Апоптоз. 6

Апоптоз

Работу выполнила

Сироткина Татьяна Васильевна

cтудентка 131-2 группы

биологического факультета

Нижний Новрогод 2012

Содержание

Введение………………………………………………………………… стр 3
Процесс апоптоза…………………………………………………….стр 4
Регуляция апоптоза…………………………………………………стр 5
Молекулярный механизм клеточной гибели…………..стр 8
Заключение……………………………………………………………...стр19
Литература………………………………………………………………стр20

Введение

Апоптоз является необычной областью для изучения по нескольким причинам. Во-первых, его широкое значение действительно признали лишь в последние несколько лет, и этот удивительный процесс по-прежнему исследуется лишь в ряде областей биологии. Во-вторых, хотя апоптоз в настоящее время признан важнейшим элементом ряда клеточных реакций, картина внутриклеточных процессов, вероятно, еще не полностью сформирована: не только в деталях, но и в основных чертах этого процесса в целом.
Понимание молекулярных механизмов апоптоза и, в частности, внутриклеточных взаимодействий, которые контролируют этот процесс, имеет огромное значение, так как дисфункция нормального механизма регуляции апоптоза приводит к серьезным патологическим последствиям, в том числе к онкогенезу, аутоиммунным и дегенеративным заболеваниям.

Генетический анализ запрограммированной гибели клеток в процессе развития нематоды Caenorhabditis elegans оказался весьма полезным в выявлении ключевых событий апоптоза. Недавно были обнаружены генетические соответствия между гибелью клеток C. elegans и апоптозом клеток млекопитающих, что позволяет использовать C. elegans как модель для изучения запрограммированной гибели клеток у млекопитающих[1].
Целью данной работы является краткий обзор роли апоптоза в развитии и нормальном функционировании тканей.

Процесс апоптоза

Апоптоз является зависимым от энергии, асинхронным, генетически контролируемым процессом, посредством которого ненужные или поврежденные клетки подвергаются самоуничтожению при активации генов апоптоза. Говоря в общем, клетка сжимается и отделяется от соседних клеток, а ее ядро разрушается. Ядерные фрагменты и органеллы конденсируются и, в конечном счете, упакованные в мембранные пузырьки, выводятся из клетки путем экзоцитоза и поглощаются окружающими клетками. Целостность мембран сохраняется практически все время в процессе апоптоза. Различия между апоптотической и некротической гибелью клетки приведены в таблице 1.

Табл. 1 Различия между апоптозом и некрозом

Апоптоз	Некроз
Может быть физиологическим и патологическим процессом	Только патологический процесс
Асинхронный процесс с отдельной клетке	Происходит синхронно во многих клетках
Генетически контролируемый процесс	Вызван сильными повреждающими стимулами
Позднее нарушение мембранной целостности	Раннее нарушение мембранной целостности
Сморщивание клетки	И клетка, и ядро увеличиваются в объеме
Конденсация хроматина	Распад ядерного содержимого
Отсутствие воспалительной реакции	Наличие воспалительной реакции

Ишемическая и случайная (вызванная токсинами) гибель клеток характеризуются набуханием клеток или "онкозом" (от греческого слова "onkos", означающего отек), в результате которого происходит цитоплазматическое и ядерное набухание и кариолизис (при этом теряется сродство к основным красителям). После и онкоза, и апоптоза, клетки достигают некротической стадии, когда происходит фагоцитоз погибшей клетки, и только в случае онкоза это сопровождается воспалением.

Регуляция апоптоза

Апоптоз - это генетически контролируемая смерть клетки. В настоящее время выявлено большое число генов, которые кодируют вещества, необходимые для регуляции апоптоза. Многие из этих генов сохранились в ходе эволюции - от круглых червей до насекомых и млекопитающих. Некоторые из них обнаруживаются также в геноме вирусов. Таким образом, основные биохимические процессы апоптоза в разных экспериментальных системах (исследования ведутся на круглых червях и мухах) являются идентичными, поэтому результаты исследований можно прямо переносить на другие системы (например, организм человека).

Апоптоз может регулироваться:

внешними факторами,

автономными механизмами.

Воздействие внешних факторов

Апоптоз может регулироваться действием многих внешних факторов, которые ведут к повреждению ДНК. При невосстановимом повреждении ДНК путем апоптоза происходит элиминация потенциально опасных для организма клеток. В данном процессе большую роль играет ген супрессии опухолей р53. К активации апоптоза также приводят вирусные инфекции, нарушение регуляции клеточного роста, повреждение клетки и потеря контакта с окружающими или основным веществом ткани. Апоптоз - это защита организма от персистенции поврежденных клеток, которые могут оказаться потенциально опасными для многоклеточного организма. При стимуляции тканей каким-либо митогеном ее клетки переходят в состояние повышенной митотической активности, которая обязательно сопровождается некоторой активацией апоптоза. Судьба дочерних клеток (выживут они или подвергнутся апоптозу) зависит от соотношения активаторов и ингибиторов апоптоза: ингибиторы включают факторы роста, клеточный матрикс, половые стероиды, некоторые вирусные белки; активаторы включают недостаток факторов роста, потерю связи с матриксом, глюкокортикоиды, некоторые вирусы, свободные радикалы, ионизирующую радиацию. При воздействии активаторов или отсутствии ингибиторов происходит активация эндогенных протеаз и эндонуклеаз. Это приводит к разрушению цитоскелета, фрагментации ДНК и нарушению функционирования митохондрий. Клетка сморщивается, но клеточная мембрана остается интактной, однако повреждение ее приводит к активации фагоцитоза. Погибшие клетки распадаются на небольшие, окруженные мембраной, фрагменты, которые обозначаются как апоптотические тельца. Воспалительная реакция на апоптотические клетки не возникает. Значение апоптоза в развитии организма и патологических процессах Апоптоз играет важную роль в развитии млекопитающих и в различных патологических процессах. Функционирование bcl-2 требуется для поддержания жизнеспособности лимфоцитов, меланоцитов, эпителия кишечника и клеток почек во время развития эмбриона. bcl-x необходим для ингибирования смерти клеток в эмбриогенезе, особенно в нервной системе. Bax необходим для апоптоза тимоцитов и поддержания жизнеспособности сперматозоидов во время их развития. р53 является геном супрессии опухолей, поэтому в эмбриогенезе особой роли не играет, но обязательно необходим для супрессии опухолевого роста. Мыши, у которых отсутствовали оба р53 гена, проявляли чрезвычайно высокую склонность к развитию злокачественных опухолей в результате полного или частичного нарушения апоптоза предопухолевых клеток. Усиленный синтез белка, кодируемого bcl-2 геном, приводит к подавлению апоптоза и, соответственно, развитию опухолей; данный феномен обнаружен в клетках В-клеточной фолликулярной лимфомы.

При лимфопролиферативных заболеваниях и похожей на системную красную волчанку болезни у мышей наблюдается нарушение функции Fas-лиганда или Fas-рецептора. Повышенный синтез Fas-лиганда может предупреждать отторжение трансплантата. Апоптоз является частью патологического процесса при инфицировании клетки аденовирусами, бакуловирусами, ВИЧ и вирусами гриппа. Ингибирование апоптоза наблюдается при персистировании инфекции, в латентном периоде, а при усиленной репликации аденовирусов, бакуловирусов, возможно герпесвирусов, вируса Эпштейн-Барра и ВИЧ наблюдается активация апоптоза, что способствует широкому распространению вируса. При нейродистрофических заболеваниях отмечается нарушение функции гена (iap-гена), сходного с ингибитором апоптоза бакуловирусов.

Молекулярный механизм клеточной гибели
После соответствующего стимула, первая фаза или "фаза принятия решения" апоптоза является генетической точкой контроля гибели клеток. За этим следует вторая фаза или фаза "свершения", которая отвечает за морфологические изменения клетки в процессе апоптоза .
Существуют четыре основные группы стимулов для апоптоза . Большое разнообразие физиологических и патологических стимулов может инициировать апоптоз, и эти стимулы представлены в таблице 2.

Табл.2 Стимулы апоптоза

Повреждение ДНК	Ионизирующее излучение Противораковые препараты (например, алкилирующие агенты)
Активация рецепторов гибели	Связывание «рецепторов гибели» (например, рецептора Fas, TNF рецептора) Лишение факторов роста (например, фактора роста нервов или ИЛ-3)
Стимуляция механизма апоптоза	Фосфатазы Ингибиторы киназ
Непосредственное повреждение клетки	Тепло, УФ-излучение, свободные радикалы кислорода, пероксид водорода

Сигнал, который инициирует апоптоз, может оказать свое действие, связавшись с рецептором гибели на поверхности клетки или повредив геном. Рецепторы гибели, которые инициируют апоптоз, включает рецептор Fas и систему ФНО рецепторов.

Fas рецептор, первоначально известный как CD95 или APO-1, трансмембранный гликопротеин, который активируется путем связывания с Fas лигандом (Fas-L) на клеточной мембране [7]. Затем образуются внутриклеточные молекулы, известные как Fas-ассоциированный домен гибели (FADD). Fas рецепторы находятся в эпителиальных тканях, опухолях и кроветворных тканях, и могут также экспрессироваться в других тканях, в которых в норме не происходит их экспрессии. Механизм Fas важен в регуляции иммунного ответа. Цитотоксические Т-лимфоциты, экспрессирующие Fas лиганды, активируют клетки, несущих Fas рецепторы и вызывают апоптоз.

Система TNF (ФНО) рецепторов опосредуется различными биохимическими путями. Был обнаружен ФНО-ассоциированный апоптоз-индуцирующий лиганд (TRAIL). Раковые клетки чувствительны к TRAIL-индуцированному апоптозу. После связывания рецептора ФНО, образуются внутриклеточные молекулы, называемые "доменами гибели". Был выявлен ассоциированный с ФНО рецептором домен гибели (TRADD). Фактор некроза опухоли может подавлять апоптоз путем связывания с рецептором TNFR2, который активирует белок, известный как ядерный фактор кВ (NF-kB), белок-ингибитор апоптоза (IAP), предотвращающий исполнительную фазу апоптоза. Это ДНК-связывающий белок, который активирует выработку многими провоспалительными генами цитокинов и других провоспалительных молекул. Существует все больше доказательств, что NF-kB играет важную роль в патогенезе синдрома системного воспалительного ответа (SIRS), MODS (синдром полиорганной недостаточности) и острого синдрома респираторного дистресса (ОРДС).

Фаза «принятия решения» (генетический контроль)
Апоптоз регулируется двумя генами, Bcl-2 и p53. Первое семейство генов, Bcl-2, которые регулируют апоптоз; белки этих генов найдены на мембране митохондрий, эндоплазматической сети и могут контролировать кальциевые каналы. В настоящее время признано, что существует семейство белков в клетках млекопитающих, похожих на белки Bcl-2, способствующих или препятствующих апоптозу. Белки, такие как Bcl-2 и Bcl-XL, предотвращают апоптоз, в то время как Bcl-2 ассоциированные х белки (Bax), например, Bax, Bad, Bak и Bcl-XS стимулируют его.
Ген р53 является 53-кДа (молекулярная масса) ядерным фосфо-белком, который связывается с ДНК в качестве фактора транскрипции, и контролирует клеточную пролиферацию и репарацию ДНК. Мутации р53 были найдены в > 50% опухолей человека (например, рак толстой кишки) и связаны с резистентностью к лечению. Гена c-myc является прото-онкогеном, который кодирует связывающий определенную последовательность нуклеотидов в ДНК белок, действующий как транскрипционный фактор и вызывающий апоптоз в присутствии р53. Концентрация белка С-myc повышена во многих опухолях.

Исполнительная фаза
Центральными событиями в процессе апоптоза являются протеолиз и митохондриальная инактивация. Клеточные нарушения происходят в результате активации семейства цистеиновых протеаз, называемых каспазами (CASP). Каспазы являются проэнзимами, которые обнаруживаются у всех животных от нематоды до человека. У человека были описаны десять каспаз (CASP 1-10).

Ранние молекулярные исследования апоптоза были сосредоточены на нематоде C. elegans и был выявлен ген, необходимый для совершения апоптоза, называемый ced-3. Есть два подсемейства каспаз, ced-3 подсемейство (являются продуктами гена ced-3) и ICE (ИЛ-1β-превращающего фермента) подсемейство. Каспазы 1, связанные с подсемейством ICE, в основном, участвуют в воспалении. Каспазы подсемейства ced-3 являются значимыми эффекторами апоптоза. Каспазы 8 или ИЛ-превращающие ферменты типа FADD (FLICE) - наиболее важные ферменты ced-3 подсемейства. Действия каспаз разнообразно; некоторые эндонуклеазы расщепляют ДНК, некоторые расщепляют белки цитоскелета, а другие являются причиной потери клеточной адгезии.
Клетка, в которой происходит апоптоз, экспрессирует мембранные сигналы, способствующие фагоцитозу этой клетки макрофагами. Макрофаги могут узнать, например, апоптотический нейтрофил через комплекс с участием тромбоспондиновых рецепторов (CD36) и α_vβ₃ интегринов.

Гибель клеток в развивающемся эмбрионе
Одним из наиболее важных аспектов развивающихся тканей является перекрестное взаимодействие клеток, статус которых постоянно меняется от тотипотентности до детерминации.

Ученые исследовали состояние клеток в постоянно меняющейся среде развивающегося организма и установили, что клетки отвечают на свое микроокружение. Оно не только влияет и регулирует поведение клеток при дифференциации и делении клеток, оно также играет важную роль в регуляции клеточной гибели в процессе развития. Классические исследования Saunders и Fallon (1966) по трансплантации блестяще продемонстрировали этот факт.
В некоторых исследованиях была показана избыточность процессов клеточной гибели у эмбриона. Такая избыточность была связана с тем, что апоптоз вызывало включение генов, которые обычно не отвечают за гибель клеток. Например, эмбрионы с выключенным геном p35 развивались нормально, без каких-либо серьезных анатомических дефектов в соматических органах или тканях (Chae et al, 1997), а мыши с выключенным геном p21^CIP/WAF1 хотя и развивались нормально, но имели дефекты точки рестрикции G1 фазы клеточного цикла (Deng et al., 1995).

Гибель клеток во время эмбриогенеза млекопитающих происходит как внутренняя дифференциация клеточной массы. Гибель клеток играет важную роль в развитии как тканей эмбриона, так и внезародышевых тканей. Был продемонстрирован апоптоз в плодных оболочках. Исследования с использованием электронной микроскопии выявили морфологические изменения в процессе апоптоза в клетках амниотического эпителия и хорионических клетках трофобласта; изменения включали в себя конденсацию хроматина по периферии ядра и сжатие ядра. Позже была обнаружена гибель клеток в некоторых органах, направленная на коррекцию формы и функции дифференцирующихся органов. Например, путем апоптоза исчезают межпальцевые мембраны при развитии конечностей. Пространственный и временной характер клеточной гибели видоспецифичен.

Центральная нервная система

В развивающейся нервной системе устанавливается окончательный характер нейронных связей и крупных аксональных. В процессе развития позвоночных животных, образуется больше нервных клеток, чем необходимо, и поэтому гибель 20-80% нейронов является обычным явлением. В этом случае, фетальные нейроны конкурируют за ограниченное количество фактора роста нервов (ФРН), фактор выживания, продуцируемый другими клетками, в том числе самими нейронами. Таким образом, апоптоз регулируется образованием ФРН, количество которого не соответствует количеству развивающихся нейронов , потерей синаптических контактов или афферентного притока. Цитокины (например, TNF-α) и АФК также могут вызвать апоптоз.

Кальций является важным вторичным посредником, вызывающим индукцию апоптоза путем стимуляции высвобождения нейромедиатора, индукции гена и активации ферментов (протеаз, фосфатаз, протеинкиназ, эндонуклеаз, фосфолипаз и синтаз окиси азота).

Увеличение интенсивности апоптоза, вызванное чрезмерным притоком внутриклеточного Ca2+, происходит при ишемии головного мозга, черепно-мозговой травме, эпилепсии и нейродегенеративных заболеваниях. Ишемии головного мозга приводит как к некрозу, так и к апоптозу. Клетки, в которых происходит апоптоз в результате менее серьезных воздействий, видны по периферии очага ишемии. При травматических повреждениях головного мозга апоптоз происходит в ≈ 10% умирающих нейронах, достигнув максимума на 24-48 ч после травмы.

Учащение апоптоза происходит при нескольких нейродегенеративных заболеваниях. При болезни Альцгеймера накопление пептида β-амилоида в бляшках в мозге и церебральных сосудах является причиной апоптоза корковых нейронов, возможно, с помощью оксида азота (NO). Некоторые формы семейного бокового амиотрофического склероза могут быть вызваны мутацией гена, кодирующего антиоксидантную супероксиддисмутазу, в результате чего происходит гибель нейронов путем апоптоза.
Мутации апоптотических генов могут способствовать развитию нейронных опухолей. Мутировавший ген р53 наблюдается при астроцитарных опухолях.

Ингибиторы протеинкиназы С (например, гиперицин и кальфостин) могут вызывать апоптоз в линиях клеток глиомы. Для индукции апоптоза в клетках нейробластомы и глиосаркомы используется метод переноса генов Bcl-XS и ICE ретровируса соответственно.

Сердечно-сосудистая система
Недавно было показано, что гибель миоцитов при заболевании сердца происходит как путем апоптоза, так и путем некроза в ответ на гипоксию и ишемию. Апоптоз был зафиксирован при ишемии миокарда, реперфузии и инфаркте, сердечной недостаточности, индуцированной быстрой желудочковой стимуляцией или коронарной микроэмболией, и старении.
Гипоксия, дефицит питательных веществ и токсины (например, химиотерапия) могут вызвать некроз, а могут вызывать апоптоз при слабом воздействии. Очаг инфаркта имеет центральную область некроза с прилегающими областями апоптоза по его периферии. Исследования инфаркта миокарда после вскрытия обнаружило апоптотические клетки, рассеянные между некротическими клетками в центре и нормальными клетками по периферии. Лигирование коронарной артерии вызывает заметное увеличение прото-онкогенов (Bcl-2 и ФАС) в клетках. Первейшим событием в первые часы ишемии является апоптоз. Когда клетки миокарда перегружены тяжелой ишемией, апоптотические гены больше не могут экспрессироваться и начинает превалировать некроз.

Иммунная система
Дисфункция апоптоза является причиной аутоиммунных заболеваний, иммунодефицитов и лимфоидных злокачественных новообразований.

В процессе развития большое количество клеток-предшественников костного мозга мигрирует в тимус. Большинство (90-95%) из них не экспрессирует Т-клеточный рецептор (TCR) и погибает путем апоптоза . Апоптоз тимоцитов может быть вызван эндогенно образующимися глюкокортикоидами и отсутствием Т-клеточных рецепторов . Смерть клеточного клона в связи с TCR-индуцированным апоптозом происходит в незрелых В-клетках, которые производят антитела против себя сначала в эмбриональной печени, а затем в костном мозге. Исследования на животных показывают, что аутоиммунные заболевания, такие как ревматоидный артрит, системная красная волчанка, воспалительные заболевания кишечника и инсулин-зависимый диабет, могут происходить в результате неблагополучного апоптоза. Существует доказательство того, что цитотоксические Т-клетки убивают их клетки мишени, индуцируя апоптоз в них. Активированные периферические цитотоксические Т-клетки и В-клетки удаляются путем апоптоза.
Апоптоз гранулоцитов также имеет важное значение в воспалительной реакции. Воспалительные агенты, такие как: липополисахариды (ЛПС) и колониестимулирующий фактор гранулоцитов (G-CSF) ингибируют апоптоз нейтрофилов. Во время апоптоза, индуцируемого ФНО-α и NO донорами, нейтрофилы теряют способность к дегрануляции, тем самым ограничивая воспаление. Интактные нейтрофилы фагоцитируются макрофагами и деградируют в течение нескольких минут, без освобождения провоспалительных медиаторов. При некротической гибели гранулоцитов макрофаги высвобождают медиаторы, ведущие к воспалению.
Гематологические заболевания, такие как миелодиспластический синдром, апластическая анемия, хроническая нейтропения или тяжелая β-талассемия связаны с усилением апоптоза в костном мозге.

Выделительная система
Эмбрионального развития почек включает периоды роста и апоптоза, которые отражают изменение уровня белка Bcl-2. У мышей с выключенным геном Bcl-2 развивается поликистоз почек, тогда как повышенная экспрессия гена Bcl-2 наблюдается во всех опухолях почек.

Желудочно-кишечный тракт
Желудочно-кишечные заболевания могут быть связаны с чрезмерным или дефектным апоптозом.
Прогрессивное торможение апоптоза, как представляется, участвует в патогенезе желудочно-кишечной неоплазии, в частности, рака прямой кишки. Гены, которые регулируют апоптоз, мутантны при раке толстой кишки и желудка. Введение дикого типа гена р53 в линию клеток человеческого рака толстой кишки, подавляет рост клеток и вызывает апоптоз. Однако, экспрессия р53 связана с плохим прогнозом при колоректальном и желудочном раках, что, возможно, связано с мутантностью или отсутствием функциональности гена p53, не приводящего, как в норме, к апоптозу.

Парацетамол способствует увеличению внутриклеточного кальция, который активирует Са2+-зависимые нуклеазы. Апоптоз также является посредником отторжения аллотрансплантата при трансплантации печени.
Репродуктивная система
Апоптоз постоянно подавлен во многих тканях репродуктивной системы в связи с наличием трофических гормонов гипофиза, половых желез и матки. Когда гормоны становится меньше, ткани подвергаются атрофии. В фолликулах яичников происходит рост или атрезия в ответ на циклические изменения в концентрации ЛГ и ФГ; эндометрий, ткань молочной железы и простаты регулируются стероидными гормонами и регрессируют при уменьшении их концентрации.

Заключение

В результате представленного краткого обзора можно сделать следующие выводы:

Процесс апоптоза принципиально отличается от некроза: во-первых, апоптоз, в отличие от некроза, является генетически запрограммированной гибелью, во-вторых, зафиксированы различные морфологические изменения в клетке. Но при усилении факторов, вызывающих апоптоз, возможно вызвать некроз.
Молекулярный механизм апоптоза включает в себя две фазы: фазу «принятия решения», при которой происходит связывание мембранных рецепторов гибели и активация генов апоптоза (Bcl-2 и р53), и фазу «свершения», при которой происхоят морфологические изменения в клетке, включающие сжатие клетки, кариопикноз, кариорексис и кариолизис.
Апоптоз клеток является нормальным и необходимым событием в процессе развития эмбриона, корректирует формирование тканей и органов, регулируется характером микроокружения и индукцией со стороны других клеток, в результате которой экспрессируется нужный ген.
Апоптоз является нормальным и необходимым процессом в тканях, осуществляющим обновление структур, но его нарушения могут вызвать различные патологические состояния.

Литература:

1) Гордеева А. В., Лабас Ю. А., Звягильская Р. А. Апоптоз одноклеточных организмов: механизмы и эволюция // Биохимия, 2004, том 69, вып. 10, с. 1301—1313

2) Мушкамбаров Н.Н., Кузнецов С.Л. Молекулярная биология , 2007

3) [email protected]