Використана література:
Фізіологія людини. У 3-х томах. / Під ред. Р. Шмідта і Р.Тевса.- М.: Світ, 1996. – 333 с.
Варенюк І.М. Біологія постембріонального розвитку. Курс лекцій. Київ -2009. – 157с.
Тема 2.
Явище апоптозу та його значення в онтогенезі
Загальна характеристика апоптозу. Приклади апоптозу
Шляхи апоптозу клітини.
Молекулярі механізми апоптозу.
Шляхи активації апоптозу.
Апоптосома.
Апоптоз у рослин.
Питання 1.
Загальна характеристика апоптозу
Апоптоз - запрограмована загибель клітини у відповідь на зовнішні або внутрішні сигнали. Апоптоз проходить під час нормального розвитку, але може бути результатом раку, ВІЛ, хвороби Альцгеймера.
У багатоклітинних організмів (тварин, рослин і грибів) загибель клітин - це генетично закладена програма. Формоутворюючі процеси в онтогенезі, позитивна и негативна селекція Т- и В-лімфоцитів у тварин, гіперчутлива відповідь рослин на проникнення патогена, осінній листопад – тільки деякі приклади запрограмованої клітинної смерті (ЗКС). ЗКС сприяє збереженню порядку і нормального функціонування біологічної системи, очищуючи від непотрібних, хворих клітин, а також клітин, які закінчили свій життєвий цикл або утворилися внаслідок мутацій.
Процес апоптозу є необхідним для фізіологічного регулювання кількості клітин організму, для знищення старих клітин, для формування лімфоцитів, що не є реактивними до своїх антигенів (аутоантигенів), для осіннього опадання листків рослин, для цитотоксичної дії Т-лімфоцитів кіллерів, для ембріонального розвитку організму (зникнення шкірних перетинок між пальцями у ембріонів птахів) та іншого.
7 жовтня 2002 р. Нобелівський комітет по фізіології і медицині в Каролінському інституті Стокгольма оголосив про присудження премії С.Бреннеру, X.P.Xopвіцу і Дж.Салстону «за відкриття в області генетичної регуляції розвитку організмів і запрограмованої смерті клітини».
Бреннер відкрив і довів генетичний контроль онтогенезу, інші дослідники відкрили «гени смерті». Було очевидно, що онтогенез неможливий без ліквідації окремих клітик, ділянок тканин і навіть цілих органів, які виникають на певних етапах індивідуального розвитку, щоб потім зникнути при формуванні дорослого організма. Незрозумілими було тільки те, проходить така ліквідація шляхом фагоцитоза або або яким-небудь іншим шляхом. Свої эксперементи вчені проводили на нематоді Caenorhabditis elegans. Цей об'ект має такі преваги:
a)дуже малі розміри (длиной около 1 мм);
б) прозоре тіло;
в) живе всього декілька тижнів.
Рис. Нематода Caenorhabditis elegans
Тому було просто прослідкувати долю кожної із 959 її складових від заплідненої яйцеклітини до дорослої особини. Бреннер використовував мутаген (метилетансульфонат) і отримав мутації, що зупиняють розвиток етапів онтогенеза, та ідентифікував гени, що відповідають за них.
Салстон звернув увагу на те, що доросла нематода повинна була б складатися з 1090 клітин, а не з 959, таким чином 131 клітина гине в ході онтогенезу шляхом запрограмованої смерті (апотозу).
Салон ідентифікував перший ген клітинного самогубства - nuc-1, небхідний для деградації ДНК у гинучій клітині. У 70-ті роки Хорвіц продовжив досліди Бреннера і відкрив гени ced-З і ced-4, необхідні для клітинного самогубства. Він також описав ген ced-9, який стримує клітину від апоптозу, і знайшов відповідні гени у вищих тварин і людини.
Апоптоз і некроз – два варіанти клітинної смерті.
Апоптоз у тварин – це ряд послідовних явищ:
перехід фосфатидилсерину із внутрішнього моношару цитоплазматичної мембрани у зовнішній моношар,
зменшення об'єму клітини,
зморщення цитоплазматичної мембрани,
конденсація ядра - каріорексис (маргінація гетерохроматину) і каріопікноз (здавлювання ядер) і утворення кільця із окремих уламків,
розриви нитки ядерної ДНК і роспад ядра на частини,
фрагментація клітини на мембранні везикули з внутрішньоклітинним вмістом (апоптозні тільця), які фагоцитуються макрофагами і сусідніми клітинами.
Приклади апоптозу
В клітині пройшла мутація, яка може призвести до пухлинних утворень у тканині, коли вона стає непотрібною для організму, наприклад, в процесі онтогенетичного развитку або на завершальних етапах інфекційного процесу, коли організм не потребує вироблення антитіл (лімфоцити).
Під час нормального розвитку організму апоптоз виникає в клітинах при формуванні форми або структури органа. Наприклад, при утворенні кінцівки миші деякі клітини піддаються апоптозу і утворюються пальці.
Рис. Апоптоз під час нормального розвитку кінцівки миші. Апоптовані клітини (зліва) позначені жовтим. Ця ж кінцівка (справа) через один день. [Alberts]
Деякі птахи, такі як качка, мають перепонки між пальцями, тоді як в інших птахів, такі як курка, перепонок нема. В ранньому ембріогенезі курки і качки мають перепонки між пальцями. Специфічний білок BMP4 утворюється в клітинах між пальцями, запускаючи клітинну смерть цих клітин. Інший білок BMP (gremlin) утворюється навколо пальців у обох птахів і тільки у качок утворюється і в клітинах перепонок, запобігаючи запуск апоптозу в них. Якщо додати білок gremlin в перепонку ембріонів курки, то вона не піддається апоптозу і зберігається.
Рис. Зліва лапка курки після додавання в перепонку білка Gremlin (перепонказбереглась), справа контрольный експеримент без додавання білка (перепонка піддається апоптозу).
Метаморфоз головастика жаби. Под дією тиреоїдного гормону при метаморфозі головастика жаби, запускається апоптоз і хвіст головастика зникає. [Alberts, 4th edition]
Рис. Головастик жаби та доросла особина.
Патологічною формю клітинної смерті є некроз. Такий процес проходить тоді, коли Т-кіллер своєчасно не вирішив долю інфекційної клітини, запрограмувавши її на шлях апоптозу. Вірус або інший паразит, розмножуючись в клітині, руйнує її: клітина лізується, її вміст виходить у міжклітинний простір. Деякі внутрішньоклітинні паразити, включаючи найпростіших Toxoplasma gondii (збудник токсоплазмоза), здатні до пригнічення апоптозу. Нове покоління паразитів переходить у сусідні клітини, наносить всьому організму згубний вплив. Починається запальний процес, результатом якого може бути як одужання, так і смерть організму. Некротичну смерть можуть викликати фізичні або хімічні пошкодження, наприклад, обмороження або опік, органічні розчинники, гіпоксія, гіпотонічний шок та ін. Наявність або відсутність запалення у тварин використовують як ознаку, яка дозволяє відрізнити апоптоз від некрозу.
Некроз характеризується розривом цитоплазматичних і внутрішньоклітинних мембран, що призводить до руйнування органел, вивільнення лізосомних ферментів і вихід вмісту цитоплазми у міжклітинний простір. При апоптозі зберігається цілісність мембран, органели виглядають морфологічно інтактними, а продукти дробіння клітини, апоптозні тільця (або везикули) являють собою окремі фрагменти, оточені мембраною.
Рис. 1. Зміни ультраструктури клітин тварин при некрозі і апоптозі.
1 – нормальна клітин, 2 – апоптолітичне зморщування клітини з утворенням сморщивание клетки с образованием міхур частих виростів, 3 – фрагментація клітини з утвореннням апоптолітичних везикул, 4 – набухання клітини при некрозі, 5 – некротична дезінтеграція клітини.