Апоптоз – програма старіння організму

Людмила Бравінська , косметолог-методист, Одеський медичний університет (Одеса)

Термін «апоптоз» складається з двох грецьких слів і означає буквально «опадання листя». Апоптозу піддаються клітини, які закінчили цикл свого розвитку – старіючі, пошкоджені, мутантні, інфіковані. У багатоклітинних організмах апоптоз задіяний у процесах диференціації та морфогенезу, а також у підтримці клітинного гомеостазу, у формуванні та функціонуванні імунної системи.

Нині встановлено основні механізми реалізації апоптозу у клітинах. Але продовжуються активні дослідження регуляторів та активаторів апоптозу для встановлення більш точної картини цього процесу. Інтерес вчених пов'язаний з можливістю застосування знань про програмовану клітинну смерть у медицині при лікуванні онкологічних, аутоімунних та нейродегенеративних захворювань.

Механізми апоптозу

Як включається у клітині програма апоптозу? Чинники та їх пускові механізми ми можемо умовно розбити на дві групи:

• мітохондріальний механізм;
• рецепторний механізм.

Мітохондріальний механізм

Виникає при незадовільному стані клітини, що може бути обумовлено різними видами опромінення, зміною температури, дією хімічних речовин, токсинів, стресовими ситуаціями, порушенням живлення клітини та нестачею кисню у тканинах.

При всьому різноманітті причин запуску апоптозу механізм його реалізації однотипний. Він пов'язаний з пошкодженням мітохондріальної мембрани, що призводить до виходу в цитоплазму цитохромів (дихальних ферментів, міцно пов'язаних з мембранами мітохондрій, що здійснюють у клітині перенесення електронів і водню від органічних речовин, що окислюються до молекулярного кисню, при цьому утворюється багата енергією сполука – АТФ). Цитохром разом з цитоплазматичним фактором APAF-1 (Apoptose protease activation factor), неактивною каспазою та АТФ складають апоптосомальний комплекс. Фактор APAF-1 активує каспази (особливі протеолітичні ферменти, що є цистеїновими протеазами і представлені в клітці множинними варіантами). Передбачається, що ці ферменти утворюють протеолітичний каскад, взаємно активуючи один одного і тим самим призводячи до деградації клітини. Також у цих процесів беруть участь мітохондріальні білки сімейства Всl-2.

Рецепторний механізм

Сигнал для початку процесу апоптозу клітина отримує при активації спеціальних рецепторів, що знаходяться на її поверхні. У разі клітина цілком життєздатна, але з позицій цілісного організму їй посилається сигнал про «самоліквідацію». Рецептор детектують присутність міжклітинних сигналів і у відповідь швидко запускають внутрішньоклітинний механізм апоптозу, об'єднуючись в особливу групу - рецепторів загибелі, що відрізняються від інших рецепторів наявністю в цитоплазматичної частини клітини спеціального «домена смерті», необхідного для включення сигналу, що призводить до апоптозу. Серед таких рецепторів найбільш відомий Fas-рецептор, лігандом якого служить тримерна молекула, що відноситься до сімейства факторів некрозу пухлин (ФНП).

Інші активатори апоптозу

Активувати апоптоз можуть також різні метаболіти та гормони: протизапальні цитокіни, стероїдні гормони, окис азоту та вільні радикали. Всі ці фактори, у свою чергу, викликають надмірне пошкодження хромосом, численні розриви ДНК, порушення їх конформації. Пусковим моментом можуть стати також пошкодження внутрішньоклітинних мембран та перекисне окиснення ліпідів.

Для глибшого розуміння механізмів регуляції необхідно згадати деякі впливи та фактори, що відіграють важливу роль у розвитку апоптозу. У 90-х роках ХХ століття було відкрито низку генів, що беруть участь у регуляції апоптозу. Один із них кодує білок р53, який є активатором апоптозу. Підвищення рівня білка р53 відбувається у відповідь на пошкодження ДНК, при цьому індукує апоптоз різними механізмами: впливом на клітинний цикл, стимуляцією експресії Fas-рецептора, впливом на сусідні клітини та ін. клітин із небезпечними мутаціями. Важливо підкреслити, що р53-залежний апоптоз елімінує з організму як пошкоджені клітини, а й клітини, у яких спостерігається нерегульована стимуляція процесів проліферації.

Клітина піддається апоптозу, якщо у ядрі відбувається пошкодження ДНК, яке може бути виправлено системою репарації. За цим процесом стежить білок, що кодується геном р53.

Апоптоз та некроз
Пошкодження клітинних структур, що веде до апоптозу, не повинно бути надмірним, інакше процес її загибелі стає некерованим і є вже іншою формою загибелі клітини – некроз.

Некроз - це патологічний процес, що запускається у відповідь на якесь зовнішнє або внутрішнє пошкодження (інфекція, хімічна дія, опромінення, недостатнє кровопостачання і т. д.). Некроз проявляється у набуханні, денатурації та коагуляції цитоплазматичних білків, руйнуванні клітинних органел і, нарешті, усієї клітини. Основу некрозу становить порушення цілісності мембрани, що забезпечує ізоляцію клітин від зовнішнього середовища. Відбувається вихід лізосомальних ферментів з лізосом, які перетравлюють вміст клітини, клітина набухає, відбувається розрив мембрани з руйнуванням субклітинних структур внаслідок осмотичного шоку, при цьому ДНК піддається неконтрольованій фрагментації. Вміст клітини викидається у позаклітинне середовище, де поглинається фагоцитами, що призводить до розвитку запальної реакції у навколишніх тканинах.

При апоптозі розмір клітини, навпаки, зменшується, мембрана ущільнюється, утворюються здуття, що завершуються формуванням клітинних фрагментів, що містять уламки ядер (апоптичні тільця). Контакти із сусідніми клітинами послаблюються, ДНК піддається строго впорядкованій фрагментації, оскільки її нитки обриваються лише між нуклеосомами (структури, в яких упаковані ДНК). При апоптозі зберігається цілісність мембран, органели виглядають морфологічно інтактними, а продукти дроблення клітини, апоптозні тільця, є окремими фрагментами, оточені мембраною.

Таким чином, доля клітин, що зазнали апоптозу та некрозу, різна. Некротична клітина лопається, і її вміст виявляється у міжклітинному просторі, викликаючи ушкодження сусідніх клітин та ініціюючи запалення. Апоптичні ж клітини зберігають непроникність і дуже швидко поглинаються фагоцитами. Пояснюється це тим, що на поверхні клітини в процесі апоптозу з'являється ряд молекул (глікопротеїни, фосфатидилсерін та ін), що розпізнаються фагоцитами і сигналом для здійснення фагоцитозу.

Основні відмінності між апоптозом та некрозом відображені в таблиці 1.

Табл. 1. Основні відмінності між апоптозом та некрозом

Стадії апоптозу

Механізми апоптозу складні та різноманітні. Вони є найскладнішим молекулярним каскадом, вивченням якого займаються багато лабораторій по всьому світу. Безперечна важливість цих досліджень в аспекті онкології та геронтології доведена успіхами терапії онкологічних захворювань на індуктори апоптозу ракових клітин.

У розвитку апоптозу виділяють три стадії:

• сигнальну (індукторну);
• ефекторну;
• деградації (деструкції).

Клітина отримує сигнал у тому, що її загибель необхідна подальшої життєдіяльності організму. Індукторами апоптозу може бути як зовнішні (позаклітинні) чинники, і внутрішньоклітинні сигнали. Сигнал сприймається рецептором і далі послідовно передається молекулам-посередникам (месенджерам) різного порядку та досягає ядра, де відбувається включення програми клітинного «самовбивства». У ядрі реєструються перші морфологічні ознаки апоптозу – конденсація хроматину з формуванням його осміофільних скупчень, що належать до ядерної мембрани. Пізніше з'являються інвагінації (утискання) ядерної мембрани, і відбувається фрагментація ядра. В основі деградації хроматину лежить ферментативне розщеплення ДНК. Спочатку утворюються фрагменти, що включають 700, 250, 70 тисяч пар основ. Потім – фрагменти, що містять 30–50 тисяч пар основ. Після цього етапу процес стає незворотним.

Потім настає міжнуклеосомна дезінтеграція ДНК, тобто розриви ниток ДНК між нуклеосомами. Фрагменти ядра, що відокремилися, обмежені мембраною, називають апоптотичними тільцями. У цитоплазмі відбувається розширення ендоплазматичного ретикулуму, конденсація та зморщування гранул.

Найважливішою ознакою апоптозу є зниження трансмембранного потенціалу мітохондрій та вихід у цитоплазму різних апоптогенних факторів (цитохрому, прокаспазу, апоптоз-індукуючого фактора). Саме порушення бар'єрної функції мітохондріальних мембран відводять ключову роль розвитку багатьох типів апоптозу. Клітинна мембрана втрачає ворсинчастість і утворює міхурові здуття. Клітини округляються та відокремлюються від субстрату. На поверхні клітини експресуються різні молекули, які розпізнаються фагоцитами, внаслідок чого відбувається поглинання тіла клітини іншими клітинами та його деградація в оточенні лізосом фагоцитарних клітин.

Вплив апоптозу на старіння

Сучасні відомості показують, що є взаємозв'язок між порушеннями регуляції апоптозу та цілим рядом вікових патологій та фенотипів старіння. Одна з гіпотез пояснення молекулярно-генетичних механізмів старіння організму постулює: старіння організму - це, по суті, старіння та апоптоз ключових клітин, загибель яких здатна вплинути на фізіологію всього організму. Досі точаться дискусії про роль апоптозу в процесі старіння, при цьому частина дослідників є прихильниками теорії клітинного апоптозу, дотримуючись думки, що старіння відбувається в результаті того, що в організмі гине більше клітин, ніж народжується, а функціональні клітини, що відмирають, замінюються сполучною тканиною. Виходячи з цієї теорії, старість - це хвороба, яку можна і потрібно лікувати, а програму старіння організму можна вивести з ладу і тим самим вимкнути механізм, що скорочує наше життя.

Вперше опубліковано: Les Nouvelles Esthetiques Україна, №1 (71), 2012, стор.76-78