АПОПТОЗ – АБОРТИВНОЕ ДЕЛЕНИЕ КЛЕТКИ

Бережков Н.В.

Организм взрослого человека в среднем состоит из 10¹³ клеток, миллионы из которых ежесекундно делятся и умирают. Эти явления, начиная с первых стадий эмбриогенеза и до конечных этапов онтогенеза, составляют основу жизни любого многоклеточного организма. Нарушение баланса между погибшими и функционирующими клетками (существующими и вновь воспроизведенными) является базисом самых различных патологий включающих такие глобальные и противоположные по сути процессы как старение и опухолевый рост.
В основе замещения погибших клеток лежит их регенерация, постоянно протекающая в обычных условиях (физиологическая регенерация) и усиливающаяся при экстремальных состояниях (репаративная регенерация), требующих повышенного функционирования. Регенерация изначально начинается внутриклеточно на молекулярном уровне организации в виде биосинтеза составных элементов клетки (митохондрий, рибосом, эндоплазматического ретикулума и т.п.). Это ведет не только к замещению уже изношенных частей клетки (собственно регенерация), но и к их гиперплазии.
Последнее в теории внутриклеточной регенерации [22] считается особенно важным, поскольку она является материальной базой для деления клетки в делящихся клеточных популяциях или только к гипертрофии – в неделящихся, усиленное функционирование которых необходимо в данный момент.
Гибель клеток осуществляется по двум глубоко различным механизмам. Одним из них является некроз, который известен давно и ранее только им объяснялся механизм гибели клеток. Некрозу патогенетически предшествует дистрофия, сопровождающаяся прогрессирующим снижением функции ферментных систем клетки с аутолизом в финале на основе дезорганизации мембран. Некроз по своей сути является проявлением пассивной или насильственной смерти клетки.

В 1972 г. J.F.R.Kerr, A.H.Wyllie и A.R.Currie[14] разработали новую концепцию клеточной гибели принципиально отличающуюся от некроза по функциональному значению. Апоптоз, которым был назван этот тип гибели, имеет свои специфические морфологические и биохимические признаки.
Из этих двух вариантов клеточной гибели сейчас заслуженно больший интерес ученых привлечен к апоптозу, потому что это управляемое и активное саморазрушение клетки. Апоптоз также – это всегда программируемый процесс деструкции и поэтому большинство авторов считают его синонимом термина «запрограммированная клеточная гибель» [12]. Вместе с тем, имеется точка зрения, что апоптоз – это только часть случаев из более широкого явления «запрограммированной клеточной гибели», которая описывается при развитии организмов ( в частности у насекомых) и в опухолях человека (рак молочной железы). В этих примерах авторы кроме апоптоза выделяют «неапоптотичесский» вариант «запрограммированной клеточной гибели»
[1,7].
С одной стороны апоптоз это, несомненно, компенсаторно-приспособительный процесс в нормальных и патологических условиях направленный на поддержание определенного количества клеток в популяциях. Следовательно, невозможность совершения его по тем или иным причинам является важным патогенетическим звеном, в первую очередь при онкологических заболеваниях. Вместе с тем, сверхнеобходимость или избыточность совершения апоптозов может являться самостоятельным центральным патогенным фактором в развитии другого ряда заболеваний, среди которых находятся, прежде всего, аутоиммунные и иммунодефицитные состояния. Приводятся доказательства, что гибель нейронов ЦНС при так называемых “медленных инфекциях” прионовой этиологии и ряда нейродегенеративных заболеваний происходит также по механизму апоптоза. Делаются попытки найти апоптозы элементов сердечной мышцы и ее проводящей системы при заболеваниях сердца ишемического характера[9,11,21]. Таким образом, понимание механизма апоптоза может дать инструменты для воздействия на самые различные патологические процессы, но, прежде всего как ожидается - в онкологии. На сайте Национальной Медицинской Библиотеки в Интернете программа поиска по ключевому слову “апоптоз” выдает список научных работ состоящий из более 39 тысяч публикаций, и эта база данных постоянно пополняется быстрыми темпами. Среди них встречаются обзорные статьи и дискуссии о механизмах и роли апоптоза. Вместе с тем, отсутствует понимание этого явления в тесной связи с регенерацией. Этому посвящена данная статья, где более подробно, чем ранее с учетом нового фактического материала отражается представление автора о природе этого фундаментального процесса.

Перед раскрытием темы нельзя не остановится на новой методике выявления апоптоза. Морфологически апоптоз достаточно заметен в делящихся клеточных популяциях при рутинной световой и электронной микроскопии, но для выявления апоптоза в необновляющихся клетках, на ранних стадиях и для морфометрии желательно дополнительно контрастировать его. В настоящем чаще всего встречается иммуногистохимическая методика, основанная на маркировании фрагментированных участков ДНК при апоптозе с помощью терминальной трансферазы (в литературе аббревиатура – TUNEL, означающая terminal deoxynucleotidyl transferase-mediated dUTP-biotin nick end labeling), которая обладает спопсобностью инкорпорировать меченые нуклеотиды в места разрыва цепи ДНК. Вместо трансферазы при варианте этого метода может использоваться ДНК-полимераза (в литературе аббревиатура – ISEL, означающая in situ end labeling), но которая, как считается, являются менее специфичной для маркировки разрывов [15,21]. В тоже время, как известно, некроз клетки сопровождается также разрывами ДНК. Специфика апоптоза заключается в том, что разрезанные нуклеазами межнуклеосомные фрагменты ДНК носят правильный упорядоченный характер, что отражается на хроматограмме, а при микроскопии видны характерные скопления хроматина у кариолеммы. В отличие от апоптоза фрагментация ДНК при некрозе имеет хаотический неупорядоченный характер, хотя гистохимически концевые отделы ДНК могут, очевидно, также при этом маркироваться указанными способами. Учитывая, что разрывы ДНК неспецифичны для апоптоза, то к данным, полученным с помощью этого метода, нужно относиться весьма критично и есть работы, свидетельствующие об этом. Так при изучении морфологии маркированных терминальной трансферазой миокардиоцитов в зоне инфаркта миокарда и нейронов ЦНС у старых собак найдено, что TUNEL-позитивные клетки при детальном изучении на элеткронномикроскопическом уровне оказывались колликвационными некрозами. В первом случае авторы измененные клетки называют “онкотическими”, во втором – “аутолитическими” [6, 18].

Все многообразие факторов, сопровождающих возникновение апоптоза, для удобства восприятия можно разделить во–первых на естественные состояния, в которых апоптоз протекает как нормальное явление; во-вторых на экспериментальные воздействия и патологические процессы, где уже апоптозы в числе значительно превышают свое нормальное присутствие. В-третьих, отдельно представляется целесообразным выделить общие условия, которые должны быть соблюдены для совершения апоптоза независимо от причин вызывающего его. Именно последние играют главную роль в возможности реализации программы смерти. К ним относятся синтетические процессы в результате активации определенных генов типа ced-3, локализация в регенераторно активных зонах, определенное неслучайное время появления апоптозов после воздействия, которое должно иметь обязательно сублетальный характер. Если это так, то апоптоз является полиэтиологическим, но моногенетическим по механизму процессом (Рис.1).

Ниже будут приведены преимущественно те фактические данные, которые прямо или косвенно свидетельствуют о присутствии и связи апоптотической гибели в процессах регенерации.
С помощью световой микроскопии было показано, что апоптозы располагаются в пролиферативно активных (регенераторных) зонах, где присутствуют наименее дифференцированные для тканеспецифических функций клетки: в кишечнике – в криптах рядом со стволовыми элементами, в плоском эпителии – в базальном слое, в яичках в - сперматогонии, в лимфоузлах – в герминогенных центрах, в опухолях – рядом с капиллярами, в печени - в 1-х зонах печеночных ацинусов [4,2,19].

Регенерацию (физиологическую и репаративную) удобно разбирать на примере печени с различными функциональными нагрузками – наиболее изученном органе при этом процессе. Одим из индукторов репаративной регенерации является кровопотеря (постгеморрагическая анемия), которой стимулируется процесс восстановления не только поврежденной паренхимы, но и потерянных белков плазмы крови. При этом в печени найдено, что апоптотические гепатоциты имеют морфогенетическую связь с “темными” гепатоцитами, которые выявляют все морфологические признаки функциональной активности; апоптозы гепатоцитов после кровопотери отмечаются преимущественно через 10 – 24 ч в стадию устойчивой компенсации (по Селье), характеризующуюся усилением синтеза РНК, ДНК, митотической активностью. Напротив, в 3-ей зоне печеночного ацинуса, имеющей сниженные возможности регенерации в силу особенностей кровоснабжения, на поздних этапах старения (30 -, 38-мес крысы) в обычных условиях (контроль) и при постгеморрагической анемии в ближайшем периоде после воздействия (до 2,5 ч) у молодых животных (8-,10-мес крысы) появляются колликвационные некрозы [3]. Эти данные справедливы и для частичной гепатэктомии (классической модели репаративной регенерации), после которой было обнаружено совпадения по времени процесса синтеза ДНК с волной апоптозов через 60 – 96 часов после воздействия [20].
Регенерация печени в патологических условиях цирроза приводит к формированию ложных долек, где наблюдается большое количество телец Каунсильмена – апоптотически измененных гепатоцитов.

Близким к регенерации является процесс роста и развития организма, который в основе отличается от нее тем, что синтезируются структуры и клетки не для замены изношенных частей, а происходит новое форомообразование. При этом апоптоз был выявлен на разных этапах онтогенеза у многоклеточных организмов начиная от кишечно-полостных и плоских червей до млекопитающих. Особенно много работ посвящено запрограммированной клеточной смерти и также апоптозу в период пренатального онтогенеза в связи с обилием апоптотических событий в этот период, характеризующийся выраженной клеточной пролиферацией, связанной с ростом организма. В частности большое количество апоптозов зарегистрировано в нервной системе, в том числе в нейронах головного мозга эмбрионов. Явления апоптоза также изучалось и в позднем онтогенезе. При этом найдено относительное увеличение апоптотических гепатоцитов у 24-месячных крыс по сравнению с 8-месячными животными. В тоже время в печени 30-месячных и особенно 38-месячных крыс, характеризующейся снижением регенерации, апоптозы не наблюдались, а наоборот появлялись моноцеллюлярные колликвационные некрозы[3]. Аналогичные данные получены при изучении морфологии старения нейронов у людей и собак [6 ].
Спекулируя данными об увеличении апоптозов в раннем и начальном периоде позднего онтогенеза, можно рассуждать, что скорее всего в результате активной клеточной гибели нейрорецепторных клеток гипоталамуса (центрального звена нейро-гуморальной регуляции) с последующим соответственным повышением порога чувствительности к тем или иным гормонам в механизме обратной связи, происходит реализация генетической программы развития организма. Старение, по мнению автора, – процесс не запрограммированный, а плавно трансформирующийся из развития и, следовательно, учитывая вышесказанное, старение также напрямую должно быть связано с апоптозами нейронов регуляторных центров гипоталамуса.

Опухолевый рост, который как бы напоминает искаженную репаративную регенерацию, происходящую «не в нужное время и не в нужном месте», также привлек наше внимание в рамках выбранной темы. В опухолях имеющих разную степень дифференцировки имеется и разная апоптотическмя активность. По наблюдениям автора дифференцированные аденокарциномы желудка и кишечника, а также эндометриальные аденокарциномы, как правило, имеют большее число апоптозов по сравнению с недифференцированными или диффузными раками (РИС ), что находят также и дугие исследователи[23]. При этом аденокарциномы имеют также большую и митотическую активность, чем недиференцированные опухоли, что соответствует логике апоптозообразования. Здесь кроме того удается выявить морфогенетическую связь неправильных митозов в виде хромосом с участками полностью конденсированного хроматина и апоптотически измененных клеток. Из этого можно сделать вывод, что злокачественность опухоли определяется не только митотической активностью, а и не в меньшей степени - совершением в ней апоптозов. Достаточное число последних в высокодифференцированных аденокарциномах желудка и кишечника может определять с одной стороны относительно низкую степень их злокачественности, а с другой – создавать вид органного подобия таких раков путем самодеструкции опухолевых элементов.

Заслуживает внимание явление лимфоцит-ассоциированного апоптоза, наблюдаемого при взаимодействии Т-клеток и больших гранулосодержащих лимфоцитов (Pit-клеток с NK-активностью) с клетками-мишенями. Обладая стимулирующим пролиферацию влиянием, лимфоциты вызывают усиление внутриклеточной регенерации в клетке-мишени, что в комбинации с блоком деления ведет к апоптозу. В опухолях, где апоптотическая способность перерожденных клеток снижается, лимфоциты оказывают преимущественно пролиферативный эффект т.е. стимулируют рост опухоли[5].

Наиболее новые морфологические и молекулярно-биологические сведения об апоптозе достаточно полно представлены в обзорных работах [12,21]. Ниже будут рассмотрены лишь те данные в апоптозообразовании, которые могут наблюдаться также и при митотическом делении клеток в процессах пролиферации и синтеза (регенерации), вызванными самыми различными факторами.
Апоптоз регулируется группой генов, которые в тоже время участвуют в нормальной пролиферации и дифференцировке клеток. К ним относятся клеточные онкогены: c-fos, c-myc, c-bcl-2. Но для того чтобы произошел апоптоз при их экспрессии, должен одновременно активизироваться антионкоген p53. В клетках нематоды Caenorhabditis elegans выделена группа генов (названная – апоптосомом), состоящая из ced–3, ced-4, ced-9 с аналогами у млекопитающих соотвественно - caspase-9, apaf-1, bcl-2/xL, которые в этом тройном составе участвуют при аутодеструкции клеток. Вместе с тем, активация только одного гена ced-9 или bcl-2 – вызывает пролиферацию клеток без их самодеструкции[8].

Апоптоз в определенных условиях вызывается факторами роста, которые одновременно являются пролиферагенами. Индуктором апоптоза являются глюкокортикоиды, которые в свою очередь вызывают синтез белка. Глюкокортикоиды перестраивают хроматин в нуклеазочувствительную конформацию.Одновременно с этим происходит poly(ADP-rybosyl)ation – модификационная реакция, направленная на репарацию молекулы ДНК. Такая ситуация может быть лишь при эухроматинизации (максимальной деконденсации хроматина, видимой при электронной микроскопии), что обеспечивает доступ протеаз к линкерным участкам молекулы и благодаря этому происходит правильное интернуклеосомное расщепление ДНК. Во время апоптоза в опухолевых клетках происходит транскрипционная активация длинных повторяющихся последовательностей элементов ДНК. При апоптозе 70% расщепленной ДНК составляют транскрипционно активные рибосомальные гены. Апоптозу сопутствует увеличение РНК-полимеразы II и предшествует интенсификация синтеза белка, ДНК и РНК. Апоптоз предотвращается ингибиторами синтеза белка, но может также ими вызываться.

Используются технологии uCoz

Continuing