Апоптоз

Определение понятия

Апоптоз - это регулируемый процесс генетически запрограммированной гибели клетки.

Надо знать, что клетку ведут к быстрой к смерти три пути, а не один лишь апоптоз.

triputismerti.png

Рисунок. Три пути смерти клеток: апоптоз, некроз, аутофагия (аутолиз). Источник изображения: https://www.oncotarget.com/article/27596/text/

Три механизма самоубийственной гибели клеток

1. Аутофагия и аутолиз (автолиз)

Аутофагия в узком смысле - на уровне отдельной клетки

Аутофагия — это процесс, с помощью которого эукариотические клетки утилизируют (используют) свои внутренние компоненты, «переваривая» их ферментами лизосом. Это непрерывный процесс, поддерживающий баланс между синтезом и деградацией (распадом) и обеспечивающий необходимые условия для нормального клеточного роста, развития и смерти.

Аутофагия (от греч. αυτος — «само» и φαγειν — «есть»: самопоедание) является клеточным механизмом утилизации избыточных или поврежденных белков, белковых комплексов и клеточных органелл, осуществляемый лизосомами той же клетки. Такая утилизация выполняет несколько важных функций, в том числе — получение питательных веществ при голодании, поддержку клеточного гомеостаза и клеточного иммунитета, осуществление апоптоза и т.п. (Daniel J. Klionsky, Fabio C. Abdalla, Hagai Abeliovich, Robert T. Abraham, Abraham Acevedo-Arozena, et. al.. (2012). Guidelines for the use and interpretation of assays for monitoring autophagy. Autophagy. 8, 445-544).

Можно сказать, что аутофагия в узком смысле - это процесс, когда клетка подъедает что-то в самой себе с помощью ферментативного разложения этого чего-то. Главное действующее лицо в этом процессе - внутриклеточные органоиды лизосомы.

Отличительной чертой аутофагической гибели клеток являются аутофагосомальные вакуоли, связанные с мембраной и характерные двойные мембраны.

Аутофагия в широком смысле - на уровне любой биосистемы

Аутофагия - это широко распространённый среди живых систем на разных уровнях жизни процесс поглощения биологической системой какой-то своей части для поддержания собственной структуры и жизнедеятельности. Образно можно назвать это так: «самопожирание ради выживания». Клетки поедают (утилизируют) свои органоиды, фагоциты поедают клетки собственного организма, хрящевая ткань разрушается, поедается и замещается костной тканью, в процессе эмбрионального развития поедаются (разрушаются) временно существующие структуры.

Важная функция аутофагии - обновление частей системы с целью поддержания ее стабильности как целого (гомеостаза). Стабильность биосистем достигается путем постоянного обновления компонентов через аутофагию. Непрерывная утилизация старых компонентов обновляет биосистему, а также позволяет пополнять энергетические запасы. К примеру, постаревшие за 3 месяца своего существования эритроциты разрушаются и уничтожаются, но их компоненты используются для создания и роста новых эритроцитов. Этот принцип используется в биосистемах на различных биологических уровнях. В эукариотической клетке отработавшие свой ресурс органеллы перевариваются лизосомами, уступая место новым. Отработавшие своё белки и матричные РНК разбираются на мономеры, которые затем собираются в новые белки и РНК. На уровне организма поврежденные клетки элиминируются апоптозом или иммунной системой. В экосистемах отношения хищник–жертва не только поддерживают численность хищных видов, но и регулируют гомеостаз всей экосистемы, очищая её от слабых и больных животных и предохраняя виды от вырождения.

Даже у прокариот известны «аутофагические» наклонности. Правда, они описаны не для отдельных клеток, а для прокариотических колоний под следующими названиями: бактериальный каннибализм, бактериальный альтруизм, аутолиз или запрограммированная клеточная смерть. Биологический механизм, запускающий аутофагию в этом случае, обнаружен у многих видов бактерий — это так называемая токсин-антитоксиновая система. Суть её состоит в том, что при голодании колония лизирует («переваривает») часть своих клеток для того чтобы остальные бактерии получили достаточно пищи для выживания. Таким образом колония переживает нехватку ресурсов или внешние неблагоприятные условия. При нехватке пищи часть бактерий в колонии выделяет в окружающую среду ядовитый токсин. При этом только некоторые из них способны производить молекулу антитоксина — белка, который обезвреживает токсин при его попадании в клетку. Такие клетки выживают и поглощают остальные, погибшие и лизированные под действием токсина. Это дает оставшимся в живых энергию, необходимую для споруляции и самосохранения. Вот такой получается бактериальный каннибализм.

Аутолиз как частный случай аутофагии и часть процесса некроза

Аутолиз - это процесс самопереваривания клеток, их растворение, расплавление за счёт действия собственных протеолитических ферментов без участия микроорганизмов.

После смерти живого существа или его отдельного органа в его клетках начинается процесс самопереваривания. Ферменты выходят наружу из лизосом и/или митохондрий и начинают процессы расщепления органических веществ своей собственной клетки. Ферменты, содержащиеся в лизосомах, составляют единую функциональную группу и выполняют главным образом литическую функцию, т. е. функцию расщепления, переваривания. Они расщепляют все основные классы биологически активных соединений, в частности, нуклеиновые кислоты (РНК и ДНК) и полисахариды, а главное - белки. В митохондриях также имеются ферменты, которые разрушают главным образом продукты гликолиза, жирные кислоты и продукты распада аминокислот.

Аутолиз бывает не только посмертным, но и прижизненным – в виде распада отдельных органоидов клетки, отдельных клеток или части ткани (органа) при сохранении основных жизненных функций целого организма. Аутолиз часто начинается ещё в период обратимых изменений, т. е. ещё до момента смерти клетки или организма.

При жизни в нормальных условиях мембранные оболочки лизосом и митохондрий не дают ферментам выйти в цитоплазму и тем самым предохраняют клетку от их разрушающего действия. После смерти нарушается физико-химическое равновесие, в клетках происходит повреждение всех мембран и они становятся более проницаемыми. Выйдя из своих органоидов в цитоплазму, лизосомные и митохондриальные ферменты начинают аутолитический процесс в клетке. Мембрана лизосом вообще может повреждаться очень быстро при прекращении доступа кислорода. Но в некоторых органах (миокарде, почках, печени) лизосомы могут сохраняться неповрежденными до 10 часов после смерти.

В целом, скорость аутолитических процессов пропорциональна степени активности и напряженности прижизненного метаболизма клеток. Чем активнее шёл обмен веществ в клетке - тем активнее и быстрее она будет подвергаться аутолизу.

Аутолиз изменяет состояние и вид ядра клетки.

Проявления аутолиза на светооптическом уровне под микроскопом:

• временное увеличение размеров ядра вследствие его набухания;
• просветление нуклеоплазмы;
• появление в ядре оптических пустот;
• резко выраженная агрегация хроматина с преимущественным скоплением вдоль ядерной оболочки и вокруг ядрышек; проявляется как подчеркнутость и извилистость наружного контура ядра;
• кариопикноз – сжатие ядра в плотную массу с интенсивной окраской (при разрыве ядерной оболочки и выходе воды и других компонентов в цитоплазму);
• кариорексис – распад ядер на фрагменты, ассоциированный с маргинацией хроматина и гиперхромазией;
• кариолизис – утрата чёткости контуров и последующее растворение ядра;
• набухание цитоплазмы, изменение ее тинкториальных свойств (возможно любое – гипохромазия, эозино- или базофилия и даже амбифильность), иногда появление в ней мелких жировых и гидропических вакуолей, утрата чёткости ее контуров и постепенное растворение;
• ослабление связей межу клетками, которое проявляется в виде отторжения пластов эндотелия сосудов и эпителия (повреждение менее прочных связей между клетками и мембранами при относительной сохранности десмосом), дискомплексации трабекулярных структур (в печени, пучковой зоне надпочечников), диссоциации клеток (особенно в железах ацинарного строения);
• базофильный отёк стромы с набуханием волокон;
• разрушение эластических мембран, распад волокон соединительной ткани и, наконец, полная потеря структуры ткани и гомогенизация ее образцов.

Источник: Прижизненный некроз и посмертный аутолиз: проблема дифференциальной диагностики / Богомолова И.Н., Богомолов Д.В. // Избранные вопросы судебно-медицинской экспертизы. — Хабаровск, 2012 — №12. — С. 25-31 (https://www.forens-med.ru/book.php?id=1569).

Органы в состоянии аутолиза дряблые, имеют тусклый вид, пропитаны кровяной плазмой.

В пищевой промышленности аутолиз используется для придания нежной консистенции мясным и рыбным продуктам. В результате выдержки и засолки ткани мяса и рыбы за счёт аутолиза сами по себе размягчаются.

2. Некроз

Некроз — это гибель части живого организма, необратимое отмирание его частей, тогда как целое — организм - остается жи­вым. Напротив, термин "смерть" используется для обозначения прекращения жизнедеятельности всего организма в целом.

Для клеточного некроза характерны расширенные митохондрии и клеточные органеллы из-за увеличения проницаемости клеточных мембран для небольших заряженных молекул. 

Некроз (от греч. nekros — мёртвый) — это омертвение, гибель клеток и тканей в живом организме; при этом жизнедеятель­ность их полностью прекращается. Понятие "некроз" является видовым по отношению к более общему понятию "смерть". До недавнего времени некроз считался единственным вариантом смерти клетки в живом организме с хорошо изученными биохи­мическими, патофизиологическими, морфологическими и клини­ческими проявлениями. Однако в последние годы описан еще один вид смерти клетки в живом организме — это апоптоз, отличающийся от некроза тем, что он происходит по определенной ге­нетической программе, имеющий особую биохимическую и мор­фологическую сущность, а также клиническое значение.

Некротические процессы происходят в организме постоянно, не только при пато­логии, но и в норме.

Некроти­ческие процессы — закономерные проявления нормальной жиз­недеятельности организма, так как для отправления любой физиологической функции требуются затраты материального суб­страта (гибель клеток), которые постоянно восполняются путем физиологической регенерации. Кроме того, клетки постоянно подвергаются старению и естественной смерти с последующей их элиминацией. Таким образом, динамическое равновесие между процессами естественной смерти клеток и физиологической ре­генерацией обеспечивает постоянство клеточных и тканевых по­пуляций в организме.

Разви­тие очага некроза в ткани, как правило, сопровождается возникновением мест­ной реакции — демаркационного острого воспа­ления, возникновение которого связывают с выделением некротизированной тканью провоспалительных субстанций. Предполагают генерацию погибающими клетками лейкотриенов — мощных медиаторов воспаления.

Морфогенетические стадии некроза:

• - паранекроз — подобные некротическим, но обратимые изме­нения;
• - некробиоз — необратимые дистрофические изменения, ха­ рактеризующиеся преобладанием катаболических реакций над анаболическими;
• - смерть клетки, время которой установить трудно;
• - аутолиз — разложение мертвого субстрата под действием гидролитических ферментов погибших клеток и клеток воспали­ тельного инфильтрата.

Наи­более достоверными из мор­фологических критериев необратимого повреждения клетки (некроза) являются нарушения в митохондриях, видимые под электронным микроскопом: разрушение внутрен­них мембран и отложения электронно-плотных депозитов, содер­жащих белки и соли кальция.

На светооптическом уровне изменения в структуре клетки становятся видимыми лишь на стадии аутолиза. Поэтому, говоря о микроскопических признаках некроза, фа­ктически говорят и о морфологических изменениях в стадии ау­толиза, являющихся результатом действия гидролитических фер­ментов, прежде всего лизосомального происхождения. Кроме того, большинство органелл клетки (ядра, митохондрии, рибосомы и др.) также имеют свои собственные гидролитические ферменты, которые принимают активное уча­стие в процессах аутолиза.

Главные микроскопические признаки некроза. Заключаются в изме­нениях ядра и цитоплазмы клеток. Ядра последовательно подвер­гаются сморщиванию (кариопикноз), распаду на глыбки (кариорексис) и лизируются (кариолизис). Эти изменения ядер связаны с активацией гидролаз — рибонуклеаз и дезоксирибонуклеаз. В цитоплазме происходит денатурация и коагуляция белков, сменя­емая обычо колликвацией. Коагуляция циоплазмы сменяется распадом её на глыбки (плазморексис) и лизисом (расплавлением) органелл (плазмолизис). При очаговых (фокальных) изменениях говорят о фокальном коагуляционном некрозе и фокальном колликвационном некрозе (баллонная дистрофия).

Некроз развивается не только в паренхиматозных элементах тканей и органов, но и в их строме. При этом разрушаются как клетки стромы, так и нервные окончания и компоненты экстрацеллюлярного матрикса. Расщепление ретикулярных, коллагеновых и эластических волокон происходит с участием нейтральных протеаз (коллагеназ, эластазы), гликопротеидов — протеаз, липидов — липаз. При микроскопическом исследовании обнару­живаются распад, фрагментация и лизис ретикулярных, коллагеновых и эластических волокон (эластолизис), в некротизированной ткани нередко откладывается фибрин. Описанные измене­ния характерны для фибриноидного некроза. В жировой ткани некроз носит свои специфические черты в связи с накоплением в некротических массах жирных кислот и мыл, что ведёт к образо­ванию липогранулём.

Ультраструктурные признаки некроза отражают изменения органоидов клетки

• в ядре: агрегация хроматина, фрагментация фибрилл, полное разрушение;
• в митохондриях: набухание, уменьшение плотности гранул матрикса, образование в нем агрегатов неправильной формы, от­ложение солей кальция;
• в цитоплазматической сети: набухание, фрагментация и рас­пад мембранных структур;
• в полисомах и рибосомах: распад полисом, отделение рибо­сом от поверхности цистерн, уменьшение чёткости контуров и размеров, а также количества рибосом;
• в лизосомах: агрегация мелких плотных гранул марикса и его просветление, разрыв мембран;
• в цитоплазматическом матриксе: исчезновение гранул глико­гена, снижение активности ферментов.

Конечный результат всех механизмов некроза — возникновение внутриклеточного хаоса.

3. Апоптоз

Термин"апоптоз", предложен в 1972 г. английскими учеными J.F.R. Кеrr, А.Н. Wyllie и A.R. Currie, состоит из двух греческих слов и означает в буквальном смысле "опадание лепестков цветов", а в применениии к клетке - особый тип гибели путем разделения её на части ("апоптозные тельца"), которые впоследствии фагоцитируются соседними клетками разного типа.

Термин "программированная клеточная смерть" отражает функциональное назначение этого процесса, представляющего естественную часть функционирования многоклеточного организма, связанного с метаморфозом и развитием [ Hedgecock E.M., Salston J.E. 1983 , Oppenheim R.W. 1991 ].

Апопто́з (др.-греч. ἀπόπτωσις «опадание», от ἀπό- + πτῶσις «падение») — регулируемый процесс программируемой клеточной гибели.

В результате клетка распадается на отдельные апоптотические тельца, ограниченные плазматической мембраной. Фрагменты погибшей клетки обычно очень быстро (в среднем за 90 минут фагоцитируются макрофагами либо соседними клетками, минуя развитие воспалительной реакции. Морфологически наблюдаемый процесс апоптоза продолжается 1—3 часа.

Распространённость апоптоза. В организме среднестатистического взрослого человека в результате апоптоза погибает ежедневно порядка 50-70 миллиардов клеток (в два с лишним раза больше, чем количество нейронов в мозге). Для среднестатистического ребёнка в возрасте от 8 до 14 лет число клеток, погибших путём апоптоза, составляет порядка 20-30 миллиардов в день.

Суммарная масса клеток, которые на протяжении одного года жизни подвергаются разрушению, эквивалентна массе тела человека. При этом восполнение утраченных клеток обеспечивается за счёт пролиферации — увеличения клеточной популяции путём деления. Образно можно сказать, что за год каждый человек "съедает" самого себя.

Преднаначение апоптоза. Одной из основных функций апоптоза является уничтожение дефектных (повреждённых, мутантных, инфицированных) клеток. В многоклеточных организмах апоптоз к тому же задействован в процессах развития, дифференциации и морфогенеза. К примеру, утрата хвоста в процессе матаморфоза амфибий или атрофия у них гипохорды происходит благодаря массовому апоптозу целых клеточных популяций.

Важна раль апоптоза в поддержании клеточного гомеостаза, в обеспечении развития и функционирования иммунной системы. Наприме, именно с помощью апоптоза осуществляют свои эффекторные функции цитотоксические лимфоциты: Т-киллеры и НК-клеки (натуральные киллеры). И те и другие клетки вводят внутрь клеток-мишеней сериновые протеазы (гранзимы), которые запускают в клетках-мишенях механизм апоптоза. Ктоме этого цитотоксические Т-лимфоциты способны запускать клеточную гибель своих мишеней путём активации у них мембранных рецепторов смерти. Результатом также является апоптоз. Апоптоз лежит в основе позитивной и негативной селекции (отбора) T- и B-лимфоцитов, в процессе самого формирования иммунитета. Апоптозу подвергаются иммунокомпетентные клетки, не прошедшие отбор.

В гисто-гематических барьерах клетки, выполняющие барьерную функцию, запускают рецептор-зависимый апоптоз в тех эффекторных Т-лимфоцитах, которые пытаются проникнуть сквозь «барьерные» ткани.

Главные ферменты-разрушители апоптоза. Каспазы - это цистеиновые протеазы, которые расщепляют в белках аминокислотные последовательности после остатка аспарагиновой кислоты. Можно назвать их цистеиновыми аспартазами, т.к. в активном центре у них цистеин, а мишенью-меткой для разрезания белков является аспартат.

Апоптоз наблюдается у всех эукариотов, начиная от одноклеточных простейших и вплоть до высших организмов. В программируемой смерти прокариотов участвуют функциональные аналоги эукариотических белков апоптоза.

В растительных организмах апоптоз столь же задействован в процессах морфогенеза и дифференциации, сколь и у животных. Программируемая клеточная смерть у растений обеспечивает ксилогенез и флоэмогенез, формообразование листьев, аэренхимогенез, образование корневого чехлика, опадание листьев и созревших плодов, прорастание пыльцевой трубки и т.д.

apoptoz3.jpg

Рисунок. Фрагментированный лейкоцит в состоянии апоптоза. Источник изображения: https://edu.volgmed.ru/mod/book/tool/print/index.php?id=20308

В настоящее время установлены основные механизмы реализации апоптоза в эукариотических клетках, активно ведутся исследования регуляторов и активаторов апоптоза. Интерес учёных связан с тем, что механизмы апоптоза можно применить при лечении онкологических, аутоиммунных и нейродегенеративных заболеваний.

scheme_of_apoptosis.png

Рисунок. Схема апоптоза у млекопитающих. Источник изображения: https://edu.volgmed.ru/mod/book/tool/print/index.php?id=20308

Фазы апоптоза

1. Сигнальная (индукторная).
2. Эффекторная.
3. Деградационная (фаза экзекуции или деструкции).

1. Сигнальная фаза

Запуск (инициация) апоптоза может происходить посредством внешних (внеклеточных) или внутриклеточных факторов. Например, в результате гипоксии, гипероксии, субнекротического поражения химическими или физическими агентами, перекрёстного связывания соответствующих рецепторов, нарушения сигналов клеточного цикла, удаления факторов роста и метаболизма и т. д. Несмотря на разнообразие инициирующих факторов, выделяются два основных пути передачи сигнала апоптоза: рецептор-зависимый (внешний) сигнальный путь с участием рецепторов гибели клетки и митохондриальный (собственный) путь

Внешний рецептор-зависимый сигнальный путь 

Процесс апоптоза часто (например, у млекопитающих) начинается с присоединения специфических внеклеточных лигандов к специальным мембранным рецепторам клеточной гибели, выставленным (экспрессированным) на поверхности мембраны. Рецепторы, воспринимающие сигнал апоптоза, относятся к суперсемейству TNF-рецепторов (англ. tumor necrosis factor receptor или кратко TNFR — «рецептор фактора некроза опухолей»). Наиболее изученными рецепторами смерти, для которых описана и определена роль в апоптозе, являются CD95 (также известный как Fas или APO-1) и TNFR1 (также называемый p55 или CD120a). К дополнительным относятся CARI, DR3 (англ. death receptor 3 — «рецептор смерти 3»), DR4 и DR5.

Все рецепторы смерти представляют собой трансмембранные белки, характеризующиеся наличием общей последовательности из 80 аминокислот в цитоплазматическом домене. Данная последовательность называется доменом смерти (англ. death domain или кратко DD) и является необходимой для преобразования (трансдукции) сигнала апоптоза. Внеклеточные участки рецепторов смерти взаимодействуют с тримерами лигандов (CD95L, TNF, Apo3L, Apo2L и т. п.). Тримеры лигандов в результате взаимодействия тримеризуют рецепторы смерти (то есть «сшивают» 3 молекулы рецептора). Активированный таким образом рецептор взаимодействует с соответствующим внутриклеточным адаптером (или адаптерами). Для рецептора CD95 (Fas/APO-1) адаптером является FADD (от англ. Fas-associated DD-protein — «белок, взаимодействующий с доменом смерти Fas-рецептора»). Для рецепторов TNFR1 и DR3 адаптером является TRADD (от англ. TNFR1-associated DD-protein — «белок, взаимодействующий с доменом смерти TNFR1-рецептора»).

Адаптер, ассоциированный с рецептором смерти, вступает во взаимодействие с эффекторами — пока ещё неактивными предшественниками протеаз из семейства инициирующих каспаз — с прокаспазами. В результате цепочки взаимодействия «лиганд-рецептор-адаптер-эффектор» формируются агрегаты, в которых происходит активация каспаз. Данные агрегаты именуются апоптосомами, апоптозными шаперонами или сигнальными комплексами, индуцирующими смерть (от англ. DISC — death-inducing signaling complex — «сигнальный комплекс, индуцирующий смерть»). Примером апоптосомы может служить комплекс FasL-Fas-FADD-прокаспаза-8, в котором активируется каспаза-8.

Рецепторы смерти, адаптеры и эффекторы взаимодействуют между собой сходными по структуре доменами: DD, DED, CARD. DD (от англ. death domain — «домен смерти») участвует во взаимодействии рецептора Fas с адаптером FADD и во взаимодействии рецепторов TNFR1 или DR3 с адаптером TRADD. Посредством домена DED (от англ. death-effector domain — «домен эффектора смерти») осуществляется взаимодействие адаптера FADD с прокаспазами −8 и −10. Домен CARD (от англ. caspase activation and recruitment domain — «домен активации и рекрутирования каспазы») участвует во взаимодействии адаптера RAIDD с прокаспазой-2.

Посредством рецепторов смерти могут быть активированы три инициирующие каспазы: −2; −8 и −10.

Активированные инициирующие каспазы далее участвуют в активации эффекторных каспаз.

Митохондриальный сигнальный путь

Большинство форм апоптоза у позвоночных реализуется не по рецепторному, а по митохондриальному пути. Митохондриальный сигнальный путь апоптоза реализуется в результате выхода апоптогенных белков из межмембранного пространства митохондрий в цитоплазму клетки. Высвобождение апоптогенных белков, предположительно, может осуществляться двумя путями: за счёт разрыва митохондриальной мембраны или же путём открытия высокопроницаемых каналов на внешней мембране митохондрий.

Ключевым событием митохондриального пути апоптоза является повышение проницаемости наружной мембраны митохондрий (англ. mitochondrial outer membrane permeabilization, MOMP). Существенную роль в повышении MOMP играют апоптотические Bcl-2-белки — Bax и Bak. Они встраиваются в наружную мембрану митохондрий и олигомеризуются. При этом, вероятно, нарушается целостность внешней мембраны митохондрий. При повышении MOMP из межмембранного пространства митохондрий в цитозоль высвобождаются растворимые белки, участвующие в апоптозе: цитохром c — белок с молекулярной массой 15 кДа; прокаспазы −2, −3 и −9; белок AIF (англ. apoptosis inducing factor — «фактор, индуцирующий апоптоз») — флавопротеин с молекулярной массой 57 кДа.

Разрыв внешней мембраны митохондрий объясняется увеличением объёма митохондриального матрикса. Данный процесс связывают с раскрытием пор митохондриальной мембраны, приводящим к снижению мембранного потенциала и высокоамплитудному набуханию митохондрий вследствие осмотического дисбаланса. Поры диаметром 2,6—2,9 нм способны пропускать низкомолекулярные вещества массой до 1,5 кДа.

Раскрытие пор стимулируют следующие факторы: неорганический фосфат; каспазы; SH-реагенты; истощение клеток восстановленным глутатионом; образование активных форм кислорода; разобщение окислительного фосфорилирования протонофорными соединениями; увеличение содержания Ca²⁺ в цитоплазме; воздействие церамида; истощение митохондриального пула АТФ и др.

Цитохром c в цитоплазме клетки участвует в формировании апоптосомы вместе с белком APAF-1 (от англ. Apoptosis Protease Activating Factor-1 — «активирующий фактор апоптотической протеазы-1»). Предварительно APAF-1 претерпевает конформационные изменения в результате реакции, протекающей с затратой энергии АТФ. Предполагается, что трансформированный APAF-1 приобретает способность связывать цитохром c. К тому же открывается доступ CARD-домена APAF-1 для прокаспазы-9. В итоге происходит олигомеризация 7 субъединиц трансформированного белка APAF-1 с участием цитохрома c и прокаспазы-9. Так образуется апоптосома, активирующая каспазу-9.

Зрелая каспаза-9 связывает и активирует прокаспазу-3 с образованием эффекторной каспазы-3.[22] Высвобождающийся из межмембранного пространства митохондрий флавопротеин AIF является эффектором апоптоза, действующим независимо от каспаз.

Другие пути индукции апоптоза

Реализация апоптоза может происходить в результате комбинированного действия двух основных сигнальных путей: рецептор-зависимого и митохондриального.

Но помимо этого существует ряд менее распространённых механизмов инициации апоптоза. Например, за счёт активации прокаспазы-12, локализованной в эндоплазматическом ретикулуме. Высвобождение и активация прокаспазы-12 при этом обусловлены нарушениями внутриклеточного гомеостаза ионов кальция (Ca²⁺). Активация апоптоза также может быть связана с нарушением адгезии (прилипания) клеток.

Т-киллеры. В качестве ещё одного фактора индукции апоптоза рассматривается атака инфицированных клеток цитотоксическими Т-лимфоцитами, которые, помимо активации Fas-рецептора, способны секретировать перфорин вблизи мембраны заражённой клетки. Перфорин, полимеризуясь, образует трансмембранные каналы, через которые внутрь клетки поступают лимфотоксин-альфа и смесь сериновых протеаз (гранзимов). Далее гранзим B активирует каспазу-3 и запускается каспазный каскад.

Возможна инициация клеточной смерти при высвобождении лизосомальных протеаз — катепсинов. К примеру, каспаза-8 вызывает выход из лизосом активного катепсина B, который затем расщепляет регуляторный белок Bid. В результате образуется активный белок t-Bid, активирующий в свою очередь проапоптозный белок Bax.

2. Эффекторная фаза

В течение эффекторной фазы различные инициирующие пути сходятся (конвертируются) в один общий путь апоптоза (или несколько путей). Как правило, происходит активация каскада белков-эффекторов и регулирующих их белков-модуляторов. Основными эффекторами апоптоза являются каспазы. В процессе активации они запускают каспазный каскад: сложно переплетённые цепочки взаимодействий инициирующих и эффекторных каспаз.

Каспазный каскад

Ферменты-разрушители - каспазы. Каспазы образуются за счёт активации прокаспаз (молекулярная масса 32—56 кДа), в составе которых выделяют 3 домена: регуляторный N-концевой домен (продомен), большую (17—21 кДа) и малую (10—13 кДа) субъединицы. Активация происходит путём протеолитического процессинга: все три домена расщепляются, отделяется продомен, а оставшиеся большая и малая субъединицы ассоциируются, образуя гетеродимер. Два гетеродимера в дальнейшем формируют тетрамер — полноценную каспазу с двумя каталитическими участками.

Каспазы обнаружены в большинстве живых организмов. У млекопитающих идентифицировано 13 каспаз. Часть из них в апоптозе не участвует (−1, −4, −5, −11, −13). Остальные каспазы, которые участвуют в апоптозе, разделяют на инициаторные (−2, −8, −9, −10, −12) и эффекторные (исполнительные) (−3, −6, −7). Инициаторные каспазы активируют эффекторные каспазы, которые в свою очередь провоцируют и непосредственно участвуют в трансформации клетки. В итоге морфологические и биохимические изменения приводят к гибели клетки по типу апоптоза.

Одна из основных функций эффекторных каспаз заключается в прямом и опосредованном разрушении клеточных структур. Гидролизу подвергаются белки ядерной ламины, разрушается цитоскелет, расщепляются белки, регулирующие клеточную адгезию. Другой важной функцией эффекторных каспаз является инактивация белков, блокирующих апоптоз. В частности расщепляется ингибитор DFF (англ. DNA fragmentation factor — «фактор фрагментации ДНК»), препятствующий активации апоптозной ДНКазы CAD (англ. caspase-activated DNase — «ДНКаза, активируемая каспазами»). Разрушению подвергаются и антиапоптозные белки семейства Bcl-2. Наконец, в результате действия эффекторных каспаз происходит диссоциация регуляторных и эффекторных доменов, участвующих в репарации ДНК, мРНК-сплайсинга и ДНК-репликации.

Помимо каспаз существуют и другие эффекторы апоптоза. Например, флавопротеин AIF, высвобождающийся из межмембранного пространства митохондрий, действует по независимому от каспаз пути. Попадая в клеточное ядро, AIF вызывает конденсацию хроматина и активирует эндонуклеазы, которые участвуют во фрагментации ДНК. На основании экспериментальных данных установлено, что апоптоз, протекающий в присутствии AIF, не предотвращается ингибитором каспаз (Z-VAD-fmk). В качестве эффекторов апоптоза также рассматриваются кальпаины — представители семейства цитозольных Ca²⁺-активируемых цистеиновых протеаз.

3. Деградационная фаза

Итогом программируемой клеточной гибели вне зависимости от изначального инициирующего воздействия является деградация клетки путём фрагментации на отдельные апоптотические тельца, ограниченные плазматической мембраной. Фрагменты погибшей клетки обычно очень быстро (в среднем за 90 минут) фагоцитируются макрофагами либо соседними клетками, минуя развитие воспалительной реакции.

Дело в том, что на внешней стороне мембраны апоптотических телец появляется вещество фоспатидилсерин (PS), который является маркером апоптоза. Фагоциты опознают фоспатидилсерин и поглощают меченые им фрагменты распавшихся клеток.

С морфологической точки зрения деградацию погибающей от апоптоза клетки можно разделить на три последовательных фазы: высвобождение, блеббинг и конденсация. Деградация большинства клеток начинается с высвобождения прикреплений внеклеточного матрикса и реорганизации фокальной адгезии. Внутри погибающей клетки деполимеризуются микротрубочки цитоскелета. Внутриклеточные актиновые микрофиламенты реорганизуются в связанные с мембраной периферийные (кортикальные) кольцевые пучки. В итоге клетка приобретает округлую форму. Следующая за высвобождением стадия блеббинга характеризуется сокращением периферийных актиновых колец. В результате сокращений клеточная мембрана образует вздутия, клетка как бы «пузырится». Процесс блеббинга энергозависим и требует большого количества АТФ. Фаза блеббинга в нормальных условиях завершается примерно через 1 час. В итоге клетка фрагментируется на маленькие апоптотические тела, либо целиком конденсируется, округляясь и уменьшаясь в размерах.

На молекулярном уровне одним из последствий апоптоза является фрагментация ДНК с участием нуклеаз. Изначально образуются крупные фрагменты с 30000-700000 пар оснований, которые в дальнейшем расщепляются в межнуклеосомной области на отрезки по 180-200 пар оснований или кратные этим величинам. Фрагментация ДНК является характерным, но не обязательным признаком апоптоза, так как существуют наблюдения, в ходе которых процесс фрагментации ядра (кариорексис) протекал без сопутствующей фрагментации ДНК.

Ещё одним существенным последствием апоптоза является экспрессия на внешней стороне плазматической мембраны специфических молекулярных маркеров, распознаваемых фагоцитирующими клетками: тромбоспондина; фосфатидилсерина и других фосфолипидов, содержащих фосфосерин.

Маркеры, участвующие в фагоцитозе погибающей клетки, можно условно разделить на три группы: «ешь меня», «найди меня» и «не ешь меня».

Критический сигнал «ешь меня» возникает при появлении на внешней стороне мембраны (экстернализации) фосфатидилсерина. В обычных условиях он локализуется на внутреннем слое плазматической мембраны. Данное состояние обеспечивается АТФ-зависимой флиппазой, которая перемещает фосфолипид с внешнего на внутренний слой. Во время апоптоза фосфатидилсерин, наоборот, перемещается на внешний слой плазматической мембраны при участии каспаз. Там он ассоциируется с такими белками, как аннексин I и MFG-E8, которые участвуют во взаимодействии с рецепторами фагоцитирующих клеток.

В процессе апоптоза также снижается интенсивность сигналов «не ешь меня» (CD31), которые в норме присутствуют у фагоцитов и у большинства здоровых клеток.

Третья группа сигналов «найди меня» (лизофосфатидилхолин) продуцируется гибнущей клеткой для привлечения фагоцитов: эффекторные каспазы активируют фосфолипазу A, которая участвует в образовании лизофосфатидилхолина.

Различия между некрозом и апоптозом

apoptoz1.jpg

Рисунок. Сравнение некроза и апоптоза. Источник изображения: https://ppt-online.org/202117

Сравнение апоптоза и некроза Перейти

Отличия апоптоза от некроза связаны с различиями в их рас­пространенности, генетическими, биохимическими, морфологи­ческими и клиническими проявлениями.

Существенным отличием является то, что некроз может за­хватывать территорию тела, начиная от части клетки до целого орга­на. Апоптоз же распространяется всегда только на отдельные клет­ки или их группы.

Апоптоз возникает в клетках при определенных генетических перестройках. При апоптозе усиливается экспрессия (проявление) генов, контролирующих пролиферацию (размножение) и дифференцировку клеток. Это гены из группы клеточных онкогенов (c-fos, c-myc, c-bcl-2) и антионкогенов (р53). Актива­ция клеточных онкогенов должна вести к усилению пролифера­ции клеток, однако при одновременной активации антионкогена р53 происходит не пролиферация, а апоптоз. Такие взаимоотношения генов демонстрируют возможность координации процессов про­лиферации и гибели клеток, заложенной в генетическом аппара­те клеток.

В отличие от некроза раз­рушение ядра при апоптозе происходит с участием специальных Са²⁺, Mg²⁺-зaвисимыix эндонуклеаз, расщепляющих молекулы ДНК в участках между нуклеосомами. Это приводит к формиро­ванию однотипных по размерам фрагментов ДНК. Масса этих фрагментов кратна массе одной нуклеосомы, а каждый фрагмент содержит от одной до нескольких нуклеосом. Своеобразное рас­щепление ДНК при апоптозе имеет и свое морфологическое вы­ражение в виде особой структуры хроматина.

В цитоплазме клетки, подвергшейся апоптозу, никогда не наблюдается активации гидролитических ферментов, как это быва­ет при некрозе. Напротив, все органеллы долгое время остаются сохранными и подвергаются конденсации (сжатию), что связывают с про­цессами сшивания белковых молекул трансглютаминазами, а также обезвоживания за счет действия особых селектив­ных ферментных транспортных систем, регулирующих обмен ио­нов калия, натрия, хлора и воды.

При световой микроскопии клетки в состоянии апоптоза и их фрагменты (апоптозные тельца) отличаются небольшими размерами, сравнимыми с размерами лимфоцитов, с высоким ядерно-цитоплазматическим соотношением, округлыми конту­рами и конденсированными хроматином и цитоплазмой. Существенным отличием является также отсутствие воспали­тельной реакции на апоптоз.

В отличие от некроза при апоптозе имеется сохранность и интегративность органелл. Митохондрии не набухают, в них не про­исходит разрыва внутренней мембраны. Характерными для апоп­тоза являются такие ультраструктурные изменения, как агрега­ция рибосом в полукристаллоидные структуры, появление пуч­ков микрофиламентов под цитолеммой, расположенных парал­лельно мембране. Почти всегда наблюдается кратковременная дилатация агранулярной эндоплазматической сети с формирова­нием пузырей, наполненных жидкостью, которые выводятся из клетки.

Наиболее яркое отличие апоптоза от некроза связано с изме­нениями ядерного хроматина, который конденсируется под кариолеммой в виде полусфер и глыбок. В ядре обнаруживаются осмиофильные тельца, сформированные транскрипционными ком­плексами, поступающими из ядрышек. Ядро меняет свою форму, становится изрезанным, фрагментирустся, ядерные поры кон­центрируются только в участках, где отсутствует маргинации хроматина.

Клетка в состоянии апоптоза становится привлекательным объектом фагоцитоза для соседних паренхиматозных и стромальных клеток в преж­де всего для макрофагов. Фагоцитоз происходит настолько быст­ро, что в условиях in vivo апоптозные клетки сохраняются всего в течение нескольких минут, что затрудняет их наблюдение.

apoptoz2.jpg

Рисунок. Упрощённая схема апоптоза. Источник изображения: https://ppt-online.org/202117

Примеры естественного апоптоза: возрастная атрофия тимуса, воз­растная инволюция ткани эндометрия и предстательной железы, молочных желёз после прекращения лактации. Классическим примером может также служить апоптоз В- и Т-лимфоцитов после пре­кращения стимулирующего действия на них соответст­вующих цитокинов при завершении иммунных реакций.

Видео: Апоптоз

Видео: Реальный апоптоз

Видео: Апоптоз 

Источники:

https://edu.volgmed.ru/mod/book/tool/print/index.php?id=20308

https://biomolecula.ru/articles/autofagiia-protofagiia-i-ostalnye#source-1

http://www.tiensmed.ru/news/apoptoz-c9t.html

http://medbiol.ru/medbiol/apon/00029da8.htm

http://www.rsmu.ru/fileadmin/rsmu/img/about_rsmu/disser/14/d_vikulina_as...