Апоптоз

В основе роста тканей и полового размножения лежит деление клеток. В организме клетки большинства тканей постоянно разрушаются, омертвевают и замещаются. Необратимое прекращение функций отдельных клеток происходит не только вследствие патологии, но представляет необходимый компонент нормальной жизнедеятельности в процессе физиологической регенерации. Разрушение и гибель клеток играет важную роль в период эмбрионального развития во время закладки органов и дифференцировки тканей. В настоящее время различают гибель клеток двух, внешне похожих, но принципиально различных, типов: апоптоз и некроз. Явления апоптоза и некроза настолько похожи, а механизм апоптоза выяснен совсем недавно, что еще нередко для описания некоторых физиологических процессов разрушения клеток вместо термина «апоптоз» используют термин «некроз». Сейчас считают, что апоптоз — это процесс естественной, генетически обусловленной гибели клеток, тогда как некроз, омертвение отдельных органов, их частей, тканей или клеток — патологический. При апоптозе и некрозе возникают характерные изменения клетки и межклеточного вещества: ядро и цитоплазма сморщиваются, распадаются на глыбки и растворяются, лизируются, что связано с активацией гидролитических ферментов лизосом — рибо- и дезоксирибонуклеаз, кислой фосфатазы и других в результате повышения проницаемости клеточных мембран, концентрации водородных ионов (ацидоза), изменения осмотического равновесия. Значение некроза для организма определяется, прежде всего, выпадением функции в связи с гибелью структурных элементов ткани или органа и интоксикацией, обусловленной наличием очага воспаления. Некроз клеток возникает в нефизиологических условиях, в связи с действием неблагоприятных факторов. Апоптоз же распространен и типичен в физиологических условиях. Он является естественным, эволюционно обусловленным и генетически контролируемым механизмом морфогенеза. Наряду с пролиферацией, сортировкой и миграцией клеток, он обеспечивает дифференцировку и специализацию тканей, способствует приобретению характерных для определенного биологического вида черт морфофункциональной организации. Очевидно, избирательная гибель клеток не менее важна для морфогенеза, чем другие процессы. Так, постэмбриональное развитие некоторых насекомых и земноводных происходит с метаморфозом: у личинок насекомых после окукливания разрушается большинство внутренних органов, у головастиков резорбируются (рассасываются) хвост, кишечник и жаберные крышки. В ходе эмбрионального развития высших позвоночных и человека также имеет место дегенерация и исчезновение вначале имевшихся органов. У эмбриона человека ребра вначале закладываются у VII шейного и IX и X хвостовых позвонков, затем исчезают и закладки этих ребер и зачатки хвоста, так что шейные позвонки ребер не несут, и в копчике остается лишь 4-5 позвонков. Вследствие, по-видимому, влияния половых гормонов у эмбрионов женского и мужского пола дегенерируют несвойственные закладки органов. Образование полостей тела и просветов сосудов также сопровождается гибелью клеток. В нервной системе возникает больше нервных клеток, чем затем сохраняется, так как часть нейронов, не установивших синаптических связей с другими клетками-мишенями, погибает. Опытным путем установили, что разрушение клеток имеет три уровня регуляции: генетический контроль, межклеточные взаимодействия и организменный.

Наилучшим образом генетический контроль апоптоза иллюстрирует недавно открытый ген p53. Белок, контролируемый этим геном, обладает способностью при определенных условиях блокировать клеточное деление, митоз, и запускать механизмы апоптоза. Вызванная повреждением ДНК остановка клеточного цикла в сочетании с невозможностью молекулярной репарации (восстановления) измененного наследственного материала может с участием белка, синтез которого контролирует ген p53, приводить к активации процесса самоликвидации, апоптоза дефектной клетки. Мутации и дефекты этого гена или регулирующих его активность нуклеотидных фрагментов ДНК встречаются в опухолевых клетках и обнаружены у 55-70% раковых больных. Открытие гена p53 удостоено Нобелевской премии по физиологии и медицине за 2002.

Наиболее изучены процессы гибели клеток при образовании дефинитивной формы конечностей птиц и млекопитающих. У цыпленка почки конечностей закладываются примерно на 55-м часу развития в виде боковых утолщений, вырастающих из тела зародыша выступов. По мере роста начинают вырисовываться контуры конечностей, причем процесс их формирования сопровождается отмиранием клеток в ряде участков почки. Максимальной протяженности участки гибели достигают к 96-му часу развития. К этому времени 1, 5-2 тыс. клеток поглощается примерно 150 макрофагами. Другие же клетки, примыкающие к этой зоне, не погибают. В эксперименте участки почки, клетки которых в будущем отомрут, были выделены с помощью метода прижизненного окрашивания тканей. Затем группу клеток будущей зоны апоптоза за 40 часов до начала ожидаемого процесса пересаживали со своего местонахождения на боковую поверхность тела зародыша, однако они все равно гибли в те же сроки, что и на своем обычном месте. Очевидно, гибель определенных клеток была генетически запрограммирована и произошла по сигналу, так сказать, «внутренних часов смерти». Если же клетки этой зоны пересаживали на дорсальную поверхность почки крыла, то они сохранялись. Значит, их гибель предотвращали какие-то другие факторы. Ими могли быть клетки дорсальной поверхности почки крыла, «судьбой» не предназначенные к апоптозу. Контакт трансплантированных клеток с клетками «защищающими» их от гибели, должен продолжаться не менее 6 суток, после чего они могут продолжать существовать и без такого контакта, самостоятельно. Таким образом, разрушение клеток контролируется не только генетически, но и на уровне клеточных взаимодействий.

Генетическая детерминация апоптоза прослеживается также на примере мутаций. При аутосомно-рецессивной мутации, названной ta (talpid), у цыпленка в конечности отсутствуют зоны апоптоза, вследствие чего не происходит сужения конечности, и лапка получается очень широкой. Кроме того, у таких мутантов отсутствует область апоптоза под названием темного пятна, в результате большая и малая берцовые кости не разделяются. Эти дефекты сочетаются с костной полидактилией — многопалостью, и сращением мягких тканей ноги: широкая и веслообразная конечность имеет 6-7 пальцев. Аналогичные дефекты описаны у человека. Существуют мутации, расширяющие зоны апоптоза. Так, у дрозофилы вследствие мутации Bar сильно уменьшены глаза, а мутации vestigial — крылья, так как клетки гибнут на значительной площади.