Апоптоз

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                    Апоптоз

 

 

 

 

                                                                                                        Работу выполнила

                                                                               Сироткина Татьяна Васильевна

                                                                                               cтудентка 131-2 группы

                                                                                        биологического факультета

              

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                          Нижний Новрогод 2012

                                                Содержание

1. Введение………………………………………………………………… стр 3
2. Процесс апоптоза…………………………………………………….стр 4
3. Регуляция апоптоза…………………………………………………стр 5
4. Молекулярный механизм клеточной гибели…………..стр 8
5. Заключение……………………………………………………………...стр19
6. Литература………………………………………………………………стр20

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Апоптоз является необычной областью для изучения по нескольким причинам. Во-первых, его широкое значение действительно признали лишь в последние несколько лет, и этот удивительный процесс по-прежнему исследуется лишь в ряде областей биологии. Во-вторых, хотя апоптоз в настоящее время признан важнейшим элементом ряда клеточных реакций, картина внутриклеточных процессов, вероятно, еще не полностью сформирована: не только в деталях, но и в основных чертах этого процесса в целом.  
Понимание молекулярных механизмов апоптоза и, в частности, внутриклеточных взаимодействий, которые контролируют этот процесс, имеет огромное значение, так как дисфункция нормального механизма регуляции апоптоза приводит к серьезным патологическим последствиям, в том числе к онкогенезу, аутоиммунным и дегенеративным заболеваниям.

Генетический анализ запрограммированной гибели клеток в процессе развития нематоды Caenorhabditis elegans оказался весьма полезным в выявлении ключевых событий апоптоза. Недавно были обнаружены генетические соответствия между гибелью клеток C. elegans и апоптозом клеток млекопитающих, что позволяет использовать C. elegans как модель для изучения запрограммированной гибели клеток у млекопитающих[1]. 
Целью данной работы является краткий обзор роли апоптоза в развитии и нормальном функционировании тканей.

 

Процесс апоптоза

Апоптоз является зависимым от энергии, асинхронным, генетически контролируемым процессом, посредством которого ненужные или поврежденные клетки подвергаются самоуничтожению при активации  генов апоптоза. Говоря в общем, клетка сжимается и отделяется от соседних клеток, а ее ядро разрушается. Ядерные фрагменты и органеллы конденсируются и, в конечном счете, упакованные в мембранные пузырьки, выводятся из клетки путем экзоцитоза и поглощаются окружающими клетками. Целостность мембран сохраняется практически все время в процессе апоптоза. Различия между апоптотической и некротической гибелью клетки приведены в таблице 1.

Табл. 1 Различия между апоптозом и некрозом

Апоптоз	Некроз
Может быть физиологическим  и патологическим процессом	Только патологический процесс
Асинхронный процесс с  отдельной клетке	Происходит синхронно  во многих клетках
Генетически контролируемый процесс	Вызван сильными повреждающими  стимулами
Позднее нарушение мембранной целостности	Раннее нарушение мембранной целостности
Сморщивание клетки	И клетка, и ядро увеличиваются  в объеме
Конденсация хроматина	Распад ядерного содержимого
Отсутствие воспалительной реакции	Наличие воспалительной реакции

 

Ишемическая и случайная (вызванная токсинами) гибель клеток характеризуются набуханием клеток или "онкозом" (от греческого слова "onkos", означающего отек), в результате которого происходит цитоплазматическое и ядерное набухание и кариолизис (при этом теряется сродство к основным красителям). После и онкоза, и  апоптоза, клетки достигают некротической  стадии, когда происходит фагоцитоз  погибшей клетки, и только в случае онкоза это сопровождается воспалением.  

 

Регуляция апоптоза

Апоптоз - это генетически  контролируемая смерть клетки. В настоящее  время выявлено большое число  генов, которые кодируют вещества, необходимые  для регуляции апоптоза. Многие из этих генов сохранились в ходе эволюции - от круглых червей до насекомых  и млекопитающих. Некоторые из них  обнаруживаются также в геноме вирусов. Таким образом, основные биохимические  процессы апоптоза в разных экспериментальных  системах (исследования ведутся на круглых червях и мухах) являются идентичными, поэтому результаты исследований можно прямо переносить на другие системы (например, организм человека).

Апоптоз может регулироваться:

внешними факторами,

автономными механизмами.

Воздействие внешних факторов

Апоптоз может регулироваться действием многих внешних факторов, которые ведут к повреждению  ДНК. При невосстановимом повреждении  ДНК путем апоптоза происходит элиминация потенциально опасных для организма  клеток. В данном процессе большую  роль играет ген супрессии опухолей р53. К активации апоптоза также  приводят вирусные инфекции, нарушение  регуляции клеточного роста, повреждение  клетки и потеря контакта с окружающими  или основным веществом ткани. Апоптоз - это защита организма от персистенции поврежденных клеток, которые могут  оказаться потенциально опасными для многоклеточного организма. При стимуляции тканей каким-либо митогеном ее клетки переходят в состояние повышенной митотической активности, которая обязательно сопровождается некоторой активацией апоптоза. Судьба дочерних клеток (выживут они или подвергнутся апоптозу) зависит от соотношения активаторов и ингибиторов апоптоза: ингибиторы включают факторы роста, клеточный матрикс, половые стероиды, некоторые вирусные белки; активаторы включают недостаток факторов роста, потерю связи с матриксом, глюкокортикоиды, некоторые вирусы, свободные радикалы, ионизирующую радиацию. При воздействии активаторов или отсутствии ингибиторов происходит активация эндогенных протеаз и эндонуклеаз. Это приводит к разрушению цитоскелета, фрагментации ДНК и нарушению функционирования митохондрий. Клетка сморщивается, но клеточная мембрана остается интактной, однако повреждение ее приводит к активации фагоцитоза. Погибшие клетки распадаются на небольшие, окруженные мембраной, фрагменты, которые обозначаются как апоптотические тельца. Воспалительная реакция на апоптотические клетки не возникает. Значение апоптоза в развитии организма и патологических процессах Апоптоз играет важную роль в развитии млекопитающих и в различных патологических процессах. Функционирование bcl-2 требуется для поддержания жизнеспособности лимфоцитов, меланоцитов, эпителия кишечника и клеток почек во время развития эмбриона. bcl-x необходим для ингибирования смерти клеток в эмбриогенезе, особенно в нервной системе. Bax необходим для апоптоза тимоцитов и поддержания жизнеспособности сперматозоидов во время их развития. р53 является геном супрессии опухолей, поэтому в эмбриогенезе особой роли не играет, но обязательно необходим для супрессии опухолевого роста. Мыши, у которых отсутствовали оба р53 гена, проявляли чрезвычайно высокую склонность к развитию злокачественных опухолей в результате полного или частичного нарушения апоптоза предопухолевых клеток. Усиленный синтез белка, кодируемого bcl-2 геном, приводит к подавлению апоптоза и, соответственно, развитию опухолей; данный феномен обнаружен в клетках В-клеточной фолликулярной лимфомы.

При лимфопролиферативных заболеваниях и похожей на системную  красную волчанку болезни у мышей  наблюдается нарушение функции Fas-лиганда  или Fas-рецептора. Повышенный синтез Fas-лиганда  может предупреждать отторжение трансплантата. Апоптоз является частью патологического процесса при инфицировании  клетки аденовирусами, бакуловирусами, ВИЧ и вирусами гриппа. Ингибирование  апоптоза наблюдается при персистировании  инфекции, в латентном периоде, а  при усиленной репликации аденовирусов, бакуловирусов, возможно герпесвирусов, вируса Эпштейн-Барра и ВИЧ наблюдается  активация апоптоза, что способствует широкому распространению вируса. При  нейродистрофических заболеваниях отмечается нарушение функции гена (iap-гена), сходного с ингибитором  апоптоза бакуловирусов.

Молекулярный механизм клеточной гибели 
После соответствующего стимула, первая фаза или "фаза принятия решения" апоптоза является генетической точкой контроля гибели клеток. За этим следует вторая фаза или фаза "свершения", которая отвечает за морфологические изменения клетки в процессе апоптоза . 
Существуют четыре основные группы стимулов для апоптоза . Большое разнообразие физиологических и патологических стимулов может инициировать апоптоз, и эти стимулы представлены в таблице 2.

Табл.2 Стимулы апоптоза

Повреждение ДНК	Ионизирующее  излучение Противораковые  препараты (например, алкилирующие агенты)
Активация рецепторов гибели	Связывание  «рецепторов гибели» (например, рецептора Fas, TNF рецептора) Лишение факторов роста (например, фактора роста нервов или ИЛ-3)
Стимуляция  механизма апоптоза	Фосфатазы Ингибиторы киназ
Непосредственное  повреждение клетки	Тепло, УФ-излучение, свободные радикалы кислорода, пероксид водорода

 

Сигнал, который инициирует апоптоз, может оказать свое действие, связавшись с рецептором гибели на поверхности клетки или повредив геном. Рецепторы гибели, которые инициируют апоптоз, включает рецептор Fas и систему ФНО рецепторов.

Fas рецептор, первоначально известный как CD95 или APO-1, трансмембранный гликопротеин, который активируется путем связывания с Fas лигандом (Fas-L) на клеточной мембране [7]. Затем образуются внутриклеточные молекулы, известные как Fas-ассоциированный домен гибели (FADD). Fas рецепторы находятся в эпителиальных тканях, опухолях и кроветворных тканях, и могут также экспрессироваться в других тканях, в которых в норме не происходит их экспрессии. Механизм Fas важен в регуляции иммунного ответа. Цитотоксические Т-лимфоциты, экспрессирующие Fas лиганды, активируют клетки, несущих Fas рецепторы и вызывают апоптоз.

Система TNF (ФНО) рецепторов опосредуется различными биохимическими путями. Был обнаружен ФНО-ассоциированный апоптоз-индуцирующий лиганд (TRAIL). Раковые клетки чувствительны к TRAIL-индуцированному апоптозу. После связывания рецептора ФНО, образуются внутриклеточные молекулы, называемые "доменами гибели". Был выявлен ассоциированный с ФНО рецептором домен гибели (TRADD). Фактор некроза опухоли может подавлять апоптоз путем связывания с рецептором TNFR2, который активирует белок, известный как ядерный фактор кВ (NF-kB), белок-ингибитор апоптоза (IAP), предотвращающий исполнительную фазу апоптоза. Это ДНК-связывающий белок, который активирует выработку многими провоспалительными генами цитокинов и других провоспалительных молекул. Существует все больше доказательств, что NF-kB играет важную роль в патогенезе синдрома системного воспалительного ответа (SIRS), MODS (синдром полиорганной недостаточности) и острого синдрома респираторного дистресса (ОРДС).

Фаза «принятия решения» (генетический контроль)  
Апоптоз регулируется двумя генами, Bcl-2 и p53. Первое семейство генов, Bcl-2, которые регулируют апоптоз; белки этих генов найдены на мембране митохондрий, эндоплазматической сети и могут контролировать кальциевые каналы. В настоящее время признано, что существует семейство белков в клетках млекопитающих, похожих на белки Bcl-2, способствующих или препятствующих апоптозу. Белки, такие как Bcl-2 и Bcl-XL, предотвращают апоптоз, в то время как Bcl-2 ассоциированные х белки (Bax), например, Bax, Bad, Bak и Bcl-XS стимулируют его.  
Ген р53 является 53-кДа (молекулярная масса) ядерным фосфо-белком, который связывается с ДНК в качестве фактора транскрипции, и контролирует клеточную пролиферацию и репарацию ДНК. Мутации р53 были найдены в > 50% опухолей человека (например, рак толстой кишки) и связаны с резистентностью к лечению. Гена c-myc является прото-онкогеном, который кодирует связывающий определенную последовательность нуклеотидов в ДНК белок, действующий как транскрипционный фактор и вызывающий апоптоз в присутствии р53. Концентрация белка С-myc повышена во многих опухолях.

Исполнительная фаза  
Центральными событиями в процессе апоптоза являются протеолиз и митохондриальная инактивация. Клеточные нарушения происходят в результате активации семейства цистеиновых протеаз, называемых каспазами (CASP). Каспазы являются проэнзимами, которые обнаруживаются у всех животных от нематоды до человека. У человека были описаны десять каспаз (CASP 1-10).

Ранние молекулярные исследования апоптоза были сосредоточены на нематоде C. elegans и был выявлен ген, необходимый для совершения апоптоза, называемый ced-3. Есть два подсемейства каспаз, ced-3 подсемейство (являются продуктами гена ced-3) и ICE (ИЛ-1β-превращающего фермента) подсемейство. Каспазы 1, связанные с подсемейством ICE, в основном, участвуют в воспалении. Каспазы подсемейства ced-3 являются значимыми эффекторами апоптоза. Каспазы 8 или ИЛ-превращающие ферменты типа FADD (FLICE) - наиболее важные ферменты ced-3 подсемейства. Действия каспаз разнообразно; некоторые эндонуклеазы расщепляют ДНК, некоторые расщепляют белки цитоскелета, а другие являются причиной потери клеточной адгезии.  
Клетка, в которой происходит апоптоз, экспрессирует мембранные сигналы, способствующие фагоцитозу этой клетки макрофагами. Макрофаги могут узнать, например, апоптотический нейтрофил через комплекс с участием тромбоспондиновых рецепторов (CD36) и α_vβ₃ интегринов.