Молекулярные механизмы апоптоза

Генетическая программа уничтожения клеточного генома при апоптозе инициируется специфическими молекулярными сигналами. Связывание их поверхностными рецепторами вызывает перестройки наружной и внутренних мембран клетки, а также активацию ферментов, расщепляющих белки хроматина и ДНК. В результате хроматин распадается на отдельные нуклеосомы и формирует плотные скопления на внутренней поверхности нуклеолеммы. Наступающая позднее пермеабилизация ПМ обеспечивает выход в среду фрагментов ядерной ДНК и гибель клетки.

Сложную цепь биохимических процессов при апоптозе можно разделить на ранние события, связанные с рецепцией специфического молекулярного сигнала, и более поздние, которые приводят к деградации хроматина и гибели клетки. Молекулярные механизмы ранних событий можно обозначить как пусковые, а механизмы поздних – как эффекторные процессы.

Пусковые процессы

В пусковых процессах апоптоза участвуют:

· внеклеточные молекулярные сигналы – триггеры и их рецепторы;

· внутриклеточные модификаторы действия триггеров – сенсоры;

· внутриклеточные пути передачи сигнала.

3.1.1. Триггер-рецепторные комплексы

Наиболее изученным примером триггер-рецепторного комплекса, который обеспечивает запуск апоптоза во многих клеточных линиях, является пара молекул лиганд Fas -рецептор Fas (или CD 95).

Лиганд Fas экспрессируется главным образом на активированных
Т-лимфоцитах. Он имеет молекулярную массу 46 кД, но в мембране находится в виде ди- или тримера, причем его С -конец обращен во внеклеточное пространство. В отличие от лиганда, рецептор Fas экспрессируется на многих типах клеток. Его молекулярная масса составляет 36 кД. На цитоплазматической стороне рецептора имеется участок из 70 аминокислот, который критичен для передачи сигнала внутрь клетки и называется «домен смерти».

Другими примерами триггер-рецепторных комплексов могут служить фактор некроза опухолей-a (TNF -a) и его рецептор TNFR 1, фактор роста нервов и его рецептор NGFR, рецептор CD 45 и его лиганд. Все они содержат «домен смерти» и участвуют в запуске апоптоза у различных типов клеток. Помимо этого, апоптоз индуцируется с помощью гормонов, а также моноклональных антител к поверхностным рецепторам для интерлейкина-2, g-интерферона и других физиологически активных молекул. Некоторые клетки подвергаются апоптозу при воздействии гидроксимочевины, ионизирующей радиации или ультрафиолетового света. У предшественников клеток крови, напротив, он запускается спонтанно при дефиците факторов роста.

В некоторых случаях эти эффекты связаны с воздействием на промежуточные компоненты комплекса Fas. Например, антитела против Fas, перекрестно сшивая молекулы рецептора, вызывают апоптоз без триггера (т. е. лиганда Fas). Для других индукторов участие триггер-рецепторных комплексов не столь очевидно. Например, специфический блокатор топоизомеразы II этопозид вызывает апоптоз, нарушая суперспирализацию ДНК и ее взаимодействие с ламинами. При этом образуются только крупные фрагменты ДНК величиной более 50 килобаз.

Сенсоры

Сенсорами в молекулярном механизме апоптоза называют внутриклеточные молекулы, которые модифицируют действие триггеров в зависимости от состояния клетки. Самым известным из сенсоров является белок р 53, подавляющий развитие опухолей. Он обладает способностью узнавать специфические последовательности ДНК и регулировать транскрипцию ряда генов, участвующих в пролиферации и апоптозе. Содержание р 53 в клетке увеличивается при облучении ее ионизирующей радиацией или обработке веществами, повреждающими ДНК. Повышение уровня р 53, в свою очередь, вызывает задержку клетки в G ₁-фазе клеточного цикла, усиление репарации ДНК и снижение порога чувствительности к триггерам апоптоза. Белок р 53 образно называют «хранителем генома», так как он не только сигнализирует о повреждениях ДНК, но и участвует в их репарации. Если исправить ДНК не удается и повышенный уровень р 53 сохраняется при переходе клетки в S -фазе, вместо репликации ДНК запускается программа самоуничтожения генетически дефектной клетки.

На роль сенсора претендуют и другие регуляторы клеточного цикла, в том числе продукт протоонкогена c - myc, высокий уровень которого в контрольной точке G ₁/ S при дефиците факторов роста индуцирует апоптоз.

Передача сигнала в клетке

Триггер-рецепторные комплексы Fas и TNF -a способны активировать сфингомиелиназу, которая расщепляет содержащийся в ПМ сфингомиелин на фосфохолин и церамид. В частности, при обработке клеток TNF -a или антителами к Fas, увеличение концентрации церамида регистрировалось к концу первой минуты после начала опыта. Установлено также, что синтетические церамиды индуцируют апоптоз различных типов клеток. Таким образом, церамид может играть роль вторичного посредника для апоптоза, запуская каскад катаболических реакций внутри клетки.

С другой стороны, при индукции апоптоза гормонами и антигенами могут быть, вероятно, использованы уже известные пути передачи сигнала. Например, при апоптозе, запускаемом глюкокортикоидами, участвует система аденилатциклаза-цАМФ, а гибель лимфоцитов может быть вызвана связыванием антигена с комплексом Т-клеточный рецептор- CD 3, при котором активируются протеинкиназы и повышается концентрация ионов кальция.

Таким образом, в отношении путей внутриклеточной передачи сигналов при апоптозе существуют две точки зрения. Согласно первой апоптоз имеет собственный путь передачи с церамидом в качестве вторичного посредника. Противоположная точка зрения состоит в том, что при апоптозе задействованы пути передачи сигналов, регулирующие пролиферацию и дифференцировку. Возможно также, что эти варианты не являются альтернативными, поскольку используются клетками с различной специализацией.

Эффекторные процессы

Эффекторные процессы апоптоза обеспечивают фрагментацию ДНК в клеточном ядре и конденсацию цитоплазмы. При этом в большинстве случаев изменения в клеточном ядре опережают изменения в цитоплазме. Более того, морфологические признаки апоптоза можно наблюдать в клетках, ядра которых удалены при обработке цитохалазином. Таким образом, характерные для апоптоза изменения ядра и цитоплазмы обладают определенной автономностью.