1.2. Роль апоптоза в многоклеточном организме

1.2.1. Апоптоз, процессы формообразования и клеточного гомеостаза на уровне организма

Если массовая гибель клеток многоклеточного организма по механизму некроза (например, вследствие гипоксии) часто ассоциируется с гибелью всего организма, то апоптоз клеток рассматривается скорее как условие нормального существова­ния организма. В наиболее общей форме назначение апоптоза (в сочетании с его альтернативой — пролиферацией) состоит в определении размеров и «архитектуры» организма, что прояв­ляется:

• в поддержании постоянства численности клеток;

• в определении формы организма и его частей;

• в обеспечении правильного соотношения численности клеток различных типов;

• в удалении генетически дефектных клеток.

Эти функции апоптоза реализуются на уровне клеточных по­пуляций — в процессе дифферен цировки клеток и поддержания постоянства их численности. Роль апоптоза в популяциях неде-лящихся клеток минимальна; обычно она сводится к реакции на внешние воздействия (типа ионизирующей радиации). Напро­тив, в формирующихся и обновляющихся популяциях клеток апоптозу принадлежит существенная роль фактора, уравнове­шивающего процессы пролиферации и корритирующего диффе-ренцировку. Из этого следует, что интенсивность апоптоза выше в начальные периоды онтогенеза, в частности во время эмбриогенеза, а во взрослом организме апоптоз продолжает иг­рать большую роль лишь в быстро обновляющихся тканях.

Назначение апоптоза в клеточных популяциях можно сформулировать таким образом:

• поддержание численности клеток в популяции на задан­ном уровне;

• определение уровня численности клеток и его изменение под влиянием внешних (по отношению к клетке) сигна­лов вплоть до полной элиминации данного типа клеток;

• селекция разновидностей клеток внутри популяции (в том числе элиминация клеток с генетическими дефекта­ми).

Хотя общетеоретические представления в данной области не разработаны, накоплено достаточно много фактов, позво­ляющих иллюстрировать вышесказанное.

Наиболее простой иллюстрацией значимости апоптоза для многоклеточного организма являются данные о роли этого процесса в поддержании постоянной численности клеток не­матоды Caenorhabditis elegans [Horvitz R., 1999]. Данному виду свойствен очень жесткий контроль общей численности кле­ток. Показано, что этот гомеостаз обеспечивается путем апо­птоза части клеток. Его индукция и осуществление контроли­руются набором из 14 генов, из которых один (ces-I) обуслов­ливает выбор апоптотического пути, два (ced-З и ced-4) — его реализацию, а остальные или ингибируют апоптоз, или отве­чают за фагоцитоз и расщепление погибших клеток.

Роль апоптоза в поддержании численности отдельных кле­точных популяций иллюстрирует увеличение численности эн-дотелиальных клеток и увеличение размера сосудов у мышей с прицельной инактивацией («нокаутом») гена braf, контроли­рующего апоптоз эндотелиальных клеток у мышей. In vitro ре­гуляция численности клеток в популяции проявляется в ин­дукции их апоптоза при достижении определенного уровня плотности.

Роль апоптоза в формообразовании иллюстрируют резуль­таты исследования локализации апоптотических клеток в про­цессе морфогенеза внутреннего уха у куриных эмбрионов. Апоптозу подвергаются клетки тех участков закладки внутрен­него уха, которые играют роль в формировании полуцирку­лярных каналов. Подавление апоптоза путем гиперэкспрессии гена bcl-2 обусловливает задержку или отсутствие формирова­ния просвета названных каналов. Морфогенетические анома­лии, связанные с блокадой апоптоза, могут быть вызваны также ингибированием биохимических процессов, лежащих в основе апоптоза. Так, ингибиторы каспаз задерживают закры­тие нервной трубки у куриных эмбрионов.

Роль апоптоза в дифференциации отдельных частей орга­нов и их формообразовании изучается на примере становле­ния в эмбриогенезе органов. Ярким примером этой роли явля-

3 — 1385

33

ется процесс формирования коры головного мозга. Так, у че­ловеческого плода критическим периодом кортикогенеза яв­ляется срок с 12 до 23 нед беременности, когда происходят ин­тенсивная пролиферация клеток вентрикулярной зоны и миг­рация нейронов. Наиболее интенсивный апоптоз регистриру­ется в постмитотических клетках вентрикулярной зоны и вдоль путей миграции нейронов в промежуточной зоне; он от­сутствует в кортикальной пластинке. Роль апоптоза при этом сводится к селекции клеток, которым предстоит участвовать в формировании коры. Другим примером селективного апопто­за определенного типа клеток может служить массовая гибель (апоптоз) интернейронов (но не мотонейронов) серого веще­ства спинного мозга крыс вскоре после рождения.

Массовым апоптозом целых клеточных популяций объяс­няют такие ключевые события эмбриогенеза, как атрофия ги-похорды у зародышей амфибий. В качестве причины внезап­ной утраты гемопоэтической функции печенью эмбрионов на­зывают тотальный апоптоз кроветворных клеток вследствие снижения восстановительного потенциала в их микроокруже­нии. Это снижение обусловлено деятельностью гепатоцитов, которая приводит к ослаблению активности у-глутаматтранс-феразы и уменьшению концентрации глугатиона.

Наконец, апоптозом клеток в связи со снижением кон­центрации соответствующих гормонов обусловлена быстрая атрофия гормонально-зависимых тканей. Процессы такого рода периодически совершаются в женских половых органах в течение менструального цикла. Аналогичные процессы в предстательной железе происходят при снижении концентра­ции андрогенов.

Роль апоптоза в гомеостазе обновляющихся популяций клеток во взрослом организме показана также на примере кле­ток сперматогенного эпителия, кроветворных клеток, энтеро-цитов ворсинок слизистой оболочки тонкой кишки. Во всех этих клеточных популяциях апоптозу подвергаются клетки на определенных стадиях развития. Подверженность клеток апоптозу чаще всего определяется ослаблением биосинтеза эндогенных ингибиторов апоптоза — Bcl-2, Bcl-x_L и др. Так, в сперматогенном эпителии эти факторы синтезируются слабее всего в мейотических и постмейотических клетках и сильно — в сперматогониях; в соответствии с этим в первом случае апоптоз наблюдается, а во втором — отсутствует.

Зависимость развития апоптоза от соотношения факторов с противоположными эффектами наглядно иллюстрирует судьба кроветворных клеток. Ранние кроветворные предшест­венники, несущие маркер CD34, не имеют на своей поверх­ности Fas-рецептора; половина этих клеток содержит Bcl-2. Под влиянием фактора некроза опухоли или у-интерферона Fas-рецептор появляется, а содержание Bcl-2 снижается, при-

чем клетки становятся более подверженными апоптозу. Даль­нейшая их судьба определяется соотношением цитокинов, способствующих развитию апоптоза (трансформирующего фактора роста (3, фактора некроза опухоли, хемокина MIP-1) и защищающих от него (ИЛ-3 и фактора стволовых клеток для наиболее юных кроветворных клеток, ГМ-, Г- и М-колоние-стимулирующих факторов и ИЛ-10 для клеток миелоидного ряда, ИЛ-7 для клеток лимфоидного ряда, эритропоэтина для эритроидных клеток, ИЛ-5 и ГМ-КСФ для эозинофилов).

Очель важным фактором в реализации апоптоза развиваю­щихся клеток, в частности кроветворных, является контакт с межклеточным матриксом, обусловленный мембранными ин-тегринами. Межклеточные контакты могут как способство­вать, так и препятствовать развитию апоптоза. Уже упомина­лось о контактной индукции апоптоза в плотных культурах клеток, где контакты были очень интенсивными. В то же время утрата контактов с межклеточным матриксом также яв­ляется причиной апоптоза клеток, в частности для клеток, «теряющих свой дом». Апоптоз неизбежно развивается при от­делении клеток от субстрата (при утрате способности или воз­можности прикрепляться к поверхностям и переходе прилипа­ющих клеток в суспензию). Приобретение устойчивости к та­кого рода переходам может быть связано с генетическими перестройками и обычно означает малигнизацию клеток.

Важную роль играют факторы, защищающие клетки от апоптоза. Помимо упомянутых цитокинов, поддерживающих выживаемость кроветворных клеток, аналогичные факторы существуют для других типов клеток. Примерами таких факто­ров могут служить фактор роста фибробластов, поддерживаю­щий жизнеспособность фибробластов, коллаген типа II, необ­ходимый для выживания хондроцитов, фактор роста нервов и нейротрофины, защищающие от апоптоза нейроны, и т.д.

Целую систему факторов, контролирующих развитие апоптоза клеток различных типов, образуют морфогенетичес-кие белки из костной ткани. Они действуют главным обра­зом на клетки, происходящие из мезодермы, вызывая (реже ингибируя) развитие апоптоза. Спектр этих факторов, обла­дающих определенной степенью специфичности в отноше­нии клеток разных типов, неодинаков в различных органах, что в определенной степени влияет на судьбу образующих их клеток. Эти факторы участвуют в формировании архитектуры определенных участков тела, например суставных полостей, в которых локализуются два типа белков этой группы — ВМР-2 и ВМР-7, причем первый содержится на хрящевых поверхностях, формирующих сустав, а второй — в околохря­щевой зоне.

Приведенные примеры лишь выборочно отражают участие апоптоза в определении размеров и формы тела, а также в

з*

35

процессах морфогенеза и поддержания гомеостаза клеточных популяций. Факты такого рода быстро накапливаются, и в ближайшее время можно ожидать новых обобщений в этой области. Пока же они продолжают оставаться в значительной степени разрозненными. Есть лишь одна область знаний, в которой роль апоптоза определилась достаточно точно и раз­носторонне: это иммунология. К краткому обзору места апо­птоза в иммунологических процессах мы обратимся в следую­щей главе.