Oleg А. Chagin (olegchagin) wrote,
Oleg А. Chagin
olegchagin

Categories:

Апоптоз

«Программируемая гибель?

А, это называется апоптоз»,— скажет просвещенный читатель. На самом деле апоптоз — лишь один из многих видов программируемой клеточной смерти. Создавая сложные структуры и поддерживая их существование, природа, как Микеланджело, постоянно отсекает лишнее; клетки должны умирать, чтобы жил организм. И подобно всем жизненно важным биологическим процессам, программируемая гибель клеток — ключ к лечению многих заболеваний.

Статья написана по материалам лекции, прочитанной Животовским Б.Д. на Зимней научной школе «Современная биология и биотехнологии будущего».

39 километров кишечника

Гибель клетки может быть пассивным или активным процессом. Пассивный — смерть от повреждений, которые клетка неспособна починить. Активный процесс имеет место, когда клетка выполнила свою функцию и должна уйти со сцены, уступить дорогу другим клеткам. Характерный пример — эмбриональное развитие: формирование органа в растущем организме происходит не только за счет роста и деления клеток, но и за счет удаления «лишних». Впрочем, и после повреждения может включаться активный процесс гибели: «плановое» устранение бывает предпочтительнее неуправляемого распада.

Любая популяция клеток регулируется тремя процессами, одинаково важными: деление, дифференцировка — превращение молодых клеток в зрелые (при этом их количество может как увеличиваться, так и уменьшаться) и гибель клеток. Тело взрослого человека состоит из десятков триллионов клеток, и ежедневно каждый из нас теряет десятки миллиардов из них, в пересчете на вес — примерно килограмм. Само собой разумеется, потерю восполняют новые клетки, так что мы не теряем по килограмму в день. (Кстати, жировые клетки, которым желают погибели многие худеющие, с возрастом могут прибавляться в числе, а умирают неохотно.) Все мы знаем, как слущивается и обновляется поверхностный слой кожи — эпидермис. В числе наиболее активно гибнущих — клетки эпителия кишечника: на протяжении жизни человека они заменяются примерно 4000 раз. Если бы старые клетки не погибали, то за 70 лет наш кишечник достиг бы длины 39 км! Активно обновляются и клетки костного мозга — за те же 70 лет организм производит их около трех тонн. Еще один пример — тимус, в котором рождаются и созревают клетки иммунной системы. Примерно 90% тимоцитов — так называют лимфоциты, пока они находятся в тимусе,— в нем же и погибают, и лишь 10% выходит за его пределы.

В индивидуальном развитии человека или любого другого существа тоже не обойтись без программируемой гибели клеток. Хрестоматийный пример апоптоза — исчезновение хвоста у головастика; интересно, что этот процесс вместе с другими метаморфозами регулируется изменением уровня тироидного гормона в крови. А чтобы у животного сформировались пальцы на лапе, должны исчезнуть клетки, расположенные между зачатками пальцев. Программируемая гибель клеток участвует и в созревании половых органов, и в развитии мозга. Погибшие при апоптозе клетки организма должны быть съедены соседними клетками либо макрофагами — профессионалами пожирания. Благодаря этому апоптоз почти никогда не сопровождается воспалением. Подробнее об этом можно прочитать в недавно опубликованных статьях (H.Yamaguchi et al, eLIFE,2014, 3:e02172, D.Wallach, A.Kovalenko, eLIFE, 2014, 3:e02583).

Очевидно, что смерть клеток должна строго регулироваться, они должны погибать в определенное время и в определенном месте, иначе в организме воцарится хаос.

Бабочка и червь

Феномен программируемой гибели клеток известен уже более ста лет, но до середины прошлого века он почти не привлекал внимания ученых. Автором термина «программируемая клеточная смерть» стал американский клеточный биолог Ричард Локшин. В середине 60-х годов прошлого века он был аспирантом у Кэрролла Уильямса в Гарвардском университете и, по его собственным рассказам, уже начинал волноваться — четыре года в аспирантуре, и все еще никаких публикаций! Однако в 1964–1965 годы вышло сразу пять статей Локшина и Уильямса под общим названием «Programmed cell death». Объектом их исследований был шелкопряд — в метаморфозе бабочки удаление «ненужных» структур совершенно необходимо.

Важную роль в развитии этого направления сыграла работа доктора Таты (J.R. Tata, C.C. Widnell, «Biochemical Journal», 1966, 98, 604–620), который показал, что процесс гибели клеток требует синтеза РНК и белков. Это значило, что гибель бывает не случайной, а генетически детерминируемой, происходящей «по свободному выбору» клетки или организма.

Тогда же, в 60-е, биолог Сидней Бреннер, выходец из Южной Африки, работавший в Великобритании, предложил новый модельный объект для исследования индивидуального развития организмов — червячка Caenorhabditis elegans, обитающего в почве. Эти крошечные существа интересны тем, что тела взрослых особей состоят из строго определенного числа клеток, участь каждой из которых предопределена. Через четыре десятилетия, в 2002 году, Сидней Бреннер вместе с Робертом Хорвитцом и Джоном Салстоном получили Нобелевскую премию по физиологии или медицине за идентификацию генов нематоды, контролирующих развитие органов и программируемую гибель клеток.

С другой стороны, медицине еще в XIX веке были известны явления, которые мы теперь называем апоптозом (например, редукция эпителия матки во второй половине менструального цикла). В 1965 году этой темой заинтересовался австралийский патолог Джон Керр из Квинслендского университета. Исследуя электронно-микроскопические препараты тканей, он обнаружил картину клеточной смерти, принципиально отличную от некроза. Позднее он приехал на саббатикал в Шотландию, в Абердинский университет, по приглашению Аластора Карри — одного из самых известных патологов того времени. (Слово «саббатикал» в данном случае можно перевести на русский как «творческий отпуск».) Результатом их совместной работы стала знаменитая ныне статья «Апоптоз как фундаментальный биологический феномен с множественными функциями в регуляции кинетики тканей». Третьим соавтором был Эндрю Уайли, аспирант Карри. Термин «апоптоз» авторам предложил Джеймс Кормак, профессор греческого языка в Абердинском университете. Это слово может быть переведено как опадание листьев, лепестков, но его также употребляли Гиппократ и Гален, обозначая отмирание и потерю ненужных организму частиц.

Любопытно, что трое соавторов посылали свою статью в ведущие журналы того времени и везде ее отклоняли, оценивая тему как малоинтересную. Карри был членом редколлегии «British Journal of Cancer», и он уговорил редактора принять статью к публикации (Kerr, Wyllie, Currie, 1972, 26, 4, 239–257, Doi: 10.1038/bjc.1972.33). Это «любезное одолжение» в дальнейшем сильно увеличило импакт-фактор журнала — статью цитировали тысячи раз и продолжают цитировать по сей день. В настоящее время эта тематика никому не кажется бесперспективной. По моим подсчетам, каждые 24 минуты появляется новая публикация, включающая термины «апоптоз», «некроз», «аутофагия» или «программируемая гибель клеток».

Пересадки на путях гибели

Исследование программируемой клеточной смерти имеет не только фундаментальное, но и прикладное значение: сегодня это важный аспект клинической медицины. Причиной многих хронических заболеваний оказались изменения в регуляции процесса гибели клеток. Изменения могут иметь генетическое или иное происхождение, но, так или иначе, патология характеризуется избыточной гибелью клеток или выживанием дефектных, которые должны были погибнуть. К первой категории относятся некоторые нейродегенеративные, гематологические, иммунные, инфекционные и метаболические заболевания. Вторая категория — появление в организме «лишних», потенциально дефектных клеток — это прежде всего опухоли и предопухолевые состояния, но также аутоиммунные, инфекционные, метаболические и гематологические заболевания. Для понимания патофизиологии этих многочисленных заболеваний принципиально важно узнать, из-за чего и где произошел сбой.

Механизмы регуляции клеточной смерти оказались весьма сложными, и, несмотря на колоссальный прогресс в этой области, многое остается непонятным. Необходимо детально разобраться в сигнальных путях, приводящих к гибели клетки. Сейчас считается, что существует основной, сердцевинный (коровый) путь с ответвлениями, которые ведут или к специфическим механизмам гибели клеток в отдельных тканях, или к патологиям.

Номенклатурный комитет по исследованию гибели клеток, в который я имею честь входить, по совокупности морфологических и биохимических изменений выделил четыре типичных вида клеточной смерти — апоптоз, некроз, аутофагию и корнификацию (ороговение), а также восемь атипичных видов. Каждый из них протекает по своему пути. При этом нельзя сказать, что типичные важнее атипичных, они просто лучше изучены.

Во второй группе есть по крайней мере два типа гибели, которые известны всем если не по названию, то как явление. Например, когда молодая мать перестает кормить младенца и объем груди уменьшается, клетки молочной железы гибнут по специфическому пути, который называется аноикис. Другой пример — митотическая катастрофа, массовая гибель клеток, которая наблюдается после несильного радиационного воздействия, а также после некоторых других стрессовых факторов, например химиотерапии. При этом клетка «застревает» в одной из фаз деления (митоза), а затем либо может бесконтрольно расти и увеличивать свой объем, либо погибает. И хорошо, что погибает: клетке с нарушенным хромосомным набором лучше сойти со сцены.

Митотическая катастрофа была описана еще в 80-е годы ХХ века, однако не было понятно, в частности, считать ли ее разновидностью программируемой смерти или пассивной гибелью из-за «поломки». Внести ясность посчастливилось двум лабораториям — нашей в Каролинском институте и коллег из Франции. Моя аспирантка Хелин Вакифахметоглу выяснила, что митотическая катастрофа может протекать либо в виде апоптоза, либо в виде некроза, в зависимости от того, какие белки экспрессируются в той или иной ткани, и это не просто поломка, а именно программируемое событие (Vakifahmetoglu H., Olsson M., Zhivotovsky B., «Death through a tragedy: mitotic catastrophe», «Cell Death and Differentiation», 2008; 15: 1153–1162). Исследования в данном направлении продолжаются в нашей лаборатории в МГУ.

Самое интересное, что между путями гибели клеток имеются своего рода пересадочные станции, и это еще усложняет картину, делая ее похожей на схему метрополитена в мегаполисе вроде Нью-Йорка или Москвы. Почему в разных клетках и тканях работают различные формы гибели, что нужно сделать, чтобы, скажем, раковая клетка, у которой заблокирован один из путей гибели, «сделала пересадку» и направилась по другому пути,— все эти вопросы изучаются в настоящее время.

Несколько лет назад Европейский союз выделил 12 миллионов евро на поддержку исследовательского проекта, в котором участвовали биологи- экспериментаторы, врачи, специалисты по математическому моделированию из 12 стран. Мне посчастливилось руководить этим проектом. Его задачей было исследовать сигнальные пути, ведущие к апоптозу и другим типам гибели клеток при ВИЧ-инфекции и онкологических заболеваниях, в частности раке легких, а также в нормальных клетках. (Выбор пал на эти заболевания не только из-за их большой значимости: при СПИДе наблюдается избыточная гибель клеток, при раке — недостаточная.) Эксперименты проводили на клеточных культурах человека, на модельных организмах — дрожжах, нематоде C. elegans и мышах, выполняли также клинические испытания. Проект завершился в 2013 году; в результате удалось получить тесты для выявления патологий и разработать подходы к новым методам терапии.

Что касается теоретического выхода — итоговая схема путей клеточной гибели довольно сложна, и рассказать о ней полностью в короткой статье невозможно. И все же нетрудно заметить, что перспективных мишеней для воздействия довольно много. На этих этапах клеточную смерть можно остановить или ускорить.

Каспазы, «страж генома» и другие

Одна из сложностей состоит в том, что белки, участвующие в регуляции гибели клеток, выполняют и другие функции. Это и понятно: трудно представить, чтобы рациональная природа создала специальную систему исключительно для умерщвления клеток. По логике вещей, составляющие этой системы должны в норме делать какую-нибудь полезную работу, а при необходимости мобилизоваться, чтобы убрать патологические клетки. Такая многофункциональность усложняет терапию: воздействуя на звено апоптозного пути, важно не помешать работе этого компонента в нормальной ткани.

Почетное место в апоптотической форме клеточной гибели занимают каспазы — семейство из тринадцати белков, разделенных на две группы, которые участвуют в развитии апоптоза или воспаления. Каспазы относятся к протеазам — ферментам, расщепляющим другие белки, причем результаты этой их активности могут быть самыми разными, даже когда речь идет об одном и том же ферменте, но в разных тканях и при различных условиях. Так, при окислительном стрессе каспаза 1 расщепляет интерлейкин 1В, превращая его в активную форму. (Интерлейкины играют центральную роль в иммунных и воспалительных процессах.) Это может быть причиной ишемии в клетках печени и миокарда; на клеточном уровне происходит апоптоз, который в случае нарушений фагоцитоза может трансформироваться в некроз. В печеночной ткани та же каспаза может расщепить белок, приводя к переключению апоптотической программы в аутофагическую, а затем и к геморрагическому шоку. С другой стороны, если полностью убрать этот белок, это вызывает гибель клеток печени по типу некроза...

Subscribe
Comments for this post were disabled by the author