Апоптоз-запрограмированная гибель клетки

ГБОУ  ВПО ВолгГМУ Минздрава России

 

 

Кафедра

гистологии, эмбриологии цитологии

 

 

 

 

 

Апоптоз –  запрограммированная гибель клетки

 

 

 

 

 

 

 

Выполнила: студентка 3 группы                                                                    

  I курса, педиатрического факультета

Квеселава  С.Г.

 

Проверил: Глухова Юлия Александровна

 

 

 

 

 

 

Волгоград 2013

 

Содержание

Введение………………………………………………………..………..3

1. Понятие апоптоза. Происхождение и эволюция……………….4
1. Апоптоз у прокариот……………………………………………4
2. Апоптозы у одноклеточных эукариот…………………………6
3. Апоптоз у многоклеточных эукариот………………………….7
2. Фазы апоптоза………………………………………………….....7
3. Роль апоптоза в многоклеточном организме…………………...10

Заключение………………………………………………………………14

Список литературы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

    Данная  работа посвящена рассмотрению  и описанию такого процесса, как  апоптоз. Решение этого вопроса  имеет как теоретическое, так  и практическое значение.

   Роль  апоптоза очень велика в формообразовательных  процессах, в дифференциации тканей  и отдельных частей органов.  У животных роль апоптоза в  морфогенезе отдельных органов  или их частей наиболее отчётливо  прослеживается в процессе эмбриогенеза. В растительном организме апоптоз не менее интегрирован в процессы морфогенеза и дифференциации, чем у животных. Главной функцией апоптоза в многоклеточном организме является поддержание клеточного гомеостаза, то есть постоянства клеточной популяции. В иммунной системе животных программируемая клеточная смерть задействована в обеспечении целого ряда жизненно важных функций иммунитета. Апоптоз играет большую роль и в других процессах.

  Поэтому  изучении данного вопроса является  неотъемлемой частью в ходе  рассмотрение поставленной темы.

  Цель  реферата заключается в освещении,  анализе и обобщении понятия  апоптоза, его эволюции, происхождения,  фаз, регуляции и роли апоптоза  в многоклеточном организме.

   Мной  была предпринята попытка решить  следующие задачи:

1. Познакомиться с понятием апоптоза, его происхождением;
2. Рассмотреть фазы апоптоза;
3. Проанализировать роль апоптоза в многоклеточном организме;
4. Сделать вывод о проделанной работе.

 

 

 

 

 

1.Понятие апоптоза. Происхождение и эволюция

  Апопто́з (греч. απόπτωσις — опадание листьев) — программируемая клеточная смерть, регулируемый процесс самоликвидации на клеточном уровне, в результате которого клетка фрагментируется на отдельные апоптотические тельца, ограниченные плазматической мембраной. Фрагменты погибшей клетки обычно очень быстро (в среднем за 90 минут) фагоцитируются макрофагами либо соседними клетками, минуя развитие воспалительной реакции. Морфологически регистрируемый процесс апоптоза продолжается 1—3 часа.

  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.

   Предположительно, апоптоз эволюционно возник у прокариот и закрепился у одноклеточных эукариот, в качестве механизма противовирусной защиты популяций. В дальнейшем, с появлением многоклеточных организмов, механизм программируемой клеточной смерти совершенствовался и был приспособлен, наряду с защитой от патогенов, для реализации важных жизненных функций: дифференцировки клеток и тканей при эмбриогенезе и постэмбриональном развитии; элиминирования клеток иммунной системы, невостребованных, состарившихся клеток либо клеток, подвергшихся воздействию мутагенных факторов.

1. Апоптоз у прокариот

   У бактерий, как и у многоклеточных, запрограммированная смерть играет важную роль в ряде жизненных процессов, таких как лизис материнской

клетки при  споруляции и вегетативных клеток при  образовании плодового тела у  миксобактерий, а также при спонтанном автолизе . У бактерии Bacillus subtilis материнская клетка активно лизируется при высвобождении споры.        Найдены гены белков-автолизинов, ответственных за этот процес.            Образование плодового тела и споруляция у Myxococcus xanthus - пример участия запрограммированной смерти в развитии. "Аутоциды" - жирные кислоты и глюкозамины, вызывающие автолиз в плотных культурах М. xanthus, необходимы для развития плодового тела и споруляции. Вероятно, лизис вегетативных клеток - альтруистический суицид, позволяющий сохранить питательные вещества для плодового тела и формирующихся спор. У ряда видов автолиз служит для естественной трансформации, когда бактерии поглощают ДНК других бактерий той же популяции, подвергшихся автолизу. Ген основного автолизина Streptococcus pneumo-niae (lytA) расположен в том же опероне, что и ген А, ответственный за гомологичную рекомбинацию с новоприобретенной ДНК. Оба эти гена индуцируются так

называемым quorum-sensing factor - пептидным феромоном, который накапливается при высокой плотности культуры. Программируемой смерти подвергаются также инфицированные клетки. Некоторые штаммы Escherichia coli вырабатывают протеазу, активируемую фаговыми белками.   Она в свою очередь расщепляет и инактивирует EF-Tu (бактериальный фактор трансляции ), убивая инфицированную бактерию. Это очень напоминает индуцируемый каспазами апоптоз животных, но гомологии между бактериальными протеазами и каспазами не прослеживается. Е. coli имеет еще по меньшей мере два пути уничтожения дефектных клеток. Один из них включает такой же суицидальный каскад, но его мишень - специфичная рибонуклеаза лизиновой тРНК. Другой вызывает синтез белков RexA и RexB , где первый - рецептор фаговой ДНК, а второй - ионный канал, активируемый комплексом фаговой ДНК с RexA. Этот канал нарушает ионные градиенты бактериальной мембраны, тем самым убивая клетку. Любопытно, что все эти системы кодируются профагами и плазмидами и поддерживаются естественным отбором.

    Некоторые белки апоптоза эукариот имеют бактериальные гомологи. Домен, ответственный за взаимодействие с некоторыми белками апоптоза, найден у Streptomyces, B.subtilis, Synechocystis sp. и Rhizobium spp., а у Streptomyces spp. обнаружены гомологи каспаз. Правда, неизвестно, участвуют ли все эти белки в запрограммированной смерти бактерий или выполняют другие функции.

2. Апоптозы у одноклеточных эукариот

   Основными маркерами апоптоза у одноклеточных эукариот, как и у большинства эукариот вообще, являются: фрагментация ДНК и

последующий распад клетки на отдельные апоптозные тельца.

  Предполагается, что отдельные механизмы и компоненты апоптоза возникли постепенно в процессе эволюции. Одними из самых ранних эволюционных приобретений считаются ингибиторы апоптоза, которые встречаются практически у всех эукариот. Вероятно, ингибиторы имеют вирусное происхождение, а их изначальная функция сводилась к предотвращению апоптоза и продлению жизни инфицированной клетки. Ещё одним общим для подавляющего большинства эукариот эволюционным приобретением является митохондриальный путь активации апоптоза, в котором участвуют высвобождаемые из межмембранного пространства митохондрий цитохром c и AIF (или их гомологи).

     Подобные каспазам белки впервые появились у мезокариотических водорослей — динофлагеллят. Причём инициаторные каспазы возникли, предположительно, раньше, чем эффекторные. Рецепторы смерти, вероятно, впервые возникли у относительно высокоорганизованных простейших — дрожжей и инфузорий. Белки, способные взаимодействовать с белками семейства Bcl-2, вероятно, появились в процессе филогенеза у гетеротрофных жгутиконосцев, хотя идентифицированы они только у

дрожжей.

     Одной из основных функций апоптоза у одноклеточных эукариот является уничтожение мутантных или инфицированных клеток. Механизмы программируемой клеточной гибели могут быть сопряжены с процессами дифференцировки. Примерами чему служат избирательная гибель ядра у конъюгирующих инфузорий или массовая гибель эпимастигот с появлением трипомастигот в процессе жизненного цикла паразитического жгутиконосца Trypanosoma cruzi. Апоптоз также интегрирован в процессы морфогенеза при образовании плодовых тел у микробактерий и слизистых грибов. В дрожжевых популяциях стареющие и повреждённые клетки погибают путём апоптоза в условиях недостатка питательного субстрата с целью обеспечения питания молодых и здоровых особей. 

3. Апоптоз у многоклеточных эукариот

   Апоптоз  у многоклеточных эукариот сходен  с программируемой клеточной  гибелью у одноклеточных эукариот. На протяжении всего эволюционного  процесса прослеживается общность  основных функций апоптоза, сводящихся  к удалению дефектных клеток  и участию в процессах дифференцировки  и морфогенеза. В различных  литературных и электронных источниках  постулируется эволюционная консервативность  генетического механизма апоптоза. В частности, подобные выводы  делаются на основании выявленной  генетической и функциональной  гомологии процессов апоптоза  у нематод Caenorhabditis elegans и млекопитающих,  или же у растений и животных.

2. Фазы апоптоза

1) Сигнальная фаза

   Инициация апоптоза может происходить посредством внешних (внеклеточных) или внутриклеточных факторов. Например, в результате гипоксии, гипероксии, субнекротического поражения химическими или физическими агентами, перекрёстного связывания соответствующих

рецепторов, нарушения сигналов клеточного цикла, удаления факторов роста и метаболизма и т. д. Несмотря на разнообразие инициирующих факторов, выделяются два основных пути трансдукции (передачи) сигнала апоптоза: рецептор-зависимый сигнальный путь с участием рецепторов гибели клетки и митохондриальный путь.

   Стоит отметить, что реализация апоптоза может происходить в результате комбинированного действия двух основных сигнальных путей — рецептор-зависимого и митохондриального. Помимо этого, существует ряд менее распространённых механизмов инициации апоптоза. Например, за счёт активации прокаспазы-12, локализованной в эндоплазматическом ретикулуме. Высвобождение и активация прокаспазы-12 при этом обусловлены нарушениями внутриклеточного гомеостаза ионов кальция (Ca²⁺). Активация апоптоза также может быть связана с нарушением адгезии

клеток.

   В качестве ещё одного фактора индукции апоптоза рассматривается атака инфицированных клеток цитотоксическими Т-лимфоцитами, которые, помимо активации Fas-рецептора, способны секретировать перфорин вблизи мембраны заражённой клетки. Перфорин, полимеризуясь, образует трансмембранные каналы, через которые внутрь клетки поступают лимфотоксин-альфа и смесь сериновых протеаз (гранзимов). Далее гранзим B активирует каспазу-3 и запускается каспазный каскад.

    Возможна инициация клеточной смерти при высвобождении лизосомальных протеаз — катепсинов. К примеру, каспаза-8 вызывает выход из лизосом активного катепсина B, который затем расщепляет регуляторный белок Bid. В результате образуется активный белок t-Bid, активирующий в свою очередь проапоптозный белок Bax.

2)  Эффекторная фаза

    В течение эффекторной фазы различные инициирующие пути                                                                                            конвертируются в один (или несколько) общий путь апоптоза.

Как правило, происходит активация  каскада белков-эффекторов и регулирующих их белков-модуляторов. Основными эффекторами  апоптоза являются каспазы. В процессе активации они запускают каспазный  каскад: сложно переплетённые цепочки  взаимодействий инициирующих и эффекторных  каспаз.

   Помимо каспаз существуют  и другие эффекторы апоптоза. Например, флавопротеин AIF, высвобождающийся  из межмембранного пространства  митохондрий, действует по независимому  от каспаз пути. Попадая в клеточное ядро, AIF вызывает конденсацию хроматина и активирует эндонуклеазы, которые участвуют в фрагментации ДНК. На основании экспериментальных данных установлено, что апоптоз, протекающий в присутствии AIF, не предотвращается ингибитором каспаз (Z-VAD-fmk). В качестве эффекторов апоптоза также рассматриваются кальпаины — представители семейства цитозольных Ca²⁺-активируемых цистеиновых протеаз. Их роль в апоптозе пока слабо охарактеризована.

3) Деградационная фаза                                                                                                  

   Итогом программируемой клеточной гибели вне зависимости от изначального инициирующего воздействия является деградация клетки путём фрагментации на отдельные апоптотические тельца, ограниченные плазматической мембраной. Фрагменты погибшей клетки обычно очень быстро (в среднем за 90 минут) фагоцитируются макрофагами либо соседними клетками, минуя развитие воспалительной реакции. Условно деградацию погибающей клетки можно разделить на три последовательных фазы: высвобождения, блеббинга и конденсации. Деградация большинства клеток начинается с высвобождения прикреплений внеклеточного матрикса и реорганизации фокальной адгезии. Внутри погибающей клетки деполимеризуются микротрубочки цитоскелета.    Внутриклеточные актиновые микрофиламенты реорганизуются в связанные с мембраной периферийные (кортикальные) кольцевые пучки. В итоге клетка приобретает округлую форму. Следующая за высвобождением, стадия блеббинга, характеризуется сокращением периферийных актиновых колец. В результате сокращений клеточная мембрана образует вздутия, клетка как бы «кипит». Процесс блеббинга энергозависим и требует большого количества АТФ. Фаза блеббинга в нормальных условиях завершается примерно через час. В итоге клетка фрагментируется на маленькие апоптотические тела, либо целиком конденсируется, округляясь и уменьшаясь в размерах.

  3. Роль апоптоза в многоклеточном  организме

  Роль апоптоза в иммунных процессах

  В иммунной системе животных программируемая клеточная смерть задействована в обеспечении целого ряда жизненно важных функций иммунитета. Для начала следует отметить, что процесс апоптоза заложен в основу позитивной и негативной селекции T- и B-лимфоцитов, обеспечивая выживание анитгенспецифичных клонов и последующую выбраковку аутореактивных лимфоцитов. На обоих этапах селекции, клетки, не прошедшие отбор, погибают в результате апоптоза. Немаловажна роль программируемой клеточной смерти в реализации эффекторной функции цитотоксических Т-клеток и НК-клеток — и те и другие способны инъецировать внутрь клеток-мишеней сериновые протеазы (гранзимы), которые запускают механизм апоптоза. Помимо этого цитотоксические Т-лимфоциты способны инициировать клеточную гибель посредством активации рецепторов смерти на поверхности клеток-мишеней. Ещё одной установленной функцией апоптоза в рамках иммунной системы является изоляция «иммунологически привилегированных» зон (например, внутренней среды глаза или семенников). При этом клетки, выполняющие барьерную функцию, инициируют рецептор-зависимый апоптоз эффекторных Т-лимфоцитов, мигрирующих сквозь «барьерные» ткани.

   Растительная иммунная реакция на патогенные вирусы, бактерии, грибы и нематоды протекает в форме гиперчувствительного ответа — программируемой гибели инфицированных клеток, а также клеток, локализованных вблизи очага инфекции. Таким образом, наряду с защитным процессом синтеза фитоалексинов и гидролитических ферментов, образуется барьерная зона мёртвых обезвоженных клеток, препятствующих распространению патогенна.

Клеточный гомеостаз и морфогенез

  Одной из главных функций апоптоза в многоклеточном организме является поддержание клеточного гомеостаза, то есть постоянства клеточной популяции. При этом обеспечивается правильное соотношение численности клеток различных типов, селекция разновидностей клеток внутри популяции, удаление генетически дефектных клеток. Во взрослом организме программируемая клеточная гибель, уравновешивая митотическое деление, обеспечивает обновление тканей путём поддержания сбалансированной численности клеток. В качестве примера, иллюстрирующего роль апоптоза в поддержании численности отдельных клеточных популяций, может служить увеличение численности эндотелиальных клеток и размера сосудов у мышей с прицельной инактивацией гена Braf, контролирующего апоптоз эндотелиальных клеток.

   Гистологическое сечение лапы эмбриона мыши (Mus musculus), сделанное спустя 15 дней развития (эмбриогенез у мышей продолжается в течение 27 дней). Между всеми пальцами заметны рудиментарные скопления клеток, которые погибают путём апоптоза в процессе формирования конечности. Велика роль апоптоза в формообразовательных процессах, в дифференциации тканей и отдельных частей органов. У животных роль апоптоза в морфогенезе отдельных органов или их частей наиболее отчётливо прослеживается в процессе эмбриогенеза. К примеру, утрата хвоста зародышами амфибий или атрофия у них гипохорды объясняются массовым апоптозом целых клеточных популяций.^[59] С другой стороны, уже во взрослом организме, атрофия гормонально-зависимых тканей в условиях снижения концентрации соответствующих гормонов также обусловлена апоптозом. Например, процессы такого рода периодически протекают в женских половых органах в течение менструального цикла, или же в предстательной железе при снижении концентрации андрогенов.^[59] В растительном организме апоптоз не менее интегрирован в процессы морфогенеза и дифференциации, чем у животных. Программируемая клеточная смерть у растений обеспечивает ксилогенез и флоэмогенез, формообразование листьев, аэренхимогенез, образование корневого чехлика, опадание листьев и созревших плодов, прорастание пыльцевой трубки и др.

Роль апоптоза в процессах старения

   Предположение о роли апоптотической гибели в процессах старения было высказано ещё в 1982 году. Со временем выяснилось, что различные виды возрастзависимой дисрегуляции апоптоза присущи многим типам клеток. Например, в стареющем организме повышается чувствительность к индукции апоптоза для следующих типов клеток: гепатоцитов, кардиомиоцитов, макрофагов, мегакариоцитов, нейронов, ооцитов, спленоцитов, T-лимфоцитов, хондроцитов, эндотелиоцитов. Но в то же время, для фибробластов наблюдается обратная тенденция к снижению чувствительности к апоптозу, а для кератиноцитов данная чувствительность не изменяется.

  К настоящему времени имеются, как минимум, две точки зрения на связь апоптоза с процессами старения. Согласно одной из версий нормальные (гомеостатические) апоптотические процессы могут участвовать в развитии возрастных патологий и фенотипов старения. К примеру, с апоптотической гибелью постмитотических клеток (кардиомиоцитов, нейронов) связаны процессы старения сердечной мышцы или развитие возрастных нейродегенеративных патологий. Старение иммунной системы также связывают с программируемой гибелью различных типов лейкоцитов в результате возрастных изменений в соотношении про- и антиапоптозных факторов. Возрастная хрящевая дегенерация кореллирует с повышением уровня апоптоза хондроцитов в суставных хрящах у мышей и крыс, а также в межпозвоночных дисках при старении у человека. Согласно другой точке зрения накопление стареющих клеток в тканях объясняется возрастной резистентностью к апоптозу. В качестве примера, рассматривается устойчивость стареющих фибробластов к апоптозу, приводящая в итоге к преждевременному старению нормальных фибробластов и, возможно, к нарушению функций соединительной ткани.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

   Познакомившись с данной  проблемой, можно сделать вывод  о том, что значимость данного  вопроса очень велика, как и  других происходящих в организме  процессов.

  Апоптоз играет важную роль в развитии млекопитающих и в различных патологических процессах. Это энергозависимый процесс, посредством которого удаляются нежелательные и дефектные клетки организма. Он играет большую роль в морфогенезе и является механизмом постоянного контроля размеров органов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список  литературы

1. Быков В.Л. Частная гистология человека- М.: Новая волна 2006- Кн.1-147с.;
2. Э.Г. Улумбеков, Ю.А. Челышев  Гистология. Учебник для вузов-С-П.: Проспект 2004-Кн.1-89с.;
3. Виноградов С.Ю., Диндяев С.В. Гистология. Учебное пособие- Москва ГЕОТАР-Медиа 2011- 76с.;
4. Смирнов А., Самусев Р. Атлас по цитологии, гистологии и эмбриологии-М.:Мир и образование 2006- 253с.;
5. Афанасьев Ю.И. , Юрина Н.А. Основы гистологии – М.: ШИКО 2008-13с.