Причины апоптоза клеток. Апоптоз: основные механизмы, значение в патогенезе

Апоптоз

Смерть клеток в организме может происходит 2 путями: некроза и апоптоза .

Апоптоз – это такой тип гибели клеток, при котором сама клетка активно участвует в процессе своей гибели, т.е. происходит самоуничтожение клетки. Апоптоз, в отличие от некроза, является процессом активным, после воздействия этиологических факторов запускается генетически запрограммированный каскад реакций, сопровождающийся активацией определенных генов, синтезом белков, ферментов, приводящих к эффективному и быстрому удалению клетки из ткани.

Причины апоптоза.

1. Во время эмбриогенеза апоптоз играет важную роль в разрушении различных тканевых зачатков и формировании органов.

2. Апоптозу подвергаются стареющие клетки, закончившие цикл своего развития, например, исчерпавшие запас цитокинов лимфоциты.

3. В растущих тканях определенная часть дочерних клеток подвергается апоптозу. Процент погибающих клеток может регулироваться системными и местными гормонами.

4. Причиной апоптоза может быть слабое воздействие повреждающих факторов, которые при большей интенсивности могут привести к некрозу (гипоксия, ионизирующее излучение, токсины и др.)

Патогенез апоптоза:

Клетка подвергается апоптозу, если в ядре происходит повреждение ДНК, которое не может быть исправлено системой репарации. За данным процессом следит белок, кодируемый геном р53. При невозможности устранения дефекта ДНК под действием р53-протеина активируется программа апоптоза.

На многих клетках имеются рецепторы, воздействие на которые вызывает активацию апоптоза. Наиболее изученными являются Fas-рецептор, обнаруженный на лимфоцитах, и рецептор к фактору некроза опухолей-альфа (TNF-α), обнаруженный на многих клетках. Данные рецепторы играют большую роль в удалении аутореактивных лимфоцитов и регуляции постоянства размера клеточной популяции по типу обратной связи.

Активировать апоптоз могут различные метаболиты и гормоны: противовоспалительные цитокины, стероидные гормоны, окись азота (NO) и свободные радикалы.

Апоптоз клеток активируется при недостатке кислорода в тканях. Причиной его активации может быть действие свободных радикалов, нарушение энергетически зависимых процессов репарации ДНК и др.

Апоптозу подвергаются клетки, утратившие связь с межклеточным матриксом, базальной мембраной или соседними клетками. Утрата данного механизма апоптоза в опухолевых клетках приводит к появлению способности метастазировать.

Некоторые вирусные белки могут активировать апоптоз клеток после самосборки вируса в зараженной клетке. Поглощение апоптотических телец соседними клетками ведет к их заражению вирусом. Вирус СПИДа также может активировать апоптоз незараженных клеток, имеющих на своей поверхности CD4-рецептор.

Также существуют факторы, препятствующие апоптозу. Замедлять апоптоз могут многие метаболиты и гормоны, например, половые гормоны, провоспалительные цитокины. Апоптоз может резко замедляться при дефектах в механизме гибели клетки, например, при мутации в гене р53 или активации генов, тормозящих апоптоз (bcl-2). Многие вирусы обладают способностью ингибировать апоптоз после встраивания собственной ДНК в геном клетки на период синтеза собственных структурных белков.

Морфологические проявления апоптоза

Апоптоз имеет свои отличительные морфологические признаки, как на светооптическом, так и на ультраструктурном уровне. Наиболее четко морфологические признаки выявляются при электронной микроскопии. Для клетки, подвергающейся апоптозу характерно:

Сжатие клетки. Клетка уменьшается в размерах; цитоплазма уплотняется; органеллы, которые выглядят относительно нормальными, располагаются более компактно. Предполагается, что нарушение формы и объема клетки происходит в результате активации в апоптотических клетках трансглютаминазы и цистеиновых протеаз (каспаз). Первая группа ферментов вызывает образование перекрестных связей в цитоплазматических белках, что приводит к формированию своеобразной оболочки под клеточной мембраной, подобно ороговевающим клеткам эпителия, а вторая группа ферментов разрушает белки в цитозоле.

Конденсация хроматина. Это наиболее характерное проявление апоптоза. ДНК расщепляется эндонуклеазами в местах, связывающих отдельные нуклеосомы, что приводит к образованию большого количества фрагментов, в которых число пар оснований делится на 180-200, которые затем конденсируются под ядерной мембраной. Ядро может разрываться на два или несколько фрагментов.

Формирование апоптотических телец. В апоптотической клетке формируются глубокие впячивания клеточной мембраны, что приводит к отшнуровке фрагментов клетки, т.е. формированию окруженных мембраной апоптотических телец, состоящих из цитоплазмы и плотно расположенных органелл, с или без фрагментов ядра.

Фагоцитоз апоптотических клеток или телец осуществляется окружающими здоровыми клетками, как макрофагами, так и паренхиматозными. Апоптотические тельца быстро разрушаются в лизосомах, а окружающие клетки либо мигрируют, либо делятся, чтобы заполнить освободившееся после гибели клетки пространство.

При окраске гематоксилином и эозином апоптоз определяется в единичных клетках или небольших группах клеток. Апоптотические клетки имеют округлую или овальную форму, интенсивно эозинофильную цитоплазму с плотными фрагментами ядерного хроматина. Поскольку сжатие клетки и формирование апоптотических телец происходит быстро и также быстро они фагоцитируются, распадаются или выбрасываются в просвет органа, то на гистологических препаратах апоптоз обнаруживается в случаях его значительной выраженности. К тому же апоптоз – в отличие от некроза – никогда не сопровождается воспалительной реакцией, что также затрудняет его гистологическое выявление.

Для выявления клеток, находящихся на ранних этапах апоптоза, используют специальные иммуногистохимические исследования, например, определение активированных каспаз или TUNEL-метод, визуализирующий разорванную эндонуклеазами ДНК.

Значение апоптоза.

1. Апоптоз имеет огромное значение в эмбриогенезе (включая имплантацию и органогенез). Нарушение гибели клеток в межпальцевых промежутках может привести в синдактилии, а отсутствие апоптоза избыточного эпителия при слиянии небных отростков или тканей, окружающих нервную трубку, приводит к нарушению слияния тканей с двух сторон, что проявляется расщеплением твердого неба и дефектом в тканях, ограничивающих спинномозговой канал, (spina bifida), соответственно.

2. Апоптоз играет важную роль в поддержании постоянства клеточного состава, особенно в гормон-чувствительных тканях. Замедление апоптоза приводит к гиперплазии тканей, ускорение – к атрофии. Он принимает участие в отторжении эндометрия во время менструального цикла, атрезии фолликулов в яичниках в менопаузе и регрессии ткани молочной железы после прекращения лактации.

3. В данный момент исследуется огромное количество лекарственных препаратов, направленных на регуляцию апоптоза в определенных тканях. Так, ускорение апоптоза иммунокомпетентных клеток можно использовать для лечения аутоиммунных заболеваний и предотвращения отторжения трансплантата, замедление апоптоза может использоваться для предотвращения апоптоза в тканях, испытывающих ишемию, повышенное внешнее давление или временно бездействующих тканях. Замедление апоптоза при вирусных инфекциях предотвращает распространение инфекции на соседние клетки.

4. Во всех опухолях наблюдается нарушение апоптоза в опухолевых клетках. Эта поломка может происходить на разных этапах апоптоза, например, может происходить мутация гена р53, что приведен к тому, что мутантный протеин-р53 будет накапливаться в клетке в избыточном количестве, но не будет вызывать апоптоз несмотря на дефекты в геноме клетки, что приведет к пролиферации клеток с нарушенным геномом, причем с каждым последующим делением нарушения в ДНК будут накапливаться. Иногда в опухолевых клетках может накапливаться и нормальный, или «дикий», протеин р53, если поломка в механизме апоптоза происходит на других уровнях. При хронических лимфоидных лейкемиях наблюдается накопление продуктов гена bcl-2, что приводит к патологическому удлинению срока жизни опухолевых клеток и резистентности клеток к различным проапоптотическим факторам. Иногда нарушается передача сигналов от рецепторов гибели клеток, например, с рецептора к TNF-α. TNF-α принимает участие в регуляции клеточной популяции по типу обратной связи. Все клетки в популяции выделяют TNF-α в небольших количествах; чем больше клеток в ткани, тем выше концентрация TNF-α, а значит и уровень апоптоза. Таким образом достигается баланс между пролиферацией и гибелью клеток. Опухолевые клетки теряют способность подвергаться апоптозу под действием этого цитокина, при этом он накапливается в большом количестве в опухолевой ткани. В результате этого TNF-α начинает в большом количестве попадать в кровоток и вызывать апоптоз паренхиматозных клеток во многих органах, приводя к кахексии.

Является естественным процессом в организме. Он включает в себя контролируемую последовательность событий, в которых клетка сигнализируют о самоуничтожении. Апоптоз помогает контролировать естественный процесс деления клеток посредством .

Почему клетки проходят апоптоз?

Существует несколько случаев, когда клеткам необходимо самоуничтожение. Например, естественный процесс менструации включает в себя распад и удаление ткани из матки. Также клетки могут подвергнутся повреждению или некоторым типам инфекции. Один из способов убрать эти клетки, не причинив вреда здоровым клеткам, является апоптоз.

Что происходит во время апоптоза?

Апоптоз - сложный процесс, который включает в себя множество событий. Во время апоптоза клетка вызывает процесс изнутри, что позволяет ей совершить самоубийство. Если клетка испытывает некоторый тип значительного стресса, такой как повреждение ДНК, то высвобождаются сигналы, которые активируют для высвобождения белков индуцирующих апоптоз.

В результате клетка подвергается уменьшению размера, поскольку ее клеточные компоненты и разрушаются и конденсируются. На поверхности появляются пузырьки, повышающие ее проницаемость. Затем клетка разделяется на более мелкие фрагменты, называемые апоптозными телами. Эти фрагменты заключены в мембраны, чтобы не повредить соседние клетки.

Затем фагоцитарные клетки, такие как , поглощают и разрушают апоптотические тела, не вызывая воспалительную реакцию. Апоптоз также может запускаться снаружи химическими веществами, которые связываются с конкретными рецепторами на поверхности клетки. Это путь, используемый некоторыми лейкоцитами для активации апоптоза в инфицированных клетках.

Апоптоз и рак

Некоторые виды рака сохраняются в результате неспособности клетки пройти апоптоз. Опухолевые вирусы меняют клетки путем интеграции их генетического материала с ДНК клетки-хозяина. Эти вирусы инициируют производство белков, останавливающими процесс апоптоза. Пример этого можно увидеть с вирусами папилломы, которые связывают с раком шейки матки. Раковые клетки, которые не развиваются из вирусной инфекции, могут также продуцировать вещества, ингибирующие апоптоз и способствуют неконтролируемому росту. Радиационная и химическая терапия используется для индукции апоптоза при некоторых видах рака.

Наши клетки — склонны к самоубийству

Более того, они могут покончить с собой по малейшему поводу: перегрев, радиационное облучение, гипоксия... У них даже есть свои антидепрессанты!

Клетки всё время получают сигнал от других клеток: «живи-живи-живи» и прерывание его сразу приводит к смерти.
Но иногда от «соседей» поступает совсем другое послание.

Клетки внимательно следят друг за другом, и при неадекватном поведении посылают сигнал апоптоза — запрограммированной смерти.

Биологическая клетка — это сложный и крайне интересный объект, по сути своей она является целым организмом, который рождается, дышит, питается, размножается и умирает.

Но это не удивительно, ведь огромная часть живых существ на нашей планете состоят только из одной клетки.

Стоит отличать апоптоз от некроза, который является гибелью клеток в результате травмы и повреждения.

Основное отличие — при апоптозе, которые не происходит случайно, из остатков клеток образуются апоптические тела, которые поедаются вызванными для этого фагоцитами, что препятствует воспалению и отравлению соседних клеток, а при некрозе происходит отмирание клеток и целых тканей, сопровождающееся сильным воспалением.

Интересный факт, что термин «апоптоз» означал опадание лепестков и листьев у растений (др.-греч. ἀπόπτωσις — опадание листьев).

Условно можно выделить три стадии апоптоза: инициация или получение сигнала, эффекторная стадия, в которой запускаются процессы деградации и, собственно, процесс разрушения и деградация — формирование апоптических тел с последующим поеданием макрофагами.

Выделяют 2 пути инициации: митохондриальный и внешний сигнал

Митохондрии — энергетические станции нашего организма, там собственно и происходит процесс клеточного дыхания с превращением кислорода в воду.

В школьных учебниках митохондрии изображались как такие вытянутые овалы разбросанные по всех клетке. Но это не совсем так.

Если посмотреть на срез клетки, то вы действительно увидите такую картину, но при трехмерной реконструкции клеток по этим тонким срезам ученые обнаружили, что митохондирия в клетке всего одна, но она имеет сложную изогнутую структуру, поэтому на срезах мы видим различные ее выросты.

Митохондрии окружены двумя клеточными мембранами и между ними находятся белки апоптоза или апоптические белки, которые вырываются на свободу при разрыве внешней мембраны или формировании в ней пор.

Собственно это и является ключевой фазой начала апоптоза.

Освободившиеся белки через ряд биохимических реакций активируют каспазы — ферменты, которые разрушают другие белки.

Каспазы начинаю крушить все вокруг себя, разрушая все основные клеточные структуры.

В процессе разрушения митохондриальной мембраны не только высвобождаются белки, но и вода начинает активно поступать в митохондрию, вызывая ее разбухание.

Второй путь начала апоптоза — сигнальный.

На поверхности клеток есть рецепторы клеточной гибели, специальные лиганды, продуцируемые другими клетками (части это бывают активированные макрофаги, которые позже и подъедают остатки), связываются с этими лигандами и активируют их.

Рецепторы представляют собой большую молекулу, которая сидит в клеточной мембране и выступает с обоих сторон: внутрь клетки и наружу.

С наружной стороны садится лиганд и по всему рецептору передается сигнал на внутреннюю сторону.

На второй стадии апоптоза — эффекторной, уже не так важно как клетка получила сигнал.

На этой стадии внутри начинается настоящий апокалипсис и главную роль в нем играют каспазы

Второй важный элемент этой стадии — флавопротеин AIF, который выходит из митохондрий и активируют эндонуклеазы — белки, которые разрушают ДНК клетки.

Фактически, после этой стации клетка представляет собой город после ядерной бомбежки.

Во время разрушения митохондриальной мембраны также высвобождается весь энергетический комплекс, который провоцируют образование активных форм кислорода внутри клетки.

Свободные радикалы запускают цепные реакции, которые способствуют разрушению содержимого клетки.

В этот момент их уже нельзя сдержать антиоксидантами.

После этого начинается третья и последняя стадия — деградация.

Клетка теряет свою форму и сжимается из-за разрушения клеточного скелета.

Вокруг умирающей клетки уже дежурят макрофаги, готовые набросится на останки.

В процессе клетки, на поверхности мембраны появляются сигнальные белки, которые привлекают голодных макрофагов и вот, они уже поглощают останки погибшего сородича.

Но и у клеток есть антидепрессанты, которые держат эти процессы под контролем не давая среагировать на малейший стресс — это ингибиторы апоптических белков.

Но, как только мембрана митохондрий начинает выпускать предшественников апокалипсиса, на волю вырывается и белок SMAC, который деактивируют эти ингибиторы и они становятся бесполезны.

После этой стадии апоптоз уже сложно остановить.

Не стоит думать, что апоптоз — исключительно мрачно-негативное явление нашего организма.

С помощью апоптоза поддерживается правильное количество и соотношение различных клеток в организме

Апоптоз играет далеко не последнюю роль в нашем развитии: например, разделение пальцев на руках и ногах является следствием запрограммированной гибели клеток.

При прорезании зубов у детей еще до того, как появится зуб, начинается процесс гибели клеток десны, чтобы зубу было легко выйти.

Хвост у головастиков также не отваливается с появлением ног, а деградирует с помощью того же явления.

Апоптоз незаменим при предотвращении развития раковых опухолей.

Во время нашей обычной жизни огромное количество клеток в организме претерпевают патологические изменения и перерождаются в потенциально раковые клетки.

Соседние клетки, как и бабушки на скамейки около подъезда, внимательно следят за своими соседями и при неадекватном поведении посылают клетке сигнал апоптоза еще до того, как она размножится и станет опасна.

Собственно по этой причине за последние 20 лет сильно возрос интерес к апоптозу, как средству для предотвращения и борьбы со злокачественными опухолями.

Под термином «апоптоз» следует понимать физиологический процесс гибели клеток, который запускается в ответ на действие физиологических сигналов или обеспечивается включением особой генетической программы. Морфологически этот процесс характеризуется уплотнением хроматина, разделением ДНК на фрагменты и изменением структуры клеточной мембраны. В итоге клетка разрушается и фагоцитируется без признаков воспаления, что практически не влияет на окружающие ткани.

Биологическая роль

Запрограммированная гибель клетки играет важную роль в нормальной жизнедеятельности живых организмов, она обеспечивает:

• развитие в период эмбриогенеза;
• регуляцию численности клеток и их состава в зрелом организме;
• дифференцировку клеток;
• уничтожение старых клеток, прекращающих выполнять свои функции;
• гормональные перестройки;
• подавление опухолевого роста;
• выбраковку клеток с генетическими дефектами;
• элиминацию чужеродных агентов (вирусов, бактерий, грибов и др.).

Нарушение регуляции гибели клеток приводит к развитию:

• вирусных инфекций;
• нейродегенеративных заболеваний ( , );
• патологии крови ( , ).

Следует отметить, что при некоторых из них функция апоптоза снижена, а при других, наоборот, повышена.

• Считается, что подавление апоптоза имеет большое значение для прогрессирования опухолей. Раковые клетки могут приобретать устойчивость к нему за счет усиленной экспрессии антиапоптотических факторов или в результате мутаций в генах.
• Снижение апоптоза наблюдается при аутоиммунных процессах, когда аутоагрессивные Т-клетки не уничтожаются иммунной системой. Это приводит к повреждению собственных тканей организма.
• Усиление апоптоза также негативно сказывается на состоянии здоровья человека. С этим может быть связана усиленная гибель костномозговых клеток-предшественниц красного и белого кроветворного ростка, следствием которой является апластическая анемия.

Таким образом апоптоз выступает общим механизмом гибели клеток, как при физиологических, так и при патологических процессах.

Механизмы развития

Запрограммированная гибель клеток проходит с последовательной сменой 3 стадий:

1. Индукторная.
2. Эффекторная.
3. Деградация.

На первой стадии происходит рецепция сигнала и начальные этапы его передачи. Это осуществляется с помощью рецепторного механизма под действием внешних факторов или путем внутренней активации.

Рецепторы, запускающие апоптоз, получили название рецепторов смерти. Они имеют внутри себя специальные домены, взаимодействие с которыми индуцирует особые внутриклеточные сигналы.

Внутренний путь активации этого процесса связан с изменениями, происходящими в митохондриях. Он чувствителен к недостатку факторов роста, гормонов или цитокинов. Также влиять на него может:

• гипоксия;
• переохлаждение;
• инвазия вирусов;
• облучение;
• свободные радикалы.

Все эти факторы способны вызывать перестройку внутренней мембраны митохондрий, в результате которой открываются поры и высвобождаются проапоптотические вещества. По своей структуре это белки, которые запускают каспазозависимый путь апоптоза и индуцируют разделение ДНК на фрагменты с конденсацией периферических участков хроматина.

В эффекторную стадию происходит активация главных ферментов апоптоза – каспаз. Они обладают протеолитической активностью и расщепляют белки по аспарагиновому остатку. В результате их деятельности в клетке происходит массивное разрушение белка и развиваются необратимые изменения.

На последней стадии реализуются основные механизмы гибели клетки. При этом активируется эндонуклеазы, деятельность которых приводит к деградации ДНК. После этого происходит реорганизация цитоскелета и преобразование клетки в апоптотические тельца, на поверхности которых появляются маркеры для фагоцитоза. На последнем этапе такие клетки поглощаются макрофагами.

Регуляция апоптоза

Каждый из механизмов апоптоза имеет свою регуляцию:

• Митохондриальный путь регулируется белками из семейства Bcl-2. Они влияют на проницаемость мембраны митохондрий и могут ослаблять или стимулировать апоптоз. Это осуществляется путем контроля высвобождения цитохрома С.
• Регуляция рецепторного механизма гибели клетки происходит путем контроля активности каспаз.

Апоптоз позволяет организму поддерживать физиологическое равновесие и противостоять различным внешним воздействиям. Так, каждый день в организме человека в результате запрограммированной гибели отмирают десятки миллиардов клеток, однако эти потери быстро компенсируются за счет клеточной пролиферации. Суммарная масса клеток, которые ежегодно подвергаются разрушению при апоптозе, равна массе тела человека.

С философских позиций, отстаиваемых многими мыслителями, глубоко разрабатывавшими диалектику природы, любое «явление» материального мира имеет свое зеркальное отражение в виде «антиявления». По существу составляющих его элементов это «антиявление» может мало чем отличаться от своего антипода (природа «экономит» свои силы и ресурсы).

Однако самое главное его отличие состоит в диаметрально противоположной направленности процесса, конечным результатом которого будет полная противоположность исходному состоянию.

В этом плане апоптоз есть запрограммированная нормальная гибель клетки, в механизме которой ключевую роль играют специальные и генетически детерминируемые внутриклеточные изменения.

В данном определении, пожалуй, все понятно, кроме понятия «нормальной гибели». Кстати, «апоптоз» с греческого переводится как «опадание листьев». (Пожалуй, читатель согласится, что более точную метафору этому феномену подобрать было бы трудно.)

Но разве гибель живой нормальной клетки может быть нормальной? Оказывается, да, может, поскольку этим определяется постоянство внутренней клеточной среды организма, обеспечивающее его существование (любая клетка недолговечна и требует замены ), и, по-видимому, смена клеточного состава обеспечивает в ближайшей перспективе приспособление организма к меняющимся условиям среды, а в отдаленной, может быть, играет важную роль в эволюции вида.

Пример

Довольно ярким примером апоптоза могут служить физиологические изменения в женской репродуктивной системе, обеспечивающие нормальную репродуктивную функцию:

– гибель клеток (ооцита и фолликулярных клеток ) атрезирующих фолликулов;

– гибель клеток редуцирующегося желтого тела;

– гибель клеток функционального слоя эндометрия накануне менструации;

– гибель лактоцитов молочной железы после прекращения лактации и т. д.

Причины феномена

После краткого философского осмысления феномена «апоптоза» можно перейти к точным биологически доказанным причинам феномена запрограммированной гибели клетки. Их две.

1. Скрытые «поломки» самой клетки в ходе клеточного цикла.

Здесь прежде всего речь идет о поломках, возникающих в самой клетке: повреждение хромосом (чаще всего это разрывы ДНК ).

Другой, не менее редкой причиной могут стать и повреждения митохондрий (чаще всего токсическое или лучевое чрезмерное влияния ). Здесь важно отметить, что повреждение клеточных структур, ведущее к апоптозу, хотя и должно быть сильным, но оно не может быть чрезвычайно сильным, так как у клетки должны сохраняться резервы для физиологической экспрессии генов апоптоза.

Если повреждения клетки чрезмерны , процесс ее гибели становится неуправляемым и представляет собой уже некроз.

1. Сигнализация «на уничтожение», идущая снаружи через специальные рецепторы клетки. Или, иначе, внешние сигналы, обусловливающие апоптоз. Здесь следует отметить большой спектр физиологических процессов, которые можно с полным основанием отнести к апоптозу которые участвуют в процессе онтогенеза.

Разумеется, объем данной статьи не позволяет рассматривать подробно все молекулярные основы апоптоза, но о некоторых «ключевых» факторах невозможно не упомянуть. Так, например, фолликулы яичников выделяют белковый фактор «гонадокринин », который тормозит развитие других фолликулов (т. е. гонадокринин здесь уже играет роль физиологического «регулятора» численности популяции клеток, готовых вступить в стадию созревания).

Апоптоз как антипролиферативный фактор , завершающий биологический цикл клетки ее гибелью, - по существу, инструмент, с помощью которого решаются многие проблемы, которые не касаются «напрямую» жизненного цикла клетки.

Другой интересный факт : апоптоз клетки, продиктованный событиями, лежащими вне клетки, касается только делящихся клеток, поэтому в таких случаях апоптоз является одним из эффективных способов физиологической (нормальной) регуляции численности клеточной популяции.

Пусковые факторы

Пусковыми факторами апоптоза могут являться прекращение действия положительного сигнала, поддерживающего ритм клеточного цикла, например гибель клеток функционального слоя эндометрия из-за спада уровней половых гормонов. Другим примером может быть возрастание содержания белка р53, которое наблюдается из-за отсутствия опоры эпителиального пласта на базальную мембрану.

Во многих вариантах природа внешнего сигнала, начинающего или прекращающего действовать на клетку, весьма разнообразна. К этим факторам можно отнести гормоны, гистогормоны (цитокины), антиген, белок з53 и фактор некроза опухолей.

Морфология

Морфология апоптоза хорошо изучена и довольно последовательна в своем развитии. Этот феномен привлекает особое внимание при сравнении его с механизмами клеточной пролиферации.

Следует заметить, что, раз начавшись, процесс почти не зависит от вида пусковых факторов, и один этап переходит в другой. Все начинается с конденсации хроматина ядра клетки и ее цитоплазмы. В результате ядро становится фрагментарным, а цитоплазма, уменьшаясь в объеме, изменяет форму клетки.

Следующим этапом апоптоза будет фрагментация ядра и цитоплазмы с образованием апоптозных телец. Ядро распадется на отдельные фрагменты, окруженные ядерной оболочкой. Эти фрагменты содержат очень плотные массы хроматина. В конце этого процесса апоптозные тельца отшнуровываются. В некоторых из телец оказываются ядерные фрагменты, в других - только цитоплазматическое содержимое. Но те и другие окружены плазмолеммой с несколько измененным составом. А дальше происходит то, что происходит уже с телами, ставшими инородными для организма: фагоцитоз апоптозных телец окружающими клетками (фагоцитами, нейтрофилами и др.).

Фагоцитированные ими тельца быстро разрушаются в фаголизосомах.

Благодаря сохранению плазмолеммы у апоптозных телец и их быстрому фагоцитозу, содержимое погибшей клетки не попадает в межклеточную среду и реакции воспаления не возникает.

Следует отметить, что все стадии апоптоза совершаются довольно быстро (за несколько часов). Именно поэтому при микроскопии выявить клетки, находящиеся в процессе апоптоза, довольно трудно.

Противоположность

В противоположность апоптозу , при некрозе морфологическая картина иная, так как происходит сильное повреждение клетки (например, прекращение кровотока). При этих условиях механизмы апоптоза сработать не могут, да и морфологическая картина, как нетрудно убедиться, совсем иная. Это, прежде всего, повреждение плазмолеммы, набухание клетки, ядра и других мембранных структур. Таким образом, при некрозе объем клетки увеличивается, а при апоптозе - уменьшается. Хроматин ядра меняется не сразу, а к середине или к концу процесса.

Вначале он конденсируется у ядерной мембраны. Затем в результате кариолиза хроматин исчезает (тогда как при апоптозе фрагменты хроматина оказываются в апоптозных тельцах). В последующем отмечаются разрыв плазмолеммы и высвобождение продуктов клеточного распада в межклеточную среду.

Последние вызывают повреждение соседних клеток (в которых начинаются процессы апоптоза или некроза), и главное - начало процесса воспаления.

Следует сказать, что весь процесс некроза клетки может завершаться очень быстро, например за 1 час. Но его последствия столь значительны, что световая микроскопия выявляет чаще некроз, чем апоптоз.

В отличие от некроза, который представляется грубым «инструментом» уничтожения клетки, апоптоз выглядит более изящным, «цивилизованным» способом самоубийства, заранее запрограммированным, и потому выбор смертоносных воздействий представлен «точечными» ударами физиологических факторов.

Для этой цели существует довольно разнообразный «джентльменский набор», действующий последовательно, как по команде, и, надо сказать, почти безотказно.

Инструменты апофоза

Одним из важнейших инструментов апоптоза является специальное семейство цитоплазматических протеаз, или так называемых каспаз . По структуре они относятся к сериновым протеазам по наличию в активном центре остатка - аминокислоты серина.

В своих белковых мишенях каспазы разрывают пептидные связи, образованные с участием остатка аспарагиновой кислоты. Всего в семействе каспаз 10 ферментов, поэтому каспазы способны в определенной последовательности активировать друг друга, образуя своего рода «каскад», причем разветвленный. С учетом этой разветвленной структуры каспаз, не вдаваясь в подробности ее структуры, которая достаточно сложна и во многом еще не выяснена, можно видеть, что главная их функция состоит в избирательном и ограниченном протеолизе определенных белковых мишеней (в основном ядерных белков), без затраты значительных количеств энергии.

В хорошо настроенном «оркестре» апоптоза (во многом благодаря предсуществующей генетической запрограммированности феномена на самоуничтожение клетки), в котором роль «первой скрипки» исполняет семейство цитоплазматических протеаз - каспаз, слажено «звучат» и другие факторы, такие как, например, эндонуклеазы, которые рассматриваются вторым по важности (после каспаз) «инструментом» апоптоза.

Не вдаваясь в детали этой довольно сложной и во многом еще не понятной последовательности событий, здесь для нашей задачи целостного рассмотрения феноменов клеточной пролиферации и апоптоза следует указать на преимущественно ядерную локализацию эндонуклеаз .

Эти белки-ферменты обладают двумя важными свойствами . Во-первых, эндонуклеазы в отличие от других ферментов, осуществляющих аутолиз ДНК, расщепляют ДНК хромосом не в случайных местах, а только в линкерных участках. Поэтому хроматин не подвергается полному лизису, а лишь фрагментируется, что составляет отличительную черту апоптоза.

И наконец, последнее, но не менее важное . Речь идет о белке р53, который рассматривается как универсальный фактор, тормозящий клеточную пролиферацию, а при определенных условиях и опухолевую трансформацию. В ходе многих, если не всех видов апоптоза в клетках возрастают содержание и активность белка р53. Дело в том, что белок р53 стимулирует гены ряда «киллерных» рецепторов, т. е. рецепторов, воспринимающих «команду» начала апоптоза. Среди них белки Fas-рецептор и рецептор KILLER/DR5. Таким путем повышается чувствительность клетки к сигналам, запускающим апоптоз.

Другой важной функцией белка р53 является его способность останавливать клеточный цикл. Это происходит благодаря активации гена Р21, продукт которого (белок р21) ингибирует известные уже нам комплексы циклинов (циклин-Cdks).

Очень важно иметь в виду воздействие белка р53 и на окружающие клетки . Белок р53 активирует и такие гены, продукты которых выделяются из гибнущей клетки и воздействуют на ее окружение, например подавление ангиогенеза (торможение опухолевого роста), и, что особенно важно в свете рассматриваемой проблемы, р53 действует как фактор, стимулирующий синтез и секрецию ряда ингибиторов пролиферации клеток.

Даже из далеко не полного списка функций белка р53 видно, что этот фактор исполняет роль «первой скрипки» в слаженном звучании оркестра «ферментов-исполнителей» и внимательно следит за «хромосомным дирижером», с тем чтобы не пропустить такт своего вступления, или наоборот, выдержать необходимую паузу.