Генетическая регуляция пролиферации клеток. Механизмы клеточного деления
Пролиферативные процессы при остром воспалении начинаются вскоре после воздействия флогогенного фактора на ткань и более выражены по периферии зоны воспаления. Одним из условий оптимального течения пролифрации является затухание процессов альтерации и экссудации.
Пролиферация
Фагоциты также продуцируют и выделяют в межклеточную жидкость ряд БАВ, регулирующих развитие либо иммунитета, либо аллергии, либо состояния толерантности. Таким образом, воспаление непосредственно связано с формированием иммунитета или иммунопатологических реакций в организме.
Пролиферация - компонент воспалительного процесса и завершающая его стадия - характеризуется увеличением числа стромальных и, как правило, паренхиматозных клеток, а также образованием межклеточного вещества в очаге воспаления, Эти процессы направлены на регенерацию альтерированных и/или замещение разрушенных тканевых элементов. Существенное значение на этой стадии воспаления имеют различные БАВ, в особенности стимулирующие пролиферацию клеток (митогены).
Формы и степень пролиферации органоспецифических клеток различны и определяются характером клеточных популяций (см. статью «Популяция клеток» в приложении «Справочник терминов»).
У части органов и тканей (например, печени, кожи, ЖКТ, дыхательных путей) клетки обладают высокой пролиферативной способностью, достаточной для ликвидации дефекта структур в очаге воспаления.
У других органов и тканей эта способность весьма ограничена (например, у тканей сухожилий, хрящей, связок, почек и др.).
У ряда органов и тканей паренхиматозные клетки практически не обладают пролиферативной активностью (например, миоциты сердечной мышц, нейроны). В связи с этим при завершении воспалительного процесса в тканях миокарда и нервной системы на месте очага воспаления пролиферируют клетки стромы, в основном фибробласты, которые образуют и неклеточные структуры. В результате этого формируется соединительнотканный рубец. Вместе с тем известно, что паренхиматозные клетки указанных тканей обладают высокой способностью к гипертрофии и гиперплазии субклеточных структур.
Активация пролиферативных процессов коррелирует с образованием БАВ, обладающих антивоспалительным эффектом (своеобразных противовоспалительных медиаторов). К числу наиболее действенных среди них относятся:
Ингибиторы гидролаз, в частности протеаз (например, антитрипсина), ‑микроглобулина, плазмина или факторов комплемента;
Антиоксиданты (например, церулоплазмин, гаптоглобин, пероксидазы, СОД);
Полиамины (например, путресцин, спермин, кадаверин);
Глюкокортикоиды;
Гепарин (подавляющий адгезию и агрегацию лейкоцитов, активность кининов, биогенных аминов, факторов комплемента).
Замещение погибших и повреждённых при воспалении тканевых элементов отмечается после деструкции и элиминации их (этот процесс получил название раневого очищения).
Реакции пролиферации как стромальных, так и паренхиматозных клеток регулируется различными факторами. К числу наиболее значимых среди них относят:
Многие медиаторы воспаления (например, ФНО, подавляющий пролиферацию; лейкотриены, кинины, биогенные амины, стимулирующие деление клеток).
Специфические продукты метаболизма лейкоцитов (например, монокины, лимфокины, ИЛ, факторы роста), а также тромбоцитов, способные активировать пролиферацию клеток.
Низкомолекулярные пептиды, высвобождающиеся при деструкции тканей, полиамины (путресцин, спермидин, спермин), а также продукты распада нуклеиновых кислот, активирующие размножение клеток.
Гормоны (СТГ, инсулин, T 4 , кортикоиды, глюкагон), многие из них способные как активировать, так и подавлять пролиферацию в зависимости от их концентрации, активности, синергических и антагонистических взаимодействий; например, глюкокортикоиды в низких дозах тормозят, а минералокортикоиды - активируют реакции регенерации.
На процессы пролиферации оказывает влияние и ряд других факторов, например, ферменты (коллагеназа, гиалуронидаза), ионы, нейромедиаторы и другие.
. Глава II
Репродукция клеток. Проблемы клеточной пролиферации в медицине.
2.1. Жизненный цикл клетки.
Клеточная теория гласит, что клетки появляются от клеток путем деления исходной. Это положение исключает образование клеток из неклеточного вещества. Делению клеток предшествует редупликация их хромосомного аппарата , синтез ДНК как в эукариотических, так и в прокариотических организмах.
Время существования клетки от деления до деления называется клеточным или жизненным циклом. Величина его значительно варьирует: для бактерий это 20-30 минут, для туфельки 1-2 раза в сутки, для амебы около 1,5 суток. Клетки многоклеточных обладают также разной способностью к делению. В раннем эмбриогенезе они делятся часто, а во взрослом организме большей частью утрачивают эту способность, так как становятся специализированными. Но даже в организме, достигшем полного развития, многие клетки должны делиться, чтобы замещать изношенные клетки, которые постоянно слущиваются и, наконец, нужны новые клетки для заживления ран.
Следовательно, у некоторых популяций клеток деления должны происходить в течение всей жизни. Учитывая это, все клетки можно разделить на три категории:
1. К моменту рождения ребенка нервные клетки достигают высокоспециализированного состояния, утрачивая способность к размножению, В процессе онтогенеза количество их непрерывно уменьшается. Это обстоятельство имеет и одну хорошую сторону; если бы нервные клетки делились, то высшие нервные функции (память, мышление) нарушились бы.
2. Другая категория клеток тоже высокоспециализированная, но в силу их постоянного слущивания замещаются новыми и эту функцию выполняют клетки этой же линии, но еще не специализированные и не утратившие способность делиться. Эти клетки называют обновляющимися. Примером являются постоянно обновляющиеся клетки кишечного эпителия, кроветворные клетки. Даже клетки костной ткани способны образовываться из неспециализированных (это можно наблюдать при репаративной регенерации костных переломов). Популяции неспециализированных клеток, сохраняющие способность к делению называются, как правило, стволовыми.
3. Третья категория клеток - исключение, когда высокоспециализированные клетки при определенных условиях могут вступить в митотический цикл. Речь идет о клетках, отличающихся большой продолжительностью жизни и где после полного завершения роста деление клеток происходит редко. Примером являются гепатоциты. Но если у экспериментального животного удалить 2/3 печени, то менее чем за две недели она восстанавливается до прежних размеров. Такими же являются и клетки желез , вырабатывающих гормоны: в нормальных условиях лишь немногие из них способны воспроизводиться, а при измененных условиях большинство из них могут начать делиться.
Клеточный цикл означает многократное повторение последовательных событий, занимающих определённый отрезок времени. Обычно циклические процессы графически изображают в виде окружностей.
Клеточный цикл делится на две части: митоз и промежуток между окончанием одного митоза и началом следующего - интерфаза. Метод авторадиографии позволил установить, что и интерфазе клетка не только выполняет свои специализированные функции, но и синтезирует ДНК. Этот период интерфазы назвали синтетическим (S). Он начинается спустя примерно 8 часов после митоза и завершается через 7-8 часов. Промежуток между S-периодом и митозом назвали пресинтетическим (G1 - 4 часа) после синтетического, перед собственно митозом - постсинтетическнм (G2). происходящим примерно в течение часа.
Таким образом, в клеточном цикле стали различают четыре стадии; митоз, G1-период, S -период, G2- период.
Установление факта удвоения в интерфазе ДНК, означает, что во время ее клетка не может выполнять специализированные функции, она занята построением клеточных структур, синтезом строительных материалов, обеспечивающих рост дочерних клеток, накоплением энергии, затраченной во время собственно митоза, синтезированием специфических ферментов для репликации ДНК. Поэтому интерфазные клетки для выполнения своих предначертанных генетической программой функций (стать высокоспециализированными) должны на время или навсегда выйти из цикла в период G0, или остаться в продленном G1 (существенных различий в состоянии клеток периодов G0 и G1 не отмечено, так как из G0 можно вернуть клетки в цикл). Следует отметить особо, что у многоклеточных зрелых организмов заведомо большая часть клеток находится в G0-периоде.
Как уже говорилось, увеличение числа клеток идет только за счет деления исходной клетки, чему предшествует фаза точного воспроизведения генетического материала, молекул ДНК, хромосом.
Митотическое деление включает в себя новые состояния клеток: интерфазные, деконденсированные и уже редуплицированные хромосомы переходят в компактную форму митотических хромосом, образуется ахроматиновый митотический аппарат, участвующий в переносе хромосом, хромосомы расходятся к противоположным полюсам и происходит цитокинез. Процесс непрямого деления принято подразделять на следующие основные фазы: профаза, метафаза, анафаза и телофаза. Деление условное, так как митоз представляет непрерывный процесс и смена фаз происходит постепенно. Единственная фаза, имеющая реальное начало - анафаза , в которой
начинается расхождение хромосом. Длительность отдельных фаз различна (в среднем профаза и телофаза - 30-40", анафаза и метафаза - 7-15"). К началу митоза клетка человека содержит 46 хромосом, каждая из которых состоит из 2-х идентичных половинок - хроматид (хроматиду еще называют S-хромосомой, а хромосому, состоящую из 2-х хроматид - d-хромосомой).
Одно из самых замечательных явлений, наблюдаемых в митозе, это образование веретена деления. Оно обеспечивает выстраивание d-хромосом в одной плоскости, в середине клетки и передвижение S-хромосом к полюсам. Веретено деления образуется центриолями клеточного центра. Микротрубочки образуются в цитоплазме из белка тубулина.
В G1-периоде каждая клетка содержит по две центриоли, ко времени перехода в G2 - период возле каждой центриоли образуется дочерняя центриоль и всего их формируется две пары.
В профазе одна пара центриолей начинает перемещаться к одному полюсу, другая к другому.
Между парами центриолей навстречу друг другу начинает формироваться набор межполюсных и хромосомных микротрубочек.
Ядерная оболочка в конце профазы распадается, ядрышко прекращает свое существование, хромосомы (d) спирализуются, веретено деления перемещается в середину клетки и d-хромосомы оказываются в промежутках между микротрубочками веретена.
D-хромосомы в течение профазы проходят путь конденсации от нитевидных структур до палочковидных. Укорочение и утолщение (d-хромосом продолжается и некоторое время в метафазе, в результате чего метофазные d-хромосомы обладают достаточной плотностью. В хромосомах четко видна центромера, разделяющая их на равные или неравные плечи, состоящие из 2-х примыкающие друг к другу S-хромосом (хроматид). В начале анафазы S-хромосомы (хроматиды) начинают перемещаться от экваториальной плоскости к полюсам. Начинается анафаза с расщепления центромерной области каждой из хромосом, в результате чего две S-хромосомы каждой d-хромосомы полностью отделяются одна от другой. Благодаря этому каждая дочерняя клетка получает по идентичному набору из 46-ти S-хромосом. После разделения центромер одна половина из 92-х S-хромосом начинает двигаться к одному полюсу, другая половина к другому.
До сегодняшнего дня точно не установлено, под действием каких сил осуществляется передвижение хромосом к полюсам. Есть несколько версий:
1. В веретене деления есть актиносодержащиеся нити (а также другие мышечные белки), возможно, что сила эта генерируется так же как в мышечных клетках.
2. Движение хромосом обусловлено скольжением хромосомных микротрубочек по непрерывным (межполюсным) микротрубочкам с противоположной полярностью (Мак-Итош, 1969, Марголис, 1978).
3. Скорость передвижения хромосом регулируют кинетохорные микротрубочки, чтобы обеспечить упорядоченное расхождение хроматид. Скорее всего, все перечисленные механизмы осуществления математически точного распределения наследственного вещества по дочерним клеткам кооперируются.
К концу анафазы и к началу телофазы в середине вытянувшейся клетки начинается образование перетяжки, она образует так называемую борозду дробления, которая углубляясь, делит клетку на две дочерние. В образовании борозды принимают участие актиновые нити. Но мере углубления борозды клетки связаны между собой пучком микротрубочек, называемым срединным тельцем, остаток его некоторое время присутствует и в интерфазе. Параллельно цитокинезу , у каждого полюса происходит деспирализация хромосом в обратном порядке от хромосомного до нуклеосомного уровня. Наконец, наследственное вещество принимает вид глыбок хроматина, либо плотно упакованных, либо деконденсированных. Вновь формируется ядрышко, ядерная оболочка, окружающая хроматин и кариоплазма. Таким образом, в результате митотического деления клеток, вновь образованные дочерние между собой идентичные и являются копией материнской клетки, что важно для последующего роста, развития и дифференцировки клеток, тканей.
2.2. Механизм регуляции митотической активности
Поддержание числа клеток на определенном, постоянном уровне обеспечивает в целом гомеостаз. Например, число эритроцитов и лейкоцитов в здоровом организме относительно стабильно, несмотря на то, что эти клетки отмирают, происходит их постоянное пополнение. Следовательно, скорость образования новых клеток должна регулироваться, с тем чтобы она соответствовала скорости их гибели.
Для поддержания гомеостаза необходимо, чтобы число различных специализированных клеток в организме и те функции, которые они должны выполнять, находились под контролем различных регуляторных механизмов, поддерживающих все это в стабильном состоянии.
Во многих случаях клеткам подается сигнал о том, что они должны повысить свою функциональную активность, а для этого может понадобиться увеличение числа клеток. Например, если содержание Са в крови падает, то клетки паращитовидной железы усиливают секрецию гормона , уровень кальция достигает нормы. Но если в рационе животного не достает кальция, то дополнительное продуцирование гормона не повысит содержание этого элемента в крови, В этом случае клетки щитовидной железы начинают усиленно делиться, с тем чтобы увеличение их числа привело к дальнейшему повышению синтеза гормона. Таким образом, понижение той или иной функции может привести к увеличению численности популяции клеток, обеспечивающих эти функции.
У людей попадающих в высокогорную местность, резко увеличивается количество эритроцитов (на высоте меньше 02) для того, чтобы обеспечить организм необходимым количеством кислорода. На снижение кислорода реагируют клетки почек и усиливают секрецию эритропоэтина, усиливающего кроветворение. После образования достаточного количества дополнительных эритроцитов гипоксия исчезает и клетки, вырабатывающие указанный гормон, снижают его секрецию до обычного уровня.
Клетки, полностью дифференцированные, не могут делиться, но тем не менее количество их может увеличиться за счет стволовых клеток, от которых они произошли. Нервные клетки не могут ни при каких обстоятельствах делиться, но функцию свою могут повысить за счёт увеличения своих отростков и умножения соединений между ними.
Следует отметить, что у взрослых особей соотношение общих размеров различных органов остаётся более или менее постоянным. При искусственном нарушении существующего соотношения размеров органа оно стремится к норме (удаление одной почки приводит к увеличению другой).
Одна из концепций, объясняющая это явление, состоит в том, что пролиферация клеток регулируется особыми веществами - кейлонами. Предполагается, что они обладают специфичностью в отношении клеток разных типов, тканей органов. Считается, что понижение количества кейлонов стимулирует пролиферацию клеток, например, при регенерации. В настоящее время эта проблема тщательно изучается разными специалистами. Получены данные, что кейлоны - это гликопротеиды с молекулярной массой 30000 – 50000.
2.3. Нерегулярные типы репродукции клеток
Амитоз
. Прямое деление или амитоз, описано раньше митотического деления, но встречается гораздо реже. Амитоз - это деление клетки, у которой ядро находится в интерфазном состоянии. При этом не происходит конденсации хромосом и образования веретена деления. Формально амитоз должен приводить к появлению двух клеток , однако чаще всего он приводит к разделению ядра и появлению двух- или многоядерных клеток.
Начинается амитотическое деление с фрагментации ядрышек, вслед за этим делится перетяжкой ядро (или инвагинацией). Может быть множественное деление ядра, как правило неравной величины (при патологических процессах). Многочисленные наблюдения показали, что амитоз встречается почти всегда в клетках отживающих, дегенерирующих и не способных дать в дальнейшем полноценные элементы. Так в норме амитотическое деление встречается в зародышевых оболочках животных, в фолликулярных клетках яичника, в гигантских клетках трофобластов. Положительное значение амитоз имеет в процессе регенерации тканей или органа (регенеративный амитоз). Амитоз в стареющих клетках сопровождается нарушениями биосинтетических процессов, включая репликацию, репарацию ДНК, а также транскрипцию и трансляцию. Изменяются физико-химические свойства белков хроматина ядер клеток, состав цитоплазмы, структура и функции органоидов, что влечет за собой функциональные нарушения на всех последующих уровнях - клеточном, тканевом, органном и организменном. По мере нарастания деструкции и угасания восстановления наступает естественная смерть клетки. Нередко амитоз встречается при воспалительных процессах и злокачественных новообразованиях (индуцированный амитоз).
Эндомитоз. При воздействии на клетки веществами разрушающими микротрубочки веретена, деление прекращается, а хромосомы будут продолжать цикл своих превращений: реплицироваться, что приведет к поэтапному образованию полиплоидных клеток - 4 п. 8 п. и т.д. Такой процесс преобразований иначе называется эндорепродукцией. Способность клеток к эндомитозу используют в селекции растений для получения клеток с кратным набором хромосом. Для этого применяют колхицин, винбластин, разрушающие нити ахроматинового веретена. Полиплоидные клетки (а затем и взрослые растения) отличаются большими размерами, вегетативные органы из таких клеток крупные, с большим запасом питательных веществ. У человека эндорепродукция имеет место в некоторых гепатоцитах и кардиомиоцитах.
Другим, более редким результатом эндомитоза являются политенные клетки. При политении в S-периоде в результате репликации и нерасхождения хромосомных нитей образуется многонитчатая, политенная структура. От митотических хромосом они отличаются большими размерами (длиннее в - 200 раз). Встречаются такие клетки в слюнных железах двукрылых насекомых , в макронуклеусах инфузорий. На политенных хромосомах видны вздутия, пуфы (места транскрипции) - выражение генной активности. Эти хромосомы - важнейший объект генетических исследований.
2.4. Проблемы клеточной пролиферации в медицине.
Как известно, ткани с высокой скоростью обновления клеток более чувствительные к воздействию различных мутагенов, чем ткани, в которых клетки обновляются медленно. Однако, например, лучевое повреждение может проявляться не сразу и необязательно ослабевает с глубиной, иногда даже гораздо сильнее повреждает глубоколежащие ткани, чем поверхностные. При облучении клеток рентгеновскими или гамма-лучами в жизненном цикле клеток происходят грубые нарушения: митотические хромосомы изменяют форму, возникают их разрывы с последующим неправильным соединением фрагментов, иногда отдельные части хромосом исчезают вовсе. Могут возникнуть аномалии веретена (образоваться не два полюса в клетке, а три), что приведет к неравномерному расхождению хроматид. Иногда повреждение клетки (большие дозы облучения) бывает столь значительным, что все попытки клетки приступить к митозу оказываются безуспешными и деление прекращается.
Подобным действием облучения и объясняется от части его применение в терапии опухолей. Цель облучения не в том, чтобы убить опухолевые клетки в интерфазе, а в том, чтобы они утратили способность к митозу, что приведет к замедлению или прекращению роста опухоли. Излучение в дозах не летальных для клетки может вызвать мутации, приводящие к усиленной пролиферации измененных клеток и дать начало злокачественному росту, как это часто случалось с теми, кто работал с рентгеновскими лучами, не зная об их опасности.
На пролиферацию клеток влияют многие химические вещества, в том числе лекарственные препараты. Например, алкалоид, колхицин (его содержат клубнелуковицы безвременника) был первым лекарственным препаратом, который снимал боль в суставах при подагре. Выяснилось, что он обладает и другим действием – останавливать деление путём связывания с белками тубулинами из которых формируются микротрубочки. Таким образом, колхицин, как и многие другие препараты блокируют образование веретена деления.
На этом основании, такие алкалоиды как винбластин и винкристин применяются для лечения некоторых видов злокачественных новообразований, входя в арсенал современных химиотерапевтических противораковых средств. Следует отметить, что способность веществ типа колхицина останавливать митоз , используется как метод для последующей идентификации хромосом в медицинской генетике.
Большое значение для медицины имеет способность дифференцированных (причем половых) клеток сохранять свои потенции к пролиферации, что приводит иногда к развитию в яичниках опухолей, на разрезе которых видны клеточные пласты, ткани, органы представляющие собой "мешанину". Выявляются клочки кожи, волосяных фолликулов, волос, уродливых зубов, кусочков костей, хряща, нервной ткани, фрагментов глаза и т.д., что требует срочного хирургического вмешательства.
2.5. Патология репродукции клеток
Аномалии митотического цикла
.. Митотический ритм, обычно адекватный потребности восстановления стареющих, погибших клеток, в условиях патологии может быть изменен. Замедление ритма наблюдается в стареющих или маловаскуляризированных тканях, увеличение ритма - в тканях при разных видах воспаления, гормональных воздействиях, в опухолях и др.
РЕГУЛЯЦИЯ КЛЕТОЧНОГО ЦИКЛА
Введение
Активация пролиферации
Клеточный цикл
Регуляция клеточного цикла
Экзогенные регуляторы пролиферации
Эндогенные регуляторы клеточного цикла
Пути регуляции CDK
Регуляция G1 фазы
Регуляция S фазы
Регуляция G2 фазы
Регуляция митоза
Повреждения ДНК
Пути восстановления двуцепочечных разрывов ДНК
Клеточный ответ на повреждение ДНК и его регуляция
Регенерация тканей
Регуляция регенерации тканей
Заключение
Список литературы
Введение
Клетка является элементарной единицей всего живого. Вне клетки жизни нет. Размножение клеток происходит только путем деления исходной клетки, которому предшествует воспроизведение ее генетического материала. Активация деления клетки происходит вследствие воздействия на нее внешних или внутренних факторов. Процесс деления клетки с момента ее активации называется пролиферацией. Иными словами, пролиферация - это размножение клеток, т.е. увеличение числа клеток (в культуре или ткани), происходящее путем митотических делений. Время существования клетки как таковой, от деления до деления, обычно называют клеточным циклом
Во взрослом организме человека, клетки различных тканей и органов имеют неодинаковую способность к делению. Кроме того, при старении интенсивность пролиферации клеток снижается (т.е. увеличивается интервал между митозами). Встречаются популяции клеток, полностью потерявшие свойство делиться. Это, как правило, клетки, находящиеся на терминальной стадии дифференцировки, например, зрелые нейроны, зернистые лейкоциты крови, кардиомиоциты. В этом отношении исключение составляют иммунные В- и Т- клетки памяти, которые, находясь в конечной стадии дифференцировки, при появлении в организме определенного стимула в виде ранее встречавшегося антигена способны начать пролиферировать. В организме есть постоянно обновляющиеся ткани - различные типы эпителия, кроветворные ткани. В таких тканях существуют клетки, которые постоянно делятся, заменяя отработавшие или погибающие типы клеток (например, клетки крипт кишечника, клетки базального слоя покровного эпителия, кроветворные клетки костного мозга). Также в организме существуют клетки, которые не размножаются в обычных условиях, но вновь приобретают это свойство при определенных условиях, в частности при необходимости регенерации тканей и органов. Процесс пролиферации клеток жестко регулируется как самой клеткой (регуляция клеточного цикла, прекращение или замедление синтеза аутокринных ростовых факторов и их рецепторов), так и ее микроокружением (отсутствие стимулирующих контактов с соседними клетками и матриксом, прекращение секреции и/или синтеза паракринных ростовых факторов). Нарушение регуляции пролиферации приводит к неограниченному делению клетки, что в свою очередь инициирует развитие онкологического процесса в организме.
Активация пролиферации
Основную функцию, связанную с инициацией пролиферации, берет на себя плазматическая мембрана клетки. Именно на ее поверхности происходят события, которые связаны с переходом покоящихся клеток в активированное состояние, предшествующее делению. Плазматическая мембрана клеток за счет располагающихся в ней молекул-рецепторов воспринимает различные внеклеточные митогенные сигналы и обеспечивает транспорт в клетку необходимых веществ, принимающих участие в инициации пролиферативного ответа. Митогенными сигналами могут служить контакты между клетками, между клеткой и матриксом, а также взаимодействие клеток с различными соединениями, стимулирующими их вступление в клеточный цикл, которые получили название факторов роста. Клетка, получившая митогенный сигнал на пролиферацию, запускает процесс деления.
КЛЕТОЧНЫЙ ЦИКЛ
Весь клеточный цикл состоит из 4 этапов: пресинтетического (G1), синтетического (S), постсинтетического (G2) и собственно митоза (М). Кроме того, существует так называемый G0-период, характеризующий состояние покоя клетки. В G1-периоде клетки имеют диплоидное содержание ДНК на одно ядро. В этот период начинается рост клеток, главным образом, за счет накопления клеточных белков, что обусловлено увеличением количества РНК на клетку. Кроме того, начинается подготовка к синтезу ДНК. В следующем S-периоде происходит удвоение количества ДНК и соответственно удваивается число хромосом. Постсинтетическая G2 фаза называется также премитотической. В этой фазе происходит активный синтез мРНК (матричная РНК). Вслед за этой стадией следует собственно деление клетки надвое или митоз.
Деление всех эукариотических клеток связано с конденсацией удвоенных (реплицированных) хромосом. В результате деления эти хромосомы переносятся в дочерние клетки. Такой тип деления эукариотических клеток - митоз (от греч. mitos - нити) - является единственным полноценным способом увеличения числа клеток. Процесс митотического деления подразделяют на несколько этапов: профаза, прометафаза, метафаза, анафаза, телофаза.
РЕГУЛЯЦИЯ КЛЕТОЧНОГО ЦИКЛА
Назначение регуляторных механизмов клеточного цикла состоит не в регуляции прохождения клеточного цикла как такового, а в том, чтобы обеспечить, в конечном счете, безошибочность распределения наследственного материала в процессе репродукции клеток. В основе регуляции размножения клеток лежит смена состояний активной пролиферации и пролиферативного органа. Регуляторные факторы, контролирующие размножение клеток можно условно разделить на две группы: внеклеточные (или экзогенные) или внутриклеточные (или эндогенные). Экзогенные факторы находятся в микроокружении клетки и взаимодействуют с поверхностью клетки. Факторы, которые синтезируются самой клеткой и действуют внутри нее, относятся к эндогенным факторам. Такое подразделение весьма условно, поскольку некоторые факторы, будучи эндогенными по отношению к продуцирующей их клетке, могут выходить из нее и действовать как экзогенные регуляторы на другие клетки. Если регуляторные факторы взаимодействуют с теми же клетками, которые их продуцируют, то такой тип контроля называется аутокринным. При паракринном контроле синтез регуляторов осуществляется другими клетками.
ЭКЗОГЕННЫЕ РЕГУЛЯТОРЫ ПРОЛИФЕРАЦИИ
У многоклеточных организмов регуляция пролиферации различных типов клеток происходит вследствие действия не одного какого-либо ростового фактора, а их совокупности. Кроме того, некоторые ростовые факторы, будучи стимуляторами для одних типов клеток, ведут себя как ингибиторы по отношению к другим. Классические ростовые факторы представляют собой полипептиды с молекулярной массой 7-70 кДа. К настоящему моменту известно более сотни таких ростовых факторов. Однако здесь будут рассмотрены только некоторые из них.
Пожалуй, самое большое количество литературы посвящено фактору роста из тромбоцитов (PDGF). Освобождаясь при разрушении сосудистой стенки, PDGF участвует в процессах тромбообразования и заживления ран. PDGF является мощным ростовым фактором для покоящихся фибробластов. Наряду с PDGF, не менее обстоятельно изучен эпидермальный фактор роста (EGF), который также способен стимулировать пролиферацию фибробластов. Но, кроме этого также стимулирующе влияет и на другие типы клеток, в частности на хондроциты.
Большую группу ростовых факторов составляют цитокины (интерлейкины, факторы некроза опухоли, колоние-стимулирующие факторы и т.д.). Все цитокины полифункциональны. Они могут, как усиливать, так и угнетать пролиферативные ответы. Так, например, разные субпопуляции CD4+ Т-лимфоцитов, Th1 и Th2, продуцирующие разный спектр цитокинов, по отношению друг к другу являются антагонистами. То есть, Th1 цтокины стимулируют пролиферацию клеток, которые их продуцируют, но в то же время подавляют деление Th2 клеток, и наоборот. Таким образом, в норме в организме сохраняется постоянный баланс этих двух типов Т-лимфоцитов. Взаимодействие факторов роста с их рецепторами на поверхности клетки приводит к запуску целого каскада событий внутри клетки. В результате чего происходит активация факторов транскрипции и экспрессия генов пролиферативного ответа, что в конечном итоге инициирует репликацию ДНК и вступление клетки в митоз.
ЭНДОГЕННЫЕ РЕГУЛЯТОРЫ КЛЕТОЧНОГО ЦИКЛА
В нормальных эукариотических клетках прохождение клеточного цикла жестко регулируется. Причиной онкологических заболеваний является трансформация клеток, как правило, связанная с нарушениями регуляторных механизмов клеточного цикла. Одним из основных результатов дефективности клеточного цикла является генетическая нестабильность, поскольку клетки с ущербным контролем клеточного цикла теряют способность корректно удваивать и распределять между дочерними клетками свой геном. Генетическая нестабильность приводит к приобретению новых особенностей, которые отвечают за прогрессирование опухоли. Циклин-зависимые киназы (CDK)и их регуляторные субъединицы (циклины) являются основными регуляторами клеточного цикла. Прохождение клеточного цикла достигается путем последовательной активации и дезактивации разных комплексов циклин-CDK. Действие комплексов циклин-CDK заключается в фосфорилировании ряда белков-мишеней в соответствии с фазой клеточного цикла, в которой активен тот или иной комплекс циклин-CDK . Так, например, циклин Е-CDK2 активен в поздней G1 фазе и фосфорилирует белки, необходимые для прохождения через позднюю G1 фазу и вход в S фазу. Циклин А-CDK2 активен в S и G2 фазах, он обеспечивает прохождение S фазы и вход в митоз. Циклин А и циклин Е являются центральными регуляторами репликации ДНК. Поэтому неправильная регуляция экспрессии какого-либо из этих циклинов приводит к генетической нестабильности. Было показано, что накопление ядерного циклина А происходит исключительно в тот момент, когда клетка входит в S фазу, т.е. в момент G1/S перехода. С другой стороны, было показано, что уровень циклина Е повышался после прохождения так называемой точки ограничения (R-точки) в поздней G1 фазе, а затем существенно понижался, когда клетка входила в S фазу.
ПУТИ РЕГУЛЯЦИИ CDK
Активность циклин-зависимых киназ (CDK) жестко регулируется, по крайней мере, по четырем механизмам:
1) Основной способ регуляции CDK - это связывание с циклином, т.е. в свободном виде киназа не активна, и только комплекс с соответствующим циклином обладает необходимыми активностями.
2) Активность комплекса циклин-CDK также регулируется за счет обратимого фосфорилирования. Для того чтобы приобрести активность, необходимо фосфорилирование CDK, которое осуществляется при участии CDK активирующего комплекса (САК), состоящего из циклина Н, CDK7 и Mat1.
3) С другой стороны, в молекуле CDK, в регионе, ответственном за связывание субстрата, имеются сайты, фосфорилирование которых приводит к ингибированию активности комплекса циклин-CDK. Эти сайты фосфорилируются группой киназ, включая Wee1 киназу, и дефосфорилируются фосфатазами Cdc25. Активность этих ферментов (Wee1 и Cdc25) существенно варьирует в ответ на разные внутриклеточные события, такие как повреждения ДНК.
4) В конце концов, некоторые комплексы циклин-CDK могут быть заингибированы вследствие связывания с ингибиторами CDK (CKI). Ингибиторы CDK состоят из двух групп белков INK4 и CIP/KIP. Ингибиторы INK4 (p15, p16, p18, p19) связываются с CDK4 и CDK6 и инактивируют их, предотвращая взаимодействие с циклином D. CIP/KIP ингибиторы (p21, p27, p57) могут связываться с комплексами циклин-CDK, содержащими CDK1, CDK2, CDK4 и CDK6. Примечательно, что при определенных условиях CIP/KIP ингибиторы могут усиливать киназную активность комплексов циклин D-CDК4/6
РЕГУЛЯЦИЯ G 1 ФАЗЫ
В G1 фазе, в так называемой точке рестрикции (ограничения, R-точка), клетка принимает решение, делится ей или нет. Точка рестрикции - это та точка клеточного цикла, после которой клетка становится невосприимчивой к внешним сигналам вплоть до завершения всего клеточного цикла. Точка рестрикции делит G1 фазу на два функционально различных этапа: G1pm (постмитотический этап) и G1ps (пресинтетический этап). В течение G1pm клетка оценивает присутствующие в ее окружении ростовые факторы. Если необходимые ростовые факторы присутствуют в достаточном количестве, то клетка переходит в G1ps. Клетки, перешедшие в G1ps период, продолжают нормальное прохождение всего клеточного цикла даже при отсутствии ростовых факторов. Если отсутствуют необходимые ростовые факторы в G1pm периоде, то клетка переходит в состояние пролиферативного покоя (G0 фаза).
Основным результатом каскада сигнальных событий, происходящих вследствие связывания ростового фактора с рецептором на поверхности клетки, является активация комплекса циклин D-CDK4/6. Активность этого комплекса существенно возрастает уже в раннем G1 периоде. Этот комплекс фосфорилирует мишени, необходимые для прохождения в S фазу. Основным субстратом комплекса циклин D-CDK4/6 является продукт гена ретинобластомы (pRb). Нефосфорилированный pRb связывается и, тем самым, инактивирует транскрипционные факторы группы E2F. Фосфорилирование pRb комплексами циклин D-CDK4/6 приводит к высвобождению E2F, который проникает в ядро и инициирует трансляцию генов белков, необходимых для репликации ДНК, в частности генов циклина Е и циклина А. В конце G1 фазы происходит кратковременное увеличение количества циклина Е, которое предвещает накопление циклина А и переход в S фазу.
Остановку клеточного цикла в G1 фазе могут вызвать следующие факторы: повышение уровня ингибиторов CDK, депривация ростовых факторов, повреждения ДНК, внешние воздействия, онкогенная активация
РЕГУЛЯЦИЯ S ФАЗЫ
S фаза - это этап клеточного цикла, когда происходит синтез ДНК. Каждая из двух дочерних клеток, которые образуются в конце клеточного цикла, должна получить точную копию ДНК материнской клетки. Каждое основание молекул ДНК, составляющих 46 хромосом человеческой клетки, должно быть скопировано только один раз. Именно поэтому синтез ДНК регулируется крайне жестко.
Было показано, что только ДНК клеток, находящихся в G1 или S фазе, может реплицироваться. Это наводит на мысль, что ДНК должна быть <лицензирована> для репликации и что тот кусочек ДНК, который был удвоен, теряет эту <лицензию>. Репликация ДНК начинается в месте связывания белков, называемых ORC (Origin of replicating complex). Несколько компонентов, необходимых для синтеза ДНК, связываются с ORC в поздней М или ранней G1 фазе, формируя пререплекативный комплекс, что собственно и дает <лицензию> ДНК для репликации. На стадии перехода G1/S к пререплекативному комплексу добавляются еще белки, необходимые для репликации ДНК, таким образом, образуется комплекс инициации. Когда начинается процесс репликации и образуется репликативная вилка, многие компоненты отделяются от инициирующего комплекса, а в месте инициации репликации остаются только компоненты пострепликативного комплекса.
Во многих работах было показано, что для нормального функционирования инициирующего комплекса необходима активность циклин А-CDK2. Кроме того, для успешного окончания S фазы также необходима активность комплекса циклин А-CDK2, что, собственно, и является основным регуляторным механизмом, обеспечивающим успешное завершение синтеза ДНК. Остановку в S фазе может индуцировать повреждение ДНК.
РЕГУЛЯЦИЯ G 2 ФАЗЫ
G2 фаза - это этап клеточного цикла, который начинается после завершения синтеза ДНК, но до начала конденсации. Основным регулятором прохождения G2 фазы служит комплекс циклин В-CDK2. Арест клеточного цикла в G2 фазе происходит вследствие инактивации комплекса циклин В-CDK2. Регулятором перехода G2/М является комплекс циклин В-CDK1, его фосфорилирование/дефосфорилирование регулирует вход в М фазу. Повреждения ДНК или наличие нереплицированных участков предотвращает переход в М фазу.
Клеточная пролиферация - увеличение числа клеток путем митоза,
приводящее к росту ткани, в отличие от другого способа увеличения ее
массы (например, отек). У нервных клеток пролиферация отсутствует.
Во взрослом организме продолжаются процессы развития, связанные
с делением и специализацией клеток. Эти процессы могут быть как нор-
мальными физиологическими, так и направленными на восстановление ор-
ганизма вследствие нарушения его целостности.
Значение пролиферации в медицине определяется способностью кле-
ток разных тканей к делению. С делением клеток связан процесс заживле-
ния ран и восстановление тканей после хирургических операций.
Пролиферация клеток лежит в основе регенерации (восстановления)
утраченных частей. Проблема регенерации представляет интерес для ме-
дицины, для восстановительной хирургии. Различают физиологическую,
репаративную и патологическую регенерацию.
Физиологическая - естественное восстановление клеток и тканей в
онтогенезе. Например, смена эритроцитов, клеток кожного эпителия.
Репаративная - восстановление после повреждения или гибели кле-
ток и тканей.
Патологическая - разрастание тканей не идентичных здоровым тка-
ням. Например, разрастание рубцовой ткани на месте ожога, хряща – на
месте перелома, размножение клеток соединительной ткани на месте мы-
шечной ткани сердца, раковая опухоль.
В последнее время принято разделять клетки тканей животных по спо-
собности к делению на 3 группы: лабильные, стабильные и статические.
К лабильным относятся клетки, которые быстро и легко обновляются
в процессе жизнедеятельности организма (клетки крови, эпителия, слизи-
стой ЖКТ, эпидермиса и др.).
К стабильным относятся клетки таких органов как печень, поджелу-
дочная железа, слюнные железы и др., которые обнаруживают ограничен-
ную способность к делению.
К статическим относятся клетки миокарда и нервной ткани, кото-
рые, как считает большинство исследователей, не делятся.
Изучение физиологии клетки имеет важное значение для понимания он-
тогенетического уровня организации живого и механизмов саморегуляции
клетки, обеспечивающих целостное функционирование всего организма.
Глава 6
ГЕНЕТИКА КАК НАУКА. ЗАКОНОМЕРНОСТИ
НАСЛЕДОВАНИЯ ПРИЗНАКОВ
6.1 Предмет, задачи и методы генетики
Наследственность и изменчивость являются фундаментальными свой-
ствами живого, т. к. характерны для живых существ любого уровня орга-
низации. Наука, изучающая закономерности наследственности и изменчи-
вости, называется генетикой.
Генетика как наука изучает наследственность и наследственную из-
менчивость, а именно, она имеет дело со следующими проблемами :
1) хранение генетической информации;
2) передача генетической информации;
3) реализация генетической информации (использование ее в конкрет-
ных признаках развивающегося организма под влиянием внешней среды);
4) изменение генетической информации (типы и причины изменений,
механизмы).
Первый этап развития генетики - 1900–1912 гг. С 1900 г. - переот-
крытие законов Г. Менделя учеными Х. Де Фризом, К. Корренсом, Э. Чер-
маком. Признание законов Г. Менделя.
Второй этап 1912–1925 гг. - создание хромосомной теории Т. Мор-
гана. Третий этап 1925–1940 гг. - открытие искусственного мутагенеза и
генетических процессов эволюции.
Четвертый этап 1940–1953 гг. - исследования по генному контролю
физиологических и биохимических процессов.
Пятый этап с 1953 г. и по настоящее время - развитие молекулярной
биологии.
Отдельные сведения по наследованию признаков были известны
очень давно, однако научные основы передачи признаков впервые были
изложены Г. Менделем в 1865 г. в работе: «Опыты над растительными
гибридами». Это были передовые мысли, но современники не придали
значение его открытию. Понятия «ген» в то время еще не было и Г. Мен-
дель говорил о «наследственных задатках», содержащихся в половых клет-
ках, но их природа была неизвестна.
В 1900 г. независимо друг от друга Х. Де Фриз, Э. Чермак и К. Кор-
ренс заново открыли законы Г. Менделя. Этот год и считается годом рож-
дения генетики как науки. В 1902 г. Т. Бовери, Э. Вильсон и Д. Сеттон сде-
лали предположение о связи наследственных факторов с хромосомами.
В 1906 г. У. Бетсон ввел термин «генетика», а в 1909 г. В. Иогансен -
«ген». В 1911 г. Т. Морган и сотрудники сформулировали основные поло-
жения хромосомной теории наследственности. Они доказали, что гены
расположены в определенных локусах хромосом в линейном порядке, по-
ние определенного признака.
Основные методы генетики: гибридологический, цитологический и
математический. Генетика активно использует и методы других смежных
наук: химии, биохимии, иммунологии, физики, микробиологии и др.
Клеточный цикл – это период жизни клетки от одного деления до другого или от деления до смерти. Клеточный цикл состоит из интерфазы (период вне деления) и самого клеточного деления.
В конце G1 периода принято различать специальный момент, называемый R‑точкой (точка рестрикции, R‑пункт), после которого клетка обязательно в течение нескольких часов (обычно 1–2) вступает в S период. Период времени между R‑точкой и началом S периода можно рассматривать в качестве подготовительного для перехода в S период.
Самый главный процесс, который идет в S периоде, – это удвоение или редупликация ДНК. Все остальные реакции, происходящие в это время в клетке, направлены на обеспечение синтеза ДНК. К таким вспомогательным процессам можно отнести синтез гистоновых белков, синтез ферментов, регулирующих и обеспечивающих синтез нуклеотидов и образование новых нитей ДНК.
Прохождение клетки по всем периодам клеточного цикла строго контролируется. При движении клеток по клеточному циклу в них появляются и исчезают, активируются и ингибируются специальные регуляторные молекулы, которые обеспечивают: 1) прохождение клетки по определенному периоду клеточного цикла и 2 переход из одного периода в другой. Причем прохождение по каждому периоду, а также переход из одного периода в другой контролируется различными веществами. Сейчас мы попробуем выяснить, что же это за вещества и что они делают.
Общая ситуация выгладит так. В клетке постоянно присутствуют специальные белки-ферменты, которые путем фосфорилирования других белков (по остаткам серина, тирозина или треонина в полипептидной цепи), регулируют активность генов, ответственных за прохождение клетки по тому или иному периоду клеточного цикла. Эти белки-ферменты называются циклин-зависимыми протеинкиназами (cdc). Имеется несколько их разновидностей, но они все обладают сходными свойствами. Хотя количество этих циклин-зависимых протеинкиназ может варьировать в различных периодах клеточного цикла, они присутствуют в клетке постоянно, независимо от периода клеточного цикла, то есть они имеются в избытке. Другими словами, их синтез или количество не лимитирует или не регулирует прохождение клеток по клеточному циклу. Однако при патологии, если синтез их нарушен, снижено их количество или имеются мутантные формы с измененными свойствами, то это, конечно же, может повлиять на течение клеточного цикла.
Почему же такие циклин-зависимые протеинкиназы сами не могут регулировать прохождение клеток по периодам клеточного цикла. Оказывается, что они находятся в клетках в неактивном состоянии, а для того чтобы они активировались и начали работать, необходимы специальные активаторы. Ими являются циклины. Их также много разных типов, но они присутствуют в клетках не постоянно: то появляются, то исчезают. В разные фазы клеточного цикла образуются разные циклины, которые связываясь с Cdk образуют различные Cdk‑циклиновые комплексы. Эти комплексы регулируют разные фазы клеточного цикла и поэтому называются G1-, G1/S-, S- и М-Cdk (рис. из моих рис. циклины). Так, например, прохождение клетки по G1 периоду клеточного цикла обеспечивает комплекс циклин-зависимой протеинкиназы‑2 (cdk2) и циклина D1, циклин-зависимой протеинкиназы‑5 (cdk5) и циклина D3. Прохождение через специальную точку рестрикции (R‑пункт) периода G1 контролирует комплекс cdc2 и циклина С. Переход клетки из G1 периода клеточного цикла в S период контролирует комплекс cdk2 и циклина Е. Для перехода клетки из S периода в G2 период необходим комплекс cdk2 и циклин А. Циклин-зависимая протеинкиназа‑2 (cdc2) и циклин В участвуют в переходе клетки из G2 периода в митоз (М период). Циклин H в соединении с cdk7 необходим для фосфорилирования и активации cdc2 в комплексе с циклином В.
Циклины – новый класс белков, открытый Тимом Хантом, которые играют ключевую роль в управлении делением клеток. Название «циклины» появилось из-за того, что концентрация белков этого класса изменяется периодически в соответствии со стадиями клеточного цикла (например, падает перед началом деления клетки).
Первый циклин был обнаружен Хантом в начале 1980-х годов, во время опытов с икрой лягушек и морских ежей. Позднее циклины были найдены и в других живых существах.
Оказалось, что эти белки мало изменились в ходе эволюции, как и механизм управления клеточным циклом, который дошел от простых дрожжевых клеток до человека в «законсервированном» виде.
Тимоти Хант (R. Timothy Hunt) вместе с соотечественником-англичанином Полом Нерсом (Paul M. Nurse) и американцем Лиландом Хартуэллом (Leland H. Hartwell) в 2001 году получили нобелевскую премию по физиологии и медицине за открытие генетических и молекулярных механизмов регуляции клеточного цикла – процесса, который имеет важнейшее значение для роста, развития и самого существования живых организмов
Контрольные точки клеточного цикла
1. Точка выхода из G1‑фазы, называемая Старт – у млекопитающих и точкой рестрикции у дрожжей. После перехода через точку рестрикции R в конце G1 наступление S становится необратимым, т.е. запускаются процессы ведущие к следующему делению клетки.
2. Точка S – проверка точности репликации.
3. Точка G2/M‑перехода – проверка завершения репликации.
4. Переход от метафазы к анафазе митоза.
Регуляция репликации
Перед началом репликации Sc ORC‑комплекс (origin recognition complex) садится на ori – точку начала репликации. Cdc6 представлен во всем клеточном цикле, но его концентрация возрастает вначале G1, где он связывается c ОRC комплексом, к которому затем присоединяются Mcm белки с образованием pre-replicative complex (pre-RC). После сборки pre-RC клетка готова к репликации.
Для инициации репликации S-Cdk соединяется с протеинкиназой (?), которая фосфорилирует pre-RC. При этом Cdc6 диссоциирует от ОRC после начала репликации и фосфорилируется, после чего убиквитинируется SCF и деградирует. Изменения в pre-RC препятствуют повторному запуску репликации. S-Cdk так же фосфорилирует некоторые Mcm белковые комплексы, что запускает их экспорт из ядра. Последующая дефосфориляция белков вновь запустит процесс образования pre-RC.
Циклины – активаторы Cdk. Циклины, так же как и Cdk вовлечены в различные, помимо контроля клеточного цикла, процессы. Циклины разделяются на 4 класса в зависимости от времени действия в клеточном цикле: G1/S, S, M и G1 циклины.
G1/S циклины (Cln1 и Cln2 у S. cerevisiae, циклин E у позвоночных) достигает максимальной концентрации в поздней G1‑фазе и падает в S‑фазе.
G1/S cyclin–Cdk комплекс запускает начало репликации ДНК выключая различные системы подавляющие S-phase Cdk в G1‑фазе G1/S циклины также инициируют дупликацию центросом у позвоночных, образование веретенного тела у дрожжей. Падение уровня G1/S сопровождается увеличением концентрации S циклинов (Clb5, Clb6 у Sc и циклин A у позвоночных), который образует S циклин-Cdk комплекс который напрямую стимулирует ДНК репликацию. Уровень S циклина остается высоким в течении всей S, G2‑фаз и начала митоза, где помогает началу митозу в некоторых клетках.
М-циклины (Clb1,2,3 и 4 у Sc, циклин B у позвоночных) появляется последним. Его концентрация увеличивается, когда клетка переходит к митозу и достигает максимума в метафазе. М-циклин-Cdk‑комплекс включает сборку веретена деления и выравнивание сестринских хроматид. Его разрушение в анафазе приводит к выходу из митоза и цитокиезу. G1 циклины (Cln3 у Sc и циклин D у позвоночных) помогает координировать клеточный рост с входом в новый клеточный цикл. Они необычны, так как их концентрация не меняется от фазы клеточного цикла, а меняется в ответ на внешние регуляторные сигналы роста.
Программируемая клеточная гибель
В 1972 г. Керр с соавт. опубликовали статью, в которой авторы представили морфологические доказательства существования отличающегося от некроза особого вида гибели клеток, которую они назвали «апоптоз». Авторы сообщили, что структурные изменения клеток при апоптозе проходят две стадии:
1-я – образование апоптозных тел,
2-я – их фагоцитоз и разрушение другими клетками.
Причины гибели, процессы морфологического и биохимического характера развития клеточной смерти могут быть различными. Но все же их можно четко разделить на две категории:
1. Некроз (от греч. пеkrosis– омертвление) и
2. Апоптоз (от греч. корней, означающих «отпадение» или «распадение»), который часто называют программируемой клеточной смертью (ПКС) или даже клеточным самоубийством (рис. 354).
Два пути клеточной гибели
а – апоптоз (профаммированная клеточная смерть): / – специфическое сжатие клетки и конденсация хроматина, 2 – фрагментация ядра, 3 – фрагментация тела клетки на ряд апоптических телец; б – некроз: / – набухание клетки, вакуолярных компонентов, конденсация хроматина (кариорексис), 2 – дальнейшее набухание мембранных органоидов, лизис хроматина ядра (кариолизис), 3 – разрыв мембранных компонентов клетки – лизис клетки
Н. является наиболее частой неспецефической формой гибели клеток. Он может быть вызван тяжелыми повреждениями клетки в результате прямой травмы, радиации, влияния токсических агентов, вследствие гипоксии, лизиса клетки, опосредованного комплементом и т.д.
Некротический процесс проходит ряд стадий:
1) паранекроз – подобные некротическим, но обратимые изменения;
2) некробиоз – необратимые дистрофические изменения, характеризующиеся преобладанием катаболических реакций над анаболическими;
3) смерть клетки, время наступления которой установить трудно;
4) аутолиз – разложение мертвого субстрата под действием гидролитических ферментов погибших клеток и макрофагов. В морфологическом выражении некроз равнозначен аутолизу.
Несмотря на огромное количество работ, согласованного и точного определения понятия «апоптоз» нет.
Алоптоз обычно характеризовали как особую форму гибели клетки, отличную от некроза по морфологическим, биохимическим, молекулярно-генетическим и другим признакам.
А. – это гибель клетки, вызываемая внутренними или внешними сигналами, которые сами по себе не являются токсичными или деструктивными. А. – это активный процесс, требующий затрат энергии, транскрипции генов и синтеза белка denovo.
Обнаружено значительное количество агентов, вызывающих апоптоз этих клеток, помимо облучения и глюкокортикоидов:
Ионофоры Са2+
Аденозин
Циклический АМФ
Трибутилтин
Гипертермия
Изучение кинетики деградации ДНК в лимфоидных клетках invivo и invitro показало:
Первые отчетливые признаки распада появляются, как правило, спустя более 1 ч после воздействия, чаще к концу 2‑го часа.
Межнуклеосомная фрагментация продолжается в течение нескольких часов и заканчивается в основном через 6, реже 12 ч после воздействия.
Сразу же от момента появления деградации при анализе обнаруживается большое количество мелких фрагментов ДНК, причем соотношение между крупными и мелкими фрагментами в ходе апоптоза значительно не меняется.
Применение ингибиторов синтеза АТФ, белка и транскрипции генов замедляет процесс апоптоза. Такой зависимости в случае Н. нет
Как видно из сравнения определений некроза и апоптоза, между двумя видами гибели клетки имеется как сходство, так и существенные различия.
| Характеристика | Некроз | Апоптоз |
| функционально | необратимым прекращением ее жизнедеятельности; | |
| морфологически | нарушением целостности мембран, изменением ядра (пикноз, рексис, лизис), цитоплазмы (отек), разрушением клетки; | потерей микроворсинок и межклеточных контактов, конденсацией хроматина и цитоплазмы, уменьшением объема клетки (сморщиванием), образованием пузырьков из плазматической мембраны, фрагментацией клетки и образованием апоптозных телец; |
| биохимически | нарушением выработки энергии, коагуляцией, гидролитическим расщеплением белков, нуклеиновых кислот, липидов; | гидролизом белков цитоплазмы и межнуклеосомным распадом ДНК; |
| генетически | – потерей генетической информации; и завершающейся ее аутолизом или гетеролизом с воспалительной реакцией. | структурно-функциональной перестройкой генетического аппарата и завершающийся ее поглощением макрофагами и(или) другими клетками без воспалительной реакции. |
Клеточная смерть регулируется межклеточными взаимодействиями различным образом. Множество клеток многоклеточного организма нуждается в сигналах с тем, чтобы оставаться живыми. В отсутствие таких сигналов или трофических факторов в клетках развивается программа «самоубийства» или программируемой смерти. Например, клетки культуры нейронов погибают при отсутствии фактора роста нейронов (NGF), клетки простаты гибнут в отсутствие андрогенов семенника, клетки молочной железы – при падении уровня гормона прогестерона и т.д. В то же время клетки могут получать сигналы, которые в клетках-мишенях запускают процессы, приводящие к гибели по типу апоптоза. Так, гидрокортизон вызывает гибель лимфоцитов, а глютамат – нервных клеток в культуре ткани, фактор некроза опухоли (TNF) вызывает гибель самых различных клеток. Тироксин (гормон щитовидной железы) вызывает апоптоз клеток хвоста головастиков. Кроме этого существуют ситуации, когда апоптическая гибель клетки вызывается внешними факторами, например радиацией.
Понятие «апоптоз» было введено при изучении гибели части клеток печени при неполной перевязке портальной вены. При этом наблюдается своеобразная картина клеточной смерти, которая затрагивает лишь отдельные клетки в паренхиме печени.
Процесс начинается с того, что соседние клетки теряют контакты, они как бы сморщиваются (первоначальное название этой формы гибели shrinkagenecrosis– некроз сжатием клетки), в ядрах по их периферии происходит специфическая конденсация хроматина, затем ядро фрагментируется на отдельные части, вслед за этим сама клетка фрагментируется на отдельные тельца, отграниченные плазматической мембраной, – апоптические тельца.
Апоптоз – процесс, приводящий не к лизису, не к растворению клетки, а к ее фрагментации, распаду. Судьба апоптических телец тоже необычна: они фагоцитируются макрофагами или даже нормальными соседними клетками. При этом не развивается воспалительная реакция.
Важно отметить, что во всех случаях апоптоза – во время ли эмбрионального развития, во взрослом ли организме, в норме или при патологических процессах – морфология процесса гибели клеток очень сходна. Это может говорить об общности процессов апоптоза в разных организмах и в разных органах.
Исследования на разных объектах показали, что апоптоз есть результат реализации генетически запрограммированной клеточной гибели. Первые доказательства наличия генетической программы клеточной смерти (ПКС) были получены при изучении развития нематоды Caenorhabditiselegans. Этот червь развивается всего за трое суток, и его малые размеры позволяют проследить за судьбой всех его клеток, начиная с ранних этапов дробления до половозрелого организма.
Оказалось, что при развитии Caenorhabditiselegans образуется всего 1090 клеток, из которых часть нервных клеток в количестве 131 штуки спонтанно погибает путем апоптоза и в организме остается 959 клеток. Были обнаружены мутанты, у которых процесс элиминации 131 клетки был нарушен. Были выявлены два гена сеd‑3 и сеd‑4, продукты которых вызывают апоптоз 131 клетки. Если у мутантных Caenorhabditiselegans эти гены отсутствуют или изменены, то апоптоз не наступает и взрослый организм состоит из 1090 клеток. Был найден и другой ген – сеd‑9, который является супрессором апоптоза: при мутации сеd‑9 все 1090 клеток погибают. Аналог этого гена был обнаружен у человека: ген bcl‑2 также является супрессором апоптоза различных клеток. Оказалось, что оба белка, кодируемые этими генами, – Сеd‑9 и Вс1–2, имеют один трансмембранный домен и локализуются во внешней мембране митохондрий, ядер и эндоплазматического ретикулума.
Система развития апоптоза оказалась очень сходной у нематоды и позвоночных животных, она состоит из трех звеньев: регулятора, адаптера и эффектора. У Caenorhabditiselegans регулятором является Сеd‑9, который блокирует адаптерный белок Сеd‑4, который в свою очередь не активирует эффекторный белок Сеd‑3, протеазу, которая действует на белки цитоскелета и ядра (табл. 16).
Табл. 16. Развитие программируемой клеточной смерти (апоптоза)
Знак ──┤ – торможение процесса‚ знак ─→ – стимуляцию процесса
У позвоночных система ПКС более сложная. Здесь регулятором является белок Вс1–2, который ингибирует адаптерный белок Apaf‑1, стимулирующий каскад активации специальных протеиназ – каспаз.
Ферменты – участники процесса апоптоза
Таким образом,
Раз начавшись в клетке, такая деградация быстро протекает «до конца»;
В апоптоз вступают не все клетки сразу или в короткий промежуток времени, а постепенно;
Разрывы ДНК происходят по линкерной (межнуклеосомной) ДНК;
Деградацию осуществляют эндо-, но не экзонуклеазы, и эти эндонуклеазы активируются или получают доступ к ДНК не в результате непосредственного взаимодействия с агентом, вызывающим апоптоз, а опосредованно, так как от момента контакта клеток с таким агентом до начала развития деградации проходит довольно значительное время, и, следовательно, фрагментация ДНК не является первой характерной «апоптотической» реакцией клетки на молекулярном уровне. В самом деле, если бы деградация запускалась в результате непосредственного взаимодействия эндонуклеаз или хроматина с агентом, то в случае, например, действия ионизирующей радиации апоптоз происходил бы быстро и одновременно почти во всех клетках.
Исходя из этих заключений, расшифровка молекулярного механизма развития апоптоза «сосредоточилась» на идентификации эндонуклеаз(ы), осуществляющих фрагментацию ДНК, и механизмов, активирующих эндонуклеазы.
Эндонуклеазы
1. Деградацию осуществляет ДНКаза I. Процесс активируется Са2+ и Мg2+ и подавляется Zn2+ .
Однако имеются факты, которые свидетельствуют против участия ДНКазы I в процессе фрагментации ДНК. Так известно, что этот фермент отсутствует в ядре, правда, этот аргумент не очень весомый, так как относительно небольшой размер его молекул, 31 кДа, в случае нарушения проницаемости ядерной мембраны делает участие ДНКазы I в деградации ДНК вполне реальным. Другое дело, что при обработке хроматина invitro ДНКаза I вызывает разрывы не только в линкерной части, но и в нуклеосомной ДНК.
2. Другой эндонуклеазой, рассматриваемой в качестве основного фермента деградации ДНК, является эндонуклеаза II [Барри 1993]. Эта нуклеаза при обработке ядер и хроматина осуществляет межнуклеосомную фрагментацию ДНК. Несмотря на то, что его активность не зависит от ионов двухвалентных металлов, вопрос об участии эндонуклеазы II в деградации ДНК не снят до сих пор, поскольку фермент не только находится в лизосомах, но и выделяется из ядер клеток.
3. эндонуклеаза с молекулярной массой 18 кДа. Этот фермент был выделен из ядер погибающих путем апоптоза тимоцитов крыс [Гайдо, 1991]. Она отсутствовала в нормальных тимоцитах. Активность фермента проявляется в нейтральной среде и зависит от Са2+ и Мg2+.
4. γ-нуклеаза с молекулярной массой 31 кДа, имеющая «классическую» зависимость от ионов Са, Мg и Zn. Активность этого фермента повышалась в ядрах тимоцитов крыс, обработанных глюкокортикоидами .
5. эндонуклеаза с молекулярной массой 22,7 кДа фермент, активность которого проявляется в ядрах тимоцитов крыс только после действия глюкокортикоидов и подавляется теми же ингибиторами, что и межнуклеосомная деградация ДНК .
Каспазы – цистеиновые протеазы, которые расщепляют белки по аспарагиновой кислоте. В клетке каспазы синтезируются в форме латентных предшественников – прокаспаз. Существуют инициирующие и эффекторные каспазы. Инициирующие каспазы активируют латентные формы эффекторных каспаз. Субстратами для действия активированных каспаз служат более 60 различных белков. Это, например, киназа фокальных адгезионных структур, инактивация которой приводит к отделению апоптических клеток от соседей; это ламины, которые при действии каспаз разбираются; это цитоскелетные белки (промежуточные филаменты, актин, гельзолин), инактивация которых приводит к изменению формы клетки и к появлению на ее поверхности пузырей, которые дают начало апоптическим тельцам; это активируемая протеаза САD, которая расщепляет ДНК на олигонуклеотидные нуклео-сомные фрагменты; это ферменты репарации ДНК, подавление которых предотвращает восстановление структуры ДНК, и многие другие.
Одним из примеров разворачивания апоптозного ответа может являться реакция клетки на отсутствие сигнала от необходимого трофического фактора, например фактора роста нервов (NGF), или андрогена.
В цитоплазме клеток в присутствии трофических факторов находится в неактивной форме еще один участник реакции – фосфорилированный белок Ваd. В отсутствие трофического фактора этот белок дефосфорилируется и связывается с белком Вс1–2 на внешней митохондриальной мембране и этим ингибирует его антиапоптозные свойства. После этого активируется мембранный проапоптический белок Вах, открывая путь ионам, входящим в митохондрию. В это же время из митохондрий через образовавшиеся в мембране поры в цитоплазму выходит цитохром с, который связывается с адаптерным белком Араf‑1, который в свою очередь активирует прокаспазу 9. Активированная каспаза 9 запускает каскад других прокаспаз, в том числе каспазу 3, которые, будучи протеиназами, начинают переваривать мешенные белки (ламины, белки цитоскелета и др.), что вызывает апоптическую смерть клетки, ее распад на части, на апоптические тельца.
Апоптические тельца, окруженные плазматической мембраной разрушенной клетки, привлекают отдельные макрофаги, которые их поглощают и переваривают с помощью своих лизосом. Макрофаги не реагируют на соседние нормальные клетки, но узнают апоптические. Это связано с тем, что при апоптозе нарушается асимметрия плазматической мембраны и на ее поверхности появляется фосфатидилсерин, негативно заряженный фосфолипид, который в норме располагается в цитозольной части билипидной плазматической мембраны. Таким образом, путем избирательного фагоцитоза ткани как бы очищаются от погибших апоптозных клеток.
Как указывалось выше, апоптоз может быть вызван целым рядом внешних факторов, таких как радиация, действие некоторых токсинов, ингибиторов клеточного метаболизма. Необратимые повреждения ДНК вызывают апоптоз. Это связано с тем, что накапливающийся транскрипционный фактор – белок р53, не только активирует белок р21, который ингибирует зависящую от циклина киназу и останавливает клеточный цикл в G1- или G2‑фазе, но и активирует экспрессию гена bax, продукт которого запускает апоптоз.
Наличие контрольных точек в клеточном цикле необходимо для определения завершения его каждой фазы. Остановка клеточного цикла происходит при повреждении ДНК в G1 периоде, при неполной репликации ДНК в S‑фазе, при повреждении ДНК в G2‑периоде и при нарушении связи веретена деления с хромосомами.
Одним из контрольных пунктов в клеточном цикле является собственно митоз, который не переходит в анафазу при неправильной сборке веретена и при отсутствии полных связей микротрубочек с кинетохорами. В этом случае не происходит активации АРС-комплекса, не происходит деградации когезинов, соединяющих сестринские хрома-тиды, и деградации митотических циклинов, что необходимо для перехода в анафазу.
Повреждения ДНК препятствуют вхождению клеток в S‑период или в митоз. Если эти повреждения не катастрофические и могут быть восстановлены за счет репаративного синтеза ДНК, то блок клеточного цикла снимается, и цикл доходит до своего завершения. Если же повреждения ДНК значительные, то каким-то образом происходят стабилизация и накопление белка р53, концентрация которого в норме очень низкая из-за его нестабильности. Белок р53 является одним из факторов транскрипции, который стимулирует синтез белка р21, являющегося ингибитором комплекса СDК-циклин. Это приводит к тому, что клеточный цикл останавливается на стадии G1или G2. При блоке в G1‑периоде клетка с повреждением ДНК не вступает в S‑фазу, так как это могло бы привести к появлению мутантных клеток, среди которых могут быть и опухолевые клетки. Блокада в G2‑периоде также предотвращает процесс митоза клеток с повреждениями ДНК. Такие клетки, с блокированным клеточным циклом, в дальнейшем погибают путем апоптоза, программированной клеточной гибели (рис. 353).
При мутациях, приводящих к потере генов белка р53, или при их изменениях, блокады клеточного цикла не происходит, клетки вступают в митоз, что приводит к появлению мутантных клеток, большая часть из которых нежизнеспособна, другая – дает начало злокачественным клеткам.
Избирательные повреждения митохондрий, при которых в цитоплазму высвобождается цитохром с, также являются частой причиной развития апоптоза. Особенно митохондрии и другие клеточные компоненты страдают при образовании токсически активных форм кислорода (АТК), под действием которых во внутренней мембране митохондрий образуются неспецифические каналы с высокой проницаемостью для ионов, в результате чего матрикс митохондрий набухает, а внешняя мембрана разрывается. При этом растворенные в межмембранном пространстве белки вместе с цитохромом с выходят в цитоплазму. Среди освободившихся белков есть факторы, активирующие апоптоз, и прокаспаза 9.
Многие токсины (рицин, дифтерийный токсин и др.), а также антиметаболиты могут вызывать гибель клеток путем апоптоза. При нарушении синтеза белка в эндоплазматическом ретикулуме в развитии апоптоза участвует локализованная там прокаспаза 12, которая активирует ряд других каспаз, и в том числе каспазу 3.
Элиминация – удаление отдельных клеток путем апоптоза, наблюдается и у растений. Здесь апоптоз включает в себя, так же как у животных клеток, фазу индукции, эффекторную фазу и фазу деградации. Морфология гибели клеток растений сходна с изменениями клеток животных: конденсация хроматина и фрагментация ядра, олигонуклеотидная деградация ДНК, сжатие протопласта, его дробление на везикулы, разрыв плазмодесм и т.д. Однако везикулы протопласта разрушаются гидролазами самих везикул, так как у растений нет клеток, аналогичных фагоцитам. Так, ПКС происходит при росте клеток корневого чехлика, при формировании перфораций у листьев, при образовании ксилемы и флоэмы. Опадание листьев связано с избирательной гибелью клеток определенной зоны черенка.
Биологическая роль апоптоза, или программированной смерти клеток, очень велика: это удаление отработавших свое или ненужных на данном этапе развития клеток, а также удаление измененных или патологических клеток, особенно мутантных или зараженных вирусами.
Итак, для того чтобы клетки в многоклеточном организме существовали, нужны сигналы на их выживание – трофические факторы, сигнальные молекулы. Эти сигналы могут быть переданы на расстояние и уловлены соответствующими рецепторными молекулами на клетках-мишенях (гормональная, эндокринная сигнализация), это может быть паракринная связь, когда сигнал передается на соседнюю клетку (например, передача нейромедиатора). При отсутствии таких трофических факторов реализуется программа апоптоза. В то же время апоптоз может вызываться сигнальными молекулами, например при резорбции хвоста головастиков под действием тироксина. Кроме того, действие ряда токсинов, влияющих на отдельные звенья метаболизма клетки, также может стать причиной клеточной гибели посредством апоптоза.
Апоптоз в патогенеза заболеваний
1. В иммунной системе
2. ОНКОЛОГИЧЕСКИЕ ЗАБОЛЕВАНИЯ
3. ВИРУСНАЯ ИНФЕКЦИЯ (индуцирующие апоптоз: в. иммунодефицита человека‚ в. анемии циплят; ингибирующие апоптоз: цитомегаловирус‚ в. Эпштейна-Барр‚ в. герпеса)
4. А. и НЕЙРОНЫ КОРЫ ГОЛОВНОГО МОЗГА
ПРИНЦИПЫ КОРРЕКЦИИ АПОПТОЗА КЛЕТКИ
Открытие регулируемого процесса гибели клетки – апоптоза–позволило определенным образом воздействовать на его отдельные этапы с целью регуляции или коррекции.
Биохимические процессы развития апоптоза можно гипотетически разделить на несколько этапов:
Действие фактора, вызывающего апоптоз;
Передача сигнала с рецепторной молекулы в клеточное ядро;
Активация апоптозспецифических генов;
Синтез апоптозспецифических белков
Активация эндонуклеаз
Фрагментацию ДНК (рис. 2.4).
В настоящее время считают, что если клетка погибает путем апоптоза, то подразумевается возможность терапевтического вмешательства, если вследствие некроза, то такое вмешательство невозможно. На основе знаний регуляции запрограммированной гибели клетки используется широкий ряд препаратов с целью воздействия на этот процесс в различных типах клеток.
Так, сведения о рецепторопосредованной регуляции апоптоза клеток учитывают при лечении гормонзависимых опухолей.
Андрогенблокирующую терапию назначают при раке предстательной железы.
Рак молочной железы часто подвергается регрессии при использовании антагонистов эстрогеновых рецепторов.
Информация о биохимических сигналпередающих путях регуляции апоптоза позволяет эффективно применять антиоксидантную терапию, препараты, регулирующие концентрацию кальция, активаторы или ингибиторы различных протеинкиназ и т.д. с целью коррекции апоптоза в различных типах клеток.
Осознание роли апоптоза в гибели клеток интенсифицировало поиск фармакологических воздействий, защищающих клетки от апоптоза.
Активно изучаются ингибиторы специфических протеаз в качестве фармакологических агентов. Это, как правило, три- или тетрапептиды, содержащие аспарагиновую кислоту (Асп). Использование таких протеаз в терапевтических целях ограничено их низкой способностью проникать в клетку. Однако, несмотря на это, в экспериментах invivo успешно применяется Z-VAD-FMK – ингибитор ICE‑подобных протеаз широкого спектра действия для снижения зоны инфаркта при моделировании инсульта.
В ближайшие годы можно ожидать появления новых лекарственных средств для лечения и предупреждения различных заболеваний, основу действия которых будет составлять принцип регуляции процессов апоптоза.
Наиболее эффективны для коррекции апоптоза подходы, связанные с регуляцией апоптозспецифических генов. Эти подходы лежат в основе генной терапии – одного из перспективных направлений лечения больных с заболеваниями, вызванными нарушением функционирования отдельных генов.
Принципы генной терапии включают следующие этапы:
Идентификация последовательности ДНК, которая будет подвергаться лечению;
Определение типа клеток, в которых будет проводиться лечение;
Защита ДНК от гидролиза эндонуклеазами;
Транспорт ДНК в клетку (ядро).
Геннотерапевтические подходы позволяют
Усиливать работу отдельных генов (трансформация генов, ингибирующих апоптоз, например гена bcl‑2),
Ослаблять их экспрессию. Для селективного ингибирования экспрессии генов в настоящее время используют технику антисмысловых олигонуклеотидов (антисенсов). Использование антисенсов снижает синтез определенных белков, что влияет на регуляцию процесса апоптоза.
Механизм действия антисенсов активно изучается. В некоторых случаях короткие (13–17 оснований) антисмысловые олигонуклеотиды, имеющие последовательности, комплементарные нуклеотидным последовательностям матричной РНК (мРНК) отдельных белков, могут эффективно блокировать генетическую информацию на стадии, предшествующей транскрипции (рис. 2.5). Данные олигонуклеотиды, связываясь с ДНК, формируют триплетную спиральную структуру. Такое связывание может быть необратимым или вызывать селективное выщепление триплетного комплекса, что в итоге приводит к ингибированию экспрессии гена и гибели клетки. В других случаях происходит комплементарное связывание антисенса с мРНК, что вызывает нарушение трансляции и снижение концентрации соответствующего белка.
Триплетный комплекс
Рис. Регуляция экспрессии генов антисмысловыми олигонуклеотидами.
В настоящее время убедительно показано, что технология с использованием антисенсов имеет большое значение для регуляции отдельных генов в культуре клеток. Успешное подавление гена bcl‑2 в экспериментах на культурах клеток пробуждает надежду на применение в будущем антисенсов для лечения больных раком. Во многих экспериментах invitro показано, что антисенсы вызывают ингибирование пролиферации и дифференцировки клеток. Такой результат подтверждает перспективы терапевтического использования данной технологии.