РОЛЬ МИТОХОНДРИЙ В РЕАЛИЗАЦИИ МЕХАНИЗМОВ
advertisement
ÁÞËËÅÒÅÍÜ ÂÑÍÖ ÑÎ ÐÀÌÍ, 2007, ¹ 1 (53) УДК 576.311.347:576.367 Í.Ï. Ñóäàêîâ1, Ñ.Á. Íèêèôîðîâ1, Þ.Ì. Êîíñòàíòèíîâ2, Ñ.À. Ëåïåõîâà1 РОЛЬ МИТОХОНДРИЙ В РЕАЛИЗАЦИИ МЕХАНИЗМОВ ПРОГРАММИРОВАННОЙ ГИБЕЛИ КЛЕТКИ 2Сибирский 1НЦ РВХ ВСНС СО РАМН (Иркутск), институт физиологии и биохимии растений СО РАН (Иркутск) В настоящем обзоре анализируются механизмы участия митохондрий в реализации механизмов программированной гибели клетки. Митохондрии являются основным звеном, интегрирующим раз личные сигналы, активизирующие и подавляющие различные формы программированной гибели клет ки: апоптоза, аутофагии, некрозоподобной программированной гибели клетки. Предполагается, что на уровне митохондрий осуществляется «выбор» клеткой реализации той или иной формы програм мированной гибели. Пересечение различных механизмов программированной гибели клетки в мито хондриях предопределяет возможность использования данных органелл в качестве одного из ключе вых объектов протекции клеток от воздействия на них различных факторов, индуцирующих гибель клетки. Ключевые слова: митохондрии, апоптоз, аутофагия, некрозоподобная программированная гибель клетки THE ROLE OF MITOCHONDRIA IN REALIZATION OF PROGRAMMED CELL DEATH N.P. Sudakov1, S.B. Nikiforov1, Yu.M. Konstantinov2, S.A. Lepekhova1 2Siberian 1SC RRS ESSC of SD RAMS, Irkutsk, Institute of Plant Physiology and Biochemistry SD RAS, Irkutsk In this review is discussed mechanisms of mitochondria participation in programmed cell death mechanisms. The mitochondria are main unit, integrating signals that activates different ways of programmed cell death: apoptosis, aytophagy, and necrosislike programmed cell death. It is assumed that at mitochondria partici pate in a «choice» of cell death way. The integration of different mechanisms of cell death predetermines the possibility mitochondria use as one of main objects of cell protection from different death stimula. Key words: mitochondria, apoptosis, aytophagy, and necrosislike programmed cell death ВВЕДЕНИЕ В настоящее время достаточно трудно недо оценить значение нарушения регуляции програм мированной гибели клетки (ПГК) в развитии са мых разнообразных патологических процессов. На сегодняшний день известны три формы ПГК: апоптоз, аутофагия и некрозоподобная ПГК. Ак тивизация клеточной гибели является одним из основных механизмов утраты клеток в поражен ных патологическим процессом органах и тканях, что способствует развитию в них структурных и функциональных нарушений. В качестве приме ра можно привести увеличение активности про граммированной гибели клеток в тканях после ишемии и реперфузии (инфаркты, инсульты), при нейродегенеративных заболеваниях, в процессах ремоделирования миокарда, эрозии и разрыва ате росклеротических бляшек, при формировании аневризм, развитии фиброзных изменений в пе чени, панкреатитах и многих других патологичес ких процессах. Установлено, что основным компонентом, осу ществляющим восприятие стимулов ПГК и акти визирующим механизмы реализации той или иной формы ПГК, являются митохондрии. Предполага ется, что на уровне митохондрий осуществляется интеграция сигналов активизирующих и подавля ющих процесс ПГК, следствием чего является дальнейшая реализация программированной кле точной гибели или ее подавление. Изучение тон ких молекулярных механизмов, управляющих эти ми процессами, откроет новые перспективы для создания технологий протекции тканей и органов от неконтролируемой клеточной гибели, ассоци ированной с развитием рассмотренных выше за болеваний. ОСНОВНЫЕ ПУТИ РЕАЛИЗАЦИИ ПРОГРАММИРОВАННОЙ ГИБЕЛИ КЛЕТКИ На сегодняшний день показано существование трех основных форм программированной гибели клетки: апоптоз (I тип ПГК), аутофагия (II тип ПГК), некрозоподобная ПГК (III тип ПГК). Каждый из этих типов гибели клетки характеризуется соб ственными биохимическими, молекулярными и морфологическими особенностями [1]. При апоптозе наблюдается уменьшение клет ки в объеме, конденсация хроматина и фрагмен тация ДНК на олигонуклеосомные фрагменты. Митохондрии и рибосомы во время реализации апоптоза сохраняют в основном свою структуру и частично – функции. Заключительный этап апоп тоза характеризуется разрушением цитоскелета, что приводит к сморщиванию клетки и ее фраг ментации на апоптотические тельца, поглощаемые макрофагами или другими соседними клетками Ýêñïåðèìåíòàëüíûå èññëåäîâàíèÿ â ìåäèöèíå è áèîëîãèè 103 ÁÞËËÅÒÅÍÜ ÂÑÍÖ ÑÎ ÐÀÌÍ, 2007, ¹ 1 (53) [11]. Ключевыми участниками терминальной фазы апоптотической программы являются цистеино вые протеазы – каспазы, осуществляющие дегра дацию белковых структур клетки и активирующие нуклеазы. К дополнительным эффекторам апоп тоза относят эндонуклеазу G и апоптозиндуциру ющий фактор (apoptosisinducing factor – AIF) [1]. Для аутофагии характерно набухание мито хондрий и цистерн эндоплазматического ретику лума, увеличение аппарата Гольджи, секвестрация клеточных органелл аутофагическими вакуолями, конденсация хроматина и коллапс ядра. Компо ненты цитоскелета при аутофагии выполняют ключевую роль в захвате цитоплазматических структур лизосомами и сохраняются в течение всего процесса клеточной гибели. Терминальным этапом аутофагии является разрушение клеточ ных органелл лизосомальными ферментами, след ствием чего является деградация клетки. Образу ющийся после реализации аутофагии клеточный дебрис поглощается соседними клетками. Основ ными исполнителями аутофагической программы являются лизосомы, осуществляющие деградацию захваченных ими клеточных органелл посред ством содержащихся в них гидролаз – протеаз (катепсинов), липаз и нуклеаз [12]. Во время реализации некротической гибели клетки происходит значительное набухание мито хондрий и эндоплазматического ретикулума, сек вестрация цитоплазмы аутофагическими вакуоля ми, разрушение лизосом и выход содержащихся в них ферментов в цитоплазму, деградация цитос келета и разрушение ядра. Заключительным собы тием в этом процессе является разрыв плазмати ческой мембраны, способствующий излиянию со держимого клетки в межклеточное пространство, что способствует индукции воспалительной реак ции. Для некротической формы ПГК характерно участие самых разнообразных гидролитических ферментов: каспаз, эндонуклеазы G, катепсинов, высвобождаемых из лизосом, Ca2+зависимых протеаз – кальпаинов [1]. Показано, что в пораженной тем или иным патологическим процессом ткани возможна ин дукция всех рассмотренных ранее форм клеточ ной гибели. Соотношение различных типов ПГК может варьироваться в зависимости от типа и силы воздействия стимула, активизирующего ПГК. На пример, процесс аутофагии в большей степени характерен для нейродегенеративных заболева ний, ассоциированных с образованием внутрикле точных депозитов дефектных нейроспецифичных белков. В миокарде, после ишемии и реперфузии, некротическая форма ПГК будет преобладать над апоптозом в участках ткани, подвергшихся более сильному воздействию гипоксии [8]. В настоящее время обнаружены промежуточ ные формы клеточной гибели, совмещающие в себе признаки того или иного типа ПГК: апоптоза и аутофагии, апоптоза и некроза [9]. По всей ви димости, это определяется некоторой общностью молекулярных механизмов индукции, возможно 104 стью их «пересечения» и одновременной активи зации различных программ ПГК. МЕХАНИЗМЫ УЧАСТИЯ МИТОХОНДРИЙ В ПРОГРАММИРОВАННОЙ КЛЕТОЧНОЙ ГИБЕЛИ В настоящее время митохондрии считаются основным звеном, интегрирующим различные сигналы, активизирующие и подавляющие про граммированную гибель клетки. Важной особен ностью этих органелл является способность к зна чительной амплификации исходящих от них сти мулов, активирующих ПГК. Показано, что открытие митохондриальных пор является общим моментом в реализации ме ханизмов всех обсуждаемых выше форм ПГК (рис. 1) [2]. Образование пор в митохондриях при водит к выходу из митохондрий цитохрома С, спо собствующего образованию апоптосомы и акти вирующего каспазы. Этот процесс является основ ным механизмом апоптотической гибели клетки. Через открытые поры в митохондриях в цитоплаз му высвобождаются также факторы, перемещаю щиеся в ядро и активирующие реализацию ПГК по независимым от каспаз механизмам: эндонук леаза G и AIF, связывающий ДНК и активирующий нуклеазы и протеазы в ядре. Показано, что данные факторы принимают участие в развитии как апоп тоза, так и некроза. Помимо активаторов ПГК, митохондрии также высвобождают ингибиторы белков, блокирующих ПГК (Smac/DIABLO, Omi/ HtrA2) и предшественников каспаз (прокаспаза2, 3, 9) [1]. К небелковым медиаторам клеточной гибели относятся ионы Ca2+, активирующие при их выходе в цитоплазму кальпаины и Ca2+зави симые липазы, что приводит к реализации некро тической формы ПГК. Дополнительным фактором индукции ПГК является увеличение продукции компонентами дыхательной цепи митохондрий активных форм кислорода, активирующих меха низмы апоптоза, аутофагии и некроза. На сегодняшний день известны митохондри альные апоптотические поры (mitochondrial apoptotic pores – MAP) и поры повышенной про ницаемости или мегаканалы (permeability transition pores – РТP). Механизмом образования апопто тических пор в митохондриях является олигоме ризация на митохондриальной мембране белков Bax и Bak. PTP формируются за счет объединения в единый комплекс АТФАДФантипортера (adenine nucleotide translocase, ANT), локализован ного во внутренней митохондриальной мембране, циклофилина D, находящегося в матриксе мито хондрий, и порина (voltage dependent anion channel, VDAC) – ионного канала внешней мито хондриальной мембраны [4]. Процесс формирования пор в митохондриях находится под жестким контролем различных ре гуляторных систем клетки. Установлено, что обра зованию MAP за счет олигомеризации Bax и Bak способствуют белкииндукторы ПГК семейства Bcl 2: Bax, Bak, Bok, Boo, BclG, BclB, Bclrambo, Bad, Ýêñïåðèìåíòàëüíûå èññëåäîâàíèÿ â ìåäèöèíå è áèîëîãèè ÁÞËËÅÒÅÍÜ ÂÑÍÖ ÑÎ ÐÀÌÍ, 2007, ¹ 1 (53) Рис. 1. Роль митохондрий в реализации механизмов различных форм программированной гибели клетки. Bim, Bmf, Bid, Noxa, Puma, BNip3. Предотвращение образования MAP осуществляется представителя ми семейства Bcl2, нейтрализующими действие индукторов ПГК (Bcl2, BclxL, Bclw, Mcl1, BclB). Регуляция проницаемости PTP осуществляется по средством взаимодействия Bax с основными ком понентами РТP: АNT и VDAC [10]. Установлено, что BNip3 и активная поли(АДФрибоза)полимераза1 (PARP1) индуцируют открытие PTP, что сопровож дается снижением митохондриального потенциала и увеличением продукции активных форм кисло рода [3, 7]. Показано, что бензодиазепиновые ре цепторы, гексокиназа и креатинкиназа могут регу лировать проницаемость PTP [13]. Образование митохондриальных пор возможно посредством воз действия на митохондрии цитоплазматических ионов Ca2+ и активных форм кислорода. Действие свободных радикалов и ионов Ca2+ заключается в дестабилизации митохондриальных мембран по средством активизации в них соответственно про цессов ПОЛ или липолиза, опосредованного фос фолипазой А2. Установлено, что повреждение ми тохондрий и развитие их функциональных наруше ний при различных патологических процессах и токсических повреждениях данных органелл так же способствует активизации ПГК посредством обсуждаемых выше механизмов [2]. Таким образом, помимо обеспечения клеток энергией, митохондрии принимают активное уча стие в процессах регуляции и реализации програм мированной гибели клетки, что увеличивает зна чение этих клеточных органелл в развитии различ ных патологических процессов. УЧАСТИЕ МИТОХОНДРИЙ В «ВЫБОРЕ» МЕХАНИЗМОВ ПРОГРАММИРОВАННОЙ ГИБЕЛИ КЛЕТКИ Механизмы, определяющие «выбор» формы клеточной гибели, в настоящее время являются областью высокого научного интереса. Существу ет мнение, что «выбор» клеткой активизации ме ханизмов той или иной формы программирован ной гибели определяется количеством открытых пор в митохондриях. В том случае, если PTP фор мируются в нескольких митохондриях, в клетке активируется процесс аутофагии. Когда PTP от крываются у большего числа митохондрий, в клет ке инициируется апоптоз, что, вероятно, является следствием увеличения в цитоплазме количества цитохрома С и AIF. Наконец, когда в клетке прак тически во всех митохондриях открываются РТP, происходит разобщение окисления и фосфорили рования и интенсивный гидролиз АТФ митохонд риальной АТФазой, активизируются механизмы некрозоподобной клеточной гибели [9]. J.N. Weiss с соавторами считают, что минимальное количе ство открытых пор принципиально не влияет на процесс клеточной гибели, при большем количе Ýêñïåðèìåíòàëüíûå èññëåäîâàíèÿ â ìåäèöèíå è áèîëîãèè 105 ÁÞËËÅÒÅÍÜ ÂÑÍÖ ÑÎ ÐÀÌÍ, 2007, ¹ 1 (53) стве открытых пор возможна инициация апопто за, при генерализованном открытии митохондри альных пор реализуется процесс некроза [13]. К сожалению, проанализированные публика ции рассматривают в качестве одного из механиз мов «выбора» формы клеточной гибели только ко личество открытых PTP и не принимают во внима ние MAP. Можно предположить, что преимуще ственная реализация того или иного типа ПГК оп ределяется соотношением количества открытых MAP и PTP, поскольку в отличие от MAP открытие PTP способствует не только выходу в цитоплазму содержащихся в межмембранном пространстве танатогенных белков, но и падению трансмембран ного потенциала и высвобождению ионов Ca2+. Предполагается, что «выбор» пути клеточной гибели по механизму апоптоза или некроза опре деляется уровнем ионов кальция. При этом незна чительное увеличение концентрации ионов каль ция в цитоплазме приводит к развитию апоптоза, в то время как существенное возрастание их уров ня индуцирует некроз [5]. К возможным механиз мам этого процесса относят воздействие ионов кальция на митохондрии и активацию Ca2+зави симых протеаз (кальпаинов) [7]. Установлено, что увеличение внутриклеточной концентрации Ca2+ сопровождается открытием РТP в митохондриях и снижением митохондриального трансмембран ного потенциала, следствием чего является акти вация программированной гибели клетки [2]. Из вестно, что увеличение внутриклеточной концен трации ионов Ca2+ способствует активации каль паинов, Ca2+зависимых фосфолипаз и нуклеаз, приводящих к разрушению внутриклеточных структур и реализации ПГК по механизму некро за [15]. Показано, что ионы кальция активируют Ca2+зависимую АТФазу, способствующую исто щению запасов АТФ в клетке, наблюдаемому при некрозоподобной ПГК. Таким образом, возможно, что значительное увеличение ионов кальция в ци топлазме способствует активации кальцийзависи мых дегенеративных процессов, что определяет прохождение ПГК по механизму некроза. Считается, что определенное значение в реа лизации апоптоза и некрозоподобной ПГК имеет уровень продукции АТФ. Известно, что при низ ком уровне АТФ в клетке протекает процесс про граммированной гибели клетки по механизму не кроза, достаточное энергообеспечение клетки спо собствует прохождению ПГК по механизму апоп тоза [6]. Показано, что в определенных случаях апопто тические механизмы способны предотвращать не кроз. Примером может быть так называемый про цесс митоптоза (программированной гибели от дельных митохондрий в клетке): митохондрия, про дуцирующая избыточное количество активных форм кислорода может быть элиминирована по средством апоптосомы – комплекса из каспаз и других протеолитических ферментов [14]. Ингиби рование каспаз в этом случае способствовало ини циации некроза. Подобные взаимодействия суще 106 ствуют также между апоптозом и аутофагией. По казана возможность предотвращения апоптоза вследствие захвата аутофагосомами митохондри альных апоптогенных таких белков, как цитохром С [9]. Это свидетельствует о том, что различные механизмы программированной гибели клетки на ходятся в более сложных взаимоотношениях, чем в простой конкуренции за «право» реализации кле точной гибели. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Таким образом, митохондрии являются одним из ключевых внутриклеточных компонентов, принима ющих участие в регуляции процессов программиро ванной гибели клетки: апоптоза, аутофагии и некро зоподобной ПГК. Установлено, что митохондрии обладают широким спектром белковых (цитохром С, эндонуклеаза G, AIF,) и небелковых факторов (ионы Ca2+, активные формы кислорода), активи зирующих процесс клеточной гибели после высво бождения их в цитоплазму. Эти органеллы способ ны интегрировать внутриклеточные стимулы, инду цирующие и блокирующие ПГК и многократно уси ливать сигналы, активирующие клеточную гибель. Интересной с точки зрения патологической физио логии является возможность индукции ПГК мито хондриями не только после восприятия ими вне шних стимулов, но и вследствие функциональных нарушений в этих клеточных органеллах. В настоя щее время существует аргументированная гипоте за, предполагающая, что накопление нарушений в митохондриальном геноме и прогрессирование ми тохондриальной дисфункции является одним из ме ханизмов старения организма и развития различных патологических процессов. Активизация ПГК под влиянием митохондриальной дисфункции является одним из патогенетических механизмов развития структурных и функциональных нарушений в пора женных патологическим процессом органах и тка нях. Значительный интерес представляет регуляция на уровне митохондрий «выбора» формы ПГК, вследствие неоднозначного эффекта различных форм ПГК на тканевые структуры. Пересечение раз личных механизмов ПГК в митохондриях предопре деляет возможность использования митохондрий в качестве одного из ключевых объектов протекции клеток от воздействия на них различных поврежда ющих факторов: токсических повреждений, ише мии и реперфузии, окислительного стресса и дру гих воздействий. Дальнейшее изучение роли митохондрий в механизмах программированной гибели клетки будет способствовать созданию более целостной картины многих патологических процессов, ассо циированных с активизацией гибели клеток, что будет являться основой для создания новых ори гинальных биомедицинских технологий профи лактики и лечения данных заболеваний. ЛИТЕРАТУРА 1. Бра М. Митохондрии в программированной гибели клетки: различные механизмы гибели / Ýêñïåðèìåíòàëüíûå èññëåäîâàíèÿ â ìåäèöèíå è áèîëîãèè ÁÞËËÅÒÅÍÜ ÂÑÍÖ ÑÎ ÐÀÌÍ, 2007, ¹ 1 (53) М. Бра, Б. Квинан, С.А. Сузин // Биохимия. – 2005. – Т. 70, № 2. – С. 284–293. 2. Владимиров Ю.А. Дизрегуляция проницае мости мембран митохондрий, некроз и апоптоз / Ю.А. Владимиров // Дизрегуляционная патология. – М.: Медицина, 2002. – C. 127–156. 3. Alano C.C. Poly(ADPribose) polymerase1 mediated cell death in astrocytes requires NAD+ depletion and mitochondrial permeability transition / C.C. Alano, W. Ying, R.A. Swanson // J. Biol. Chem. – 2004. – Vol. 279. – P. 18895–18902. 4. Aradjomande S.L.A. Newcomers in the process of mitochondrial permeabilisation / S.L. A. Aradjomande, J.C. Martinou // J. Cell Scien. – 2005. – Vol. 118. – P. 473–483. 5. ArtalSanz M. Proteolytic mechanisms in necrotic cell death and neurodegeneration / M. Artal Sanz, N. Tavernarakis // FEBS Lett. – 2005. – Vol. 597. – P. 3287–3296. 6. Buja L.M. Myocardial ischemia and reperfusion injury / L.M. Buja // Cardiovasc. Pathol. – 2005. – Vol. 14. – P. 170–175. 7. Crow M.T. Hypoxia, BNip3 proteins, and the mitochondrial death pathway in cardiomyocytes / M.T. Crow // Circ. Res. – 2002. – Vol. 92. – P. 183–185. 8. Fink S.L. Apoptosis, pyroptosis, and necrosis: mechanistic description of dead and dying eukaryotic cells / S.L. Fink, B.T. Cookson // Infect. Immun. – 2005. – Vol. 73. – P. 1907–1916. 9. Guimaraes C.A. Programmed cell death: apoptosis and alternative deathstyles / C.A. Guimaraes, R. Linden // Eur. J. Biochem. – 2004. – Vol. 217. – P. 1638–1650. 10. Gulbins E. Role mitochondria in apoptosis / E. Gulbins, S. Drechers, J. Bock // Exp. Physiol. – 2003. – Vol. 88. – P. 85–90. 11. Israels L.G. Apoptosis / L.G. Israels, E.D. Israels // Stem cells. – 1999. – Vol. 17. – P. 306–313. 12. Levine B. Autophagy in cell death: an innocent convict? / B. Levine, J. Yuan // J. Clin. Invest. – 2005. – Vol. 115. – P. 2679– 2688. 13. Role of the mitochondrial permeability transition in myocardial disease / J.N. Weiss, P. Korge, H.M. Honda et al. // Circ. Res. – 2003. – Vol. 93. – P. 292–301. 14. Skulachev V.P. Programmed death phenomena: from organelle to organism / V.P. Skulachev // Ann. N. Y. Acad. Scien. – 2002. – Vol. 959. – P. 214–237. 15. Xu C. Endoplasmic reticulum stress: cell life and death decisions / C. Xu, B. BaillyMaitre, J.C. Reed // J. Clin. Invest. – 2005. – Vol. 115. – P. 2656–2664. Поступила в редакцию 31.08.2006 г. Ýêñïåðèìåíòàëüíûå èññëåäîâàíèÿ â ìåäèöèíå è áèîëîãèè 107
