40. Апоптоз – генетически запрограммированной гибель клеток. Структурно-функциональные изменения клеток при апоптозе.

Апоптоз – физиологическая (запрограммированная) гибель клеток. Апоптоз (от греч. apotosis - листопад) - "смерть клетки в результате самоубийства (самоуничтожения)" - активный, генетически контролируемый процесс клеточной гибели, регулируемый внутренней программой, которая запускается внешними факторами. Развитие апоптоза индуцируется особыми генами (киллерными генами), которые обеспечивают синтез ряда веществ, обусловливающих разрушение клетки. Обнаружены также "гены-спасители", экспрессия которых противодействует развертыванию программы апоптоза (наиболее изученным ингибитором апоптоза служит ген bcl-2).

Апоптоз представляет собой энергоемкий процесс и сопровождается активацией сигнальных систем в клетке. Он обычно происходит асинхронно в отдельных клетках или мелких клеточных группах, разделенных численно превосходящими жизнеспособными клетками. Апоптоз наблюдается в различных тканях человека и животных в норме, патологии, эмбриональном развитии и у взрослого.

Сигналы, запускающие генетическую программу апоптоза, обладают специфичностью для клеток различных тканей. К наиболее общим индуцирующим сигналам относятся:

(1) Нарушение баланса регуляторных воздействий, поддерживающих нормальную дифференцировку и функциональную активность клеток, например, вследствие дефицита стимулирующих факторов (гормонов, факторов роста, некоторых цитокинов), потери контакта с другими клетками или компонентами межклеточного вещества и др. К этой же категории сигналов, вероятно, относятся и те, что возникают в клетке при ее естественном старении;

(1) Воздействие физиологических активаторов (индукторов) апоптоза - ФНО (фактора некроза опухолей), ИФНу (интерферона-у), ГФРР (трансформирующего фактора роста-В), молекулы Fas, глюкокортикоидов, некоторых интерлейкинов. Этот эффект тканеспецифичен: некоторые из указанных веществ в клетках одних тканей индуцируют апоптоз, тогда как в других являются его ингибиторами (факторами выживания);

(2) Воздействие разнообразных повреждающих физических и химических факторов (гипертермии, гипоксии, оксидантов, токсинов, ишемии, облучения) умеренные по интенсивности, которые при большей интенсивности приводят к развитою некроза. Причиной апоптоза обычно служат вызываемые действием указанных факторов неустранимые повреждения ДНК (см. выше) или резкие метаболические сдвиги;

(3) Некоторые инфекции, в особенности, вирусные.

Структурно-функциональные изменения клеток при апоптозе. На наиболее ранних этапах развития апоптоза до возникновения структурных изменений в клетках в их цитоплазме в течение латентного периода длительностью до 12 ч происходит синтез ферментов, которые необходимы для осуществления гибели /снетки. Эту стадию, однако, проходит большее число клеток, нежели погибает в конечном итоге, так как часть из них выживает благодаря "спасению" в результате активации особых "генов-спасителей" и действия специфических трофических факторов.

Наиболее ранним морфологическим проявлением апоптоза, выявляемым на электронно-микроскопическом уровне, служит утрата клетками специализированных структур на их поверхности (например, микроворсинок и межклеточных соединений), их отделение от соседних (рис. 3-24). Развитие апоптоза морфологически на светооптическом уровне также проявляется уплотнением ядра (в котором накапливаются крупные глыбки хроматина), конденсацией цитоплазмы, которая уплотняется, сморщивается и уменьшается в размерах (отчего апоптоз был назван также "сморщивающим некрозом" shrinkage necrosis в англоязычной литературе). Уплотнение цитоплазмы приводит ко все более компактному расположению органелл, которые при апоптозе, в отличие от некроза, сохраняют свою целостность.

Изменения в ядре при апоптозе обусловлены активацией эндогенной Ca2+/Mg2+ - зависимой эндонуклеазы, что приводит к упорядоченному расщеплению геномной ДНК в межнуклеосомных участках на отдельные нуклеосомные сегменты. Хроматин укладывается в ядре в виде крупных полулуний, после чего ядро распадается на фрагменты, окруженные мембраной. Таким образом, в отличие от некроза, изменения ядра при апоптозе включают только кариопикноз и своеобразный кариорексис (без разрушения кариолеммы); кариолизис отсутствует.

При прогрессировании апоптоза нарастающая конденсация цитоплазмы сочетается с изменением формы клетки – она образует многочисленные крупные вздутия и выпячивания (поверхность клетки при этом как бы "вскипает"), а также "кратеры" (по-видимому, в участках слияния плазмолеммой пузырьков, образующихся из цистерн грЭПС).

Образование и удаление апоптозных тел. Выпячивания, содержащие жизнеспособные органеллы, а также фрагменты ядра, отшнуровываются, формируя крупные окруженные мембраной фрагменты округлой или овальной формы – апоптозные тела. Образование апоптозных тел связано с преобразованиями цитоскелета: в частности, перешнуровка цитоплазмы происходит с участием пучков актиновых микрофиламентов, разрушение которых блокирует ход апоптоза. Число и размеры образующихся клеточных фрагментов (апоптозных тел) варьируют в широких пределах и обычно тем значительнее, чем крупнее разрушающаяся клетка. В некоторых случаях клетка сморщивается целиком, превращаясь в одно сферическое апоптозное тело. Апоптозные тела быстро захватываются соседними метками посредством фагоцитоза и перевариваются ими. Некоторые тела могут разрушаться внеклеточно, другие же поглощаются местными фагоцитами. Нейтрофилы в фагоцитозе апоптозных тел не участвуют, воспалительная реакция отсутствует.

Процесс апоптоза развивается сравнительно быстро и обычно длится от нескольких минут до нескольких часов (в среднем, морфологически регистрируемые его стадии - от начала конденсации хроматина до полного переваривания апоптозных тел, занимают 1-3 ч).

Биохимические процессы при апоптозе. Сигнал, запускающий апоптоз, инициирует внутриклеточную каталитическую реакцию, которая включает ряд этапов:

(1) передачу сигнала в клеточное ядро (обеспечивается различными механизмами, опосредованными ионами Са2 , фосфолипазой, тирозинкиназой, протеинкиназами А и С, цАМФ, сфингомиелином/церамидом и др. молекулами),

(2) активацию "летальных", или "киллерных" генов, ответственных развертывание программы апоптоза, за

(3) включение процессов транскрипции и трансляции (в результате которых осуществляется синтез апоптоз-специфических белков),

(4) активацию ряда ферментных систем, вызывающих необратимые изменения в ядре и цитоплазме клетки.

Деятельность указанных ферментных систем на заключительном этапе биохимических преобразований при апоптозе генетически контролируется и координируется, разворачиваясь в определенном порядке. К наиболее важным ферментным системам относят (в порядке их активации):

(1) цистеиновые протеазы семейства ICE (сокращенное название от англ. IL-1 Converting Enzyme - фермент, конвертирующий ИЛ-1), представляющие собой протеолитическую каскадную аутокаталитическую систему, а также ICE- подобные протеазы;

(2) гранзимы (сериновые протеазы);

(3) эндонуклеазы, обусловливающие фрагментацию ДНК в участках между нуклеосомами с формированием цепей ДНК стандартной длины.

Эта реакция, развивающаяся еще до протеолиза пистонов и других ядерных белков, настолько специфична, что ее используют в качестве маркера процесса апоптоза.