БИОХИМИЯ, 2012, том 77, вып. 7, с. 915 - 931
УДК 577.24
ФЕНОПТОЗ У ДРОЖЖЕЙ Обзор
© 2012 г. Е.И. Суханова1, А.Г. Рогов1, Ф.Ф. Северин2, Р.А. Звягильская1*
1 Институт биохимии им. А.Н. Баха РАН, 119071 Москва, Ленинский просп., 33; факс: (495)954-2732,
электронная почта: renata_z@inbi.ras.ru 2 НИИ физико-химической биологии им. А.Н. Белозерского МГУ им. М.В. Ломоносова, 119991 Москва; факс: +7(495)939-3181, электронная почта: severin@beloz.ersky.msu.ru
Поступила в редакцию 11.03.12
Приведены общие сведения о феноптозе и апоптозе как о генетических программах, направленных соответственно на удаление потенциально опасных индивидуумов и клеток. Подробно рассмотрены особенности протекания феноптоза (апоптоза) у дрожжей. Описаны многочисленные факторы, вызывающие апоптоз; характерные морфологические и биохимические изменения, сопутствующие апоптозу у дрожжей; про- и антиапоптотические внутриклеточные факторы, способствующие проведению апоптогенного сигнала; последовательность стадий протекания апоптоза. Отмечены важная роль митохондрий и других органелл в проведении апоптотического сигнала и возможные пути выхода апоптотических факторов из дрожжевых митохондрий в цитозоль. На ряде конкретных примеров показаны очевидная физиологическая значимость и целесообразность альтруистической смерти дрожжевых клеток, а также относительно «слабые места» и перспективы изучения апоптоза у дрожжей.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: дрожжи, феноптоз, апоптоз, митохондрии, эндоплазматический ретикулум, вакуоль.
Гипотеза запрограммированной смерти организма как механизма, возникшего путем естественного отбора, для исключения старых особей в целях освобождения жизненного пространства и ресурсов молодым поколениям была выдвинута в 1980 г. Августом Вейсманом [1, 2]. В.П. Скула-чевым этот процесс был назван феноптозом [3, 4] по аналогии с апоптозом (от двух греческих слов apo и ptosis, означающих отделяю, опадаю) — активным, регулируемым на генном уровне механизмом удаления поврежденных, инфицированных, ослабленных, закончивших свой жизненный цикл, невостребованных, потенциально
Принятые сокращения: АФК — активные формы кислорода; Рн — неорганический фосфат; СОД — суперок-сиддисмутаза; ЦсА — циклоспорин А; ЭПР — эндоплазматический ретикулум; AIF — фактор, индуцирующий апоптоз; AMID — индуктор апоптоза, связанный с митохондриями и гомологичный AIF; HtrA — локализованная в межмембранном пространстве митохондрий протеаза группы A; IAP — белок, ингибирующий апоптоз; mPTP — неспецифическая проницаемость внутренней митохондриальной мембраны; YMUC — дрожжевой митохондриальный неспецифический канал; Ysplp и Ysp2p — митохондриальные белки Saccharomyces cerevisiae, участвующие в апоптозе; OST — олигосахарилтрансфераза. * Адресат для корреспонденции.
опасных для организма клеток; митоптозом — ликвидацией поврежденных митохондрий [5—8]; органоптозом — хорошо известной с давних пор деградацией некоторых органов, временно возникающих в ходе онтогенеза и затем исчезающих, вероятнее всего, в результате апоптоза клеток, образующих эти органы.
По мнению В.П. Скулачева [3, 4], эволюци-онно возник ряд механизмов быстрого (сепсис, канцерогенез, инфаркт и т.д.) и медленного (старение целостного организма) феноптоза, причем главную роль при медленном феноптозе играет клеточный механизм апоптоза, запускаемый в ряде случаев митоптозом. Эволюционным механизмом такого суицида может быть родственный отбор (когда организмы гибнут для пользы потомков — носителей новых полезных признаков) либо групповой отбор (гибель для пользы организмов, не связанных родственными узами). Теоретически старение может обусловливать стабилизацию численности популяции при перенаселении, усиление генетического разнообразия, укорочение эффективного цикла генерации и ускорение адаптации.
Поскольку в основе феноптоза многоклеточных лежит апоптоз клеток, составляющих орга-
низм, рассмотрим внимательнее процесс апоп-тоза млекопитающих. Согласно классификации Номенклатурной комиссии по клеточной смерти [9] апоптоз отличается от других видов клеточной смерти (аутофагии, аноикиса, энтозиса, митотической катастрофы, некроптозиса, нето-зиса и др.) характерным набором морфологических и биохимических признаков: сохранением целостности цитоплазматической мембраны до поздних стадий процесса; нарушением асимметрии цитоплазматической мембраны (переходом фосфатидилсерина из внутреннего монослоя цитоплазматической мембраны в наружный) на ранних стадиях; уменьшением объема цитоплазмы и всей клетки; интенсивной вакуолизацией и везикуляцией, на более поздних стадиях — образованием «выростов» цитоплазматической мембраны; иногда выходом цитохрома с из межмембранного пространства митохондрий в цитоплазму; в ряде случаев активацией цистеи-новых протеаз (каспаз); образованием активных форм кислорода (АФК); разрывом нитей ядерной ДНК в межнуклеосомных участках; конденсацией хроматина по периферии ядра с его последующим расщеплением на фрагменты (50—180 тысяч пар нуклеотидов (т.п.н.)); фрагментацией клеток с образованием апоптотичес-ких телец.
Типичный, сильно упрощенный сценарий индукции и регуляции апоптоза в клетках млекопитающих представлен на рис. 1 в работе [9]. Обращают на себя внимание несколько ключевых моментов: во-первых, в роли «пусковых» механизмов апоптоза животных клеток могут выступать внешние факторы и дефекты внутриклеточных процессов; во-вторых, в апоптозе участвует большое число про- и антиапоптоти-ческих факторов (их число с каждым годом увеличивается) и имеется сложная иерархия их взаимодействия между собой; в-третьих, апоптоз может протекать с участием или без участия кас-паз; в-четвертых, очевидна центральная роль митохондрий в этом процессе, являющихся основным переключателем в системе выбора клетки между жизнью и смертью. Эта особая роль митохондрий определяется тем, что они являются и основными генераторами образования АФК (часто индукторов апоптоза), и местом локализации или релокализации (после проведения апоптотического сигнала) проапоптотичес-ких факторов, в норме локализованных в межмембранном пространстве. При повреждении внешней мембраны проапоптотические факторы выходят из митохондрий в цитоплазму и запускают (усиливают) каскад реакций, приводящий в конечном итоге к гибели клетки. Так, локализованный в межмембранном пространстве
AIF (apoptosis-inducing factor), филогенетически древний бифункциональный FAD-содержащий белок, имеющий существенную степень гомологии с растительными и бактериальными NADH-оксидазами [10], после разрушения внешней мембраны митохондрий выходит в цитоплазму, затем транспортируется в ядро, где вызывает конденсацию хроматина и фрагментацию ядерной ДНК на большие (~50 т.п.н.) фрагменты [10, 11]. Эндонуклеаза G после разрушения внешней мембраны митохондрий также выходит из межмембранного пространства митохондрий в цитоплазму, затем транспортируется в ядро, результатом чего является гидролиз ядерной ДНК. Вышедшая из межмембранного пространства протеаза OMI, относящаяся к семейству HtrA протеаз, активирует апоптоз за счет собственной протеазной активности [12], нарушая нормальную динамику цитоскелета. При этом отмечены ингибирование дыхательной цепи, снижение мембранного потенциала, деэнергизация митохондрий и клеток, образование избыточного количества АФК. Так выглядит упрощенный сценарий апоптоза без участия каспаз.
В каспазозависимом апоптозе вышедший из митохондрий цитохром с (для его выхода необходимо, но не достаточно повреждения внешней мембраны, требуется еще окисление кардио-липина, находящегося в комплексе с цитохро-мом с) связывается с цитоплазматическим адап-торным белком Apaf-1 (apoptotic peptidase activating factor 1), dATP или ATP и инициаторной прокаспазой-9 (цистеиновой протеазой) с образованием апоптосомы, высокомолекулярного септамера, активирующего эффекторные про-каспазы-3 и -7 [13]. В образуемый протеолити-ческий каскад включаются также другие про-каспазы (-2, -6, -8 и -10), что приводит к разрушению клетки. Вышедший из межмембранного пространства митохондрий белок Smac/DIA-BLO (second mitochondria-derived activator of cas-pase/direct inhibitor of apoptosis-binding protein with low pi) усиливает этот каскад, связываясь с белками-ингибиторами апоптоза (inhibitor of apoptosis protein (IAP)). Эта схема упрощена: в проведении апоптогенного сигнала участвует и эндоплазматический ретикулум (ЭПР), в условиях стресса активируется прокаспаза-12, а всего их уже 14 и т.д.
До относительно недавнего времени полагали, что апоптоз свойствен лишь высшим многоклеточным, поскольку считалось, что одноклеточные организмы не имеют в геноме генов, аналогичных тем, которые кодируют апоптоти-ческие факторы многоклеточных, и поскольку существовал скепсис относительно физиологи-
ческой целесообразности и эволюционных преимуществ апоптоза у одноклеточных организмов, в том числе и у дрожжей.
Первое указание на возможность клеточной смерти дрожжей по механизму, напоминающему апоптоз, пришло из экспериментов, в которых животные про- или антиапоптотические белки были гетерологически экспрессированы в дрожжах Saccharomyces cerevisiae и было изучено их влияние на клеточную физиологию [14] (для обзора см. работу [15]). В этих опытах дрожжевые клетки либо умирали, демонстрируя набор физиологических маркеров апоптоза, либо избегали смерти в зависимости от присутствия про- или антиапоптотических белков. Впоследствии было показано, что экспрессия белка Вах (проапоптотического фактора млекопитающих) индуцирует апоптоз не только в дрожжах S. cerevisiae [14—17], но и в Schizosaccharomyces pombe [18, 19], Pichia pastoris [20], Kluyveromyces lactis [21] и Candida albicans [22]. Эти данные свидетельствовали о том, что программа апоптоза дрожжей и животных могла иметь общие элементы. В 1997 г. был описан температурно-зави-симый мутант дрожжей S. cerevisiae, несущий точковую мутацию в СБС48-гене (белок, кодируемый этим геном, участвует во многих клеточных процессах, включая деградацию белков, слияние мембран, образование везикул, шапе-ронную активность), который при непереносимых темпе
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.