Кіріспе

Жасушаның ішкі жасушалық бағдарлама арқылы өлімі, көбінесе даму процесінің бөлігі ретінде ақуыз. Бағдарламаланған жасуша өлімі (PCD; кейде жасушаның өзін-өзі өлтіруі деп аталады) – жасушаның апоптоз немесе аутофагия сияқты ішкі оқиғалар нәтижесінде болатын өлімі. PCD биологиялық процесс арқылы жүзеге асырылады, бұл организмнің өмірлік циклында әдетте пайдалы болады. Мысалы, дамушы адам эмбрионында саусақтар мен бақайшақтардың қалыптасуы саусақтар арасындағы жасушалардың апоптозы арқасында жүреді, нәтижесінде саусақтар бөлек болады. PCD өсімдіктер мен жануарлар тіндерінің дамуы кезінде маңызды функцияларды атқарады. Апоптоз және аутофагия – бұл бағдарламаланған жасуша өлімінің екі түрі. Некроз – жарақат немесе инфекция сияқты сыртқы факторлардың салдарынан болатын жасушаның өлімі. Бұрын некроз инфекция немесе жарақаттың нәтижесінде туындайтын физиологиялық емес процесс деп есептелсе, қазір ол бағдарламаланған жасуша өлімінің тағы бір түрі екені анықталды. Некроптоздың, вирустар немесе мутациялар сияқты ішкі немесе сыртқы факторлар апоптоз сигналдарын тоқтатып тастағанда, апоптозға резервтік балама ретінде қызмет ететіні болжанып отыр. Соңғы кезде некроптоз және апоптозбен бірнеше сигнал беру оқиғаларын ортақтайтын, басқа да реттелетін некроз түрлері табылды.

Тарих

1964 жылы Lockshin & Williams "апоптоз" термині пайда болғанға дейін сегіз жыл бұрын жәндіктер тіндерінің дамуымен байланысты "бағдарламаланған жасуша өлімі" ұғымын қолданды. Дегенмен, БЖӨ термині шатасу тудырды, сондықтан Durand және Ramsey бұл ұғымды механикалық және эволюциялық анықтамалармен дамытты. БЖӨ генетикалық компоненті бар жасуша өлімінің барлық түрлерін қамтитын жалпы терминге айналды. Механизмге алғашқы түсінік BCL2 зерттеуінен туды, ол фоликулярлы лимфомада жиі кездесетін хромосомалық транслокациялардың белсенділігінен пайда болатын күдікті онкогеннің өнімі. Басқа қатерлі ісік гендері жасушалардың көбеюін стимуляциялау арқылы қатерлі ісікті дамытуға көмектесетін болса, BCL2 лимфома жасушаларының өздігінен өлу қабілетін тоқтату арқылы қатерлі ісікті дамытты. БЖӨ зерттеулердің және зерттеу жұмыстарының күшейе түсуіне байланысты үлкен назар аударуда. Бұл тенденция 2002 жылы физиология және медицина саласындағы Нобель сыйлығының Сидней Бреннерге (Ұлыбритания), Х. Роберт Хорвицке (АҚШ) және Джон Э. Сулстонға (Ұлыбритания) табысталғандығымен назар аудартты.

Түрлері

Апоптоз немесе I типті жасуша өлімі. Автофагиялық немесе II типті жасуша өлімі. (Цитоплазмалық: ядроның жойылуына дейін нақты бір ретпен органеллаларды ыдырататын ірі вакуольдердің қалыптасуымен сипатталады.)

Апоптоз

Апоптоз – көпжасушалы организмдерде кездесетін бағдарламаланған жасуша өлімі (БЖӨ) процесі. Биохимиялық оқиғалар жасушаның ерекше өзгерістеріне (морфологиясына) және өліміне алып келеді. Бұл өзгерістерге жасуша қабығының бүршікленуі, жасушаның кішіреюі, ядроның фрагментациялануы, хроматиннің конденсациялануы және хромосомалық ДНК-ның фрагментациялануы жатады. Қазіргі кезде даму кезеңінде жасушалар өздігінен өлімге бейімделеді, ал гомеостаз жағдайында – белгілі бір тіршілік ету факторларының жетіспеуі өзіне-өзі қол жұмсауға итермелейді деп саналады. Осы өзіне-өзі өлтіру жолдарының морфологиясы мен биохимиясында да айырмашылықтар бар сияқты: кейбіреулері «апоптоз» жолын басып өтеді, ал енді біреулері жойылудың жалпыланған жолын ұстанады, бірақ екеуі де көбінесе генетикалық және синтетикалық факторлармен шақырылады. «Апоптоз» симптомдарының бірі – эндонуклеазаның белсенділігі генетикалық тізбекке қатыспастан, жалған түрде шақырылуы мүмкін екенін көрсететін деректер бар. Дегенмен, нағыз апоптоз бен бағдарламаланған жасуша өлімі генетикалық механизмдер арқылы жүзеге асуы керек. Сондай-ақ, митоз бен апоптоздың бір-бірімен байланысты немесе өзара әрекеттесетіні және олардың арасалмақтылығы тиісті өсу немесе тіршілік ету факторларынан түсетін сигналдарға байланысты екені анықталып келеді.

Сыртқы және ішкі жолдар[edit]

Апоптоз қажет болғанда екі түрлі мүмкін жол бар. Олар – экстренстік жол және ішкі жол. Екі жолдың да өзінде каспаздар қолданылады, олар жасуша өлімінің маңызды элементтері болып табылады.

Сыртқы жол[edit]

Экстринзикалық жол нақты рецептор-лиганд өзара әрекеттесуін қамтиды. FAS лиганды FAS рецепторына немесе TNF-альфа лиганды TNF рецепторына байланыстырады. Екі жағдайда да бастаушы каспазаның белсенділігі орын алады. Экстринзикалық жолды екі тәсілмен іске қосуға болады. Бірінші тәсіл – жылдам лиганд TNF-альфа байланысуы арқылы немесе цитотоксикалық T-жасуша арқылы. Цитотоксикалық T-жасуша мембранаға жабысып, granzyme B-нің босатылуын жеңілдетеді. Granzyme B нысана жасуша мембранасын тесіп, перфориннің босатылуына мүмкіндік береді. Соңында перфорин мембранада тесік жасайды және каспазаларды босатып, каспаза-3-тің белсенділігіне әкеледі. Бұл бастаушы каспаза белсенді емес каспаза-3-ті кесіп, оны белсенді каспаза-3-ке айналдыруы мүмкін. Бұл жасуша өлімін қозғау үшін қажетті соңғы молекула.

Ішкі жол[edit]

Ішкі жол жасуша зақымдануынан, мысалы ДНҚ зақымдануынан немесе ультракүлгін сәулеленуден туындайды. Бұл жол митохондрияда жүзеге асады және Bcl сенсорлары деп аталатын сенсорлар, сондай-ақ BAX және BAK деп аталатын екі ақуыз арқылы реттеледі. Бұл ақуыздар көптеген жоғары сүтқоректілерде кездеседі, себебі олар митохондрияның сыртқы мембранасын тесіп өте алады, осылайша апоптоз арқылы жасуша өлімінің маңызды бөлігін құрайды. Олар цитохром c-ның босатылуы үшін қажетті мембранадағы тесіктердің қалыптасуын қамтамасыз етеді. Алайда, цитохром c тек митохондриялық мембрана зақымдалған жағдайда ғана босатылады. Цитохром c анықталғаннан кейін апоптосома кешені құрылады. Бұл кешен жасуша өлімін тудыратын атқарушы каспазаны белсендіреді. Бұл жасушаларды өлтіру маңызды, себебі ол жасушалардың тым көп өсуіне, соның салдарынан қатерлі ісік сияқты ауруларға жол бермейді. Митохондрияда цитохром c-ның босатылуын тежейтін тағы екі ақуыз бар. Bcl 2 және Bcl xl апоптозға қарсы әсер етеді, демек жасуша өлімін болдырмайды. Bcl 2-нің жоғары белсенділігіне себеп болатын мутация болуы мүмкін. Бұл 14 және 18-хромосомалар арасындағы транслокация болып табылады. Мұндай жоғары белсенділік фолликулярлы лимфоманың дамуына әкелуі мүмкін.

Автофагия

Макроавтофагия, көбінесе автофагия деп аталады, – цитоплазманың көп бөлігін, аномальды ақуыз жиынтықтарын және артық немесе зақымдалған органеллаларды автофагосомалық лизосомалық деградация арқылы ыдырату нәтижесінде туындайтын катаболикалық процесс. Автофагия көбінесе қоректік заттардың жетіспеуінен белсендіріледі, бірақ сондай-ақ даму, дифференциация, нейродегенеративті аурулар, стресс, инфекция және қатерлі ісік сияқты физиологиялық және патологиялық процестермен де байланысты.

Механизм

Автофагияны индукциялаудың маңызды реттеушісі – киназа mTOR, ол белсендірілген кезде автофагияны басады, ал белсендірілмеген кезде оны ынталандырады. Ашытқыдағы Atg1-ге ұқсас рөл атқаратын үш серин/треонин киназасы, UNC 51 сияқты киназалар 1, 2 және 3 (ULK1, ULK2, ULK3) mTOR кешенінен төменгі ағыста әрекет етеді. ULK1 және ULK2 аутофагияға байланысты (Atg) ген өнімінің (mAtg13) сүтқоректілердегі гомологымен және FIP200 ілмектік ақуызымен үлкен кешен құрайды. Автофагияны индукциялау үшін hVps34, Beclin 1, p150 және Atg14 сияқты ақуыз немесе ультракүлгін сәулеленуге төзімділікпен байланысты ген (UVRAG) бар III класс PI3K кешені қажет. ATG гендері ATG12-ATG5 және LC3 II (ATG8 II) кешендері арқылы аутофагосоманың қалыптасуын бақылайды. ATG12, ATG7 және ATG10 қатысуымен жүзеге асатын убиквитинге ұқсас реакцияда ATG5-ке конъюгацияланады. ATG12–ATG5 конъюгаты ATG16-мен ковалентті емес өзара әрекеттесіп, үлкен кешен құрайды. LC3/ATG8 цитозолды LC3 I-ді өндіру үшін C-терминалында ATG4 протеазасымен кесіледі. LC3 I, ATG7 және ATG3 қатысуымен жүзеге асатын убиквитинге ұқсас реакцияда фосфатидилэтаноламинмен (PE) конъюгацияланады. LC3 липидтелген түрі, LC3 II деп аталады, аутофагосома мембранасына қосылады. Автофагия мен апоптоз оң және теріс байланыста, олардың арасында кең ауқымды өзара әрекеттесу бар. Қоректік заттардың жетіспеуі кезінде аутофагия тірі қалу механизмі ретінде жұмыс істейді, бірақ шамадан тыс аутофагия жасушалардың өліміне алып келуі мүмкін, бұл процесс морфологиялық тұрғыдан апоптоздан ерекшеленеді. TNF, TRAIL және FADD сияқты бірнеше проапоптотикалық сигналдар да аутофагияны тудырады. Сонымен қатар, Bcl 2 Beclin 1-ге тәуелді аутофагияны тежеп, тірі қалуды қамтамасыз ететін және аутофагияға қарсы реттеуші ретінде әрекет етеді.

Жүйке жүйесінің дамуындағы рөлі

Нерв жүйесінің бастапқы дамуы нейрондар мен олардың өскіндерінің жойылуымен теңдестіріледі. Нерв жүйесі даму кезінде шамамен 50% дамып келе жатқан нейрондар программаланған жасуша өлімі (ПЖӨ) арқылы табиғи түрде жойылады. Нерв жүйесіндегі ПЖӨ алғаш рет 1896 жылы Джон Бирд есімді ғалым анықтаған. Одан бері нейрондық даму кезіндегі оның биологиялық маңызын түсіну үшін бірнеше теориялар ұсынылды.

Жүйке дамуындағы рөлі

Дамушы жүйке жүйесінде жасушалардың бағдарламаланған өлімі (ПБӨ) пролиферацияланатын және митоз аяқталған жасушаларда байқалды. Бұл жасушалардың өлу процесі ми қабығының, мишаның, таламустың, ми сабағының және омыртқа миының ішіндегі басқа да аймақтарда анықталды. Бұл құбылысты түсіндіретін басым теория – невротрофтық теория, ол ПБӨ нейрондар мен олардың афференттік кірістері және эфференттік нысаналары арасындағы байланысты оңтайландыру үшін қажет екенін көрсетеді. Мүмкін, жүйке жүйесінің даму кезіндегі ПБӨ даму сатысына, жасуша түріне және тіпті түрге байланысты әртүрлі функцияларды атқарады. Ол, нысаналардың оптималды иннервациясын қамтамасыз ету үшін, алдымен нейрондардың артығы өндіріледі, содан кейін олар шектеулі мөлшердегі қорғаушы нейротрофтық факторлар үшін бәсекелеседі, нәтижесінде тек бір бөлігі ғана тірі қалады, ал қалғаны бағдарламаланған жасуша өлімі арқылы жойылады. Нысаналық жасушалар тартымды немесе индукциялық факторларды бөліп шығарады және олардың өсу конустарының хемотактикалық сезімталдығы бар деген негізгі идеяны алғаш рет 1892 жылы Сантьяго Рамон и Кахал ұсынды. Кахал бұл идеяны аксондар нысананы іздеу кезінде байқалатын "зор күштің" түсіндірмесі ретінде келтірді, бірақ оның эмпирикалық деректері болмағанын мойындады. Бұл теорияны одан әрі растаған тәжірибелер алғашқы нейротрофтық фактор – жүйке өсу факторын (ЖӨФ) анықтауға әкелді.

Перифериялық жүйке жүйесі мен орталық жүйке жүйесі

Различные механизмы регулируют ПКД в периферической нервной системе (ПНС) по сравнению с центральной нервной системой (ЦНС). В ПНС иннервация мишени пропорциональна количеству высвобождаемых мишенью нейротрофических факторов NGF и NT3. Экспрессия нейротрофиновых рецепторов, TrkA и TrkC, достаточна для индуцирования апоптоза в отсутствие их лигандов. Трансплантированные клетки погибли в возрасте двух недель, в тот же возраст, когда эндогенные интернейроны подвергаются апоптозу. Независимо от размера трансплантата, доля клеток, подвергающихся апоптозу, оставалась постоянной. Кроме того, нарушение функции TrkB, рецептора фактора роста мозга (Bdnf), не повлияло на гибель клеток. Также было показано, что у мышей с делецией проапоптотического фактора Bax (Bcl 2-ассоциированного X-белка) выжило большее количество интернейронов по сравнению с диким типом мышей. Мозг, спинной мозг и периферические ганглии этих мышей развиваются нормально, что позволяет предположить, что участие каспаз в ПКД во время развития зависит от области мозга и типа клеток. Нокаут или ингибирование активирующего фактора протеазы апоптоза 1 (APAF1) также приводит к мальформациям и повышенной эмбриональной летальности. Манипуляции с регуляторными белками апоптоза Bcl 2 и Bax (чрезмерная экспрессия Bcl 2 или делеция Bax) приводят к увеличению числа нейронов в определенных областях нервной системы, таких как сетчатка, тройничный нервный узел, мозжечок и спинной мозг. Однако ПКД нейронов в результате делеции Bax или чрезмерной экспрессии Bcl 2 не приводит к выраженным морфологическим или поведенческим аномалиям у мышей. Например, мыши с повышенной экспрессией Bcl 2 обычно имеют нормальные двигательные навыки и зрение и демонстрируют только нарушение сложных форм поведения, таких как обучение и тревожность. Нормальные поведенческие фенотипы этих мышей позволяют предположить, что может быть задействован адаптивный механизм для компенсации избытка нейронов. Сходство механизма асимметричной гибели клеток у нематоды и пиявки указывает на то, что ПКД может иметь эволюционное значение в развитии нервной системы. У нематоды ПКД происходит в первый час развития, что приводит к элиминации 12% негонадальных клеток, включая нейронные линии. Гибель клеток у членистоногих происходит в первую очередь в нервной системе, когда клетки эктодермы дифференцируются, и одна дочерняя клетка становится нейробластом, а другая подвергается апоптозу. Кроме того, гибель клеток, направленная на пол, приводит к различной нейронной иннервации определенных органов у самцов и самок. У Drosophila ПКД необходим для сегментации и спецификации во время развития. В отличие от беспозвоночных, механизм запрограммированной гибели клеток обнаруживается более консервативным у позвоночных. Обширные исследования, проведенные на различных позвоночных, показывают, что ПКД нейронов и глии происходит в большинстве частей нервной системы во время развития. Он наблюдается до и во время синаптогенеза как в центральной, так и в периферической нервной системе. Хотя синаптическая перестройка в системах позвоночных в значительной степени зависит от ПКД, другие эволюционные механизмы также играют роль. В статье "APL регулирует идентичность сосудистой ткани у Arabidopsis" Мартин Бонке и его коллеги заявили, что одна из двух систем дальнего транспорта у сосудистых растений, ксилема, состоит из нескольких типов клеток, "дифференциация которых включает отложение сложных утолщений клеточной стенки и запрограммированную гибель клеток". Авторы подчеркивают, что продукты ПКД растений играют важную структурную роль. Основные морфологические и биохимические особенности ПКД сохранились как в растительном, так и в животном царствах. Определенные типы растительных клеток осуществляют уникальные программы гибели клеток. Они имеют общие черты с апоптозом животных, например, деградацию ядерной ДНК, но также имеют свои особенности, такие как деградация ядра, вызванная коллапсом вакуоли в трахейных элементах ксилемы. Яннеке Балк и Кристофер Ливер из Департамента наук о растениях Оксфордского университета провели исследование мутаций в митохондриальном геноме клеток подсолнечника. Результаты этого исследования показывают, что митохондрии играют ту же ключевую роль в ПКД сосудистых растений, что и в других эукариотических клетках.

Ағзада кездесетін ПКД инбридтілікке жол бермейді

Аңтану кезінде өсімдіктер өздігінен ұрықтандыруды болдырмау үшін маңызды механизм ретінде өздігінен үйлесімсіздікті (СИ) пайдаланады. Астық құмырасын (Papaver rhoeas) зерттеу нәтижесінде, тозаңның түсетін тұқымдас бөлігіндегі ақуыздар тозаңмен өзара әрекеттесіп, үйлеспейтін (яғни, өздігінен) тозаңда программаланған жасуша өлімі (ПЖӨ) процесін іске қосатыны анықталды. Стивен Г. Томас және Верноника Э. Франклин Тонг зерттеушілері бұл жауаптың тозаң түтігінің өсуін жылдам тежеумен, одан кейін ПЖӨ-мен байланысты екенін көрсетті.

Слайд қалыптарында

Dictyostelium discoideum әлеуметтік шырыш көбелегі бір жасушалы түрінде жыртқыш амеба сияқты мінез-құлық танытуымен немесе келесі ұрпақтың пайда болуына себеп болатын спораларды тарату кезінде жылжымалы құрт сияқты формаға бірігуімен ерекшеленеді. Сабағы өлі жасушалардан құралған, олар белгілі бір ПКД (бағдарланған жасуша өлімі) процесіне ұшырайды, бұл аутофагиялық жасуша өлімінің көптеген ерекшеліктерін бөліседі: жасушалар ішінде ірі вакуольдердің пайда болуы, хроматиннің белгілі бір деңгейде конденсациялануы, бірақ ДНК фрагментациясы болмайды. Өлі жасушалар қалдырған қалдықтардың құрылымдық ролі өсімдік тініндегі ПКД өнімдерін еске түсіреді. D. discoideum – шырыш көбелегі, қазіргі уақыттан шамамен миллиард жыл бұрын еукариоттардың алғашқы ата-бабаларынан пайда болған эволюциялық тармақтың бір бөлігі. Олар жасыл өсімдіктердің, саңырауқұлақтардың және жануарлардың ата-бабалары ерекшеленгеннен кейін пайда болған деп саналады. Бірақ, эволюциялық ағаштағы орнынан өзге, ПКД-ның қарапайым, алты хромосомалық D. discoideum-да байқалғаны қосымша маңызға ие: ол апоптозға тән каспазаларға тәуелді емес ПКД даму жолын зерттеуге мүмкіндік береді.

Митохондриялық апоптоздың эволюциялық шығу тегі

Протистерде бағдарланған жасуша өлімі болуы мүмкін, бірақ ол әлі де даулы мәселе болып табылады. Кейбір ғалымдар бұл организмдердегі өлімді реттелмеген апоптоз сияқты жасуша өлімі ретінде жіктейді. Биологтар митохондриялардың ірі эукариотты жасушалардың эндосимбионттары (“ішінде бірге тіршілік ететін”) ретінде енген бактериялардан пайда болғанын ұзақ уақыттан бері күдіктенді. Линн Маргулис 1967 жылдан бастап осы теорияны жақтады, ол кейіннен кеңінен қабылданып, мойындалды. Бұл теорияны қуаттайтын ең сенімді дәлел – митохондрияның өз ДНК-сының болуы және гендермен, көбейту аппаратымен жабдықталғандығы. Бұл эволюциялық қадам энергия өндіретін бактерияларды жұта бастаған алғашқы эукариотты жасушалар үшін тәуекелге толы болды, сондай-ақ митохондрияның ата-тегі үшін де қауіпті болды, олар өздерінің протоэукариоттық иелеріне енуге тырысты. Бұл процесс әлі де адамның ақ қан жасушалары мен бактериялар арасында байқалады. Көбінесе, енген бактериялар ақ қан жасушаларымен жойлады; алайда, прокариоттар жүргізген химиялық соғыс сәтті аяқталуы да сирек емес, нәтижесінде зақымданудан туындаған инфекция пайда болады. Осы сирек кездесетін эволюциялық оқиғалардың бірі, қазіргі уақыттан шамамен екі миллиард жыл бұрын, белгілі бір эукариоттар мен энергия өндіретін прокариоттардың бірге тіршілік етуіне және олардың симбиозынан өзара пайда көруіне мүмкіндік берді. Митохондриялық эукариотты жасушалар өмір мен өлім арасында тұрақтап өмір сүреді, себебі митохондрияларда әлі де жасушаның өз-өзіне қол жұмсауын тудыратын молекулалар сақталып қалған. Апоптоз механизмі қазіргі кездегі бір жасушалы организмдерде неліктен сақталғаны әлі анық емес. Бұл процесс қазір тек бағдарламаланған жағдайда ғана жүзеге асырылады. Жасушаларға (мысалы, көрші жасушалардан кері байланыс, стресс немесе ДНК зақымдануы) сигнал келгенде, митохондриялар каспаза активаторларын бөліп шығарады, олар жасуша өлімін тудыратын биохимиялық тізбекті іске қосады. Осылайша, жасушаның өз-өзіне қол жұмсау механизмі енді баршамыздың өмірі үшін өте маңызды.

ДНҚ зақымдануы және апоптоз

ДНҚ зақымдануын жөндеу және апоптоз – адамдарда геномдық тұрақтылықты сақтау үшін маңызды екі ферменттік процесс. ДНҚ жөндеу қабілеті төмен жасушалар ДНҚ зақымдарын жинақтайды, ал егер мұндай жасушаларда апоптоз да бұзылған болса, олар ДНҚ зақымдарының шамадан тыс деңгейіне қарамастан тірі қалуға бейім. Мұндай жасушаларда ДНҚ репликациясы мутацияларға алып келеді, ал бұл мутациялар қатерлі ісіктерге себеп болуы мүмкін (суретті қараңыз). ДНҚ-ның әртүрлі зақымдарын жөндеу үшін бірнеше ферменттік жолдар қалыптасқан. ДНҚ жөндеу жолдарының жақсы зерттелген бесеуіндегі белгілі бір ферменттер екі қызмет атқаратыны анықталды: бірі – зақымданудың нақты класын жөндеуге қатысу, екіншісі – егер ДНҚ зақымдарының деңгейі жасушаның жөндеу мүмкіндігінен асып кетсе, апоптозды іске қосу.

c-Myc

c Myc апоптозды реттеуге қатысады, бұл Bcl 2 генін төмендету арқылы жүзеге асырылады. Оның рөлі - тіндің қалыптан тыс өсуіне себеп болу.

Метастаздар

Метастаздық жасушалардың молекулалық қасиеттерінің бірі – бірнеше апоптоз гендерінің экспрессиясының өзгеруі.

Ескертпелер мен сілтемелер

Шривастава, Р. Е. Молекулалық механизмдер (Humana Press, 2007). Кирзенбаум, А. Л. және Трес, Л. Л. (редактор Мадлен Хайд) (ELSEVIER SAUNDERS, Филадельфия, 2012).