научная статья по теме АПОПТОЗ И ЕГО МОДУЛЯЦИЯ ВИРУСАМИ Медицина и здравоохранение

Текст научной статьи на тему «АПОПТОЗ И ЕГО МОДУЛЯЦИЯ ВИРУСАМИ»

НЕЙРОХИМИЯ, 2004, том 21, № 3, с. 165-182

ОБЗОРЫ

УДК 616-018.1-092:612

АПОПТОЗ И ЕГО МОДУЛЯЦИЯ ВИРУСАМИ

© 2004 г. Т. К. Давтян*, Ж. Г. Искандарян, Ä. Ä. Галоян

Институт биохимии им. Г.Х. Бунятяна, HAH РА, Ереван

В обзоре приводятся современные литературные данные о генетических механизмах индукции и регуляции апоптоза. Рассматривается апоптоз при стрессе, в функционировании клеток иммунной системы и нервных клеток. Особое внимание уделяется нейроиммунологическим аспектам апоптоза и его модуляции вирусами.

Ключевые слова: апоптоз, каспазы, фактор некроза опухоли, вирусы, Fas/FasL-система.

Апоптоз - это программированная форма смерти всех видов клеток, играющая большую роль в процессах онтогенеза, гомеостаза, индукции иммунного ответа, а также в патогенезе опухолевых заболеваний, синдрома приобретенного иммунодефицита, нейродегенеративных отклонений и т. д. В процессе апоптоза происходит уменьшение объема клетки, конденсация хроматина и межнуклеосомальное расщепление ДНК до больших, а затем и малых олигонуклеосомных фрагментов [1-3]. Апоптоз делят на две основные стадии: стадию подготовки к апоптозу, когда клетка "приговаривается" к смерти, и стадию непосредственного исполнения "приговора" [4, 5]. Процесс апоптоза обычно сопровождается морфологическими и биохимическими изменениями: ядро и цитоплазма уменьшаются в объеме, клетка фрагментируется на ограниченные мембраной цитоплазматические компартменты (апоптоти-ческие тельца), происходит конденсация и сморщивание гранул без их разрушения, а также расширение эндоплазматического ретикулума. Апоптоз сопровождается также потерей мембранных микроворсинок и нормальной складчатости, отделением клеток от субстрата, формированием на их поверхности пузырей. Апоптотичес-кие клетки уничтожаются путем фагоцитоза, вследствие чего предотвращается высвобождение их потенциально опасного внутриклеточного содержимого [6]. В противоположность этому при некрозе - патологической форме клеточной смерти, возникающей, например, в ответ на воздействие больших доз радиации или токсических веществ, клетка разбухает и лизируется, выпуская цитоплазматический материал в окружающую среду, что обычно вызывает развитие воспалительных реакций. В отличие от некроза апоптоз является обязательным компонентом жизни многоклеточных организмов (их развития и нор-

* Адресат для корреспонденции: 375014 Ереван, ул. П.Сева-ка, д. 5/1; e-mail: biochem@ipia.sci.am

мального функционирования). Основые отличительные признаки этих двух типов гибели клеток обобщены на схеме 1.

Одно из основных проявлений апоптоза на биохимическом уровне реализуется в ядре клетки и сводится к фрагментации ДНК [7]. Сначала происходит образование крупных фрагментов ДНК, содержащих 700, 200-250, 50-70 тыс. пар оснований. Уже на этой стадии регистрируются конденсация хроматина и выпячивание ядерной мембраны, после чего процесс становится необратимым. Более подробно изучен следующий этап фрагментации ДНК - ее межнуклеосомальная деградация, т. е. расщепление в результате формирования разрывов между нуклеосомами с формированием фрагментов, содержащих 180-190 пар оснований. Именно эти фрагменты выявляются в виде "лесенки" при электрофорезе ДНК апопто-тических клеток, что широко используется как метод идентификации апоптоза [6, 8]. Деградация хроматина при апоптозе является активным процессом: она зависит от температуры, требует синтеза de novo РНК и белка.

Осуществление различных этапов деградации ДНК связывают с проявлением активности ряда ферментов, однако этот процесс изучен далеко не полно. Считают, что межнуклеосомальная деградация ДНК при апоптозе обусловлена активацией ядерной Са2+, М§2+-зависимой эндонуклеазы. Еще меньше сведений о ферментах, участвующих в формировании крупных разрывов ДНК. Эти ферменты отличаются от Са2+, М§2+-зависимой эндонуклеазы по ряду свойств. Формирование крупных фрагментов ДНК также зависит от Са2+. Роль ионов кальция в осуществлении межнуклео-сомальной деградации ДНК при апоптозе связывают преимущественно с активацией Са2+, Mg2+-зависимой эндонуклеазы. Так, повышение внутриклеточной концентрации Са2+ регистрируется при действии многих, но не всех индукторов апоптоза [6-8]. Ключевым дистальным механизмом реализации апоптоза является активация серино-

о С

с

о

с <

Причинный фактор

Сигнал от

мембранных

рецепторов

Причина гибели клетки Изменение размеров клетки и клеточной мембраны Изменения в цитоплазме и ядре Состояние ДНК Зависимость от энергии и сигналов активации Примеры появления у животных

Деградация ДНК, нарушение работы генов и энергетический дисбаланс Уменьшение объема (сморщивание). Потеря мембранных микроворсинок, образование пузырей Конгломераты хроматина, прилежащие к мембране, фрагментация ДНК. Конденсация цитоплазмы Разрывы с образованием сначала крупных, затем мелких фрагментов Энергозависим. Зависит от сигнала, трансдуци-руемого поверхностными рецепторами Метаморфоз, селекция лимфоцитов, гормон-зависимая атрофия, интерфазная радиационная гибель лимфоцитов

о р

к

Токсичные мембрано-тропные

Нарушение

целостности

мембраны

Увеличение

объема

(набухание).

Нарушение

целостности

Набухание ядра.

Лизис гранул в цитоплазме, разрыв их мембран

Неупорядоченная деградация

Энергонезависим, от сигнала не зависит

Гибель клеток от гипоксии, действия ядов и токсинов, вирусный цитолиз и др.

агенты

Схема 1. Сравнительная характеристика апоптоза и некроза клеток.

вых (гранзимы) и цистеиновых протеиназ и Са2+-зависимой протеинкиназы (калпаин). Важную роль в процессе апоптоза отводят цистеиновым протеиназам типа ICE (ИЛ-1 конвертирующий фермент) и родственным им ферментам Nedd2 (Ich-1) и CPP32, которые индуцируют запуск общих звеньев необратимой фазы клеточной гибели. Цистеиновые протеиназы характеризуются довольно необычной субстратной специфичностью и механизмом активации. Расщепление пептидной связи в участках, следующих после аспарагиновой кислоты, является не только их эффекторным действием, но и механизмом самоактивации с участием других протеаз. Эти протеазы получили общее название каспазы (табл. 1).

Каспазы, по всей видимости, работают по типу каскада, последовательно активируя друг друга и расщепляя ряд важных белков, необходимых для процессов восстановления ДНК. Запуская сеть деструктивных процессов, каспазы обеспечивают быстрый и эффективный "демонтаж" клетки [912]. Активация каспазного каскада считается одной из основных предпосылок клеточной смерти. Существует множество низкомолекулярных белков, которые служат субстратами для каспаз и модулируют их активность. По субстратной специфичности каспазы делят на три основные группы: первая группа (каспазы-1, -4, -5) расщепляет аминокислотную последовательность TEHD субстратов; вторая группа (каспазы-3, -7) расщепляет последовательность DEXD (где X - любая ами-

нокислота) и является эффектором апоптоза, а третья группа (каспазы-6, -8, -9, -10) участвует в трансдукции апоптогенных сигналов в клетках (табл. 1).

Биохимические процессы при апоптозе затрагивают изменения структуры мембран: устраняется ассиметрия фосфолипидов. Фосфосерин, сосредоточенный во внутренней части мембраны, оказывается экспрессированным на наружной поверхности. Он является одним из мембранных маркеров апоптотических клеток, который распознается макрофагами и обусловливает высокую эффективность фагоцитоза апоптотических клеток. Другими маркерами апоптоза являются тромбоспондин, распознаваемый интегрином макрофагов, и мембранные гликопротеины, содержащие концевые остатки Р-Б-К-ацетилглюкоза-минов, распознающиеся мембранными лектина-ми макрофагов. При апоптозе наблюдаются уплотнения и деформации клеточных мембран. Сморщивание цитоплазматических гранул связывают с перекрестным сшиванием рецепторных белков, обусловленным активацией Са2+-зависи-мой трансглютаминазы II типа, которая служит характерным биохимическим признаком апоптоза.

Немаловажную роль в развитии процессов некоторых форм апоптоза (например, Рав-индуциро-ванный апоптоз) играют апоптоз-ассоциирован-ные изменения в митохондриях. Высвобождение митохондриями в цитоплазму ряда апоптотических факторов (цитохром С, А1Р-апоптоз-индуци-рующий фактор) обусловливает запуск механиз-

Таблица 1. Семейство цистеиновых протеаз - каспаз

Каспазы, № Альтернативные наименования Кодирующие гены (локусы) Взаимодействующие белки Последовательность а.к. активных сайтов

1 ICE (interleukin 1 converting enzyme) 11q 22.2-.3 Ced-4 WFKD

2 ICH-1, NEDD-2 7q35 RAIDD, ARC, ISBP DQQD

3 CPP32, YAMA, apopain, LICE, SCA-1 4q35 IAPs, p21WAF1 IETD

4 ICErel-2, TX, ICH-2 11q22.2-.3 WVRD

5 ICErel-3, TY 11q22.2-.3 WVRD

6 Mch2 4q25 TEVD

7 Mch3, ICE-LAP6, CMH-1 10q25.1-.2 IAPs IQAD

8 MACH, FLICE, Mch5 2q33-q34 FLIPs, FADD, Ced-4, Apaf-1, IAPs, ARC, CLARP VETD

9 ICE-LAP6, Mch6, APAF-3 1p 36.1-.3 Apaf-1, c-IAP1, c-IAP2, XIAP PEPD

10 Mch4, FLICE-2 2q33-q34 FADD IEAD

11 - ICE MAED

12 - ATAD/ADTD

13 ERICE WVSD

14 MICE 19p13.1 Каспаза-1, -2, -4, -8, -10 LGGD

мов клеточной смерти сразу по нескольким направлениям: флавопротеин А1Б индуцирует морфологические изменения в ядре (по каспазне-зависимым механизмам), а цитохром С, связываясь с С-терминальным участком каспазного активатора АраМ, запускает каспазный каскад. Эти процессы находятся под жестким генетическим контролем [13-15].

Несмотря на многочисленные данные об изменении активности ферментов и метаболизме клеток в процессе апоптоза, вопрос о том, что служит непосредственной причиной их гибели, не решен. Одно из объяснений связывает апоптоз с энергетическим голоданием клеток, вызванным затратами АТФ на процессы восстановления повреждений ДНК. При апоптозе происходит активация фермента поли-(АДФ-рибозо)-полимера-зы, обусловленная разрывами ДНК. Этот фермент участвует в переносе АДФ-рибозного комплекса на молекулы белков. В результате АТФ тратится на восстановление истощенного пула НАД.

Таким образом, вторичные проявления апоптоза на уровне морфологических структур и биохимических процессов отражают развитие процессов, происходящих в ядре (конденсация и фр

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.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Медицина и здравоохранение»