Або ухилення від програмованої клітинної смерті пухлинних клітин найважливіша властивістьзлоякісного фенотипу.

У нормі апоптозная програма є у латентної формі переважають у всіх клітинах організму, оскільки цілком очевидно, що у організмі під впливом різних чинників під час проходження клітиною клітинного циклу постійно відбуваються ушкодження ДНК, тобто. виникають мутації.

Відомо, що протягом життя в організмі людини відбувається 1016 клітинних поділів. Спонтанні мутації відбуваються із частотою - 10 6 на ген за клітинний цикл.

Таким чином, протягом життя людини кожен ген цілком може зазнати мутування близько 10 мільярдів разів (1016х106 = 1010), а щодня в організмі відбувається до 1 млн соматичних мутацій.

І серед них, безперечно, можливі, що ведуть до раку. З цих позицій проблема раку не так у тому, чому він виникає, а в тому, чому він виникає так рідко.

А виникає рак, незважаючи на постійну дію канцерогенних факторів, відносно рідко тому, що в організмі існують механізми захисту, спрямовані на збереження нормального генотипу клітини. Слід зазначити, що доля клітин із тими чи іншими генетичними ушкодженнями то, можливо різною.

Частина мутованих клітин гине через вітальні ушкодження їх геному, частина відновлюється, частина організм знищує сам за допомогою апоптозу і, нарешті, частина мутованих клітин виживе і в процесі розмноження може стати джерелом накопичення потенційно онкогенних мутацій та розвитку раку.

У нормі генетичний фонд клітини, незважаючи на його крихкість, захищений потужним ферментним апаратом, що часто забезпечує розпізнавання мутованих та змінених ділянок ДНК та їх відновлення.

Репарація ДНК полягає у «вирізанні» мутованих нуклеотидів за допомогою ендо- та екзонуклеаз, синтезу нормальної ділянки ДНК за участю ДНК-полімерази та вбудовуванні відновленої ділянки в ланцюг ДНК під дією ферменту лігази. Тим самим відтворюється вихідна генетично запрограмована нуклеотидна послідовність пошкодженої нитки (рис. 3.12).

Рис. 3.12. Схема репарації при пошкодженні ДНК та формування мутації [Новік А.Л., 2004].

Якщо ж активність репараційно-відновних систем недостатня і ушкодження в ДНК зберігаються, то таких клітинах індукується програмована клітинна загибель, що призводить до знищення, зокрема і мутантних клітин, здатних до злоякісної трансформації.

Апоптоз (від грец. apoptosis – опадання) – запрограмована загибель клітини або «смерть клітини внаслідок самознищення» – активний, генетично контрольований процес. Термін був запропонований Kerr J. та співавт. (1972) для позначення змін, що відбуваються в клітині під час її фізіологічної загибелі і ведуть до зменшення числа клітин в протилежність мітозу, що забезпечує збільшення їх числа.

Біологічне значення апоптозу

Біологічне значення апоптозу полягає в тому, що це ключовий механізм підтримки генетичного гомеостазу, який організм використовує для видалення клітин, виживання яких небажане: чужорідних, дефектних з поломками в геномі; мутантних чи заражених вірусом; з неадекватною специфічністю рецепторів до різних регуляторів життєдіяльності тощо.

В організмі в кожну одиницю часу мільйони клітин завершують свій цикл, відпрацьовують «своє століття». Для запобігання «забур'яненню» організму від встиглих виконати свою функцію «відпрацьованих», «зношених» клітин під час еволюції виробився спеціальний механізм їх ліквідації – апоптоз.

Здатність запускати самоліквідацію (апоптоз) є невід'ємною властивістю клітин для підтримки тканинного гомеостазу шляхом збереження певного балансу між проліферацією (мітозом) і загибеллю.

Апоптоз відіграє виключно важливу роль в ембріогенезі, зокрема у регуляції кількості мезодермальної тканини при формуванні органів та скелета. В основі знищення імунними клітинами чужорідних лежить апоптотичний механізм.

Загибель клітин на кшталт апоптозу відбувається за багатьох фізіологічних процесах: вікової інволюції органів (тимус), атрофії (передміхурової залози після кастрації), регресії гіперплазії у нормальному функціонуванні яєчників і сім'яників і, нарешті, у знищенні мутантних клітин.

Механізм активації апоптозу

Зрілі диференційовані клітини у звичайному стані стійкі до індукції апоптозу, але стають чутливими до нього після активації. Таку активацію викликають різні зовнішні дії через специфічні рецептори та внутрішньоклітинні сигнали, викликані експресією деяких протоонкогенів.

Вони можуть бути фізіологічними – активація спеціальних кілерних цитокінів, зміни гормонального статусу (циклічна зміна ендометрію та ін.), та нефізіологічними – внутрішньоклітинні ушкодження або несприятливі умови (нестача факторів росту, ушкодження ДНК, гіпоксія тощо).

У механізмах активації апоптозу виділяють два основні етапи: фазу індукції (ухвалення рішення) та фазу розправи (виконання вироку). У першу фазу система сенсорів апоптозу відстежує відхилення від норми внутрішньо- та позаклітинного середовища та визначає подальшу долюклітини: жити їй чи померти.

Клас сенсорів є рецепторами клітинної поверхні, які пов'язують сигнали виживання або смерті. Як такі сигнали виступають різні, цитокіни.

При виявленні аномалій (наприклад, ушкодження ДНК, нестача факторів росту, гіпоксія та ін.) за допомогою сенсорних регуляторів запускається друга фаза апоптозу - виконання вироку. Починається вона з активації каспаз + ферментів сімейства цистеїнових протеїназ (так звані страчені каспази).

Існує два принципово різні шляхи активації каспаз. Один із них запускається у відповідь на активний сигнал смерті, що передається специфічними кілерними цитокінами групи ФНП (фактор некрозу пухлин) на відповідні рецептори (найбільш вивчені Fas), які називаються рецепторами смерті.

Апоптоз, спричинений активованими рецепторами смерті, називається інструктивним апоптозом. При другому шляху активації каспаз ключову роль відіграють мітохондрії – мітохондріальний апоптоз.

При цьому різні шкідливі впливи викликають збільшення проникності мембрани мітохондрій і вихід в цитоплазму мітохондріальних білків (в основному цитохрому С), які через відповідний каскад реакцій та активують каспази.

Ключову роль у регуляції проникності мітохондріальної мембрани для цитохрому С відіграють білки сімейства bcl-2, які мають або проапоптотичну, або антиапоптотичну активності.

Таким чином, у клітинах людини у відповідь на ушкодження існує два механізми, що запускають апоптоз: інструктивний, викликаний рецепторами смерті, та мітохондріальний, зумовлений підвищеною проникністю мембран. Між ними існує взаєморегуляція, що дозволяє надійніше досягати кінцевого ефекту.

У результаті активовані тим чи іншим шляхом каспази протеолітично розщеплюють ключові структурні компонентиклітини, що призводить до фрагментації ДНК та деструкції клітини. При цьому цитоппазматичний та ядерний скелети руйнуються, хромосоми деградують, ядро ​​фрагментується, але без розриву клітинної мембрани.

Тому така клітина може бути утилізована фагоцитами та сусідніми клітинами, і навіть масова їх загибель не призводить до будь-яких патологічних процесів. Процес протеолізу триває 30-120 хвилин, потім зморщена клітина поглинається макрофагами і зазвичай зникає протягом 24 годин (рис. 3.13).

Мал. 3.13. Фагоцитоз апоптотичної клітини макрофагом [Фільченко А.А., Стійка Р.С., 1999]. 1 - фрагментоване ядро; 2 – фрагменти цитоплазми (апоптотичні тільця): 3 – фрагменти апоптотичної клітини захоплені макрофагом.

Завданням апоптозу є утилізація фрагментів клітини, поки її вміст не потрапив у позаклітинне середовище і не викликав запального процесу. Зовнішні морфологічні прояви апоптотичної загибелі клітин у вигляді каріопікнозу (зморщування ядра), каріорексису (розпад ядра на частини), конденсації (стиснення) клітини та ін. були відомі давно і лише останнім часом показано, що це окремі прояви апоптозу. Навколо клітин, що зазнали апоптозу, запальний процес не виникає.

Загибель клітин на кшталт апоптозу слід відрізняти від некрозу - інший форми загибелі клітин організму. Некроз ініціюється нефізіологічними агентами, а апоптоз – і фізіологічними, і нефізіологічними. На відміну від некрозу, апоптоз зустрічається у патологічно змінених, а й нормальних тканинах.

Некроз відбувається у випадку, коли клітини піддаються дії екстремальних факторів, і тому його можна назвати патологічною загибеллю. При некрозі морфологічні зміни як реакція на летальне ушкодження клітини майже завжди починається з ушкодження плазматичної мембрани, що не буває при апоптозі.

Через розрив мембрани в клітину із позаклітинного простору надходять молекули води та іонів і викликають набухання структур. Одночасно потрапляння вмісту цитоплазми (у тому числі лізосомальних ферментів) у позаклітинний простір спричиняє пошкодження тканин та розвиток вираженого запального процесу, що не відбувається при апоптозі.

Крім того, при апоптозі відмирають поодинокі клітини, а при некрозі їх групи. Знищення клітин шляхом апоптозу проти некрозом забезпечує мінімальне пошкодження тканин. Між цими процесами є інші відмінності. На малюнку 3.14 схематично представлені дві форми загибелі клітин.

Мал. 3.14. Схематичне уявлення про дві форми загибелі клітин [за Wyllle А. та співавт., 1998].

Як та інші фізіологічні процеси, апоптоз регулюється великою кількістю генів. Ключова роль у запуску програми апоптозу належить гену-супpeccopy р53. Внаслідок особливої ​​значущості р53 було названо геном ХХ століття. р53 підтримує стабільність генетичного апарату та здійснює контроль над клітинним циклом.

У нормі, при ушкодженнях структури ДНК або інших форм генотоксичного стресу відзначається швидка активація р53. Його білок блокує клітинний цикл у фазі G1 до подвоєння ДНК та мітозу, ініціює та бере участь у процесах репарації ДНК. Це дозволяє клітині відновлювати пошкоджену ділянку ДНК, що запобігає появі мутантних клітин.

При тяжких непереборних ушкодженнях р53 запускає програму апоптозу і цим попереджає патологічну проліферацію. Важливо підкреслити, що р53-залежний апоптоз елімінує з організму як пошкоджені, а й ті клітини, у яких спостерігається нерегульована стимуляція проліферації.

Якщо р53 мутує, він інактивується і перестає запускати апоптозний каскад, що дає можливість зберігатися клітинам з пошкодженої ДНК під час мітозу, а це, у свою чергу, призводить до виживання клітин, що зазнали пухлинної трансформації (рис 3.15).

Мал. 3.15. Регулюючий вплив антионкогену р53. Пошкодження гена створює умови для патологічної клітинної проліферації.

Передбачається, що збільшення частоти неоплазії з віком пов'язане не з накопиченням мутацій в геном клітин, а з віковими порушеннями системи репарації ДНК.

Звичайно, апоптоз розглядається як потужний протипухлинний захист. Пригнічення процесу різко полегшує перетворення нормальної клітини на ракову, оскільки в нездатних до апоптозу клітин легко будуть накопичуватися різні мутації.

Такі клітини-мутанти, незважаючи на пошкодження ДНК, продовжуватимуть активно розмножуватися. Накопичення критичної кількості мутацій неминуче призведе до появи неопастичної клітини та формування злоякісної пухлини (рис. 3.16).

Мал. 3.16. Порушення процесів проліферації (П) та апоптозу (А) клітин при онкогенезі [Фільченко А.А., Стійка Р.С., 1999].

Отримана резистентність до апоптозу є ознакою більшості, якщо не всіх пухлинних клонів. Уникнення апоптозу різко підвищує життєздатність неопластичної клітини, робить її менш чутливою до факторів протипухлинного імунітету і терапевтичних впливів. Пухлинні клітини набувають резистентності до апоптозу різними шляхами.

На сьогодні встановлено, що до ослаблення індукції апоптозу може призвести втрата експресії на поверхні клітини смерті Fas; порушення проведення апоптогенного сигналу до мітохондрій та інгібування проникності мітохондріальної мембрани для цитохрому С; блокування активації та/або різке зменшення часу життя страчених каспаз.

Очевидно, поряд з білками, що включають апоптоз, є білки, що перешкоджають йому, і між тими та іншими є тонкий баланс. Гени, що сприяють апоптозу, відносяться до генів-супресорів (крім р53, ВАХ, PML та ін.). Гени, що блокують роботу цього захисного механізму - до протоонкогенів (BCL1, BCL2 та ін.).

Останні при їх активації нейтралізують апоптозну активність і будуть різко збільшувати появу мутантних клітинних клонів, що постійно проліферують, а, отже, і ймовірність подальшого розвитку з них злоякісних пухлин.

Вважається, що співвідношення кількості різних форм онкобілків групи BCL та р53 визначає реостат життя та смерті клітини. У зв'язку з цим слід зазначити, що внаслідок існування механізму апоптозу неможливо досягти безсмертя організму.

З часом настає атрофія клітин органів, регуляторів життєдіяльності організму та розвивається ряд захворювань, які поєднують загальною назвою.

У процесі появи багатоклітинних живих організмів знадобилися механізми регуляції правильного зростання та розвитку, одним із таких регуляторів є апоптоз.

Апоптоз – це форма запрограмованої загибелі клітини, яка проявляється у зменшенні розміру клітини, фрагментації та конденсації хроматину, ущільненні мембран (зовнішньої та цитоплазматичної) без витікання вмісту клітини в навколишнє середовище.

Процес є двофазним:

1. Перша фаза отримала назву латентної та заснована на проведенні сигналів апоптозу. Іншими словами – «фаза вирішення проблем». Залежно від характеру дії подразників її можна поділити на 2 типи:

а) пошкодження ДНК за допомогою впливу токсинів, радіації та інших факторів;

б) активація рецепторів "регіон клітинної смерті" (РКС).

"Регіон клітинної смерті" - це рецептори на мембранах усіх клітин, які сприймають стимули для активації апоптозу. Якщо кількість активованих рецепторів збільшується, то зростає і кількість клітин, що фізіологічно гинуть. До найбільш вивчених РКС відносять CD95 (Fas, Apo1), TNFR1 (p55, CD120a), а також CAR1, D3, DR4, DR5 та ін. Цей процес не супроводжується пошкодженням ДНК.

2. Друга фаза дістала назву «ефекторна», тому що в ній відбувається руйнування клітинних ультраструктур. Основними виконавцями ефекторної фази є ендонуклеази, цистеїнові протеази (каспази), лізосомальні та серинові протеази.

Farber E. (1994) запропонував класифікацію запрограмованої клітинної загибелі (ЗКГ):

Запрограмована онтогенетична загибель клітин - це загибель, яка відбувається в ході нормального розвитку та метаморфозу клітин.

Запрограмована фізіологічна загибель диференційованих клітин зрілих організмів у ході деструкції гіперплазованих тканин внаслідок екзогенних та ендогенних ушкоджень органів та тканин. Вона поводиться тоді, коли необхідно відновлення клітинного складу.

Запрограмована біохімічна загибель клітин після дії патоагентів різного походження. Цей тип смерті не фізіологічний, так як він являє собою відповідну реакцію організму (активну або пасивну) на агент, що ушкоджує.

В основі всіх форм ЗКГ лежить генетично певна програма клітинної загибелі. Це підтверджується участю багатьох генів в основі цієї програми на рівні клітини та наявністю специфічних генів, які контролюють цей процес.

Існує кілька регуляторів апоптозу, одним із них відбувається за участю цитокінів. Цитокіни – це білки, за допомогою яких відбувається зв'язок зі специфічними рецепторами на клітинах-мішенях і відбувається регуляція їх диференціювання та проліферації. Процес апоптозу запускається у момент наближення специфічного рецептора до його ліганду – екстрацелюлярного білка смерті (TNF-a, FasL, TRAIL, Apo-3L). Найбільш вивчений FasL ліганд, який зазвичай прикріплюється до активованих Т-лімфоцитів та NK-клітин при взаємодії зі специфічними рецепторами APO1/CD95/Fas клітини. У тестикулах та тканинах ока FasL забезпечує захист від аутоімунного пошкодження власних клітин. Принцип дії зводиться до того що, щоб активувати специфічну протеазу – каспазу 8, що у свою чергу запускає процес ЗКГ . Альтернативним шляхом є шлях мітохондріального активації апоптозу за участю білків сімейства Bcl-2. Цей шлях апоптозу починається з пошкодження ДНК або на клітину токсичних агентів. Ключовою подією цього шляху є підвищення проникності зовнішньої мембрани мітохондрій, яке характеризується виходом апоптогенних білків (цитохром С, прокаспазу -2,-3, -9, AIF (фактор індукує апоптоз) з міжмембранного простору в цитоплазму клітини за рахунок високопроникних каналів на зовнішній мембрані мітохондрій

Найважливішим "рецептором" ушкодження ДНК є так званий "страж геному" - білок p53. Зазвичай цей білок перебуває у неактивному стані та активується внаслідок гіпоксії, активації онкогенів, пошкодження ДНК чи впливу інших цитотоксичних агентів. Роль гена у процесі ЗКГ дуже важлива, оскільки причиною розвитку 50% пухлин є мутація гена p53. Регуляція апоптозу білком p53 відбувається декількома способами: активація генів Bax чи Bid; активація утворення вільних форм кисню, що призводить до перекисного окиснення, що призводить до вивільнення цитохрому С з мітохондрій; індуція мРНК Fas, а також вихід Fas на поверхню клітини з Гольджі апарату; стимуляція освіти APAF-1; стимуляція експресії каспази 6; перехід частини молекул гена p53 в мітохондрії з наступним виходом цитохрому C .

Істотним механізмом апоптозу є синтез та активація проапоптичних сполук сімейства Bcl-2. Вперше білок сімейства Bcl-2 описані як онкоген при В-клітинній лімфомі, який призвів до утворення пухлинного клону за рахунок збільшення виживання пухлинних клітин. . В даний час сімейство Bcl-2 включає групу білків зі подібними. морфологічними складамита ділиться на дві групи: індуктори апоптозу та інгібітори апоптозу. Рішення про загибель клітини приймається на підставі відносної переваги активних супресорів або промоторів апоптозу. Механізм дії ґрунтується на дії проапоптичних білків сімейства Bcl-2, які утворюють тимчасові мегаканали на місці фізіологічних (для Ca2+, O2, Na+/К+), через які починає надходити цитохром С та інші фактори апоптозу. Цитохром З необхідний освіти апоптосомы, у якій активується каспаза 9.

Існує ще інший, стресовий шлях апоптозу, який активує каспазу 9 через комплекс Apaf-1 (апоптичний протеаза-активуючий фактор). Конформаційні зміни Apaf-1, індуковані цитохромом З пошкоджених мітохондрій і АТФ, дозволяють залучити профактор каспази 9 через їх загальний домен. Каспаза 9 апоптосоми, у свою чергу, викликає активацію ефекторних К(3,7), які ініціюють інтенсивний протеоліз і вивільняють зв'язану ДНКазу, що руйнує хроматин. Особливо слід відзначити роль білка Bid, який є сполучною ланкою між двома шляхами апоптозу – мітохондріальний та шляхом «рецепторів смерті» (вплив К8).

В даний час вивчення процесу апоптичної загибелі клітини має величезний інтерес у медицині. Порушення процесів фізіологічної смерті відіграє важливу роль у розвитку патологічних станів, у тому числі онкологічних та аутоімунних захворюваннях.

В даний час відомо безліч захворювань, пов'язаних із посиленням апоптозу: фолікулярна лімфома, рак статевої системи у жінок та чоловіків (яєчники, передміхурова залоза), гломерулонефрит, вірусні інфекції (аденовірус, вірус герпесу, поксвірус). А також захворювання пов'язані з пригніченням процесів апоптозу: СНІД, нейродегенеративні захворювання (Альцгеймера, Паркінсона), токсичні захворювання печінки, мозочкові дегенерації тощо

Вивчення механізмів апоптозу дає нам уявлення про розвиток деяких захворювань, їх перебіг. Вже зараз ми можемо використовувати ці знання для запобігання захворюванням на різних стадіях патогенезу (корекція та регуляція).

Апоптоз є важливим процесом в онтогенезі кожного живого організму. Цей процес дозволяє підтримувати внутрішній гомеостаз, контролювати правильне зростання та розвиток організму, без механізму апоптозу в нашому організмі був би хаос, чисельність генетичних змін, безладний поділ клітин.

Список литературы:

1. Володимирська Є.Б. Механізми апоптичної смерті клітин/Є.Б. Володимирська// Гематологія та трансфузіологія. - 2002. - Т.47, № 2, - С. 35 - 40.

2. Робінсон М.В. Апоптоз клітин імунної системи/М.В.Робінсон, М.А. Труфакін// Успіхи сучасної біології. - 1991. -Т.3 вип. 2. - С. 246 - 259.

3. Adams J.M. Ways of dying: multiple pathways to apoptosis / J.M. Adams // Genes and Development/ - 2003. - N 17. - P. 2481 - 2495.

4. Itoh K. Central role mitochondria і p53 в Fas-mediated apoptosis rheumatoid synovial fibroblasts / K. Itoh, H. Hase, H. Kojima et al. // Reumatology. - 2004. - N 43. - P.277-285.

5.& Newton K. Caspases signal не тільки apoptosis, але також антиген-індукований функціонування в клітинах імунної системи / K. Newton, A. Strasser// Genes and Development. - 2003. - Vol.17, N7. - P.819 - 825.

Під терміном "апоптоз" слід розуміти фізіологічний процес загибелі клітин, який запускається у відповідь на дію фізіологічних сигналів або забезпечується включенням спеціальної генетичної програми. Морфологічно цей процес характеризується ущільненням хроматину, поділом ДНК на фрагменти та зміною структури клітинної мембрани. Через війну клітина руйнується і фагоцитується без ознак запалення, що мало впливає навколишні тканини.

Біологічна роль

Запрограмована загибель клітини є надзвичайно важливою для нормального функціонування організму.

Запрограмована загибель клітини відіграє важливу роль у нормальній життєдіяльності живих організмів, вона забезпечує:

• розвиток у період ембріогенезу;
• регуляцію чисельності клітин та їх складу у зрілому організмі;
• диференціювання клітин;
• знищення старих клітин, які припиняють виконувати свої функції;
• гормональні перебудови;
• пригнічення пухлинного росту;
• вибраковування клітин з генетичними дефектами;
• елімінацію чужорідних агентів (вірусів, бактерій, грибів та ін.).

Порушення регуляції загибелі клітин призводить до розвитку:

• вірусних інфекцій;
• нейродегенеративних захворювань ( , );
• патології крові ( , ).

Слід зазначити, що з деяких їх функція апоптозу знижена, а інших, навпаки, підвищена.

• Вважається, що пригнічення апоптозу має велике значеннядля прогресування пухлин. Ракові клітини можуть набувати стійкості до нього за рахунок посиленої експресії антиапоптотичних факторів або внаслідок мутацій у генах.
• Зниження апоптозу спостерігається при аутоімунних процесах, коли аутоагресивні Т-клітини не знищуються імунною системою. Це призводить до пошкодження власних тканин організму.
• Посилення апоптозу також негативно впливає на стан здоров'я людини. З цим може бути пов'язана посилена загибель кістковомозкових клітин-попередниць червоного та білого кровотворного паростка, наслідком якої є апластична анемія.

Таким чином, апоптоз виступає загальним механізмомзагибелі клітин, як із фізіологічних, і при патологічних процесах.

Механізми розвитку

Запрограмована загибель клітин проходить із послідовною зміною 3 стадій:

1. Індукторна.
2. Ефективна.
3. Деградація.

На першій стадії відбувається рецепція сигналу та початкові етапи його передачі. Це здійснюється за допомогою рецепторного механізму під дією зовнішніх факторів або внутрішньої активації.

Рецептори, що запускають апоптоз, дістали назву рецепторів смерті. Вони мають в собі спеціальні домени, взаємодія з якими індукує спеціальні внутрішньоклітинні сигнали.

Внутрішній шлях активації цього процесу пов'язаний із змінами, що відбуваються в мітохондріях. Він чутливий до нестачі факторів росту, гормонів чи цитокінів. Також впливати на нього може:

• гіпоксія;
• переохолодження;
• інвазія вірусів;
• опромінення;
• вільні радикали.

Всі ці фактори здатні викликати перебудову внутрішньої мембрани мітохондрій, в результаті якої відкриваються пори та вивільняються проапоптотичні речовини. За своєю структурою це білки, які запускають каспазозалежний шлях апоптозу та індукують поділ ДНК на фрагменти з конденсацією периферичних ділянок хроматину.

У ефекторну стадію відбувається активація основних ферментів апоптозу – каспаз. Вони мають протеолітичну активність і розщеплюють білки по аспарагіновому залишку. Внаслідок їх діяльності в клітині відбувається масивне руйнування білка та розвиваються незворотні зміни.

На останній стадії реалізуються основні механізми загибелі клітки. При цьому активується ендонуклеаза, діяльність яких призводить до деградації ДНК. Після цього відбувається реорганізація цитоскелета та перетворення клітини в апоптотичні тільця, на поверхні яких з'являються маркери для фагоцитозу. На останньому етапі такі клітини поглинаються макрофагами.

Регулювання апоптозу

Порушення апоптозу - один із факторів, що підвищують ризик розвитку СНІДу.

Кожен із механізмів апоптозу має свою регуляцію:

• Мітохондріальний шлях регулюється білками із сімейства Bcl-2. Вони впливають на проникність мембрани мітохондрій та можуть послаблювати або стимулювати апоптоз. Це здійснюється шляхом контролю вивільнення цитохрому.
• Регуляція рецепторного механізму загибелі клітин відбувається шляхом контролю активності каспаз.

Апоптоз дозволяє організму підтримувати фізіологічну рівновагу та протистояти різним зовнішнім впливам. Так, щодня в організмі людини внаслідок запрограмованої загибелі відмирають десятки мільярдів клітин, проте ці втрати швидко компенсуються за рахунок проліферації клітин. Сумарна маса клітин, які щорічно зазнають руйнування при апоптозі, дорівнює масі тіла людини.

Сайт надає довідкову інформаціювинятково для ознайомлення. Діагностику та лікування захворювань потрібно проходити під наглядом фахівця. Усі препарати мають протипоказання. Консультація фахівця є обов'язковою!

Що таке апоптоз?

Апоптоз- фізіологічна смерть клітини, що є своєрідною генетично запрограмованою самоліквідацією.

Термін "апоптоз" у перекладі з грецької означає "опадаючий". Автори терміна дали таку назву процесу запрограмованої смерті клітин тому, що саме з ним пов'язане осіннє опадання зів'ялого листя. Крім того, сама назва характеризує процес як фізіологічний, поступовий та абсолютно безболісний.

У тварин як найбільш яскравий приклад апоптозу, як правило, наводять зникнення хвоста у жаби під час метаморфози з пуголовка в дорослу особину.

У міру дорослішання жабка хвіст повністю зникає, оскільки його клітини зазнають поступового апоптозу – запрограмованої смерті, та поглинання деструктованих елементів іншими клітинами.

Явище генетично запрограмованої загибелі клітин зустрічається в усіх еукаріотів (організмів, клітини яких мають ядро). Прокаріоти ж (бактерії) мають своєрідний аналог апоптозу. Можна сказати, що цей феномен характерний для всього живого, за винятком таких спеціальних доклітинних форм життя, як віруси.

Апоптозу можуть піддаватися як окремі клітини (зазвичай, дефектні), і цілі конгломерати. Останнє особливо притаманно ембріогенезу. Наприклад, досліди дослідників довели, що завдяки апоптозу під час ембріогенезу зникають перетинки між пальцями на лапках курчат.

Вчені стверджують, що у людини такі вроджені аномалії, Як зрощені пальці на руках і ногах, також виникають внаслідок порушення нормального апоптозу на ранніх стадіях ембріогенезу.

Історія відкриття теорії апоптозу

Вивчення механізмів та значення генетично програмованої клітинної смерті почалося ще у шістдесятих роках минулого століття. Вчених зацікавив той факт, що клітинний склад більшості органів протягом життя організму практично однаковий, а ось життєвий цикл різних типів клітин значно відрізняється. При цьому відбувається постійна заміна багатьох кліток.

Таким чином, відносна сталість клітинного складу всіх організмів підтримується динамічною рівновагою двох протилежних процесів - клітинної проліферації (розподіл і зростання) та фізіологічного відмирання клітин, що віджили.

Авторство терміна належить британським ученим – Дж. Керру, Еге. Уайлі та А. Керрі, які вперше висунули та обґрунтували концепцію про принципову відмінність фізіологічної смерті клітин (апоптоз), та їх патологічної загибелі (некроз).

У 2002 році вчені з кембриджської лабораторії, біологи С. Бреннер, Дж. Салстон та Р. Хорвіц, отримали Нобелівську преміюз фізіології та медицини за розкриття основних механізмів генетичної регуляції розвитку органів та дослідження програмованої клітинної смерті.

Сьогодні теорії апоптозу присвячені десятки тисяч наукових праць, що розкривають основні механізми його розвитку на фізіологічному, генетичному та біохімічному рівнях Ведеться активний пошук регуляторів.

Особливо великий інтереспредставляють дослідження, що дають можливість практичного застосуваннярегуляції апоптозу при лікуванні онкологічних, аутоімунних та нейродистрофічних захворювань.

Механізм

Механізм розвитку апоптозу нині остаточно не вивчений. Доведено, що може індукуватися малими концентраціями більшості речовин, викликають некроз.

Однак у більшості випадків генетично запрограмована загибель клітин відбувається при надходженні сигналів від молекул – клітинних регуляторів, таких як:

• гормони;
• антигени;
• моноклональні антитіла та ін.

Сигнали апоптозу сприймаються спеціалізованими клітинними рецепторами, які запускають послідовні етапи внутрішньоклітинних складних біохімічних процесів.

Характерно, що сигналом до розвитку апоптозу може бути наявність активуючих речовин, так і відсутність деяких сполук, що перешкоджають розвитку запрограмованої смерті клітини.

Відповідь клітини на сигнал залежить як від його сили, а й від загального вихідного стану клітини, морфологічних особливостей її диференціювання, стадії життєвого циклу.

Одним із базових механізмів апоптозу на стадії його реалізації є деградація ДНК, внаслідок чого відбувається фрагментація ядра. У відповідь пошкодження ДНК запускаються захисні реакції, створені задля її відновлення.

Невдалі спроби відновити ДНК призводять до повного енергетичного виснаження клітини, що стає безпосередньої причинної її загибелі.

Механізм апоптозу - відео

Фази та стадії

Розрізняють три фізіологічні фази апоптозу:
1. Сигнальна (активація спеціалізованих рецепторів).
2. Ефективна (формування з різнорідних ефекторних сигналів єдиного шляху апоптозу, і запуск каскаду складних біохімічних реакцій).
3. Дегідратаційна (літер. зневоднення – загибель клітини).

Крім того, морфологічно виділяють дві стадії процесу:
1. Перша стадія – преапоптоз. На цій стадії відбувається зменшення розмірів клітини за рахунок її зморщування, виникають оборотні зміни в ядрі (ущільнення хроматину та скупчення його на периферії ядра). У разі дії деяких специфічних регуляторів апоптоз може бути зупинений, і клітина відновить свою життєдіяльність.

2. Друга стадія – власне апоптоз. Усередині клітини відбуваються грубі зміни у всіх її органелах, проте найбільш значущі перетворення розвиваються в ядрі та на поверхні її зовнішньої мембрани. Клітинна мембрана втрачає ворсинки та звичайну складчастість, на її поверхні формуються бульбашки – клітина ніби кипить, і в результаті розпадається на так звані апоптичні тільця, що поглинаються тканинними макрофагами та/або сусідніми клітинами.

Морфологічно обумовлений процес апоптозу займає, як правило, від однієї до трьох годин.

Некроз та апоптоз клітини. Подібність та відмінність

Термінами некроз та апоптоз позначають повне припинення життєдіяльності клітини. Однак апоптоз позначають фізіологічне відмирання, а некрозом – її патологічну загибель.

Апоптоз є генетично запрограмованим припиненням існування, тобто за визначенням має внутрішню причину розвитку, в той час як некроз відбувається внаслідок впливу надсильних зовнішніх по відношенню до клітини факторів:

• нестача поживних речовин;
• отруєння токсинами тощо.

Для апоптозу характерна поступовість і стадійність процесу, тоді як некроз настає гостріше, і чітко розрізнити стадії практично неможливо.

Крім того, загибель клітини при процесах некрозу та апоптозу відрізняється морфологічно – перший характеризується її набуханням, а при другому відбувається зморщування клітини та ущільнення її мембран.

Під час апоптозу відбувається загибель клітинних органел, проте мембрана зберігається в цілісності, так що утворюються так звані апоптичні тільця, які згодом поглинаються спеціалізованими клітинами - макрофагами або клітинами-сусідами.

При некрозі відбувається розрив клітинної мембрани і вміст клітини виходить назовні. Починається запальна реакція.

Якщо некрозу зазнало достатньо велика кількістьклітин, запалення проявляється відомими з давнини характерними клінічними симптомами, такими як:

• біль;
• почервоніння (розширення судин у сфері поразки);
• припухлість (запальний набряк);
• місцеве, котрий іноді загальне підвищення температури ;
• більш менш виражене порушення функції органу, в якому стався некроз.

Біологічне значення

Біологічне значення апоптозу полягає в наступному:
1. Здійснення нормального розвитку організму під час ембріогенезу.
2. Запобігання розмноженню клітин, що мутували.

3. Регулювання діяльності імунної системи.
4. Запобігання передчасному старінню організму.

Даний процес відіграє провідну роль в ембріогенезі, оскільки багато органів і тканин зазнають значних трансформацій під час ембріонального розвитку. Багато вроджених дефектів виникають внаслідок недостатньої активності апоптозу.

Як запрограмована самоліквідація дефектних клітин цей процес є потужним природним захистом проти онкологічних захворювань. Так, наприклад, вірус папіломи людини блокує клітинні рецептори, відповідальні за апоптоз і, таким чином, призводить до розвитку раку шийки матки та деяких інших органів.

Завдяки цьому процесу відбувається фізіологічна регуляція клонів Т-лімфоцитів, відповідальних за клітинний імунітет організму. Клітини, нездатні розпізнавати білки власного організму (а таких дозріває близько 97%), піддаються апоптозу.

Недостатність апоптозу призводить до тяжких аутоімунних захворювань, тоді як його посилення можливе при імунодефіцитних станах. Наприклад, тяжкість перебігу СНІДу корелює з посиленням цього процесу у Т-лімфоцитів.

Крім того, цей механізм має велике значення для функціонування нервової системи: він відповідальний за нормальне формування нейронів, і він може викликати раннє руйнування нервових клітин при хворобі Альцгеймера.

Одна з теорій старіння організму – теорія апоптозу. Вже доведено, що він лежить в основі передчасного старіння тканин, де загибель клітин залишається непоправною (нервова тканина, клітини міокарда). З іншого боку, недостатній апоптоз може сприяти накопиченню в організмі клітин, що старіють, які в нормі фізіологічно відмирають, і замінюються новими (раннє старіння сполучної тканини).

Роль теорії апоптозу у медицині

Роль теорії апоптозу в медицині полягає в можливості пошуку шляхів регулювання цього процесу для лікування та профілактики багатьох патологічних станів, викликаних ослабленням або, навпаки, посиленням апопоптозу.

Дослідження ведуться одночасно у багатьох напрямках. Насамперед, слід зазначити наукові дослідження в такій значної областімедицини, як онкологія. Оскільки пухлинний ріст викликаний дефектом генетично запрограмованої загибелі клітин, що мутували, вивчається можливість специфічної регуляції апоптозу, з підвищенням його активності в пухлинних клітинах.

Дія деяких хіміотерапевтичних препаратів, що широко застосовуються в онкології, заснована на посиленні процесів апоптозу. Так як пухлинні клітини більш схильні до цього процесу, підбирається доза речовини, достатня для загибелі патологічних клітин, але відносно нешкідлива нормальних.

Також надзвичайно важливі для медицини дослідження, що вивчають роль апоптозу у дегенерації тканини серцевого м'яза під впливом недостатності кровообігу. Група китайських вчених (Lv X, Wan J, Yang J, Cheng H, Li Y, Ao Y, Peng R) опублікувала нові експериментальні дані, які доводять можливість штучного зниження апоптозу в кардіоміоцитах під час введення певних речовин-інгібіторів.

Якщо теоретичні дослідження на лабораторних об'єктах вдасться застосувати у клінічній практиці – це буде великий крок уперед у боротьбі з ішемічною хворобою серця. Ця патологія займає перші позиції серед причин смерті у всіх високорозвинених країнах, отже перехід від теорії до практики важко було б переоцінити.

Ще одне дуже перспективний напрямок- Розробка методів регулювання даного процесу для уповільнення старіння організму. Теоретичні дослідженняведуться у напрямку створення програми, що поєднує підвищення активності апоптозу старіючих клітин, та одночасного посилення проліферації молодих клітинних елементів. Тут досягнуто певних успіхів теоретично, проте до переходу від теорії до практичних рішень ще далеко.

Крім того, масштабні наукові дослідженняпроводяться у таких напрямках:

• алергологія;
• імунологія;
• терапія інфекційних захворювань;
• трансплантологія;

Таким чином, у недалекому майбутньому ми станемо свідками впровадження у практику принципово нових медичних препаратів, які перемагають багато захворювань.

Апоптоз – це програмована клітинна смерть (що ініціюється під дією поза- або внутрішньоклітинних факторів) у розвитку якої активну роль беруть спеціальні та генетично запрограмовані внутрішньоклітинні механізми. Він, на відміну від некрозу активний процес, що вимагає певних енерговитрат. Спочатку намагалися розмежувати поняття « програмована клітинна загибель» та « апоптоз»: до першого терміну відносили усунення клітин в ембріогенезі, а до другого – програмовану смерть лише зрілих диференційованих клітин. В даний час з'ясувалося, що жодної доцільності в цьому немає (механізми розвитку клітинної загибелі однакові) і два поняття перетворилися на синоніми, хоча це об'єднання і безперечно.

Перш ніж приступити до викладу матеріалу про роль апоптозу для життєдіяльності клітини (і організму) у нормі та патології, ми розглянемо механізм апоптозу. Їх реалізацію можна як поетапного розвитку наступних стадій:

1 стадія – стадія ініціації (індукції) .

Залежно від походження сигналу, що стимулює апоптоз, розрізняють:

внутрішньоклітинні стимули апоптозу. Серед них до найвідоміших відносять різні видиопромінення, надлишок Н + , оксид азоту, вільні радикали кисню та ліпідів, гіпертермія та ін. Всі вони можуть викликати різні пошкодження хромосом(розриви ДНК, порушення її конформації ін.) та внутрішньоклітинних мембран(особливо мітохондрій). Тобто в даному випадку приводом для апоптозу служить «незадовільний стан самої клітини» (Мушкамбір Н.П., Кузнєцов С.Л., 2003). Причому пошкодження структур клітин має бути досить сильним, але не руйнівним. У клітини повинні зберегтися енергетичні та матеріальні ресурси для активації генів апоптозу та його ефекторних механізмів. Внутрішньоклітинний шлях стимуляції програмованої смерті клітини можна позначити як апоптоз зсередини»;

трансмембранні стимули апоптозу, тобто, у цьому випадку він активується зовнішньою «сигналізацією», яка передається через мембранні або (рідше) внутрішньоклітинні рецептори. Клітина може бути цілком життєздатною, але з позиції цілісного організмуабо «помилковій» стимуляції апоптозу, вона має загинути. Цей варіант апоптозу отримав назву « апоптоз за командою».

Трансмембранні стимули поділяються на:

« негативні» сигнали. Для нормальної життєдіяльності клітини, регуляції її поділу та розмноження необхідний вплив на неї через рецептори різних БАВ: факторів росту, цитокінів, гормонів. Серед інших ефектів вони пригнічують механізми клітинної загибелі. І, природно, дефіцит або відсутність даних БАВ активує механізми програмованої смерті клітини;

« позитивні» сигнали. Сигнальні молекули, такі як ФНПα, глюкокортикоїди, деякі антигени, адгезивні білки та ін, після взаємодії з клітинними рецепторами можуть запускати програму апоптозу.

На клітинних мембранах знаходиться група рецепторів, завдання яких передача сигналу до розвитку апоптозу є основною, можливо навіть єдиною функцією. Це, наприклад, білки групи DR (death receptos – « рецептори смерті»): DR 3, DR 4, DR 5. Найбільш добре вивчений Fas-рецептор, що з'являється на поверхні клітин (гепатоцитах) спонтанно або під впливом активації (зрілі лімфоцити). Fas-рецептор при взаємодії з Fas-рецептором (лігандом) Т-кіллера запускає програму смерті клітини мішені. Однак, взаємодія Fas-рецептора з Fas-лігандом в областях, ізольованих від імунної системи, закінчується загибеллю самого Т-кіллера (див. нижчеігандом в областях, ізольованих від імунної системи, закінчується загибеллю самого Т-кіллера ()жно00000000000000000000

Слід пам'ятати, деякі сигнальні молекули апоптозу, залежно від ситуації можуть навпаки, блокувати розвиток програмованої смерті клітин. Амбівалентність(Двійний прояв протилежних якостей) характерна для ФНП, ІЛ-2, інтерферону γ та ін.

На мембранах еритроцитів, тромбоцитів, лейкоцитів, а також клітин легені та шкіри виявлені особливі антигени-маркери. На них синтезуються фізіологічні аутоантитіла, і вони, виконуючи роль опсонінів, сприяють фагоцитоз цих клітин, тобто. загибель клітин відбувається шляхом аутофагоцитоз. З'ясувалося, що антигени-маркери з'являються на поверхні «старих» (що пройшли свій шлях онтогенетичного розвитку) та ушкоджених клітинах, молоді та неушкоджені клітини їх не мають. Дані антигени отримали назву «антигени-маркери старіючих та пошкоджених клітин» або «білок третьої смуги». Поява білка третьої лінії контролюється геномом клітини. Отже, аутофагоцитоз можна розглядати як варіант запрограмованої загибелі клітин.

Змішанісигнали. Це поєднане вплив сигналів першої та другої групи. Наприклад, апоптоз відбувається з лімфоцитами, активованих мітогоном (позитивний сигнал), але не вступив у контакт з АГ (негативний сигнал).

2 стадія – стадія програмування (Контролю та інтеграції механізмів апоптозу).

Для цієї стадії характерно два, діаметрально протилежні процеси, що спостерігаються після ініціації. Відбувається або:

реалізація пускового сигналу до апоптозу через активацію його програми (ефекторами є каспази та ендонуклеази);

блокується ефект пускового сигналу апоптозу.

Розрізняють два основні, але не виключають один одного варіанти виконання стадії програмування (рис. 14):

Мал. 14. Каспазний каскад та його мішені

R-мембранний рецептор; К – каспази; AIF – мітохондріальна протеаза; Цит. С – цитохром с; Apaf-1 – цитоплазматичний білок; IAPs – інгібітори каспаз

1. Пряма передача сигналу (прямий шлях активації ефекторних механізмів апоптозу минаючи геном клітини) реалізується через:

адапторні білки. Наприклад, так здійснюється запуск апоптозу Т-кілером. Він активує каспазу-8 (адапторний білок). Аналогічно може діяти і ФНП;

цитохром С та протеазу ΑIF (мітохондріальна протеаза). Вони виходять із пошкодженої мітохондрії та активують каспазу-9;

гранзими. Т-кілери синтезують білок перфорин, який утворює канали у плазмолемі клітини-мішені. Через ці канали в клітину проникають протеолітичні ферменти. гранзими, що виділяються тим же Т-кілером і вони запускають каскад каспазної мережі.

2. Опосередкована передача сигналу. Вона реалізується за допомогою геному клітини шляхом:

репресії генів, які контролюють синтез білків-інгібіторів апоптозу (гени Bcl-2, Bcl-XL та ін). Білки Bcl-2 в нормальних клітинах входять до складу мембрани мітохондрій і закривають канали по яких з цих органоїдів виходять цитохром і протеаза AIF;

експресії, активації генів, що контролюють синтез білків-активаторів апоптозу (гени Bax, Bad, Bak, Rb, P 53 та ін). Вони, своєю чергою активують каспази (к-8, до-9).

На рис. 14 представлена ​​зразкова схема каспазного принципу активації каспаз. Звідки б не запускався каскад, його вузловим моментом є каспаза 3. Вона активується і каспазою 8 і 9. Всього в сімействі каспаз - більше 10 ферментів. Локалізуються у цитоплазмі клітини у неактивному стані (прокаспази). Положення всіх каспаз у даному каскаді остаточно не з'ясовано, тому на схемі ряд їх немає. Як тільки активуються каспази 3,7,6 (можливо та їх інші типи) настає 3 стадія апоптозу.

3 стадія – стадія реалізація програми (виконавча, ефекторна).

Безпосередніми виконавцями («катами» клітини) є вище зазначені каспази та ендонуклеази. Місцем застосування їх дії (протеолізу) служать (рис. 14):

цитоплазматичні білки – білки цитоскелета (фодрін та актин). Гідролізом фодрину пояснюють зміну поверхні клітини – «гофрування» плазмолеми (поява на ній вп'ячувань і виступів);

білки деяких цитоплазматичних регуляторних ферментів: фосфоліпази А2, протеїнкінази С та ін;

Ядерні білки. Протеоліз ядерних білків займає основне місце у розвитку апоптозу. Руйнюються структурні білки, білки ферментів реплікації та репарації (ДНК-протеїнкінази та ін), регуляторні білки (рRb та ін), білки-інгібіторів ендонуклеаз.

Іннактивація останньої групи – білків інгібіторів ендонуклеаз призводить до активації ендонуклеаз, другомузнаряддя » апоптоза. В даний час ендонуклеази і зокрема, Са 2+ , Мg 2+ -залежна ендонуклеаза, розглядається як центральний фермент програмованої смерті клітини Вона розщеплює ДНК над випадкових місцях, лише у лінкерних ділянках (з'єднувальні ділянки між нуклеосомами). Тому хроматин не лізується, а лише фрагментується, що визначає відмінну структурну рису апоптозу.

Внаслідок руйнування білка та хроматину в клітині формуються і від неї відбруньковуються різні фрагменти – апоптозні тільця. Вони знаходяться залишки цитоплазми, органел, хроматину та інших.

4 стадія – стадія видалення апоптозних тілець (Фрагменти клітини).

На поверхні апоптозних тілець експресуються ліганди, вони розпізнаються рецепторами фагоцитів. Процес виявлення, поглинання та метаболізування фрагментів загиблої клітини відбувається порівняно швидко. Це сприяє уникнути потрапляння вмісту загиблої клітини в довкілляі цим, як зазначено вище, запальний процес не розвивається. Клітина йде з життя "спокійно", не турбуючи "сусідів" ("тихий суїцид").

Програмована клітинна загибель має важливе значеннядля багатьох фізіологічних процесів . З апоптозом пов'язані:

підтримання нормальних процесів морфогенезу– запрограмована смерть клітин у процесі ембріогенезу (імплантації, органогенезу) та метаморфозу;

підтримка клітинного гомеостазу(у тому числі ліквідація клітин із генетичними порушеннями та інфікованих вірусами). Апоптозом пояснюється фізіологічна інволюція та врівноваження мітозів у зрілих тканинах та органах. Наприклад, загибель клітин в активно проліферуючих і популяціях, що самооновлюються - епітеліоцитів кишечника, зрілих лейкоцитів, еритроцитів. Гормонально-залежна інволюція – загибель ендометрію наприкінці менструального циклу;

селекція різновидів клітин усередині популяціїНаприклад, формування антигенспецифічної складової імунної системи та управління реалізацією її ефекторних механізмів. За допомогою апоптозу відбувається вибраковування непотрібних та небезпечних для організму клонів лімфоцитів (аутоагресивних). Порівняно недавно (Griffith T.S., 1997) показали значення програмованої загибелі клітин у захисті «імунологічно привілейованих» зон (внутрішні середовища ока та сім'яників). При проходженні гісто-гематичних бар'єрів цих зон (що трапляється рідко) ефекторні Т-лімфоцити гинуть (див. вище). Включення механізмів їх смерті забезпечується при взаємодії Fas-ліганду бар'єрних клітин з Fas-рецепторами Т-лімфоциту, тим самим запобігає розвитку аутоагресії.

Роль апоптозу у патології та види різних захворювань пов'язаних з порушенням апоптозу представлені у вигляді схеми (рис. 15) та таблиці 1.

Звичайно, значення апоптозу в патології менше ніж некрозу (можливо це пов'язано з недостатністю таких знань). Однак, проблема його в патології має й дещо інший характер: вона оцінюється за ступенем вираженості апоптозу — посилення чи ослаблення за тих чи інших хвороб.