Молекулярные механизмы реализации апоптоза 

В развитии апоптоза можно выделить 3 стадии: индукторную, эффекторную и стадию деградации. Две последние едины для всех разновидностей апоптоза, тогда как первая стадия проявляется весьма разнообразно в зависимости от типов клеток и индукторных факторов. 

В молекулярном плане апоптоз представляет собой каскадный процесс, который начинается с приема определенного сигнала с помощью специфических рецепторов, передачи его молекулам-посредникам (адаптерам, мессенджерам), в большинстве случаев, активирующих литические ферменты, и заканчивается деструкцией клеточных молекул и структур под их действием. 

В настоящее время идентифицированы 4 основные функциональные группы молекул, вовлеченные в процесс апоптоза: протеолитические ферменты (каспазы); адаптерные белки, контролирующие активацию каспаз; белки суперсемейства Рецепторы факторов некроза опухолей (TNF) и белки-регуляторы, которые блокируют или, наоборот, усиливают разрушительное действие каспаз первого эшелона. К последним относятся антиапоптозные белки семейтсва Bc1-2 и проапоптозные белки семейства Bax. 

Каспазы – группа эволюционно консервативных цистеиновых протеиназ, расщепляющих белки после остатков Asp. Каспазы распознают определенные тетрапептидные белки (мотивы) в полипептидных цепях белков и расщепляют пептидную связь, образованную карбоксигруппой остатка Asp. Наряду с апоптозными имеются каспазы, которые активируют цитокины, участвующие в воспалительных процессах, – низкомолекулярные белки, посредники межклеточных взаимодействий (интерлейкины, γ-интерферон). 

По субстратной специфичности различают инициирующие и эффекторные каспазы или каспазы первого и второго эшелона соответственно. Активация инициирующих прокаспаз происходит при участии специальных белков-адаптеров. Структурно прокаспаза включает 3 участка: N-концевой участок (продомен), промежуточный домен (предшественник большой субъединицы) и C-концевой домен (предшественник малой субъединицы зрелого фермента).

Продомены инициирующих прокаспаз осуществляют их взаимодействие с белками-адаптерами, что приводит к активации каспазы, заключающейся в протеолитическом удалении продомена, разрыве связи между большой и малой субъединицами и последующей сборке из них гетеродимера. Два гетеродимера, связываясь друг с другом через малые субъединицы, образуют тетрамер – активную форму каспазы, обладающую двумя идентичными каталитическими центрами. 

Продомены эффекторных прокаспаз выполняют функцию ингибитора активации прокаспаз. Существуют белки (их обозначают IAP), которые, блокируя отщепление продомена эффекторных прокаспаз и подавляя их активацию, предотвращают апоптоз. На стадии активации эффекторных каспаз гибель клетки неизбежна. 

Субстраты каспаз первого эшелона (каспазы-2,-8,-9,-10,-12) – латентные формы каспаз второго эшелона (прокаспазы-3,-6 и-7). Субстратами эффекторных каспаз являются свыше 60 различных белков, из которых выделяют: ингибитор ДНК-азы – CAD (caspase-activatedDNase); белки, участвующие в репарации и репликации ДНК; белки цитоскелета: ламины, актин, фодрин, кератины, гельдолин; антиапоптозные белки семейства Bc1-2, проапоптозный белок Bid, белки IAP и т.д. 

Таким образом, разрушение структурных и функциональных белков клетки и активация нуклеаз в результате функционирования каспазного каскада приводят к гибели клетки. 

В настоящее время очевидно, что апоптоз сопряжен с продуцированием АФК, что приводит к изменению проницаемости мембраны. Как исход – растворимые белки межмембранного пространства оказываются в цитоплазме. Среди этих белков несколько апоптозных факторов: цитохром c, прокаспазы-2,-3,-9, белок AIF (apoptosis inducing factor). Высвобожденный цитохром c вместе с цитоплазматическим фактором APAF-1 (apoptosis protease activating factor) участвует в активации каспазы-9. 

Также существует проапоптозный белок митохондрий – SMAC (second mitochondrial apoptosing activating factor) вызывает активацию каспаз-3 и -9. 

Наряду с АФК множество факторов могут запускать процесс апоптоза в клетке. Так, в регуляции иммунного ответа решающую роль играет апоптоз, включаемый рецепторами плазматической мембраны. Это рецепторы Fas, включаемые в группу рецепторов фактора некроза опухолей (обозначаемые также CD95 или APO-1). Лиганд данного типа рецептора, FasL, преимущественно экспрессируется ЦТЛ (Т-киллерами) и натуральными киллерами (NK-клетками). 

С помощью механизма Fas-зависимого апоптоза Т-киллеры удаляют клетки, инициированные вирусами или бактериями, а натуральные киллеры – опухолевые клетки. В то же время Fas-зависимый апоптоз регулирует гомеостаз лимфоцитов, вызывая гибель активированных Т-лимфоцитов-продуцентов-цитокинов, и B-лимфоцитов – продуцентов антител, по окончании иммунного ответа, когда инфекционный возбудитель уничтожен. 

Наряду с рассмотренными выше путями апоптотической гибели клеток существует особая форма апоптоза в виде потери клеточного ядра. Примером данной формы апоптоза является биогенез эритроцитов млекопитающих из стволовой клетки в костном мозге. На этапе эритробласта ядро изгоняется из клетки и уничтожается макрофагом. Альтернативный вариант – кариорексис с образованием телец Жолли и их последующий распад и лизис внутри клетки. Безъядерная клетка, ретикулоцит, в дальнейшем теряет митохондрии и рибосомы и превращается в эритроцит. 

В ряде случаев программируемая клеточная смерть реализуется в результате комбинированного действия двух путей – с участием рецепторов плазматической мембраны и митохондриального цитохрома c. Так, повреждение ДНК ведет к накоплению в клетке белкового продукта гена p53, который может останавливать деление клеток и/или индуцировать апоптоз. У более чем 50 % изученных видов опухолевых клеток ген p53 инактивирован, у них нарушена p53-зависимая регуляция клеточного гомеостаза. 

Белок p53 является фактором транскрипции, регулирующим активность ряда генов. Предполагается, что ответная реакция на образование белка p53 зависит от степени нарушения клеточного генома. При умеренном нарушении генома происходит остановка клеточного деления, осуществляется репарация ДНК, и клетка продолжает свое существование. При чрезмерном нарушении генома, когда ДНК уже не поддается репарации, включаются рецепторный и цитохром c-зависимый апоптозные каскады активации каспаз. 

Таким образом, апоптоз является результатом действия отдельной функциональной системы, включающей в себя гены-индукторы апоптоза с реализацией через цитотоксические сигналы, цитотоксические рецепторы при сохранности специфических клеточных протеаз. 

Источник: Попова Т. Н. и др. Свободнорадикальные процессы в биосистемах //Старый Оскол: Кириллица. – 2008.