4
11390

Программированная гибель клеток. Александр Штиль.

Компас является разделом проекта о ученых, работающих в науках о "живых системах". Их деятельность определяет будущее.

на сайте с 12 мая 2008
Исследования программированной гибели клетки - апоптоза ( от греч. αποπτωσιςопадание листьев) - в последнее десятилетие повлекли за собой несколько важных научных открытий: была обнаружена целостная система реализации этого феномена - выявлены регулирующие его гены, а так же поверхностные клеточные рецепторы и их лиганды, опосредующие клеточную смерть.
В многочисленных экспериментах ученые доказали: программированная гибель - обязательное и неотъемлемое свойство любой клетки любой многоклеточной системы. (Ежедневно около 5% клеток организма подвергаются апоптозу, а их место занимают новые. Чтобы бесследно исчезнуть, клетке требуется от 15 минут до 2-х часов).
В 2002 году молекулярным биологам Сиднею Бреннеру (Sydney Brenner) , Роберту Хорвицу (H. Robert Horvitz) и Джону Салстону (John Edward Sulston) за открытия в области “генетического регулирования развития организма и запрограммированной смерти клеток” была присуждена Нобелевская премия в области физиологии и медицины.
Эксперты считают, что дальнейшие исследования апоптоза могут способствовать разработке лекарств против таких опасных заболеваний, как рак, инсульт, инфаркт, болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона и некоторых других.
АЛЕКСАНДР АЛЬБЕРТОВИЧ ШТИЛЬ – доктор медицинских наук, заведующий лабораторией механизмов гибели опухолевых клеток НИИ канцерогенеза РОНЦ им. Н.Н. Блохина Российской академии медицинских наук.

Специалист в области клеточной и молекулярной онкологии.

Научные интересы: механизмы программированной гибели клеток (бактерий и эукариот, в частности, опухолевых клеток).
Вопросы_Елена Ветрова
март - апрель
Москва, 2009
Александр Альбертович, апоптоз - один из ключевых биологических процессов, протекающий в организме на протяжении всей его жизни. Он играет важнейшую роль и в эмбриональном развитии организма (морфогенез), и в поддержании динамического равновесия  в органах и тканях (гомеостаз), и в процессе зарождения и развития опухолей (канцерогенез).
В каких еще случаях в организме включается программа самоубийства клеток? И откуда эта программа «знает», что организму хорошо, а что плохо?


На рис. апоптоз. Процесс запускается, когда исчерпываются функциональные возможности клетки. Гены, обеспечивающие деление клетки, блокируются, а гены, обеспечивающие синтез литических (от греч. lytikos - освобождать, растворять) ферментов - стимулируются. Эти ферменты проникают в ядро и лизируют (разрушают) хроматин хромосом- комплекс ДНК, РНК и белков. Хромосомы распадаются, синтез в клетке прекращается.
Некоторые внешние признаки апоптоза в клетке:
пикноз (сморщивание ядра);
хроматолизис ( снижение окрашиваемости ядра);
кариорексис (распад ядра на части);
разрушение цитоплазмы и т.д.
Остатки фагоцитируются (поглощаются) макрофагами.



Программированная гибель включается при физиологических процессах – у простейших организмов, например, бактерий, для поддержания численности популяции клеток, оптимальной для заданных условий среды (питательные вещества, температура). Такой эффект наблюдают в биопленках – саморегулируемых бактериальных сообществах.
В эмбриональном развитии тканей и органов высших организмов и во взрослом организме программированная гибель служит для смены популяций клеток – стареющих и утрачивающих функции - на молодые.
Программа не знает, что организму хорошо, а что плохо, просто так устроена жизнь – гибель есть сторона жизни…
То есть, побочный эффект эволюции  -  то,  о чем Август Вейсман,  немецкий зоолог и эволюционист, писал еще в конце XIX века…
…Поэтому и гибель неопухолевых клеток при химиотерапии – плохо: апоптоз нормальных клеток здесь нежелателен, но программа не распределяет между “плохо-хорошо”, а позволяет выжить тем, кто может выжить, уничтожая более уязвимых, более чувствительных... Справедливость в человеческом понимании здесь не работает, и за эту безысходность и "беспринципность" приходится расплачиваться.
О существовании апоптоза ученые узнали не так давно, около полувека назад. Как это открытие сказалось на развитии науки?

рис. с сайта http://images.google.ru/imgres?imgurl=http://www.biooncology.com/bioonc/images/apoptosis-image.jpg&imgrefurl=http://www.biooncology.com/bioonc/research/apoptosis/index.m&usg=__8HvIz6bM70RHTpg4ihuOrdUYO5M=&h=448&w=408&sz=67&hl=ru&start=26&um=1&tbnid=sHtfD76cp7j3UM:&tbnh=127&tbnw=116&prev=/images%3Fq%3Dapoptosis%26ndsp%3D18%26hl%3Dru%26lr%3D%26client%3Dfirefox-a%26channel%3Ds%26rls%3Dorg.mozilla:ru:official%26sa%3DN%26start%3D18%26um%3D1%26newwindow%3D1


На рис.  включение генетической программы апоптоза в клетке под воздействием внешних факторов (сигналов)
(рис. увеличивается при нажатии на него курсором)


Это открытие позволило в короткое время – на протяжении около 15 лет – сформировать представления о важнейших биологических процессах – передаче внутриклеточных сигналов, регуляции протеолиза - процесса расщепления белков и пептидов в организме, регуляции формы ядра, органелл и мембран.

Активизировалось изучение роли белков хроматина в экспрессии генов.

Обоснованы представления о механизме действия цитостатических агентов, главным образом, противоопухолевых препаратов и ионизирующего излучения, на опухолевые и нормальные клетки.

Открытие механизмов клеточной гибели сегодня сосредоточило множество научных направлений – от биологии и химии до терапии болезней человека, животных и растений.
Да, это направление считается одним из самых перспективных в молекулярной биологии. С ним оптимистично связывают разработку принципиально новых препаратов для лечения пока еще неизлечимых дегенеративных заболеваний, рака, и даже возможность победы над старостью.
По некоторым данным: более четырехсот лабораторий в мире сегодня так или иначе сопричастны к этой тематике.
Перспективность исследования апоптоза для молекулярной биологии обусловлена тем, что этот феномен (и, шире, клеточная гибель) охватывает совокупность многих научных идей и направлений. Клетка – и простейшая, и сложная – всегда есть комплексная система, и гибель – неотъемлемое свойство живого. Поэтому изучение смерти вообще перспективно для понимания сущности жизни.
И, действительно, в практическом плане изучение механизмов гибели позволит конкретизировать действие многих лекарственных препаратов.
Сравнительно недавно было открыто и явление bystander effectэффект свидетеля»): когда гибнущие по какой-либо причине клетки посылают определенный сигнал соседствующим с ними здоровым клеткам, и те, самоуничтожаются. Что ими движет?  Есть ли гипотезы на этот счет?
Это пример биологической регуляции в сложной системе: таким способом клетки убивают друг друга, рассылая сигналы соседям. Сигнал (обычно водорастворимый белок) для своих не вреден, а для клеток другого происхождения, находящихся в той же популяции, губителен – на этой разнице в чувствительности и построена игра.
Какова роль кислорода и перекиси водорода в процессе апоптоза?


Очень важная – радикалы кислорода очень активны химически. Они запускают реакции, повреждающие белки, нуклеиновые кислоты и липиды.

рис. с сайта http://images.google.ru/imgres?imgurl=http://moscowuniversityclub.com/article/img/5945_2.jpg&imgrefurl=http://moscowuniversityclub.com/home.asp%3FartId%3D5945&usg=__LtnQYR8r4JjYYmT1HjIZRM54RLg=&h=552&w=670&sz=84&hl=ru&start=1&um=1&tbnid=8iAWmlPdzlx4OM:&tbnh=114&tbnw=138&prev=/images%3Fq%3D%25D1%258F%25D0%25B4%25D0%25BE%25D0%25B2%25D0%25B8%25D1%2582%25D1%258B%25D0%25B9%2B%25D0%25BA%25D0%25B8%25D1%2581%25D0%25BB%25D0%25BE%25D1%2580%25D0%25BE%25D0%25B4%2B%25D0%25BC%25D0%25BE%25D0%25B6%25D0%25B5%25D1%2582%2B%25D0%25BF%25D1%2580%25D0%25B8%25D0%25B2%25D0%25B5%25D1%2581%25D1%2582%25D0%25B8%2B%25D0%25BA%2B%25D1%2581%25D0%25B0%25D0%25BC%25D0%25BE%25D1%2583%25D0%25B1%25D0%25B8%25D0%25B9%25D1%2581%25D1%2582%25D0%25B2%25D1%2583%2B%25D0%25BA%25D0%25BB%25D0%25B5%25D1%2582%25D0%25BA%25D0%25B8%26hl%3Dru%26lr%3D%26client%3Dfirefox-a%26channel%3Ds%26rls%3Dorg.mozilla:ru:official%26sa%3DG%26um%3D1%26newwindow%3D1


Рис. увеличивается при нажатии на него курсором.

На этом свойстве построено лечебное действие ионизирующего излучения, антрациклиновых антибиотиков. Возбуждение светом особых химических соединений – фотосенсибилизаторов – вызывает кислородный взрыв и сильное повреждение клеток. Если такой фотосенсибилизатор накопить в опухоли и последнюю осветить, наступает гибель опухолевых клеток. Такая терапия в онкологии получила название фотодинамической и широко применяется, правда, при опухолях, доступных освещению и не очень больших по размеру.
На фото: Владимир Петрович Скулачев Принцип апоптоза наблюдается и на клеточном, и на субклеточном уровне, в тканях, в органах. Академик РАН Владимир Скулачев предложил называть это явление – феноптоз. Почему в природе у некоторых растений и животных, (бамбук после цветения, лосось после нереста) в расцвете их сил включается программа самоуничтожения? Вряд ли это связано с необратимыми генными мутациями.
Цветущий бамбук / фото: Бондарева Ольга Вероятно, не связано, но таков механизм природы – язык, на котором сообщают о том, что отцветшему бамбуку умереть… Механизм эпигенетический – мутаций здесь нет, а есть быстрые изменения физико-химических свойств хроматина, и важный ген (гены) из работающего становится молчащим. Для такого языка не нужны никакие разрушения – достаточно присоединить или отсоединить химическую группу – метильную, фосфатную, ацетильную – от одного белка к другому.
Достаточно намека…
Есть гипотеза, что рак – это тоже программируемая гибель генетически нестабильного, содержащего невосстановимые поломки ( а значит опасного для эволюции) организма. Все чаще от онкологов можно услышать суждение, что появление полностью трансформированной клетки — лишь вопрос времени. Если так, то рак не болезнь, как и старость, а некий итог развития живой системы. Но ученые предполагают, а футурологи предрекают в будущем победу над раком. И действительно, в конце концов человек давно уже не ждет милости от эволюции. А можно ли победить рак?
Может быть, нельзя победить – рак есть один из механизмов удаления нежизнеспособной особи, наряду с другими типичными патологическими процессами – воспалением, аллергией. Органическая жизнь построена на сменяемости организмов – смерть неизбежна, и необходимы механизмы ее осуществления. Рак – один из таких механизмов. Задача ученых – отдалить смерть, а не избежать ее.
Если между старением и развитием рака существует выраженная связь, а в этом, видимо, уже никто не сомневается, может необходимо расширить фронт борьбы с ним до масштабов борьбы со старением?


Борьба со старением необходима и как часть борьбы с опухолями, и в иных аспектах – это не подлежит сомнению.
Антираковая защита организма построена на апоптозе. Почему после ряда мутаций апоптоз перестает работать? Почему, в какой-то момент организм перестает сопротивляться и начинает помогать опухоли (например, иммунная система)?
Потому что апоптоз, как любой биологический процесс, нарушается при мутациях, и еще потому, что нарушить апоптоз легко можно и без мутаций.
Какова роль группы ферментов цитохрома Р450 в процессе канцерогенеза?
Система цитохрома Р450 защищает клетки от многих токсинов. Канцерогены – это химические яды, и система цитохрома Р450 не справляется с ними, если яда в клетке много. Может ли канцероген специально инактивировать цитохром Р450? Возможно, но в этой области я не специалист.
Можно ли повернуть процесс развития рака вспять?


Иногда можно, например, при лекарственной дифференцировке лейкозов – злокачественных заболеваний кроветворной системы. Действие производных ретиноевой кислоты может вызывать дифференцировку опухолевых клеток. Такая терапия существует, но практическое значение ее ограничено. На практике приходится не поворачивать процесс вспять, а грубо убивать опухолевые клетки.


Нашло ли применение открытие, за которое была присуждена Нобелевская премия 2002 года по физиологии и медицине - открытие генов, единственная функция которых - кодировать белки, которые вызывают самоубийство клеток?


На фото: лауреаты Нобелевской премии 2002 года по физиологии и медицине
1.Сидней Бреннер - президент и директор научно-исследовательского института в Кембридже (Англия). Так же ведет исследования в Институте биологических исследований Салка в Сан-Диего (США).
В постановлении о присуждении премии Ласкера (Albert and Mary Lasker) за 2000 год Бреннер был назван «отцом молекулярной биологии».

2. Роберт Хорвиц - профессор биологии в Массачусетсском технологическом институте (США). В начале своей научной карьеры работал с Джеймсом Уотсоном (James Dewey Watson), одним из первооткрывателей структуры ДНК, впоследствии - основателем и первым руководителем проекта "Геном Человека").


3.Сэр Джон Салстон - британский биолог, член Королевского общества Великобритании. Его лаборатория составила полное описание порядка деления эмбриональных клеток нематоды Caenorhabditis elegans и проследило судьбу абсолютно всех его 959 клеток в процессе развития.

Несомненно. Существование таких белков подтверждает сущностное значение апоптоза в биологии – механизмы этого феномена не случайны, они закодированы в ДНК клетки и вступают в действие при соответствующем сигнале. Без них нет гибели.
Недавно американские исследователи из Медицинского института имени Альберта Эйнштейна обнаружили, что небольшой фрагмент внутриклеточного белка p115 активирует апоптоз.
Перед апоптозом p115 распадается на два фрагмента, меньший из которых состоит из 205 аминокислот. По мнению ученых, именно он играет важную роль в процессе гибели клетки, так как его экспрессия приводит к выбросу цитохрома С из митохондрий в цитоплазму клеток, что приводит к их гибели. Ученые надеются, что это открытие может привести к появлению новых препаратов для борьбы с онкозаболеваниями и другими патологиями, для которых характерна избыточная пролиферация клеток.
А на ваш взгляд, какие из новейших открытий в области апоптоза являются ключевыми для медицины и биологии?

фото с сайта http://www.cbio.ru/modules/news/print.php?storyid=3319


На рис. экспрессия небольшого фрагмента белка p115 (показано зеленым) приводит к выбросу цитохрома С (красный) из митохондрий в цитоплазму клеток, что приводит к их гибели.
http://www.cbio.ru/article.php?storyid=3319

На подобном явлении основаны новые подходы к терапии пролиферативных заболеваний – создать условия, при которых собственные белки клетки заработали бы как убийцы. Так, протеолитическое расщепление белка поли(АДФ-рибозо)полимеразы, происходящее при индукции апоптоза, образует его фрагмент, связывающийся с ДНК и препятствующий репарации ее повреждения. Нормальный белок поли(АДФ-рибозо)полимераза, необходимый для заживления повреждений ДНК, становится губительным для клетки.

К новейшим открытиям, получающим сейчас важное практическое применение для регуляции клеточной гибели, следует отнести доказательство возможности подавления конкретного гена в клетке и целом организме за счет введения так называемых коротких шпилечных антисмысловых РНК.


Технология «молчащих» генов (сайленсинг генов), когда связывание коротких двунитевых молекул РНК с регуляторной последовательностью гена-мишени позволяет остановить процесс синтеза в этом гене.
Перспективная векторная (вирусная) генотерапия.
Эти инструменты – продукт многолетнего сотрудничества химиков и биологов - позволяют добиться длительного выключения генов. Если продукты таких генов важны для жизнеспособности клетки, мы индуцируем гибель с минимальными побочными эффектами. Последнее особенно важно в онкологической клинике – нередко химиолучевое лечение переносится больными тяжелее, чем сама болезнь…Стандартные лекарства пока плохо разбирают, какие клетки уничтожать и какими способами. Генная же терапия может быть и эффективнее, и побочные явления лечения могут быть уменьшены.

Несомненно, плодотворным, хотя и наталкивающимся на ряд трудностей, является концепция мишень-направленной - таргетной - (от англ.в target - цель, мишень) терапии опухолей.
рис. с сайта http://images.google.ru/imgres?imgurl=http://www.expert.ru/schemes/expert/2006/46/schemes200669.jpg&imgrefurl=http://www.expert.ru/printissues/expert/2006/46/borba_s_rakom/&usg=__6bRyfCfprIJVW-mceJxhArBinoc=&h=790&w=500&sz=64&hl=ru&start=2&tbnid=dH5l4qu077ZUnM:&tbnh=143&tbnw=91&prev=/images%3Fq%3D%25D1%2582%25D0%25B0%25D0%25BA%2B%25D0%25BF%25D1%2580%25D0%25B5%25D0%25BA%25D1%2580%25D0%25B0%25D1%2589%25D0%25B0%25D0%25B5%25D1%2582%25D1%2581%25D1%258F%2B%25D0%25B0%25D0%25B3%25D1%2580%25D0%25B5%25D1%2581%25D1%2581%25D0%25B8%25D0%25B2%25D0%25BD%25D0%25BE%25D0%25B5%2B%25D0%25B4%25D0%25B5%25D0%25BB%25D0%25B5%25D0%25BD%25D0%25B8%25D0%25B5%2B%25D0%25BA%25D0%25BB%25D0%25B5%25D1%2582%25D0%25BE%25D0%25BA%26hl%3Dru%26newwindow%3D1 На рис.  действие препарата Герцептин – (производство компании Roshe / Швейцария). Создан на основе антител, способных блокировать белки-рецепторы HER2.
Тормозит развитие опухоли.
Стабилизирует состояние пациента.
Сокращает период химиотерапии.



(рис. увеличивается при нажатии на него курсором)

«Эксперт» №46 (540)
11 декабря 2006









Отдельные лекарства, созданные для инактивации конкретной мишени (белка) в опухолевой клетке, высоко эффективны и хорошо переносятся при продолжительных курсах лечения (примеры – Гливек, Иресса).


Ваша лаборатория занимается исследованиями стратегий направленного воздействия на пути инициации и реализации гибели опухолевых клеток. Как далеко удалось продвинуться в решении этих задач?
Специалистами нашей лаборатории были установлены механизмы гибели опухолевых клеток при действии новых препаратов, создаваемых в России. В частности, выявлен механизм, при котором удается обойти лекарственную устойчивость опухолевых клеток: новые химические соединения преодолевают барьер, в других ситуациях препятствующий попаданию лекарств в клетку.
Кроме исследований роли химических соединений в перепрограммировании клеток в раковые и в гибели онкоклеток, вы занимаетесь выяснением молекулярных механизмов клеточной гибели. Что в этих механизмах остается невыясненным? На какие вопросы ученым еще предстоит ответить?


Важно придумать, как не вызывать апоптоз в неопухолевых клетках. Убить клетку не проблема, проблема в том, как защитить здоровую…
Ведутся ли в вашей лаборатории работы по изучению механизмов киллерной функции раковой клетки? Возможно ли, в принципе, блокировать гибельную для организма активность раковой клетки и ее воздействие на нормальные ткани?


Возможно и необходимо. Появились средства инактивации фактора некроза опухолей – токсина, выделяемого раковой клеткой и обусловливающего разрушение нормальных клеток, своеобразный bystander effect. Эти средства проходят первоначальные клинические испытания.
Вы восемь лет проработали в США. Что отличает российский и западный подходы к борьбе с раком? Известно, что в Соединенных Штатах выделяются значительные средства на борьбу с ним, на профилактику онкозаболеваний. И самый важный результат этих мер - смертность от рака постепенно сокращается.
В России ситуация с онкозаболеваемостью остается сложной. Какие меры могут переломить неблагополучную ситуацию?



Для западного научного стиля характерны стремление к углубленному изучению механизмов, а не только феноменов, полнота представления, благодаря широким междисциплинарным связям, высокая конкуренция за создание важной научной информации.

Смертность от рака продолжает оставаться мировой проблемой, но для отдельных локализаций ситуация улучшилась. Например, стало меньше случаев рака желудка – изменились условия питания, стало безопасным длительное хранение пищевых продуктов с развитием холодильной промышленности, организована антитабачная пропаганда – эти общественные меры, действительно, приносят положительные результаты.

Несомненно, совершенствуется ранняя диагностика онкозаболеваний– сегодня возможно обнаружение новообразований размерами менее 0,5 см.
http://images.google.ru/imgres?imgurl=http://www.researchvegf.com/researchvegf/images/Anti-VEGF-MOA.jpg&imgrefurl=http://www.researchvegf.com/researchvegf/approach/effects/index.m&usg=__QD9j75Sq2wPl6ds8Q7LU0EKz36U=&h=433&w=500&sz=63&hl=ru&start=1&um=1&tbnid=lygotfdl-FaxrM:&tbnh=113&tbnw=130&prev=/images%3Fq%3DVEGF%26hl%3Dru%26lr%3D%26client%3Dfirefox-a%26channel%3Ds%26rls%3Dorg.mozilla:ru:official%26sa%3DG%26um%3D1%26newwindow%3D1 В бюджете США на следующий 2010 финансовый год (начнется в сентябре), не смотря на финансовый кризис, предусматривается увеличение ассигнований на ускорение инноваций в трех отраслях – энергетике, транспорте и здравоохранении.

На инновации в здравоохранении ( прежде всего, в сфере лечения раковых заболеваний) запланировано 10 млрд. долларов – вдвое больше, чем предусмотрено в нынешнем финансовом году.



А улучшить ситуацию в России можно, объединив совместные усилия многих социальных страт и, конечно, финансированием, адекватным столь сложным и важным задачам.

Комментарии

13 марта 2011 в 08:49
 
В одной ТВ-программе услышала, что раковые клетки погибают при температуре тела выше 40 градусов. Так ли это?

Оставить комментарий

Поделиться с друзьями

Share on Twitter