Молекулярні механізми регуляції клітинного циклу

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.

скачати

Молекулярні механізми регуляції клітинного циклу

Клітинний цикл - це період життя клітини від одного розподілу до іншого або від розподілу до смерті. Клітинний цикл складається з інтерфази (період поза поділу) і самого клітинного ділення.

В кінці G1 періоду прийнято розрізняти спеціальний момент, званий R точкою (точка рестрикції, R пункт), після якого клітина обов'язково протягом декількох годин (зазвичай 1-2) вступає в S період. Період часу між R точкою та початком S періоду можна розглядати в якості підготовчого для переходу в S період.

Самий головний процес, який йде в S періоді, - це подвоєння або редуплікація ДНК. Всі інші реакції, що відбуваються в цей час у клітці, спрямовані на забезпечення синтезу ДНК. До таких допоміжних процесів можна віднести синтез гістонових білків, синтез ферментів, які регулюють і забезпечують синтез нуклеотидів і утворення нових ниток ДНК.

Проходження клітини по всіх періодах клітинного циклу строго контролюється. При русі клітин по клітинному циклу в них з'являються і зникають, активуються і ингибируются спеціальні регуляторні молекули, які забезпечують: 1) проходження клітини по певному періоду клітинного циклу і 2 перехід з одного періоду в інший. Причому проходження по кожному періоду, а також перехід з одного періоду в інший контролюється різними речовинами. Зараз ми спробуємо з'ясувати, що ж це за речовини і що вони роблять.

Загальна ситуація вигладить так. У клітці постійно присутні спеціальні білки-ферменти, які шляхом фосфорилювання інших білків (по залишках серину, тирозину чи треоніну в поліпептидного ланцюга), регулюють активність генів, відповідальних за проходження клітини з того чи іншого періоду клітинного циклу. Ці білки-ферменти називаються циклін-залежної протеїнкінази (cdc). Є декілька їх різновидів, але вони всі володіють подібними властивостями. Хоча кількість цих циклін-залежних протеїнкіназ може варіювати у різних періодах клітинного циклу, вони присутні в клітині постійно, незалежно від періоду клітинного циклу, тобто вони є в надлишку. Іншими словами, їх синтез або кількість не лімітує або не регулює проходження клітин по клітинному циклу. Однак при патології, якщо синтез їх порушений, знижено їх кількість або є мутантні форми зі зміненими властивостями, то це, звичайно ж, може вплинути на перебіг клітинного циклу.

Чому ж такі циклін-залежні протеїнкінази самі не можуть регулювати проходження клітин за періодами клітинного циклу. Виявляється, що вони знаходяться в клітинах у неактивному стані, а для того щоб вони активувалися і почали працювати, необхідні спеціальні активатори. Ними є цикліни. Їх також багато різних типів, але вони присутні в клітинах не постійно: то з'являються, то зникають. У різні фази клітинного циклу утворюються різні цикліни, які зв'язуючись з Cdk утворюють різні Cdk цікліновие комплекси. Ці комплекси регулюють різні фази клітинного циклу і тому називаються G1-, G1/S-, S-та М-Cdk (рис. з моїх рис. Цикліни). Так, наприклад, проходження клітини по G1 періоду клітинного циклу забезпечує комплекс циклін-залежної протеїнкінази 2 (cdk2) і циклін D1, циклін-залежної протеїнкінази 5 (cdk5) і циклін D3. Проходження через спеціальну точку рестрикції (R пункт) періоду G1 контролює комплекс cdc2 і циклін С. Перехід клітини з G1 періоду клітинного циклу в S період контролює комплекс cdk2 і циклін Е. Для переходу клітини з S періоду в G2 період необхідний комплекс cdk2 і циклін А . циклін-залежна протеїнкіназа 2 (cdc2) і циклін У беруть участь у переході клітини з G2 періоду в мітоз (М період). Циклін H в поєднанні з cdk7 необхідний для фосфорилювання та активації cdc2 в комплексі з циклінів В.

Регуляції клітинного циклу

G1 період

cdk2 + циклін D1
cdk5 і циклін D3

R пункт періоду G1

cdc2 + циклін З

перехід з G1 в S період

cdk2 + циклі Е

перехід з S у G2 період

cdk2 + циклін А

перехід з G2 періоду в мітоз (М період)

cdc2 + циклін У

циклін H + cdk7 необхідний для фосфорилювання і активації cdc2 в комплексі з циклінів У

Цикліни - новий клас білків, відкритий Тімом Хантом, які грають ключову роль в управлінні поділом клітин. Назва «цикліни» з'явилося через те, що концентрація білків цього класу змінюється періодично відповідно до стадіями клітинного циклу (наприклад, падає перед початком поділу клітини).

Перший циклін був виявлений Хантом на початку 1980-х років, під час дослідів з ікрою жаб і морських їжаків. Пізніше цикліни були знайдені і в інших живих істот.

Виявилося, що ці білки мало змінилися в ході еволюції, як і механізм управління клітинним циклом, який дійшов від простих дріжджових клітин до людини в «законсервованому» вигляді.

Тімоті Хант (R. Timothy Hunt) разом зі співвітчизником-англійцем Полом Нерс (Paul M. Nurse) і американцем Ліланд Хартуеллом (Leland H. Hartwell) у 2001 році отримали нобелівську премію з фізіології і медицині за відкриття генетичних та молекулярних механізмів регуляції клітинного циклу - процесу, який має найважливіше значення для росту, розвитку і самого існування живих організмів

Контрольні точки клітинного циклу

1. Точка виходу з G1 фази, звана Старт - у ссавців і точкою рестрикції у дріжджів. Після переходу через точку рестрикції R в кінці G1 наступ S стає незворотнім, тобто запускаються процеси ведуть до наступного поділу клітини.
2. Точка S - перевірка точності реплікації.

3. Точка G2 / M переходу - перевірка завершення реплікації.
4. Перехід від метафази до анафазі мітозу.

Регулювання реплікації

Перед початком реплікації Sc ORC комплекс (origin recognition complex) сідає на ori - точку початку реплікації. Cdc6 представлений у всьому клітинному циклі, але його концентрація зростає спочатку G1, де він зв'язується c ОRC комплексом, до якого потім приєднуються Mcm білки з утворенням pre-replicative complex (pre-RC). Після складання pre-RC клітка готова до реплікації.

Для ініціації реплікації S-Cdk з'єднується з протеінкіназою (?), Яка фосфорилирует pre-RC. При цьому Cdc6 дисоціює від ОRC після початку реплікації і фосфорилюється, після чого убіквітініруется SCF і деградує. Зміни в pre-RC перешкоджають відновленню запуску реплікації. S-Cdk так само фосфорилирует деякі Mcm білкові комплекси, що запускає їх експорт з ядра. Подальша дефосфоріляція білків знову запустить процес утворення pre-RC.

Цикліни - активатори Cdk. Цикліни, так само як і Cdk залучені в різні, крім контролю клітинного циклу, процеси. Цикліни поділяються на 4 класи в залежності від часу дії у клітинному циклі: G1 / S, S, M і G1 цикліни.
G1 / S цикліни (Cln1 і Cln2 у S. cerevisiae, циклін E у хребетних) досягає максимальної концентрації у пізньому G1 фазі і падає в S фазі.

G1 / S cyclin-Cdk комплекс запускає початок реплікації ДНК вимикаючи різні системи пригнічують S-phase Cdk в G1 фазі G1 / S цикліни також ініціюють дуплікацію центросом у хребетних, освіта веретенного тіла у дріжджів. Падіння рівня G1 / S супроводжується збільшенням концентрації S циклінів (Clb5, Clb6 у Sc і циклін A у хребетних), який утворює S циклін-Cdk комплекс який безпосередньо стимулює ДНК реплікацію. Рівень S циклін залишається високим протягом всієї S, G2 фаз і початку мітозу, де допомагає початку мітозу в деяких клітинах.

М-цикліни (Clb1, 2,3 і 4 у Sc, циклін B у хребетних) з'являється останнім. Його концентрація збільшується, коли клітина переходить до мітозу і досягає максимуму в метафазі. М-циклін-Cdk комплекс включає збірку веретена поділу і вирівнювання сестринських хроматид. Його руйнація в анафазі призводить до виходу з мітозу і цітокіезу. G1 цикліни (Cln3 у Sc і циклін D у хребетних) допомагає координувати клітинний ріст з входом в новий клітинний цикл. Вони незвичайні, так як їх концентрація не змінюється від фази клітинного циклу, а змінюється у відповідь на зовнішні регуляторні сигнали росту.

Програмована клітинна загибель

У 1972 р. Керр з співавт. опублікували статтю, в якій автори представили морфологічні докази існування відрізняється від некрозу особливого виду загибелі клітин, яку вони назвали «апоптоз». Автори повідомили, що структурні зміни клітин при апоптозі проходять дві стадії:

1-я - утворення апоптозних тіл,

2-я - їх фагоцитоз і руйнування іншими клітинами.

Причини загибелі, процеси морфологічного та біохімічного характеру розвитку клітинної смерті можуть бути різними. Але все ж їх можна чітко розділити на дві категорії:

  1. – омертвление) и Некроз (від грец. Пе krosis - омертвіння) і

  2. Апоптоз (від грец. Коренів, що означають «відпадання» або «розпадання»), який часто називають програмованої клітинної смертю (ПКС) або навіть клітинним самогубством (рис. 354).

Два шляхи клітинної загибелі

а - апоптоз (профаммірованная клітинна смерть): / - специфічне стиск клітини і конденсація хроматину, 2 - фрагментація ядра, 3 - фрагментація тіла клітини на ряд апоптичних тілець; б - некроз: / - набухання клітини, вакуолярно компонентів, конденсація хроматину (каріорексис) , 2 - подальше набухання мембранних органоїдів, лізис хроматину ядра (каріолізис), 3 - розрив мембранних компонентів клітини - лізис клітини

Некроз

Н. є найчастішою неспецефіческой формою загибелі клітин. Він може бути викликаний важкими ушкодженнями клітини в результаті прямої травми, радіації, впливу токсичних агентів, внаслідок гіпоксії, лізису клітини, опосередкованого комплементом і т.д.

Некротичний процес проходить ряд стадій:

  1. паранекроза - подібні некротичним, але оборотні зміни;

  2. некробіоз - незворотні дистрофічні зміни, які характеризуються переважанням катаболічних реакцій над анаболічними;

  3. смерть клітини, час настання якої встановити важко;

  4. аутоліз - розкладання мертвого субстрату під дією гідролітичних ферментів загиблих клітин і макрофагів. У морфологічному вираженні некроз рівнозначний аутолізу.

Апоптоз.

Незважаючи на величезну кількість робіт, погодженого і точного визначення поняття «апоптоз» немає.

Алоптоз зазвичай характеризували як особливу форму загибелі клітини, відмінну від некрозу за морфологічними, біохімічними, молекулярно-генетичним та іншими ознаками.

А. - це загибель клітини, що викликається внутрішніми або зовнішніми сигналами, які самі по собі не є токсичними чи деструктивними. . А. - це активний процес, що вимагає витрат енергії, транскрипції генів і синтезу білка de novo.

Виявлено значну кількість агентів, що викликають апоптоз цих клітин, крім опромінення і глюкокортикоїдів:

  • іонофори Са2 +

  • аденозин

  • циклічний АМФ

  • трібутілтін

  • АТФ

  • гіпертермія

и in vitro показало: Вивчення кінетики деградації ДНК в лімфоїдних клітинах in vivo і in vitro показало:

  • перший виразні ознаки розпаду з'являються, як правило, через більш 1 год після впливу, частіше до кінця 2 ї години.

  • Міжнуклеосомна фрагментація триває протягом декількох годин і закінчується в основному через 6, рідше 12 год після впливу.

Відразу ж від моменту появи деградації при аналізі виявляється велика кількість дрібних фрагментів ДНК, причому співвідношення між великими і дрібними фрагментами в ході апоптозу значно не змінюється.

Застосування інгібіторів синтезу АТФ, білка і транскрипції генів уповільнює процес апоптозу. Такої залежності у випадку Н. немає

Як видно з порівняння визначень некрозу та апоптозу, між двома видами загибелі клітини є як подібність, так і суттєві відмінності.

Характеристика

Некроз

Апоптоз


функціонально

необоротним припиненням її життєдіяльності;

необоротним припиненням її життєдіяльності;

морфологічно

порушенням цілісності мембран, зміною ядра (пікноз, рексіс, лізис), цитоплазми (набряк), руйнуванням клітини;

втратою мікроворсинок і міжклітинних контактів, конденсацією хроматину і цитоплазми, зменшенням об'єму клітини (зморщуванням), утворенням пухирців з плазматичної мембрани, фрагментацією клітини і утворенням апоптозних тілець;

біохімічно

порушенням вироблення енергії, коагуляцією, гідролітичним розщепленням білків, нуклеїнових кислот, ліпідів;

гідролізом білків цитоплазми і міжнуклеосомна розпадом ДНК;

генетично

- Втратою генетичної інформації; і завершується її аутолізу або гетеролізом із запальною реакцією.

структурно-функціональної перебудовою генетичного апарату і завершується її поглинанням макрофагами і (або) іншими клітинами без запальної реакції.

Клітинна смерть регулюється міжклітинними взаємодіями різним чином. Безліч клітин багатоклітинного організму потребує сигналах з тим, щоб залишатися живими. За відсутності таких сигналів або трофічних факторів у клітинах розвивається програма «самогубства» або програмованої смерті. ), клетки простаты гибнут в отсутствие андрогенов семенника, клетки молочной железы – при падении уровня гормона прогестерона и т.д. Наприклад, клітини культури нейронів гинуть при відсутності фактору росту нейронів (NGF), клітини простати гинуть за відсутності андрогенів семенника, клітини молочної залози - при падінні рівня гормону прогестерону і т.д. У той же час клітини можуть отримувати сигнали, які в клітинах-мішенях запускають процеси, що призводять до загибелі за типом апоптозу. ) вызывает гибель самых различных клеток. Так, гідрокортизон викликає загибель лімфоцитів, а глютамат - нервових клітин у культурі тканини, фактор некрозу пухлини (TNF) викликає загибель самих різних клітин. Тироксин (гормон щитовидної залози) викликає апоптоз клітин хвоста пуголовків. Крім цього існують ситуації, коли апоптичних загибель клітини викликається зовнішніми факторами, наприклад радіацією.

Поняття «апоптоз» було введено при вивченні загибелі частини клітин печінки при неповній перев'язці портальної вени. При цьому спостерігається своєрідна картина клітинної смерті, яка зачіпає лише окремі клітини в паренхімі печінки.

– некроз сжатием клетки), в ядрах по их периферии происходит специфическая конденсация хроматина, затем ядро фрагментируется на отдельные части, вслед за этим сама клетка фрагментируется на отдельные тельца, отграниченные плазматической мембраной, – апоптические тельца. Процес починається з того, що сусідні клітини втрачають контакти, вони як би зморщуються (первинна назва цієї форми загибелі shrinkage necrosis - некроз стисненням клітини), в ядрах по їх периферії відбувається специфічна конденсація хроматину, потім ядро фрагментується на окремі частини, слідом за цим сама клітина фрагментується на окремі тільця, відмежовані плазматичною мембраною, - апоптичні тільця.

Апоптоз - процес, що призводить не до лізису, не до розчинення клітини, а до її фрагментації, розпаду. Доля апоптичних тілець теж незвичайна: вони фагоцитуються макрофагами або навіть нормальними сусідніми клітинами. При цьому не розвивається запальна реакція.

Важливо відзначити, що у всіх випадках апоптозу - під час чи ембріонального розвитку, у дорослому чи організмі, в нормі або при патологічних процесах - морфологія процесу загибелі клітин дуже схожа. Це може говорити про спільність процесів апоптозу в різних організмах і в різних органах.

Дослідження на різних об'єктах показали, що апоптоз є результат реалізації генетично запрограмованої клітинної загибелі. . Перші докази наявності генетичної програми клітинної смерті (ПКС) були отримані при вивченні розвитку нематоди Caenorhabditis elegans. Цей черв'як розвивається всього за три доби, і його малі розміри дозволяють простежити за долею всіх його клітин, починаючи з ранніх етапів дроблення до статевозрілого організму.

образуется всего 1090 клеток, из которых часть нервных клеток в количестве 131 штуки спонтанно погибает путем апоптоза и в организме остается 959 клеток. Виявилося, що при розвитку Caenorhabditis elegans утворюється всього 1090 клітин, з яких частина нервових клітин у кількості 131 штуки спонтанно гине шляхом апоптозу і в організмі залишається 959 клітин. Були виявлені мутанти, у яких процес елімінації 131 клітини був порушений. 3 и се d 4, продукты которых вызывают апоптоз 131 клетки. Були виявлені два гени се d 3 та се d 4, продукти яких викликають апоптоз 131 клітини. эти гены отсутствуют или изменены, то апоптоз не наступает и взрослый организм состоит из 1090 клеток. Якщо у мутантних Caenorhabditis elegans ці гени відсутні або змінені, то апоптоз не наступає і дорослий організм складається з 1090 клітин. 9, который является супрессором апоптоза: при мутации се d 9 все 1090 клеток погибают. Був знайдений і інший ген - се d 9, який є супрессором апоптозу: при мутації се d 9 Усі 1090 клітин гинуть. 2 также является супрессором апоптоза различных клеток. Аналог цього гена був виявлений у людини: ген bcl 2 також є супрессором апоптозу різних клітин. 9 и Вс1–2, имеют один трансмембранный домен и локализуются во внешней мембране митохондрий, ядер и эндоплазматического ретикулума. Виявилося, що обидва білки, що кодуються цими генами, - Се d 9 і ВС1-2, мають один трансмембранний домен і локалізуються у зовнішній мембрані мітохондрій, ядер та ендоплазматичного ретикулуму.

Система розвитку апоптозу виявилася дуже схожою у нематоди і хребетних тварин, вона складається з трьох ланок: регулятора, адаптера і ефектора. регулятором является Се d 9, который блокирует адаптерный белок Се d 4, который в свою очередь не активирует эффекторный белок Се d 3, протеазу, которая действует на белки цитоскелета и ядра (табл. 16). У Caenorhabditis elegans регулятором є Се d 9, який блокує адаптерний білок Се d 4, який у свою чергу не активує ефекторних білок Се d 3, протеазу, яка діє на білки цитоскелету і ядра (табл. 16).

Табл. 16. Розвиток програмованої клітинної смерті (апоптозу)

Об'єкт

Регулятор

Адаптер

Еффектор

Результат

Результат

Caenorhabditis elegans

9 ──┤ Ced 9 ─ ─ ┤

4 ─→ Ced 4 ─ →

3 ─→ Ced 3 ─ →

ПКС


Хребетні

── ┤ Bcl 2 ─ ─ ┤

─→ Apaf 1 ─ →

─→ Casp 9 ─ →

─→ Casp 3 ─ →

ПКС

Знак ─ ─ ┤ - гальмування процесу, знак ─ → - стимуляцію процесу

У хребетних система ПКС більш складна. 1, стимулирующий каскад активации специальных протеиназ – каспаз. Тут регулятором є білок ВС1-2, який інгібує адаптерний білок Apaf 1, стимулюючий каскад активації спеціальних протеїназ - каспаз.

Ферменти - учасники процесу апоптозу

Таким чином,

  • раз почавшись у клітці, така деградація швидко протікає «до кінця»;

  • в апоптоз вступають не всі клітини відразу або в короткий проміжок часу, а поступово;

  • розриви ДНК відбуваються по лінкерной (міжнуклеосомна) ДНК;

  • деградацію здійснюють ендо-, але не екзонуклеазами, і ці ендонуклеази активуються або отримують доступ до ДНК не в результаті безпосередньої взаємодії з агентом, що викликає апоптоз, а опосередковано, оскільки від моменту контакту клітин з таким агентом до початку розвитку деградації проходить досить значний час, і, отже, фрагментація ДНК не є першою характерною «апоптотичній» реакцією клітини на молекулярному рівні. У самому справі, якщо б деградація запускалася в результаті безпосередньої взаємодії ендонуклеаз або хроматину з агентом, то у випадку, наприклад, дії іонізуючої радіації апоптоз відбувався б швидко і одночасно майже в усіх клітинах.

  • Виходячи з цих висновків, розшифровка молекулярного механізму розвитку апоптозу «зосередилася» на ідентифікації ендонуклеаз (и), що здійснюють фрагментації ДНК, і механізмів, що активують ендонуклеази.

Ендонуклеази

1. . Деградацію здійснює ДНКаза I. 2+ [1979] и подавляется Zn 2+ [1984]. Процес активується Са2 + і М g 2 + [1979] і пригнічується Zn 2 + [1984].

в процессе фрагментации ДНК. Проте є факти, які свідчать проти участі ДНКази I в процесі фрагментації ДНК. в деградации ДНК вполне реальным. Так відомо, що цей фермент відсутній в ядрі, правда, цей аргумент не дуже вагомий, тому що відносно невеликий розмір його молекул, 31 кДа, у разі порушення проникності ядерної мембрани робить участь ДНКази I в деградації ДНК цілком реальним. ДНКаза I вызывает разрывы не только в линкерной части, но и в нуклеосомной ДНК. Інша справа, що при обробці хроматину in vitro ДНКаза I викликає розриви не тільки в лінкерной частини, але і в нуклеосомной ДНК.

2. [Барри 1993]. Інший ендонуклеаз, що розглядається в якості основного ферменту деградації ДНК, є ендонуклеаза II [Баррі 1993]. Ця Нуклеази при обробці ядер і хроматину здійснює міжнуклеосомна фрагментації ДНК. в деградации ДНК не снят до сих пор, поскольку фермент не только находится в лизосомах, но и выделяется из ядер клеток. Незважаючи на те, що його активність не залежить від іонів двовалентних металів, питання про участь ендонуклеази II в деградації ДНК не знятий до сих пір, оскільки фермент не тільки знаходиться в лізосомах, але і виділяється з ядер клітин.

3. ендонуклеаза з молекулярною масою 18 кДа. Цей фермент був виділений з ядер гинуть шляхом апоптозу тимоцитів щурів [Гайдо, 1991]. Вона була відсутня в нормальних тимоцитах. 2+. Активність ферменту виявляється у нейтральному середовищі і залежить від Са2 + і М g 2 +.

и Zn . 4. Γ-Нуклеази з молекулярною масою 31 кДа, яка має «класичну» залежність від іонів Са, М g і Zn. Активність цього ферменту підвищувалася в ядрах тимоцитів щурів, оброблених глюкокортикоїдами [1994].

5. ендонуклеаза з молекулярною масою 22,7 кДа фермент, активність якого проявляється в ядрах тимоцитів щурів тільки після дії глюкокортикоїдів і пригнічується тими ж інгібіторами, що і міжнуклеосомна деградація ДНК [1993].

Каспаз

Каспаз - цистеїнових протеаз, які розщеплюють білки по аспарагінової кислоти. У клітці каспаз синтезуються у формі латентних попередників - прокаспази. Існують ініціюють і ефекторні каспаз. Инициирующие каспаз активують латентні форми ефекторних каспаз. Субстратами для дії активованих каспаз служать більше 60 різних білків. , которая расщепляет ДНК на олигонуклеотидные нуклео-сомные фрагменты; это ферменты репарации ДНК, подавление которых предотвращает восстановление структуры ДНК, и многие другие. Це, наприклад, кіназа фокальних адгезійних структур, інактивація якої призводить до відділення апоптичних клітин від сусідів; це ламіни, які при дії каспаз розбираються; це цитоскелетного білки (проміжні філаменти, актин, гельзолін), інактивація яких призводить до зміни форми клітини і до появи на її поверхні бульбашок, які дають початок апоптичних тельцям; це активується протеаза СА D, яка розщеплює ДНК на олігонуклеотидно нуклео-зімніть фрагменти; це ферменти репарації ДНК, придушення яких запобігає відновлення структури ДНК, і багато інших.

), или андрогена. Одним із прикладів розгортання апоптозного відповіді може бути реакція клітини на відсутність сигналу від необхідного трофічного фактора, наприклад фактора росту нервів (NGF), або андрогену.

. У цитоплазмі клітин у присутності трофічних факторів знаходиться в неактивній формі ще один учасник реакції - фосфорілірованний білок Ва d. У відсутність трофічного фактора цей білок дефосфорилюється і зв'язується з білком ВС1-2 на зовнішній мітохондріальної мембрани і тим самим інгібує його антиапоптозних властивості. Після цього активується мембранний іпроапоптична білок Вах, відкриваючи шлях іонів, що входять в мітохондрії. 1, который в свою очередь активирует прокаспазу 9. У цей же час з мітохондрій через які утворилися в мембрані пори в цитоплазму виходить цитохром с, який зв'язується з білком адаптерних Ара f 1, який в свою чергу активує прокаспазу 9. Активована каспаза 9 запускає каскад інших прокаспази, в тому числі каспаз 3, які, будучи протеїназ, починають перетравлювати мешенние білки (ламіни, білки цитоскелету та ін), що викликає апоптичних смерть клітини, її розпад на частини, на апоптичні тільця.

Апоптичні тільця, оточені плазматичною мембраною зруйнованої клітини, привертають окремі макрофаги, які їх поглинають і перетравлюють за допомогою своїх лізосом. Макрофаги не реагують на сусідні нормальні клітини, але дізнаються апоптичні. Це пов'язано з тим, що при апоптозі порушується асиметрія плазматичної мембрани і на її поверхні з'являється фосфатидилсерин, негативно заряджений фосфолипид, який в нормі розташовується в цитозольної частини билипидного плазматичної мембрани. Таким чином, шляхом виборчого фагоцитозу тканини як би очищаються від загиблих апоптозних клітин.

Як вказувалося вище, апоптоз може бути викликаний цілим рядом зовнішніх чинників, таких як радіація, дію деяких токсинів, інгібіторів клітинного метаболізму. Незворотні пошкодження ДНК викликають апоптоз. 1- или G 2 фазе, но и активирует экспрессию гена bax , продукт которого запускает апоптоз. Це пов'язано з тим, що накопичується Фактор транскрипції - білок р53, не тільки активує білок р21, який інгібує залежну від циклін кіназу і зупиняє клітинний цикл у G 1 - або G 2 фазі, але і активує експресію гена bax, продукт якого запускає апоптоз.

Наявність контрольних точок у клітинному циклі необхідно для визначення завершення його кожної фази. 1 периоде, при неполной репликации ДНК в S фазе, при повреждении ДНК в G 2 периоде и при нарушении связи веретена деления с хромосомами. Зупинка клітинного циклу відбувається при пошкодженні ДНК в G 1 періоді, при неповній реплікації ДНК в S фазі, при пошкодженні ДНК в G 2 періоді і при порушенні зв'язку веретена поділу з хромосомами.

Одним з контрольних пунктів у клітинному циклі є власне мітоз, який не переходить в анафазу при неправильній збірці веретена і при відсутності повних зв'язків мікротрубочок з кінетохорамі. У цьому випадку не відбувається активації АРС-комплексу, не відбувається деградації когезінов, що з'єднують сестринські хрому-тіди, і деградації мітотичних циклінів, що необхідно для переходу в анафазу.

период или в митоз. Пошкодження ДНК перешкоджають входженню клітин в S період або в мітоз. Якщо ці пошкодження не катастрофічні, і можуть бути відновлені за рахунок репаративного синтезу ДНК, то блок клітинного циклу знімається, і цикл доходить до свого завершення. Якщо ж ушкодження ДНК значні, то якимось чином відбуваються стабілізація і накопичення білка р53, концентрація якого в нормі дуже низька через його нестабільності. К-циклин. Білок р53 є одним з факторів транскрипції, який стимулює синтез білка р21, що є інгібітором комплексу С D К-циклін. 1или G 2. Це призводить до того, що клітинний цикл зупиняється на стадії G 1 або G 2. 1 периоде клетка с повреждением ДНК не вступает в S фазу, так как это могло бы привести к появлению мутантных клеток, среди которых могут быть и опухолевые клетки. При блоці в G 1 періоді клітка з пошкодженням ДНК не вступає в S фазу, так як це могло б призвести до появи мутантних клітин, серед яких можуть бути і пухлинні клітини. 2 периоде также предотвращает процесс митоза клеток с повреждениями ДНК. Блокада в G 2 періоді також запобігає процес мітозу клітин з ушкодженнями ДНК. Такі клітини, з блокованим клітинним циклом, надалі гинуть шляхом апоптозу, програмованої клітинної загибелі (рис. 353).

При мутаціях, що призводять до втрати генів білка р53, або при їх змінах, блокади клітинного циклу не відбувається, клітини вступають у мітоз, що призводить до появи мутантних клітин, більша частина з яких нежиттєздатна, інша - дає початок злоякісним клітинам.

Виборчі пошкодження мітохондрій, при яких в цитоплазму вивільняється цитохром с, також є частою причиною розвитку апоптозу. Особливо мітохондрії та інші клітинні компоненти страждають при утворенні токсично активних форм кисню (АТК), під дією яких у внутрішній мембрані мітохондрій утворюються неспецифічні канали з високою проникністю для іонів, в результаті чого матрикс мітохондрій набухає, а зовнішня мембрана розривається. При цьому розчинені в міжмембранну просторі білки разом з цитохромом з виходять в цитоплазму. Серед звільнених білків є фактори, які активують апоптоз, і прокаспаза 9.

Багато токсини (рицин, дифтерійний токсин та ін), а також антиметаболіти можуть викликати загибель клітин шляхом апоптозу. При порушенні синтезу білка в ЕПР у розвитку апоптозу бере участь локалізована там прокаспаза 12, яка активує ряд інших каспаз, і в тому числі каспаз 3.

Елімінація - видалення окремих клітин шляхом апоптозу, спостерігається і у рослин. Тут апоптоз включає в себе, так само як у тварин клітин, фазу індукції, ефекторних фазу і фазу деградації. Морфологія загибелі клітин рослин подібна із змінами клітин тварин: конденсація хроматину та фрагментація ядра, олігонуклеотидно деградація ДНК, стиснення протопласта, її дроблення на везикули, розрив плазмодесми і т.д. Однак везикули протопласта руйнуються гідролазами самих везикул, так як у рослин немає клітин, аналогічних фагоцитами. Так, ПКС відбувається при зростанні клітин кореневого чохлика, при формуванні перфорацій у листя, при утворенні ксилеми і флоеми. Опадання листя пов'язано з виборчою загибеллю клітин певної зони черешка.

Біологічна роль апоптозу, або програмованої смерті клітин, дуже велика: це видалення відпрацьованих своє або непотрібних на даному етапі розвитку клітин, а також видалення змінених або патологічних клітин, особливо мутантних або заражених вірусами.

Отже, для того щоб клітини в багатоклітинних організмі існували, потрібні сигнали на їх виживання - трофічні фактори, сигнальні молекули. Ці сигнали можуть бути передані на відстань і схоплені відповідними рецепторними молекулами на клітинах-мішенях (гормональна, ендокринна сигналізація), це може бути паракринна зв'язок, коли сигнал передається на сусідню клітину (наприклад, передача нейромедіатора). За відсутності таких трофічних факторів реалізується програма апоптозу. У той же час апоптоз може викликатися сигнальними молекулами, наприклад при резорбції хвоста пуголовків під дією тироксину. Крім того, дія ряду токсинів, що впливають на окремі ланки метаболізму клітини, також може стати причиною клітинної загибелі допомогою апоптозу.

Апоптоз в патогенезу захворювань

  1. У імунній системі

  2. ОНКОЛОГІЧНІ ЗАХВОРЮВАННЯ

  3. Вірусні інфекції (індукують апоптоз: в. Імунодефіциту людини, ст. Анемії циплят; інгібуючі апоптоз: цитомегаловірус, ст. Епштейна-Барр, в. Герпесу)

  4. А. і нейронів Кори Головного Мозку

ПРИНЦИПИ КОРЕКЦІЇ апоптозу

Відкриття регульованого процесу загибелі клітини - апоптозу-дозволило певним чином впливати на його окремі етапи з метою регулювання чи корекції.

Біохімічні процеси розвитку апоптозу можна гіпотетично розділити на кілька етапів:

  • дію фактора, що викликає апоптоз;

  • передача сигналу з рецепторній молекули в клітинне ядро;

  • активація апоптозспеціфіческіх генів;

  • синтез апоптозспеціфіческіх білків

  • активація ендонуклеаз

  • фрагментації ДНК (рис. 2.4).

В даний час вважають, що якщо клітина гине шляхом апоптозу, то мається на увазі можливість терапевтичного втручання, якщо внаслідок некрозу, то таке втручання неможливе. На основі знань регуляції запрограмованої загибелі клітини використовується широкий ряд препаратів з метою впливу на цей процес у різних типах клітин.

Так, відомості про рецепторопосредованной регуляції апоптозу клітин враховують при лікуванні гормонзавісімих пухлин.

  • Андрогенблокірующую терапію призначають при раку передміхурової залози.

  • Рак молочної залози часто піддається регресії при використанні антагоністів естрогенових рецепторів.

  • Інформація про біохімічні сігналпередающіх шляхах регуляції апоптозу дозволяє ефективно застосовувати антиоксидантну терапію, препарати, що регулюють концентрацію кальцію, активатори або інгібітори різних протеїнкіназ і т.д. з метою корекції апоптозу в різних типах клітин.

Усвідомлення ролі апоптозу у загибелі клітин інтенсифікувало пошук фармакологічних впливів, захищають клітини від апоптозу.

  • Активно вивчаються інгібітори специфічних протеаз в якості фармакологічних агентів. Це, як правило, три-або тетрапептіди, що містять аспарагінову кислоту (АСП). Використання таких протеаз у терапевтичних цілях обмежене їх низькою здатністю проникати в клітку. успешно применяется Z - VAD - FMK [N бензилоксикарбонил-Вал-Ала-Асп(ОМе) – фторметилкетон] – ингибитор ICE подобных протеаз широкого спектра действия для снижения зоны инфаркта при моделировании инсульта. Однак, незважаючи на це, в експериментах in vivo успішно застосовується Z - VAD - FMK [N бензілоксікарбоніл-Вал-Ала-АСП (ОМІ) - фторметілкетон] - інгібітор ICE подібних протеаз широкого спектру дії для зниження зони інфаркту при моделюванні інсульту.

  • У найближчі роки можна очікувати появи нових лікарських засобів для лікування та попередження різних захворювань, основу дії яких складатиме принцип регуляції процесів апоптозу.

Найбільш ефективні для корекції апоптозу підходи, пов'язані з регулюванням апоптозспеціфіческіх генів. Ці підходи лежать в основі генної терапії - одного з перспективних напрямків лікування хворих із захворюваннями, викликаними порушенням функціонування окремих генів.

Принципи генної терапії включають наступні етапи:

ідентифікація послідовності ДНК, яка буде піддаватися лікуванню;

визначення типу клітин, в яких буде проводитися лікування;

захист ДНК від гідролізу ендонуклеаза;

транспорт ДНК у клітину (ядро).

Геннотерапевтичного підходи дозволяють

  • 2), посилювати роботу окремих генів (трансформація генів, що інгібують апоптоз, наприклад гена bcl 2),

  • послаблювати їхню експресію. Для селективного інгібування експресії генів в даний час використовують техніку антисенсових олігонуклеотидів (антисенс). Використання антисенс знижує синтез певних білків, що впливає на регуляцію процесу апоптозу.

Механізм дії антисенс активно вивчається. У деяких випадках короткі (13-17 підстав) антисмислової олігонуклеотиди, що мають послідовності, комплементарні нуклеотидним послідовностей матричної РНК (мРНК) окремих білків, можуть ефективно блокувати генетичну інформацію на стадії, що передує транскрипції (рис. 2.5). Дані олігонуклеотиди, зв'язуючись з ДНК, формують триплетних спіральну структуру. Таке зв'язування може бути необоротним або викликати селективне відщепленні триплетного комплексу, що в підсумку призводить до інгібування експресії гена і загибелі клітини. В інших випадках відбувається комплементарное зв'язування антисенс з мРНК, що викликає порушення трансляції і зниження концентрації відповідного білка.

Триплетних комплекс

Рис. Регуляція експресії генів антисмислової олігонуклеотидами.



В даний час переконливо показано, що технологія з використанням антисенс має велике значення для регуляції окремих генів в культурі клітин. 2 в экспериментах на культурах клеток пробуждает надежду на применение в будущем антисенсов для лечения больных раком. Успішне придушення гена bcl 2 в експериментах на культурах клітин пробуджує надію на застосування в майбутньому антисенс для лікування хворих на рак. показано, что антисенсы вызывают ингибирование пролиферации и дифференцировки клеток. У багатьох експериментах in vitro показано, що антисенс викликають інгібування проліферації і диференціювання клітин. Такий результат підтверджує перспективи терапевтичного використання даної технології.

Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Біологія | Лекція
98.4кб. | скачати


Схожі роботи:
Молекулярні механізми гормональної регуляції
Поняття про фізіологічні функції та їх регуляції нервово-рефлекторні та гуморальні механізми регуляції
Білки клітинного циклу у відділах мозку ховрахів citellus undulatus на різних стадіях гібернаціонного
Молекулярні механізми сплайсингу
Молекулярні механізми різноманіття антитіл
Клітинні та молекулярні механізми депріваціонних змін
Молекулярні механізми секреції інсуліну і його дії на клітини
Ендокринологія молекулярні механізми секреції інсуліну і його дії на клітини
Основні механізми регуляції активності ендокринних залоз
© Усі права захищені
написати до нас