Что такое апоптоз?
Апоптоз — это АТФ-зависимая, ферментно-опосредованная, генетически запрограммированная гибель клеток, которые больше не нужны или представляют угрозу для организма. Апоптоз возникает, когда цитоскелет (протеазами) и ДНК (эндонуклеазами) разрушается. Оба опосредуются каспазами.
Анатомическая патология
Умирающие клетки подвергаются усадке из-за нарушения клеточного цитоскелета клетки, в основном вызываемого каспазами. Клетки становятся глубоко эозинофильными. Клетка отодвигается от своих соседей с потерей контакта между клетками. Ядро умирающей клетки становится глубоко базофильным.
Отличительным признаком апоптоза является пикноз, при котором ядерный хроматин конденсируется с образованием одной или нескольких темных масс на фоне ядерной оболочки. Происходит растворение ядерной мембраны, и эндонуклеаза разрезает ДНК на короткие фрагменты, равномерно распределенные по размеру (кариорексис). Затем эта конденсированная цитоплазма и ядро распадаются на фрагменты, называемые апоптотическими тельцами, которые отделяются от клетки, как листья, падающие с деревьев. Затем макрофаги удаляют эти апоптотические тела в процессе, называемом эффероцитозом. Клеточная мембрана остается неповрежденной без воспаления, в отличие от некроза, при котором набухание клеток и воспаление являются обычными явлениями. Апоптозные клетки быстро удаляются макрофагами, при этом в окружающих тканях практически не возникает воспаления.
Биохимическая и генетическая патология
Как описано выше, когда клетка получает сигналы стресса от других клеток, в игру вступает внешний путь.
— ПУТЬ TNF.
TNF-альфа представляет собой цитокин, продуцируемый макрофагами, и является основным внешним медиатором апоптоза. Фактор некроза опухоли (TNF-альфа) связывается со своим рецептором TNFR1, что приводит к активации каспаз.
— Fas PATH.
Рецептор Fas представляет собой трансмембранный белок семейства TNF, который связывает лиганд Fas (FasL). Это взаимодействие между рецептором Fas и Fas L приводит к активации каспазы.
Например, апоптоз удаляет активированные Т-лимфоциты после того, как инфекция исчезла. Т-клетки продуцируют поверхностный рецептор FAS. Продукция FAS увеличивается во время инфекции, и через несколько дней активированные Т-лимфоциты начинают вырабатывать лиганд FAS. Связывание FAS с лигандом FAS на одной или разных клетках запускает апоптоз через активацию каспаз.
— Генетическая регуляция митохондриального апоптоза и роль цитохрома С.
Когда клетка подвергается стрессу изнутри, вступает в игру роль белков семейства Bcl-2, которые регулируют проницаемость митохондрий в ответ на апоптотические сигналы.
— Семейство генов Bcl-2.
Расположенные на 18 хромосоме, эти гены являются антиапоптотическими, поскольку они продуцируют белок Bcl-2. Bcl-2 связывается и ингибирует APAF-1, тем самым предотвращая высвобождение цитохрома c из митохондрий. Цитохром c присутствует между внутренней и внешней мембранами митохондрий. После высвобождения он связывается с APAF-1 и активирует прокаспазу 9.
— Ген-супрессор TP53.
Этот ген кодирует белок, который регулирует клеточный цикл и вызывает подавление опухоли. Если ДНК повреждена, например, ионизирующим излучением, химиотерапевтическими агентами или гипоксией, TP53 останавливает клетку в фазе G1 клеточного цикла и предотвращает пролиферацию клеток с поврежденной ДНК и восстановление ДНК. Но если повреждение ДНК слишком велико, это будет способствовать апоптозу, активируя гены апоптоза BAX. Продукты генов BAX инактивируют антиапоптозный ген BCL 2.
Механизмы
Во всех нормальных тканях многоклеточных организмов пролиферация и гибель клеток сбалансированы. Эта нормальная гибель клеток, жизненно важная для нормального развития и здоровья клеток, называется апоптозом и включает следующие пути. Все пути включают активацию каспаз в качестве последнего инструмента.
— Внутренний путь (митохондриальный путь).
Он активируется, когда клетка подвергается стрессу изнутри из-за множества факторов, таких как повреждение ДНК в результате воздействия рентгеновских лучей или УФ-излучения; химиотерапевтических средств; гипоксии; накопления неправильно свернутых белков внутри клетки, как, например, при болезни Альцгеймера, болезни Паркинсона или болезни Гентингтона; и многом другом. Когда клетка подвергается стрессу, происходит утечка цитохрома с из межмембранного пространства митохондрий в цитозоль, что приводит к активации каспаз 9. Гены семейства Bcl-2 и TP53 регулируют этот путь.
— Внешний путь.
Этот путь запускается, когда клетка получает сигналы смерти от другой клетки (клеток). Внешний путь связан с рецептором, и лиганды других клеток связываются с этими рецепторами смерти на поверхности клетки, что приводит к активации апоптоза. Это включает следующие рецепторы клеточной поверхности и соответствующие лиганды, что в конечном итоге приводит к активации каспазы 8:
- Рецептор Fas (CD95), активируемый FasL (лиганд Fas);
- TNFR, активируемый цитокином TNF.
— Цитотоксический CD8+ Т-клеточный опосредованный путь.
CD8 + Т-клетки секретируют перфорины, которые создают дыры в клетках-мишенях. Затем CD8 + Т-клетки секретируют гранзимы, которые проникают в клетки-мишени через эти отверстия и активируют каспазы.
— Каспасы.
Каспазы — это группа ферментов, имеющих протеазную природу. Они являются первичными эффекторами апоптотического ответа. Они делятся на следующие 2 типа:
Инициатор каспаз.
Инициаторные каспазы — это 2,8.9.10,11,12, а эффекторные каспазы — это каспазы 3,6,7. Каспазы существуют в клетке в неактивной форме и требуют протеолитического расщепления до активной формы.
Эффекторные каспазы.
Активированные инициаторные каспазы вызывают активацию эффекторных каспаз. Эти активные эффекторные каспазы вызывают расщепление нескольких белков в клетке, что приводит к гибели клетки и, в конечном итоге, к фагоцитозу и удалению клеточного дебриса.
Из всех каспаз наиболее часто активируется каспаза 3, которая катализирует расщепление основных клеточных белков и конденсацию хроматина. Каспаза также активирует ферменты ДНКазы, которые вызывают фрагментацию ДНК с последующей межнуклеосомной фрагментацией.
Клинико-патологические корреляции
— Во время эмбриогенеза (для нормального развития).
Формирование пальцев во время эмбриогенеза у плода происходит путем апоптоза межпальцевых тканей.
Потеря Мюллериановых структур у плода мужского пола под действием ингибирующего фактора Мюллера, синтезируемого клетками Сертоли.
— Во время менструального цикла.
Отслаивание внутренней оболочки матки (эндометрия) после отмены эстрогена и прогестерона в менструальном цикле.
— Апоптоз нужен для уничтожения опасных клеток (для благополучия организма).
- Клетки, инфицированные вирусом: цитотоксические Т-клетки убивают инфицированные вирусом клетки путем апоптоза.
- Клетки с повреждением ДНК: клетки, ДНК которых повреждена радиационным воздействием или химиотерапевтическими агентами, задерживаются в фазе G1 клеточного цикла для восстановления путем активации p53. P53 — ген-супрессор опухоли. Мутация P53 подавляет апоптоз, что приводит к выживанию аномальных клеток и развитию карцином.
- Аутореактивные Т-клетки: аутореактивные Т-клетки в тимусе погибают в результате апоптоза.
— Апоптоз необходим для здоровой иммунной системы.
Апоптоз необходим для развития и поддержания здоровой иммунной системы. Когда B- и T-лимфоциты впервые образуются, их проверяют, чтобы увидеть, реагируют ли они на какие-либо из собственных компонентов организма. Клетки, которые реагируют, погибают в результате апоптоза. Если эти клетки не удалить, в организм могут попасть самореактивные клетки, которые могут атаковать ткани и вызвать аутоиммунные состояния.
Апоптоз необходим для отключения иммунной системы после того, как возбудитель болезни будет выведен из организма; например, удаление острых воспалительных клеток, таких как нейтрофилы, из участков заживления.
Кроме того, разрушение В- и Т-лимфоцитов кортикостероидами происходит путем апоптоза.
— Удаление неправильно свернутых белков.
Это происходит путем апоптоза; например, амилоид, белки при заболеваниях, связанных с прионами.
Клиническое значение
Слишком слабый или слишком сильный апоптоз может иметь серьезные клинические последствия, например, следующее:
— Опухолеобразование.
Уменьшение апоптоза приводит к увеличению выживаемости клеток, что приводит к развитию рака.
- При фолликулярной лимфоме происходит транслокация гена BCL 2 с хромосомы 18 на хромосому 14. Это приводит к чрезмерной транскрипции повышенных уровней BCL 2, что вызывает чрезмерное ингибирование APAF-1 и, таким образом, инактивацию каспаз и апоптоза, что приводит к фолликулярной лимфоме.
- Мутация или делеция генов p53 резко увеличивает шансы развития опухоли, поскольку клетки с поврежденной ДНК будут продолжать бесконтрольно делиться. Химические вещества, радиация и вирусы могут повредить P53. Больные с синдромом Ли-Фраумени имеют только одну функциональную копию p53, поэтому у них с большей вероятностью разовьется опухоль в раннем взрослом возрасте.
— Аутоиммунные заболевания.
Снижение апоптоза аутореактивных иммунных клеток может привести к развитию аутоиммунных заболеваний, таких как ревматоидный артрит, системная красная волчанка (СКВ), аутоиммунный лимфопролиферативный синдром и другие.
— Нейродегенеративные заболевания.
Гибель клеток также вовлечена во многие нейродегенеративные расстройства. И некроз, и апоптоз возникают при остром неврологическом заболевании, таком как острый ишемический синдром. При хронических нейродегенеративных расстройствах гибель нейрональных клеток в основном из-за апоптоза связана с такими заболеваниями, как болезнь Паркинсона, болезнь Альцгеймера и болезнь Гентингтона.
— Инфаркт миокарда.
Некроз долгое время считался единственной причиной инфаркта миокарда, но недавние исследования показали, что апоптоз также возникает в основном во время фазы реперфузии после острого инфаркта, что приводит к дальнейшему повреждению миокарда.
