УСПЕХИ СОВРЕМЕННОЙ БИОЛОГИИ, 2014, том 134, № 2, с. 149-157
УДК 577.352
ЭРИПТОЗ - ЗАПРОГРАММИРОВАННАЯ ГИБЕЛЬ ЭРИТРОЦИТОВ © 2014 г. Е. И. Белевич, Д. Г. Костин, Е. И. Слобожанина
Институт биофизики и клеточной инженерии НАН Беларуси, Минск, Беларусь
E-mail: Catherina_Bel_@tut.by
Представлены современные данные о механизмах, инициирующих, регулирующих и ингибиру-ющих запрограммированную гибель зрелых эритроцитов в норме и при патологии. Рассмотрены заболевания, характеризующиеся повышенным эриптозом. Выделен ряд нерешенных задач в области исследования процесса эриптоза.
Ключевые слова: эритроциты, эриптоз, ионы кальция, каспаза 3, фосфатидилсерин, эндогенные церамиды, окислительный стресс.
ВВЕДЕНИЕ
Одним из интенсивно изучаемых физиологических процессов в современной биологии является апоптоз, процесс, который в широком смысле понимают как гибель ядерных клеток с характерными признаками запрограммированной смерти. Апоптоз характеризуется: переносом фосфатидилсерина из внутреннего монослоя ци-топлазматической мембраны в наружный монослой; выходом цитохрома с из межмембранного пространства митохондрий в цитоплазму; активацией каспаз (цистеиновых протеаз); образованием активных форм кислорода; сморщиванием цитоплазматической мембраны и уменьшением объема клетки; разрывом нитей ДНК в межнук-леосомальных участках; конденсацией хроматина по периферии ядра; распадом ядра на части; фрагментацией клеток на апоптотические тельца - везикулы с внутриклеточным содержимым. В зависимости от типа клеток и вида стимула апоптоз может осуществляться по трем сигнальным путям: внутреннему митохондриальному, внешнему немитохондриальному и внешнему митохондриальному (Вересов, 2008). Внешние немитохондриальный и митохондриальный пути апоптоза часто объединяют в единый внешний путь апоптоза. При митохондриальном апоптозе происходит пермеабилизация наружной мембраны митохондрий, которая сопровождается выбросом апоптогенных факторов (преимущественно цитохрома с) из межмембранного пространства митохондрий в цитоплазму с последующей активацией эффекторных каспаз, которые осуществляют деструкцию клетки. В случае развития апоптоза по внешнему немитохондриальному
пути, эффекторные каспазы активируются напрямую каспазами-инициаторами. Активация каспаз-инициаторов происходит в результате связывания внеклеточных лигандов, так называемых "лиган-дов смерти", с поверхностными рецепторами -"рецепторами смерти" (Вересов, 2008).
Долгое время полагали, что развитие процесса апоптоза возможно только в ядерных клетках. Тем не менее последние исследования, проведенные на эритроцитах человека, показали, что ряд событий, характерных для апоптоза, может происходить и в клетках, лишенных ядра и митохондрий - в эритроцитах.
Эритроциты - одни из наиболее многочисленных клеток организма и количественно они составляют почти 10% от всего объема клеток взрослого человека (Lang et al., 2008). Зрелые эритроциты подвергаются старению с последующим удалением старых клеток из циркуляции. Продолжительность жизни эритроцитов человека составляет от 100 до 120 дней. Старение эритроцитов - естественный процесс, исследованию которого посвящено много работ, последние достижения в этой области отражены в обзорах (Bosman et al., 2008; Lang, Qadri, 2012). Следует отметить, что на последних стадиях старения эритроцитов происходит связывание гемихрома с интегральным мембранным белком полосы 3, кластеризация белка полосы 3, образование фрагментов С3 системы комплемента и аутологичес-ких иммуноглобулинов к белку полосы 3 (Lang, Qadri, 2012).
Однако, до наступления физиологического старения эритроциты могут подвергаться повреждениям, которые нарушают их целостность и таким
Рис. 1. Сигнализация, участвующая в стимулировании и ингибировании суицидальной смерти эритроцитов -эриптоза (Lang, Qadri, 2012). (С разрешения изд-ва "Elsevier", Лицензия № 3190270717727).
СМ - сфингомиелиназа; Цер - церамид; ЯК3 - Янус киназа 3; СКР - скрамблаза; ФАТ - фактор активации тромбоцитов; ФЛ А2 - фосфолипаза А2; АК - арахидоновая кислота; ЦОГ - циклооксигеназа; ПГ Е2 - простагландина Е2; НКК - неселективный катионный канал; АМФПК - АМФ-активируемая протеинкиназа; цГПК - цГМФ-зависимая протеинкиназа I типа; NO - оксид азота.
образом запускают их запрограммированную гибель - эриптоз. Данный термин был введен в 2005 году для обозначения апоптоза эритроцитов (Lang K.S. et al, 2005). Так как эритроциты характеризуются отсутствием ядра и митохондрий, они лишены и некоторых ключевых событий апоптоза, таких как деполяризация митохондрий и конденсация хроматина ядра. Однако эритроциты проявляют другие признаки апоптоза, например сморщивание клетки, везикуляцию и перераспределение липидов в мембране, которое приводит к экспонированию фосфатидилсерина на ее поверхности.
К запуску механизмов эриптоза приводят такие воздействия как окислительный стресс, осмотический шок и энергетическое истощение клеток (например, по АТФ). Эриптоз может происходить при воздействии на клетку разнообразных лекарственных веществ и ксенобиотиков (Lang et al., 2008). Повышенный уровень эриптоза в организме человека наблюдается при ряде заболеваний, таких как серповидноклеточная анемия, ß-талас-семия, миелодиспластический синдром, железо-дефицитная анемия, почечная недостаточность, диабет, малярия, микоплазменная инфекция, на-
следственный сфероцитоз и других (Lang K.S. et al, 2005), что указывает на особую важность изучения механизмов эриптоза.
В данной обзорной статье представлены современные представления о механизмах, инициирующих, регулирующих и ингибирующих апоптоз в эритроцитах в норме и при патологии.
МЕХАНИЗМЫ, ИНИЦИИРУЮЩИЕ ЭРИПТОЗ
Известно, что эриптоз запускается рядом веществ эндогенного и экзогенного происхождения, в который входят металлы и их соединения, лекарственные вещества и ксенобиотики (Lang et al., 2008; Lang et al., 2012). Воздействие этих веществ либо запускает механизмы, связанные с повышением внутриклеточной концентрации свободных ионов кальция и усилением выработки эндогенного церамида, либо активирует дополнительные механизмы, такие как истощение по АТФ, окислительный стресс и/или активацию каспазы 3. Одновременно могут запускаться несколько механизмов эриптоза (Lang, Qadri, 2012).
Повышение внутриклеточного содержания свободных ионов кальция
Один из механизмов, запускающих эриптоз, связан с повышением внутриклеточной концентрации свободных ионов кальция (Lang K.S. et al, 2005 Lang et al., 2008). Увеличение концентрации свободных ионов кальция в цитозоле эритроцитов может происходить в результате активации неселективных катионных каналов. До настоящего времени белки, выполняющие функцию катионных каналов, не идентифицированы, хотя предполагается участие TRPC6 канала ("transient receptor potential channel 6") (Lang et al., 2010). Осмотический шок, окислительный стресс и удаление ионов хлора из среды инкубации приводят к активации катионных каналов в эритроцитах человека. При гиперосмотическом шоке эритроцитов происходит стимулирование активности фермента циклооксигеназы, что приводит к образованию простагландина Е2 (рис. 1), который в конечном итоге активирует неселективные катионные каналы (Lang, Qadri, 2012). Следует подчеркнуть, что в настоящее время по-прежнему существуют противоречивые данные о наличии двух известных изоформ циклооксигеназы в эритроцитах. Циклооксигеназа-1 присутствует в эндоплазматическом ретикулуме всех клеток за исключением эритроцитов, а циклооксигеназа-2 обнаружена в эндоплазматическом ретикулуме
клеток головного мозга, почек, костей и женской репродуктивной системы (Levin, 2006).
После повышения внутриклеточной концентрации свободных ионов кальция события в эритроцитах могут развиваться в двух направлениях. С одной стороны, свободные ионы кальция стимулируют "скрамблинг" всех классов фосфолипи-дов мембраны эритроцита с перераспределением "маркерного" фосфатидилсерина из внутреннего во внешний липидный монослой (Костин и др., 2004; Белевич и др., 2012). С другой стороны, повышение внутриклеточного содержания свободных ионов кальция активирует цистеиновую эндопептидазу - калпаин (рис. 2). Калпаин представляет собой фермент, субстратами которого являются белки цитоскелета - спектрин, актин (Lang, Qadri, 2012) и белок полосы 3, а также мембраносвязанный транспортер - Са2+-АТФаза или Са2+-помпа, отвечающий за транспорт ионов кальция из клетки (Vittori et al., 2012). В норме в эритроцитах человека калпаин находится в неактивной форме. В результате повышения концентрации ионов кальция внутри клетки калпаин перемещается из цитоплазматического пространства в мембрану, где подвергается аутопротеолити-ческой активации. Более того, активированный в эритроцитах калпаин может, в свою очередь, протеолитически стимулировать каспазу 3, субстратами которой также являются спектрин и актин (Wang, 2000; Maellaro et al., 2011). Развитие описанных выше событий приводит к активной везикуляции эритроцитов.
Повышение внутриклеточной концентрации свободных ионов кальция также активирует кальций-зависимые калиевые каналы (каналы Гардоша) с последующим выходом ионов калия из эритроцита, что приводит к гиперполяризации клеточной мембраны и потере ионов хлора из клетки по электрохимическому градиенту. За выходом из эритроцита человека ионов калия и хлора следует потеря осмотически связанной воды, что морфологически проявляется в сморщивании клетки (Lang, Qadri, 2012).
Изменение концентрации эндогенного церамида
В работах (Lang et al., 2010; Lang, Qadri, 2012) показано, что помимо ионов кальция эриптоз может инициироваться повышением концентрации эндогенного церамида, который усиливает кальций-чувствительный "скрамблинг" липидов клеточной мембраны и сморщивание клетки. Церамид в эритроцитах образуется в результате расщепления мембранного сфингомиелина ферментом сфингомиелиназой, которая может синте-
осмотический шок
распознание ФС макрофагами и удаление из тока крови
Рис. 2. Механизмы, участвующие в запрограммированной гибели эритроцитов.
АФК - активные формы кислорода; НКК - неселекти
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.