6. Гибель клеток: некроз и апоптоз

Гибель (смерть) отдельных клеток или целых их групп постоянно встречается у многоклеточных организмов, так же как гибель одноклеточных организмов. Причины развития клеточной смерти различны. Но все их разделяют на две категории: некроз (от греч. nekrosis – омертвление) и апоптоз (от греч. корней, означающих "отпадение" или "распадение"), который часто называют программируемой клеточной смертью (ПКС) или даже клеточным самоубийством (рис. 354).

Происхождение некроза связывают с нарушением внутриклеточного гомеостаза. Некроз вызывают повреждения плазматической мембраны, подавление активности мембранных насосов под действием многих ядов, а также необратимые изменения энергетики при недостатке кислорода (при ишемии – закупорке кровеносного сосуда) или отравлении митохондриальных ферментов (действие цианидов). При повышении проницаемости плазматической мембраны клетка набухает за счет ее обводнения, в цитоплазме происходит увеличение концентрации ионов Na+ и Ca2+, закисление цитоплазмы, набухание вакуолярных компонентов и разрыв их мембран, прекращение синтеза белков в цитозоле, освобождение лизосомных гидролаз и лизис клетки. Одновременно с этими изменениями в цитоплазме изменяются и клеточные ядра: вначале они компактизируются (пикноз ядер), но по мере набухания ядра и разрыва его оболочки пограничный слой хроматина распадается на мелкие массы (кариорексис) а затем наступает кариолизис, растворение ядра. К особенности некроза относится то, что гибели могут подвергаться большие группы клеток (например, при инфаркте миокарда из-за прекращения снабжения кислородом участка сердечной мышцы). Обычно некрозный участок атакуют лейкоциты и в зоне некроза развивается воспалительная реакция (рис. ).

Апоптоз. В процессе развития организмов постоянно происходит гибель части клеток, без их физического или химического повреждения, происходит как бы их "беспричинная" смерть или апоптоз.

Гибель клеток происходит на всех стадиях онтогенеза. Многочисленны примеры отмирания клеток без повреждения при эмбриогенезе. Так отмирают клетки вольфова и мюллерова каналов при развитии мочеполовой системы у позвоночных, погибает часть нейробластов и гонадоцитов, погибают клетки при метаморфозах насекомых и амфибий (резорбция хвоста у головастика и жабер у тритона) и т.д.

Во взрослом организме миллионами погибают клетки крови, клетки эпидермиса кожи, клетки тонкого кишечника – энтероциты. Погибают фолликулярные клетки яичника после овуляции, погибают клетки молочной железы после лактации.

Множество клеток многоклеточного организма нуждается в сигналах на то, чтобы оставаться живыми. В отсутствии таких сигналов или трофических факторов в клетках развивается программа «самоубийства» или программируемой смерти.

Исследования на разных объектах показали, что апоптоз есть результат реализации генетически запрограммированной клеточной гибели. Первые доказательства наличия генетической программы клеточной смерти (ПКС) были получены при изучении развития небольшого червя нематоды Caenorhabditis elegans, который развивается всего за 3 суток.

При развитии нематоды образуется всего 1090 клеток, из которых часть нервных клеток в количестве 131 штуки спонтанно погибает путем апоптоза, и в организме остается 959 клеток. Были обнаружены два гена ced-3 и ced-4, продукты которых вызывают апоптоз 131 клетки. Если у мутантных особей эти гены отсутствуют или изменены, то апоптоз не наступает и взрослый организм состоит из 1090 клеток. Был найден и другой ген – ced-9, который является супрессором апоптоза: при мутации ced-9 все 1090 клеток погибают.

Аналог этого гена был найден у человека: bcl-2-ген также является супрессором апоптоза различных клеток. Оказалось, что оба белка, кодируемые этими генами, Ced-9 и Bcl-2, имеют один трансмембранный домен и локализуются во внешней мембране митохондрий, ядер и эндоплазматического ретикулума.

Система развития апоптоза оказалась сходной у нематоды и позвоночных животных, она состоит из трех звеньев: регулятор, адаптер и эффектор. У C.elegans регулятором является Ced-9, который блокирует адаптерный белок Ced-4, который в свою очередь не активирует эффекторный белок Ced-3, протеазу, которая действует на белки цитоскелета и ядра.

У позвоночных система ПКС более сложная. Здесь регулятором является белок Bcl-2, который ингибирует адаптерный белок Apaf-1, стимулирующий каскад активации специальных протеиназ – каспаз.

Таблица Развитие процесса программированной клеточной смерти (апоптоза)

Каспазы – цистеиновые протеазы, которые расщепляют белки по аспарагиновой кислоте. В клетке каспазы синтезируются в форме латентных предшественников – прокаспаз. Существуют инициирующие и эффекторные каспазы. Инициирующие каспазы активируют латентные формы эффекторных каспаз. Субстратами для действия активированных каспаз служат более 60 различных белков. Это, например, киназа фокальных адгезионных структур, инактивация которой приводит к отделению апоптических клеток от соседей; это ламины, которые при действии каспаз разбираются; это цитоскелетные белки (промежуточные филаменты, актин, гельзолин), инактивация которых приводит к изменению формы клетки и к появлению на ее поверхности пузырей, которые дают начало апоптическим тельцам; это активируемая протеаза CAD, которая расщепляет ДНК на олигонуклеотидные нуклеосомные фрагменты; это ферменты репарации ДНК, подавление которых предотвращает восстановление структуры ДНК, и многие другие.

Одним из примеров разворачивания апоптозного ответа может являться реакция клетки на отсутствие сигнала от необходимого трофического фактора, например, фактора роста нервов (NGF) или андрогена (рис. 355). В цитоплазме клеток в присутствии трофических факторов находится в неактивной форме еще один участник реакции – фосфорилированный белок Bad. В отсутствии трофического фактора этот белок дефосфорилируется и связывается с белком Bcl-2 на внешней митохондриальной мембране и этим ингибирует его антиапоптозные свойства. После этого активируется мембранный проапоптический белок Bax, открывая путь ионам, входящим в митохондрию. В это же время из митохондрий через образовавшиеся в мембране поры в цитоплазму выходит цитохром С, который связывается с адаптерным белком Apaf-1, который в свою очередь активирует прокаспазу 9. Активированная каспаза 9 запускает каскад других прокаспаз, в том числе каспазу 3, которые будучи протеиназами, начинают переваривать мешенные белки (ламины, белки цитоскелета и др.), что вызывает апоптическую смерть клетки, ее распад на части, на апоптические тельца.

При апоптозе нарушается асимметрия плазматической мембраны и на ее поверхности появляется фосфатидилсерин, негативно заряженный фосфолипид, в норме располагающийся в цитозольной части Апоптические тельца, окруженные плазматической мембраной разрушенной клетки, привлекают отдельные макрофаги, которые их поглощают и переваривают с помощью своих лизосом. Макрофаги не реагируют на соседние нормальные клетки, но узнают апоптические. Таким образом путем избирательного фагоцитоза ткани как бы очищаются от погибших апоптозных клеток.

Апоптоз может быть вызван целым рядом внешних факторов, таких как радиация, действие некоторых токсинов, ингибиторов клеточного метаболизма, необратимые повреждения ДНК также вызывают апоптоз. Это связано с тем, что накапливающийся транскрипционный фактор, белок р53, не только активирует белок р21, который ингибирует зависящую от циклина киназу и останавливает клеточный цикл в G1 или G2 фазе (см. рис. 353), но и активирует экспрессию гена bax, продукт которого запускает апоптоз.

Повреждения митохондрий при образовании токсически активных форм кислорода (АТК), под действием которых во внутренней мембране митохондрий образуются каналы с высокой проницаемостью для ионов, в результате чего матрикс митохондрий набухает, а внешняя мембрана разрывается. При этом растворенные в межмембранном пространстве белки вместе с цитохромом С выходят в цитоплазму. Среди освободившихся белков есть факторы, активирующие апоптоз, и прокаспаза 9.

Элиминация или удаление отдельных клеток путем апоптоза наблюдается и у растений. Здесь апоптоз включает в себя, так же как у животных клеток, фазу индукции, эффекторную фазу и фазу деградации. Морфология гибели клеток растений сходна с изменениями клеток животных: конденсация хроматина и фрагментация ядра, олигонуклеотидная деградация ДНК, сжатие протопласта, его дробление на везикулы, разрыв плазмодесм и т.д. Однако везикулы протопласта разрушаются гидролазами самих везикул, так как у растений нет клеток, аналогичных фагоцитам. Так ПКС происходит при росте клеток корневого чехлика, при формировании перфораций у листьев, при образовании ксилемы и флоэмы. Опадание листьев связано с избирательной гибелью клеток определенной зоны черенка.

Биологическая роль апоптоза заключается в удалении отработавших свое или ненужных на данном этапе развития клеток, в удалении измененных или патологических клеток, особенно мутантных или зараженных вирусами.

В многоклеточном организме клетки получают сигналы на выживание, к которым относятся трофические факторы, сигнальные молекулы (гормональная, эндокринная сигнализация). Эти сигналы улавливаются рецепторными молекулами на клетках-мишенях. При отсутствии сигналов на выживание реализуется программа апоптоза.