Апоптоз

Апоптоз — форма гибели клеток, при которой клетки активируют ферменты, способные разрушить собственную ядерную ДНК и ядерные и цитоплазматические белки (рис. 2.11). Фрагменты апоптотической клетки в виде апоптозных телец отторгаются, что придает ей специфический вид, который и определил собственно название — «апоптоз» («листопад»).

Содержание

1. Причины апоптоза
2. Механизмы апоптоза

• Митохондриальный (внутренний) путь гибели клетки
• Рецептор-зависимый сигнальный (внешний) путь гибели клетки
• Клиренс апоптотических клеток

3. Морфологические признаки апоптоза

Рис 2.11. Апоптоз. На рисунке приведены изменения в клетке при апоптозе. Сравните их с изменениями, которые возникают при гибели клеток (некрозе), представленными на рис. 2.3

Рис. 2.3. Обратимые повреждения клетки и некроз. На рисунке приведены изменения в клетке, характерные для обратимых повреждений и смерти клетки. Некроз может развиться и в исходе обратимого повреждения при продолжающемся действии повреждающего агента

Клеточная мембрана клетки при апоптозе сохраняет свою целостность, но мембрана подвергается фрагментации с образованием апоптозных телец, которые быстро поглощаются фагоцитами. Гибель клеток и их фрагментация сопровождаются минимальным просачиванием внутриклеточного содержимого, поэтому не вызывают ответной воспалительной реакции. Этим апоптоз отличается от некроза (см. табл. 2.1 по ссылке).

Причины апоптоза

Апоптоз возникает в условиях нормы и является способом удаления потенциально опасных для организма клеток или клеток, неспособных к выполнению своей функции (табл. 2.2). Апоптоз развивается и при патологических состояниях, особенно когда повреждаются ДНК клетки или внутриклеточные белки; в таких ситуациях поврежденные клетки уничтожаются.

Таблица 2.2. Физиологические и патологические состояния, сопровождающиеся апоптозом

Апоптоз в физиологических процессах. Нормальное развитие организма сопровождается гибелью определенных клеток и появлением новых. В зрелом организме гормонозависимые органы и ткани с высокой пролиферативной активностью подвергаются циклическим изменениям — пролиферации и потере клеток, связанными с уровнем факторов роста. В этих случаях гибель клеток всегда происходит посредством апоптоза, что гарантирует удаление «отработанных» клеток без потенциальной опасности для организма. В иммунной системе посредством апоптоза устраняются лейкоциты в конце иммунной реакции и аутореактивные лимфоциты (до или после созревания) для предотвращения реакций против собственных тканей.

Апоптоз при патологических состояниях. Посредством апоптоза уничтожаются поврежденные клетки, не способные к регенерации, например клетки с тяжелыми повреждениями ДНК после облучения и действия цитотоксичных препаратов. Кроме того, причиной апоптоза может стать накопление мисфолдинговых белков; механизмы, лежащие в основе этого варианта смерти клеток, и его значения при заболеваниях будут обсуждаться ниже в контексте стресса ЭР. Некоторые инфекционные агенты, в частности вирусы, также вызывают гибель инфицированных клеток посредством апоптоза.

Механизмы апоптоза

Апоптоз регулируется биохимическими сигнальными путями, контролирующими равновесие между про- и антиапоптотическими белками и благодаря активации ферментов, известных как каспазы. Каспазы относятся к классу цистеиновых протеаз, которые расщепляют белки после остатков аспарагиновой кислоты.

Существует два принципиально разных пути активации каспаз: митохондриальный и рецептор-зависимый сигнальный путь гибели клетки (рис. 2.12). Хотя эти пути могут пересекаться, в целом они происходят при различных условиях, вовлекают разные молекулы и выполняют различные функции при физиологических состояниях и при патологии. Конечным результатом апоптотической гибели клеток является фагоцитоз апоптотических тел.

Рис. 2.12. Механизм развития апоптоза. Два пути апоптоза, отличающиеся друг от друга началом и регуляцией. Оба пути достигают кульминации при активации каспаз. При митохондриальном пути нарушается равновесие белков семейства Bcl-2 (внутриклеточного белкового фактора), регулирующих проницаемость мембран.

В митохондриальном пути ВН3-белки, являющиеся членами семейства Bcl-2, воспринимают отсутствие сигналов, определяющих выживание клетки, а также повреждения ДНК или белка. ВНЗ-белки активируют эффекторные молекулы, которые увеличивают проницаемость митохондриальной мембраны и различные вещества, а такие вещества, как цитохром С, высвобождаются в цитозоль и активируют каспазы. Активированные каспазы приводят к тяжелым повреждениям — фрагментации структур и гибели клетки.

При рецептор-зависимом сигнальном пути гибели клетки сигнал от рецепторов цитоплазматической мембраны вызывает накопление адаптерных белков и формирование «сигнального комплекса, индуцирующего смерть», что способствует активации каспаз и в итоге приводит к тому же результату — к гибели клетки

Митохондриальный (внутренний) путь гибели клетки

Митохондриальный (внутренний) путь встречается как при физиологических, так и патологических состояниях. Митохондрии содержат несколько белков, способных вызвать апоптоз, в том числе цитохром С, и нейтрализовать внутриклеточные ингибиторы апоптоза.

Выбор между выживанием и гибелью клетки связан с проницаемостью мембран митохондрии, что контролируется семейством Всl-2, включающим более 20 белков. При отсутствии в клетках факторов роста и других сигналов роста или в случаях, когда клетки подвергаются воздействию, вызывающему повреждение ДНК, активируется целый ряд белков. Такие белки входят в семейство Всl-2, и их называют «белками ВН3» (так как они содержат три ВН-домена).

Белки ВН3, в свою очередь, активируют два проапоптотических члена семейства — Вах и Вак, которые встраиваются в наружную мембрану митохондрий и формируют каналы, по которым на поверхность митохондрий поступают цитохром С и другие митохондриальные белки. Эти белки также подавляют анти-апоптотические молекулы Всl-2 и Bcl-x_L (см. далее), способствуя высвобождению митохондриальных белков.

Цитохром С в цитоплазме клетки вместе с некоторыми ко-факторами активируют каспазу-9. Другие митохондриальные белки (физиологические ингибиторы апоптоза), которые оказались во внутриклеточном пространстве, блокируют действия антагонистов каспазы. В результате активации каспазного каскада происходит фрагментация ядра и образование апоптозных телец.

Рецептор-зависимый сигнальный (внешний) путь гибели клетки

Многие клетки образуют на своей поверхности молекулы, называемые рецепторами смерти, которые запускают апоптоз. Большинство из них относятся к семейству рецепторов фактора некроза опухоли (ФНО) и содержат «домен смерти», названный так из-за его способности взаимодействовать с другими белками, вовлекаемыми в гибель клетки. К рецепторам, воспринимающим сигнал апоптоза, относятся рецептор ФНО 1-го типа и Fas-рецепторы (CD95).

Лиганд Fas (FasL) — это мембранный белок, экспрессируемый главным образом на активированных Т-клетках. Когда Т-клетки распознают мишени, экспрессирующие Fas, молекулы Fas перекрестно реагируют с FasL и связывают адаптерные белки через «домен смерти». Это приводит к привлечению и активации каспазы-8. Затем они рекрутируют и активируют каспазу-8, которая в свою очередь активирует нижестоящие каспазы. Путь рецептора смерти участвует в элиминации аутореактивных лимфоцитов и в уничтожении клеток-мишеней некоторыми цитотоксичнымиТ-лимфоцитами, которые экспрессируют FasL.

В любом из этих путей активация каспазы-9 или каспазы-8 приводит к их расщеплению, активации других каспаз по нисходящему пути, которые расщепляют многочисленные мишени, и в конечном итоге активируют ферменты, разрушающие ядра клеток и ядерные белки. Конечным результатом является характерная для апоптоза клеточная фрагментация.

Клиренс апоптотических клеток

Апоптотические клетки «привлекают» фагоциты, посылая им сигналы «съешь меня», которые распознаются тканевыми макрофагами. Например, в нормальных клетках фосфатидилсерин присутствует на внутренней стороне цитоплазматической мембраны, но в апоптотических клетках этот фосфолипид «перемещается» на наружную створку, где он распознается, и апоптотические клетки фагоцитируются макрофагами ткани.

Клетки, которые умирают путем апоптоза, также выделяют растворимые факторы, рекрутирующие фагоциты. Изменения цитоплазматической мембраны и секретируемые белки способствуют быстрому клиренсу мертвых клеток, прежде чем разрушается мембрана апоптозных телец с высвобождением их содержимого (что может вызвать воспаление). Было показано, что многочисленные рецепторы макрофагов участвуют в связывании и поглощении апоптотических клеток. Фагоцитоз апоптотических клеток настолько эффективен, что мертвые клетки исчезают, не оставляя следов, а воспаление практически отсутствует.

Морфологические признаки апоптоза

В окрашенных гематоксилином и эозином препаратах, в ядрах апоптотических клеток видны различные стадии конденсации и агрегации хроматина с их сморщиванием и развитием кариорексиса (рис. 2.13); на молекулярном уровне этот процесс проявляется фрагментацией ДНК на очень мелкие частицы. Клетки быстро сморщиваются, выпячивая цитоплазмы и апоптозные тельца, которые содержат фрагменты цитоплазмы с органеллами. Так как эти фрагменты быстро удаляются и фагоцитируются, они не вызывают воспалительной ответной реакции, и даже «выраженный» апоптоз бывает очень сложно найти при световой микроскопии.

Рис. 2.13. Морфологические признаки апоптоза. Апоптотические клетки (некоторые отмечены стрелками) в эпителии кишечных крипт (в некоторых случаях сама подготовка к колоноскопии может стать причиной апоптоза эпителиальных клеток, чем можно объяснить наличие погибших клеток в биопсийном материале). Обратите внимание на фрагментированные ядра с конденсированным хроматином и сморщенные клетки