Який фермент активуються у процесі апоптозу?

Апоптосома залучає і активує ініціаторну прокаспазу-9, яка після цього може активувати ініціаторні прокаспази. У деяких клітинах зовнішній шлях апоптозу повинен активувати внутрішній для того щоб ефективно знищити клітину. Внутрішній шлях суворо регулюється білками родини Bcl-2.

Що відбувається під час апоптозу?

apoptosis — опадання) — генетично запрограмована загибель клітини, в якій провідну роль відіграють внутрішньоклітинні механізми, що спричиняють «ретельне» розбирання і видалення клітини. За допомогою апоптозу здійснюється регуляція кількості клітин у тій чи іншій тканині як у процесі розвитку, так і в гомеостазі. Кеш

Що таке апоптоз і некроз?

Природна запрограмована смерть клітини називається апоптозом, на відміну від некрозу – пасивної загибелі клітин внаслідок інтенсивної дії шкідливих факторів навколишнього середовища (травм, нестачі кисню, високої температури тощо).

АПОПТОЗ

Апоптоз (грец. apoptosis — опадання) — генетично запрограмована загибель клітини, в якій провідну роль відіграють внутрішньоклітинні механізми, що спричиняють «ретельне» розбирання і видалення клітини. За допомогою апоптозу здійснюється регуляція кількості клітин у тій чи іншій тканині як у процесі розвитку, так і в гомеостазі. У нормі апоптоз спрямований на видалення надлишково утворених клітин або клітин із серйозними порушеннями структури або функції генетичного апарата. Для клітин апоптоз виступає як ознака завершення її фізіологічної ролі або розвитку несумісних із подальшою життєдіяльністю біохімічних, морфологічних, функціональних змін. Для популяції клітин він є регулятором чисельності, способом оновлення або маркером розвитку патологічних змін у відповідному сегменті тканин чи органа.

Загибель клітини відбувається за типом апоптоза, аутофагоцитозу та/чи некрозу (див. Некроз). Кожен з них має свої чітко виражені ознаки та особливості. Морфологічними ознаками апоптозу є фрагментація ДНК, ущільнення хроматину, наступний розпад клітинного ядра, поступова зміна об’єму і форми самої клітини внаслідок зморщування цитоплазматичної мембрани, а також фрагментація клітини на мембранні везикули. Ці везикули, які називаються апоптозними тільцями, у подальшому фагоцитуються макрофагами або сусідніми клітинами. Апоптоз — це процес, що спричиняє не лізис клітини, а її фрагментацію, розпад. При цьому не розвивається запальна реакція. Наявність або відсутність запалення у тварин використовується як ознака, що дозволяє відрізнити апоптоз від некрозу. Більшість учених вважає, що апоптоз настає внаслідок ензиматичного розпаду хроматину в ядрі клітини. Щоб запустити цей процес клітина повинна синтезувати у великій кількості ферменти — нуклеази, а для цього, у свою чергу, в клітині має відбутися посилення процесів транскрипції (див. Транскрипція) і трансляції (див. Трансляція). Є дані, що інгібітори білкового синтезу — циклогексимід і пуроміцин — блокують ензиматичний розпад хроматину і можуть запобігти або відстрочити апоптоз, який є послідовним багатостадійним процесом. Спочатку відбувається прийом сигналу, провісника загибелі, у вигляді інформації, що надходить до клітини ззовні або виникає усередині самої клітини. Сигнал сприймається, піддається аналізові. Далі через рецептори або їхні сполучення отриманий сигнал послідовно передається молекулам-посередникам (месенджерам) різного порядку і, нарешті, досягає ядра, де й відбувається вмикання програми клітинного самогубства шляхом активації летальних і/або репресії антилетальних генів. Однак існування запрограмованої клітинної загибелі у без’ядерних клітинах вказує на те, що наявність ядра не завжди є обов’язковою для реалізації процесу апоптозу, який є енергозалежним процесом. Залучення мітохондрій сприяє його розвитку за рахунок падіння трансмембранного потенціалу, виходу фактора, що ініціює апоптоз (протеаза АІФ), і цитохрому С. На сьогодні відомо кілька шляхів запуску і реалізації апоптозу, але стосовно клітин тварин і людини цей вид клітинної загибелі у більшості випадків пов’язують з роботою спеціальних ферментів — каспаз, сімейства цистеїнових протеаз. Встановлено, що активація каскаду каспаз може відбуватися по-різному: за участю мітохондріальних білків внаслідок руйнування мембрани цих органел; залежно від роботи апоптозних рецепторів плазматичної мембрани; в результаті комбінованої дії цих двох шляхів; за участю ендоплазматичного ретикулуму та ін. Так, напр., дія тапсигаргіну або іонофорного антибіотика А23187 призводить до ЕР-залежного А. У багатьох випадках особливості перебігу апоптозу опосередковані змінами концентрації іонів кальцію всередині клітини, тому речовини, які можуть змінювати вміст Са 2+ , можуть впливати і на А. деяких клітин. Відомо також, що цитотоксичні лімфоцити, Т-кілери, можуть спричиняти апоптоз в інфікованих клітинах, активуючи каспази за допомогою білка перфорину, а в деяких клітинах апоптоз індукується внаслідок адгезії клітин за участю інтегринів.

Значення апоптозу в організмі тварин і людини дуже велике. Програмована смерть клітини відзначається в нормі як у дорослого, так і в процесах ембріонального розвитку (див. Ембріональний розвиток), а також при патології. Так, у період ембріонального розвитку апоптозу спостерігається при розвитку статевої системи у ссавців, коли гинуть клітини вольфових або мюллерових каналів. У дорослому віці за допомогою апоптозу гинуть клітини яєчника після овуляції, клітини молочної залози після лактації, шванновські клітини внаслідок дегенерації аксону, клітини в ході відновлення тканин тощо. Крім того, апоптоз є вагомим фактором імунітету, оскільки загибель зараженої клітини може запобігти поширенню інфекції в організмі, хоча у деяких інфекційних агентів, напр. токсоплазмі, виробилися спеціальні механізми для запобігання передчасної загибелі заражених клітин. Апоптоз — це також один з основних механізмів самопрофілактики онкологічних захворювань. Шляхом апоптозу елімінуються трансформовані клітини, напр. при канцерогенній дегенерації, вірусній інфекції чи незворотному ушкодженні ДНК у разі опромінення. Таким чином, апоптоз може бути спричинений цілою низкою зовнішніх факторів, таких як радіація, дія токсинів (рицин, дифтерійний токсин), інгібіторів клітинного метаболізму, а також деяких фармакологічних препаратів. Деякі речовини, напр. стероїдні гормони, проявляють диференційований ефект на апоптоз різних типів клітин — запобігають цьому процесу в одних клітинах та індукують його в інших. Оскільки фізіологічна роль апоптозу дуже істотна, порушення цього процесу можуть бути досить шкідливими для організму. Так, ослаблення здатності клітин до апоптозу сприяє розвитку злоякісних пухлин або автоімунних захворювань. При лікуванні протираковими препаратами нерідко виникає стійкість до них, що є головною причиною недостатньої ефективності хіміотерапії злоякісних пухлин. Ця стійкість має в різних випадках різну природу, але одна з них — порушення роботи апоптозної системи. Променева терапія онкологічних захворювань також заснована на здатності опромінення спричиняти А. насамперед у клітинах, які активно діляться. Несвоєчасний апоптоз, у свою чергу, також є причиною деяких патологій. Так, напр., надлишковий апоптоз нейронів мозку сприяє розвитку хвороб Альцгеймера і Паркінсона. Крім того, встановлений високий рівень апоптозу непосмугованих м’язових клітин судин в атеросклеротичних бляшках людини. Механізми переходу апоптозу до розряду патологічних процесів залишаються недостатньо вивченими.

Знання про особливості механізмів програмованої загибелі клітини можуть допомогти лікарям і фармацевтам у створенні нових і раціональному використанні наявних засобів корекції та профілактики багатьох патологічних станів, які пов’язані з порушеннями апоптозу . Напр. дигідропіридинові блокатори кальцієвих каналів чинять антиапоптичну дію, що позитивно впливає на перебіг порушень мозкового кровообігу.

Гордеева А.В., Лабас Ю.А. Одноклеточные альтруисты // Природа, 2005. — № 3; Программированная клеточная смерть / Под ред. В.С. Новикова. — СПб, 1996; Самуилов В.Д., Олескин А.В., Лагунова Е.М. Программируемая клеточная смерть // Биохимия, 2002. — № 1; Ченцов Ю.С. Введение в клеточную биологию — М., 2004; Sullivan J.A. Apoptosis: dance of death // Science and Technology. — 2005.– № 27 (1).

Інші статті автора

Питання 2. Шляхи апоптозу клітин

За ініціюючими частинами розрізняють такі шляхи апоптозу:

1. Рецептори апоптозу - група білків CD95 (Apo-1 абоFas) і TNF-R (фактор пухлинного некрозу). TNF-альфа - високо цитотоксична молекула, використовувалась як ліки проти раку. TNF-R1 - рецептор широко поширений і тому не може бути вибірковим. Інші представники цієї групи мають домен клітинної смерті (DD death domain) - домен білок-білкової взаємодії, що зв'язується з білком адаптором, таким як FADD. Активація рецепторів апоптозу лігандами (наприклад, CD-95L і TNF-альфа приводить до активації каспази-8, запускаючи каскад реакцій апоптозу.
2. Мітохондріальний шлях. Мітохондрії виконують центральну роль в апоптозі, при цьому спостерігаєтьсяся збільшення проникності мітохондріальної мембрани. Баланс між про- і анти-апоптозними членами родини Bcl-2 регулюють вихід про-апоптозних речовин із мітохондрій, що приводять до запуску апоптоза, таких як AIF, ендонуклеаза G, Smac/DIABLO і цитохром C. Вивільнення цитохрома-С із мітохондрії призводить до утворення апоптосоми в цитоплазмі, яка активує каспазу-9 і запускає клітинну смерть.

Питання 3. Молекулярні механізми апоптозу

Апоптоз – багатоетапний процес. Рис. Загальна схема апоптозу Перший етап – прийом сигнала, попередника смерті у вигляді інформації, яка поступає до клітини зовні або виникає в самій клітині. Сигнал сприймається рецептором і аналізується. Далі через рецептори або їх поєднання отриманий сигнал поступово передається молекулам-посередникам (месенджерам) різного порядку і в кінцевому результаті досягає ядра, де і проходить включення програми клітинної смерті шляхом активації летальних і/або репресії антилетальних генів. Проте існування ЗКС в безядерних системах (цитопластах – клітинах, позбавлених ядра) показує, що наявність ядра не є обов'язковим для реалізації процесу. Рис. Прийом сигналу і подальша доля клітини У більшості випадків апоптоз тваринних і людських клітин пов'язаний з протеолітичною активацією каскаду каспаз – група еволюційно консервативних цистеїнових протеаз, які специфічно расщеплюють білки по залишках аспарагінової кислоти. Вони містять цистеїнові залишки на своїх активних центрах. На основі структурної гомології каспази поділяються на підродини: а) каспази-1 (каспази 1, 4, 5), б) каспази-2 (каспаза-2), в) каспази-3 (каспази 3, 6–10). Каспази можуть бути активовані двома шляхами: через рецептори апоптоза і мітохондрії. Перша відкрита каспаза - Ced-3 (Cell Death-3), виявлена у нематоди C. elegans. Мутація Ced-3 запобігала смерті 131 клітини в процесі нормального развитку нематоди. Гомолог Ced-3 у ссавців - інтерлейкін-1альфа-перетворюючий фермент ICE (interleicin converting enzime) був пізніше названий інгібітором каспази-1. Рис. Порівняльний шлях проходження стадій апоптозу у аскариди ссавців. Цистеїнові протеази, очевидно, беруть участь також у ЗКС рослин. Проте апоптоз можливий і без участі каспаз: надсинтез білків-промоторів апоптоза Bax і Bak індукує ЗКС в присутності інгибіторів каспаз. В результаті дії каспаз проходить: 1.активація прокаспаз з утворенням каспаз; 2.розщеплення антиапоптозних білків родини Bcl-2. 3.гідроліз білків ламінів. Після активації каспаз апоптоз проходить двома шляхами: Шлях ензиматичного перетравлення міжнуклеосомних проторів і нарізання фрагментів розміром 200 нуклеотидів. Більшість вчених підтримують думку, що апоптоз наступає в результаті ензиматичного распаду хроматина в ядрі клітини, при цьому ендонуклеази клітини починають розрізати молекулу ДНК з утворенням моно- и олігомерів. Нуклеазній атаці піддаються не тільки еухроматинові, але і спіралізовані ущільнені гетерохроматинові частини ядра. Для запуску цього клітина повинна продукувати ферменти - нуклеази, а для цього, в свою чергу, в клітині проходить посилення процесів транскрипції (біосинтез РНК) і трансляції (біосинтез білка). Є дані, що інгібітори білкового синтезу - циклогексамід і пуроміцин – попереджають ензиматичний роспад хроматину і можуть попередити процес апоптозу. Інгібітор ДНКази, відповідний за фрагментацію ДНК, піддається протеолізу. В нормальних клітинах апоптозна ДНКаза CAD (caspase-activated DNase) утворює неактивний комплекс з інгібітором CAD, позначений як ICAD. При апоптозі інгібітор ICAD з участю каспаз 3 або 7 інактивується, і вільна CAD, викликаючи межнуклеосомальні розриви хроматину, призводить до утворення фрагментів ДНК з молекулярною масою, кратною молекулярній масі ДНК в нуклеосомних частинках – 180-200 пар нуклеотидів. Гетерохроматизація хроматину без розрізання ДНК[pиc] 1 ЕТАП – Дія на хроматин ядра нуклеазами і (або) ферментами конденсації 2 ЕТАП - Утворення фрагментів ДНК і (або) конденсація хроматину 3 ЕТАП - Резорбція хроматину (каріорексис и каріолізис) Рис. Виявлення фрагментації ДНК в апоптичних клітинах методом TUNEL Препарат тканини печінки миші, ядро апоптичної клітини має коричневе забарвлення, оптична мікроскопія. Виявлений ядерний білок Acinus (apoptotic chromatin condensation inducer in the nucleus), із якого при комбінованій дії каспази-3 (протеоліз при Asp 1093) і не ідентифікованої протеази (протеоліз при Ser 987) утворюється фрагмент Ser 987 – Asp 1093. Цей фрагмент в присутності додаткових неядерних факторів викликає апоптолітичну конденсацію хроматина і фрагментацію ядра (каріорексис) без фрагментации ДНК. Рис. Каскад активації каспаз. Відомо 14 каспаз, які поділя.ться на ініціатори, еффектори і стимулятори. Ініціатори (каспаза-8 і -9) розщеплюють і активують каспази еффектори (каспаза-3). Еффектори розщеплюють різні білки, що призводить до загибелі клітини. Активація каспаз призводить до запуску протеолітичного каскаду реакцій, які викликають загибель клітини. При цьому одні каспази активують інші - ампліфікація сигналу. Каспаза є тетрамером, що складається з двох великих (~20kDa) і двох малих (~10kDa) субодиниць. Велика і мала субодиниці утворюються в результаті розщеплення прокаспази. Каспаза містить два активні центри QACXG. Інгібуючий домен (DED або CARD) може бути вирізаний із каспази. Ефекторні каспази активуються іншими каспазами (трансактивація). Ініціаторні каспази активуються автоактивацією, яка відбувається при взаємодії декількох прокаспаз (наприклад, прокаспаза-8 і DISC). Рецептор апоптозу сам по собі не володіє протеазною активністю. Активація каспаз веде до різних наслідків: каспаза-9 руйнує ядерні пори, що призводить до проникнення в ядро каспаз-3 і -7. Каспаза-3 розщеплює субодиницю ICAD, що інгібує, в двох місцях. Випуск CAD приводить до розщеплення ДНК між нуклеосомами. Каспази приводять до реорганізації цитоскелету і розпаду клітини на апоптозні тільця. Каспази - родина цистеїнових протеїназ, головні еффектори апоптозу, існують в клітині як неактивні проформи і зимогени, які розщеплюються на активні форми ферментів, активуючи апоптоз. Ліганд -- рецептор смерті -- актівація ініціаторів каспаз (каспаза-8 -10) -- каскад активації інших каспаз - актівация каспаз-3 -6--инактивація клітинних структур. Руйнування клітинних структур при апоптозі Фрагментація хромосомної ДНК - неактивний фермент CAD в комплексі з ICAD (інгібітор cad-чинник фрагментації ДНК) розщеплюється каспазою-3, вивільняючи CAD, розрізає ДНК нуклеосомома. Інактівація ферментів, залучених в репарацію ДНК - фермент полі (Adf-ribose) полімераза, або PARP- перший білок виявлений як субстрат для каспаз. PARP залучається до репарації ДНК і каталізує синтез (Adf-ribose) і закріплює на ланцюзі ДНК, руйнуюючи і змінюючи ядерні білки. Здатність PARP репарувати порушення розщепленням PARP каспазою-3. Інактивація білків, втягнених в реплікацію. Каспази можуть інактивувати ДНК топоізомеразу II, сприяючи руйнуванню ДНК. Руйнування структурних ядерних білків. Каспаза-6 руйнує ламіни, руйнуючи ядро, що приводить до конденсації хромосом. Чутливість клітин до стимул-реакцій змінюється залежно від експресії про- і анті-апоптозних білків (Bcl-2 білок інгібітору), складності стумулів і стадії клітинного циклу. Далі проходить розпад клітини на везикули, перехід фосфатіділсерину з внутрішнього моношару цитоплазматичної мембрани в зовнішній моношар, зменшення об'єму клітки, зморщування цитоплазматичної мембрани, конденсація ядра (апоптозні тільця), що фагоцитуються макрофагами і клітинами-сусідами. Иніціатори апоптозу Зовнішні сигнали (зв'язування ліганда, що індукує смерть рецептором на клітинній поверхні), швидкий варіант, а гранзім B може доставлятися в клітини цитотоксичними T-лімфоцитами, коли вони впізнають інфіковану клітину, активує каспази-3, 7, 8 і 10. Клітинний стрес – радіація, хімікалії, вірусна інфекції, недолік факора росту, оксидазний стрес (кількість bcl-2 білків визначає кількість стресу, необхідного для запуску а. Якщо мітохондрії не справляються з видаленням активних форм O₂, останні ініціюють відкриття пор у зовнішній мембрані і вихід в цитозоль білка, що відповідає за каскад реакцій, які приводять до синтезу протеаз, нуклеаз. Мітохондрія може бути ключовим регулятором каспазного каскаду і апоптозу - позбавлення від цитохрому-З в мітохондрії може вести до активації каспази 9 і потім каспази 3. Цей ефект досягається через утворення апоптосоми – мультипротеїнового комплексу, що включає цитохром C, Apaf-1, прокаспазу 9 і АТФ.