Состояния клеток организма (жизнь, гибель) и некоторые аспекты их регуляции

Клетки различных тканей в структуре органов, имеющие общее происхождение в эмбриогенезе, можно рассматривать как систему сходных взаимосвязанных элементов, «популяцию». В период существования каждой клетки в составе ткани можно выделить два этапа, две стадии, два состояния, отличающиеся по продолжительности во времени, по интенсивности и балансу процессов катаболизма и анаболизма. Продолжительность этих этапов и переход от одного из них к другому для каждой клетки, с одной стороны, предопределено геномом, а с другой стороны, зависит от окружения клетки, от условий ее существования в ткани, от условий существования организма. К условиям существования организма и его клеток можно отнести уровень здоровья, наличие тех или иных заболеваний.

Первое состояние — это жизнь клеток, а второе состояние — это гибель клеток, необратимый процесс разрушения их структуры. Первый этап значительно длительнее второго. В течение жизни в клетке действуют механизмы, обеспечивающие сохранение и воспроизведение ее структуры, а также сохраняется возможность выполнять функцию, специфичную этой клетке. Продолжительность жизни клеток, частота и количество их делений в различных тканях организма неодинаковы. Они зависят, прежде всего, от функционального состояния генов, а оно, в свою очередь, регулируется взаимодействиями с клеткой различных веществ-регуляторов, действующих как сигналы, команды. Динамика взаимодействия клеток с определенными веществами-регуляторами определяет продолжительность периода между делениями клетки; обусловливает переход клеток к делению и дифференцировке; регулирует интенсивность и направленность аутофагии как процесса, обеспечивающего поддержание структуры дифференцированных клеток; а также их переход от жизни к гибели путем апоптоза или некроза.

По способности к делению и продолжительности жизни клетки организма разделяют на три группы. Во-первых, это стабильные клеточные популяции из неделящихся клеток. Число клеток в такой популяции стабилизируется в начале их дифференцировки при эмбриогенезе, большинство из них функционируют в течение всей жизни организма, но многие гибнут в онтогенезе. При старении организма увеличивается интенсивность гибели клеток этих популяций. К таким клеточным популяциям относят нейроны нервной системы и кардиомиоциты сердца. В составе всех тканей, в том числе и имеющих популяции не делящихся в онтогенезе клеток, имеются камбиальные (стволовые) клетки, способные при определенных условиях переходить к делению (пролиферации), дифференцировке. Они заменяют «погибшие» клетки. Так, в нервной системе наличие этих клеток доказано в таких зонах головного мозга, как обонятельная луковица и гиппокамп. Во-вторых, это.

растущие клеточные популяции. Клетки этих популяций, как правило, долгоживущие, способные при определенных условиях к делению, росту, полиплоидизации, к восполнению численности клеток в органе при их гибели и даже к увеличению массы органов, которые формируют эти клетки. Такие популяции клеток образуют почки, печень, поджелудочную и щитовидную железы. В-третьих, это обновляющиеся клеточные популяции. Их клетки постоянно и достаточно часто делятся. Кроме того, эти популяции постоянно пополняются за счет пролиферации и дифференцировки камбиальных клеток. Это клетки эпителия кишечника, эпидермиса, костного мозга и крови. Продолжительность жизни клеток, относящихся к обновляющимся популяциям, не одинакова. Некоторые из них живут несколько месяцев. Например, моноциты и эритроциты — 2—3 мес.; другие, например, клетки эпителия кишечника, — несколько суток или даже несколько часов, как некоторые из лейкоцитов. Периодичность деления клеток разных популяций также различна, например, клетки эпидермиса, эпителия тонкой кишки могут делиться каждые 12—36 часов.

Количество клеток растущих и обновляющихся клеточных популяций в различных тканях регулируется тканеспецифичными веществами-регуляторами — кейлонами. Они образуются зрелыми дифференцированными клетками и действуют на клетки популяции, способные к делению. При уменьшении числа клеток популяции, например в результате поврежения ткани и (или) воспаления, уменьшается концентрация кейлонов, что приводит к увеличению интенсивности митозов клеток этой ткани. По-видимому, интенсивность синтеза этих веществ зависит от плотности контактов соседних клеток. Известно, что в культуре тканей происходит контактное подавление пролиферации, причиной которого считается усиление экспрессии гена р27, кодирующего белок, взаимодействующий с комплексами ферментов, регулирующих клеточный цикл.

В популяциях делящихся клеток действуют механизмы деления (репродукции) клеток и их дифференцировки. Воспроизведение ДНК клетки происходит в ходе митоза соматических и мейоза половых клеток. При митозе клетки сохраняют диплоидность. В диплоидных клетках содержится двойной набор хромосом, то есть в них каждая хромосома генома и гены в ней имеют копии в гомологичной хромосоме. При мейозе образуются гаплоидные гаметы (половые клетки), содержащие только по одной гомологичной хромосоме. Совокупность генов гаплоидного набора хромосом — это геном.

Количество делений клетки зависит от состояния ее хромосомного аппарата, в частности от длины теломер. Теломеры — это 3' -концевые участки каждой молекулы ДНК, состоящие из многократно повторяющейся последовательности нуклеотидов. У человека — это сотни повторов последовательности TTAGGG. При репликации теломерные участки ДНК воссоздаются с помощью фермента теломеразы. В эмбриогенезе во всех клетках организма активность теломеразы высокая. У взрослых людей этот фермент в соматических клетках неактивен. В них после каждого деления теломерный участок укорачивается. С укорачиванием теломер связывают репликационное старение клеток, то есть отсутствие их делений.

Как было показано, в культуре клеток, каждая клетка делится ограниченное количество раз. Причем, несмотря на одинаковые условия содержания культур фибробластов кожи молодого и старого человека, клетки молодого донора делятся большее число раз. Считается, что в организме человека в клетках, способных к делению, ДНК реплицируется не более 50 раз (предел Хейфлика). Вместе с тем обнаружено, что в клетках злокачественных опухолей присутствует активная теломераза. Предполагается, что это является одним из факторов, обусловливающих возможность многократного деления клеток опухоли.

Клетки организма в постэмбриональный период онтогенеза отличаются по активности в них механизма, обеспечивающего деление. Особенностью клеток обновляющихся популяций является многократное повторение совокупности процессов, называемых клеточным циклом. Началом клеточного цикла считается завершение одного деления клетки, а концом — завершение следующего деления.

В клеточном цикле выделяют две стадии, каждая из которых состоит из нескольких фаз. Первая стадия — это интерфаза как период между концом одного митоза и началом следующего митоза. Этот период составляет не менее 90% клеточного цикла. В интерфазе выделяют фазы: G_x (от англ, gap — промежуток), S (от synthesis — синтез) и G₂. Продолжительность Gj-фазы большинства клеток — около 12 часов. Вторая стадия клеточного цикла — это митоз, М-фаза.

У большинства клеток М-фаза длится 30—60 минут. В ней выделяют 5 периодов: профаза, прометафаза, метафаза, анафаза, телофаза.

В период интерфазы в клетке возобновляются и (или) интенсифицируются процессы метаболизма, многие из которых в М-фазу не протекали или происходили с низкой интенсивностью.

В начале Gj-фазы в молодой клетке воссоздается структура материнской клетки, клетка растет, и в ней увеличивается число органоидов. Это обеспечивается интенсивным процессом биосинтеза различных белков, в том числе и белков-активаторов следующей фазы клеточного цикла — S-фазы.

У многих клеток на этом этапе гены, обеспечивающие клеточную пролиферацию (деление), не экспрессируются. В этом случае говорят о приостановке клеточного цикла и переходе клетки в Gg-фазу. В течение Go-фазы заканчивается дифференцировка клетки в соответствии с ее специализацией в ткани органа, где эта клетка расположена. Клетки стабильных клеточных популяций организма, такие как нейроны и кардиомиоциты, находятся в С₀-фазе в течение длительного времени (десятилетия), клетки печени могут находиться в С₀-фазе в течение нескольких месяцев, а затем уходить в С_гфазу и продолжать клеточный цикл. Кроветворные клетки, базальные клетки эпидермиса и тонкой кишки могут входить в клеточный цикл каждые 12—36 ч.

Во время S-фазы происходит такой энергоемкий процесс, как удвоение (репликация) ДНК. Для обеспечения этого процесса большинству клеток требуется около 8 ч. После удвоения в ядре ДНК клетки начинается G₂ — фаза.

В течение С₂-фазы происходит окончательная подготовка клетки к делению. Синтезируются и активируются путем фосфорилирования ферменты и другие белки, необходимые для протекания М-фазы.

В профазе М-фазы в клетке происходят следующие события: распадается ядрышко, происходит конденсация хромосом, что связано с фосфорилированием гистона Н_х, образуется веретено деления, и распадается ядерная оболочка.

Основное событие прометафазы — это прикрепление кинетохоров хромосом к микротрубочкам веретена деления. В метафазе хромосомы выстраиваются на экваторе клетки. Этот процесс занимает значительную часть времени М-фазы. В анафазе происходит перемещение хромосом к полюсам клетки и начинается цитокинез — распределение органоидов между дочерними клетками. В телофазе дефосфорилируется гистон Н₁₅, деконденсируются хромосомы, завершается цитокинез, и клетка переходит в Gj-фазу. Таким образом, клеточный цикл — это период времени от завершения телофазы одной М-фазы до завершения телофазы следующей М-фазы.

В организме человека, как и в других многоклеточных эукариотических организмах, размножающихся половым путем, имеется популяция клеток, в которой происходит деление путем мейоза. Этот способ деления обеспечивает образование половых клеток — гамет, имеющих, в отличие от соматических клеток, редуцированный, уменьшенный вдвое гаплоидный набор хромосом. Гаметы образуются из герминативных диплоидных клеток зародыша, которые на определенной стадии онтогенеза превращаются в гениальные (оогонии и сперматогонии), приступающие к мейозу. В ходе этого способа деления клетки проходят два клеточных цикла.

В первом из них происходит репликация ДНК и удвоение хромосом. В этом клеточном цикле осуществляется процесс кроссинговера — обмен участками между гомологичными хромосомами. Этот процесс обеспечивает некоторые отличия генома гамет от генома соматических клеток, а также генома потомков от генома родителей.

Затем после короткой интерфазы следует второй клеточный цикл, отличающийся тем, что в нем ДНК не реплицируется и соответственно не удваивается количество хромосом. В результате во вновь образующиеся клетки-гаметы попадают разные гомологичные хромосомы из каждой пары диплоидного набора. При этом у млекопитающих особи мужского пола гетерогаметны, то есть у них образуются гаметы, несущие или мужскую Y-хромосому, или женскую Х-хромосому. Особи женского пола гомогаметны, у них образуется один тип гамет, которые содержат женскую Х-хромосому. У человека гаметы несут 23 хромосомы, из них одна половая.

При оплодотворении ооцита (яйцеклетки) сперматозоидом образуется диплоидная зигота, из которой развивается многоклеточный организм, соматические клетки которого имеют двойной набор гомологичных хромосом. У человека диплоидные соматические клетки несут 46 хромосом.

В период жизни клетки в ней протекает процесс аутофагии (автофагии), в ходе которого в клетке выявляются поврежденные или «состарившиеся» молекулы белков и органоиды клетки. Вокруг них образуется мембранный комплекс — аутофагосома. Он изолирует структуры клетки, подлежащие уничтожению, и доставляет их в лизосому, где их молекулы подвергаются ферментативному гидролизу. Таким способом, в частности, уничтожаются митохондрии, поврежденные АФК, что предотвращает включение программы апоптоза.

Предполагается, что аутофагия, во-первых, обеспечивает клетку эндогенным строительным материалом, так как продукты гидролиза используются для поддержания структуры клетки при дефиците экзогенных веществ, например, при голодании. Во-вторых, аутофагия продляет жизнь клетки, уничтожая поврежденные молекулы и органоиды. При снижении интенсивности аутофагии в клетке запускается программа апоптоза.

Состояние жизни большинства клеток организма завершается периодом старения (сенессенс, senescence). Репликационное старение, то есть неспособность клетки к репликации ДНК, как упоминалось, связывают с инактивацией у взрослых фермента теломеразы.

Кроме того, есть гипотезы, объясняющие старение клеток до исчерпания ими репликационных резервов. Считается, что причиной старения клеток является утрата способности противостоять окислительным повреждениям биомолекул: липидов, белков, нуклеиновых кислот. Одной их причин этого может быть уменьшение интенсивности биосинтеза ферментов, разрушающих активные формы кислорода. Морфологические признаки старения клеток — это увеличение размеров и числа лизосом, сопровождаемое редукцией других органелл клетки, уменьшение объема клетки, увеличение проницаемости клеточной мембраны, накопление в клетках пигментных и жировых включений, вакуолизация цитоплазмы.

От состояния жизни после стадии старения или минуя ее клетки организма переходят к состоянию гибели. Баланс гибели клеток организма и их пролиферации (размножения) регулируется и обеспечивает возможность обновления клеток различных органов при относительном постоянстве их количества.

Два основных способа гибели клеток — это апоптоз и некроз. В настоящее время выделяют несколько видов апоптоза, в том числе и некроптоз, которые в данной работе не рассматриваются. Считается, что запуск в какой-либо клетке (группе клеток) механизма апоптоза не приводит к резким изменениям в окружении клетки, не наносит вреда соседним клеткам ткани и организму в целом, в то время как некроз, как правило, сопровождается попаданием в межклеточную среду продуктов распада погибшей клетки и реакцией воспаления.

Апоптоз — это активный процесс, требующий больших затрат энергии, главным образом на процессы биосинтеза различных белков, в том числе и специфичных ферментов, участвующих в нем. Апоптоз называют программируемой смертью клеток из-за того, что во всех клетках млекопитающих имеются гены, кодирующие белки, необходимые для организации процесса самоуничтожения клетки. Эти гены постоянно (конститутивно) экспрессируются, то есть в клетке всегда в некотором количестве присутствуют в неактивной форме их продукты — различные белки.

Гибель клеток путем апоптоза у здоровых индивидов происходит на всех этапах онтогенеза, интенсивность этого процесса увеличивается при некоторых патологиях. Эмбриональный период сопровождается интенсивным образованием клеток в эмбриональных зачатках различных органов. При этом приобретение органом его формы в ходе органогенеза сопровождается апоптозом огромного количества клеток. Так, при формировании нервной системы в разных ее участках путем апоптоза уничтожаются до 40—85% нейронов. Этот процесс происходит также при образовании просвета в полых органах, формировании дистальных участков конечностей — пальцев рук и ног. Апоптоз стареющих дифференцированных клеток в тканях или клеток, измененных в результате воздействия на организм повреждающих факторов умеренной интенсивности, происходит постепенно, и, как правило, эти погибающие клетки расположены в ткани диффузно. Это обеспечивает возможность нормального функционирования тканей различных органов в ходе онтогенеза.

В период старения организма при снижении интенсивности действия гормонов, стимулирующих функциональную активность какоголибо органа, численность его клеток постепенно уменьшается за счет их апоптоза. Это приводит к инволюции зрелых тканей и атрофии органов. Например, при прекращении лактации уменьшается количество клеток в молочной железе, а после удаления гипофиза или снижения его секреторной активности вследствие старения организма интенсивно происходит апоптоз в периферических эндокринных железах: щитовидной железе, корковом слое надпочечников, гонадах, что является причиной их атрофии. Апоптоз также усиливается при некоторых заболеваниях: СПИДе, нейродегенеративных заболеваниях, например при болезни Альцгеймера.

Переход клетки к состоянию гибели путем апоптоза, или программируемой смерти клеток, может происходить из-за различных причин. Клетки самоуничтожаются в том случае, если их ДНК сильно повреждена и система ее репарации не может устранить эти повреждения в период интерфазы, а также при повреждении митохондрий активными формами кислорода.

Апоптоз также инициируется при отсутствии взаимодействия клетки с веществами-регуляторами, называемыми ростовые факторы и при связывании с ее рецепторами определенных веществ — регуляторов, например цитокина фактора некроза опухоли.

Морфологическими признаками апоптоза являются уплотнение ядра, конденсация хроматина, сморщивание и уменьшение объема цитоплазмы, но при этом органеллы сохраняют свою целостность. Одним из признаков апоптоза является переход фосфатидил серина из внутреннего слоя липидов мембран клеток во внешний слой. Клетка утрачивает на своей поверхности специализированные структуры и отделяется от соседних клеток.

Форма клетки изменяется, образуются выпячивания, которые отделяются («отшнуровываются») в виде так называемых апоптозных тел, имеющих круглую или овальную форму. Они содержат органеллы, фрагменты ядра и цитоскелета, окруженные мембраной. Некоторые клетки сморщиваются целиком и трансформируются в одно апоптозное тело.

Соседние клетки и находящиеся в ткани фагоциты (макрофаги) захватывают апоптозные тела путем фагоцитоза и гидролизуют их.

Появлению морфологических признаков апоптоза предшествуют процессы его подготовки, длящиеся около 12 часов. В этот период в клетке синтезируются ферменты, необходимые для ее структурных изменений, это латентный период апоптоза. Некоторые клетки, войдя в латентный период апоптоза, не гибнут, так как в них активируются «гены-спасители», например bcl-2, и увеличивается интенсивность процесса аутофагии.

Период от появления первых морфологических признаков апоптоза в виде конденсации хроматина до полного лизиса апотозных тел длится от нескольких минут до нескольких часов. Этот способ гибели клеток и их элиминация (от лат. eliminere — удаление, устранение) не сопровождается воспалительной реакцией, что отличает апоптоз от такого способа гибели клеток, как некроз.

Действие на организм или отдельные органы сильных повреждающих факторов вызывает переход клеток к состоянию гибели путем некроза. Некроз — это массовая внезапная гибель клеток, сопровождающаяся воспалительной реакцией в месте их гибели.

Морфологические изменения клетки при некрозе — это набухание цитоплазмы и органоидов, прежде всего митохондрий, расширение цистерн эндоплазматического ретикулума, дисперсия, неупорядоченное распределение рибосом в клетке. Считается, что повреждающие факторы, вызывающие некроз, чаще являются внешними. Среди них можно выделить физические, химические и биологические факторы, такие как инфекция и инвазия. Следствием их действия могут быть механические и химические травмы, гиперили гипотермия, гипоксия, действие ядовитых веществ, попавших в организм из среды, в том числе веществ растительного и животного происхождения, а также действие токсинов микроорганизмов.

Внутренними факторами, вызывающими некроз, может быть действие метаболических ядов или гипоксия, обусловленная ишемией, например, вследствие сужения сосудов или их закупорки из-за образования тромбов, а также механическое повреждение тканей сосудов, например, при инсультах головного мозга или при инфаркте миокарда.

Регуляция перехода клетки от одного состояния к другому, т. е. регуляция продолжительности жизни клетки и регуляция ее перехода от жизни к гибели, осуществляется как веществами, образующимися в самой клетке в ходе ее жизнедеятельности (ферментами, регуляторными белками), так и веществами, синтезированными в других клетках организма, то есть веществами-регуляторами. Это химические сигналы системы саморегуляции организма: цитокины, тканевые гормоны, гормоны ЖВС. Управление состоянием клеток организма — это процесс, включающий в себя взаимодействие с геномом клеток регуляторных белков, факторов транскипции, усиливающих (амплификаторов) или ослабляющих (сайленсеров) интенсивность транскрипции определенных генов, кодирующих информацию о белках («продуктах» этих генов) и их активаторах, обеспечивающих переход клетки от одного состояния к другому. Регулируется продолжительность различных фаз клеточного цикла, переход клеток к дифферецировке, регулируется уровень функциональной активности специализированных клеток, а также переход клетки к апоптозу.

Среди генов клетки, белковые продукты которых участвуют в регуляции ее переходов к различным состояниям, выделяют протоонкогены и антионкогены. Активность протоонкогенов обеспечивает возможность периодического «развертывания» клеточного цикла. К этой группе относят более 50 генов. Продукты экспрессии этих генов — это белки-регуляторы клеточного цикла, которые действуют как в клетке, где экспрессируются эти гены, так и за ее пределами, а также белкирецепторы веществ-регуляторов, белки систем-посредников (вторичные «мессенджеры») веществ-регуляторов, в том числе и белки — активаторы транскрипции этих генов.

Антионкогены — это небольшая группа генов (известно около десяти антионкогенов), продукты которых подавляют экспрессию протоонкогенов, в результате чего приостанавливается клеточный цикл и (или) запускается апоптоз.

Вещества-регуляторы, управляющие «развертыванием» клеточного цикла, называют ростовыми факторами. Они относятся к разным регуляторным системам организма. Одни ростовые факторы, взаимодействуя с рецепторами клеток-мишеней, усиливают рост и функциональную активность клеток как находящихся в Gg-фазе, так и в других стадиях интерфазы. Например, соматотропный гормон гипофиза стимулирует во всех клетках организма биосинтез различных белков, а такой цитокин, как фактор роста нервов (нейронов) (ФРН (NGF)), обеспечивает рост отростков нейронов, процесс, при котором также интенсифицируется биосинтез белка. Другие ростовые факторы, называемые митогенами, способствуют пролиферации (делению) клеток. Как правило, они тканеспецифичны. Предполагается, что клеточный цикл каждой из клеток регулируется несколькими ростовыми факторами.

Например, цитокин, фактор роста тромбоцитов (ФРТ (TGF)), способствует пролиферации клеток соединительной ткани; эпителиальный фактор роста (ФРЭ (EGF)) — эпителиальной ткани. К ростовым факторам относят также инсулиноподобные факторы роста (ИПФР (IGF_S)), фактор роста фибробластов (ФРФ (FGF)), колонийстимулирующие факторы (КСФ (CSF)), интерлейкины (ИЛ (IL)) -1, -2, -3. Тканевый гормон почек эритропоэтин стимулирует пролиферацию предшественников эритроцитов.

Взаимодействие митогенов с их клетками-мишенями приводит к активации группы генов, именуемых генами раннего ответа (immediate ealy genes — IEGs). Их индукция происходит очень быстро. Это, например, ген c-fos, c-myc, c-jun. Их белковые продукты, как правило, являются активаторами транскрипции другой группы генов — генов отложенного ответа. Трансляция и-РНК, образовавшейся после транскрипции генов отложенного ответа, обеспечивает появление в клетке белков, которые организуют переход клетки к различным фазам клеточного цикла.

Активация генов отложенного ответа приводит к появлению в клетке белков, регулирующих клеточный цикл. Это регуляторные белки циклины (Ц (С)), которых у млекопитающих известно 7, и ферменты — циклинзависимые протеинкиназы (ЦЗП, CDK — cyclin dependent kinases). В каждой фазе клеточного цикла концентрация нескольких из циклинов постепенно возрастает от минимальных до максимальных значений и вновь убывает до минимальных. При изменении концентрации циклинов изменяется активность ЦЗК, так как они активны только в комплексе с циклинами.

Комплексы ЦЗК-Ц одной фазы клеточного цикла активируют различные белки. Это прежде всего факторы, которые активируют транскрипцию генов, белковые продукты которых обеспечивают запуск последующих фаз клеточного цикла и, как правило, инактивируют регуляторные белки предыдущей фазы цикла, т. е. в С₁-фазу запускается каскад комплексов ЦЗП-Ц. Он действует в течение последующих фаз интерфазы и в 3 первых периода М-фазы. Действие этого каскада резко прерывается в середине анафазы М-фазы.

При описании регуляции клеточного цикла различные ЦЗК нумеруются, а циклины — обозначаются буквами.

Взаимодействие клетки с митогенами приводит к тому, что, начиная середины С_гфазы, в клетке возрастает концентрация циклина Д, увеличивающего активность ЦЗП2. Через некоторое время циклин Д начинает активировать также ЦЗП4 и ЦЗП5 (6).

В последней трети 02-фазы ЦЗП2 активируется циклином Е. Концентрация комплекса ЦЗП2-Ц_Е достигает максимума ближе к концу 02-фазы. В это же время концентрация других комплексов, активированных ранее циклином Д, т. е. комплексов ЦЗП2-Ц₀, ЦЗП4-Ц₀, ЦЗП5(6)-Ц₀, приходит в минимум.

Как упоминалось, комплексы ЦЗК-Ц активируют (фосфорилируют) факторы транскрипции генов, необходимых для обеспечения S-фазы. В конце 02-фазы начале S-фазы концентрация всех комплексов, действующих в 02-фазе, достигает минимума, и в начале S-фазы появляется комплекс ЦЗП2-Ц_А-И, где И — ингибитор комплексов 02-фазы. Ингибитор фосфорилируется комплексами 02-фазы и отсоединяется от комплекса ЦЗП2-Ц_А, в результате чего этот комплекс S-фазы ЦЗП2-Ц_А активируется, а ингибитор присоединяется к комплексам 02-фазы и инактивирует их.

Активность комплекса S-фазы возрастает достаточно быстро и остается фактически постоянной в течение всей этой фазы, плавно спадая до минимума в ее конце. В конце S-фазы появляется комплекс ЦЗК1 (2) и циклина В. Комплекс ЦЗК1(2)-Ц_В является фактором, стимулирующим митоз (ФСМ (MPF — mitosis promoting factor)). Его концентрация возрастает в течение всей 0₂-фазы, а также в ходе М-фазы: в течение профазы, прометафазы и метафазы.

Этот комплекс, в состав которого входит циклин В, последовательно фосфорилирует определенные белки. Концентрация комплекса ЦЗК1(2)-Ц_В достигает максимума в середине анафазы, а затем резко падает. Это связано с действием комплекса активации анафазы (КАА, АРС — anaphase promotion complex), синтезированным еще в профазе.

Компонентами КАА являются белок убиквитин и система взаимосвязанных с ним ферментов. Регуляторный белок убиквитин, соединяясь с различными белками клетки, маркирует их. «Помеченные» убиквитином (убиквитинированные) белки захватываются протеосомами — комплексами, состоящими из ферментов и РНК. Они гидролизуют белки на низкомолекулярные пептидные фрагменты, расщепляемые до аминокислот цитоплазматическими пептидазами. Полиубиквитинирование — это способ деградации циклинов на всех фазах клеточного цикла.

До середины анафазы КАА (АРС) не активен. Его активация совпадает по времени с максимумом концентрации комплекса ЦЗК1(2)-Ц_В. Убиквитинирование циклина В приводит к резкой инактивации этого комплекса в середине анафазы. Одновременно с этим происходит десятикратное повышение в клетке концентрации Са²⁺. Это обеспечивает действие актомиозинового комплекса цитоскелета и перемещение хромосом к полюсам клетки со скоростью, приблизительно равной 1 мкм/мин, т. е. инактивация комплекса ЦЗК1(2)-Ц_В инициирует расхождение хромосом, а цитокинез, следующий за этим событием, приводит к завершению митоза.

В течение всего клеточного цикла в клетке происходит контроль состояния ДНК. В зависимости от периода выявления неустраняемых.

(нерепарируемых) повреждений ДНК выделяют четыре регуляторные точки клеточного цикла. Первая регуляторная точка — это Gj-фаза. В этом периоде основным регулятором является белок Р53. Его ген р53 конститутивно экспрессируется в течение всего клеточного цикла, но нестабильный белок Р53 легко разрушается.

Если в С_гфазе выявляются повреждения ДНК, то Р53 стабилизируется, присоединяется к этой ДНК и накапливается в ядре клетки. Это приводит к стимуляции экспрессии гена р21 и других генов семейства, в которое входит этот ген, например р27, р57. Белок — продукт этого гена (и продуктов некоторых других генов этого семейства) ингибирует комплексы ЦЗК-Ц. В результате происходит задержка клетки в 02-фазе. Эта задержка предотвращает возможность копирования поврежденных участков ДНК в S-фазу до репарации ДНК.

Кроме того, белок Р53 связывается с регуляторными последовательностями многих генов, участвующих в регуляции клеточного цикла, блокируя экспрессию этих генов.

Следствием увеличения в клетке концентрации белка Р53 является запуск апоптоза.

В клетках метастазов раковых опухолей оба аллеля р53 не активны, что приводит к размножению клеток, имеющих поврежденную ДНК.

Задерживать клетку в 02-фазе также может белок Rb (белок ретинобластомы). Он может образовывать комплекс с белками, относящимися к семейству E₂F. Эти белки являются факторами транскрипции многих генов, участвующих в инициации синтеза ДНК. Присоединение к промоторам этих генов комплекса белков Rb-E₂F приводит к подавлению транскрипции данных генов. Белок Rb ингибируют ЦЗК-зы, которые осуществляют его гиперфосфорилирование. Предполагается, что белок Р53 может инициировать транскрипцию гена rb.

Таким образом, белки Р53 и Rb, препятствуя делению клеток различных тканей организма, являются супрессорами опухолей, а кодирующие их гены р53 и rb — это антионкогены.

Вторая регуляторная точка — это точка S-фазы, связанная с проверкой точности репликации ДНК. Наличие ошибок в процессе репликации, пропущенных репаративными ферментами, приводит к задержке клетки в S-фазе. Третья точка — это выявление повреждений ДНК в 0₂-фазе, что приводит к быстрому разрушению фактора, стимулирующего (ФОМ) — комплекса ЦЗК1(2)-Ц_В и блокирует возможность перехода клетки к М-фазе. Четвертая точка регуляции клеточного цикла также связана с ФОМ. Если он разрушается преждевременно, то хромосомы не расходятся к полюсам клетки.

В настоящее время известны несколько регуляторных генов, белковые продукты которых могут ингибировать активность комплексов ЦЗК-Ц и препятствовать делению клеток. Это семейство белков, продуктов генов р21 (р21, р27, р57), р15 и р16. Белок Р21 активируется в стареющих клетках и ингибирует ЦЗК в различных комплексах ЦЗК-Ц, он может блокировать субъединицу ДНК-полимеразы и, возможно, другие ферменты и этим препятствовать репликации ДНК, кроме того, Р21 участвует в апоптозе.

Белок Р27 также взаимодействует с различными комплексами ЦЗК-Ц, инактивируя их. Установлено, что межклеточные контакты в ткани активируют экспрессию гена р27.

Белки Р15 и Р16 ингибируют связывание ЦЗК4 и ЦЗК6 с циклином Д.

Таким образом, в течение клеточного цикла в клетке действует система контроля, обеспечивающая высокую точность репликации и распределения генетического материала между дочерними клетками.

Нарушение регуляции клеточного цикла является причиной онкологических заболеваний. Вместе с тем известно, что некоторые вещества-регуляторы, в частности мелатонин, выделяемый эпифизом и секреторными клетками ЖКТ, а также предшественник эйкозаноидов арахидоновая кислота замедляют рост злокачественных опухолей.

При низкой концентрации митогенов или отсутствии рецепторов, лигандами которых они являются, клетка переходит в фазу G₀, а затем в ней включается программа апоптоза. Запуск в клетке апоптоза сдерживается, в частности, продуктами гена bcl-2 — белками Вс1−2, локализованными на мембране митохондрий.

В апоптозе выделяют три стадии: индукторную, эффекторную и стадию деградации. Процессы, протекающие в индукторную стадию, зависят от причин, вызывающих апоптоз. Независимо от начальных этапов «ключевое» событие апоптоза — это активация в клетке гидролитических ферментов каспаз.

В настоящее время известно 14 каспаз. Эти ферменты являются цистеиновыми эндопротеазами, т. е. в их активном центре имеется молекула цистеина. В молекулах белков каспазы расщепляют пептидные связи, находящиеся после аспаргиновой кислоты. Каспазы синтезируются в клетках конститутивно в виде прокаспаз.

Различают инициирующие каспазы (8, 9, 2, 12) и эффекторные (3, 6, 7). Они локализованы в разных компартментах клетки. Например, каспаза 12 — в эндоплазматической сети.

Активация инициирующих каспаз 8 и 9 происходит посредством их соединения с кофакторами. Таким кофактором для каспазы 8 является FADD СFas-assosiated protein with death domain) при участии домена DED (death effector domain) — участка молекулы каспазы 8.

В активации прокаспазы 9 участвует Apaf-1, и CARD-домен (CARD — caspase activation and recruitment domain). Этот домен также имеется в каспазах 8, 2, 10.

Инициирующие каспазы обеспечивают образование эффекторных каспаз из их прокаспаз. Образование эффекторных капаз приводит к необратимости апоптоза. Результатом действия каспаз является гидролиз различных белков клетки и их фрагментация. В апоптозе также участвуют эндонуклеазы, фрагментирующие ДНК. Они активируются ионами Са²⁺.

В последние годы были открыты ферменты, ингибирующие каспазы, — это ингибиторы апоптоза IAP Ungibitor of Apoptosis Protein). Одни из них вызывают взаимодействие каспаз с убиквитином, приводящее к их деградации, другие подавляют ферментативную активность каспаз.

Еще одна группа ферментов, имеющих отношение к апоптозу, — это гранзимы. Данные ферменты являются сериновыми протеазами лимфоцитов. Предполагается, что при соединении этих клеток иммунной системы с их мишенями, трансформированными или инфицированными клетками, лимфоциты выделяют белки порины.

Порины перфорируют мембрану клетки-мишени, образуя в ней поры, а через поры в клетку-мишень из лимфоцитов поступают гранзимы. Детали механизма индукции апоптоза гранзимами еще не изучены. Предполагается, что гранзимы или (и) сами гидролизуют белки клетки-мишени, в том числе и гистоны, с которыми связана ДНК, или активируют каспазы.

В реализации программы апоптоза большое значение имеют белки семейства Bel. Известны более 20 генов, кодирующих белки этого семейства. В нем выделяют три класса. Белки, относящиеся к первому классу, ингибируют апоптоз. Это Bcl-2, Bcl-XL, Вс1−2А1(А1). Белки второго класса этого семейства, такие как Вах, Вак, Вок и другие, способствуют апоптозу. Третий класс белков — ВЬЗ-onlyBad, в который входят белки Bik, Bid, Hrk и другие, могут соединяться с белками первого класса и блокировать их протовоапоптозное действие, т. е. белки этого класса также способствуют развитию программы апоптоза.

Внутренними факторами, инициирующими апоптоз, являются значительные повреждения митохондрий и ДНК. Повреждение митохондрий активными формами кислорода, которые в большом количестве могут образовываться в митохондриях при «рассогласовании» процессов окисления и фосфорилирования, также может приводить к их набуханию и разрыву мембран митохондрий с последующим выходом в цитозоль цитохромоксидазы С и развертыванием программы апоптоза. Апоптоз также инициируется повреждениями ДНК, которые система репарации ДНК устранить не может.

При выявлении повреждений генома, например, из-за окисления белков и нуклеиновых кислот нуклеопротеинового комплекса ядра активными формами кислорода, происходит усиление экспрессии гена р53 и резкое увеличение концентрации белка Р53. Как упоминалось, этот белок способен связываться с молекулой ДНК и регулировать восстановление ее структуры. Вместе с тем, при сильных, неустранимых повреждениях ДНК белок Р53 запускает программу апоптоза. При инициации программы апоптоза белок Р53 активирует транскрипцию других генов — р21, р15, р16. Белки-продукты этих генов ингибируют интерфазные комплексы ЦЗП-Ц, главным образом, в Gj-фазу интерфазы, т. е. в клетке не может начаться S-фаза и следующие фазы клеточного цикла.

Кроме того, белок Р21 является фактором транскрипции гена Ьах. Его продукт белок Вах локализован на внешней мембране митохондрий так же, как белки Вс12 и Apaf-1. Белок Вс12 ингибирует Apaf-1, и препятствует взаимодействию с мембраной митохондрий белков, вызывающих апоптоз.

Предполагается, что белок Bad в нефосфорилированной форме может сам проникать в митохондрии и вызывать выход цитохромоксидазы С в цитозоль. Вместе с тем чаще он сначала образует комплекс с Вс12. Этот комплекс белков Bcl2-Bad активирует белки Вах и Вак. Их активация вызывает поступление в матрикс митохондрий ионов, что сопровождается их набуханием и выходом из митохондрий в цитозоль белков, активирующих каспазы: цитохрома С и DIABLO (SMAK).

Цитохром С в цитозоле образует комплекс с белком Apaf-1, активирующий эффекторную прокаспазу 9. Активная каспаза 9, в свою очередь, активирует эффекторную каспазу 3, необходимую для образования апоптосом. Эти белковые структуры активируют другие капазы, вызывающие гидролиз биополимеров клетки и фрагментирование ее органоидов.

Инициация апоптоза может происходит из-за различных внешних причин. Например, его вызывает отсутствие взаимодействия клетки с ростовыми факторами. Так, взаимодействие клетки с ростовыми факторами — митогенами приводит к фосфорилированию белка Bad и он не может взаимодействовать с Bel. Если ростовых факторов или их рецепторов у клетки недостаточно, то белок Bad не фосфорилируется и образует комплекс с белком Вс12. Этот комплекс Bcl2-Bad, как уже упоминалось, активирует белки Вах и Вак, которые увеличивают проницаемость внешней мембраны митохондрий, что приводит к выходу из них белков, участвующих в апоптозе.

Запуск апоптоза может также происходить при взаимодействии с клеткой некоторых веществ из окружения клетки. Это вещества лиганды (L) группы рецепторов, называемых рецепторами смерти. Такими рецепторами являются FAS рецептор (CD-95, APOl (apoptosis)), а также белки семейства DR (DR — death receptors), например DR-3 (АРО-3), DR-4.

FAS рецептор ® принадлежит к семейству рецепторов фактора некроза опухолей (ФНО (TNF — tumor necrosis factor)). Присоединение к рецептору лиганда, например цитокина ФНО, приводит к образованию комплекса лиганд-рецептор. Затем цитозольный домен рецептора присоединяет кофактор FADD. Этот комплекс превращает прокаспазу 8 в активную каспазу 8. Она активирует эффекторные каспазы 3, 6, 7, что приводит к развертыванию программы гибели клетки без участия белков Bel.

В некоторых клетках, например гепатоцитах, каспаза 8 активирует белок Bid, относящийся к третьему классу белков этого семейства. Он способствует апоптозу. Проникая в митохондрии, Bid вызывает выход цитохромоксидазы С, что приводит к активации прокаспазы 9, которая активирует эффекторные прокапазы 3, 6, 7.

Запуск апоптоза через FAS-R является основным при взаимодействии с клетками организма таких лейкоцитов, как Т-килеры и NK-клетки, вырабатывающих FAS-L. Этот путь инициации апоптоза имеет большое значение в регуляции численности самих лейкоцитов, которые и экспрессируют на своей мембране FAS-R.

Известно, что повышение в клетке концентрации ионов Са²⁺ способствует запуску апоптоза, и соответственно снижение концентрации Са²⁺ может препятствовать апоптозу. Это отчасти связывают с тем, что ионы Са²⁺ активируют эндонуклеазу, расщепляющую ДНК. Повышать концентрацию этих ионов могут вещества-регуляторы, активирующие фосфолипазу С и приводящие в действие фосфоинозитольную систему. Такие вещества каскада арахидоновой кислоты, как циклопентеновые простагландины, также стимулируют апоптоз и подавляют пролиферативную активность клеток. Обнаружено, что апоптоз индуцируют эндогенные и экзогенные NO-радикалы.

Ингибируют апоптоз ионы Zn²⁺. Обнаружено, что апоптоз подавляют вирусы, белки которых сходны с ключевыми белками, управляющими состоянием клеток. Например, с Вс1−2 сходен белок вируса ЭпштейнаБара, с которым связано такое заболевание, как мононуклеоз. Поэтому этот вирус так же, как Вс1−2, может ингибировать Apaf-1, предотвращать апоптоз и способствовать делению клеток. Вирус папилломы человека, являясь ингибитором белка Р53, также препятствует развитию программы апоптоза.

Таким образом, в организме период существования каждой из клеток генетически детерминирован, но зависит от ее «внутреннего состояния» и окружения. Переход клетки от одной фазы клеточного цикла к другой и от жизни к гибели регулируется. Механизмы этой регуляции активно исследуются в последние десятилетия. Вместе с тем, несмотря на значительные достижения в этой области, многие аспекты жизни и гибели клеток, в частности регуляция программируемой гибели клеток, или апоптоза, остаются загадкой.

Литература

Биохимия человека. В 2 т. / Марри Р., Грейнер Д., Мейес П., Родуэлл В. М.: Мир, 1993.

Быков В. Л. Цитология и общая гистология. СПб.: Сотис, 2002. 520 с. Голдман С., Недергард М. Промывка мозгов // В мире науки. 2016. № 5/6. С. 58—64.

Гусев Н. Б. Протеинкиназы: строение, классификация, свойства и билогическая роль // СОЖ. 2000. Т. 6. № 12.

Деретик В., Кленски Д. Генеральная уборка // В мире науки. 2008. № 8. С. 44—51.

Дерябин Д. Г. Функциональная морфология клетки. М.: КДУ, 2005. 320 с. Зайчик А. Ш., ЧуриловЛ. П. Основы общей патологии. Часть 2. Основы патохимии. СПб.: ЭЛБИ, 2000. 688 с.

Колъман Я., Рем. К.-Г. Наглядная биохимия. М.: Мир, 2000. 469 с.

Коничев А. С., Севастьянова Г. А. Молекулярная биология. М.: Изд. центр «Академия», 2003. 400 с.

Корочкин Л. И. Биология индивидуального развития. М.: Изд-во МГУ, 2002. 264 с.

ЛенинджерА. Биохимия. Молекулярные основы структуры и функции клетки. М.: Мир, 1974. 957 с.

Общая химия. Биофизическая химия. Химия биогенных аминов / Ю. А. Ершов, В. А. Попков, А. С. Берлянд, А. 3. Книжник. М.: Высшая шк., 2000. 560 с.

Основы биохимии. В 3 т. / А. Уайт, Ф. Хендлер, Э. Смит, Р. Хилл, И. Леман. М.: Мир, 1981.

Солвей Дж. Г. Наглядная медицинская биохимия. М.: Издательская группа «Гэотар-Медиа», 2011, 136 с.

Фаллер Д. М., Шилдс Д. Молекулярная биология клетки. Руководство для врачей. М.: БИНОМ, 2011. 256 с.

Ченцов Ю. С. Введение в клеточную биологию. М.: ИКЦ «Академкнига», 2005. 495 с.

Эллиот В., Эллиот Д. Биохимия и молекулярная биология. М.: МАИК"Наука/ Интерпериодика", 2002. 446 с.

Hui Sh., Chergurovich J. M., Morscher R. J. et al. Clucose feefs the TCA cycle via circulating lactate // Nature. Vol. 551. 2 november. 2017. P. 115—123. dommedika. com/phiiology//378html mglinets.narod.ru/genFm/BCL2fmApop.htm http://medbiol.ru/medbiol/slov_sverd/0001e29d.htm http://medbiol.ru/medbiol/rna_interf/309el.htm.