Апоптоз (от древнегреческого : ἀπόπτωσις , латинизированный : apóptōsis , букв. «падение») — это форма запрограммированной гибели клеток , которая происходит в многоклеточных организмах и в некоторых эукариотических одноклеточных микроорганизмах, таких как дрожжи . [1] Биохимические события приводят к характерным изменениям клеток ( морфологии ) и их смерти. [2] Эти изменения включают образование пузырьков , сокращение клеток , фрагментацию ядра , конденсацию хроматина , фрагментацию ДНК и распад мРНК . Среднестатистический взрослый человек теряет от 50 до 70 миллиардов клеток каждый день из-за апоптоза. [a] Для среднестатистического человеческого ребенка в возрасте от восьми до четырнадцати лет ежедневная приблизительная потеря составляет от 20 до 30 миллиардов клеток. [4]
В отличие от некроза , который является формой травматической гибели клеток, возникающей в результате острого клеточного повреждения, апоптоз представляет собой строго регулируемый и контролируемый процесс, который дает преимущества в течение жизненного цикла организма. Например, разделение пальцев рук и ног у развивающегося человеческого эмбриона происходит потому, что клетки между пальцами подвергаются апоптозу. В отличие от некроза, при апоптозе образуются фрагменты клеток, называемые апоптотическими тельцами , которые фагоциты способны поглотить и удалить до того, как содержимое клетки сможет вылиться на окружающие клетки и вызвать их повреждение. [5]
Поскольку апоптоз не может остановиться, если он начался, это строго регулируемый процесс. Апоптоз может быть инициирован одним из двух путей. При внутреннем пути клетка убивает себя, потому что ощущает клеточный стресс , тогда как при внешнем пути клетка убивает себя из-за сигналов от других клеток. Слабые внешние сигналы могут также активировать внутренний путь апоптоза. [6] Оба пути вызывают гибель клеток путем активации каспаз , которые представляют собой протеазы или ферменты, которые расщепляют белки. Оба пути активируют каспазы-инициаторы, которые затем активируют каспазы-палачи, которые затем убивают клетку путем неизбирательной деградации белков.
Помимо своей важности как биологического явления, дефектные апоптотические процессы вовлечены в широкий спектр заболеваний. Чрезмерный апоптоз вызывает атрофию , тогда как недостаточное количество приводит к неконтролируемой пролиферации клеток, например, к раку . Некоторые факторы, такие как Fas-рецепторы и каспазы, способствуют апоптозу, тогда как некоторые члены семейства белков Bcl-2 ингибируют апоптоз. [7]
Немецкий ученый Карл Фогт первым описал принцип апоптоза в 1842 году. В 1885 году анатом Вальтер Флемминг дал более точное описание процесса запрограммированной гибели клеток. Однако только в 1965 году эта тема была возрождена. Изучая ткани с помощью электронной микроскопии, Джон Керр из Университета Квинсленда смог отличить апоптоз от травматической гибели клеток. [8] После публикации статьи, описывающей это явление, Керр был приглашен присоединиться к Аластеру Карри , а также к Эндрю Уилли , который был аспирантом Карри, [9] в Абердинском университете . В 1972 году трио опубликовало плодотворную статью в «Британском журнале рака» . [10] Керр первоначально использовал термин «запрограммированный некроз клеток», но в статье процесс естественной гибели клеток был назван апоптозом . Керр, Уилли и Карри выразили благодарность Джеймсу Кормаку, профессору греческого языка в Абердинском университете, за то, что он предложил термин «апоптоз». Керр получил премию Пауля Эрлиха и Людвига Дармштедтера 14 марта 2000 года за описание апоптоза. Он разделил премию с бостонским биологом Х. Робертом Хорвицем . [11]
В течение многих лет ни «апоптоз», ни «запрограммированная клеточная смерть» не были широко цитируемыми терминами. Два открытия вывели клеточную смерть из безвестности в важную область исследований: идентификация первого компонента контроля гибели клеток и эффекторных механизмов, а также связь аномалий клеточной гибели с болезнями человека, в частности раком. Это произошло в 1988 году, когда было показано, что BCL2, ген, ответственный за фолликулярную лимфому, кодирует белок, ингибирующий гибель клеток. [12]
Нобелевская премия по медицине 2002 года была присуждена Сидни Бреннеру , Х. Роберту Хорвицу и Джону Салстону за работу по выявлению генов, контролирующих апоптоз. Гены были идентифицированы в ходе исследований на нематоде C. elegans , и гомологи этих генов функционируют у человека, регулируя апоптоз.
В переводе с греческого апоптоз означает «опадение» листьев с дерева. [13] Кормак, профессор греческого языка, вновь ввел этот термин для медицинского использования, поскольку он имел медицинское значение для греков более двух тысяч лет назад. Гиппократ использовал этот термин в значении «отпадение костей». Гален расширил это значение до «сбрасывания струпьев». Кормак, без сомнения, знал об этом использовании, когда предлагал это название. Дебаты по поводу правильного произношения продолжаются, при этом мнения разделились между произношением со вторым p беззвучным ( / æ p ə ˈ t oʊ s ɪ s / ap-ə- TOH -sis [14] [15] ) и произносимым вторым p ( / eɪ p ə p ˈ t oʊ s ɪ s / ). [14] [16] В английском языке буква p в греческой группе согласных -pt- обычно не произносится в начале слова (например, птеродактиль , Птолемей ), но артикулируется при использовании в сочетании форм, которым предшествует гласная, как в слове «вертолет» . или отряды насекомых: двукрылые , чешуекрылые и др.
В оригинальной статье Керра, Уилли и Карри [10] есть сноска относительно произношения:
Мы очень благодарны профессору Джеймсу Кормаку с кафедры греческого языка Абердинского университета за предложение этого термина. Слово «апоптоз» ( ἀπόπτωσις ) используется в греческом языке для описания «опадания» или «опадания» лепестков с цветов или листьев с деревьев. Чтобы наглядно показать происхождение, мы предлагаем ударение ставить на предпоследний слог, а вторую половину слова произносить как «птоз» (с молчанием «п»), происходящее от того же корня «падать», и уже используется для описания опущения верхнего века.
Начало апоптоза жестко регулируется механизмами активации, поскольку, начавшись, апоптоз неизбежно приводит к гибели клетки. [17] [2] Двумя наиболее изученными механизмами активации являются внутренний путь (также называемый митохондриальным путем) и внешний путь. [18] Внутренний путь активируется внутриклеточными сигналами, генерируемыми при стрессе клеток, и зависит от высвобождения белков из межмембранного пространства митохондрий. [19] Внешний путь активируется внеклеточными лигандами, связывающимися с рецепторами смерти на клеточной поверхности, что приводит к образованию сигнального комплекса, индуцирующего смерть (DISC). [20]
Клетка инициирует внутриклеточную апоптозную передачу сигналов в ответ на стресс [21] , что может привести к самоубийству клетки. Связывание ядерных рецепторов глюкокортикоидами , [22] теплом, [22] радиацией, [22] лишением питательных веществ, [22] вирусной инфекцией, [22] гипоксией , [22] увеличением внутриклеточной концентрации свободных жирных кислот [23] и увеличением внутриклеточная концентрация кальция , [24] [25] , например, при повреждении мембраны, может вызвать высвобождение внутриклеточных сигналов апоптоза поврежденной клеткой. Ряд клеточных компонентов, таких как поли-АДФ-рибозо-полимераза , также могут способствовать регуляции апоптоза. [26] Флуктуации отдельных клеток наблюдались в экспериментальных исследованиях апоптоза, вызванного стрессом. [27] [28]
Прежде чем ферменты активизируют реальный процесс гибели клеток, апоптотические сигналы должны заставить регуляторные белки инициировать путь апоптоза. Этот шаг позволяет этим сигналам вызвать гибель клеток или остановить процесс, если клетке больше не нужно умирать. В этом задействовано несколько белков, но были идентифицированы два основных метода регуляции: нацеливание на функциональность митохондрий [29] или прямая передача сигнала через адаптерные белки к апоптотическим механизмам. Внешний путь инициации, выявленный в нескольких исследованиях токсинов, представляет собой увеличение концентрации кальция внутри клетки, вызванное активностью лекарственного средства, что также может вызывать апоптоз через кальций-связывающую протеазу кальпаин .
Внутренний путь также известен как митохондриальный путь. Митохондрии необходимы для многоклеточной жизни. Без них клетка перестает аэробно дышать и быстро погибает. Этот факт лежит в основе некоторых путей апоптоза. Апоптозные белки, нацеленные на митохондрии, влияют на них по-разному. Они могут вызывать набухание митохондрий за счет образования пор мембраны или могут увеличивать проницаемость митохондриальной мембраны и вызывать утечку апоптотических эффекторов. [22] [30] Также появляется все больше доказательств того, что оксид азота способен индуцировать апоптоз, помогая рассеивать мембранный потенциал митохондрий и, следовательно, делая его более проницаемым. [31] Оксид азота участвует в инициировании и ингибировании апоптоза благодаря его возможному действию в качестве сигнальной молекулы последующих путей, которые активируют апоптоз. [32]
Во время апоптоза цитохром с высвобождается из митохондрий под действием белков Bax и Bak . Механизм этого высвобождения загадочен, но, по-видимому, он обусловлен множеством гомо- и гетеродимеров Bax/Bak, встроенных во внешнюю мембрану. [33] Как только цитохром c высвобождается, он связывается с фактором активации апоптотической протеазы – 1 ( Apaf-1 ) и АТФ , которые затем связываются с прокаспазой-9 , образуя белковый комплекс, известный как апоптосома . Апоптосома расщепляет прокаспазу до ее активной формы каспазы-9 , которая, в свою очередь, расщепляет и активирует прокаспазу с образованием эффекторной каспазы-3 .
Митохондрии также высвобождают белки, известные как SMAC (второй митохондриальный активатор каспаз ), в цитозоль клетки после увеличения проницаемости мембран митохондрий. SMAC связывается с белками, которые ингибируют апоптоз (IAP), тем самым деактивируя их и не позволяя IAP остановить процесс и, следовательно, позволяя апоптозу продолжиться. IAP также обычно подавляет активность группы цистеиновых протеаз , называемых каспазами , [34] , которые осуществляют деградацию клетки. Таким образом, можно видеть, что фактические ферменты деградации косвенно регулируются проницаемостью митохондрий.
Были предложены две теории прямой инициации механизмов апоптоза у млекопитающих: модель , индуцированная TNF ( фактор некроза опухоли ), и модель , опосредованная лигандом Fas-Fas , обе с участием рецепторов семейства рецепторов TNF (TNFR) [35], сопряженных внешним сигналам.
TNF-альфа представляет собой цитокин, продуцируемый главным образом активированными макрофагами , и является основным внешним медиатором апоптоза. Большинство клеток человеческого организма имеют два рецептора TNF-альфа: TNFR1 и TNFR2 . Было показано, что связывание TNF-альфа с TNFR1 инициирует путь, который приводит к активации каспазы через промежуточные мембранные белки, ассоциированный с рецептором TNF домен смерти ( TRADD ) и белок домена смерти, ассоциированный с Fas ( FADD ). cIAP1 /2 может ингибировать передачу сигналов TNF-α путем связывания с TRAF2 . FLIP ингибирует активацию каспазы-8. [36] Связывание этого рецептора также может косвенно приводить к активации факторов транскрипции , участвующих в выживании клеток и воспалительных реакциях. [37] Однако передача сигналов через TNFR1 может также индуцировать апоптоз каспазо-независимым способом. [38] Связь между TNF-альфа и апоптозом показывает, почему аномальное производство TNF-альфа играет фундаментальную роль в некоторых заболеваниях человека, особенно в аутоиммунных заболеваниях . Суперсемейство рецепторов TNF-альфа также включает рецепторы смерти (DR), такие как DR4 и DR5 . Эти рецепторы связываются с белком TRAIL и опосредуют апоптоз. Известно, что апоптоз является одним из основных механизмов таргетной терапии рака. [39] Недавно были разработаны люминесцентные гибриды иридиевого комплекса и пептида (IPH), которые имитируют TRAIL и связываются с рецепторами смерти на раковых клетках, тем самым индуцируя их апоптоз. [40]
Рецептор Fas (первый сигнал апоптоза) – (также известный как Apo-1 или CD95 ) представляет собой трансмембранный белок семейства TNF, который связывает лиганд Fas (FasL). [35] Взаимодействие между Fas и FasL приводит к образованию сигнального комплекса, индуцирующего смерть (DISC), который содержит FADD, каспазу-8 и каспазу-10. В некоторых типах клеток (тип I) процессированная каспаза-8 напрямую активирует других членов семейства каспаз и запускает апоптоз клетки. В других типах клеток (тип II) Fas -DISC запускает петлю обратной связи, которая приводит к увеличению высвобождения проапоптотических факторов из митохондрий и усиленной активации каспазы-8. [41]
После активации TNF-R1 и Fas в клетках млекопитающих [ нужна ссылка ] баланс между проапоптотическим ( BAX , [42] BID , BAK или BAD ) и антиапоптотическим ( Bcl-Xl и Bcl-2 ) членами Bcl -2. семья создана. Этот баланс представляет собой долю проапоптотических гомодимеров , образующихся во внешней мембране митохондрии. Проапоптотические гомодимеры необходимы для того, чтобы сделать митохондриальную мембрану проницаемой для высвобождения активаторов каспаз, таких как цитохром с и SMAC. Контроль проапоптотических белков в нормальных клеточных условиях неапоптотических клеток до конца не изучен, но в целом Bax или Bak активируются путем активации белков только BH3, входящих в семейство Bcl-2 . [43]
Каспазы играют центральную роль в передаче апоптотических сигналов ЭР. Каспазы представляют собой белки, которые представляют собой высококонсервативные цистеин-зависимые аспартат-специфические протеазы. Существует два типа каспаз: инициаторные каспазы (каспазы 2, 8, 9, 10, 11 и 12) и эффекторные каспазы (каспазы 3, 6 и 7). Активация инициаторных каспаз требует связывания со специфическим олигомерным белком-активатором . Эффекторные каспазы затем активируются этими активными каспазами-инициаторами посредством протеолитического расщепления. Активные эффекторные каспазы затем протеолитически разрушают множество внутриклеточных белков, запуская программу гибели клеток.
Также существует каспазо-независимый путь апоптоза, опосредованный AIF ( фактором, индуцирующим апоптоз ). [44]
Лягушка Xenopus laevis служит идеальной модельной системой для изучения механизмов апоптоза. Фактически, йод и тироксин также стимулируют впечатляющий апоптоз клеток личиночных жабр, хвоста и плавников при метаморфозе амфибий и стимулируют эволюцию их нервной системы, превращая водного головастика-вегетарианца в наземную плотоядную лягушку . [45] [46] [47] [48]
Негативная регуляция апоптоза ингибирует сигнальные пути гибели клеток, помогая опухолям избежать гибели клеток и развития устойчивости к лекарствам . Соотношение антиапоптотических (Bcl-2) и проапоптотических (Bax) белков определяет, будет ли клетка жить или погибать. [49] [50] Многие семейства белков действуют как негативные регуляторы, которые подразделяются либо на антиапоптотические факторы, такие как IAPs и белки Bcl-2 , либо на факторы выживания, такие как cFLIP , BNIP3 , FADD , Akt и NF-κB . [51]
Многие пути и сигналы приводят к апоптозу, но они сходятся в одном механизме, который фактически вызывает смерть клетки. После того, как клетка получает стимул, она подвергается организованной деградации клеточных органелл активированными протеолитическими каспазами . Помимо разрушения клеточных органелл, мРНК быстро и глобально деградирует по механизму, который еще полностью не изучен. [52] Распад мРНК запускается на очень ранней стадии апоптоза.
Клетка, подвергающаяся апоптозу, демонстрирует ряд характерных морфологических изменений. Ранние изменения включают в себя:
Апоптоз быстро прогрессирует, и его продукты быстро удаляются, что затрудняет его обнаружение или визуализацию на классических гистологических срезах. Во время кариорексиса активация эндонуклеазы оставляет короткие фрагменты ДНК, равномерно расположенные по размеру. Они придают агаровому гелю после электрофореза характерный «лестничный» вид . [57] Тесты на лестничное соединение ДНК позволяют отличить апоптоз от ишемической или токсической гибели клеток. [58]
Прежде чем апоптотическая клетка будет уничтожена, происходит процесс разборки. Есть три общепризнанных этапа апоптотической разборки клеток: [60]
Удаление мертвых клеток соседними фагоцитирующими клетками называется эффероцитозом . [66] Умирающие клетки, которые проходят заключительные стадии апоптоза, обнаруживают на своей клеточной поверхности фагоцитозные молекулы, такие как фосфатидилсерин . [67] Фосфатидилсерин обычно обнаруживается на внутренней поверхности листков плазматической мембраны, но во время апоптоза перераспределяется на внеклеточную поверхность белком, известным как скрамблаза . [68] Эти молекулы маркируют клетку для фагоцитоза клетками, обладающими соответствующими рецепторами, такими как макрофаги. [69] Удаление умирающих клеток фагоцитами происходит упорядоченно, не вызывая воспалительной реакции . [70] Во время апоптоза клеточные РНК и ДНК отделяются друг от друга и сортируются по разным апоптотическим тельцам; разделение РНК инициируется как ядрышковая сегрегация. [71]
Было сделано множество нокаутов в путях апоптоза, чтобы проверить функцию каждого из белков. Несколько каспаз, помимо APAF1 и FADD , были мутированы для определения нового фенотипа. Чтобы создать нокаут фактора некроза опухоли (TNF), из гена был удален экзон, содержащий нуклеотиды 3704–5364. [72] Этот экзон кодирует часть зрелого домена TNF, а также лидерную последовательность, которая представляет собой высококонсервативную область, необходимую для правильного внутриклеточного процессинга. Мыши TNF-/- развиваются нормально и не имеют грубых структурных или морфологических аномалий. Однако после иммунизации SRBC (овечьими эритроцитами) у этих мышей наблюдалось нарушение созревания гуморального ответа; они были способны генерировать нормальные уровни IgM, но не могли развивать специфические уровни IgG. [73] Apaf-1 — это белок, который включает каспазу 9 путем расщепления, запуская каскад каспаз, который приводит к апоптозу. [74] Поскольку мутация -/- в гене APAF-1 является летальной для эмбриона, для создания мыши APAF-1 -/- была использована стратегия генной ловушки. Этот анализ используется для нарушения функции гена путем создания внутригенного слияния генов. Когда ловушка гена APAF-1 вводится в клетки, происходит множество морфологических изменений, таких как расщелина позвоночника, сохранение межпальцевых перепонок и открытый мозг. [75] Кроме того, после 12,5-го дня эмбрионального развития в мозгу эмбрионов наблюдались некоторые структурные изменения. Клетки APAF-1 защищены от стимулов апоптоза, таких как облучение. У мышей с нокаутом BAX-1 наблюдается нормальное формирование переднего мозга и сниженная запрограммированная гибель клеток в некоторых популяциях нейронов и в спинном мозге, что приводит к увеличению числа мотонейронов. [76]
Белки каспазы являются неотъемлемой частью пути апоптоза, поэтому отсюда следует, что нокауты имеют разные разрушительные последствия. Нокаут каспазы 9 приводит к серьезному пороку развития головного мозга . Нокаут каспазы 8 приводит к сердечной недостаточности и, следовательно, к эмбриональной смертности . Однако с использованием технологии Cre -lox был создан нокаут каспазы 8, который демонстрирует увеличение количества периферических Т-клеток, нарушение ответа Т-клеток и дефект закрытия нервной трубки . Было обнаружено, что эти мыши устойчивы к апоптозу, опосредованному CD95, TNFR и т. д., но не устойчивы к апоптозу, вызванному УФ-облучением, химиотерапевтическими препаратами и другими стимулами. Наконец, нокаут каспазы 3 характеризовался эктопическими клеточными массами в головном мозге и аномальными признаками апоптоза, такими как образование пузырьков на мембране или фрагментация ядра . Примечательной особенностью этих мышей КО является то, что они имеют очень ограниченный фенотип: мыши Casp3, 9, APAF-1 KO имеют деформации нервной ткани, а FADD и Casp 8 KO обнаруживают дефекты развития сердца, однако при обоих типах КО наблюдаются дефекты в развитии других органов. развивались нормально, а некоторые типы клеток все еще были чувствительны к апоптотическим стимулам, что позволяет предположить существование неизвестных проапоптотических путей.
Для сравнения апоптотических и некротических клеток можно использовать визуализацию живых клеток без меток , покадровую микроскопию , проточную флуороцитометрию и трансмиссионную электронную микроскопию . Существуют также различные биохимические методы анализа маркеров клеточной поверхности (воздействие фосфатидилсерина в зависимости от проницаемости клеток методом проточной цитометрии), клеточных маркеров, таких как фрагментация ДНК [77] (проточная цитометрия), [78] активация каспаз, расщепление Bid и высвобождение цитохрома с. ( Вестерн-блоттинг ). Скрининг супернатанта на высвобождение каспаз, HMGB1 и цитокератина 18 позволяет идентифицировать первичные и вторичные некротические клетки. Однако четких поверхностных или биохимических маркеров некротической гибели клеток пока не выявлено, и доступны только отрицательные маркеры. К ним относятся отсутствие маркеров апоптоза (активация каспаз, высвобождение цитохрома С и фрагментация олигонуклеосомальной ДНК) и дифференциальная кинетика маркеров гибели клеток (воздействие фосфатидилсерина и проницаемость клеточных мембран). В этих ссылках можно найти подборку методов, которые можно использовать для отличия апоптоза от некроптозных клеток. [79] [80] [81] [82]
Множество различных типов путей апоптоза содержат множество различных биохимических компонентов, многие из которых еще не изучены. [83] Поскольку путь по своей природе более или менее последователен, удаление или модификация одного компонента приводит к эффекту в другом. В живом организме это может иметь катастрофические последствия, часто в виде заболеваний или расстройств. Обсуждение каждого заболевания, вызванного модификацией различных путей апоптоза, было бы непрактичным, но концепция, лежащая в основе каждого из них, одна и та же: нормальное функционирование пути было нарушено таким образом, что ухудшалась способность клетки подвергаться нормальный апоптоз. В результате клетка доживает до истечения своего «срока годности» и способна воспроизводить и передавать любой неисправный механизм своему потомству, увеличивая вероятность того, что клетка станет раковой или больной.
Недавно описанный пример этой концепции в действии можно увидеть в развитии рака легких под названием NCI-H460 . [84] Х -связанный ингибитор белка апоптоза ( XIAP ) сверхэкспрессируется в клетках клеточной линии H460 . XIAP связываются с процессированной формой каспазы-9 и подавляют активность активатора апоптоза цитохрома с , поэтому сверхэкспрессия приводит к уменьшению количества проапоптотических агонистов. Как следствие, баланс антиапоптотических и проапоптотических эффекторов нарушается в пользу первых, и поврежденные клетки продолжают размножаться, несмотря на то, что они направлены на смерть. Дефекты регуляции апоптоза в раковых клетках часто возникают на уровне контроля факторов транскрипции. Конкретный пример: дефекты в молекулах, которые контролируют транскрипционный фактор NF-κB при раке, изменяют режим регуляции транскрипции и реакцию на апоптотические сигналы, чтобы уменьшить зависимость от ткани, которой принадлежит клетка. Такая степень независимости от внешних сигналов выживания может способствовать метастазированию рака. [85]
Белок-супрессор опухолей р53 накапливается при повреждении ДНК под действием цепочки биохимических факторов. Часть этого пути включает альфа- интерферон и бета-интерферон, которые индуцируют транскрипцию гена p53 , что приводит к повышению уровня белка p53 и усилению апоптоза раковых клеток. [86] р53 предотвращает репликацию клетки, останавливая клеточный цикл на G1 или интерфазе, чтобы дать клетке время на восстановление; однако он вызовет апоптоз, если повреждение обширно и попытки восстановления не увенчались успехом. [87] Любое нарушение регуляции генов р53 или интерферона приведет к нарушению апоптоза и возможному образованию опухолей.
Подавление апоптоза может привести к ряду раковых заболеваний, воспалительных заболеваний и вирусных инфекций. Первоначально считалось, что связанное с этим накопление клеток происходит из-за увеличения клеточной пролиферации, но теперь известно, что это также происходит из-за уменьшения гибели клеток. Наиболее распространенным из этих заболеваний является рак, заболевание чрезмерной клеточной пролиферации, которое часто характеризуется сверхэкспрессией членов семейства IAP . В результате злокачественные клетки испытывают аномальную реакцию на индукцию апоптоза: гены, регулирующие цикл (такие как p53, ras или c-myc), мутируют или инактивируются в больных клетках, а другие гены (такие как bcl-2) также модифицируют их экспрессия в опухолях. Некоторые факторы апоптоза жизненно важны во время митохондриального дыхания, например, цитохром C. [88] Патологическая инактивация апоптоза в раковых клетках коррелирует с частыми дыхательными метаболическими сдвигами в сторону гликолиза (наблюдение, известное как «гипотеза Варбурга». [89]
Апоптоз в клетках HeLa [b] ингибируется белками, продуцируемыми клеткой; эти ингибирующие белки нацелены на белки, подавляющие опухоль ретинобластомы. [90] Эти белки, подавляющие опухоль, регулируют клеточный цикл, но становятся неактивными при связывании с ингибирующим белком. [90] ВПЧ E6 и E7 представляют собой ингибирующие белки, экспрессируемые вирусом папилломы человека, причем ВПЧ отвечает за образование опухоли шейки матки, из которой происходят клетки HeLa. [91] ВПЧ E6 приводит к тому, что р53, который регулирует клеточный цикл, становится неактивным. [92] ВПЧ E7 связывается с белками, подавляющими опухоль ретинобластомы, и ограничивает его способность контролировать деление клеток. [92] Эти два ингибирующих белка частично ответственны за бессмертие клеток HeLa, подавляя возникновение апоптоза. [93]
Основной метод лечения потенциальной смерти от заболеваний, связанных с передачей сигналов, включает либо увеличение, либо уменьшение восприимчивости к апоптозу в больных клетках, в зависимости от того, вызвано ли заболевание ингибированием или избыточным апоптозом. Например, лечение направлено на восстановление апоптоза для лечения заболеваний с недостаточной гибелью клеток и на повышение порога апоптоза для лечения заболеваний, связанных с чрезмерной гибелью клеток. Чтобы стимулировать апоптоз, можно увеличить количество лигандов рецепторов смерти (таких как TNF или TRAIL), противодействовать антиапоптотическому пути Bcl-2 или ввести миметики Smac для ингибирования ингибитора (IAP). [49] Добавление таких агентов, как Герцептин, Иресса или Гливек, останавливает циклический цикл клеток и вызывает активацию апоптоза, блокируя рост и передачу сигналов выживания дальше по ходу процесса. Наконец, добавление комплексов p53- MDM2 вытесняет p53 и активирует путь p53, что приводит к остановке клеточного цикла и апоптозу. Можно использовать множество различных методов для стимуляции или ингибирования апоптоза в различных местах сигнального пути смерти. [94]
Апоптоз — это многоэтапная программа гибели клеток с множеством путей, присущая каждой клетке организма. При раке изменяется коэффициент деления клеток апоптоза. Лечение рака химиотерапией и облучением убивает клетки-мишени, главным образом, путем индукции апоптоза.
С другой стороны, потеря контроля над гибелью клеток (приводящая к избыточному апоптозу) может привести к нейродегенеративным заболеваниям, гематологическим заболеваниям и повреждению тканей. Нейроны, которые зависят от митохондриального дыхания, подвергаются апоптозу при нейродегенеративных заболеваниях, таких как болезнь Альцгеймера [95] и болезнь Паркинсона. [96] (наблюдение, известное как «обратная гипотеза Варбурга» [88] [97] ). Более того, существует обратная эпидемиологическая коморбидность между нейродегенеративными заболеваниями и раком. [98] Прогрессирование ВИЧ напрямую связано с избыточным нерегулируемым апоптозом. У здорового человека количество CD4+ лимфоцитов находится в равновесии с клетками, вырабатываемыми костным мозгом; однако у ВИЧ-положительных пациентов этот баланс теряется из-за неспособности костного мозга регенерировать CD4+ клетки. В случае ВИЧ CD4+ лимфоциты умирают ускоренными темпами в результате неконтролируемого апоптоза при стимуляции. На молекулярном уровне гиперактивный апоптоз может быть вызван дефектами сигнальных путей, регулирующих белки семейства Bcl-2. Повышенная экспрессия апоптотических белков, таких как BIM, или снижение их протеолиза приводит к гибели клеток и может вызывать ряд патологий, в зависимости от клеток, в которых возникает чрезмерная активность BIM. Раковые клетки могут избежать апоптоза за счет механизмов, подавляющих экспрессию BIM, или за счет усиления протеолиза BIM. [ нужна цитата ]
Лечение, направленное на ингибирование, блокирует определенные каспазы. Наконец, протеинкиназа Akt способствует выживанию клеток двумя путями. Akt фосфорилирует и ингибирует Bad (член семейства Bcl-2), заставляя Bad взаимодействовать с каркасом 14-3-3 , что приводит к диссоциации Bcl и, таким образом, к выживанию клеток. Akt также активирует IKKα, что приводит к активации NF-κB и выживанию клеток. Активный NF-κB индуцирует экспрессию антиапоптотических генов, таких как Bcl-2, что приводит к ингибированию апоптоза. Было обнаружено, что NF-κB играет как антиапоптотическую, так и проапоптотическую роль в зависимости от используемых стимулов и типа клеток. [99]
Прогрессирование инфекции, вызванной вирусом иммунодефицита человека , в СПИД обусловлено прежде всего истощением CD4+ Т-хелперных лимфоцитов, которое происходит слишком быстро, чтобы костный мозг организма мог пополнить клетки, что приводит к нарушению иммунной системы. Одним из механизмов истощения Т-хелперных клеток является апоптоз, который возникает в результате ряда биохимических путей: [100]
Клетки также могут погибнуть в результате прямых последствий вирусных инфекций. Экспрессия ВИЧ-1 вызывает остановку G2/M и апоптоз тубулярных клеток. [101] Переход от ВИЧ к СПИДу не является немедленным и даже не обязательно быстрым; Цитотоксическая активность ВИЧ в отношении CD4+ лимфоцитов классифицируется как СПИД, если количество CD4+ клеток у данного пациента падает ниже 200. [102]
Исследователи из Университета Кумамото в Японии разработали новый метод уничтожения ВИЧ в клетках-резервуарах вируса, получивший название «Запирание и апоптоз». Используя синтезированное соединение гептаноилфосфатидил L-инозитол пентакисфосфат (или L-гиппо) для прочного связывания с белком ВИЧ PR55Gag, они смогли подавить почкование вируса. Подавив вирусное почкование, исследователи смогли поймать вирус ВИЧ в клетке и позволить клетке подвергнуться апоптозу (естественной гибели клеток). Доцент Микако Фудзита заявила, что этот подход пока недоступен для пациентов с ВИЧ, поскольку исследовательской группе предстоит провести дальнейшие исследования по объединению существующей в настоящее время медикаментозной терапии с подходом «блокировки и апоптоза», чтобы привести к полному выздоровлению от ВИЧ. . [103]
Вирусная индукция апоптоза происходит при заражении одной или нескольких клеток живого организма вирусом , что приводит к гибели клеток. Гибель клеток в организмах необходима для нормального развития клеток и созревания клеточного цикла. [104] Это также важно для поддержания регулярных функций и активности клеток.
Вирусы могут вызывать апоптоз инфицированных клеток посредством ряда механизмов, включая:
Известно, что вирус чумы собак (CDV) вызывает апоптоз в центральной нервной системе и лимфоидной ткани инфицированных собак in vivo и in vitro. [106] Апоптоз, вызванный CDV, обычно индуцируется внешним путем , который активирует каспазы , которые нарушают клеточную функцию и в конечном итоге приводят к гибели клеток. [90] В нормальных клетках CDV сначала активирует каспазу-8, которая действует как белок-инициатор, а затем белок-исполнитель каспаза-3. [90] Однако апоптоз, индуцированный CDV в клетках HeLa, не затрагивает белок-инициатор каспазу-8. Апоптоз клеток HeLa, вызванный CDV, имеет другой механизм, чем в клеточных линиях vero. [90] Это изменение в каскаде каспаз позволяет предположить, что CDV индуцирует апоптоз по внутреннему пути , исключая необходимость в инициаторе каспазе-8. Вместо этого белок-палач активируется внутренними стимулами, вызванными вирусной инфекцией, а не каспазным каскадом. [90]
Вирус Оропуш ( OROV) встречается в семействе Bunyaviridae . Изучение апоптоза, вызываемого буньявирусами, было начато в 1996 году, когда было обнаружено, что вирус Ла-Кросс индуцирует апоптоз в клетках почек детенышей хомячков и в мозге детенышей мышей. [107]
ОРОВ — заболевание, передающееся между людьми мокрецами ( Culicoides paraensis ). [108] Его называют зоонозным арбовирусом , и он вызывает лихорадочное заболевание, характеризующееся внезапным появлением лихорадки, известной как лихорадка Оропуш. [109]
Вирус Оропуш также вызывает разрушение культивируемых клеток – клеток, которые культивируются в разных и специфических условиях. Пример этого можно увидеть на клетках HeLa , где клетки начинают деградировать вскоре после заражения. [107]
С помощью гель-электрофореза можно наблюдать, что OROV вызывает фрагментацию ДНК в клетках HeLa. Это можно интерпретировать путем подсчета, измерения и анализа клеток популяции клеток Sub/G1. [107] Когда клетки HeLA инфицированы OROV, цитохром С высвобождается из мембраны митохондрий в цитозоль клеток. Этот тип взаимодействия показывает, что апоптоз активируется внутренним путем. [104]
Для того, чтобы апоптоз произошел внутри OROV, необходимо снятие покрытия с вируса, интернализация вируса, а также репликация клеток. Апоптоз у некоторых вирусов активируется внеклеточными стимулами. Однако исследования показали, что инфекция OROV вызывает активацию апоптоза посредством внутриклеточных стимулов и затрагивает митохондрии. [107]
Многие вирусы кодируют белки, которые могут ингибировать апоптоз. [110] Некоторые вирусы кодируют вирусные гомологи Bcl-2. Эти гомологи могут ингибировать проапоптотические белки, такие как BAX и BAK, которые необходимы для активации апоптоза. Примеры вирусных белков Bcl-2 включают белок BHRF1 вируса Эпштейна-Барра и белок 19K аденовируса E1B. [111] Некоторые вирусы экспрессируют ингибиторы каспаз, которые ингибируют активность каспаз, примером является белок CrmA вирусов коровьей оспы. Хотя ряд вирусов могут блокировать действие TNF и Fas. Например, белок М-Т2 вирусов миксомы может связывать TNF, предотвращая его связывание с рецептором TNF и индуцируя ответ. [112] Кроме того, многие вирусы экспрессируют ингибиторы р53, которые могут связывать р53 и ингибировать его транскрипционную трансактивационную активность. Как следствие, р53 не может индуцировать апоптоз, поскольку он не может индуцировать экспрессию проапоптотических белков. Белок аденовируса E1B-55K и белок HBx вируса гепатита B являются примерами вирусных белков, которые могут выполнять такую функцию. [113]
Вирусы могут оставаться неповрежденными после апоптоза, особенно на последних стадиях инфекции. Они могут экспортироваться в апоптотических тельцах , которые отщипываются от поверхности умирающей клетки, а тот факт, что они поглощаются фагоцитами, предотвращает инициацию ответа хозяина. Это способствует распространению вируса. [112] Прионы могут вызывать апоптоз нейронов .
Запрограммированная гибель клеток у растений имеет ряд молекулярных сходств с апоптозом животных, но имеет и различия, заметными из которых являются наличие клеточной стенки и отсутствие иммунной системы , удаляющей кусочки мертвой клетки. Вместо иммунного ответа умирающая клетка синтезирует вещества для своего расщепления и помещает их в вакуоль, которая разрывается при смерти клетки. Кроме того, растения не содержат фагоцитирующих клеток, которые необходимы в процессе разрушения и удаления апоптотических тел. [114] Неясно , напоминает ли весь этот процесс апоптоз животных настолько, чтобы можно было использовать название « апоптоз» (в отличие от более общего «запрограммированная клеточная смерть »). [115] [116]
Характеристика каспаз позволила разработать ингибиторы каспаз, которые можно использовать для определения того, участвуют ли в клеточном процессе активные каспазы. С помощью этих ингибиторов было обнаружено, что клетки могут погибать, сохраняя морфологию, аналогичную апоптозу, без активации каспаз. [117] Более поздние исследования связали это явление с высвобождением AIF ( фактора, индуцирующего апоптоз ) из митохондрий и его транслокацией в ядро, опосредованной его NLS ( сигналом ядерной локализации ). Внутри митохондрий AIF прикреплен к внутренней мембране. Для высвобождения белок расщепляется кальций-зависимой кальпаиновой протеазой .
{{cite journal}}
: CS1 maint: DOI неактивен по состоянию на январь 2024 г. ( ссылка )