16
22638

Покой, апоптоз или аутофагия: как клетка принимает решение

В этом компасе представлен обзор молекулярных механизмов, которые участвуют в запуске тех или других определённых клеточных программ: адаптации к стрессу или запрограммированной клеточной смерти.

на сайте с 27 декабря 2008

Состояние покоя и клеточные виды смерти

Одной из особенностей старения является неспособность клетки адаптироваться к условиям стресса.
В процессе жизнедеятельности, в клетках накапливаются необратимые повреждения и, как следствие,
делящиеся клетки регенерирующих тканей прибегают к двум основным механизмам, предотвращающим деление. Они могут либо навсегда остановить клеточный цикл (войти в состояние покоя, «сенесценцию»), либо запустить механизм запрограммированной смерти.
Существует несколько видов клеточной гибели. Апоптоз (самоубийство) является наиболее подробно описанной формой запланированной клеточной смерти. Существует, однако, ещё одна форма гибели клетки - аутофагия (самопоедание), которая осуществляется при помощи лизосомной деградации, имеющей важное значение для поддержания гомеостаза.
В отличие от митотических (делящихся) клеток, постмитотические клетки, такие как нейроны или кардиомиоциты, не могут войти в состояние покоя, поскольку они уже окончательно дифференцированны. Судьба этих клеток, таким образом, полностью зависит от их способности справляться со стрессом.
Аутофагия является одним из основных механизмов для ликвидации поврежденных органелл, долгоживущих и аномальных белков и излишних объёмов цитоплазмы.

Функционирование клетки как системы

Одноклеточные и многоклеточные организмы живут в постоянной адаптации к внешним и внутренним повреждающим стимулам. Неизбежное накопление повреждений приводит к ухудшению состояния компонентов клеток, к ухудшению клеточных функций и к изменениям в тканевом гомеостазе, что в конечном итоге оказывает влияние на весь организм.

Таким образом, старение в настоящее время рассматривается как естественное ухудшение организма с течением времени, ухудшение его «фитнеса», предположительно, в результате накопления невосстанавливаемого ущерба.


Многие возрастные патологии происходят от недостаточно точного функционирования механизмов репарации ДНК или аномалий в антиоксидантных механизмах, которые способствуют детоксикации
активных форм кислорода
. Оксидативный стресс играет важную роль в онкогенезе и в снижении функции головного мозга, которые объясняются возрастно-зависимымой пероксидацией липидов, окислением белков и окислительной модификации генома митохондрий и ДНК.
Несмотря на общее происхождение этих заболеваний, существуют некоторые различия в зависимости от возраста, при котором они наступают. Заболеваемость раком резко возрастает после 50-летнего возраста, в то время как заболеваемость нейродегенеративными расстройствами повышается после 70 лет. Одним из важных различий между этими двумя патологиями является тип клеток, которые они поражают.
Рак затрагивает, в первую очередь, митотические клетки, в то время как нейродегенеративные расстройства затрагивают главным образом постмитотические (неделящиеся) клетки.
Таким образом, встает вопрос, чем принципиально отличается реакция этих типов клеток в ответ на стрессовые воздействия. По пролиферативной структуре тканей, многоклеточные организмы можно разделить на простые и комплексные. После развития и дифференцировки, простыe организмы (например, Caenorhabditis elegans и Drosophila melanogaster) состоят только из постмитотических клеток, которые окончательно дифференцированы и больше не делятся. И наоборот, комплексные организмы (например, млекопитающие) состоят как из постмитотических так и митотических клеток, которые присутствуют в регенерирующих тканях и поддерживают их способность размножаться.
Одним из важных различий между простыми и комплексными организмами, это продолжительность их жизни: нематоды C. elegans живут только несколько недель, плодовые мушки D.melanogaster живут несколько месяцев, в то время как мыши могут жить несколько лет, а люди - многие десятилетия. Вполне вероятно, что присутствие регенерирующих тканей в организме дает возможность заменить поврежденные клетки, тем самым увеличивая продолжительность жизни.
Тем не менее, потенциал возобновляемых тканей к саморегенерации представляет из себя риск в плане заболевания раком. Накопление повреждений увеличивает риск митотических клеток к приобретению модификаций в геномной ДНК и, следовательно, риск превратиться в раковую клетку.
В целях сохранения организма, поврежденные клетки опираются на два различных механизма, чтобы остановить их рост: они могут либо войти в состояние ареста клеточного цикла (процесс, известный как «сенесценция») или вызвать генетические программы клеточной гибели, чтобы умереть «по-тихому», не затрагивая соседние клетки (путем апоптоза и, возможно, аутофагии).
Для постмитотических клеток однако, сценарий поведения повреждения клеток радикально отличается. Поскольку их клеточный цикл уже остановлен в фазе G0, они не могут войти в состояние покоя, в сенесценцию. Не имея такого преимущества как пролиферативное обновление, постмтотические клетки, такие, как нейроны или кардиомиоциты, вынуждены адаптироваться к стрессу в целях обеспечения жизненно важных функций всего организма.
В нейродегенеративных патологиях, таких как болезнь Паркинсона, болезнь Альцгеймера и Хантингтона, агрегирование белков является следствием недостаточного удаления окисленных, неверно сконформированных или аномальных белков в мозге. В этом контексте, аутофагия является основным путём для обеспечения нормальной функции повреждённой ткани.

Клеточное старение (сенесценция)

Клеточное старение по сути является остановкой в фазе G1 клеточного цикла постоянно пролиферирующих клеток в ответ на стресс, с целью избежать опасности трансформации в злокачественную клетку . Клетки в состоянии покоя принимают уплощенную форму и запускают экспрессию конкретных молекулярных маркеров, связанных с сенесценцией - бета-галактозидазы, связанных с старением гетерохроматиновых локусов и накопления липофусциновых гранул.
Есть много стимулов способствующих переходу клетки в состояние покоя.
Среди них, укорочение теломер, повреждение ДНК и оксидативный стресс являются наиболее хорошо изученными. Несмотря на разнообразие этих сигналов, они сходятся на двух основных эффекторных путях: на пути p53 и pRB пути (Рис.1).
В нормальных условиях, активность белка - супрессора опухоли p53 регулируется белком MDM2. Однако, при митогенном стрессе или повреждении ДНК, активность MDM2 подавляется и функциональный p53 способен активировать ингибитор циклин-зависимых киназ p21, который останавливает клеточный цикл.
Во втором пути, белок ретинобластомы рRB активируется белком p16 в условиях стресса или повреждений ДНК, который в свою очередь связывается с представителями E2F факторов транскрипции, о которых известно, что они запускают клеточный цикл .
Эти два пути перекрываются в области контроля клеточного старения, а также могут совпадать с запуском программ клеточной смерти. Например, вентрикулярные кардиомиоциты активируют митохондриальный апоптоз, когда в этих клетках увеличивается экспрессия E2F.
Несмотря на то, что сенесценция является способом адаптации клетки в ответ на стрессовые условия, этот механизм, однако, может иметь негативное воздействие на выживание организма.
С возрастом, сенесцентные клетки накапливаются в пролиферативных тканях и вырабатывают различные протеазы деградации, факторы роста и цитокины, что оказывает воздействие на функции соседних клеток, не находящихся в состоянии покоя.
После массового накопления стареющих клеток, пролиферативный потенциал регенерирующих тканей снижается из-за уменьшения стволовых клеток. В общей сложности, эти последствия могут создать неблагоприятную обстановку, которая влияет на развитие неопластичных клеток в опухоли, что в итоге повышает риск заболевания раком.

Апоптоз


Апоптоз является наиболее подробно изученной формой запрограмированной клеточной гибели, которая играет важную роль в эмбриональном развитии и организменном старении . Он включает в себя конторолируемую активацию протеаз и других гидролаз, которые быстро разрушают все клеточные структуры.
В отличие от гибели клеток путём некроза, при которой разрушается мембрана клеток и запускается воспалительная реакция, апоптоз осуществляется в пределах неповрежденной мембраны, без ущерба для соседних клеток.
На морфологическом уровне, классическими чертами апоптоза являются конденсация хроматина (pyknosis), ядерная фрагментация (karyorrhexis), сжатие клетки и пузырение мембраны. Существует два основных пути инициации апоптоза: внутриклеточный (или митохондриальный) и внешний (Рис.2).
В ходе внутриклеточного пути, несколько сенсоров, в том числе BH3 - белки и p53, реагируют в ответ на различные стрессовые сигналы или на повреждение ДНК и активируют сигнальный каскад, который ведёт к пермебелизации внешней мембраны митохондрии (MOMP).
Высвобождённые из межмембранного пространства пермеабилизированных митохондрий белки, формируют характерную структуру, апоптосому, комплекс активации каспаз, состоящий из белка APAF-1 (апоптотического фактора активации протеазы 1), каспазы - 9 и цитохрома С, что приводит к активации эффекторных каспаз, который разрушает важные клеточные структуры. Апоптоз запускаемый
на уровне митохондрий жестко регулируется семейством белков Bcl-2, которые подразделяются на 3 группы: (1) анти-апоптотические мультидоменные члены (Bcl-2, Bcl-X L и Mcl-1), которые содержат четыре Bcl-2 гомологичных домена (BH1, BH2, BH3 и BH4), (2) про-апоптотических мультидоменных члены (таких, как Bax и Bak), не имеющих BH4 доменов и (3) про-апоптотические BH3 белки (например, Bid, Bim и Bad).
Внутренние и внешние стимулы могут активировать протеолитическую деградацию белка Bid и транслокацию укороченного bid (tBid) к митохондриальной мембране, где он стимулирует MOMP, предположительно, путем активации каналов Bax / Bak и через другие механизмы.
Множество внутриклеточных взаимодействий между членами семейства Bcl-2 сводятся к интеграции сигнальных каскадов, которые модулируют уровень и активность этих белков, чтобы активировать или избежать запуск митохондриального апоптоза.
Внешний путь начинается в плазматической мембране за счет активации рецепторов смерти семейства TNFR (рецепторов фактор некроза опухоли), которые активируются лигандами Fas/CD95 и TRAIL (TNF - связанный лиганд, индуцирующий апоптоз). Тримеризация рецепторов приводит к рекрутированию и активации каспазы-8 через специальные адаптерные белки, такие, как FADD / TRADD (Fas -связанных доменов смерти/TNFR1-связанных доменов смерти) для формирования сигнального комплекса, который далее передаёт сигналы по крайней мере в трёх направлениях: (1) путем прямого протеолиза и активации эффекторных каспаз, (2) путем протеолиза BH3 белка Bid, транслокации tBid в митохондрии и последующая пермеабилизация внешней мембраны митохондрий или (3)путём активации киназы RIP1 и JNK (C-Jun N-концевых киназ), что приводит к транслокации tBid в лизосомы и пермебелизации Bax-зависимых лизосомных мембран, в результате заканчивающимся общим протеолизом при помощи катепсина B / D и MOMP.

Апоптоз и сенесценция

Как и клеточное старение, апоптоз является крайней формой клеточного ответа на стресс и представляет собой важный механизм подавления опухолей. Пока еще не ясно, что определяет путь, по которому идёт клетка. Хотя большинство клеток способно на оба этих процесса, они всё же являются взаимозаключающими.
Тип клетки является определяющим, так поврежденные эпителиальные клетки и фибробласты в основном входят в покой, в то время как поврежденные лимфоциты подвергаются апоптозу. Кроме того, было сообщено о том, что при помощи манипулирования уровня экспрессии Bcl-2 или ингибирования каспаз можно направить клетку, которая обычно бы умерла путем апоптоза, в состояние покоя. Также, были предприняты попытки затормозить клеточное старение путём повышенного уровня теломеразы, что в итоге не предотвращает клеточного старения, а защищает клетки от апоптоза.
Эти исследования ясно указывают на пересечение между процессами апоптоза и клеточного старения, например, на уровне белка супрессора опухоли p53.
В раковых клетках толстой кишки, активация p53 ведёт к инициации апоптоза, а не переходом в состояние покоя после онкогенного воздействия путём повышенной экспрессии c-myc. Тем не менее, детали и механизмы перекрестного регулирования между апоптозом и клеточным старением должны быть более подробно изучены.

Аутофагия


Аутофагия (Autophagy )(от греческих слов: "Авто", означающими само- и "phagein означающее «поглощать») представляет собой процесс, посредством которого собственные компоненты клетки доставляются к лизосомам для глобальной деградации (Рис.3). Этот повсеместный процесс выступает в качестве важного регуляторного механизма для ликвидации поврежденных органелл, внутриклеточных патогенов и лишних частей цитоплазмы, а также долгоживущих, аномальных или агрегированных белков.
Показано, что коротко-живущие белки ликвидируются преимущественно через протеасомы.
По крайней мере, три различных типа аутофагии были описаны, которые различаются в способе доставки органелл к лизосомам. Наиболее подробно описывается тип макро-аутофагии (macroautophagy), в котором элементы цитоплазмы и целые органеллы поглощаются так называемыми аутофагосомами (autophagosomes), имеющими двойную мембранную структуру, или первичными аутофаговыми вакуолями (AV-I). После слияния с лизосомами, аутофагосомы формируют одно-мембранную структуру, называемую аутолизосомой (autolysosome) или поздними аутофаговыми вакуолями (AV-II), содержимое которых деградируется и получившиеся элементы возвращаются в цитоплазму для метаболических реакций.
Подробный обзор по формированию аутофагосомных комплексов см. здесь.
Основным негативным регулятором макро-аутофагии является киназа mTOR, которая, как правило, запускает базовое образование аутофагосом, но ее ингибирование (например, при помощи рапамицина при отсутствие питательных веществ) запускает макро-аутофагию. Подавление mTOR активности способствует ферментативной активации мультипротеинового комплекса, который формируется из III phosphatidylinositol 3-киназы (PI3K), белка вакуолярной сортировки 34 (Vps34), Beclin 1, белка вакуолярной сортировки 15 (Vps15), белка резистентности к УФ-излучению (UVRAG), endophilin B1 (Bif-1), молекулы активации Beclin-1-зависимой аутофагии (Ambra 1) и, возможно, другие белки.
Этот комплекс негативно регулируются белками Bcl-2 / X L. Vps34 производит фосфатидилинозитол - 3-фосфат [PtdIns (3) P], молекулярный сигнал для сборки аутофаговых комплексов формирующим удлинение и закрытие везикул.
Процесс макро-аутофагии можно заингибировать по пути insulin/IGF-1, где PI3K продуцируют phosphatidylinositol - 3,4,5-trisphosphate [PtdIns (3,4,5) P 3], которые стимулируют функцию mTOR .
Не так хорошо изученным является следующий тип аутофагии - микро-аутофагия (microautophagy), при котором поглощение органелл производится непосредственно в лизосомные мембраны. Этот механизм
также является путём деградации органелл и долгоживущих белков, но, в отличие от макро-аутофагии, он не отвечает за адаптацию к недостатку питательных веществ.
Одной из конкретных форм микро-аутофагии является весьма избирательная деградация пероксисом (micropexophagy), описанная в дрожжах, как механизм адаптации к оксидативному стрессу.
Третий тип само-поедания является шаперон-ассоциированная аутофагия (CMA). Несмотря на то, что этот путь также чувствителен к недостотку пит. веществ, в нём не происходит тотального поглощения органелл или избирательного распознавания субстрата. В CMA, белки цитоплазмы, которые содержат конкретные пента-пептидные мотивы, распознаваемые лизосомами (консенсус последовательность KFERQ) распознаются комплексом белков-шаперонов (в том числе теплового шока 73 кДа-белок, hsc73) и направляются к лизосомной мембране, где они взаимодействуют с белками, связанными с мембраной лизосом (LAMP) 2a. Субстратные белки затем разворачиваются и транспортируются в люмен лизосом для деградации.
Мотив KFERQ находится примерно в 30% белков цитоплазмы, включающих в том числе RNase А и амилоидные белки предшественники (APP). Интересно, что АРР могут быть связаны hsc73 (и, следовательно, скормлены СМА), когда основной путь их деградации заингибирован и данное взаимодействие происходит не через APP KFFEQ последовательности. Пока еще не ясно как KFERQ мотив распознается шапероновым комплексом.
Некоторые пост-трансляционные изменения субстратов (например, окисление или денатурация) могут сделать этот мотив более доступными для шаперонов, повышая уровень их лизосомного поглощения в CMA.

Аутофагия и апоптоз при клеточном старении

В большинстве случаев, аутофагия способствует выживанию клеток путем адаптации клеток к условиям стресса. В этом контексте парадоксально, что механизм аутофагии представляет из себя также не-апоптотическую программу клеточной гибели, которую называют 'autophagic"или" тип-II' клеточной смертью.
Это основано на том, что некоторые случаи гибели клеток сопровождаются массовой аутофаговой вакуолязацией. Тем не менее, эти морфологические наблюдения не могут показать, сопровождается ли смерть клетки формированием аутофаговых вакуолей или клеточная гибель действительно осуществляется путём аутофагии. В самом деле, отношения между аутофагией и апоптозом являются сложными, и
именно то, что определяет, погибнет ли клетка путем апоптоза или по другому механизму по-прежнему остаётся неясным. В некоторых клеточных системах, аутофагия является единственным механизмом гибели, действуя в качестве резервного механизма исполнение смертного приговора, когда апоптоз в клетке просто заингибирован. И наоборот, если в процессе клеточного голодания заблокировать процесс аутофагии (например, припомощи малых интерферирующих РНК), то инициируется программа апоптоза.
В опухолевых клетках клеточных линий при воздействии на них цитотоксическими веществами, клетки предпочитают аутофагию, избегая апоптоз и клеточное старения. Опять же, белок p53 был определен в качестве одного из главных регуляторов определяющего направление, по которому пойдёт клетка. В стареющих и постмитотических клетках, аутофагия служит в качестве механизма адаптации к стрессу.
Было показано, что аутофагосомы накапливаются в стареющих фибробластах в целях содействия обновлению веществ цитоплазмы и её органелл. Точно так же в кардиомиоцитах, оптимальное функционирование митохондрий зависит от макро-аутофагии.
Работа одного типа аутофагии- CMA - снижается с возрастом, что увеличивает риск дегенерации нейронов, связанный с накоплением подверженных к аггрегации мутантных белков. Следует отметить, что нейродегенеративные заболевания, связанные с возрастом, имеют схожие характеристики с патологиями, вызванных нокаутом генов, связанных с аутофагией (atg) в головном мозге, такими как накопление убиквитинированных белков и телец включения в цитоплазме, увеличение апоптоза в нейронах и постепенная потеря нейрональных клеток.
Недостаток питательных веществ является наиболее часто используемым способом индуцирования аутофагии в культивируемых клетках, и действительно аутофагия это механизм, с помощью которого одноклеточные организмы (например дрожжевые клетки), а также клетки млекопитающих могут адаптироваться к истощающимся ресурсам.
В ходе деградации макромолекул высвобождается АТФ, что позволяет скомпенсировать отсутствие внешних источников питания. Важно отметить, что эта способность аутофагии может участвовать в продлении жизни организма за счёт ограничения в калорийности питания. Голодание или диетическое ограничение являются одним из сильнейших стимулов для запуска аутофагии по всему организму у мышей и нематод C.elegans.
В любопытном исследовании было показано, что выключение atg генов в C. elegans отменили эффекты противо-старения, которые наблюдались у особей в ходе ограничения калорий.
Точный механизм, посредством которого аутофагия уменьшает старение далеко не ясен. Тем не менее, можно предположить, что регулярное обновление цитоплазматических структур и молекул "очищает" и тем самым омолаживает клетки. Кроме того, аутофагия играет важную роль в поддержании стабильности генома посредством механизмов, которые еще не изучены.
Таким образом, общее увеличение уровня аутофагии может помочь избежать долгосрочных последствий повреждений ДНК, гипотеза, которая требует дальнейшего изучения.

Заключительные замечания

Эмбриогенез и развитие многоклеточных организмов являются результатом баланса между клеточной пролиферацией и клеточной смертью.
После дифференцировки тканей, ткани с пролиферирующими клетками и ткани с не-пролиферирующими клетками накапливают повреждения, которые существенны для поддержания жизни и ускоряющие старение.
В пролиферативных тканях, существуют два различных механизма, которые позволяют клеткам избежать прогрессирования поврежденных клеток в клетки рака: арест деления (процесс, известный как клеточное старение), либо запрограммированная клеточная гибель (апоптоз и, возможно, также массивная аутофагия). Кроме того, старение связано с возрастающим риском развития различных патологий, связанных с клеточными повреждениями.
В частности, нейродегенерация может развиться из-за снижения клеточных механизмов, которые направлены на удаление поврежденных элементов. Основной путь деградации цитоплазматических элементов – аутофагия, уровень которой, как сообщается, снижается с возрастом.
Стимулирование аутофагии путём ограничения калорийности питания может служить в качестве стратегии для того, чтобы избежать развития возрастно-зависимых болезней, как это было показано на C.elegans. Вместе с тем остается открытым вопрос о том, что может оказать положительное влияние на возрастные изменения в человеке: индукция аутофагии (периодическая или непрерывная) путем ограничения калорийности (перемежающейся или постоянной) или воздействие фармакологическими средствами.

Обзоры по теме

О роли лизосом при старении, аутофагии и клеточной смерти
О различных типах клеточной смерти и о роли этих процессов при старении
Аутофагия и NF-kappaB
Об участии р53 в механизме аутофагии
О "лизосомно-митохондриальной" теории клеточного старения
О многогранности механизма аутофагии

Доска почёта

Craig B. Thompson
Chairman and Professor, Dept of Cancer Biology and Medicine
University of Pennsylvania.
Лаборатория Томпсона занимается регуляцией развития лейкоцитов, клеточной пролиферации, адаптации к стрессовым условиям, апоптозом. Одним из направлением является исследования эволюционного видоизменения многоклеточных организмов как механизма строгого контроля над процессами клеточной смерти и старения.


Russell T. Hepple , PhD

Associate Professor, Faculty of Kinesiology, University of Calgary, Canada
Лаборатория Хеппле занимается проблемами снижения функции мышечной ткани в свете регуляции клеточного старения и смерти.





Джуди Кампизи, Buck Institute for Age Research, Buck Institute
8001 Redwood Blvd.
Novato, CA 94945

Подробнее здесь.







Радиобиолог [b]АЛЕКСЕЙ МОСКАЛЕВ
работает в Институте биологии научного Центра Уральского отделения РАН в Сыктывкаре: занимается экологической генетикой.

Комментарии

19 ноября 2009 в 18:45
 
Хочу заметить, что совсем не принимаются во внимание биоэлектрические изменения, как следствие, и как источник описываемых автором явлений.
автор
6 января 2010 в 01:32
 
Хочу заметить, что совсем не принимаются во внимание биоэлектрические изменения, как следствие, и как источник описываемых автором явлений.
Интересное замечание! Я могу себе представить биоэлектрические изменения как источник воздействия на клеточный цикл и жизнедеятельность клетки, но как следствие? У Вас есть какие-нибудь данные на эту тему?
8 января 2010 в 15:27
 
Результатов лабораторных исследований нет. Однако сама тема интересная. Даже на простейшие химические реакции влияют электромагнитные поля, валентность реагента имеет большое значение. Некоторые химические реации прямо высвобождают значительную электроэнергию, что мы используем в химических батарейках, например. Процесс жизнедеятельности клетки, это цепь взаимосвязанных химических реакций белков, то есть макромолекул. При старении клетка, ранее являющаяяся мощным биоэлектрическим излучателем, вырабатывает очень слабую индукцию. А если вызвать искуственную индукцию на частоте юной сходной клетки, или воздействовать на частоте колебания стволовой клетки, как поведёт себя старая? Тема очень интересная на мой взгляд. Но здесь нет возможности её хотя бы приоткрыть, настолько она объёмна.

Оставить комментарий

Поделиться с друзьями

Share on Twitter




Купить веселящий газ в баллонах 3.5 литра с доставкой можно в любое суток.