Журнал «Боль. Суставы. Позвоночник» 2 (02) 2011

Апоптоз (в переводе с греческого означает «опадание листьев») — форма гибели клеток в многоклеточном организме вследствие реализации программы, приводящей к поэтапному прекращению его жизнедеятельности. Впервые этот термин был введен J.F. Kerr и соавт. (1972) [1] при проведении электронномикроскопических исследований клеток, хотя принципы апоптоза были описаны ранее C. Vogin в 1842 году, а затем анатомом W. Flemming в 1885 году [2].

При апоптозе в клетке наблюдаются характерные молекулярные проявления, приводящие к цитологическим изменениям, которые характеризуются уменьшением ее размера, сморщиванием цитоплазматической мембраны, переходом фосфатидилсерина из внутреннего монослоя цитоплазматической мембраны в наружный монослой, конденсацией и фрагментацией ядра (кариопикноз и кариорексис), фрагментацией ДНК хромосом. Затем вследствие распада ядра и цитоплазмы формируются апоптические мембраносвязанные тельца с внутриклеточным содержимым, которые в последующем подвергаются фагоцитозу (рис. 1).

Другая форма гибели клетки — некроз возникает как патологический процесс в результате воздействия на нее внешнего повреждающего фактора. Синоним термина некроз — «гибель клетки от повреждения». Одним из основных механизмов гибели клетки вследствие некроза является повреждение ее плазматической мембраны, лизис, что приводит к нарушению ее ионного состава, набуханию мембранных органелл, разрыву лизосомальных мембран и, как следствие, деструкции цитоплазматических структур (рис. 1). Во внеклеточном пространстве продукты деструкции некротических клеток вызывают воспалительный процесс. В дальнейшем клеточный детрит поглощается фагоцитами. Обычно некроз характерен для нескольких клеток, формирующих группы, в то время как апоптоз может наблюдаться в одной клетке.

В отличие от некроза апоптоз — не обязательно проявление патологического процесса. Этот важный внутриклеточный процесс часто инициируется во время нормального жизненного цикла клетки с целью поддержания гомеостаза в организме. Апоптоз является важным механизмом изменения численности клеток в развитии организма. Существует множество физиологических процессов (наблюдающихся в основном в ходе морфогенеза или поддержания нормального состава обновляющихся клеточных популяций), когда клетки, завершившие свой жизненный цикл, удаляются путем апоптоза. Этот процесс характерен для формирования в эмбриональном онтогенезе суставных щелей, разделения пальцев верхних и нижних конечностей и др. У детей в возрасте 8–14 лет путем апоптоза погибает до 20–30 миллиардов клеток каждый день, а в организме взрослого человека — среднем от 50 миллиардов до 70 миллиардов клеток.

Факторы, приводящие к апоптозу. Апоптоз конт­ролируется различными клеточными сигналами, которые носят экстраклеточный или интраклеточный характер [4, 5] и приводят к повреждению ДНК [6]. В процесс апоптоза клетки вовлекаются с увеличением возраста, под действием ультрафиолета, химических или физических факторов, токсинов, гормонов, факторов роста, оксида азота и др., а также при таких заболеваниях, как СПИД, болезнь Альцгеймера и Паркинсона, инфаркт миокарда, остеопороз, остеоартроз и др.

Апоптоз может иметь место, если в клетке произошла мутация, которая может привести к неконтролируемому опухолевому росту, при этом низкий уровень апоптоза способствует прогрессированию опухолевого процесса. Однако точка зрения на этот факт неоднозначна. В последние годы получены данные, что у низкодифференцированных опухолей имеет место высокая апоптозная активность, а у высокодифференцированных она значительно ниже [7].

Путем апоптоза клетки погибают при воспалительном процессе, в частности, гибель лимфоцитов отмечается на заключительных этапах инфекционного процесса, когда организм уже не нуждается в дальнейшей выработке антител. Однако высокий уровень апоптоза может приводить к выраженному снижению численности клеток, например при нейродистрофических процессах.

Таким образом, клеточные сигналы, контролирующие апоптоз, могут носить позитивный или негативный характер.

Каспазы и апоптоз. К гибели клетки путем апоптоза приводит класс протеаз, называемых каспазами, которые присутствуют в клетке в неактивной форме (в качестве проэнзимов). Каспазы — семейство эволюционно консервативных цистеиновых протеаз, которые специфически активируются в апоптозных клетках и играют ключевую роль в механизмах программируемой смерти клетки. В своих субстратах они катализируют гидролиз пептидных связей, образованных карбоксильными группами аспарагиновой кислоты, в связи с чем они и получили свое название (Cys + + Asp + протеаза = CASPAS) [8]. В настоящее время у человека идентифицировано более 10 каспаз, отдельные из которых обозначаются как «инициирующие» — это каспазы 8, 9, 10 и 12, а другие каспазы — 3, 6, 7 и 14 определены как «эффекторные» [9]. Инициирующие каспазы после активации мишенью воздействия выбирают эффекторные каспазы. Среди каспаз только каспаза 2 обладает как инициирующими, так и эффекторными функциями [10]. С активацией каспаз связан протеолиз цитоплазматических фибриллярных компонентов, субмембранных и ядерных белков.

В целом процесс апоптоза можно представить в виде трех этапов (рис. 2) [11]:

1. Активация каспаз специфическим сигналом.

2. Активация эффекторных каспаз инициирующими каспазами, первые выполняют функцию расщепления в специфических местах, например, каспаза 3 воздействует на фактор фрагментации ДНК DFF-45, PARP-полимеразу, PAK2-киназу и др.

3. Деградация важных клеточных белков каспазами.

Финальная стадия апоптоза характеризуется разрушением ДНК и формированием апоптозных телец различной формы и размера.

Сигнальные пути при апоптозе. Молекулярные процессы апоптоза запускаются в цитозоле, на мембранах, но реализуются только в ядре за счет репрессии генов и необратимого процесса межнуклеосомной фрагментации ДНК. В зависимости от стимулов, инициирующих апоптоз, можно выделить два главных внутриклеточных апоптозных сигнальных каскада: путь через рецепторы смерти и митохондриальный путь.

Механизмы активации инициирующих каспаз могут быть различными. Рецепторный путь запуска каспазного каскада начинается с активации расположенных на клеточной мембране рецепторов, воспринимающих внешний сигнал, например Fas/CD95, DR-4, DR-5, TNF и т.п. [11, 12] (рис. 2). Активация рецептора Fas одноименным лигандом либо антителами ведет к присоединению к рецептору адаптора FADD (Fas-associated protein with death domain), который, в свою очередь, связывается с прокаспазой 8, что приводит к ее активации. К рецепторам смерти относятся и рецепторы фактора некроза опухоли (TNF).

Митохондриальные механизмы апоптоза. В последние годы получены данные, касающиеся роли митохондрий в апоптозе. При митохондриальном пути запуска каспазного каскада ключевым звеном является изменение состояния митохондрий.

Выделены три фазы, включающие: 1) премитохондриальную, на которой происходит активация путей повреждения; 2) митохондриальную, связанную со снижением функции митохондрий; 3) постмитохондриальную, проявляющуюся выделением из митохондрий активных проапоптозных компонентов, приводящих к гибели клетки [13]. При нарушении целостности мембраны из митохондрий выходит ряд белков. Цитохром С в комбинации с фактором Apaf-1 (apoptotic protease-activating factor-1) и прокаспазой 9 образует каспазу 9, активирующую каспазу 3. В митохондриях существует и некаспазный путь, приводящий к апоптозу. На наружной мембране митохондрий локализована большая часть белков семейства Bcl-2, в состав которого входят промоторы (Bax, Bid и Bik) и ингибиторы (собственно Bcl-2 и Bcl-XL) апоптоза (рис. 3). От соотношения активности этих белков зависит, состоится апоптоз или нет. Особую роль играет белок Bcl-2 как фактор антиапоптического действия. В норме он закрывает митохондриальные поры, препятствуя высвобождению цитохрома С.

Один из белков семейства Bcl-2, промотор апоптоза Bid, может связывать рецепторный и митохондриальный пути.

Митохондрии являются ключевым звеном в передаче сигнала во время апоптоза, связанного с повреждением ДНК при действии на клетку разного рода факторов. Важную роль при этом играет также белок p53, который, перемещаясь в митохондрию, стимулирует открытие пор.

Описаны дополнительные пути апоптоза, которые могут происходить в комплексе Гольджи. В нем экспрессируется каспаза 2, основной мишенью которой является расщепление белка гольджин-160, индуцирующего апоптоз.

Многие молекулярные механизмы апоптоза на сегодняшний день расшифрованы. Выделены ключевые белки, обеспечивающие процессы апоптоза, однако механизмы их активации требуют дальнейших исследований. Остается открытым вопрос о том, сможет ли клетка выйти из апоптоза, включенного физиологическим апоптическим сигналом, особенно в случае, если каспазы уже были активированы [8].

Методы исследования апоптоза подробно описаны [16]. Метод световой микроскопии позволяет выявить клетки с пикнотичными ядрами, а также вариант апоптического нарушения структуры ядра — кариорексис. Используют гистохимические методы, позволяющие выявить белки — маркеры апоптоза. Больше информации можно получить при использовании флюоресцентной микроскопии, основанной на применении для окраски флюоресцентных красителей. Клетки с апоптозом возможно верифицировать методом проточной цитофотометрии. Олигонуклеосомную деградацию ДНК изучают методом in situ. Фазы формирования нарушений в ядре и формирование апоптических телец возможно выявить методом электронной микроскопии (рис. 4).