цитология. дидак. блок Молекулярно-генетические механизмы запрограмированно. Занятие 14 Молекулярногенетические механизмы запрограмированной смерти клетки (апоптоза) Вопросы для подготовки к занятию
 Скачать 24.45 Kb.
|
|
Занятие №14 Молекулярно-генетические механизмы запрограмированной смерти клетки (апоптоза) Вопросы для подготовки к занятию: 1) Апоптоз: определение, типы 2) Причины апоптоза. 3) Стадии развития апоптоза. 4) Генетический контроль процесса апоптоза. 5) Медицинское значение апоптоза. Информационно-дидактический блок: Клетки функционируют определённый период времени, заканчивающийся их старением и гибелью. Предел количества возможных делений у соматических клеток запрограммирован. Большинство, если не все клетки обладают способностью к саморазрушению в результате активирования внутренных генетических программ самоубейства в тех случаях, когда данные клетки более не требуются организму или если они серьезно повреждены. Исполнение этой программы смерти часто связано с характерными морфологическими изменениями, эта форма клеточной смерти называется апоптозом (термин происходит от греческого слова, описывающего растения, теряющего листья). Явление запрограммированной гибели клеток свойственно всем живым существам, в том числе и человеку. Ежедневно в организме человека погибает несколько десятков миллиардов клеток. Уничтоженные клетки в дальнейшем замещаются новыми клетками, образованными за счет клеточного деления (митоза). Выделяют два вида программированной клеточной гибели: апоптоз «изнутри» и апоптоз «по команде». «Апоптоз изнутри». Поводом для апоптоза изнутри служит «неудовлетворительное» состояние самой клетки. а) чрезмерные (нерепарируемые или плохо репарируемые) повреждения хромосом: многочисленные разрывы ДНК, нарушения ее конформации, сшивки между цепями, неправильная сегрегация хромосом и т. д. б) серьезные повреждения внутриклеточных мембран (митохондрий) в результате перекисного окисления их липидов. «Апоптоз изнутри» происходит при повреждения генетического материала, органоидов, а также при старении клетки. Отсюда вытекает важный вывод: повреждение клеточных структур, ведущее к апоптозу, не должно быть чрезмерно сильным. «Апоптоз по команде» вызывается внешней «негативной» сигнализацией, которая передается через мембранные или внутриклеточные рецепторы. Клетка вполне жизнеспособна, но, с позиций целостного организма, она является ненужной или даже вредной. Такой апоптоз закономерно связан с той или иной стадией онтогенеза: редукция пронефроса и ряда других зачатков в эмбриогенезе, исчезновение межпальцевых «перепонок» в ходе эмбрионального морфогенеза. Женская репродуктивная система: гибель клеток (ооцита и фолликулярных клеток) атрезирующих фолликулов, гибель клеток редуцирующегося желтого тела, гибель клеток функционального слоя эндометрия накануне менструации, гибель лактоцитов молочной железы после прекращения лактации (и т. д.). Примером прекращения действия позитивного сигнала может быть отсутствие сигнала об интегринов когда клетка теряет связь с опорой. Клетка не только прекращает делиться, но и вступает в апоптоз. Включение механизмов апоптоза приводит к их уничтожению и элиминации из организма. Молекулярно-генетические механизмы апоптоза Механизмы апоптоза сложны и многообразны, представляют собой сложнейший молекулярный каскад. Цитоплазматические протеазы каспазы. Специальное семейство цитоплазматических протеаз (каспаз). В клетке каспазы синтезируются в форме латентных предшественников – прокаспазы. Всего в семействе каспаз 10 ферментов. Каспазы способны в определенной последовательности активировать друг друга, образуя своего рода каскад, причем разветвленный. Под действием сигнала, от плазмолеммы первой активируется каспаза 8. К активации каспаз могут приводить и факторы, высвобождающиеся из митохондрий (при повышении проницаемости мембран). Это протеаза AIF (2) (ApoptosisInducingFactor) и цитохром С вместе с белком Apaf-1 непосредственно активирует (путем частичного протеолиза) каспазу 9. Узловым звеном является каспаза 3. Она активируется и каспазой 8, и каспазой 9. Среди мишеней каспазы 3, видимо, присутствуют как другие компоненты каспазного каскада (каспазы 6, 7 и т. д.), так и некоторые некаспазные белки. Завершающие члены каскада иногда обозначаются как ICE (interleukin-convertingenzymes). Главная их функция ограниченныйпротеолиз определенных белковых мишеней. Все мишени каспаз не известны. а) Цитоплазматические мишени: белки цитоскелета: - фодрин и актин, регуляторные ферменты: фосфолипаза А, протеинкиназа С и т. д. С протеолизомфодрина связывают изменение поверхности клетки появление на ней впячиваний и выступов («гофрирование» плазмолеммы). б) Ядерные мишени: а) гистон H и белок ламин В. Белки, фосфорилирование которых в профазе митоза приводит к конденсации хроматина и распаду ядерной оболочки на микропузырьки. В ходе же апоптоза наблюдаются сходные явления конденсация хроматина и фрагментация ядра. Объектом каспазногопротеолиза является белковый комплекс, который называется конденсином и участвует в конденсации хромосом. б) ферменты репликации и репарации: топоизомеразы, ДНК-протеинкиназы, поли-АДФ-рибозилполимераза (ПАРП, участвуют в «сшивании» разрывов в цепях); в) регуляторные белки например, белок pRb, контролирующий клеточный цикл; г) ингибиторы эндонуклеаз. ДНК-протеинкиназы в результате действия каспаз активируются, после чего они, способны фосфорилировать белок р53, что приводит к активации этого белка. Белок р53 Белок р53 является одним из ключевых белков апоптоза. Главный сдерживающий агент для фактора р53 белок Mdm2. Он является ингибитором фактора р53, снижает его активность. Известен еще один регуляторный фактор белок ARF, или p19ARF. Связываясь с р53, он тормозит его распад. Белок 14-3-Зb служит активатором фактора р53. В ответ на повреждение ДНК («апоптоз изнутри») в клетке изменяется концентрация и активность белка р53. При накоплении в ДНК повреждений сигналы к р53 передаются тремя протеинкиназами (ПК): ДНК-протеинкиназа, протеинкиназа белок ATM, протеинкиназа-казеинкиназа. Кроме этих ПК, имеется еще ряд факторов, участвующих в узнавании повреждений ДНК, возможно в их репарации, а при безуспешности в активации р53. Эффекты, вызываемые белком р53: 1. Стимулирует гены ряда «киллерных» рецепторов, т. е. рецепторов, воспринимающих команду об апоптозе. Белок Fas (Fas- рецептор) и рецептор KILLER/DR5. Повышается чувствительность клетки к соответствующим сигналам. 2.Остановка клеточного цикла. Это происходит благодаря активации гена Р21, продукт которого (белок р21) ингибирует комплексы циклин-Cdk. Тому же способствует и активация гена GADD45. Белок Gadd45 ингибирует один из комплексов циклин-Cdks. Он связывается с белком PCNA, необходимым для репликации ДНК. 3.Активизация митохондриальной «ветви» апоптоза. а)Фактор р53 ингибирует гены тех белков (bcl-2, bcl-x), которые закрывают каналы в митохондриальных мембранах, и активирует гены белка (Bах), открывающего каналы. Через каналы выходят протеаза AIF и цитохромс, стимулирующие каспазный каскад. б) Активируется группа генов PIG. Их продукты способствуют накоплению в клетке активных радикалов и окислителей. Повреждаются мембраны митохондрий, что облегчает выход в цитоплазму протеазы AIF и цитохромас. * * 4.Воздействие на окружающие клетки. Белок р53 активирует продукты выделяющиеся из гибнущей клетки и воздействует на ее окружение. Наблюдаются, по крайней мере, следующие два эффекта. а) Торможение ангиогенеза. Реализуется через гены TSP, BAS клетки с начавшимся апоптозом секретируют белки (тромбоспондинTspl и т. д.), подавляющие новообразование сосудов в соседней ткани. Это лежит в русле важной функции апоптоза - ограничение опухолевого роста. б) Торможение пролиферации соседних клеток. Фактор р53 способствует также синтезу и секреции ряда ингибиторов пролиферации клеток (ß-ингибина и даже ФНОß, который не только останавливает деление окружающих клеток, но и запускает в них апоптоз. Этот эффект тоже один из ограничителей опухолевого роста. Стадии апоптоза «апоптоза изнутри» выделяют: 1) Повреждение внутриклеточных структур, особенно хромосом и мембран. 2) Передача сигналов (с помощью специальных протеинкиназ и других модифицирующих ферментов) на транскрипционный фактор р53. Модифицироваться может как сам белок р53, так и его ингибитор белок Mdm2. В любом случае достигается следующий результат повышение содержания (за счет замедления распада) и (или) активности фактора р53. 3) Повышение проницаемости митохондриальных мембран благодаря влиянию р53 на гены семейства BCL-2, и непосредственного повреждения мембран. 4) Включение каспазного каскада. Частичный протеолиз каспазами многочисленных белков-мишеней. 5) Различные последствия частичного протеолиза: а) конденсация хроматина (результат протеолиза структурных белков гистона H1 и ламинов), б) активация ядерных эндонуклеаз (из-за протеолиза их ингибиторов) и в) изменение липидного состава плазмолеммы (по причине изменения активности ряда мембраносвязанных ферментов). Протеолиз может иметь последствия, которые придают апоптозу черты автокаталитического процесса путем усиления или повторного запуска некоторых его предыдущих стадий. г) Частичный протеолиз ДНК-протеинкиназы тоже активирует этот фермент, отчего последний с новой силой влияет на содержание и активность фактора р53. д) Протеолиз белка pRb подавляет его ингибиторную активность в отношении транскрипционного фактора E2F-DP. Последний запускает клеточный цикл, репликацию ДНК. Что приводит к новым нарушениям их структуры и к повторной инициации «апоптоза изнутри». 6) Действие эндонуклеаз постепенная фрагментация хроматина. 7) Завершающие морфологические преобразования: а) фрагментация ядер и цитоплазмы с образованием апоптозных телец; б) фагоцитоз этих телец окружающими клетками Рис.3. Составленная цепочка событий охватывает и объединяет все, что могло относиться к «апоптозу изнутри», от исходных пусковых причин до последних морфологически различимых стадий. Апоптоз при недостатке митогенных или при поступлении антимитогенных сигналов. Причины «Апоптоз по команде»: 1. Нет митогенного сигнала 2. Нет связи с опорой 3. Контактное торможение Таким образом, механизм апоптоза лежит в основе распознавания, исправления или элиминации клеток с повреждениями генетического материала, и обеспечения нормальной жизнедеятельности клеток и организма в целом. Апоптоз является общебиологическим механизмом, ответственным за подержание постоянства численности клеточных популяций, а также формообразование и выбраковку дефектных клеток. Несрабатывание механизмов апоптоза приводит к возникновению раку и врожденных пороков развития: синдактилии, кишечной непроходимости и др. |