трансформирующего фактора роста-β), молекулы Fas, глюкокортикоидов некоторых интерлейкинов. Этот эффект тканеспецифичен: некоторые из указанных веществ в клетках одних тканей индуцируют апоптоз, тогда как в других являются его ингибиторами (факторами выживания).

(3) Воздействие разнообразных повреждающих физических и химических факторов (гипертермии, гипоксии, оксидантов, токсинов, ишемии, облучения) умеренных по интенсивности, которые при большей интенсивности приводят к развитию некроза. Причиной апоптоза обычно служат вызываемые действием указанных факторов неустранимые повреждения ДНК (см. выше) или резкие метаболические сдвиги;

(4) Некоторые инфекции, в особенности, вирусные.

Структурно-функциональные изменения клеток при апоптозе. На наиболее ранних этапах развития апоптоза до возникновения структурных изменений в клетках в их цитоплазме в течение латентного периода длительностью до 12 ч происходит синтез ферментов, которые необходимы для осуществления гибели клетки. Эту стадию, однако, проходит большее число клеток, нежели погибает в конечном итоге, так как часть из них выживает благодаря "спасению" в результате активации особых "генов-спасителей" и действия специфических трофических факторов.

Наиболее ранним морфологическим проявлением апоптоза, выявляемым на электронно-микроскопическом уровне, служит утрата клетками специализированных структур на их поверхности (например, микроворсинок и межклеточных соединений), их отделение от соседних (рис. 3-24). Развитие апоптоза морфологически на светооптическом уровне также проявляется уплотнением ядра (в котором накапливаются крупные глыбки хроматина), конденсацией цитоплазмы, которая уплотняется, сморщивается и уменьшается в размерах (отчего апоптоз был назван также "сморщивающим некрозом" – shrinkage necrosis в англо-язычной литературе). Уплотнение цитоплазмы приводит ко все более компактному расположению органелл, которые при апоптозе, в отличие от некроза, сохраняют свою целостность.

Изменения в ядре при апоптозе обусловлены активацией эндогенной Са²⁺/Мg²⁺-зависимой эндонуклеазы, что приводит к упорядоченному расщеплению геномной ДНК в межнуклеосомных участках на отдельные нуклеосомные сегменты. Хроматин укладывается в ядре в виде крупных полулуний, после чего ядро распадается на фрагменты, окруженные мембраной. Таким образом, в отличие от некроза, изменения ядра при апоптозе включают только кариопикноз и своеобразный кариорексис (без разрушения кариолеммы); кариолизис отсутствует.

Рис. 3-24. Морфологические изменения клеток при апоптозе. А1-А4 - клетки на последовательных стадиях апоптоза: А1 - начало апоптоза - утрата клеткой соединений с соседними интактными клетками и ее отделение от них; А2 - сжатие и уплотнение цитоплазмы и ядра, изменение формы клетки, распределение гетерохроматина в виде полулуний под кариолеммой; АЗ - нарастающее сжатие и уплотнение клетки, образование вздутий и выростов на ее поверхности, кариопикноз; А4 - распад клетки на фрагменты, окруженные плазмолеммой (апоптозные тела) и их фагоцитоз соседними интактными клетками.

При прогрессировании апоптоза нарастающая конденсация цитоплазмы сочетается с изменением формы клетки – она образует многочисленные крупные вздутия и выпячивания (поверхность клетки при этом как бы "вскипает"), а также "кратеры" (по-видимому, в участках слияния с плазмолеммой пузырьков, образующихся из цистерн грЭПС).

Образование и удаление апоптозных тел. Вьшячивания, содержащие жизнеспособные органеллы, а также фрагменты ядра, отшнуровываются, формируя крупные окруженные мембраной фрагменты округлой или овальной формы - апоптозные тела. Образование апоптозных тел связано с преобразованиями цитоскелета: в частности, перешнуровка цитоплазмы происходит с участием пучков актиновых микрофиламентов, разрушение которых блокирует ход апоптоза. Число и размеры образующихся клеточных фрагментов (апоптозных тел) варьируют в широких пределах и обычно тем значительнее, чем крупнее разрушающаяся клетка. В некоторых случаях клетка сморщивается целиком, превращаясь в одно сферическое апоптозное тело. Апоптозные тела быстро захватываются соседними клетками посредством фагоцитоза перевариваются ими. Некоторые тела могут разрушаться внеклеточно, другие же поглощаются местными фагоцитами. Нейтрофилы в фагоцитозе апоптозных тел не участвуют, воспалительная реакция отсутствует.

Процесс апоптоза развивается сравнительно быстро и обычно длится от нескольких минут до нескольких часов (в среднем, морфологачески регистрируемые его стадии – от начала конденсации хроматина до полного переваривания апоптозных тел, занимают 1-3 ч).

Биохимические процессы при апоптозе. Сигнал, запускающий апоптоз, инициирует внутриклеточную каталитическую реакцию, которая включает ряд этапов:

(1) передачу сигнала в клеточное ядро (обеспечивается различными механизмами, опосредованными ионами Са²⁺, фосфолипазой, тирозинкиназой, протеинкиназами А и С, цАМФ, сфирингомиелином/церамидом и др. молекулами),

(2) активацию "летальных", или "киллерных" генов, ответственных за развертывание программы апоптоза,

(3) включение процессов транскрипции и трансляции (в результате которых осуществляется синтез апоптоз-специфических белков),

(4) активацию ряда ферментных систем, вызывающих необратимые изменения в ядре и цитоплазме клетки.

Деятельность указанных ферментных систем на заключительном этапе биохимических преобразований при апоптозе генетически контролируется и координируется, разворачиваясь в определенном порядке. К наиболее важным ферментным системам относят (в порядке их активации):

(1) цистеиновые протеазы семейства ICE (сокращенное название от англ. IL-1 Converting Enzyme - фермент, конвертирующнй ИЛ-1), представляющие собой протеолитическую каскадную аутокаталитичес-ую систему, а также ICE-подобные протеазы;

(2) гранзимы (сериновые протеазы);

(3) эндонуклеазы, обусловливающие фрагментацию ДНК в участках между нуклеосомами с формированием цепей ДНК стандартной длины. Эта реакция, развивающаяся еще до протеолиза гистонов и других ядерных белков, настолько специфична, что ее используют в качестве маркера процесса апоптоза.

Дата добавления: 2014-01-07