ПОРАЖЕНИЕ КЛЕТКИ И СМЕРТЬ КЛЕТКИ
     
Benjamin F. Trump, Irene K. Berezesky

Практически вся медицина направлена на предотвращение смерти клетки при таких заболеваниях как инфаркт миокарда, травма и шок, либо причин, ее вызывающих, как в случае инфекционных болезней и рака. В связи с этим необходимо понимать природу и участвующие механизмы. Смерть клетки классифицировалась как "случайная", то есть вызванная токсичными агентами, ишемией и т. п., либо "программированной", что происходит во время развития эмбриона, включая образование пальцев и резорбцию хвоста головастика.

Таким образом, повреждение клетки и смерть клетки играют важную роль как в физиологии, так и патофизиологии. Физиологическая смерть клетки чрезвычайно важна во время эмбриогенеза и развития эмбриона. Исследование смерти клетки во время развития позволили получить важную информацию о протекающих процессах молекулярной генетики, особенно при изучении развития беспозвоночных животных. У этих животных было изучено точное расположение и значение клеток, которым предстоит пережить клеточную смерть, а при помощи классических методов мутагенеза был обнаружен ряд участвующих генов. В органах взрослых людей равновесие между смертью клеток и быстрым размножением клеток контролирует размер органов. В некоторых органах, например, кожа и кишечник, происходит постоянное обновление клеток. Так, например, клетки кожи дифференцируют, попадая на поверхность, а затем происходит их конечная дифференциация и смерть клеток, поскольку кератинизация предшествует образованию поперечно сшитых покровов.

Многие классы токсичных химических веществ способны вызывать острое поражение клетки с последующей смертью. К таким поражениям относится аноксия и ишемия и их химические аналоги, например, цианид калия; химический канцерогенез, образующий электрофилы, ковалентно связывающиеся с белками в нуклеиновых кислотах; окисляющие химические вещества, вызывающие окислительное поражение; активизация хромосомного набора, а также различные ионофоры кальция. Смерть клетки также является важным компонентом химического канцерогенеза; многие полные химические канцерогены в канцерогенных дозах вызывают острый некроз и воспаление с последующей регенерацией и пренеоплазией (предраковое состояние).

Определения

Поражение клетки
Поражение клетки определяется как событие или стимул, например, токсичное химическое вещество, нарушающее нормальный гомеостаз клетки, вызывая ряд событий (Рис. 33.9). Основными мишенями смертельного поражения являются синтез АТФ, нарушение целостности плазменной мембраны либо устранение необходимых факторов роста.

--------------------------------------------------------------------------------
     
Рис. 33. 9     Поражение клетки   

    
--------------------------------------------------------------------------------     

Летальное поражение приводит к смерти клетки после различного периода времени в зависимости от температуры, вида клетки и стимула; поражение может быть сублетальным либо хроническим, то есть вызывать изменение гомеостаза, которое не будучи аномальным, не приводит к смерти клетки (Trump and Arstila 1971; Trump and Berezesky 1992; Trump and Berezesky 1995; Trump, Berezesky and Osornio-Vargas 1981). В случае летального поражения существует фаза, предшествующая смерти клетки, называемая "предлетальная фаза". Если поражающие стимулы, например, аноксия, будут ликвидированы в этот период времени, клетка выживет; однако спустя определенный промежуток времени ("критическая точка" или момент смерти клетки) устранение поражающего фактора не приводит к восстановлению, в клетке происходит деградация и гидролиз, в конечном итоге достигается физико-химическое равновесие с окружающей средой. Эта фаза называется некрозом. Во время предлетальной фазы происходит ряд принципиальных изменений в зависимости от клетки и типа поражения. Эти процессы называются апоптоз и онкогенез.

Апоптоз
Апоптоз образовано из греческих слов apo, что означает "из", и ptosis, что означает "падать". Термин "выпадение" основан на том факте, что во время данного типа предлетальных изменений клетки сжимаются и на их периферии образуются заметные пузырьки. Затем пузырьки отделяются и удаляются от клетки. Апоптоз происходит у различных видов клетки в результате различных видов токсического поражения (Wyllie, Kerr and Currie 1980). Этот процесс наиболее выражен у лимфоцитов, являясь доминирующим механизмом обмена лимфоцитных клонов. Образующиеся фрагменты составляют базофильные тела, различимые в макрофагах в лимфатических узлах. В других органах апоптоз, как правило, происходит в единичных клетках, которые быстро убираются до и после смерти фагоцитами в частицах паренхимальных стенок либо макрофагами. Апоптоз, происходящий в единичных клетках без последующего фагоцитоза, как правило, не вызывает воспаления. Перед смертью у апоптических клеток отмечается очень плотный цитозоль с нормальными или концентрированными митохондриями. Эндоплазматический ретикулюм (ЭР) нормальный или слегка расширенный. Ядерный хроматин сгруппирован вокруг ядерной оболочки и вокруг ядра. Контуры ядра имеют неправильную форму, и происходит ядерная фрагментация. Конденсация хроматина связана с фрагментацией ДНК которая, в ряде случаев, происходит между нуклеосомами, образуя характерную лесенку при электрофорезе.

При апоптозе повышенное содержание  может стимулировать приток  , что приводит к сжатию клетки, что, по видимому, требует участия АТФ. Таким образом, поражение клетки, полностью ингибирующее синтез АТФ, вероятнее всего приводит к апоптозу. Постоянное повышение уровня  вызывает ряд разрушительных эффектов, включая активацию протеазы, эндонуклеазы и фосфолипазы. Активация эндонуклеазы приводит к разрыву одинарных и двойных цепей ДНК, что в свою очередь, стимулирует повышенный уровень p53 и поли-АДФ рибосиляцию, а также белков ядра, необходимых для восстановления ДНК. Активация протеазы изменяет ряд субстратов, включая актин и смежные белки, приводя к образованию пузырьков. Другим важным субстратом является поли(АДФ-рибоза)полимераза (PARP), ингибирующая восстановление ДНК. Повышенный уровень  также связан с активацией ряда белковых киназ, например, MAP киназа, кальмодулин киназа и другие. Эти киназы участвуют в активации факторов транскрипции непосредственно-ранних генов, например, c-fos, c-jun и c-myc, а также активации фосфолипазы , вызывая проницаемость плазматической мембраны и внутриклеточных мембран, таких как внутренняя мембрана митохондрии.

Онкогенез
Онкогенез, образованный от греческого слова onkos, что означает "набухать", назван так потому, что при данном типе предлетальных изменений клетка начинает разбухать почти сразу же после повреждения (Majno and Joris 1995). Причиной разбухания является повышенное содержание катионов во внутриклеточной воде. Основным катионом является натрий, который обычно регулируется для поддержания объема клетки. Однако в отсутствие АТФ либо при ингибировании Na-ATPase в плазмалемме, контроль объема теряется, так как межклеточный белок и содержание натрия в воде продолжают расти. Среди ранних событий онкогенеза следует отметить увеличение  в результате либо притока из межклеточного пространства, либо высвобождения из межклеточных запасов. Это приводит к разбуханию цистоли, разбуханию эндоплазматического ретикулюма и аппарата Гольджи (Golgi), а также образованию водяных пузырьков вокруг поверхности клетки. Митохондрии сначала проходят стадию конденсации, а затем также разбухают с высокой амплитудой из-за нарушения внутренней мембраны митохондрий. При этом типе предлетальных изменений хроматин проходит через стадии конденсации и деградации; однако характерная для апоптоза лесенка не наблюдается.

Некроз
Некроз обозначает серию изменений, происходящих после смерти клетки, когда клетка превращается в остатки, обычно удаляемые в процессе воспалительной реакции. Можно выделить два вида некроза: онкотический некроз и апоптический некроз. Онкотический некроз обычно происходит в обширных зонах, например, при инфаркте миокарда или локально в органе после токсического действия, например, проксимальные канальцы почек после приема внутрь . При этом затрагивается обширная зона органа, а некротические клетки быстро вызывают воспалительную реакцию, вначале острую и затем хроническую. В случае выживания организма, за некрозом органов следует удаление мертвых клеток и регенерация, например, в печени или почках в результате токсичности химических веществ. Напротив, апоптический некроз обычно происходит на базе единичной клетки, а некротические остатки образуются в фагоцитах макрофагов или смежных стенках паренхимы. Ранние проявления некроза включают нарушения целостности плазматической мембраны и появление флоккулентных уплотнений, являющимися денатурировнными белками с матриксой митохондрии. При некоторых видах поражения, когда на ранней стадии не нарушается аккумуляция кальция в митохондрии, отложения фосфата кальция можно увидеть внутри митохондрии. Фрагментация других мембранных систем аналогична ЭР, лизосомам и аппарату Гольджи. В конечном итоге хроматин подвергается лизису под воздействием гидролаз лизосомы. После смерти клетки гидролазы лизосомы играют важную роль в удалении остатков с помощью катепсинов, нуклеолаз и липаз, так как они имеют оптимальную рН и выживают при низкой рН некротизирующих клеток, тогда как другие клеточные энзимы подвергаются денатурации и инактивации.

Механизмы

Исходный стимул
При летальном поражении клетки наиболее распространенным исходным взаимодействием, вызывающим поражение и смерть клетки, является нарушение энергетического обмена, например, аноксия, ишемия или затруднение дыхания, а также гликолиз, например, цианид калия, коноксид углерода, йодацетат и т. д. Как отмечалось выше, высокая доза соединений, ингибирующих энергетический обмен, как правило, приводит к онкогенезу. Другим распространенным видом исходного поражения, приводящего к поражению клетки, является изменения функции плазматической мембраны (Trump and Arstila 1971; Trump, Berezesky and Osornio-Vargas 1981). Это может быть прямое поражение или проницаемость, как, например, при травме или активации комплекса C5b-C9 хромосомного набора, либо механическое повреждение клеточной мембраны либо ингибирование кальций-калиевого  насоса с гликозидами, например, уабаин. Ионофоры кальция, например, иономицин или A23187, быстро переносящие  вниз по градиенте в клетку, также вызывают смертельное поражение. В некоторых случаях предлетальные изменения следуют модели апоптоза, в других - онкогенеза.

Сигнальные тракты
При различных видах поражения происходит быстрое нарушение дыхания митохондрий и оксидативной фосфориляции. В некоторых клетках это стимулирует анаэробный гидролиз, способный поддерживать АТФ, однако многие виды поражений ингибируют этот процесс. Дефицит АТФ лишает энергии ряд процессом гомеостаза, в частности, контроль гомеостаза межклеточных ионов (Trump and Berezesky 1992; Trump, Berezesky and Osornio-Vargas 1981). Это приводит к быстрому росту уровня , а повышенное содержание  и  приводит к разбуханию клетки. Возрастание  приводит к активизации ряда других сигнальных механизмов, обсуждаемых ниже, включая серию киназ, в результате чего возрастает транскрипция прямых ранних генов. Повышенный уровень  также изменяет цитоскелетную функцию, частично приводя к образованию пузырьков и активации эндонуклеазы, протеазы и фосфолипазы. Они, по-видимому, вызывают различные важные эффекты, описанные выше, например, нарушение мембраны путем активации протеазы и липазы, прямой деградации ДНК в результате активации эндонуклеазы, а также активацию киназ, например, MAP киназы и кальмодулиновой киназы, действующей как фактор транскрипции.

В результате длительного изучения развития беспозвоночных, таких как С. elegans и Drosophila, а также клеток человека и животных, были выявлены про-смертельные гены. Гены некоторых беспозвоночных имеют партнеров у млекопитающих. Например, ген ced-3, необходимый для программирования смерти клетки у C. elegans, обладает протеазной активность и имеет сильную гомологию с человеческим ферментом, преобразующим интерлевкин (ICE). Недавно установлено, что тесно связанный с ним ген, называемый апопаин или prICE, имеет еще более тесную гомологию (Nicholson et al. 1995). У Drosophila ген жатки, по-видимому, участвует в создании сигнала, вызывающего запрограммированную смерть клетки. Другие гены, вызывающие смерть, включают F в качестве белка мембраны, а также важный ген p53, подавляющий развитие опухолей, который повсеместно консервируется. Ген p53 индуцируется на белковом уровне после поражения ДНК, а после фосфориляции становится фактором транскрипции других генов, таких как gadd45 и waf-1, участвующих в передаче сигналов о смерти клетки. Другие прямые ранние гены, например, c-fos, c-jun, и c-myc, по-видимому, также участвуют в некоторых системах.

В то же время, существуют анти-смертельные гены, которые, во-видимому, противодействуют про-смертельным генам. Первым из них был идентифицирован ген ced-9 у C. elegans, который гомологичен гену bcl-2 у человека. Эти гены действуют пока что невыясненным путем, препятствуя поражение клетки генетическими или химическими токсинами. Недавние исследования показали, что ген bcl-2 может действовать как антиокислитель. В настоящее время предпринимается много усилий для того, чтобы выяснить роль этих генов, а также разработать способы их активации или ингибирования, в зависимости от ситуации.