Укр
Укр
УДК 612.1/.8
Бондаренко Олена Сергіївна
студентка 2 курсу, факультету медицини та фармації
Дніпровський державний медичний університет
(Дніпро, Україна)
ВИДИ ТА МЕХАНІЗМИ РЕАЛІЗАЦІЇ КЛІТИННОЇ СМЕРТІ
Анотація: в роботі представлено огляд літературних джерел щодо актуальності та важливості клітинної загибелі, роль у різноманітних процесах в організмі людини, описано різні види та механізми протікання клітинної загибелі і їх порівняльна характеристика.
Ключові слова: види клітинної загибелі, механізм реалізації, патогенез, роль у гомеостазі, порівняння.
Актуальність теми полягає в важливості клітинної загибелі як головний чинник у нормальному - фізіологічному та патологічному процесі функціонування будь-якої клітини організма, який здійснюється за програмованим і вимушеним механізмом.
Загибель клітини – це припинення клітиною виконувати свої біологічні функції, що може бути результатом природнього процесу, тобто фізіологічного відмирання старих клітин, у разі не потреби на певних стадіях розвитку або може бути результатом впливу шкідливих факторів зовнішнього середовища, наприклад інфекція, іонізуюче випромінювання, зовнішні травми, екстремальні температури, ураження електричним струмом, отрути, токсичність ліків тощо [1]. За класифікацією 2018 року виділяють наступні типи клітинної загибелі:
Для кращого розуміння механізмів виникнення та протікання клітинної загибелі, розглянемо основні їх види.
Апоптоз – це запрограмована клітинна смерть, яка відіграє вирішальну роль у багатьох біологічних процесів: у запрограмованому руйнуванні клітин під час імплантації, гісто- та органогенезі; в інволюції гормонзалежних органів; у загибелі патогенних клітин імунної системи, як В-, так і Т-лімфоцитів, після виснаження запасів цитокінів; у загибелі деяких клітин у пухлиногенезі; у загибелі клітин трансплантата, спричинине активацією апоптозу цитотоксичними Т-клітинами; у смерті клітин від невеликих доз шкідливих факторів; у знищені клітин при деяких вірусних захворюваннях; у контролі проліферації клітинних популяцій.
Умовно апоптоз ділять на 2 типи в залежності від вида процесу: 1. Фізіологічний апоптоз – це процес контролю за клітинною популяцією при нормальних умовах гісто- та органогенеза, які сприяють правильному формуванню архітектури органів тощо. 2. Патологічний апоптоз – це процес знищення не репаративних клітин з структур органів.
Основними стадіями апоптозу є: сигнальна, ефекторна, фаза деградації. Сигнальна фаза - ініціація апоптозу відбувається за допомогою зовнішніх (позаклітинних) або внутрішньоклітинних факторів.
Виділяються два основні шляхи передачі сигналу апоптозу: мітохондріальний (власний) шлях і рецептор-залежний (зовнішній) сигнальний шлях за участю рецепторів загибелі клітини. Рецепторно-залежний сигнальний шлях Кожна клітина нашого організму має спецефічні рецептори на поверхні плазматичної мембрани, що представлені трансмембранними білками. Ці рецептори об’єднують в одну родину рецепторів фактора некрозу пухлин TNFR (TNF-рецептор). Основними з них є CD95/Fas/Apo-1 та TNFR1/p55/ CD120a, CARI, DR3/Apo-3/Wsl-1, DR4, DR5. Мембранні рецептори взаємодіють з відповідними лігандами, які тримеризують їх. Для CD95/Fas/Apo-1 відповідною лігандом буде CD95L, для TNFR1/p55/ CD120a – TNF, а для DR3/Apo-3/Wsl-1 – Apo3L. Даній комбінації відповідає цитоплазматичний білок-адаптер. Для CD95/Fas/ Apo-1 адаптором буде FADD, а для рецепторів TNFR1/p55/CD120a і DR3/ Apo-3/Wsl-1 адаптером є TRADD. До даних структур приєднуються прокаспази з однієї родини ефекторних каспаз. В випадку рецептор-залежного сигнального шляху буде виступати прокаспаза-8, котра буде активувати каспазу-8. Структури з ліганда, рецептора, адаптера та ефектора формують комплекс, який називають апоптосомою. Додатковими доменами, які зв’язують між собою рецептор Fas та адаптер FADD і аналогічно рецептори TNFR1, DR3 з адаптером TRADD є DD. Ця апоптосома активує ефекторні каспази, а вони в свою чергу активують ініціаторні прокаспази.
Мітохондріальний шлях пов’язаний з виходом білка цитохрому С, який знаходиться в міжмембранному просторі мітохондрії. Для цього простору необхідні спецефічні канали, які формуються завдяки білкам родини Bcl-2. Це Bax, Bak, Bok та інші, які відносять до проапоптотичних білків. Вони при звичайних умовах зв’язані з білками цієї ж родини (Bcl-2, Bcl-XL) і інші, які відносять до антиапоптичних білків. Апоптичний сигнал активує синтез проапоптичних білків, які пригнічують антиапоптичний та сприяють утворенню Bax, Bak каналів в мембрані мітохондрій. Цитохром С разом з конформованим білком APAF-1 утворює апоптосому, яка з’єднуючись з прокаспазой-9, утворюють структуру, яка сприяє активації прокаспази-9. Ініціаторна каспаза-9 активує ефекторну прокаспазу-3. Новоактивовані каспази-3 спричинюють каскад реакцій.
До інших шляхів апоптозу відносяться: апоптоз за участю ендоплазматичної сітки (ЕПС), в якому міститься прокаспаза 12. Даний шлях зустрічається при захворювані Альцгеймера. Також апопоз індукується при деяких порушеннях адгезії клітин. В даному випадку індукторами є пептиди, які містять RGB (трипептид, який складається з аргінінугліцину-аспартату). З ним взаємодіють інтегрини, які є гетеродимерними мембраними білками, які приймають участь в адгезії клітин.
Також методом для знищення інфікованих клітин є апоптоз, викликаний цитотоксичними лімфоцитами. Т-кілери викликають апоптоз за допомогою білка перфорина, який в свою чергу утворює в мембрані клітини-мішені трансмембранні канали, через які всередину клітини потрапляє суміш серинових протеаз. Важливим компонентом цієї суміші є гранзим В (протеолітичний фермент). Він активує каспазу 3, запускаючи каскад реакцій. Можливий також шлях апоптозу за рахунок лізосомальних протеаз – катепсинів. Послідовний ряд біохімічних процесів активує проапоптозний білок Bax. Апоптоз може викликатись дефіцитом факторів росту або ІЛ-3.
Ефекторна фаза: у цей період різні ініціюючи шляхи конвергуюються в один або декілька загальніх шляхів. Як правило, відбувається активація каскаду білків ефекторів і регулюючих їх білків-модуляторів. Основними ефекторами апоптозу є каспази, які активуючись, запускають каскад реакцій. Це є важливим механізмом, що сприяє загибелі клітин. В цьому механізмі виділяють ініціаторні та ефекторні каспази, що відрізняються структурою термінального кінця. Функція ініціаторних каспаз полягає в активації ефекторних каспаз, а функція останіх – в деструкції білка клітини. До ініціаторних відносять каспазу -8, -9, -10, а к ефекторним каспазу -3, -6, -7. Каспаза-2 відносять до обох груп.
Деградаційна фаза: у цій фазі відбувається деградація клітини шляхом фрагментації на окремі апоптотичні тільця, які обмежені мембраною. Фрагменти загиблої клітини фагоцитуються макрофагами або сусідніми клітинами, минаючи розвиток запальної реакції.
Патологічний апоптоз - аномалії в регуляції клітинної смерті є значними компонентами таких захворювань, як рак, СНІД, інфаркт міокарда та інсульт, ішемія і нейродегенеративні захворювання тощо. Ключовою подією в розвитку патології найчастіше слугують соматичні мутації, що зачіпають ген р53. Фактор р53 трансформує сигнал про нерепаративні розриви ланцюгів ДНК в сигнал до розвитку апоптозу. Завдяки цьому елімінуються клітини з ушкодженим генетичним апаратом. У нормальних клітинах білок р53 не виявляється, а при пухлинах його мутантну форму експресує до 70% трансформованих клітин. На сьогоднішній день існують протиракові препарати, що блокують активність певних груп кіназ (ферментів, що здійснюють посттрансляційне фосфорилювання), – так звані інгібітори тирозинкіназ. Дані препарати пригнічують активність різних груп тирозинкіназ, що стимулюють ріст злоякісних клітин. При цьому запускається шлях апоптозу, що приводить до активації каспаз. Деякі вчені працюють над створенням нового класу ліків – інгібіторів кіназ, які будуть здатні негативно впливати на активність каспаз, пригнічуючи тим самим апоптоз, що необхідно для лікування нейродегенеративних захворювань [2], [18].
Важливу роль апоптоз відіграє у регулюванні раннього розвитку ембріонів. Тому для успішного розвитку потрібен баланс між проліферацією і загибеллю клітин. Апоптозв в ембріональному розвитку відбувається природним чином в організму і оскільки клітини швидко розмножуються в процесі розвитку, деякі з них піддаються апоптозу, який необхідний для багатьох стадій ембріогенезу, в тому числі для розвитку нервової системи, видалення в ооцитів при народженні, формування відокремленої п’ятипалої руки і видалення рудиментарних органів у людини тощо.
Основні функції апоптозу при цьому полягають у регуляції морфогенезу, включаючи утворення порожнин і моделювання форми тканин. Відсутність апоптозу може включати вади розвитку пальців, зниження неврологічної функції, вади розвитку серця або рак. За допомогою апоптозу жіночі яйцеклітини людини піддаються апоптозу під час розвитку та після народження, у плода утворюється від семи до восьми мільйонів ооцитів, які зменшуються приблизно до 100 000 ооцитів при народженні, а потім лише до кількох сотень на початку менопаузи [31].
На пізніших стадіях нормального розвитку ембріона апоптоз відіграє ключову роль у формуванні позаембріональної структури та самого ембріона, апоптоз демонструється у плодових оболонках, і можно виявити ультраструктурні зміни амніотичного епітелію та клітин хоріонічного трофобласту, апоптотична загибель клітин грає ключову роль у відновленні трофобластів. У постімплантаційних ембріонів є апоптоз у таких процесах, як усунення ненормальних, недоречних, дисфункційні або шкідливі клітини та усунення небажаних структур. Показано, що формування преамніотичної порожнини. відбуватися через загибель ектодермальних клітин у ембріона. Апоптоз сприяє утворенню порожнистих органів, наприклад, нервова трубка. Нейрони та олігодендроцити, які надмірно проліферують під час розвитку нервової системи, також усуваються за рахунок апоптозу. Певні ембріональні структури видаляються під час апоптозу, наприклад, дегенерація мюллерової протоки у чоловіків, а у жінок зникнення вольфова каналу.
При порушенні регуляції апоптозу, в даний час від 3 до 6% новонароджених мають вроджену аномалію. При цьому спостерігається надмірна загибель ембріональних клітин, що передують виникненню структурних порушень. За результатами минулих досліджень виявлено, що дія більшості хімічних та фізичних тератогенів пов'язані з індукцією апоптозу в органах-мішенях, наприклад, тератогенний вплив для людини [30].
Розглянемо патології апоптозу, що можут виникати через недостатню активація апоптозу чи навпаки, надмірне його активування, і може бути важливим компонентом низки захворювань.
Рак є прикладом, коли нормальні механізми регуляції клітинного циклу є дисфункціональними, з надмірною проліферацією клітин та/або зниженим їх видаленням. Існують різноманітні молекулярні механізми, які використовують пухлинні клітини для пригнічення апоптозу.
Пухлинні клітини можуть набувати стійкості до апоптозу шляхом експресії антиапоптотичних білків, таких як Bcl-2, або шляхом зниження або мутації проапоптотичних білків, таких як Bax. Експресія як Bcl-2, так і Bax регулюється геном- супресором пухлини p53. Певні форми В-клітинної лімфоми людини мають надмірну експресію Bcl-2, це є доказом того, що зниження протікання клітинної загибелі сприяє розвитку раку. Інший метод пригнічення апоптозу при раку включає ухилення від імунного відповіді.
Деякі імунні клітини (Т-клітини та природні клітини-кілери) зазвичай руйнують пухлинні клітини через шлях перфорин/гранзим В або шлях рецептора смерті. Щоб уникнути дії імунної системи, деякі пухлинні клітини зменшують реакцію рецепторного шляху смерті на FasL, що виробляється Т-клітинами. Це відбувається різними шляхами, включаючи зниження регуляції Fas-рецептора на пухлинних клітинах.
Зміни різних клітинних сигнальних шляхів можуть призвести до порушення регуляції апоптозу і призвести до раку. Р53 ген - регулює клітинний цикл і є найбільш широко мутантний ген в людському онкогенезі. p53 може активувати білки репарації ДНК, коли ДНК зазнала пошкодження, може утримувати клітинний цикл у точці регуляції G 1/S при розпізнаванні пошкоджень ДНК і може ініціювати апоптоз, якщо пошкодження ДНК виявляється непоправним. Р53 ген може бути пошкоджений випромінюванням, дією різних хімічних речовин, а також вірусів , таких як вірус папіломи людини (ВПЛ). У людей, які успадкують лише одну функціональну копію цього гена, в них швидше за все, розвинеться синдром Лі-Фраумені, який характеризується розвитком пухлин у ранньому дорослому віці.
Також було показано, що мутований ген атаксії телеангіектазії (ATM) бере участь у пухлинному генезі через сигнальний шлях ATM/ p53. Ген ATM кодує протеїнкіназу, яка діє як пухлинний супресор. Активація ATM через пошкодження ДНК іонізуючим випромінюванням стимулює відновлення ДНК і блокує прогресування клітинного циклу. Одним із механізмів, за допомогою якого це відбувається, є ATM-залежне фосфорилювання p53.
p53 потім сигналізує про зупинку росту клітини на контрольній точці, щоб забезпечити відновлення пошкодження ДНК, або може спричинити апоптоз клітини, якщо пошкодження не можна відновити. Ця система також може бути інактивована за допомогою ряду механізмів, включаючи соматичні генетичні/епігенетичні зміни та експресію онкогенних вірусних білків, таких як ВПЛ, що призводить до пухлиногенезу.
Крім раку, низька активація апоптозу також може призвести до таких захворювань, як аутоімунний лімфопроліферативний синдром (ALPS). Це відбувається при недостатньому апоптозі аутоагресивних Т-клітин, що призводить до множинних аутоімунних захворювань. Також відбувається надмірне розмноження В-клітин, що призводить до надмірного вироблення імуноглобуліну, що призводить до аутоімунітету. Деякі з поширених захворювань ALPS включають гемолітичну анемію, імуноопосередковану тромбоцитопенію та аутоімунну нейтропенію. Різні типи цього стану викликані різними мутаціями. Тип 1A є результатом мутації в Fas-рецепторі, тип 1B є результатом мутації ліганду Fas, а тип 2 є результатом мутації каспази-10, що знижує її активність.
На кінцевій стадії нетозу в плазматичній мембрані утворюються пори, а деконденсований хроматин виділяється в навколишнє середовище, де до нього приєднуються додаткові білки, формуючи так звані позаклітинні нитки нейтрофілів (Neutrophil extracellular traps, NETs ). Пори, через які проходить цей гігантський комплекс, утворені білком газдерміну D (GSDMD), який також утворює пори в мембрані макрофага під час піроптозу. На відміну від піроптозу, де GSDMD активується через розщеплення каспазою-1 і -4/5 (каспаза-11, у мишей), під час нетозу він розщеплюється та активується в основному еластазою нейтрофілів. Активація GSDMD, призводить до утворення пор не тільки в плазмалемі, але і в ядерній мембрані.
Цитокіни та медіатори запалення відіграють важливу роль в активації нетозу, в той же час деякі протизапальні речовини можуть викликати протилежний ефект. Таким чином, простагландин Е2, який відіграє важливу роль у запаленні, пригнічує нетоз за рахунок збільшення внутрішньоклітинного вмісту циклічного АМФ. Активований білок С (серинова протеїназа з антитромботичним і протизапальним ефектом) також може інгібувати нетоз шляхом зв’язування зі специфічним рецептором (EPCR) або шляхом взаємодії з активованим протеазою рецептором 3 (PAR3) та інтегринами CD11b/CD18 (Mac-1). Цікаво, що той самий активований білок С може розщеплювати гістони, що входять до складу NETs. Було показано, що нетоз пригнічується важливим протизапальним цитокіном IL-10. У пуповинній крові виявлено пептиди, які ефективно пригнічують утворення NETs. Найпоширеніший пептид називається «неонатальний фактор інгібування NETs» (nNIF) він вибірково інгібує нетоз, не впливаючи на фагоцитоз та інші функції нейтрофілів.
Багато мікроорганізмів виробляють ферменти (наприклад ендонуклеази), які руйнують NETs. У разі P. aeruginosa покриття сіаловими кислотами індукує вироблення IL-10, який пригнічує нетоз. Такий самий механізм використовує вірус імунодефіциту людини (ВІЛ-1). Віріони ВІЛ-1 стимулюють вироблення IL-10 дендритними клітинами, що захищає вірус від дії ферментів NETs. Вірус гепатиту B (HBV) інгібує нетоз, пригнічуючи вироблення АФК в нейтрофілах за допомогою білка оболонки HBE та білка ядра HBC [17], [16].
Отже, клітинна загибель – це невід’ємний процес будь-якої клітини, причини усіх видів клітинної смерті схожі, вони полягають у невладності виконувати клітиною притаманні їй функції, порушення цілісності при негативному впливу з навколишнього середовища порушується, захист та утворення імунної відповіді проти патогену або при недостатності поживних речовин шляхом, так званого каннібалізму, більш здорова клітина поглинає не конкурентно здатню клітину, як спостерігається при ентозі, тобто, ці процеси направлені на збереження нормальної життєдіяльності всього організму, протікаючи за різними механізмами. Є два варіанта клітинної загибелі – це запланований шлях, який вибирає клітина, що може йти за механізмом апоптозу, аутофагії чи по іншому типу: ферроптоза, нетоза, піроптоза, некроптоза тощо, чи вимушений, спонтанний шлях - некроз, при якому клітина опухає і лізується, а внутрішньоклітинний матеріал виходить і спричинює запалення, навідміну від апоптозу, який протікає безслідно для навколишніх клітин, але при рясному продовженні апоптозу і утворенні великої кількості апоптотичних тілець, що містять фрагментовані частини загиблої клітини, це може призводити до розвитку системної запальної реакції. Порівняємо механізми протікання запрограмованої гибелі, якщо клітина гине за допомогою ферроптозу, що є залізозалежним процесом з подальшим накопиченням активних форм кисню і продуктів окислення ліпідів, клітина набуває характерної округлої форми, подібну до некротичних клітин, але при цьому не спостерігається специфічних для некрозу ознак, ядро зберігає свою структурну цілісність, без конденсації хроматину, але збільшується щільність мембрани і зменшуються розмір мітохондрій, при партанатозі відбувається гіперактивація специфічного компонента PARP-1, через що утворюються активні форми кисню, підвищюється проникность мітохондрій, накопичуються полімери АДФ-рибози та активація кальпаїну, у ядрі спостерігається конденсація хроматину і подальша фрагментація ядра, що визиває смерть клітини. При піроптотичній гибелі, що пов’язана з активацією прозапальних каспаз (-1, -4, -5 і -11) і виділенням інтерлейкінов IL-1β та IL-18, супроводженням запальної реакції, цей вид гибелі є захисним механізмом вродженого імунітету проти внутрішньоклітинних патогенів, в клітині виникає опухання, руйнування плазматичної мембани, але підтримується мтохондріальна цілісність. При некроптозі – запрограмовоної некротичної загибелі, що індукується загалом некроз, опосередкованим рецептором смерті, спострегіється опухання мітохондрій, опухання клітини в цілому та руйнування клітинної мембрани, спричинюючи запальний процес. При нетозі, що існує у нейтрофілів для знищення позаклітинних патогенів при мінімальній шкоді для інших клітин, супроводжується викиданням ниток ДНК з мертвих нейрофілів для уловлення і утилізаціїї шкідників. Лізосомозалежна загибель клітин відбувається при пошкодженні лізосом, органел, що опосередковують внутрішньоклітинну деградацію макромолекул і далі ініціюється процес пермеабілізації лізосомної мембрани (LMP) і вивільненням лізосомального вмісту, до складу якого входять протеліотичні ферменти катепсини, що призводить до аутолізу клітини. Імуногенна загибель клітин виникає в імунногенних клітинах і є відповіддю на клітинний стрес, що завершується загибеллю клітин, супроводжується активним або пасивним виділенням DAMP, що активує вроджену та адаптивну імунну відповідь, яка направлена проти ендогенних або екзогенних антигенів. Аутофагія – це ще один вид запрограмованої клітинної гибелі, що направлений на катаболічне деградування пошкоджених або старих внутрішньоклітинних компонентів або органел за допомогою лізосом або вакуолей. Можно зробити висновок, що різні види клітинної загибелі мають свої специфічні шляхи перебігу, деякі спричинюють у результаті запальні реакції, що вражають навколишнє середовище, деякі спрямовані на вироблення імунної відповіді на антиген, тощо, але при цьому вони мають спільну причину – це утилізація шкідливих, не спроможних виконувати свої функції клітини і підтримувати гомеостаз всього організму.
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ:
Bondarenko Olena Sergeevna
2nd year student, аaculty of Medicine and Pharmacy
Dnipro Medical University
(Dnipro, Ukraine)
THE TYPES & MECHANISMS OF CELL DEATH REALIZATION
Abstract: the paper presents an overview of literature sources on the relevance and importance of cell death, the role in various processes in the human body, describes the different types and mechanisms of cell death and their comparative characteristics.
Keywords: types of cell death, mechanism of realization, pathogenesis, role in homeostasis, comparison.