Механизмы апоптоза - Радиационный апоптоз и некроз клеток облученного организма

Развитие и функционирование многоклеточных организмов подразумевает равновесие между синтезом и распадом молекул, их окислением и восстановлением, пролиферацией и гибелью клеток (Д. М. Спитковский, 2002). Этот баланс может устанавливаться на различном уровне в зависимости от стадии развития организма, времени года и т. д. Поэтому апоптоз является частью природного механизма, обеспечивающего этот баланс, физиологическим процессом. Однако в том случае, когда этот процесс активируется под действием повреждающих факторов, апоптоз становится частью патологического процесса.

Индукция апоптоза характерна не только для действия ионизирующих излучений, но и для многих других патологических явлений в организме, включая канцерогенез. Как полагают, при этом происходит значительное нарушение баланса между скоростью деления и гибели клеток. В организме или культуре клеток стратегия апоптоза используется для элиминации клеток, несущих нерепарируруемые повреждения биологических мембран (например, путем супероксид-зависимого апоптоза), ДНК и, возможно, других макромолекул клетки.

С активацией процессов апоптоза связывают элиминацию апоптоз-чувствительных субпопуляций клеток в феномене повышения радиорезистентности клеточных популяций к действию ионизирующих излучений в высоких дозах. Так, у ракообразных, облученных в широком диапазоне доз, уровень апоптотической гибели клеток в популяции резко возрастал лишь в интервале от 0 до 0,5 Гр. При этом частота обнаружения клеток, гибнущих по этому механизму, после облучения в дозах от 0,5 до 5 Гр претерпевала лишь незначительные изменения. Такая гиперчувствительность части клеток при действии излучения в малых дозах рассматривается как защитная реакция для популяции клеток в целом, поскольку по механизму апоптоза элиминируются клетки, имеющие генетические повреждения. Хотя эти повреждения не всегда летальны для клетки, однако при делении последних мутации и другие геномные аномалии могут передаваться потомкам, нарушая постоянство генома, и поэтому "нежелательны".

Следует отметить интригующее воззрение о так называемом незавершенном апоптозе, т. е о том, что начальные стадии в ряде случаев обратимы, а образующиеся при этом клетки с дефектами в геноме могут быть родоначальниками новых клонов, в том числе трансформированных.

Генетически запрограммированный механизм апоптоза, удивительным образом сходный по большинству реакций у животных разных видов, реализуется в 3 стадии: индукции - инициирования (сигнальная), активации механизмов осуществления (контроля и исполнения) и деградации (структурных изменений).

Генетически обусловленный характер апоптоза проявляется не только в определенной последовательности его реакций, но в первую очередь в обязательности активации в клетке тех генов, которые контролируют синтез белков, необходимых для реализации апоптотической гибели. Впервые это было установлено в опытах на нематоде Caenorhabditis elegans американцем Хартвеллом с соавт., удостоенным в 2002 г. Нобелевской премии по физиологии и медицине за выдающийся вклад в изучение механизмов апоптоза. У данного червя программа включает активацию генов клеточной смерти (сell death) сed - 3, сed-4 и сеd-9, играющих центральную роль в механизме явления, что приводит к образованию белков СЕР-З и СЕР-4, необходимых для реализации эффекта, а также СЕР-9, защищающего клетки от гибели путем ингибирования СЕР-4, активирующего исполнительную функцию белка СЕР-З. У млекопитающих гомологом СЕD-З является каспаза 1 -- белок из семейства 11 цистеиновых протеиназ с аспартатной специфичностью. Термин каспаза составлен из букв названия протеаз -- Cysteine with Aspartate Specificity РгoteASEs, ранее называвшегося семейством ICE (interleukin-1в-converting еnzyme). Кандидатом на гомологию СЕD-4 у млекопитающих является белок семейства Араf-1 -- активирующего фактора 1 апоптотических протеаз. Белок bcl-2 (и члены образуемого им семейства антиапоптотических белков) является аналогом белка СЕD-9 в качестве негативного регулятора (ингибитора) каспазы-1.

Каспазы находятся в цитоплазме клетки в неактивном состоянии. После каскада активирующих модификаций под влиянием генных продуктов они переходят в ядро и атакуют в общей сложности около двух десятков структурных и функциональных белков, включая белки проведения сигналов и цитоскелетные. При этом в каждом белке расщепляется та химическая связь, которая находится сразу за аспартатом в специфичной для каждой каспазы аспартатсодержащей последовательности аминокислот. Большинство субстратов расщепляется каспазами-3 и -7, ламин избирательно каспазой-6. Чтобы произошла характерная для апоптоза межнуклеосомная фрагментация ДНК, необходима активация апоптоз-специфической эндонуклеазы. Она происходит путем расщепления каспазой цитоплазматического ингибитора этой эндонуклеазы (ингибитора каспазо-активируемой ДНКазы, фактора фрагментации ДНК).

Только после этого ДНКаза переходит в клеточное ядро и производит деградацию геномной ДНК. Активация каспаз осуществляется путем восприятия соответствующих сигналов, приходящих из внешней среды или из самой клетки. В результате, как уже отмечалось, возникает экспрессия определенных генов с образованием белковых продуктов с сигнальной функцией. Команды на апоптоз реализуются двумя путями -- внешним и внутренним: через так называемые поверхностные рецепторы смерти в клеточной мембране (death receptors, DR) или через митохондрии внутри клетки.

Первый путь начинается с рецепторов смерти, которых в настоящее время насчитывают пять: DR1 (Fas, или Аро1), DR2 (TNFR1 -- tumor necrosis factor гесеptог-1, или р55, или CD120a), DR3 (Аро3, или WSL-1, или ТRАМР, или LARD), DR4 и DR5(Аро2, или TRAIL-R2, или ТRICK 2, или KILLER). Среди них главными считаются Fas и TNFR1.

Рецептор клеточных мембран - это встроенная в мембраны белковая молекула, обычно состоящая из трех частей. Наружная, неклеточная часть молекулы способна узнавать (подобно узнаванию замком своего ключа) сигнальные молекулы, которые могут либо свободно плавать во внеклеточной жидкости, либо быть фиксированными на поверхности других клеток (например, лейкоцитов). При взаимодействии сигнальных молекул с наружной частью белка-рецептора, происходит изменение конформации рецептора - структурные изменения расположения одних атомов относительно других в макромолекуле рецептора, причем как в наружной его части, так и в средней (погруженной в мембрану) и внутриклеточной его частях. Внутриклеточная часть рецептора передает сигналы клеточным ферментам.

Таким образом, взаимодействуя с соответствующим генным продуктом -- своим специфическим лигандом, рецептор формирует последующий сигнал, активирующий каспазы. В итоге индуцируется каскад реакций апоптоза. Митохондриальный путь активации этого процесса осуществляется каспазой-3. Для своей реализации он требует, помимо АТФ или дАТФ, участия трех белков: зрелой гемсодержащей формы цитохрома с, Араf-1 (аналога СЕDЗ) и каспазы-9 (аналога СЕD4).

В норме цитохром содержится в митохондриальном межмембранном пространстве. Выход его в цитоплазму происходит вследствие повреждения митохондрий, приводит к активации каспазы-3 и запуску апоптоза.

Существует и иной вариант митохондриального пути, когда в результате открытия пор проницаемости и утраты протонного и электрического градиента на внутренней митохондриальной мембране из митохондрий выходит белок, получивший название апоптоз-индуцирующего фактора (apoptosis-inducing factor, AIF), прямо активирующий каспазу-3. В отличие от некроза, уже незначительные нарушения окислительно-восстановительного равновесия в клетке могут послужить начальной стадией реализации многоплановой программы апоптоза. При этом к ее "запуску" в данной клетке могут быть причастны другие клетки. На рис. 5 представлена ориентировочная схема реализации апоптоза, вызванного образованием ОРТ в облученной клетке.

Рис.5 Схема модели апоптоза облученной клетки

Похожие статьи




Механизмы апоптоза - Радиационный апоптоз и некроз клеток облученного организма

Предыдущая | Следующая