Современные представления о молекулярных

Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего
профессионального образования «Сибирский государственный
медицинский университет»
Министерства здравоохранения Российской Федерации
(ГБОУ ВПО СибГМУ Минздрава России)
Научно-популярные материалы для школьников и школьных учителей
При поддержке Федеральной целевой программы «Научные и научнопедагогические кадры инновационной России» на 2009 – 2013 годы»
Соглашение на предоставление гранта от 23 октября 2012 г. № 8302
Томск, 2013
Апоптоз – запрограммированная форма
гибели клетки с характерными
морфологическими и биохимическими
признаками
Поддержание клеточного гомеостаза за счет
удаления поврежденных клеток без развития
воспаления
• уменьшение размера клетки (сморщивание)
• конденсация и фрагментация хроматина
• уплотнение наружной и цитоплазматической
мембран без выхода содержимого клетки в
окружающую среду
• переход фосфатидилсерина из внутреннего
монослоя цитоплазматической мембраны в
наружный монослой
• формирование апоптотических телец
• фагоцитоз апоптотических телец без развития
воспаления
• Инициаторная фаза
• Эффекторная фаза
• Фаза деградации
Происходит
восприятие
и
проведение
проапоптотического стимула в клетку, в качестве которого
могут быть:
•нерепарируемые повреждения ДНК
• белковые продукты протоонкогенов
•молекулы-лиганды мембранных рецепторов смерти
•избыток или недостаток гормонов и ростовых факторов
•потеря контакта с базальной мембраной или соседними
клетками
•вирусная инфекция
•некоторые фармакологические агенты
«Отрицательные»
Дефицит: факторов
роста, цитокинов
Ацидоз, АФК
«Положительные»
TNFα, FasL
Гепатотропные,
нейротропные
Смешанные
+Митоген –АГ
-АГ +Митоген
Глюкокортикоиды,
тиреоидные
Геном клетки
Апоптоз
Физико-химические
факторы
Вирусы
Гормоны,
проникающие
в клетку
Происходит активация каскада белковэффекторов и регулирующих их белковмодуляторов. Основными эффекторами
апоптоза являются каспазы.
Каспазы – ферменты расщепляющие белки
по остаткам аспартата.
Каспазы постоянно синтезируются практически в
каждой клетке в виде проферментов.
Прокаспазы содержат 4 домена: N-концевой домен,
большую и малую субъединицы и короткую
связывающую область между ними . При активации
N-концевой домен и связывающий фрагмент между
субъединицами
отщепляется
путем
протеолитического
расщепления
в
местах
расположения
аспарагиновых
оснований.
В
результате формируется гетеродимер. Активная
каспаза – это тетрамер, состоящий из двух таких
гетеродимеров.
• Активация прокаспаз с образованием каспаз
• Расщепление
антиапоптозных
белков
семейства Bcl-2
• Гидролиз белков ламинов, укрепляющих
ядерную мембрану, что ведет к конденсации
хроматина
• Разрушение белков, участвующих в регуляции
цитоскелета
• Инактивация и нарушение регуляции белков,
участвующих в репарации ДНК, сплайсинге
мРНК, репликации ДНК.
Характеризуется разрушением (деградацией)
хроматина. В основе которого ферментативное
расщепление ДНК. Оно происходит в несколько
этапов с формированием все более мелких
фрагментов.
Деградация хроматина при апоптозе является
активным
процессом,
зависящим
от
температуры, источников энергии, синтеза РНК
и белка de novo.
• Рецепторный
• Митохондриальный
• Р53-опосредованный (ядерный путь)
•взаимодействие лигандов принадлежащих к семейству
фактора некроза опухоли (TNF) - TNF-α и FasL с
соответствующими рецепторами смерти TNFR и FasR,
соответственно.
•формирование сигнального комплекса, инициирующего
гибель клетки (DISC): адаптерный белок (TRADD или
FADD ) и прокаспаза-8, -10
•активация каспазы-8, -10, которые в свою очередь
активирует каскад каспаз, что ведет к клеточной гибели
•итогом связывания лиганда с рецептором может быть
не только активация гибели клетки, но и стимуляция
пролиферации, выживание, все зависит от комплекса
молекул, входящих в состав DISC .
Происходит повышение проницаемости внутренней
мембраны митохондрий вследствие образования
гигантских пор.
Раскрытие пор вызывается: АФК, истощение клеток
восстановленным глутатионом, НАДФН, АТФ и АДФ,
разобщение окислительного фосфорилирования
протонофорными
соединениями,
увеличение
содержания Ca2+ в цитоплазме, повреждение ДНК,
действием радиации, цитотоксические агенты,
глюкокортикоиды, укорочение до критического
уровня теломеров., воздействие церамида, SHреагенты.
Следствием раскрытия пор является набухание
митохондриального матрикса, разрыв наружной
мембраны митохондрий и высвобождение
растворимых белков межмембранного объема,
такие как: цитохром с, AIF, эндонуклеаза G и
регуляторные белки Smac/DIABLO, прокаспазы 2,
3 и 9, Omi/HtrA2
AIF – апоптозиндуцирующий
независимо от каспаз.
фактор,
действует
Эндонуклеаза G – вызывает разрушение (фрагментацию)
ДНК по каспазанезависимому пути.
Smac/DIABLO – проапоптотический белок, блокирует
действие ингибиторов апоптоза.
Omi/HtrA2 участвует в регуляции как каспазазависимого,
так и каспазанезависимого путях проведения апоптоза.
В цитоплазме Apaf-1 претерпевает изменения с
затратой энергии и связывается с цитохромом с.
Объединение не менее 8 субъединиц Apaf-1 с
цитохрома c и прокаспазой-9 образуют апоптосому.
Таким образом активируется каспаза-9, которая в
свою очередь, активирует прокаспазу-3 с
образованием эффекторной каспазы-3.
ПОВРЕЖДЕНИЕ ДНК
ЭКСПРЕССИЯ
ВАХ
АПОПТОЗ
р53
р21
ЗАДЕРЖКА
КЛЕТКИ В G1
ЭКСПРЕССИЯ
Вcl-2
РЕПАРАЦИЯ ДНК
• Белки семейства Bcl-2
• Вещества, оказывающие влияние на каспазы
(cFLIP , IAР, Aven)
• ARC (apoptosis repressor with caspase
recruitment domain)
• Hsp (heat shock protein)
• Антиоксидантные системы
• Внутриклеточные газовые трансмиттеры
• Активные формы кислорода и окислительная
модификация биомолекул
Молекулы Bcl-2 и Bcl-x локализуются в мембранах митохондрий,
закрывая тем самым каналы, через которые осуществляется выброс
цитохрома c и/или AIF.
Bax, находящийся в норме в цитоплазме, перемещается в
митохондриальную мембрану при
апоптогенных сигналах, и
способствует открытию канала, через который выходит цитохром с .
Кроме того, Bax способен образовывать комплексы с белками Bcl-2,
Bcl-x, что также открывает закрытые до этого каналы.
Другие проапоптотические белки
механизм действия, что и у Bax.
семейства Bcl-2 имеют схожий
Относятся
к
эндогенным
подавляющие активацию каспаз.
веществам,
cFLIP препятствует взаимодействию прокаспазы-8
с FADD.
IAR тормозят активность каспаз 3, 7, 9.
Aven блокирует активацию каспазы-9 путем
нарушения процесса самосборки комплекса Apaf1/каспаза-9
Характерен в основном для поперечнополосатой мускулатуры.
Взаимодействует с каспазами 2, 8 и тормозит
рецептор-опосредованный путь апоптоза.
Подавляет
выход
цитохрома
с
из
митохондрий и препятствует развитию
апоптоза при гипоксии.
• Открыты в 1962 г. F. Ritossa
• Классифицируются по молекулярной массе и
по характеру синтеза в клетке (конститутивные
–
постоянно
присутствуют
в
клетке,
индуцибельные – синтезируются при действии
стрессовых факторов)
• Накопление Hsp в клетке осуществляется под
действием
факторов
провоцирующих
клеточный стресс
• Оказывают разнонаправленное действие на
реализацию программы клеточной гибели
Антиоксиданты – широкий класс веществ различной
химической природы, которые способны тормозить
или устранить свободно-радикальное окисление
органических соединений.
Основная классификация
по каталитической
активности:
 ферментативные
(супероксиддисмутаза
(СОД),
каталаза,
глутатионпероксидаза
(ГПО),
глутатионредуктаза,
все
ферменты
аскорбатглутатионового цикла, а также трансферазы)
 Неферментативные (каротиноиды, аскорбиновая
кислота, восстановленный глутатион (GSH), αтокоферол, флавоноиды и др. )
Регулирующие дейстие на апоптоз оказывают
NO, CO и H2
Оказывают как про- так и антиапоптотический
эфффект на клетку
Результат влияния газотрансмиттеров на
клетку во многом определяется типом клеток,
концентрацией газа и временем экспозиции
доноров газов на клетки
Активные формы кислорода постоянно образуются в организме в
малых количествах, выполняя роль вторичных мессенжеров
(посредников).
Представители активных форм кислорода: супероксидный анионрадикал (О2•–), гидроксильный радикал (ОН•), перекись водорода
(Н2О2) и др.
В высоких концентрациях токсично действуют на клетки. Способны
взаимодействовать с липидами, белками и нуклеиновыми
кислотами. Образуя окислительно модицицированные продукты с
нарушенной структурой и функционированием.
Активирование МАР-киназ (JNK, p38) и тем самым запускание каскада
последовательного фосфорилирования ферментов. Пример, JNK активирует
фактор транскрипции р53, проапоптотические протеины Bad и Bax, при
этом инактивируя антиапоптотические белки семейства Bcl-2.
Избыточная продукция АФК может привести к повышенному содержанию
однонитевых разрывов в ДНК, усиливая тем самым экспрессию белка р53.
Возрастание концентрации О2• – и перекисных соединений вызывает
образование пор во внутренней мембране митохондрий, что
способствует выходу в цитозоль проапоптотических факторов
митохондрии.
1. Заболевания, связанные с ингибированием
апоптоза
Опухоли.
Аутоиммунные болезни.
Вирусные инфекции (герпес, аденовирусы).
Заболевания, протекающие с
гиперэозинофильным синдромом.
• Нейропролиферативные заболевания
(шизофрения).
•
•
•
•
2. Заболевания, связанные с усилением апоптоза.
• СПИД.
• Нейродегенеративные заболевания (болезнь
Альцгеймера, паркинсонизм, боковой
амиотрофический склероз).
• Болезни крови (миелодиспластический синдром,
апластическая анемия).
• Ишемические повреждения (инфаркт миокарда,
инсульт, реперфузионные повреждения).
• Токсические повреждения печени.
• Заболевания почек.