Патогенез апоптоза

Апоптоз может развиваться по 2-м независимым друг от друга пато­генетическим путям: рецепторному и митохондриальному пути.

Рецепторный механизм апоптоза. Патогенетический рецепторный путь начинается с активации на мембране клеток рецептора Fas (CD95), относящегося к семейству TNF (рецептор фактора некроза опухоли), при­надлежащего к цитоплазматическому домену, названному доменом смерти за участие в активации процесса апоптоза.

Митохондриальный механизм апоптоза. Данный путь апоптоза явля­ется результатом изменения мембранного потенциала митохондрий и выхода проапоптотических молекул в цитоплазму без участия рецепторов смерти. При возникновении вышеописанных нарушений только в одной митохон­дрии, происходят изменения, характерные для апоптоза в пределах этой ми­тохондрии, и она удаляется, данный процесс называется митоптозом.

Падение мембранного потенциала приводит к образованию гигант­ских пор (до 2,9 нм), что увеличивает проницаемость внутренней мембра­ны. Факторы, вызывающие падение мембранного потенциала митохондрий разнообразны, к ним относят: истощение клеток восстановленным глутати­оном, НАДФ, образование активных форм кислорода, разобщение окисли­тельного фосфорилирования протофорными соединениями, увеличением содержания Ca²⁺ в цитоплазме. Следствием раскрытия ор является набуха­ние митохондриального матрикса и высвобождение растворимых белков межмембранного пространства: цитохрома С, прокаспаз 2, 3 и 9, белка AIF.

Образование гигантских пор — не единственный механизм выхода межмембранных белков митохондрий в цитоплазму. Предполагается, что разрыв наружной митохондриальной мембраны возможен как результат гипреполяризации внутренней мембраны. Существует и альтернативный вариант без разрыва мембраны — раскрытие гигантского белкового канала в самой наружной мембране, способного пропускать цитохром С и другие белки межмембранного пространства. Высвобожденный из митохондрий цитохром С вместе с цитоплазматическим белком Apaf-1 (апоптоз активи­рующий фактор) участвует в активации каспазы 9.

Apaf-1 белок, содержащий CARD-домен (домен акивации и рекруции каспаз), образует комплекс с прокаспазой 9 (так же содердащей CARD- домен) в присутствии цитохрома С и АТФ. Из этих субъединиц собирают­ся структуры наподобие веера или пропеллера, являющегося апоптосомой. Посредством протеолиза прокаспазы 9 происходит образование активиро­ванной каспазы 9. Зрелая каспаза 9 расщепляет и активирует каспазу 3, ко­торая активирует ряд протеаз семейства каспаз, фактор фрагментации ДНК, что ведет к необратимому распаду ДНК на нуклеосомальные фраг­менты. AIF является индуктором апоптоза вне зависимости от каспаз.

Для развития митохондриального пути апоптоза требуется развитие опи­санных ранее процессов в большинстве митохондрий клетки, при возникнове­нии вышеописанных нарушений только в одной митохондрии, происходят из­менения, характерные для апоптоза в пределах области поврежденной мито­хондрии, и она удаляется, данный процесс называется митоптозом.

В процессе расщепления ДНК, возникшему в результате того либо иного пути апотоза, происходит разделение ДНК на нуклеосомальные фрагменты, кратные 180 нуклеотидным парам, данный феномен получил название апоптотической лесницы.

На финальной стадии гибели клетки апоптотические тельца экспрес­сируют на мембранах фосфатидилсерин, являющийся сигналом «съешьте меня», что приводит к их фагоцитозу без развития воспалительной реак­ции в окружающих тканях. Однако, в случае развития остро дефицита АТФ в клетке, апоптоз может заканчиваться некротической гибелью клет­ки со всеми ее морфологическими проявлениями.

Регуляторы апоптоза. Bcl-2 ген впервые был описан как ген, который транслоцируется в клетках фолликулярной лимфомы и ингибирует апоптоз. При дальнейших исследованиях оказалось, что Bcl-2 является мультигеном, который обнаруживается даже у круглых червей. Также гомологичные гены были обнаружены в некоторых вирусах. Все вещества, относящиеся к данно­му классу, делятся на активаторы и ингибиторы апоптоза. К ингибиторам от­носятся: bcl-2, bcl-xL, Mcl-1, bcl-w, аденовирусный E1B 19K, Эпштейн-Барр- вирусный BHRF1. К активаторам относятся: bax, bak, Nbk/Bik1, Bad, bcl-xS.

Члены этого семейства взаимодействуют друг с другом. Одним из уровней регуляции апоптоза является взаимодействие белок-белок. Белки семейства bcl-2 формируют как гомо- так и гетеродимеры. Например, bcl- 2-ингибиторы могут образовать димеры bcl-2-активаторами. Таким обра­зом, жизнеспособность клеток зависит от соотношения активаторов и инги­биторов апоптоза. Например, bcl-2 взаимодействует с bax, при этом при пре­обладании 1-го жизнеспособность клетки повышается, при избытке 2-го — уменьшается. К тому же белки семейства bcl-2 могут взаимодействовать с белками, не относящимися к этой системе. Например, bcl-2 может соеди­нятся с R-ras, который активирует апоптоз. Другой белок, Bag-1, усиливает способность bcl-2 ингибировать апоптоз.

В настоящее время принято считать, что гены, участвующие в регуля­ции роста и развития опухолей (онкогены и гены-супрессоры опухолей), играют регулирующую роль в индукции апоптоза.

• bcl-2 онкоген, который ингибирует апоптоз, вызванный гормонами и цитокинами, что приводит к повышению жизнеспособности клетки;

• белок bax (также из семейства bcl-2) формирует димеры bax-bax, которые усиливают действие активаторов апоптоза. Отношение bcl-2 и bax определяет чувствительность клеток к апоптотическим факторам и является «молекулярным переключателем», который определяет, будет ли происходит рост или атрофия ткани;

• c-myc онкоген, чей белковый продукт может стимулировать либо апоптоз, либо рост клеток (при наличии других сигналов выживания, например, bcl-2);

• ген р53, который в норме активирует апоптоз (wild type — дикий тип), но при мутации (мутантный тип обычно именно на него проводятся иммуногистохимические исследования в клетках опухолей, в данном случае количеством дикого типа пренебрегают, исходя из этого строится прогноз поведения опухолевой ткани, т. е. много белка-продукта гена р53 прогноз неблагоприятный, т. к. речь идет об ингибировании апоптоза) или отсутствии (что обнаружено в некоторых опухолях) повышает выживаемость клеток. Установлено, что р53, необходим для апоптоза при повреждении клетки ионизирующим излучением, однако при апоптозе, вызванном глюкокортикоидами и при старении, он не требуется.

Морфологические признаки апоптоза. К морфологическим изменени­ям клеток, стадийно развивающимся при апоптозе, определяемым на уровне электронной микроскопии относятся:

1) Уменьшение клетки в объеме.

Цитоплазма становится более плотной, органеллы, несмотря на нор­мальное строение, располагаются более плотно друг относительно друга.

2) Уплотнение хроматина.

Наиболее важный признак апоптоза. Хроматин, начиная с периферии, под ядерной мембраной агрегируется в плотные массы различной формы и размера. Ядро распадется на 2 или несколько частей (рисунок 11).

Рисунок 11 — Конденсация хроматина (электронная микрофотография)

Примечание: Длинными стрелками указана апоптотическая клетка, короткой не гибнущая клетка.

3) Блебинг и апоптотические тельца (рисунок 12).

Апоптотическая клетка первоначально изменяет свою структуру за счет пузыревидных выпячиваний (блебинг), затем происходит ее фрагмен­тация на окруженные мембраной апоптотические тельца, содержащие ци­топлазму, плотно располагающиеся органеллы с либо без участков кон­денсированного хроматина.

Рисунок 12 — Блебинг (электронная сканирующая микроскопия)

4) Фагоцитоз апоптотических телец (рисунок 13).

Фагоцитоз апоптотических телец производится макрофагами, либо соседними клетками. Возможна незначительная деградация клеточного материала апоптотического тельца содержащимися в нем лизосомами.

Рисунок 13 — Фагоцитоз апоптозного тельца макрофагом (электронная микроскопия)

При гистологическом исследовании препаратов окрашенных гематокси­лином и эозином, апоптоз определяется в единичных клетках или небольших группах клеток. Апоптотические клетки выглядят как округлые или овальные скопления интенсивно эозинофильной цитоплазмы с плотными фрагментами ядерного хроматина. Поскольку сжатие клетки и формирование апоптотических телец происходит быстро и также быстро они фагоцитируются, распада­ются или выбрасываются в просвет органа, то на гистологических препаратах он обнаруживается в случаях его значительной выраженности (рисунок 14).

Рисунок 14 — Апоптотическое тельце, образовавшееся при гибели кератиноцита.

Окраска: гематоксилин-эозин. х200. х400.

К тому же апоптоз — в отличие от некроза никогда не сопровождается вос­палительной реакцией. Отличия некроза от апоптоза представлены в таблице 2.

Таблица 2 — Отличительные признаки некроза и апоптоза

Роль апоптоза в развитии болезней.

Снижение апоптоза. Аутоиммунные заболевания могут отражать нарушения в индукции апоптоза лимфоидных клеток, способных реагиро­вать с собственными антигенами. Например, при системной красной волчан­ке наблюдается нарушение Fas-рецепторов на клеточной поверхности лим­фоцитов, что ведет к активации апоптоза. Некоторые вирусы повышают свою выживаемость путем ингибирования апоптоза инфицированных клеток, например, вирус Эпштейна-Барра может воздействовать на обмен bcl-2.

Ускорение апоптоза. Ускорение апоптоза доказано при синдроме приобретенного иммунодефицита (СПИД), нейротрофических заболеваниях и некоторых заболеваниях крови, при которых наблюдается дефицит каких-либо форменных элементов. При СПИДе вирус иммунодефицита может ак­тивировать CD4 рецептор на неинфицированных Т-лимфоцитах, ускоряя та­ким образом апоптоз, что приводит к истощению клеток данного типа.