Апоптоз

Апоптоз





Основным целевым принципом функционирования всех систем организма является поддержание его биологической целостности. На клеточном уровне этот процесс реализуется за счет регуляторного влияния эфферентных сигналов, поддерживающих сложное равновесное состояние между интегративными физиологическими процессами: пролиферацией, дифференцировкой и физиологической клеточной гибелью, или апоптозом. Важность и место каждого из этих процессов определяется их ролью в функционировании различных систем в каждый конкретный момент развития и жизни организма. В этом плане исследование процессов апоптоза представляет новый этап развития биологии и медицины, хотя его отдельные проявления были известны и описаны еще в начале двадцатого столетия.

В клетках взрослого организма апоптоз является повсеместным и постоянно происходящим процессом. Им обеспечивается ряд метаболических реакций на клеточном уровне, некоторые иммунные процессы, возрастная инволюция половых желез, тимуса и т.д. Нарушение процесса физиологической клеточной гибели может привести к развитию патологических состояний и заболеваний, проявлениями которых могут быть как пролиферативные, так и дегенеративные изменения. Так, например, повышение активации апоптоза является одним из звеньев патогенеза СПИДа, нейродегенеративных и миелодиспластических процессов, а также ишемических поражений органов. Ингибирование апоптоза определяет развитие опухолей, ряд аутоиммунных и вирусных заболеваний. В связи с изложенным, можно сказать, что изучение апоптоза при различных патологических состояниях может дать возможность его направленной коррекции, а, следовательно, и лечения ряда заболеваний.

Ваша оценка: Нет Средняя: 4 (7 votes)

История исследования апоптоза





Первое гистологическое описание смерти клеток было сделано Рудольфом Вирховым в 1859 г., однако речь при этом шла о процессе, который Вирхов назвал «дегенерацией», «некрозом», «умиранием клеток» и подчеркнул, что указанные изменения характерны для необратимых изменений в тканях.

В настоящее время принято выделять два типа гибели клеток: некроз и апоптоз. В конечном итоге оба этих процесса имеют один результат - смерть клетки, но по своей природе эти два процесса различны. Некроз - это патологический процесс, возникающий в результате воздействия на организм патогенного агента, а апоптоз в нормальных условиях является физиологическим процессом, в основе которого лежит генетически запрограммированная гибель клетки. В связи с этим апоптоз имеет и второе название - программированная клеточная гибель (ПКГ).

Первое детальное описание смерти клеток, как физиологического явления, было в 1895 г. дано Флемингом, который описал распад клеток овариального эпителия на частицы (впоследствии названные апоптозными тельцами), определив процесс быстрого исчезновения образовавшихся при распаде клеток фрагментов цитоплазмы и ядра, как хроматолизис.

Физиологическую смерть клеток у эмбрионов в 1950 г. детально описал Л. Глусман, назвав ее ПКГ. Этот исследователь отчетливо понимал, что имеет дело с особым видом клеточной смерти, но посчитал, что данное явление присуще только эмбриогенезу и принципиально отличается от клеточной гибели, характерной для взрослого организма. В связи с этим возникли две концепции физиологической гибели клеток ПКГ, свойственная эмбриогенезу, и апоптоз, свойственный взрослому организму. Большинство авторов считает эти два понятия синонимами, однако, некоторые исследователи полагают, что между этими двумя процессами имеются различия.

Де Дюв - исследователь, открывший лизосомы, выдвинул еще одну концепцию физиологической гибели клеток. Он предположил, что при определенных условиях клетка может сама себя убить, используя для этой цели собственные лизосомы. Это явление получило название клеточного суицида и вскоре был описан один из его не связанных с лизосомами вариантов (первоначально - только для клеток печени) - гибель клеток при накоплении в ней свободных радикалов. Позднейшие исследования этого процесса действительно показали, что накопление свободных радикалов вызывает ряд внутриклеточных изменений, приводящих к накоплению свободного внутриклеточного кальция, что резко нарушает функцию клеток и ведет в конечном итоге к их гибели. Однако этот процесс имеет с апоптозом единственный общий признак - это конечный этап гибели клеток, характерный как для ПКГ, так и для некроза.

Ваша оценка: Нет Средняя: 3.9 (7 votes)

Отличия апоптоза от некроза





Между апоптозом и некрозом имеется ряд существенных различий, результирующим эффектом которых является то, что возможна фармакологическая коррекция апоптоза, то есть терапевтическое вмешательство, а при некрозе попытки такой коррекции неэффективны, даже если она проводится на самых ранних стадиях повреждения клетки.

Последовательность морфологических изменений клетки при апоптозе и некрозе представлена на рисунке. 

При апоптозе наблюдаются следующие, идущие друг за другом изменения:

1. Исходно ннтактная клетка.

2. Уплотнение и сегрегация хроматина в ядре.

3. Распад ядра на фрагменты и образование апоптозных телец.

4. Фагоцитоз апоптозных телец соседней клеткой.

5. Ранняя стадия некроза, включающая конденсацию хроматина в нерезко очерченные массы и деградацию цитоплазматическнх структур.

6. Разрушение мембран и дезинтеграция клетки.

Таким образом, самым ранним признаком апоптоза, выявляемом на электронно-микроскопическом уровне, являются резко очерченные уплотнения ядерного хроматина в виде гомогенной массы. Кроме того, наблюдается некоторая конденсация (уплотнение) цитоплазмы. Затем ядро и цитоплазма распадаются на фрагменты, причем цитоплазматические фрагменты разделяются цитоплазматической мембраной, то есть сохранность мембраны является одним из признаков апоптоза.

В результате апоптоза клетка превращается в совокупность окруженных мембраной апоптозных телец, в которых плотно упакованные органеллы могут выглядеть интактными. В некоторых таких тельцах нет ядерного компонента, а в других - есть (иногда даже несколько), причем хроматин всегда очень плотный, резко очерчен и сконденсирован у ядерной мембраны.

Апоптозные тельца быстро поглощаются соседними клетками, где утилизируются с помощью лизосом. Окружающие клетки при этом сближаются, так что изменений цитоархитектоники тканей не происходит. Также полностью отсутствуют признаки воспаления. Некоторые апоптозные тельца (например, в поверхностном эпителии) слущиваются.

В культуре тканей было установлено, что процесс конденсации цитоплазмы и ее распада на апоптозные тельца происходит в течение нескольких минут. В организме процесс апоптоза также происходит достаточно быстро: фагоцитоз и утилизация апоптозных телец протекают в течение нескольких часов, в связи с чем процесс апоптоза исследователи часто не могут уловить.

Ультраструктурные проявления некроза значительно отличаются от характерной для апоптоза картины. Главным образом они сводятся к сморщиванию органелл и дезинтеграции цитоплазмы. Хотя хроматин в некротизирующихся клетках также, как и при апоптозе, конденсируется у ядерной мембраны, его компактные массы менее однородны и значительно менее четко очерчены по краям ядра. После образования этих масс (или даже параллельно с этим процессом) происходит разрушение клеточных и внутриклеточных мембран, в том числе и мембран лизосом, что приводит к высвобождению лизосомальных энзимов, протеолизу и распаду клетки. На более поздней стадии некроза хроматин из ядра исчезает, то есть развивается кариолизис. Некроз обычно сопровождается экссудативным воспалением и, если в процесс вовлечено большое количество клеток, заканчивается образованием рубца. Другими словами, в отличие от апоптоза, при некрозе восстановления цитоархитектоники ткани не происходит.

Следует отметить, что в настоящее время выявлены наиболее ранние признаки некроза, причем в эту стадию некроз является потенциально обратимым. Речь идет о нарушении ионно-обменной функции мембранных каналов и уменьшении содержания в клетке содержания макроэргических фосфорных соединений. Хотя при нарастании указанных изменений в клетке развиваются процессы, несовместимые с ее жизнью, на ранних стадиях процесса указанные нарушения являются обратимыми.

В представленной ниже таблице приводятся основные признаки ПКГ, апоптоза и некроза.

Как следует из представленной таблицы, между ПКГ и апоптозом есть некоторые различия, но по главным морфологическим и биохимическим признакам эти состояния однотипны. В соответствии с этим мы будем под термином апоптоз понимать и сам процесс (у взрослых организмов), и ПКГ (в процессе эмбриогенеза). 

Ваша оценка: Нет Средняя: 3.8 (10 votes)

Проявления апоптоза

Проявления апоптоза можно разделить на пять основных типов.

1. Смерть клетки в процессе онтогенеза.

Апоптоз играет жизненно важную роль в процессе эмбриогенеза высших позвоночных животных, поскольку он включен в реализацию многих морфогенетических процессов. Однако гибель клетки в процессе онтогенеза не является жестко детерминированной: клетки должны заблаговременно получить сигнал к включению программы гибели.

2. Смерть клеток в интактных тканях взрослых особей.

Апоптоз характерен как для медленно пролиферирующих клеточных популяций (гепатоцитов, клеток эпителия коры надпочечников), так и для быстро пролиферирующих (клеток кишечного эпителия, сперматогоний в период дифференцировки). В первом случае апоптоз уравновешивает процессы митоза, а во втором -большая часть митозов компенсируется, вероятно, потерей клеток за счет миграции, а на только в связи с апоптозом.

Гомеостатическая регуляция нормального объема клеток осуществляется циклической продукцией факторов роста, стимулирующих митоз, и «факторов смерти», запрограммированных в генах и индуцирующих апоптоз.

Очень важной функцией иммунной системы является разрушение лимфоцитов путем апоптоза. Мегакариоциты, распадающиеся на кровяные пластинки, претерпевают апоптоз; стареющие нейтрофильные лейкоциты элиминируются также путем апоптоза. Значительное количество инволюционных процессов в норме, включая разрушение овариального фолликула, инволюцию волосяного фолликула и др. осуществляется путем апоптоза. Триггером этого процесса во многих тканях являются гормоны.

Пока еще остается неясным, связан ли в целом процесс старения организма с апоптозом. Можно лишь логически предположить (кстати, такое предположение подтверждается в культуре тканей), что апоптоз играет определенную роль в физиологических процессах старения.

3. Смерть клеток в процессе патологической атрофии при гиперплазии

Апоптоз включен в процесс патологической атрофии в так называемых эндокринно зависимых тканях, как, например, в процессы атрофии простаты после кастрации и коры надпочечников после супрессии секреции АКТГ с помощью глюкокортикоидов. Патологическое разрастание или гиперплазия тканей вызывается путем стимуляции митозов, а возвращение ее к нормальному объему - путем стимуляции апоптоза.

4. Альтруистический суицид клеток.

Смерть клеток может играть биологически полезную роль в элиминации тех клеток, выживание которых вредно для организма в целом: например, клеток-мутантов, клеток, пораженных вирусом. Проникающая радиация вызывает апоптоз в популяции пролиферирующих клеток эпителия крипт кишечника, в не пролиферирующих клетках лимфоидных органов, где лимфатические клетки, превратившиеся после облучения в мутанты, могут стать причиной аутоиммунных заболеваний. Апоптоз стимулируется химическими препаратами, применяемыми при лечении опухолевых заболеваний; уничтожение пораженных вирусами клеток путем апоптоза обеспечивает минимальное повреждение тканей по сравнению с гибелью клеток некротическим путем.

5. Клеточная смерть. вызванная минимальным повреждением.

Этот тип клеточной смерти возникает при слабом воздействии на клетки тех агентов, которые могут вызвать некроз. Данный тип апоптоза определяется силой воздействия, а не его природой. Так, нагревание клеток в культуре тканей до температуры +43° - +44° С в течение тридцати минут вызывает апоптоз отдельных клеток, а гипертермия до +46° - +47° С приводит к массированному некрозу.

Апоптоз чаще всего дифференцируется морфологически. Биохимическая дифференцировка апоптоза in vivo пока еще затруднительна. Однако in vitro процессы апоптоза изучены достаточно подробно. Опуская некоторые биохимические детали, следует обратить внимание на следующее. В основе апоптоза лежит изменение ионного состава цитоплазмы клетки, приводящее к уменьшению содержания в ней внутриклеточного кальция. Этот процесс связан с нарушением функции потенциал-зависимых кальциевых каналов и сопряженного с этим процессом взаимодействия цАМФ и кальмодулина. Конечным этапом этого процесса являются изменения содержания макроэргических фосфорных соединений и снижение концентрации внутриклеточного кальция в клетке. Апоптоз начинается с деполяризации клеточных мембран, что и ведет к изменению проницаемости потенциалзависимых кальциевых каналов.

Ваша оценка: Нет Средняя: 3.7 (3 голосов)

Генетический контроль клеточной гибели

В настоящее время описаны три пути активации генома при апоптозе: индукция (экспрессия новых генов появляется после приложенного стимула); трансдукция (экспрессия генов не обязательна во время стимула); и высвобождение (активирование апоптоза связано с ингибированием экспрессии генов). Существует также ряд генетических механизмов, активность которых изменяется при большинстве видов клеточной гибели: гены c-myc, c-jun, c-fos, nur 77, противоопухолевые гены (р530), блокаторы апоптоза (bс 12). В настоящее время именно этим генам отводится регулирующая роль в процессах апоптоза. Активация данных генов отмечается и при других физиологических состояниях клетки - пролиферации и дифференцировке, однако в этих случаях направленность их активности изменяется и происходит в иные временные промежутки (удлинение или укорочение периода активности).

Генная регуляция апоптоза изучена на нематодах и сводится к процессам, представленным на рисунке.

Как видно, возможны несколько видов клеточного ответа, которые определяются как внутренней информацией, так и внешними стимулами. На рисунке указаны также и основные гены, регулирующие процессы апоптоза.

На этом рисунке представлена генетическая иерархия контроля клеточной гибели. 

Ваша оценка: Нет Средняя: 5 (1 голос)

Заболевания, связанные с нарушением апоптоза

Апоптоз лежит в основе патогенеза многих заболеваний, которые можно разделить на две группы.
 

Заболевания, связанные с ингибированием апоптоза.
 

1. Опухоли.

2. Аутоиммунные болезни.

3. Вирусные инфекции (герпес, аденовирусы).

4. Заболевания, протекающие с гиперэозинофильным синдромом.

5. Нейропролиферативные заболевания (шизофрения).
 

Заболевания, связанные с усилением апоптоза.
 

1. СПИД.

2. Нейродегенеративные заболевания (болезнь Альцгеймера, паркинсонизм, боковой амиотрофический склероз, атрофия мышц спины).

3. Болезни крови (миелодиспластический синдром, апластическая анемия).

4. Ишемические повреждения (инфаркт миокарда, инсульт, реперфузионные повреждения).

5. Токсические повреждения печени.

6. Заболевания почек.

Ваша оценка: Нет Средняя: 5 (6 votes)

Опухоли

Увеличение количества клеток того или иного вида при различных заболеваниях может быть связано как с увеличением пролиферации, так и со способностью клеток запускать программу клеточной гибели при действии факторов, вызывающих апоптоз в норме. По-видимому, кроме усиления размножения клеток, нарушение апоптоза является одним из механизмов развития опухолевого процесса. Исследования последних лет позволили выделить некоторые механизмы увеличения резистентности опухолевых клеток к факторам, индуцирующим апоптоз. Был идентифицирован ген bcl-2. содержание которого значительно увеличивается при фолликулярной лимфоме у человека. Этот ген не способен ни ускорять прохождение клеточного цикла, ни усиливать пролиферацию. Пониженная экспрессия данного гена обнаружена в клетках, в которых апоптоз активирован. Повышенное содержание гена bcl-2 в опухолевых клеточных линиях наблюдается в случае их резистентности к действию химиотерапевтических препаратов. Введение генов, ингибирующих bcl-2, может усилить апоптоз в опухолевых клетках, что характеризует ген bcl-2, как фактор блокады апоптоза.

Важную роль в нормальной регуляции процессов апоптоза играет ген р53. Опухоли, содержащие нормальный ген р53, поддаются химиотерапии и имеют хороший прогноз. Таким образом, апоптоз при опухолях можно рассматривать как механизм защиты организма от клеток, имеющих генетические изменения, приводящие к усиленной клеточной пролиферации.

В настоящее время активно разрабатываются вопросы, являющиеся теоретической предпосылкой разработки нового направления терапии опухолевых заболеваний, связанных с угнетением генов-репрессоров и активацией генов, стимулирующих апоптоз.

Ваша оценка: Нет Средняя: 5 (2 голосов)

Аутоиммунные заболевания

Регулирование клеточной гибели в физиологических условиях необходимо для устранения аутореактивных лимфоцитов в процессе развития и удаления избытка клеток после завершения иммунного ответа.

Аутоиммунные заболевания (аутоаллергические) являются патологическими состояниями, при которых иммунная реакция организма направлена против собственных клеток и тканей, независимо от природы фактора, вызвавшего эту реакцию.

На основании имеющихся в настоящее время данных роль апоптоза в патогенезе аутоиммунных заболеваний может быть представлена следующим образом. Активация клеточной гибели ответственна за изменение негативного отбора реактивных Т-лимфоцитов в тимусе. Нарушение Т-клеточного апоптоза в тимусе не только облегчает персистирование аутореактивных клонов, но и блокирует образование полного состава апоптозных аутоантигенов, к которым должна развиваться толерантность. При этом действие фактора, вызывающего апоптоз, даже при малой интенсивности его воздействия (например, при воздействии солнечных лучей или при снижении температуры окружающей среды) приводит к тому, что даже низкий уровень антигенов на фоне сенсибилизированной иммунной системы вызывает проявление клинических признаков аутоиммунной патологии (в данном случае, аутоиммунных дерматитов).

Ваша оценка: Нет Средняя: 2.8 (9 votes)

Апоптоз и вирусные инфекции

Гибель инфицированных вирусами клеток может рассматриваться как защитный механизм, предотвращающий распространение вирусов в организме. Инициирование апоптоза в этом случае связано с активированием специальных клеточных рецепторов на поверхности клеток-мишеней (так называемых Fas-рецепторов). Однако попадание в клетку некоторых вирусов, в частности, вируса герпеса, приводит к нарушению нормальной регуляции механизма апоптоза. Некоторые вирусы способны активно предотвращать апоптоз инфицированных клеток, используя гомолог гена bcl-2, содержащегося в геноме вируса, в то время как другие могут активно индуцировать экспрессию нативного bcl-2. Так, введение белков аденовируса может непосредственно блокировать апоптоз.

Предотвращение апоптоза играет важную роль в механизмах латентной вирусной инфекции, что зависит от экспрессии гена вируса в клетку и подавления процессов гибели поврежденной вирусом клетки.

Ваша оценка: Нет Средняя: 4.5 (2 голосов)

Нарушения биоритмов клетки

Говоря о типовых процессах, развертывающихся на клеточной территории, следует остановиться на нарушениях функции клетки, связанных с изменением ее биоритмов.

Впервые роль соответствия биоритмов клетки падающему на нее извне раздражению установил русский физиолог Н. Е. Введенский. Он показал, что если раздражать нерв нервно-мышечного препарата с нарастающей частотой, то вначале мышца будет отвечать возбуждением с той же частотой. с которой раздражается нерв, но по достижении известного предела в нервно-мышечном препарате разовьется состояние парабиоза: последовательно возникнут провизорная (когда и сильное, и слабое раздражение вызовет одинаковый эффект), парадоксальная (когда ответ будет на слабые и не будет на сильные раздражения) и тормозящая (когда любой раздражитель вызывает лишь один эффект - углубление состояния торможения) фазы. Таким образом, Н. Е. Введенский в самом общем плане установил, что нормальное функционирование возбудимого субстрата связано с соответствием внутренних биоритмов клетки ритму падающего на нее раздражения.

Поскольку на организм воздействует целый ряд ритмических факторов (смена дня и ночи, времен года, гео- и гелиофизических процессов и т.д.), в клетках должны были выработаться механизмы, подстраивающие ритм их работы к этим факторам. Из внешней среды в клетку в кодированной форме поступает определенная информация. Одним из таких кодов является временной. Соответственно, в клетке должны быть рецепторы, воспринимающие этот код, и образования, дешифрующие и переводящие его в конкретные метаболические команды. Если бы в клетке таких систем не было, то она не смогла бы приспосабливать свое функционирование к меняющимся условиям внешней среды и неизбежно бы погибла. Естественный отбор закрепил те коды, которые лучше стабилизируют систему. В клетке элементами, воспринимающими временной код, являются, по-видимому, мембранные образования, которые обладают выраженной способностью к резонансу, а в силу сложности и многокомпонентности своей структуры - возможностями к передаче полученных временных сигналов в самых различных направлениях и в самой различной конкретной метаболической форме.

Отсюда следует, что несоответствие внешних ритмов внутренней частоте автоколебаний отдельных участков клеточной мембраны или повреждение мембран, ведущее к изменению их пространственно-временных функций, вызовет в клетке развитие патологического процесса. Вторую часть этого положения наглядно иллюстрирует следующий пример. Клетки организмов обладают строго ограниченной способностью к делению (деление клеток, как известно, процесс ритмический). Например, клетки человеческого организма могут делиться примерно пятьдесят раз. Ставился следующий эксперимент. В культуре тканей выращивали человеческие фибробласты и определяли число их делений, которое было около пятидесяти. Другие фибробласты замораживали после двадцатого деления и длительное время хранили в состоянии гипотермического анабиоза. После оттаивания и восстановления жизнеспособности они делились только тридцать раз (в сумме - пятьдесят). У других животных организмов способность клеток к делению является иной: у крыс и мышей клетки делятся 14-28 раз, у черепахи - 90-125 раз и т.д. А вот опухолевые клетки, у которых наблюдаются глубокие изменения в мембранах, способные делиться беспредельно.

Биоритмами обладает не только каждая клетка, но и совокупность этих клеток. Изучение особенностей деятельности различных органов и систем позволило открыть принцип перемежающейся активности их отдельных клеточных компонентов: часть клеток работает в форсированном режиме, часть в нормальном, а часть «отдыхает», функционируя явно ниже не только максимального, но и среднего уровня. Это справедливо и для отдельных клеточных компонентов, в частности, митохондриального аппарата. Такое чередование максимальной, нормальной и минимальной активности клеточных и субклеточных систем (в этих системах периодически происходит смена режимов функционирования отдельных элементов, и те элементы, которые ранее работали максимально, затем переходят на более экономные режимы функционирования, и наоборот) позволяет системе в целом функционировать с максимальным коэффициентом полезного действия.

Нарушение внутренних биоритмов клеточных структур или нарушение соответствия внутренних биоритмов внешним ритмическим стимулам может лежать в основе развития патологических процессов в клетке и организме в целом.

Ваша оценка: Нет Средняя: 4.7 (3 голосов)