Апоптоз, либо запрограммированная погибель клеточки, представляет собой процесс, средством которого внутренние либо наружные причины, активируя генетическую программку, приводят к смерти клеточки и ее действенному удалению из ткани. Апоптоз — это механизм смерти клеток, который имеет ряд биохимических и морфологических различий от некроза.
Апоптоз — это биохимически специфичный класс смерти клеточки, который характеризуется активацией нелизосомных эндогенных эндонуклеаз, которые расщепляют ядерную ДНК на мелкие куски. Морфологически апоптоз проявляется смертью единичных, хаотично расположенных клеток, что сопровождается формированием круглых, окруженных мембраной телец («апоптотические тельца»), которые здесь же фагоцитируются окружающими клеточками.
Это энергозависимый процесс, средством которого удаляются ненужные и дефектные клеточки организма. Он играет огромную роль в морфогенезе и является механизмом неизменного контроля размеров органов. При понижении апоптоза происходит скопление клеток, пример — опухолевый рост. При увеличении апоптоза наблюдается прогрессивное уменьшение количества клеток в ткани, пример — атрофия.
Морфологические проявления апоптоза
Апоптоз имеет свои отличительные морфологические признаки, как на светооптическом, так и на ультраструктурном уровне. При расцветке гематоксилином и эозином апоптоз определяется в единичных клеточках либо маленьких группах клеток. Апоптотические клеточки смотрятся как округленные либо округлые скопления активно эозинофильной цитоплазмы с плотными кусками ядерного хроматина. Так как сжатие клеточки и формирование апоптотических телец происходит стремительно и также стремительно они фагоцитируются, распадаются либо выбрасываются в просвет органа, то на гистологических продуктах он находится в случаях его значимой выраженности. К тому же апоптоз — в отличие от некроза — никогда не сопровождается воспалительной реакцией, что также затрудняет его гистологическое выявление.
Более верно морфологические признаки выявляются при электрической микроскопии. Для клеточки, подвергающейся апоптозу типично:
1. Сжатие клеточки. Клеточка миниатюризируется в размерах; цитоплазма уплотняется; органеллы, которые смотрятся относительно нормальными, размещаются компактней.
Подразумевается, что нарушение формы и объема клеточки происходит в итоге активации в апоптотических клеточках трансглютаминазы. Этот фермент вызывает прогрессивное образование перекрестных связей в цитоплазматических белках, что приводит к формированию специфичной оболочки под клеточной мембраной, подобно ороговевающим клеточкам эпителия.
2. Конденсация хроматина. Это более свойственное проявление апоптоза. Хроматин конденсируется по периферии, под мембраной ядра, при всем этом образуются верно очерченные плотные массы различной формы и размеров. Ядро же может разрываться на два либо немного фрагментов.
Механизм конденсации хроматина исследован довольно отлично. Он обоснован расщеплением ядерной ДНК в местах, связывающих отдельные нуклеосомы, что приводит к развитию огромного количества фрагментов, в каких число пар оснований делится на 180-200. При электрофорезе куски предоставляют соответствующую картину лестницы. Эта картина отличается от такой при некрозе клеток, где длина фрагментов ДНК варьирует. Фрагментация ДНК в нуклеосомах происходит под действием кальций чувствительной эндонуклеазы. Эндонуклеаза в неких клеточках находится повсевременно (к примеру, в тимоцитах), где она активизируется возникновением в цитоплазме свободного кальция, а в других клеточках синтезируется до апоптоза. Но еще не установлено, каким образом после расщепления ДНК эндонуклеазой происходит конденсация хроматина.
3. Формирование в цитоплазме полостей и апоптотических телец. В апоптотической клеточке сначало формируются глубочайшие впячивания поверхности с образованием полостей, что приводит к фрагментации клеточки и формированию окруженных мембраной апоптотических телец, состоящих из цитоплазмы и плотно расположенных органелл, с либо в отсутствие фрагментов ядра.
Фагоцитоз апоптотических клеток либо телец осуществляется окружающими бодрствующими клеточками, либо паренхиматозными, либо макрофагами. Апоптотические тельца стремительно разрушаются в лизосомах, а окружающие клеточки или мигрируют, или делятся, чтоб заполнить освободившееся после смерти клеточки место.
Фагоцитоз апоптотических телец макрофагами либо другими клеточками активизируется сенсорами на этих клеточках: они захватывают и поглощают апоптотические клеточки. Один из подобных рецепторов на макрофагах — сенсор витронектина, который является ß3-интегрином и активирует фагоцитоз апоптотических нейтрофилов.
Апоптоз учавствует в последующих физиологических и патологических процессах:
1. Запрограммированном разрушении клеток во время эмбриогенеза (включая имплантацию, органогенез). Невзирая на то, что при эмбриогенезе апоптоз не всегда является отражением «запрограммированной погибели клетки», это определение апоптоза обширно употребляют разные исследователи.
2. Гормон-зависимой инволюции органов у взрослых, к примеру, отторжение эндометрия во время менструального цикла, атрезии фолликулов в яичниках в менопаузе и регрессия молочной железы после прекращения лактации.
3. Удалении неких клеток при пролиферации клеточной популяции.
4. Смерти отдельных клеток в опухолях, в главном при ее регрессии, однако также и в интенсивно возрастающей опухоли.
5. Смерти клеток иммунной системы, как В-, так и Т-лимфоцитов, после истощения припасов цитокинов, также смерти аутореактивных Т-клеток при развитии в тимусе.
6. Патологической атрофии гормон-зависимых органов, к примеру, атрофии предстательной железы после кастрации и истощении лимфоцитов в тимусе при терапии глюкокортикоидами.
7. Патологической атрофии паренхиматозных органов после обтурации выводных протоков, что наблюдается в поджелудочной и слюнных железах, почках.
8. Смерти клеток, вызванных действием цитотоксических Т-клеток, к примеру, при отторжении трансплантата и заболевания «трансплантат против хозяина».
9. Повреждении клеток при неких вирусных заболеваниях, к примеру, при вирусном гепатите, когда куски апоптотических клеток обнаруживаются в печени, как тельца Каунсильмана.
10. Смерти клеток при действии разных повреждающих причин, которые способны вызвать некроз, однако действующих в маленьких дозах, к примеру, при действии высочайшей температуры, ионизирующего излучения, противоопухолевых препаратов.
Регуляция апоптоза
Апоптоз это на генном уровне контролируемая погибель клеточки. В текущее время выявлено огромное число генов, которые кодируют вещества, нужные для регуляции апоптоза. Многие из этих генов сохранились в процессе эволюции — от круглых червяков до насекомых и млекопитающих. Некие из их обнаруживаются также в геноме вирусов. Следовательно, главные биохимические процессы апоптоза в различных экспериментальных системах (исследования ведутся на круглых червяках и мухах) являются схожими, потому результаты исследовательских работ есть возможность прямо переносить на другие системы (к примеру, человеческий организм).
Апоптоз может регулироваться:
Воздействие наружных причин. Апоптоз может регулироваться действием многих наружных причин, которые ведут к повреждению ДНК. При невосстановимом повреждении ДНК методом апоптоза происходит элиминация потенциально небезопасных для организма клеток. В данном процессе огромную роль играет ген супрессии опухолей р53. К активации апоптоза также приводят вирусные инфекции, нарушение регуляции клеточного роста, повреждение клеточки и утрата контакта с окружающими либо главным веществом ткани. Апоптоз — это защита организма от персистенции покоробленных клеток, которые возможно окажутся потенциально небезопасными для многоклеточного организма.
При стимуляции тканей любым митогеном ее клеточки перебегают в состояние завышенной митотической активности, которая непременно сопровождается некой активацией апоптоза. Судьба дочерних клеток (выживут они либо подвергнутся апоптозу) находится в зависимости от соотношения активаторов и ингибиторов апоптоза:
ингибиторы включают причины роста, клеточный матрикс, половые стероиды, некие вирусные белки;
активаторы включают недочет причин роста, утрату связи с матриксом, глюкокортикоиды, некие вирусы, свободные радикалы, ионизирующую радиацию.
При воздействии активаторов либо отсутствии ингибиторов происходит активация эндогенных протеаз и эндонуклеаз. Это приводит к разрушению цитоскелета, фрагментации ДНК и нарушению функционирования митохондрий. Клеточка сморщивается, однако клеточная мембрана остается интактной, но повреждение ее приводит к активации фагоцитоза. Погибшие клеточки распадаются на маленькие, окруженные мембраной, куски, которые обозначаются как апоптотические тельца. Воспалительная реакция на апоптотические клеточки не появляется.
Автономный механизм апоптоза. При развитии зародыша различают три категории автономного апоптоза: морфогенетический, гистогенетический и филогенетический.
Морфогенетический апоптоз участвует в разрушении разных тканевых зачатков. Примерами являются:
Нарушение морфогенетического апоптоза в этих 3-х локализациях приводят к развитию синдактилии, расщеплению твердого неба и spina bifida соответственно.
Гистогенетический апоптоз наблюдается при дифференцировке тканей и органов, что наблюдается, к примеру, при гормональнозависимой дифференцировке половых органов из тканевых зачатков. Так, у парней клеточками Сертоли в яйцах плода синтезируется гормон, который вызывает регрессию протоков Мюллера (из которых у женщин формируются маточные трубы, матка и высшая часть влагалища) методом апоптоза.
Филогенетический апоптоз участвует в удалении рудиментарных структур у зародыша, к примеру, пронефроса.
При разных состояниях может наблюдаться как ускорение, так и замедление апоптоза. Невзирая на то, что апоптоз могут активировать разные причины, соответствующие для определенных типов клеток, но конечный путь апоптоза регулируется точно установленными генами и является общим, независимо от предпосылки активации апоптоза.
Все причины, усиливающие либо ослабляющие апоптоз, могут действовать прямо на механизм смерти клеточки, опосредованно, методом воздействия на регуляцию транскрипции.
В неких случаях воздействие этих причин на апоптоз является решающим (к примеру, при глюкокортикоид-зависимом апоптозе тимоцитов), а в других не имеет особенной значимости (к примеру, при Fas- и TNF-зависимом апоптозе). В процессе регуляции учавствует огромное количество веществ. Более изученными из их являются вещества из семейства bcl-2.
Bcl-2 ген в первый раз был описан как ген, который транслоцируется в клеточках фолликулярной лимфомы и ингибирует апоптоз. При последующих исследовательских работах оказалось, что Bcl-2 является мультигеном, который находится даже у круглых червяков. Гомологичные гены были также обнаружены в неких вирусах. Все вещества, относящиеся к данному классу делятся на активаторы и ингибиторы апоптоза.
К ингибиторам относятся: bcl-2, bcl-xL, Mcl-1, bcl-w, аденовирусный E1B 19K, Эпштейн-Барр-вирусный BHRF1. К активаторам относятся bax, bak, Nbk/Bik1, Bad, bcl-xS.
Члены этого семейства ведут взаимодействие вместе. Одним из уровней регуляции апоптоза является взаимодействие белок-белок. Белки семейства bcl-2 сформировывают как гомо- так и гетеродимеры. К примеру, bcl-2-ингибиторы могут образовать димеры bcl-2-активаторами. Следовательно, жизнеспособность клеток находится в зависимости от соотношения активаторов и ингибиторов апоптоза. К примеру, bcl-2 ведет взаимодействие с bax; при доминировании первого жизнеспособность клеточки увеличивается, при излишке второго — миниатюризируется. К тому же белки семейства bcl-2 могут вести взаимодействие с белками, не относящимися к этой системе. К примеру, bcl-2 может объединятся с R-ras, который активирует апоптоз. Иной белок, Bag-1, увеличивает способность bcl-2 ингибировать апоптоз.
В текущее время принято считать, что гены, участвующие в регуляции роста и развития опухолей (онкогены и гены-супрессоры опухолей), играют регулирующую роль в индукции апоптоза. К ним относятся:
Понижение апоптоза
Продукт р53 гена смотрит за целостностью генома при митозе. При нарушении целостности генома клеточка переключается на апоптоз. Напротив, белок bcl-2 ингибирует апоптоз. Следовательно, недочет р53 либо излишек bcl-2 приводит к скоплению клеток: эти нарушения наблюдаются в разных опухолях. Исследование причин регулирующих апоптоз имеет принципиальное значение в разработке фармацевтических препаратов, усиливающих смерть клеток злокачественных новообразований.
Аутоиммунные заболевания могут отражать нарушения в индукции апоптоза лимфоидных клеток, способных реагировать с своими антигенами. К примеру, при системной красноватой волчанке наблюдается нарушение Fas-рецепторов на клеточной поверхности лимфоцитов, что ведет к активации апоптоза. Некие вирусы увеличивают свою выживаемость методом ингибирования апоптоза инфицированных клеток, к примеру, вирус Эпштейна-Барра может повлиять на обмен bcl-2.
Ускорение апоптоза
Ускорение апоптоза подтверждено при синдроме обретенного иммунодефицита (СПИД), нейротрофических заболеваниях и неких заболеваниях крови, при которых наблюдается недостаток каких-то форменных частей. При СПИДе вирус иммунодефицита может активировать CD4 сенсор на неинфицированных Т-лимфоцитах, ускоряя, следовательно, апоптоз, что приводит к истощению клеток данного класса.
Значение апоптоза в развитии организма и патологических процессах
Апоптоз играет важную роль в развитии млекопитающих и в разных патологических процессах. Функционирование bcl-2 требуется для поддержания жизнеспособности лимфоцитов, меланоцитов, эпителия кишечного тракта и клеток почек во время развития зародыша. bcl-x нужен для ингибирования погибели клеток в эмбриогенезе, отдельно в нервной системе. Bax нужен для апоптоза тимоцитов и поддержания жизнеспособности сперматозоидов во время их развития. р53 является геном супрессии опухолей, потому в эмбриогенезе особенной роли не играет, однако непременно нужен для супрессии опухолевого роста. Мыши, у каких отсутствовали оба р53 гена, проявляли очень высшую склонность к развитию злокачественных опухолей в итоге полного либо частичного нарушения апоптоза предопухолевых клеток. Усиленный синтез белка, кодируемого bcl-2 геном, приводит к угнетению апоптоза и, соответственно, развитию опухолей; данный парадокс найден в клеточках В-клеточной фолликулярной лимфомы.
При лимфопролиферативных заболеваниях и похожей на системную красноватую волчанку заболевания у мышей наблюдается нарушение функции Fas-лиганда либо Fas-рецептора. Завышенный синтез Fas-лиганда может предупреждать отторжение трансплантата. Апоптоз является частью патологического процесса при инфицировании клеточки аденовирусами, бакуловирусами, ВИЧ и вирусами гриппа. Ингибирование апоптоза наблюдается при персистировании инфекции, в латентном периоде, а при усиленной репликации аденовирусов, бакуловирусов, может быть герпесвирусов, вируса Эпштейн-Барра и ВИЧ наблюдается активация апоптоза, что содействует широкому распространению вируса. При нейродистрофических заболеваниях отмечается нарушение функции гена (iap-гена), схожего с ингибитором апоптоза бакуловирусов.
Первоисточники: