Механизмы реализации путей гибели клетки

Митохондрии. Митохондрии участвуют в реализации стрессовых программ, приводящих к клеточной гибели, несколькими способами, которые, видимо, сочетаются. Как клеточная энергостанция они управляют выбором в пользу АТР-зависимых или независимых летальных программ. Очевидно, что сохранение определенного уровня «энергоносителя» - АТР, является необходимым условием реализации апоптотических программ. Ингибиторы дыхания во многих моделях индуцируют некроз. Ротенон - ингибитор комплекса 1, в отсутствие глюкозы стимулировал некроз клеток. Следует отметить, что такая гибель не блокировалась анпюксидантами. Ингибитор комплекса IП, антимицин А, с увеличением концентрации в среде сдвигал апоптоз в сторону некроза. С катастрофическим расходованием АТР связываются многие модели РАRР-зависимого апоптоза и некроза.

Следует подчеркнуть, что само по себе падение содержания АТР в екоторых линиях клеток даже в 20 раз, вызванное, например, гипоксией и голоданием, не оказывает значимого влияния на их выживаемость. Но при дополнительных стрессовых воздействиях, например, гипертермии, инициируется их массовая гибель. Но если производство АТР еще поддерживается на уровне, достаточном для активации каспаз в клетках, исполняющих суицидную программу, то существуют дополнительные механизмы, инициирующие некротическую форму гибели. В ряде суицидных программ, помимо недостатка АТР, в роли сигнала к некрозу могут выступать побочные продукты митохондриального дыхания, в частности, выделяемые первыми звеньями митохондриальной цепи передачи электрона, активные формы кислорода продукция которых как в апоптотических так и

Некротических программах зависит от активности пентозофосфатного шунта и его ключевого фермента трансальдолазы.

Таким образом, митохондрии являются не только мишенью для различных танатогенных, медиаторов, но и могут служить источником трех, относительно независимых летальных сигналов, инициирующих aпоптотический или некротический исход, падение содержания АТР, продукцию АФК и АФА и выделение танатогенных белков.

Продукты протоонкогенов и стресс-регулируемые белки. Продукты гена bcl-2 и его аналогов представляют собой обширную группу белков, играющих важнейшую роль в чувствительности клеток к стрессовым и летальным сигналам. Антиапоптотические белки семейства bcl-2 способны во многих случаях ингибировать как апоптотическую, так и некротическую программы клеточной деструкции, вызываемые цитокинами, Са²⁺- ионофором, канцерогеном и УФ, удалением Mg^2+.

Сложный механизм поддержания баланса между некротическим и апоптотическим ответом клеток отражает взаимоотношения между проапоптотическими и антиапоптотическими белками bcl-2 семейства. Антинекротический эффект хронической гипергликемии также включает в себя механизм экспрессии Bcl-2 и инактивации путем фосфорилирования проапоптогенного белка Bad. Избыточная экспрессия Вах стимулирует апоптотическую программу, но коэкспрессия Bcl-XL переключает ее на некротическую. Важно что резистентность клеток к стрессу эти белки могут определять эпигенетически, изменяя под действием микроокружения состав олигомерных комплексов или конформацию. Роль катаболических и инициаторных протеаз в Вах-индуцируемом некрозе могут выполнять не только цистеиновые, но и сериновые протеазы.

Как и для апоптоза открыт ген, вызывающий некротическую форму гибели эк прессирующих его клеток. Пронекротические функции у белка BNIP3 (индуктор апоптоза без функционального домена ВИЗ из семейства Всl-2) в трансфецированных этим геном клетках выражались в появлении ранней проницаемости у плазматической мембраны, вакуолизации цитоплазмы и аутофагии митохондрий. Морфологические изменения сопровождались открытием пор в мембране митохондрий, падением Д ш _М и увеличением продукции АФК. Один из механизмов защиты состоит в поддержании АТР-зависимых механизмов выживания клетки и/или ингибировании других катаболических ферментов, _- например, сериновых протеаз. В целом, как исполняющие механизмы клеточной гибели (проапоптотические члены Всl-2-семейства), так и ингибирующие (антиапоптотические члены Всl-2-семейства) имеют много общего и для апоптотической и для некротической форм деструкции клеток.

Белки-ингибиторы апоптоза (LAP), по-видимому, не принимают участия в регуляции некротической программы. В выборе суицидной реакции участвуют и другие продукты протоонкогенов. Экспрессия мутантного АТМ-белка переключала на некроз гибель трансфецированных клеток при воздействии ИР, что, вероятно, было связано с подавлением антиaпоптотической системы.

Многочисленные данные свидетельствуют об участии в летальных программах белков теплового шока (Hsp). Их экспрессией объясняются механизмы предохранения клеток от некроза, вызываемого гипертермией, ишемией и окислительным стрессом.

Защитный эффект предварительного умеренного нагревания проявляется, главным образом, при экспрессии шаперонов до инициации некротической программы. Так, умеренное нагревание предотвращало гибель от некроза гладкомышечных клеток сосудов, вызываемого острым тепловым шоком, но не от апоптоза.

Механизмы некроза и роль в программируемой клеточной реакции на стресс

С неотъемлемой от повреждения структуры ДНК активацией РARP обычно связывают катастрофическое исчерпание субстрата полимеразы NAD+ и соответственно АТР, что, в принципе, должно приводить к АТФ-независимым процессам гидролиза клетки, т.е. к некрозу. Однако существование некротических программ, не укладывающееся в эту схему, а также программ, не зависимых от PARP, может свидетельствовать о существовании других ролей РARP в механизмах выживания и гибели.

Важными рецепторами стрессового воздействия, приводящего к некротической элиминации «нежелательной» клетки, являются ионные каналы как для Са²⁺, так и для одновалентных ионов. Определяющую роль в их реакции на стрессовый «сигнал» может играть NO* через активацию cGMP. Начинает выясняться, что общим для стресс-сигналов от многих видов сенсоров, например, суперсемейства ТNF-рецепторов, ДНК, является церамид. При этом без его участия в переносе летального сигнала, некротическая программа не реализуется.

Включение МАР-киназ ERK, р38 может быть общей стадией и для апоптотической и для некротической программ. Ингибирование ERK достоверно подавляло только апоптоз, индуцированный цитокинами.

Едва обозримое число свидетельств об эффективности антиоксидантов в блокировании клеточного некроза свидетельствует о важной роли в управлении летальными программами редокс-зависимых сигнальных путей и митохондрий как продуцентов АФК и АФА. Кроме того, митохондрии являются субъектом важнейших систем клеточного выживания, в частности Bcl-2. Уровень экспрессии членов этого семейства, их активности, определяемой микроокружением, является фактором устойчивости, переносимости стресс-стимула и выбора летальной программы.

Последним этапом суицидной деструкции клеток является активация гидролаз типа каспаз, кальпаинов и сериновых протеаз. Очевидно, что эти протеазы также участвуют в модуляции сигнальных путей и деятельности митохондрий. Но их роль в некрозоподобных программах гибели, в активации нуклеаз, липаз и деструкции цитоскелета и плазматической мембраны только начинает выясняться.

Таким образом, компоненты биохимического аппарата и их регуляция имеют много общего в программах элиминации «нежелательных клеток», осуществляемых с сохранением целостности плазматической мембраны (апоптоз), и при ее повреждении (некроз).

Практически это означает наличие возможностей управления феноменом некроза в целях коррекции патофизиологических последствий реализации программы этого типа клеточной гибели. Теоретически появляется необходимость включения некротической программы в общую концепцию ПКГ. Существенным элементом этой схемы может быть так называемая «митотическая» гибель или отсроченная от интерфазы на одно или несколько делений гибель митотически активных клеток, подвергнутых стрессу. Об этом свидетельствуют данные о существенной корреляции между числом некрозов и параметрами, характеризующими гибель делящихся клеток (число микроядерных клеток, выживаемость).

Сигналом, включающим суицидную деструкцию аберрантных клеток в некротической форме и тем самым предотвращение их экспансии в организме, может быть накопление церамида в ходе клеточных делений.

Таким образом, стрессовый стимул (не только патофизиологический, но и тот, который индуцирует некроз в норме) инициирует адаптивные программы, которые в обратимой фазе могут закончиться переходом клетки в покой, пролиферацию или дифференцировку.

Механизм элиминации «нежеланной» клетки в целостном организме имеет принципиальное значение и в клеточном обновлении, и для патофизиологических последствий.

Либо деструкция погибающей клетки может осуществиться посредством «апоптотически» регулируемого фагоцитоза, или другим способом, позволяющим исключить воспалительный взрыв, либо в результате некротической секреции внутриклеточного содержимого, стимулирующей воспалительную реакцию окружения.

В такой ответ включаются различные виды окружающих клеток в зависимости от инициирующих белковых сигналов, выделяющихся из погибающей клетки. Среди них калретикулин, hsp90, hsp70, hsplO и др. Поступая во внеклеточное пространство, эти белки стимулируют активацию антиген-представляющих клеток (АПК); в том числе дендритных клеток. Сравнение апоптотических и некротических клеток по их способности стимулировать АПК показывает, что макрофаги, поглотившие последние, значительно более эффективны в активации Т-ответа. Апоптотические клетки при этом инициировали в АПК секрецию ингибирующих Т-ответ цитокинов.

Эволюционно альтернативная программа клеточной элиминации могла быть закреплена тем, что в случае опасных для организма физиологических ситуаций (инфекция, травма) требуется стимул, продуцируемый именно некрозом для быстрой мобилизации защиты организма: дендритных клеток, моноцитов и нейтрофилов. Конечно, такой ответ может переходить в стадию, характеризующуюся самоподдерживающимся цепным процессом воспаления. При этом ключевая роль митохондрий в клеточном некрозе отражается в тесной связи между митохондриальной дисфункцией и воспалительной реакцией.

Приведенные выше данные указывают на активный и программируемый характер некротической формы гибели в организме. Таким образом:

* Некротическая гибель, характеризующаяся нарушением целостности плазматической мембраны и истечением внутриклеточного содержимого, является так же, как и апоптоз, одной из форм программируемой клеточной гибели.

* Некротическая программа может реализовываться в клетках при наличии интактных механизмов апоптотической деструкции.

* Эпигенетический механизм некротической гибели клеток во многих случаях обусловлен главным образом дезорганизацией митохондрий и соответствующим недостатком АТР, необходимого для функционирования энергозависимых процессов транскрипции и трансляции.

* Вероятно, некротическая форма элиминации «нежелательных» клеток является «последним рубежом» на пути экспансии инфицированных или аберрантных клеток в организме.

* Хрупкий баланс между апоптозом и некрозом клеток в различных тканях организма - это баланс между здоровьем и болезнью. Нарушения этого баланса могут быть причиной развития характерных для старения нейродегенеративных и онкологических заболеваний, а также патофизиологических процессов.

Размещено на Allbest.ru