Апоптоз и пути его применения для уничтожения раковых клеток

Это необычное явление впервые заметил древний врач К. Гален (131-203гг. н.э.). Он наблюдал листопад с деревьев осенью: листья опадают с живой ветки, а если ее сломать, то листопад прекратится.

Из этого К. Гален сделал выводы: 1) листопад – это преднамеренное самоубийство- 2) листья убивают сами себя, так как при наличии их зимой, снег сломает ветки. Это явление он обозначил термином апоптоз.

Термин «апоптоз» происходит от греч. apo – отделение, ptosis – опадание. Для К. Галена осталось неясным, – что это за причина в листьях, ведущая их к самоубийству.

Оказалось, что способность к самоубийству присуща любой клетке, как у растений, так и у животных. То есть в каждой клетке имеется программа на апоптоз. В нормальной клетке эта программа выключена.

Для поддержания жизни многоклеточного организма требуется, как замена клеток новыми путем деления, так и присутствие смерти уже ненужных клеток – апоптоз их.

Отмирание клеток в многоклеточном организме первыми обнаружили биологи. Так, у эмбриона человека между пальцами рук и ног имеются перепонки, есть жабры и хвост. Но они к рождению человека исчезают через апоптоз их клеток.

После открытия апоптоза в течение десятилетий ученые были заняты описанием морфологии апоптоза клеток и стадиями или этапами этого процесса. Позднее была изучена морфология другого типа смерти клетки – некроза.

В. Флемминг (W. Flemming, 1843-1905) в 1895 г. дал подробное морфологическое описание апоптоза клетки. В такой клетке в первую очередь ядро распадается на отдельные фрагменты, которые затем как бы «рассасываются». Па- раллельно сама клетка распадается на частицы, в последствии названные

«апоптозными тельцами».

Дж. Керр (J.R. Kerr, 1972) и соавторы отметили, что апоптоз имеет не меньшее значение, чем митоз. Любая живая клетка снабжена программой апоптоза, регулируемой рядом генов.

До 1960-х гг. XX века причина апоптоза оставалась невыясненной. Предполагалось, что такая ликвидация клетки происходит посредством фагоцитоза или каким-то другим, еще неизвестным способом.

В 1963 г. двое британцев – С. Бреннер (S. Brenner) и Дж. Салстон (J. Sulston) и американец Р. Горвиц (R. Horvitz) занялись изучением развития много- клеточного организма от одной клетки до взрослого организма.

Для этого С. Бреннер впервые предложил удачный объект – червь нематоду (C. elegans). Длина его тела меньше 1 мм, а тело прозрачно, что делает удобным изучение размножения клеток просто под микроскопом. При изуче- нии развития этого простого многоклеточного организма Дж. Салстон открыл апоптоз.

Он заметил, что в процессе развития тканей и органов червя клетки не только делились, но и умирали. Удивляло то, что смерть их не была вызвана какими-либо внешними повреждениями. Ему стало ясно, что смерть клеток – четко отрегулированный процесс при развитии червя.

Дж. Салстон мог точно отметить те клетки, которым суждено погибнуть, – это и есть регулируемый процесс смерти клетки – апоптоз. Ученый обнаружил, что апоптоз регулируется генами – выявил мутацию одного из генов – nuc-

1, продукт его оказался необходимым для деградации ДНК погибающей клетки.

В 1970-е гг. Р. Горвиц поставил задачу – обнаружить эти «внутренние причины» гибели клетки, т.е. апоптоза. Он открыл несколько генов, мутации в которых приводят к нарушению апоптоза в эмбриогенезе червя.

В 1986 г. он сделал сообщение о первых двух генах, вызывающих апоптоз: «гены смерти» – ced-3 и ced-4 ( название ?ced? – от англ. cell death – смерть клетки). Показал, что наличие этих двух генов необходимо, чтобы произошла смерть клетки.

Позднее Р. Горвиц доказал, что другой ген – ced-9, взаимодействуя с генами ced-3 и ced-4, предотвращает гибель клетки. То есть ген ced-9 – это «ген жизни». Он обнаружил множество генов, направляющих элиминацию погибшей клетки. Он показал, что в геноме человека присутствует ген, подобный гену ced-3 нематоды: ген ced-3 кодирует фермент каспазу- ген ced-4 –аналог гена у человека для фактора – Apat-1- аналог гена ced-9, предупреждающего апоп- тоз, у человека – ген bcl-2.

В 2002 г. этим трем ученым – «за открытие регуляции развития органов и программированной клеточной смерти генами» присуждена Нобелевская премия.

Апоптоз и некроз клетки – разные типы смерти клеток

Видео: Зачем наши клетки постоянно умирают?

Апоптоз клеток сопровождает человека на протяжении всей его жизни, начиная с оплодотворенной яйцеклетки. Из нее берут начало все типы клеток, их более 200 типов, а организм взрослого человека состоит из 5•1013-14 клеток. Взаимодействия между разными типами клеток объединяет функции организма в единое целое. Клетка каждого типа является частью той или иной ткани и организма в целом. В организме человека каждый день рождается за счет деления более тысячи миллиардов клеток и столько же отмирает через апоптоз, и мы не ощущаем этого.

Причины апоптоза клеток

В физиологических условиях для:

- сохранения генетически заданной численности клеток в каждой ткани, стабилизации границ ткани-

- ликвидации клеток, случайно оказавшихся вне своей ткани: каждая клетка на поверхности имеет рецепторы, с которыми связывается антиапоптозный белок, специфический для каждой ткани. Эти белки непрерывно посылают клетке сигнал: «живи дальше» (В.П. Скулачев, 2001). При выходе же клетки из своей ткани, клетка лишается этого белка, сигнал исчезает, и клетка кончает с собой-

- ликвидации клеток, к которым не поступает сигнал к делению от соседних клеток, например, при отсутствии молекулы фактора роста-

- уничтожения нормальных клеток после 50±10 делений – лимит Хейфлика- из-за предельного укорочения теломер на концах ДНК геном такой клетки включает апоптоз-

В патологических условиях для:

- уничтожения клетки с повреждениями ДНК – эпимутации в генах свойств клетки, чтобы она не превратилась в раковую клетку-

- уничтожения клетки с повреждениями ДНК – раковая клетка, чтобы не дала потомства с такими дефектами ДНК, т.е. рак-

- ликвидации клетки с нерегулируемой стимуляцией пролиферации за счет повышенной экспрессии гена c-myc и/или транскрипционного фактора E2F-

- ликвидации клетки с нарушениями клеточного цикла-

- отмирания клетки, инфицированной вирусом, в том числе опухолеродным вирусом- в первом случае для предупреждения распространения инфекции на соседние клетки, а во втором – для предупреждения образования из нее раковой клетки.

Клетка, подвергающаяся апоптозу, в литературе обозначается определенным термином:

- «ненужная» – это клетка как часть своей ткани и организма в целом, отмирает после выполнения своих функций-

- «теряющая свой дом» – это опухолевая клетка, которая утратила контакты с соседними клетками своей ткани и с межклеточным матриксом в ре-зультате генетических нарушений в ней-

- «чужая» или «несвоя» – это клетка с нарушениями в генах, т.е. предраковая, а также раковая клетка. На поверхности таких клеток из-за генетических в них перестроек появляются новые белки. А то, что не закодировано в геноме клетки в норме в процессе эволюции, для иммунной системы является «чужим» или «несвоим», другими словами, – «чужеродным». В организме человека ежедневно образуется множество таких клеток, но иммунная система их распознает и уничтожает.

Как включается программа апоптоза в клетке?



Апоптоз вызывают как внутриклеточные сигналы, так и внешние. Внешние сигналы действуют через молекулу-рецептор, пронизывающую насквозь мембрану клетки-мишени. В молекуле-рецепторе три части – наружная, т.е. вне клетки, внутренняя – в толще цитоплазматической мембраны и внутренняя, выступающая в цитоплазму клетки. Сигнальная молекула находится либо во внеклеточной жидкости, либо на поверхности других клеток или в межклеточном матриксе.

Стадии апоптоза

В апоптозе выделяют три стадии, но пока они еще мало охарактеризованы: 1 стадия – инициации, т.е. воспринятие сигнала. 2 стадия – передача сигнала и 3 стадия – эффекторная стадия (Рис. 1).

Видео: Учёные заставили раковые клетки саморазрушаться под воздействием магнитных наночастиц (новости)

Рис. 1.

Общая схема стадий апоптоза

Видео: ПРАВДА О РАКЕ. Фильм 5. Пища против рака

(рис. и цит. по: М.А. Пальцев и соавт., 1998).

1. Стадия инициации. Сигнал к клетке-мишени о смерти изнутри клетки поступает от повреждений ДНК, от дефицита или отсутствия фактора роста. Сигнал к клетке-мишени извне вылавливает молекула-рецептор.

2. Стадия передачи сигнала. После связывания рецептора сигнальной молекулы в молекуле-рецепторе из-за изменения положения атомов наступают изменения ее конформации. Внутренняя часть молекулы-рецептора обычно является ферментом киназой. Она активирует цепочку белков, последний из которых находится в ядре клетки-мишени. Здесь происходит активация генов, включающих апоптоз в клетке, т.е. «гены смерти» и/или репрессии генов, препятствующих апоптозу клетки, т.е. «генов жизни». Через иРНК генов на рибосомах происходит синтез их белков, в том числе прокаспазы и другие белки-

ферменты, участвующие в апоптозе.

3. Эффекторная стадия. Она осуществляется белками – продуктом «генов смерти» во взаимодействии с белками – продуктом «генов жизни». Обе группы генов принадлежат к одному семейству генов – bcl-2.

К «генам смерти» относятся: bax – его белок Bax, bak – Bak, bad – Bad, bid – Bid, bik – Bik.

К «генам жизни» относятся: bcl-2 – его белок Bcl-2, bcl-XL и его белок – Bcl-XL.

Судьба клетки-мишени при поступлении сигнала к апоптозу – войдет ли она в апоптоз или сохранит жизнь себе, зависит от количества белка.

Так, если преобладает белок Bax над белком Bcl-2, клетка-мишень вступит в апоптоз. Если образуется комплекс из двух молекул Bax, т.е. Bax/Bax, то и в этом случае начнется апоптоз. При наличии достаточного количества молекул белка Bcl-2 происходит образование комплекса Bax/Bcl-2, в этом комплексе Bax теряет свою апоптотическую активность.

Митоптоз в реализации апоптоза

Доказано, что многие виды апоптоза реализуются через образование в мембране митохондрий пор белками «генов смерти». Это приводит к митоптозу, т.е. смерти митохондрии клетки-мишени, а неминуемое следствие этого – смерть клетки (В.П. Скулачев, 1996).

У провинившихся японских самураев тоже был один способ уйти из жизни – при отсутствии палачей: «делали себе харакири». В.П. Скулачев (1996) считает, что в биологии действует «самурайский закон», – «лучше умереть, чем ошибиться», начиная с уровня митохондрии и кончая человеком. Так как апоптоз реализуется одним механизмом, – через митоптоз, ученый применяет иногда термин «харакири» вместо слова «апоптоз».

Bcl-2 – главный ингибитор апоптоза и локализуется на наружной мембране митохондрий (Рис. 2). Белок Bax до получения сигнала к апоптозу находится в цитоплазме, а после сигнала мигрирует в мембраны митохондрий.

Видео: Вакцина против рака: индивидуальная вакцина на основе дендритных клеток

Рис. 2.

Митоптоз в реализации апоптоза

: f – «белок самоубийства» – AIF, вызывающий апоптические изменения в ядре клетки [цит. и рис. по: В.П. Ску- лачев (1996) с изменениями].

Этот белок связывается с внутренней мембраной митохондрии и открывает в ней поры, вызывая набухание матрикса митохондрии и разрыв ее внеш- ней мембраны. В результате из межмембранного пространства митохондрий выходит в цитозоль ряд белков: цитохром с, фактор, индуцирующий апоптоз или белок самоубийства – второй фактор, активирующий апоптоз, и прокаспаза

9. Именно эти белки осуществляют эффекторную стадию апоптоза – деградацию ДНК, изменения мембран и фрагментацию клетки в апоптозные тельца.

Белок AIF в своей структуре имеет адресную метку в ядро клетки- мишени. Он сразу из цитоплазмы проникает в ядро клетки, активирует нуклеазы, которые расщепляют ДНК, это приводит клетку-мишень к апоптозу.

Цитохром с вызывает апоптоз иначе. В цитоплазме этот белок связывается с белком Apaf-1 и молекулами прокаспазы 9 – это фермент протеаза- путем расщепления образуется каспаза 9. Она расщепляет прокаспазу 3 и образуется каспаза 3 – активный фермент, разрушает в клетке-мишени белки, ДНК, и клетка гибнет.

Оба пути апоптоза – через белок Apaf-1 и цитохром c схематично выглядят так: сигнал самоубийства митоптоз апоптоз (В.П. Скулачев, 2001).

В отличие от любой клетки многоклеточного организма раковая клетка – не часть ткани, а одноклеточный организм-паразит. Для клеток иммунной системы она «своя», так как ее протеом кодируется геномом организма-хозяина. Так как раковая клетка – организм, к ней должен применяться термин – феноптоз, а не апоптоз.

В инициации программы апоптоза важная роль принадлежит гену-супрессору wt53.

Белок этого гена – p53 локализован в ядре клетки и является регулятором транскрипции других генов – ген белка p21 и других, которые могут задерживать клетку в G-фазе клеточного цикла.

В норме ген wt53 в клетке молчит. При повреждениях ДНК происходит активация этого гена – много белка его. Он блокирует клеточный цикл в фазах G1 и G2 до репликации ДНК и митоза, делая возможной репарацию ДНК, и этим предотвращает появление клеток с эпимутациями и мутациями. Если репарация не произошла, то индуцируется апоптоз для защиты организма от присутствия дефектных по геному, т.е. предраковых клеток, способных превращаться в раковые клетки.

В половине случаев раковых клеток разного типа ген-супрессор wt53 имеет мутации. Это ведет к превращению предраковой клетки в раковую клетку и возникновению из нее рака. То есть раковая клетка в отличие от любой другой клетки не подвергается апоптозу, если в ней дефекты в ее генах- супрессорах.

Знания о «генах смерти» и «генах жизни» и их белках позволит управлять феноптозом раковых клеток.

Генетические изменения в раковых клетках, ведущие к подавлению обоих путей индукции апоптоза

В них закономерно обнаруживаются:

- потеря экспрессии на поверхности раковой клетки рецептора смерти Fas- при наличии бы рецептора Fas взаимодействие его с FAS-L или с моноклональными антителами приводило бы раковую клетку к феноптозу-

- нарушения проведения апоптогенного сигнала к митохондриям. Например, при мутации в «страже» генома гене wt53 и мутации или эпимутации в гене-супрессоре PTEN-

- ингибирование пор во внутренней мембране митохондрии для цитохрома c и AIF, вследствие экспрессии «генов жизни» через их белки – Bcl-2. Эти белки не дают открыть поры во внутренней мембране митохондрии-

- блокирование активации эффекторных каспаз. Например, при потере экспрессии белка Apaf-1 в результате метилирования его гена и др.

Пути использования индукции апоптоза в раковой клетке

Главная задача сегодня – как можно быстрее найти способы воздействия на молекулярные причины апоптоза, чтобы вызвать апоптоз раковых клеток. Над этим сейчас работают ученые во многих странах мира, в том числе и ученые нашей страны.

- индукция апоптоза раковых клеток путем введения в составе генетической конструкции свободных копий «гена смерти» bax- средством доставки является ретровирус, способный проникать именно в раковые клетки- перед этим вирус должен быть лишен способности к размножении. Это открыло значительные перспективы в генной терапии раковых клеток разного типа-

- замена мутированного «стража» генома – гена wt53 на нормальный с целью восстановления способности раковых клеток к феноптозу- средство доставки гена wt53 – ретровирус или лентовидный вирус-

- малые интерферирующие РНК, для выключения «гена жизни» – bcl-2 в раковой клетке- мишенью их служит его иРНК , которую они разрушают-

- доставка в раковую клетку «гена смерти», например, ген bax, что вызовет в ней феноптоз-

- подавление в раковой клетке генов с эпимутациями, создающими ее свойства, и замена генов-супрессоров с мутациями нормальными генами.

Очень многие патологические процессы в организме заканчиваются апоптозом.

Ключевым фактором в изучении апоптоза клетки оказался правильный выбор объекта для экспериментов ученых. На одноклеточных организмах – бактерии и др. апоптоз изучать невозможно. Млекопитающие очень сложны для исследования, так как состоят из большого числа клеток. Идеальное решение предложил в начале 60-х гг. С. Бреннер: выбор пал на нематоду.

В процессе апоптоза клетки разрушаются ее структуры, например, митохондрии, но при этом мембрана клетки остается целой.

Так клетка разрушает сама себя изнутри без каких-либо негативных последствий для организма. Клетка заканчивает свою жизнь самоубийством, когда получает сигнал на уничтожение. А отдают его специфические ферменты и белки, которые вырабатываются в клетке в нужном количестве и в нужный момент.

Эта программа строго контролируется многими генами, которые были открыты учеными. Одни охраняют полноценные клетки, другие дают сигнал на уничтожение исчерпавших свой срок или подвергшихся эпимутациям и мутациям. И лишь одни клетки не подвергаются апоптозу, очень часто – раковые. Причина: изменения в генах, регулирующих апоптоз в клетке.

Акад. В.П. Скулачев (2001) задает вопросы и отвечает на них сам так:

«Почему же должны умирать клетки человеческого организма? Да в том-то и дело, что они, как правило, не умирают от старости. Они кончают самоубийством. Как ни парадоксально это звучит, но есть все основания полагать, что смерть клетки запрограммирована. Так же, как запрограммировано отмирание органов: у растений это осенний листопад, у головастика – исчезновение хвоста, у эмбриона человека – рассасывание хвоста и жабер».

«В организме действуют программы не только на жизнь, но и на смерть, и клетка умирает не потому, что состарилась, а потому, что сама кончает счеты с жизнью, если возникает подозрение, что она может стать потенциально опасной или просто ненужной для окружающих тканей». «Клетка живет, пока получает информацию, что в ней все нормально, но когда возникает угроза серьезных неполадок, то срабатывает приказ ?уйти из жизни?».

Изучение апоптоза клетки и его регуляции генами помогают понять молекулярные причины не только образования раковой клетки, но и других болезней. Это позволяет клиницистам управлять этим процессом у пациентов. Уже с момента открытия «генов жизни» и «генов смерти» в дефектной клетке ученые начали создавать лекарства, которые бы могли вызывать апоптоз в раковых клетках.

1. В.Н. Пак и его группа (2000) разработали препарат, индуцирующий апоптоз в раковых клетках, и применили его для лечения пациентов, страдающих от рака. Они заставили раковые клетки покончить жизнь самоубийством. Ясно, что для запуска апоптоза надо вскрыть мембраны митохондрий в раковых клетках.

Ими создан препарат – «Редуцин», содержащий вещества, вскрывающие мембраны митохондрий. Средством доставки препарата в раковые клетки служит белок альфа-фетопротеин от человека, связывающийся только с раковыми клетками, так как на их поверхности имеется к нему эмбриональный белок- рецептор. Нормальные клетки таких рецепторов не имеют. Белок-транспортер доставляет это лекарство точно по адресу – прямо в раковые клетки. С помощью эндоцитоза белок проникает в раковую клетку с веществом, и она приступает к самоубийству через митоптоз.

Препарат «Редуцин» ученые уже применили для лечения нескольких пациентов, страдающих от рака и относящихся к IV клинической группе, по их просьбе и с их информационного согласия. Результаты лечения врачи оценили как «очень хорошие».

2. Активация прокаспазы 3 в раковых клетках химическим соединением и включение апоптоза.

Выше была подчеркнута роль прокаспазы 3, которая превращается в активный фермент – каспазу 3. Она разрушает в клетке-мишени белки, ДНК, и клетка гибнет.

П. Хергенротен (Paul Hergenrother, 2006) в составе международной группы ученых из университета штата Иллинойс задались целью – создать «синтетическое соединение», которое бы активировало прокаспазу 3 для включения апоптоза в раковых клетках. Оказалось, что в раковой клетке разного типа имеется избыток прокаспазы 3, но апоптоз не вызывается.

Из многих тысяч соединений на способность активировать прокаспазу 3 найдено было лишь одно. Оно было названо РАС-1 – соединение, активирующее прокаспазу 3, и «запускало апоптоз» в раковых клетках.

Ученые оценили эффект РАС-1 на клетках рака прямой кишки, взятые у 23 пациентов. Содержание прокаспазы 3 в них было в восемь раз выше нормы, что усиливало действие препарата.

В других экспериментах на мышах, которым прививали клетки рака почек и легких человека, показана эффективность препарата РАС-1 и нарастание ее с ростом количества прокаспазы 3 в раковых клетках (цит. по: Д. Биелло,2006).

«Потенциальная эффективность РАС-1 может быть оценена заранее в соответствии с содержанием прокаспазы 3 в раковых клетках и в соответствии с этим может быть назначено лечение», – заключает ученый.<< ПредыдушаяСледующая >>
Внимание, только СЕГОДНЯ!