Apoptoze un tās bioloģiskā nozīme. Apoptozes procesu nosacīti var iedalīt trīs fāzēs: signāls, efektors un degradācija. No receptoriem atkarīgs signalizācijas ceļš
13195 0
apoptoze(no grieķu val. apoptoze- nokrišana) ir ieprogrammētas šūnu nāves parādība, ko pavada raksturīgu citoloģisko pazīmju (apoptozes marķieru) kopums un molekulārie procesi. Šo terminu ieviesa A. Kers un citi (Kerretal, 1972). Galvenā atšķirība starp apoptozi un nekroze ir tas, ka pirmo pavada raksturīga reakciju kaskāde šūnu eliminācijas procesā, un nekroze ir neplānota notikuma rezultāts un notiek spontāni (Harmonet., 1998) (1. att.).
Rīsi. viens. Doņeckas Valsts medicīnas universitātes speciālās mikroskopijas laboratorijas ierosinātā ultrastrukturālo šūnu izmaiņu shēma apoptozes un nekrozes laikā
Raksturīga procesu kaskāde apoptozes laikā ietver: (a) hromatīna kondensāciju, (b) kodola iznīcināšanu, (c) plazmas membrānas pietūkumu, (d) šūnu fragmentāciju, veidojoties diskrētiem apoptotiskiem ķermeņiem (AbT). Apoptozi var izraisīt gan ārēja ietekme (piemēram, indes), gan intracelulāri signāli, tostarp "nāves gēnu" aktivizēšanās. Šajā gadījumā apoptozes mehānismi var būt ne tikai ieprogrammēti, bet arī spontāni (Filchenkov and Stoika, 1999).
Apoptoze parādījās evolūcijā, acīmredzot, kopā ar eikariotu daudzšūnu organismu parādīšanos, lai regulētu šūnu skaitu un izveidotu noteiktas attiecības starp ķermeņa šūnām. Šūnas mijiedarbojas dažādos dzīves cikla posmos, piemēram, dalīšanās, augšanas, diferenciācijas un nāves laikā. Ir kļuvusi (ieprogrammētas?) šūnu nāves molekulāro mehānismu izpēte pēdējie gadi viena no visgrūtākajām un steidzamākajām problēmām bioloģijā.
Apoptozes problēma šobrīd ir ļoti interesanta no dažādu zinātnes disciplīnu speciālistu puses. Apoptozes aktivizēšanās izskaidro AIDS gaitu, kustību aparāta slimības, nervu sistēma, Vilsona, Parkinsona, Alcheimera un Hačinsona slimības ( progērija, priekšlaicīga novecošanās). Iespējams, šūnas mirst ar apoptozes mehānismu smadzeņu išēmijas un insulta laikā, kā arī anēmijas laikā (Belushkina un Beletsky, 2004).
Veselā organismā šūnas parasti tiek izvadītas ar apoptozi dažādos procesos. Piemēram, ķermeņa augšanas un attīstības laikā. Centrālās nervu sistēmas attīstības procesā neironu veidojas vairāk nekā nepieciešams, un liekie tiek noņemti. Apoptoze ir nepieciešama arī imūnās atbildes īstenošanai. Viens no aizsardzības mehānismiem ir saistīts ar ievērojamu limfocītu skaita palielināšanos, kas, iekļūstot svešiem mikroorganismiem, ražo antivielas. Pēc šo mikroorganismu iznīcināšanas lielākā daļa šo specifisko saistaudu šūnu tiek iznīcinātas; līdz ar to organisma izdzīvošanai nepieciešams mehānisms nevēlamo šūnu izvadīšanai.
Šis mehānisms darbojas arī šūnu atrofijas laikā, iedarbojoties citokīni(audzēja nekrozes faktors), ar vīrusu slimībām (piemēram, ar iegūto imūndeficīta sindromu - AIDS), ar neiroģeneratīvām slimībām. Apoptozes trūkums noved pie vēzis un citi audzēji tā pārpalikums izraisa šūnu zudumu. Jaunībā apoptoze ir labvēlīga, nākotnē tā ir iesaistīta novecošanās procesā.
Ir noteiktas dažas apoptozes pazīmes, kas to atšķir no nekrozes:
- fosfatidilserīns no citoplazmas membrānas iekšējā slāņa virzās uz ārējo;
- citohroms c no mitohondriju starpmembrānu telpas nonāk citoplazmā; ir aktivizēti cisteīna proteināzes (kaspāze);
- izglītība pieaug reaktīvās skābekļa sugas(AFK); citoplazmas membrāna krunkains, un šūnu tilpums samazinās;
- pavedieni kodola DNS pārrāvums starpnukleosomālajos reģionos hromatīns kondensējas ap kodola perifēriju, kas tad izjūk daļās;
- šūnas ir sadrumstalotas pūslīši ar intracelulāru saturu apoptotiskie ķermeņi). Atšķirībā no nekrozes, apoptozes gadījumā citoplazmas membrānas integritāte tiek saglabāta līdz vēlākiem procesa posmiem, neskatoties uz saraušanos.
Ir identificēti daži molekulārie procesi, kas novēroti apoptozes laikā:
1) darbība Sa 2 + un Zn 2 + (galvenais neorganiskais sūtnis un hormons attiecīgi), kam ir savstarpēji antagonistisks raksturs,
2) izmaiņas membrānas proteīnos apoptotiskajās šūnās,
3) dažādu signālu transdukcijas ceļu aktivizēšana apoptozei.
Apoptozes laikā membrānas mainās, jo īpaši glikoproteīni un glikolipīdi zaudē savu. sialskābe, un receptoru daudzums uz šūnas virsmas palielinās vitronektīns un, kā minēts iepriekš, fosfatidilserīns faktori, kas piesaista makrofāgus.
Apoptozes laikā tiek aktivizētas dažādas izoformas fosfolipāzes c, tad veidojas sekundārie vēstneši diacilglicerīns(DAG) un inozitola-1,4,5-trifosfāts(IP3). DAG aktivizē serīna un treonīna kināzes saimi (proteīnkināzi c), un IP3 stimulē izdalīšanos Sa 2 + no intracelulāriem depo uz citozolu. Var izraisīt arī apoptozi tirozīna kināze un daži toksīniem izjauc homeostāzi Sa.
Ir izvirzīta hipotēze par ģenētiskas programmas esamību attiecīgi mitohondriju, šūnu, orgānu, organismu pašiznīcināšanai — mitoptoze, apoptoze, organoptoze, fenoptoze. Šo programmu sauc par "samuraju bioloģijas likumu" (V.P. Skulačevs, 1996). Apoptozes laikā šūnā veidojas specifisks “pašnāvības proteīns”. 53. lpp kas veicina šīs programmas īstenošanu. Šī proteīna aktivizēšana ar dažiem interferoniem ietekmē ārstēšanu vēzis. Šobrīd ļoti aktīvi tiek pētīta apoptozes problēma, jo tā ir saistīta ar novecošanas problēmas risināšanu. Ja būtu iespējams regulēt apoptozi, būtu iespējams palēnināt cilvēka novecošanos.
Pamatojoties uz hipotēzi, ka pašiznīcināšanās programmas sākums sākas antioksidantu sistēmas (AO C) aktivitātes samazināšanās dēļ mitohondrijās un reaktīvo skābekļa sugu (ROS) uzkrāšanās tajos, tika piedāvāts veids, kā cīnīties pret to. šo parādību, ievadot vielas ar antioksidanta īpašībām šūnu organellās.
Tomēr zināmo dabisko antioksidantu, jo īpaši C un E vitamīnu, darbība nedeva panākumus. Tāpēc tika sintezētas vielas ar AOS īpašībām. Pēc daudzām pārbaudēm izrādījās, ka šim nolūkam vislabākie ir fenilfosfonija katjoni(FFK). No tiem tika sintezēta viela, ko sauca par "Skulačeva jonu" (SkQ). Tas ir sarežģīts savienojums tetrafenilfosfonija katjons, kur atrodas kompleksu veidojošais jons R(III)(2. att.). Šādai struktūrai ir delokalizēts pozitīvais lādiņš.
Rīsi. 2. Skulačeva jons ir trifenilfosfīns, ko dekāns saista ar plastohinonu.
Var redzēt, ka SkQ ir alkilēts ar dekānu C10H22 polarizētas molekulas veidošanās ar pozitīvi lādētu jona galvu un lipofīlu asti. Šis komplekss viegli iekļūst šūnā caur negatīvi lādētu plazmas membrānu citoplazmā un caur vēl negatīvāk lādēto mitohondriju membrānu organellu matricā un uzkrājas tur, domājams, vienkāršas pretēju lādiņu savstarpējas pievilkšanās rezultātā saskaņā ar fizikāliem likumiem. Plastohinons, pēc autoru domām, palielina jonu antioksidantu aktivitāti.
Punktu darbība pat pie nanokoncentrācijām ļauj šim kompleksam uzturēties mitohondrijās ilgu laiku (līdz 4 dienām). Enzīmi, kas atrodas endoplazmatiskajā retikulumā (ER), nevar iznīcināt šo kompleksu mitohondrijās, jo tie nespēj pārvarēt membrānas barjeru.
Skulačevs uzskata, ka SkQ jona antioksidanta īpašības ļauj neitralizēt brīvos radikāļus mitohondriju iekšienē un tādējādi, aktivizējot AO C, rada pozitīvu farmakoloģisko efektu. Tomēr šajā skaidrojumā nav ņemta vērā metālu jonu stingri noteiktā ietekme uz procesiem. apoptoze, jo īpaši Sa 2 + un Zn 2 + , un starpelementu mijiedarbības likumi, jo īpaši to antagonisms.
No bioneorganisko vielu viedokļa apoptozes procesu mehānisms un fenilfosfonija katjonu ietekme uz tiem ir sarežģītāks. Saskaņā ar aizstāšanas likuma sekas, "bezmaksas" Sa izspiež pārejas metālu jonus no kompleksiem ar proteīniem un nukleoproteīniem, izjaucot to darbību un izraisot polimikroelementoze. Pārmērīgs Sa 2 + izspiež mg 2 + , inaktivējot visus vielmaiņas procesus, kas saistīti ar ATP. Pirmkārt, tas izpaužas kā nātrija sūkņa aktivitātes un līdz ar to arī membrānas potenciāla (Ψ) un no tā atkarīgo brīvo radikāļu neitralizācijas procesu samazināšanās. Kompleksu veidojošo metālu jonu pārvietošanas dēļ no AOC enzīmiem ( Fe, Si, Se, Zn) šo enzīmu aktivitāte pēc definīcijas ir samazināta.
Tā kā galvenie AOC enzīmi (katalāze, peroksidāze, citohroma oksidāze, glutationa peroksidāze) satur hemīnu ar Fe, Si un selenoproteīniem Se un es, pārpalikums Sa 2 + citoplazmā automātiski izraisa strauju antioksidantu aktivitātes samazināšanos bez jebkādu gēnu līdzdalības. Pārvarot daļējais slieksnis sākas ķēdes reakcija, tas ir, brīvais radikālis parādās katrā atomā ar nepāra elektronu. Tiek uzsākta jau esošo valences piesātināto sākotnējo molekulu transformācijas ķēde reaktīvākos produktos. Turklāt apoptozes procesi sākas ar membrānu darbības traucējumiem, kas, iespējams, kaut kādā veidā ir saistīti ar kolagēna sintēzi.
"Bezmaksas" Sa 2 + spēlē galveno lomu apoptozes attīstības sākumposmā, jo tā ir iniciatorsķēdes reakcija. Tā koncentrācija apoptozes laikā šūnās vienmēr palielinās. "Bezmaksas" Sa citotoksisks, tas izjauc daudzus vielmaiņas procesus. Jo īpaši tā rezultātā endonukleāze, kas šķeļ DNS nukleosomu iekšējos reģionos un audos transglutamināze, kas ar izopeptīdu saitēm kovalenti saista olbaltumvielas ar membrānu. Ir skaidrs, ka tādējādi tiek traucēta gan nukleoproteīnu, gan membrānu darbība.
Zn 2 + , saskaņā ar aizstāšanas likums, būdams 4. perioda nepārejas metālu jons, kas veido kompleksus ar bioligandiem ar augstāko K muti, spēj samazināt koncentrāciju Sašūnās un tādējādi aizkavē apoptozes sākšanos. Tāpēc viņš tiek uzskatīts inhibitorsšo procesu, jo īpaši nomācot endonukleāzes un transglutamināzes aktivitāti. Šūnu nāves procesa palēnināšanās, ko atzīmēja visi apoptozes pētnieki, iekļūstot tajās Zn 2 + ir izskaidrojams ar to, ka “bezmaksas” saturs Sa 2 + šūnu citoplazmā samazinās, savukārt AOS aktivitāte palielinās. Tāpēc var pieņemt, ka jebkurš efekts, kas samazina "bezmaksas" daļu Sa 2 + šūnā un tās organellās, palēninās novecošanās procesu un labvēlīgi farmakoloģiski iedarbosies pie slimībām, kuras pavada šīs frakcijas uzkrāšanās. Starp šīm slimībām ir acu slimības, osteoporoze, progērija un Dauna slimība.
Mehānisms ķēdes reakcija, kā arī tā funkcijas, ir labi zināmas pēc piemēra atombumba. Šīs reakcijas raksturīga īpašība ir tā daudzpakāpju. Viens no svarīgākajiem posmiem ir ķēdes uzsākšana ( iniciācija), ķēdes turpinājums ( jaunu aktīvo daļiņu ģenerēšana= radikāļi), ķēdes pārtraukšana (" nāvi» aktīvās daļiņas). Pašas ķēdes var būt nesazarots, kad uz katru izlietoto aktīvo daļiņu ir viena jaunizveidota, vai sazarots, ja uz vienu izlietoto aktīvo daļiņu ir divas vai vairākas jaunizveidotās daļiņas.
Var rasties sazarotas ķēdes reakcijas stacionārs režīmā, kad sazarošanās ātrums ir mazāks par aktīvo daļiņu nāves ātrumu, un in nestacionārs kad nāve ir lēnāka nekā zarošanās. Šajā gadījumā reakcijas ātrums palielinās eksponenciāli, un to ierobežo tikai izejvielu patēriņš. Turklāt pāreja no stacionāra režīma uz nestacionāru notiek pēkšņi ar ļoti nelielām vienas no sākotnējās vielas koncentrācijas izmaiņām - tiek novērots ķēdes "sprādziens".
Ķēdes reakcijas izceļas ar ļoti efektīvām to īpašību izmaiņām un pat virzienu nenozīmīgu vielu piemaisījumu klātbūtnē, kas spēj izvadīt no sistēmas aktīvās daļiņas, tas ir, inhibitori vai, gluži pretēji, veicināt to veidošanos - iniciatori. Tieši ar šo mehānismu apoptozes process attīstās daudzos posmos un ļoti lēni pirmajos posmos. Tāpēc, apsverot šo problēmu, ir jāvadās no vispārīgiem modeļiem, nevis privātiem, kas saistīti ar "nāves gēniem" vai "cīņu" ar brīvajiem radikāļiem. Tieši šī iemesla dēļ antioksidantu vitamīni E un C būtiski neietekmē apoptozes procesus, jo tie iedarbojas nevis uz ķēdes reakcijas cēloni, bet gan uz tās sekām.
R(III) SkQ, būdams kompleksveidotājs, tas nespēj atkārtoti mainīt savu valenci, kas ir absolūti nepieciešama elektronu pārneses procesam, kas notiek AOS. Tajā pašā laikā ir zināms, ka P(V) veidojas oksidēšanās laikā R(III) ir skābekļa skābju, jo īpaši fosforskābes, sastāvdaļa, kas viegli saistās ar Sa 2 + , veidojot trifosfātu Ca 3 (P 3 O 10) 2. Piecvērtīgais fosfora anjons šajā savienojumā ir sekvestrētājs, un iegūtais sāls ir stabils, kas noved pie Sa 2 + no "brīvās" frakcijas.
No bioneorganisko vielu viedokļa fenilfosfonija katjoni, ja tie nokļūst šūnās un mitohondrijās, kalpo kā efektīvs līdzeklis. aktīvā fosfora avots neitralizēt lieko "bezmaksas" Sa 2 + . Tas ir, viņiem patīk Zn 2 + , izrādās inhibitors apoptozes ķēdes reakcija, bet ar atšķirīgu darbības mehānismu.
Aprakstītais apoptozes mehānisms jo īpaši izskaidro faktu, ka Atlantijas laša dzīves ilgums tiek pagarināts, ja žaunas tiek inficētas ar gliemju kāpuriem. Margarititera margarititera. Šie kāpuri intensīvi absorbē "bezmaksas" Sa 2 + uzbūvēt savu čaulu, proti, šajā gadījumā tie izrādās sekvestrētāji sākušās polimikroelementozes ķēdes reakcijā, bloķējot šo reakciju.
Albatross dzīvo apmēram 50 gadus, un viņa dzīves laikā nav vērojamas novecošanās pazīmes, tostarp reproduktīvās funkcijas, pēc kuras putns pēkšņi iet bojā no spontāna "sprādzienbīstama" apoptozes procesu paātrinājuma. Tas ir saistīts ar faktu, ka saskaņā ar daļēja sliekšņa noteikums, kādā brīdī pieaugošā "brīvā" Ca 2+ koncentrācija pārvar šādu slieksni, iestājas nestacionārs ķēdes reakcijas posms, kas noved pie ātra gala – organisma nāves.
Eksperimenti ar dzīvniekiem (laboratorijas grauzējiem, trušiem, suņiem, kaķiem, zirgiem) ar tīklenes distrofiju un kataraktu, kas tika iepilināti acīs ar 20 nM SkQ šķīdumu, parādīja, ka pēc vairāku nedēļu ārstēšanas acu slimības tika izārstētas un pat dažas aklie dzīvnieki sāka skaidri redzēt. Ir pozitīvi provizoriski dati par SkQ lietošanu 12 dažādu senilu slimību ārstēšanai, jo īpaši, osteoporoze, sirdslēkmes un acu slimības glaukoma un katarakta. Ierosinātais apoptozes attīstības mehānisms ir parādīts attēlā. 3.
Rīsi. 3. Ierosinātais apoptozes attīstības mehānisms
Vēža problēma ir pretēja apoptozes problēmai. Atšķirībā no novecošanas, kad nepieciešams palēnināt apoptozes procesu, vēža gadījumā ir jādara tieši otrādi – jāpaātrina šis process vēža šūnās. Visefektīvākie tam var būt pasākumi, kas palielina "brīvās" frakcijas saturu Sašūnu citozolā un mitohondrijās virs frakcionētā sliekšņa, pēc kura sākas apoptozes ķēdes reakcija vēža šūnu nāves veidā. Pamatojoties uz ķēdes reakcijas mehānismu īpatnībām, līdzīgam efektam vajadzētu parādīties jau pie aktīvo vielu nanokoncentrācijām.
Runājot par teoriju par apoptozi kā ģenētiski ieprogrammētu nāvi, ne mazāk ticama šķiet hipotēze par metāla ligandu homeostāzes traucējumu ķēdes reakciju. Ķēdes reakcijas atspoguļo būtiskākas dabas procesiem nekā pavadošās ģenētiski fiksētās bioloģiskās izpausmes. Tāpēc hipotēzi par apoptozes būtību kā kalcija mikroelementozes ķēdes reakcijas izpausmi, pārvēršoties polimikroelementozē, nevar atmest, nepaskaidrojot metālu lomu šajā procesā no vispārpieņemtas teorijas viedokļa.
Zināms, ka koda rakstīšana ne vienmēr atbilst bioloģijas "centrālajai dogmai" (DNS > RNS > proteīns). Atvērums atzīmēts Nobela prēmijas reversās revertāzes, tostarp telomerāze (2009), kā arī prioni (Prusiner, 1997), apstiprina šī viedokļa leģitimitāti. "Mierīgo gēnu" aktivizēšanos izraisa viens vai otrs metālu-ligandu homeostāzes stāvoklis. Piemēram, ar vielmaiņas traucējumiem saistīto metālu attiecība Sji, "pamodina" vai nu Vilsona slimības proteīnu sintēzes gēnu, kas šobrīd ir izārstējama, vai proteīnu sintēzes gēnu Menkesa slimībai, kas vēl nav ārstējama. Tajā pašā laikā “pamodinātais” gēns pilnībā nomāc otru (Bertini, 2008).
Medicīniskie bioneorganiskie līdzekļi. G.K. Baraškovs
Daudzšūnu dzīvo organismu rašanās procesā bija nepieciešami pareizas augšanas un attīstības regulēšanas mehānismi, viens no šādiem regulatoriem ir apoptoze.
Apoptoze ir ieprogrammētas šūnu nāves forma, kas izpaužas kā šūnu izmēra samazināšanās, hromatīna fragmentācija un kondensācija, membrānu (ārējo un citoplazmas) sabiezēšana bez šūnas satura noplūdes tās vidē.
Process ir divfāzu:
1. Pirmo fāzi sauc par latento, un tās pamatā ir apoptozes signālu vadīšana. Citiem vārdiem sakot, "problēmu risināšanas fāze". Atkarībā no stimulu darbības rakstura to var iedalīt 2 veidos:
a) DNS bojājumi, ko izraisa toksīnu, starojuma un citu faktoru iedarbība;
b) "šūnu nāves reģiona" (RCD) receptoru aktivizēšana.
“Šūnu nāves reģions” ir receptori uz visu šūnu membrānām, kas uztver stimulus, lai aktivizētu apoptozi. Ja palielinās aktivēto receptoru skaits, tad palielinās arī fizioloģiski mirstošo šūnu skaits. Visvairāk pētītie RCC ir CD95 (Fas, Apo1), TNFR1 (p55, CD120a), kā arī CAR1, D3, DR4, DR5 utt. Šim procesam nav pievienots DNS bojājums.
2. Otro fāzi sauc par "efektoru", jo tajā notiek šūnu ultrastruktūru iznīcināšana. Efektorfāzes galvenie izpildītāji ir endonukleāzes, cisteīna proteāzes (kaspāzes), lizosomu un serīna proteāzes.
Farber E. (1994) ierosināja programmētas šūnu nāves (PCD) klasifikāciju:
Programmēta šūnu nāve ir nāve, kas notiek normālas šūnu attīstības un/vai metamorfozes laikā.
Programmēta nobriedušu organismu diferencētu šūnu fizioloģiskā nāve hiperplastisku audu iznīcināšanas laikā orgānu un audu eksogēnu un endogēnu bojājumu rezultātā. Tas izpaužas, kad nepieciešams atjaunot šūnu sastāvu.
Programmēta bioķīmiskā šūnu nāve pēc dažādas izcelsmes patogēnu iedarbības. Šāda veida nāve nav fizioloģiska, jo tā ir organisma reakcija (aktīva vai pasīva) uz kaitīgo līdzekli.
Visas MCG formas ir balstītas uz ģenētiski noteiktu šūnu nāves programmu. To apstiprina daudzu gēnu iesaistīšanās šīs programmas pamatā šūnu līmenī un specifisku gēnu klātbūtne, kas kontrolē šo procesu.
Ir vairāki apoptozes regulatori, no kuriem viens notiek ar citokīnu piedalīšanos. Citokīni ir proteīni, caur kuriem tie saistās ar specifiskiem receptoriem mērķa šūnās un regulē to diferenciāciju un proliferāciju. Apoptozes process tiek aktivizēts, kad specifisks receptors tuvojas savam ligandam, ārpusšūnu nāves proteīnam (TNF-a, FasL, TRAIL, Apo-3L). Visvairāk pētītais ir FasL ligands, kas parasti tiek piesaistīts aktivizētajiem T-limfocītiem un NK-šūnām, mijiedarbojoties ar specifiskiem APO1/CD95/Fas šūnu receptoriem. Acs sēkliniekos un audos FasL nodrošina aizsardzību pret savu šūnu autoimūniem bojājumiem. Darbības princips ir aktivizēt specifisku proteāzi – kaspāzi 8, kas savukārt uzsāk MCG procesu. Alternatīvs ceļš ir apoptozes aktivācijas mitohondriju ceļš, piedaloties Bcl-2 ģimenes proteīniem. Šis apoptozes ceļš sākas ar DNS bojājumiem vai toksisku vielu iedarbību uz šūnu. Šī ceļa galvenais notikums ir ārējās mitohondriju membrānas caurlaidības palielināšanās, ko raksturo apoptogēno proteīnu (citohroma C, prokaspāzes -2, -3 un -9, AIF (apoptozes inducējošais faktors)) izdalīšanās no plazmas. starpmembrānu telpa šūnas citoplazmā mitohondriju membrānas plīsuma vai ļoti caurlaidīgu kanālu atvēršanas dēļ uz mitohondriju ārējās membrānas.
Vissvarīgākais DNS bojājumu "receptors" ir tā sauktais "genoma sargs" - p53 proteīns. Parasti šis proteīns ir neaktīvs un tiek aktivizēts hipoksijas, onkogēnu aktivācijas, DNS bojājumu vai citu citotoksisku līdzekļu iedarbības dēļ. Gēna loma MCG procesā ir ļoti svarīga, jo 50% audzēju attīstības cēlonis ir p53 gēna mutācija. Apoptozi regulē p53 proteīns vairākos veidos: aktivizējot Bax vai Bid gēnus; izglītības aktivizēšana brīvas formas skābeklis, kas izraisa peroksidāciju, kas izraisa citohroma C izdalīšanos no mitohondrijiem; Fas mRNS indukcija, kā arī Fas izdalīšanās uz šūnas virsmu no Golgi aparāta; APAF-1 veidošanās stimulēšana; kaspāzes 6 ekspresijas stimulēšana; paša p53 gēna molekulu daļas pāreja mitohondrijās, kam seko citohroma C izdalīšanās.
Būtisks apoptozes mehānisms ir Bcl-2 saimes proapoptotisko savienojumu sintēze un aktivizēšana. Pirmo reizi Bcl-2 saimes proteīns tika aprakstīts kā onkogēns B šūnu limfomas gadījumā, kas izraisīja audzēja klona veidošanos, palielinot audzēja šūnu izdzīvošanu. . Pašlaik Bcl-2 saime ietver proteīnu grupu ar līdzīgu morfoloģisko sastāvu un ir sadalīta divās grupās: apoptozes induktori un apoptozes inhibitori. Lēmums par šūnu nāvi tiek pieņemts, pamatojoties uz aktīvo nomācēju vai apoptozes veicinātāju relatīvo pārsvaru. Darbības mehānisms ir balstīts uz Bcl-2 saimes proapoptotisko proteīnu darbību, kas fizioloģisko vietā veido pagaidu megakanālus (Ca2+, O2, Na+/K+), caur kuriem sāk plūst citohroms C un citi apoptozes faktori. . Citohroms C ir nepieciešams apoptosomas veidošanai, kurā tiek aktivizēta kaspāze 9.
Ir vēl viens, saspringts, apoptotisks ceļš, kas aktivizē kaspāzi 9 caur Apaf-1 (apoptotiskās proteāzes aktivējošā faktora) kompleksu. Konformācijas izmaiņas Apaf-1, ko izraisa citohroms C no bojātiem mitohondrijiem un ATP, ļauj piesaistīt kaspāzes 9 profaktoru, izmantojot to kopējo domēnu. Savukārt apoptosomas kaspāze 9 izraisa efektora K(3,7) aktivāciju, kas ierosina intensīvu proteolīzi un atbrīvo saistīto DNāzi, kas iznīcina hromatīnu. Īpaši ievērības cienīga ir Bid proteīna loma, kas ir saikne starp diviem apoptotiskiem ceļiem - mitohondriju ceļu un nāves receptoru ceļu (K8 iedarbība).
Pašlaik medicīnā lielu interesi rada apoptozes šūnu nāves procesa izpēte. Fizioloģisko nāves procesu pārkāpumiem ir liela nozīme patoloģisku stāvokļu, tostarp onkoloģisko un autoimūno slimību, attīstībā.
Šobrīd ir zināmas daudzas slimības, kas saistītas ar pastiprinātu apoptozi: folikulāra limfoma, reproduktīvās sistēmas vēzis sievietēm un vīriešiem (olnīcas, prostatas dziedzeris), glomerulonefrīts, vīrusu infekcijas (adenovīruss, herpes vīruss, baku vīruss). Kā arī slimības, kas saistītas ar apoptozes procesu kavēšanu: AIDS, neirodeģeneratīvas slimības (Alcheimera, Parkinsona), toksiskas aknu slimības, smadzenīšu deģenerācija u.c.
Apoptozes mehānismu izpēte sniedz priekšstatus par noteiktu slimību attīstību un to gaitu. Šīs zināšanas jau tagad varam izmantot slimību profilaksei dažādos patoģenēzes posmos (korekcija un regulēšana).
Apoptoze ir ļoti svarīgs process katra dzīvā organisma ontoģenēzē. Šis process ļauj uzturēt iekšējo homeostāzi, kontroli pareiza izaugsme un organisma attīstība, bez apoptozes mehānisma mūsu organismā būtu haoss, liels skaits ģenētisku izmaiņu, nejauša šūnu dalīšanās.
Bibliogrāfija:
1. Vladimirskaja E.B. Apoptotisko šūnu nāves mehānismi / E.B. Vladimirskaja // Hematoloģija un transfuzioloģija. - 2002. - T.47, Nr.2, - S. 35 - 40.
2. Robinsons M.V. Imūnsistēmas šūnu apoptoze / M.V. Robinson, M.A. Trufakins// Mūsdienu bioloģijas panākumi. - 1991. -V.3 laidiens. 2. - S. 246 - 259.
3. Adams J.M. Miršanas veidi: vairāki apoptozes ceļi / J.M. Adams // Gēni un attīstība/ - 2003. - N 17. - P. 2481 - 2495.
4. Itoh K. Mitohondriju un p53 centrālā loma reimatoīdo sinoviālo fibroblastu Fas mediētā apoptozē / K. Itoh, H. Hase, H. Kojima et al. // Reimatoloģija. - 2004. - N 43. - P.277-285.
5.& Ņūtons K. Kaspāzes signalizē ne tikai par apoptozi, bet arī par antigēnu izraisītu aktivāciju imūnsistēmas šūnās / K. Newton, A. Strasser// Genes and Development. - 2003. - 17. sēj., N7. – P.819 – 825.
Apoptozi var ierosināt ārēji vai intracelulāri faktori. Piemēram, hipoksijas, hiperoksijas, ķīmisku vai fizikālu faktoru izraisītu subnekrotisku bojājumu, atbilstošo receptoru šķērssavienojuma, šūnu cikla signālu traucējumu, augšanas un vielmaiņas faktoru noņemšanas u.c. rezultātā. Neskatoties uz to, ka ir dažādi iniciējoši faktori, divi ir izdalīti galvenie apoptozes signālu pārraides ceļi: no receptoriem atkarīgs signalizācijas ceļš, kas ietver šūnu nāves receptorus un mitohondriju ceļu.
No receptoriem atkarīgs signalizācijas ceļš
Apoptozes signālu shēma caur nāves receptoriem CD95, TNFR1 un DR3
Apoptozes process bieži sākas ar specifisku ekstracelulāro ligandu mijiedarbību ar šūnu nāves receptoriem, kas ekspresēti uz virsmas. šūnu membrānu. Receptori, kas uztver apoptozes signālu, pieder TNF receptoru virsģimenei. Visvairāk pētītie nāves receptori, kuriem ir aprakstīta un noteikta loma apoptozē, ir CD95 un TNFR1. Papildu komplektācijā ietilpst CARI, DR3, DR4 un DR5.
Visi nāves receptori ir transmembrānas proteīni, kam raksturīga kopīga 80 aminoskābju secība citoplazmas domēnā. Šo secību sauc par nāves domēnu, un tā ir būtiska apoptozes signālu pārraidei. Nāves receptoru ekstracelulārie reģioni mijiedarbojas ar ligandu trimeriem. Ligandu trimeri mijiedarbības rezultātā trimerizē nāves receptorus. Tādējādi aktivizētais receptors mijiedarbojas ar atbilstošo intracelulāro adapteri. CD95 receptoram adapteris ir FADD. TNFR1 un DR3 receptoriem TRADD ir adapteris.
Ar nāves receptoriem saistītais adapteris mijiedarbojas ar efektoriem - joprojām neaktīviem proteāžu prekursoriem no iniciējošo kaspāžu ģimenes - ar procaspāzēm. Liganda-receptora-adaptera-efektora mijiedarbības ķēdes rezultātā veidojas agregāti, kuros aktivizējas kaspāzes. Šos agregātus sauc par apoptosomām, apoptotiskiem chaperoniem vai nāvi izraisošiem signālu kompleksiem. Apoptsomas piemērs ir FasL-Fas-FADD-pro-kaspāzes-8 komplekss, kurā tiek aktivizēta kaspaze-8.
Nāves receptori, adapteri un efektori mijiedarbojas viens ar otru, izmantojot domēnus, kas pēc struktūras ir līdzīgi: DD, DED, CARD. DD ir iesaistīts Fas receptora mijiedarbībā ar FADD adapteri un TNFR1 vai DR3 receptoru mijiedarbībā ar TRADD adapteri. Izmantojot DED domēnu, FADD adapteris mijiedarbojas ar pro-kaspāzēm -8 un -10. CARD domēns ir iesaistīts RAIDD adaptera mijiedarbībā ar procaspase-2.
Caur nāves receptoriem var aktivizēt trīs iniciējošās kaspāzes: −2; –8 un –10. Aktivētās iniciējošās kaspāzes tiek tālāk iesaistītas efektoru kaspāžu aktivizēšanā.
Mitohondriju signalizācijas ceļš
Apoptozes mitohondriju signalizācijas ceļš tiek realizēts apoptogēno proteīnu izdalīšanās rezultātā no mitohondriju starpmembrānas telpas šūnu citoplazmā. Apoptogēnos proteīnus, iespējams, var atbrīvot divos veidos: plīst mitohondriju membrānai vai atverot ļoti caurlaidīgus kanālus uz ārējās mitohondriju membrānas.
Apoptsomu veidošanās modelis "Cytochrome c - Apaf-1 - CARD - procaspase-9". Tādējādi aktivētā kaspāze-9 piesaista pro-kaspāzi-3, kas savukārt tiek aktivizēta uz kaspāzi-3
Ārējās mitohondriju membrānas plīsums ir izskaidrojams ar mitohondriju matricas tilpuma palielināšanos. Šis process ir saistīts ar mitohondriju membrānas poru atvēršanos, izraisot membrānas potenciāla samazināšanos un lielas amplitūdas mitohondriju pietūkumu osmotiskās nelīdzsvarotības dēļ. Poras ar diametru 2,6–2,9 nm spēj izlaist zemas molekulārās vielas, kas sver līdz 1,5 kDa. Poru atvēršanos veicina šādi faktori: neorganiskais fosfāts; kaspāze; SH reaģenti; šūnu noplicināšana ar samazinātu glutationu; reaktīvo skābekļa sugu veidošanās; oksidatīvās fosforilācijas atvienošana ar protonoforu savienojumiem; Ca satura palielināšanās citoplazmā; keramīda iedarbība; ATP mitohondriju kopuma izsīkšana utt.
Kā alternatīvs ceļš apoptogēno proteīnu atbrīvošanai no mitohondriju starpmembrānu telpas tiek apsvērta proteīna kanāla veidošanās ārējā mitohondriju membrānā. Citoplazmā tā vai citādi izdalās: citohroms c, proteīns ar molekulmasu 15 kDa; prokaspāze -2, -3 un -9; AIF ir flavoproteīns ar molekulmasu 57 kDa.
Citohroms c šūnu citoplazmā ir iesaistīts apoptosomas veidošanā kopā ar Apaf-1 proteīnu. Iepriekš Apaf-1 notiek konformācijas izmaiņas reakcijas rezultātā, kas patērē ATP enerģiju. Tiek pieņemts, ka transformētais Apaf-1 iegūst spēju saistīt citohromu c. Turklāt Apaf-1 CARD domēnam ir piekļuve pro-caspase-9. Tā rezultātā notiek vismaz 8 transformētā Apaf-1 proteīna apakšvienību oligomerizācija, piedaloties citohromam c un procaspaze-9. Tas veido apoptosomu, kas aktivizē kaspāzi-9. Nobriedusi kaspāze-9 saistās un aktivizē pro-kaspāzi-3, veidojot efektora kaspāzi-3. Flavoproteīna AIF, kas izdalās no mitohondriju starpmembrānu telpas, ir apoptozes efektors, kas darbojas neatkarīgi no kaspāzēm.
Citi veidi, kā izraisīt apoptozi
Jāatzīmē, ka apoptozes īstenošana var notikt divu galveno signalizācijas ceļu, no receptoru atkarīgā un mitohondriju, kombinētas darbības rezultātā. Turklāt ir vairāki mazāk izplatīti apoptozes ierosināšanas mehānismi. Piemēram, prokaspāzes-12 aktivācijas dēļ, kas lokalizēts endoplazmatiskajā retikulumā. Prokaspāzes-12 izdalīšanās un aktivizēšanās šajā gadījumā ir saistīta ar kalcija jonu intracelulārās homeostāzes traucējumiem. Apoptozes aktivizēšana var būt saistīta arī ar šūnu adhēzijas traucējumiem.
Kā vēl viens apoptozi izraisošs faktors tiek uzskatīts citotoksisko T-limfocītu uzbrukums inficētajām šūnām, kas papildus Fas receptoru aktivizēšanai spēj izdalīt perforīnu inficētās šūnas membrānas tuvumā. Perforīns polimerizējas, veidojot transmembrānu kanālus, caur kuriem šūnā nonāk limfotoksīns-alfa un serīna proteāžu maisījums. Granzīms B aktivizē kaspāzi-3 un tiek uzsākta kaspāzes kaskāde.
Šūnu nāves ierosināšana iespējama, atbrīvojoties lizosomu proteāzēm – katepsīniem. Piemēram, kaspāze-8 inducē aktīvā katepsīna B izdalīšanos no lizosomām, kas pēc tam šķeļ regulējošo proteīnu Bid. Rezultātā veidojas aktīvais t-Bid proteīns, kas savukārt aktivizē proapoptotisko Bax proteīnu.
"Klasiskās" zīdītāju apoptozes vispārīgā shēma
efektora fāze
Efektora fāzes laikā dažādie iniciācijas ceļi tiek pārveidoti par vienu kopīgu apoptotisku ceļu. Parasti tiek aktivizēta proteīnu efektoru un proteīnu modulatoru kaskāde, kas tos regulē. Galvenie apoptozes efektori ir kaspāzes. Aktivizācijas procesā tie iedarbina kaspāzes kaskādi: kompleksi savītas iniciācijas un efektorkaspāžu mijiedarbības ķēdes.
Kaspāzes kaskāde
Kaspāzes ir cisteīna proteāzes, kas šķeļ aminoskābju sekvences pēc asparagīnskābes atlikuma. Kaspāzes veidojas prokaspāžu aktivācijas dēļ, kas ietver 3 domēnus: regulējošo N-terminālo domēnu, lielas un mazas apakšvienības. Aktivizācija notiek ar proteolītisku apstrādi: visi trīs domēni tiek atdalīti, prodomēns tiek atdalīts, un atlikušās lielās un mazās apakšvienības ir saistītas, veidojot heterodimēru. Divi heterodimēri tālāk veido tetramēru, pilnīgu kaspāzi ar divām katalītiskām vietām.
Kaspāzes ir atrodamas lielākajā daļā dzīvo organismu. Zīdītājiem ir identificētas 13 kaspāzes. Daži no tiem nav iesaistīti apoptozē. Atlikušās kaspāzes, kas iesaistītas apoptozē, tiek sadalītas iniciatoros un efektoros. Iniciatorkaspāzes aktivizē efektorkaspāzes, kas savukārt provocē un ir tieši iesaistītas šūnu transformācijā. Tā rezultātā morfoloģiskās un bioķīmiskās izmaiņas izraisa šūnu nāvi apoptozes rezultātā.
Viena no galvenajām efektoru kaspāžu funkcijām ir šūnu struktūru tieša un netieša iznīcināšana. Kodolslāņa olbaltumvielas tiek hidrolizētas, tiek iznīcināts citoskelets un tiek sadalīti proteīni, kas regulē šūnu adhēziju. Vēl viena svarīga efektoru kaspāžu funkcija ir proteīnu, kas bloķē apoptozi, inaktivācija. Jo īpaši tiek sadalīts DFF inhibitors, kas novērš apoptotiskās DNāzes CAD aktivāciju. Bcl-2 saimes anti-apoptotiskie proteīni arī tiek iznīcināti. Visbeidzot, efektoru kaspāžu darbības rezultātā notiek DNS labošanā, mRNS splicēšanā un DNS replikācijā iesaistīto regulējošo un efektora domēnu disociācija.
Papildu apoptozes efektori
Papildus kaspāzēm ir arī citi apoptozes efektori. Piemēram, AIF flavoproteīns, kas izdalās no mitohondriju starpmembrānu telpas, darbojas caur kaspāzes neatkarīgu ceļu. Nokļūstot šūnas kodolā, AIF izraisa hromatīna kondensāciju un aktivizē endonukleāzes, kas ir iesaistītas DNS fragmentācijā. Pamatojoties uz eksperimentāliem datiem, tika konstatēts, ka apoptozi, kas notiek AIF klātbūtnē, kaspāzes inhibitors nenovērš. Kalpaīni, citozola Ca aktivēto cisteīna proteāžu ģimenes locekļi, arī tiek uzskatīti par apoptozes efektoriem. Viņu loma apoptozē joprojām ir slikti raksturota.
degradācijas fāze
Programmētas šūnu nāves rezultāts neatkarīgi no sākotnējās ierosinošās iedarbības ir šūnu degradācija, sadaloties atsevišķos apoptotiskos ķermeņos, ko ierobežo plazmas membrāna. Atmirušās šūnas fragmentus parasti ļoti ātri fagocitē makrofāgi vai blakus esošās šūnas, apejot iekaisuma reakcijas attīstību.
Morfoloģiskās izmaiņas
Tradicionāli mirstošas šūnas degradāciju var iedalīt trīs secīgās fāzēs: atbrīvošanās, burbuļošana un kondensācija. Lielākās daļas šūnu degradācija sākas ar pielikumu atbrīvošanu ekstracelulārā matrica un fokālās adhēzijas reorganizācija. Mirstošās šūnas iekšpusē depolimerizējas citoskeleta mikrotubulas. Intracelulārie aktīna mikrofilamenti reorganizējas ar membrānu saistītos perifēros gredzenveida saišķos. Tā rezultātā šūna iegūst noapaļotu formu. Pēc atbrīvošanas asiņošanas stadiju raksturo perifēro aktīna gredzenu kontrakcija. Kontrakciju rezultātā šūnas membrānā veidojas pietūkumi, šūna it kā “vārās”. Pūšošanas process ir nepastāvīgs un prasa liels skaits ATP. Pūšošanas fāze normālos apstākļos tiek pabeigta aptuveni stundas laikā. Rezultātā šūna sadalās mazos apoptotiskos ķermeņos vai pilnībā kondensējas, noapaļojot un samazinot izmēru.
Bioķīmiskās izmaiņas
Molekulārā līmenī viena no apoptozes sekām ir DNS fragmentācija, piedaloties nukleāzēm. Sākotnēji veidojas lieli fragmenti ar 30 000-700 000 bāzes pāriem, kas tālāk starpnukleosomālajā reģionā tiek sadalīti 180-190 bāzes pāru segmentos vai šo vērtību daudzkārtnēs. DNS fragmentācija ir raksturīga, bet ne obligāta apoptozes pazīme, jo ir novērojumi, kuros kodola fragmentācijas process noritēja bez vienlaicīgas DNS fragmentācijas.
Vēl viena nozīmīga apoptozes sekas ir specifisku molekulāro marķieru, ko atpazīst fagocītiskās šūnas, ekspresija plazmas membrānas ārējā pusē: trombospondīns; fosfatidilserīns un citi fosfolipīdi, kas satur fosfoserīnu.
Procesu, kurā šūna var nogalināt sevi, sauc par programmētu šūnu nāvi (PCD). Šim mehānismam ir vairākas šķirnes, un tam ir svarīga loma fizioloģijā. dažādi organismiīpaši daudzšūnu. Apoptoze ir visizplatītākā un labi izpētītā PCD forma.
Kas ir apoptoze
Apoptoze ir kontrolēts fizioloģisks šūnu pašiznīcināšanās process, kam raksturīga pakāpeniska tā satura iznīcināšana un sadrumstalotība, veidojot membrānas pūslīšus (apoptotiskus ķermeņus), ko pēc tam absorbē fagocīti. Šis ģenētiski iekļautais mehānisms tiek aktivizēts noteiktu iekšējo vai ārējo faktoru ietekmē.
Ar šo nāves variantu šūnu saturs nepārsniedz membrānu un neizraisa iekaisumu. Apoptozes regulēšanas traucējumi izraisa nopietnas patoloģijas, piemēram, nekontrolētu šūnu dalīšanos vai audu deģenerāciju.
Apoptoze ir tikai viens no vairākiem programmētas šūnu nāves (PCD) veidiem, tāpēc ir kļūdaini identificēt šos jēdzienus. Uz zināmas sugasšūnu pašiznīcināšanās ietver arī mitotisku katastrofu, autofagiju un ieprogrammētu nekrozi. Citi PCD mehānismi vēl nav pētīti.
Šūnu apoptozes cēloņi
Programmētas šūnu nāves mehānisma iedarbināšanas iemesls var būt gan dabiski fizioloģiski procesi, gan patoloģiskas izmaiņas, ko izraisa iekšējie defekti vai ārējo nelabvēlīgo faktoru iedarbība.
Parasti apoptoze līdzsvaro šūnu dalīšanās procesu, regulējot to skaitu un veicinot audu atjaunošanos. Šajā gadījumā HGC cēlonis ir noteikti signāli, kas ir daļa no homeostāzes kontroles sistēmas. Ar apoptozes palīdzību tiek iznīcinātas vienreizējās lietošanas šūnas vai šūnas, kas ir izpildījušas savu funkciju. Tādējādi palielinātais leikocītu, neitrofilu un citu šūnu imunitātes elementu saturs pēc infekcijas apkarošanas beigām tiek novērsts tieši apoptozes dēļ.
Ieprogrammēta nāve ir daļa no fizioloģiskā cikla reproduktīvās sistēmas. Apoptoze ir iesaistīta oģenēzes procesā, kā arī veicina olšūnas nāvi, ja nav apaugļošanas.
Rudens lapu krišana ir klasisks piemērs šūnu apoptozes iesaistīšanai veģetatīvo sistēmu dzīves ciklā. Pats termins nāk no grieķu vārda apoptoze, kas burtiski tulko kā "krišana".
Apoptozei ir liela nozīme embrioģenēzē un ontoģenēzē, kad organismā mainās audi un atrofējas atsevišķi orgāni. Piemērs ir membrānu izzušana starp dažu zīdītāju ekstremitāšu pirkstiem vai astes nāve vardes metamorfozes laikā.
Apoptozi var izraisīt defektīvu izmaiņu uzkrāšanās šūnā, ko izraisa mutācijas, novecošanās vai mitotiskas kļūdas. CHG palaišanas iemesls var būt nelabvēlīga vide (barības vielu trūkums, skābekļa deficīts) un patoloģiska ārējām ietekmēm ko mediē vīrusi, baktērijas, toksīni u.c.. Turklāt, ja bojājošais efekts ir pārāk intensīvs, tad šūnai nav laika ieviest apoptozes mehānismu un iet bojā patoloģiskā procesa attīstības rezultātā – nekroze.
Morfoloģiskās un strukturāli bioķīmiskās izmaiņas šūnā apoptozes laikā
Apoptozes procesam raksturīgs noteikts morfoloģisko izmaiņu kopums, ko ar mikroskopijas palīdzību var novērot audu preparātā in vitro.
Galvenās šūnu apoptozes pazīmes ir:
- citoskeleta pārkārtošanās;
- šūnu satura sablīvēšana;
- hromatīna kondensācija;
- kodola sadrumstalotība;
- šūnu tilpuma samazināšanās;
- membrānas kontūras krokošanās;
- vezikulu veidošanās uz šūnu virsmas,
- organellu iznīcināšana.
Dzīvniekiem šie procesi beidzas ar apoptocītu veidošanos, ko var pārņemt gan makrofāgi, gan blakus esošās audu šūnas. Augos apoptotisku ķermeņu veidošanās nenotiek, un pēc protoplasta noārdīšanās skelets paliek formā. šūnapvalki.
Papildus morfoloģiskām izmaiņām apoptozi pavada vairākas pārkārtošanās molekulārā līmenī. Palielinās lipāzes un nukleāzes aktivitātes, kas izraisa hromatīna un daudzu proteīnu sadrumstalotību. Strauji palielinās cAMP saturs, mainās šūnu membrānas struktūra. Augu šūnās tiek novērota milzu vakuolu veidošanās.
Kā apoptoze atšķiras no nekrozes?
Galvenā atšķirība starp apoptozi un nekrozi ir šūnu degradācijas cēlonis. Pirmajā gadījumā iznīcināšanas avots ir pašas šūnas molekulārie instrumenti, kas darbojas stingrā kontrolē un prasa ATP enerģijas patēriņu. Ar nekrozi ārējās kaitīgās ietekmes dēļ notiek pasīva dzīves pārtraukšana.
Apoptoze ir dabisks fizioloģisks process, kas izstrādāts tā, lai nekaitētu apkārtējām šūnām. Nekroze ir nekontrolēta patoloģiska parādība, ko izraisa kritiski ievainojumi. Tāpēc nav pārsteidzoši, ka apoptozes un nekrozes mehānisms, morfoloģija un sekas daudzējādā ziņā ir pretējas. Tomēr ir arī kopīgas iezīmes.
Bojājuma gadījumā šūnas iedarbina ieprogrammētas nāves mehānismu, tostarp, lai novērstu nekrotisko attīstību. Tomēr jaunākie pētījumi liecina, ka pastāv vēl viena nepatoloģiska nekrozes forma, ko dēvē arī par PCD.
Apoptozes bioloģiskā nozīme
Neskatoties uz to, ka apoptoze izraisa šūnu nāvi, tās loma visa organisma normālas darbības uzturēšanā ir ļoti liela. PCG mehānisma dēļ tiek veiktas šādas fizioloģiskās funkcijas:
- saglabājot līdzsvaru starp šūnu proliferāciju un nāvi;
- audu un orgānu atjaunošana;
- defektīvo un "veco" šūnu likvidēšana;
- aizsardzība pret patogēnas nekrozes attīstību;
- audu un orgānu maiņa embrioģenēzes un ontoģenēzes laikā;
- nevajadzīgu elementu noņemšana, kas pildījuši savu funkciju;
- organismam nevēlamu vai bīstamu šūnu (mutantu, audzēju, ar vīrusu inficētu) likvidēšana;
- infekcijas attīstības novēršana.
Tādējādi apoptoze ir viens no veidiem, kā uzturēt šūnu un audu homeostāzi.
Šūnu nāves stadijas
Tas, kas notiek ar šūnu apoptozes laikā, ir sarežģītas dažādu enzīmu molekulāro mijiedarbību ķēdes rezultāts. Reakcijas notiek kā kaskāde, kad daži proteīni aktivizē citus, veicinot pakāpenisku nāves scenārija attīstību. Šo procesu var iedalīt vairākos posmos:
- Indukcija.
- Proapoptotisko proteīnu aktivizēšana.
- Kaspāzes aktivizēšana.
- Šūnu organellu iznīcināšana un pārstrukturēšana.
- Apoptocītu veidošanās.
- Šūnu fragmentu sagatavošana fagocitozei.
Visu komponentu sintēze, kas nepieciešama katra posma palaišanai, ieviešanai un kontrolei, ir ģenētiski balstīta, tāpēc apoptozi sauc par ieprogrammētu šūnu nāvi. Šī procesa aktivizēšana notiek stingrā regulējošo sistēmu, tostarp dažādu PCG inhibitoru, kontrolē.
Šūnu apoptozes molekulārie mehānismi
Apoptozes attīstību nosaka divu molekulāro sistēmu apvienotā darbība: indukcijas un efektora. Pirmais bloks ir atbildīgs par kontrolētu ZGK palaišanu. Tas ietver tā sauktos nāves receptorus, Cys-Asp-proteāzes (kaspāzes), vairākus mitohondriju komponentus un proapoptotiskos proteīnus. Visus indukcijas fāzes elementus var iedalīt trigeros (piedalīties indukcijā) un modulatoros, kas nodrošina nāves signāla pārraidi.
Efektoru sistēma sastāv no molekulāriem instrumentiem, kas nodrošina šūnu komponentu degradāciju un pārkārtošanos. Pāreja starp pirmo un otro fāzi notiek proteolītiskās kaspāzes kaskādes stadijā. Pateicoties efektora bloka sastāvdaļām, apoptozes laikā notiek šūnu nāve.
Apoptozes faktori
Strukturāli morfoloģiskās un bioķīmiskās izmaiņas apoptozes laikā veic noteikts specializētu šūnu instrumentu komplekts, starp kuriem svarīgākie ir kaspāzes, nukleāzes un membrānas modifikatori.
Kaspāzes ir enzīmu grupa, kas sagriež peptīdu saites pie asparagīna atliekām, sadalot proteīnus lielos peptīdos. Pirms apoptozes sākuma tie atrodas šūnā neaktīvā stāvoklī inhibitoru dēļ. Galvenie kaspāžu mērķi ir kodolproteīni.
Nukleāzes ir atbildīgas par DNS molekulu sagriešanu. Īpaši svarīga apoptozes attīstībā ir aktīvā endonukleāze CAD, kas salauž hromatīna reģionus linkeru sekvenču reģionos. Rezultātā veidojas fragmenti, kuru garums ir 120-180 nukleotīdu pāri. Proteolītisko kaspāžu un nukleāžu kompleksais efekts noved pie kodola deformācijas un sadrumstalotības.
Šūnu membrānas modifikatori - pārkāpj bilipīda slāņa asimetriju, pārvēršot to par fagocītu šūnu mērķi.
Galvenā loma apoptozes attīstībā pieder kaspāzēm, kas pakāpeniski aktivizē visus turpmākos degradācijas un morfoloģiskās pārkārtošanās mehānismus.
Kaspāžu loma šūnu nāvē
Kaspāžu ģimene ietver 14 proteīnus. Dažas no tām nav iesaistītas apoptozē, bet pārējās ir sadalītas 2 grupās: iniciatoriskajās (2, 8, 9, 10, 12) un efektorajās (3, 6 un 7), kuras citādi sauc par otrā līmeņa kaspāzēm. Visas šīs olbaltumvielas tiek sintezētas kā prekursori - prokaspāzes, ko aktivizē proteolītiskā šķelšanās, kuras būtība ir N-gala domēna atdalīšana un atlikušās molekulas atdalīšana divās daļās, kuras pēc tam tiek saistītas dimēros un tetramēros.
Iniciatora kaspāzes ir nepieciešamas, lai aktivizētu efektoru grupu, kas uzrāda proteolītisku aktivitāti pret dažādiem vitāli svarīgiem šūnu proteīniem. Otrā līmeņa kaspāzes substrāti ietver:
- DNS labošanas enzīmi;
- p-53 proteīna inhibitors;
- poli-(ADP-ribozes) polimerāze;
- DNāzes DFF inhibitors (šī proteīna iznīcināšana izraisa CAD endonukleāzes aktivāciju) utt.
Kopējais efektoru kaspāžu mērķu skaits ietver vairāk nekā 60 proteīnu.
Iniciatora prokaspāžu aktivācijas stadijā joprojām ir iespējama šūnu apoptozes inhibīcija. Kad iedarbojas efektoru kaspāzes, process kļūst neatgriezenisks.
Apoptozes aktivizācijas ceļi
Signāla pārraidi, lai sāktu šūnu apoptozi, var veikt divos veidos: receptoru (vai ārējo) un mitohondriju. Pirmajā gadījumā process tiek aktivizēts caur specifiskiem nāves receptoriem, kas uztver ārējos signālus, kas ir TNF saimes proteīni vai Fas ligandi, kas atrodas uz T-killeru virsmas.
Receptors ietver 2 funkcionālos domēnus: transmembrānu (paredzēts, lai saistīties ar ligandu) un "nāves domēns", kas orientēts šūnas iekšpusē, kas izraisa apoptozi. Receptoru ceļa mehānisms ir balstīts uz DISC kompleksa veidošanos, kas aktivizē iniciatora kaspāzes 8 vai 10.
Montāža sākas ar nāves domēna mijiedarbību ar intracelulāriem adaptera proteīniem, kas savukārt saista iniciatora prokaspāzes. Kā daļa no kompleksa pēdējie tiek pārveidoti par funkcionāli aktīvām kaspāzēm un izraisa turpmāku apoptotisku kaskādi.
Iekšējā ceļa mehānisms ir balstīts uz proteolītiskās kaskādes aktivāciju ar specifiskiem mitohondriju proteīniem, kuru izdalīšanos kontrolē intracelulāri signāli. Organellu komponentu izdalīšanās notiek, veidojot milzīgas poras.
Īpaša loma palaišanā pieder citohromam c. Nokļūstot citoplazmā, šī elektrotransporta ķēdes sastāvdaļa saistās ar Apaf1 proteīnu (apoptotisko proteāzes aktivējošo faktoru), kas noved pie tā aktivizēšanas. Pēc tam Apaf1 saista iniciatora prokaspāzes 9, kas izraisa apoptozi ar kaskādes mehānismu.
Iekšējo ceļu kontrolē īpaša Bcl12 saimes proteīnu grupa, kas regulē mitohondriju starpmembrānu komponentu izdalīšanos citoplazmā. Ģimenē ir gan proapoptotiski, gan antiapoptotiski proteīni, kuru līdzsvars nosaka, vai process tiks uzsākts.
Viens no spēcīgajiem faktoriem, kas izraisa mitohondriju mehānisma apoptozi, ir reaktīvās skābekļa sugas. Vēl viens nozīmīgs induktors ir p53 proteīns, kas aktivizē mitohondriju ceļu DNS bojājumu klātbūtnē.
Dažreiz šūnu apoptozes izraisīšana vienlaikus apvieno divus ceļus: gan ārējos, gan iekšējos. Pēdējais parasti kalpo, lai uzlabotu receptoru aktivāciju.
apoptoze- ieprogrammēta šūnu nāve, reaģējot uz ārējiem vai iekšējiem signāliem. Apoptoze notiek normālas attīstības laikā, bet to var izraisīt vēzis, HIV, Alcheimera slimība. Izplatība dabā
Normālas organisma attīstības laikā šūnās notiek apoptoze orgāna formas vai struktūras veidošanās laikā. Piemēram, peles ekstremitātes veidošanās laikā dažās šūnās notiek apoptoze un veidojas pirksti.
Apoptoze normālas peles ekstremitāšu attīstības laikā. Šūnas, kurām tiek veikta apoptoze (pa kreisi), ir marķētas dzeltenā krāsā. Tā pati ekstremitāte (pa labi) vienu dienu vēlāk.
Interesanti, ka dažiem putniem, piemēram, pīlēm, starp kāju pirkstiem ir pinums, bet citiem putniem, piemēram, vistām, nav. Agrīnā embrioģenēzē gan cāļiem, gan pīlēm starp pirkstiem ir siksnas. Īpašais proteīns BMP4 veidojas šūnās starp pirkstiem, izraisot šo šūnu šūnu nāvi. Vēl viens BMP proteīns (gremlins) veidojas ap kāju pirkstiem abiem putniem, un tikai pīlēm veidojas arī membrānas šūnās, neļaujot tajās iedarbināt apoptozi.
Ja gremlin proteīnu pievieno vistu embriju membrānai, tad tas nenotiek apoptozē un tiek saglabāts.
Kreisajā pusē vistas pēda pēc Gremlin proteīna pievienošanas membrānai (membrāna tika saglabāta), labajā pusē kontroles eksperiments bez proteīna pievienošanas (membrāna piedzīvoja apoptozi).
Vēl viens apoptozes piemērs normālā attīstībā ir varžu kurkuļa metamorfoze. Vairogdziedzera hormona ietekmē vardes kurkuļa metamorfozes laikā tiek iedarbināta apoptoze un kurkuļa aste pazūd.
Apoptozes ceļi šūnā
Šūnā ir divi galvenie apoptozes ceļi: mitohondriju ceļš un ceļš caur apoptozes (nāves) receptoriem.
1. Apoptozes receptori- proteīnu CD95 (Apo-1 vai Fas) un TNF-R (audzēja nekrozes faktors) saimes. TNF-alfa ir ļoti citotoksiska molekula, ko izmanto kā pretvēža līdzekli. TNF-R1 receptors ir plaši izplatīts un tāpēc nevar būt selektīvs. Citiem šīs ģimenes locekļiem (ne visiem) ir šūnu nāves domēns (DD), proteīna-olbaltumvielu mijiedarbības domēns, kas saistās ar adaptera proteīnu, piemēram, FADD. Apoptotisko receptoru aktivizēšana ar ligandiem (piemēram, CD-95L un TNF-alfa) izraisa kaspāzes-8 aktivāciju, izraisot reakciju kaskādi, kas izraisa apoptozi.
2. Mitohondriju ceļš. Mitohondrijiem ir galvenā loma apoptozē, palielinot mitohondriju membrānas caurlaidību. Līdzsvars starp pro- un anti-apoptotiskiem Bcl-2 saimes locekļiem regulē proapoptotisko vielu izdalīšanos no mitohondrijiem, kas izraisa apoptozes sākšanos, piemēram, AIF, endonukleāze G, Smac/DIABLO un citohroms C. Citohroma noplūde -C no mitohondrijiem noved pie apoptosomu veidošanās citoplazmā, kas aktivizē kaspāzi-9 un izraisa šūnu nāvi.
Abi ceļi noved pie kaspāžu aktivizēšanas un reakciju kaskādes uzsākšanas, kas izraisa šūnu nāvi.
Kaspaze
Kaspaze(kaspāze) - fermenti, kas sadala olbaltumvielas pie aspartāta atlikumiem. To aktīvajās vietās ir cisteīna atliekas. Daudzas kaspāzes izoformas izraisa apoptozi. Tos var aktivizēt divos veidos: caur apoptozes receptoriem un mitohondrijiem.
Pirmā atklātā kaspāze ir Ced-3 (Cell Death-3), kas atrodama nematodē C. elegans. Ced-3 mutācija novērsa 131 šūnas nāvi normālas nematodes attīstības laikā. Ced-3 zīdītāju homologs ir interleikīna-1alfa konvertējošais enzīms (ICE) un vēlāk tika nosaukts par kaspāzes-1 inhibitoru.
Kaspāzes aktivizācijas kaskāde
Ir zināmas 14 kaspāzes, kuras iedala iniciatoros, efektoros un stimulatoros. Iniciatori (kaspāze-8 un -9) šķeļ un aktivizē kaspāzes efektorus (kaspāze-3). Efektori šķeļ dažādus proteīnus, kas izraisa šūnu nāvi. Kaspāzes aktivācija noved pie proteolītiskas reakciju kaskādes uzsākšanas, kas izraisa šūnu nāvi. Tajā pašā laikā dažas kaspāzes aktivizē citas - signāla pastiprināšanu.
Kaspāze ir tetramērs, kas sastāv no divām lielām (~ 20 kDa) un divām mazām (~ 10 kDa) apakšvienībām. Lielās un mazās apakšvienības veidojas prokaspāzes šķelšanās rezultātā. Kaspāzes satur divas QACXG aktīvās vietas. No kaspāzes var izgriezt inhibējošo domēnu (DED vai CARD).
Efektoru kaspāzes aktivizē citas kaspāzes (transaktivācija). Iniciatora kaspāzes tiek aktivizētas ar automātisko aktivizāciju, kas notiek, kad mijiedarbojas vairākas prokaspāzes (piemēram, pro-kaspāzes-8 un DISC). Apoptozes receptoram pašam nav proteāzes aktivitātes.
Kaspāzes aktivizēšana izraisa dažādas sekas:
kaspaze-9 iznīcina kodola poras, kas noved pie kaspāzes-3 un -7 iekļūšanas kodolā. Kaspaze-3 šķeļ inhibējošo ICAD apakšvienību divās vietās. CAD atbrīvošanās izraisa DNS šķelšanos starp nukleosomām.
Kaspāzes noved pie citoskeleta reorganizācijas un šūnu sadalīšanās apoptotiskos ķermeņos.
Kaspaze- cisteīna proteināžu ģimene, galvenie apoptozes efektori, šūnā pastāv kā neaktīvas proformas un zimogēni, kas tiek sadalīti aktīvās enzīmu formās, aktivizējot apoptozi.
Ligands-->nāves receptors-->kaspāzes iniciatoru aktivizēšana (kaspāzes-8, -10)-->citu kaspāžu aktivācijas kaskāde>kaspāzes-3, -6--->šūnu struktūru inaktivācija.
Šūnu struktūru iznīcināšana apoptozes laikā
Hromosomu DNS neaktīvā CAD enzīma fragmentācija kompleksā ar ICAD (CAD DNS fragmentācijas faktora inhibitors) tiek šķelta ar kaspāzi-3, atbrīvojot CAD, kas sagriež DNS ar vairākām nukleosomām.
DNS remontā iesaistīto enzīmu inaktivācija - poli(ADF-ribozes) polimerāzes enzīms jeb PARP bija pirmais proteīns, kas tika atklāts kā kaspāžu substrāts. PARP ir iesaistīts DNS atjaunošanā un katalizē (ADF-ribozes) sintēzi un noenkuro DNS virknes, laužot un mainot kodolproteīnus. PARP spēju labot DNS bojājumus novērš turpmāka PARP šķelšana ar kaspāzes-3 palīdzību.
Replikācijā iesaistīto proteīnu inaktivācija. Kaspāzes var inaktivēt DNS topoizomerāzi II, veicinot DNS degradāciju.
Strukturālo kodolproteīnu iznīcināšana. Kaspaze-6 iznīcina slāņus, iznīcinot kodolu, kas noved pie hromosomu kondensācijas.
Šūnu jutība pret stimuliem atšķiras atkarībā no pro- un anti-apoptotisko proteīnu (Bcl-2 inhibitoru proteīna) ekspresijas, stimulu smaguma pakāpes un šūnu cikla stadijas.
Šūnas sadalīšanās pūslīšos, fosfatidilserīna pāreja no citoplazmas membrānas iekšējā monoslāņa uz ārējo monoslāni, šūnu tilpuma samazināšanās, citoplazmas membrānas saburzīšanās, kodola kondensācija (apoptotiskie ķermeņi), kurus fagocitē makrofāgi. un blakus esošās šūnas.
Apoptozes ierosinātāji
ārējie signāli (nāvi izraisoša liganda saistīšanās ar receptoru uz šūnas virsmas), ātrais variants a
granzīmu B šūnās var nogādāt citotoksiskie T limfocīti, kad tie atpazīst inficētu šūnu, aktivizē kaspāzes-3, 7, 8 un 10.
šūnu stress– starojums, ķīmiskas vielas, vīrusu infekcijas, augšanas faktora deficīts, vērša stress | bcl-2 proteīnu daudzums nosaka stresa daudzumu, kas nepieciešams, lai sāktu a. Ja mitohondriji nespēj tikt galā ar O2 aktīvo formu noņemšanu, pēdējie sāk poru atvēršanos ārējā daļā. m-not un iziet citozolā proteīnam, kas ir atbildīgs par reakciju kaskādi, kas izraisa proteāžu, nukleāžu sintēzi
Mitohondrijs var būt galvenais kaspāzes kaskādes un apoptozes regulators – citohroma C izsīkums mitohondrijās var izraisīt kaspāzes 9 un pēc tam kaspāzes 3 aktivāciju. Šo efektu panāk, veidojot apoptosomu, daudzproteīnu kompleksu, kas ietver citohromu C. , Apaf-1, prokaspāze 9 un ATP
Apoptosoma
Citohroms C tiek atbrīvots no mitohondrijiem, saistoties ar citozola Apaf-1 proteīnu. Šī mijiedarbība maina Apaf-1 konformāciju, ko stabilizē ATP saistīšanās, ļaujot Apaf-1 molekulām savstarpēji saistīties 7 molekulu riteņiem līdzīgā kompleksā. Apaf-1, citohroms C un ATP - apoptosoma, kas piesaista 7 prokaspāzes-9 molekulas. Iespējamie mehānismi:
1. Apaf-1, citohroms C un pro-kaspāze-9 – komplekss var aktivizēt citozola pro-kaspāzes-9 iekļūšanu apoptosomā.
2. Divas apoptosomas mijiedarbojas viena ar otru, aktivizējot procaspase-9.
Slāpekļa oksīds NO inhibē apoptozi leikocītos, hepatocītos, trofoblastos un endotēlija šūnās. Efektu var izraisīt kaspāzes-3, -1, -8 nitrozilēšana un inaktivācija. NO mijiedarbojas ar hēma guanilāta ciklazi --> cGMP sintēze --> cGMP atkarīgās proteīnkināzes aktivācija --> anti-apoptotisko proteīnu ekspresija.
bcl-2 - olbaltumvielu saime
bcl-2 - apoptozi regulējošu proteīnu saime (bc-2, bcl-XL - anti-apoptotisks), (Bad, Bax - pro-apoptotisks) | šūnu jutība pret apoptotiskiem stimuliem var būt atkarīga no anti- un proapoptotisko bc-2 proteīnu līdzsvara | stresa proapoptotiskie bc-2 proteīni pārvietojas uz mitohu vēderplēvi, inaktivējot anti-apoptotiskās olbaltumvielas, kas izraisa poru veidošanos mitohos un citohroma c un citu proapoptotisko molekulu izdalīšanos no intermensal pr-va -- > veidojas apoptosoma --> kaspāzes kaskādes aktivācija.
Bcl-2 proapoptotiskie locekļi palielina mitohondriju membrānas caurlaidību, kas noved pie proapoptotisko proteīnu iekļūšanas citoplazmā. Anti-apoptotiskie ģimenes locekļi - samazina caurlaidību.
Bcl-2 ir sadalīts trīs apakšgrupās.
Bcl-2 apakšgrupā ietilpst Bcl-2, Bcl-xL un Bcl-w, kas ir anti-apoptotiski.
Bax apakšģimenē ietilpst Bax, Bak un BAD, kas ir proapoptotiski proteīni. To sekvences ir homologas Bcl-2 apakšģimenes reģioniem BH1, BH2 un BH3, bet ne BH4 reģionam.
BH3 ir apakšsaima ar vienu locekli Bid, kurā tikai BH3 reģions ir homologs. Bid nav arī transmembrānas domēna.
Ir vairāki modeļi, kā Bcl-2 var regulēt mitohondriju membrānas caurlaidību.
Bcl-2 ģimenes locekļi spēj veidot homo- un heterodimērus. Heterodimerizācija starp Bcl-2 pro- un anti-apoptotiskiem locekļiem inhibē pro-apoptotisko proteīnu.
Bcl-2 proteīni spēj arī veidot jonu kanālus (Bcl-xL, Bcl-2 un Bax).
Saskaņā ar citu mehānismu Bcl-2 veido poras mitohondriju membrānā, kas veic nespecifisku mazu molekulu transportēšanu, kas mazākas par 1,5 kDa, kas traucē ATP sintēzi un izraisa šūnu nāvi. Arī citohroms C un AIF var iekļūt citoplazmā un veidot apoptosomu. Bakss un Baks - izraisa citohroma-C un AIF izdalīšanos no mitohondrijiem.
Saīsinājumi.
DD — nāves domēns
Kaspāzes – (cisteinilaspartātam specifiskas proteāzes)
ICE – interleicīnu konvertējošais enzīms