Начало >> Статьи >> Архивы >> Основы иммунологии (Ярилин)

Апоптоз - Основы иммунологии (Ярилин)

Оглавление
Основы иммунологии (Ярилин)
Введение
Лимфоциты
В-лимфоциты
Субпопуляции В-лимфоцитов
Т-лимфоциты
Генез Т-лимфоцитов
Формирование рецептора Т-клеток для антигена
Кортикальные тимоциты и селекция их клонов
Формирование субпопуляций Т-клеток
Подготовка Т-клеток к эмиграции, эмиграция и заселение
Маркеры Т-лимфоцитов, определение Т-клеток и их субпопуляций
NK-клетки
Моноциты и макрофаги
Дендритные клетки
Нейтрофилы
Эозинофилы
Базофилы и тучные клетки
Тромбоциты
Стромальные клетки
Структурная организация иммунной системы
Структурная организация иммунной системы - костный мозг
Структурная организация иммунной системы - тимус
Лимфоидные клетки тимуса
Микроокружение, инволюция тимуса
Периферические лимфоидные органы - структурная организация иммунной системы
Лимфоидные ткань и структуры, связанные со слизистыми оболочками
Лимфоидная ткань, связанная с кожей
Кровь и лимфа
Рециркуляция лимфоцитов
Молекулы адгезии
Преодоление сосудистого барьера и миграция лимфоцитов в ткань
Рециркуляция лимфоцитов и взаимодействие со стромой лимфоидных органов
Факторы естественного иммунитета
Вовлечение и активация клеток—эффекторов естественного иммунитета
Фагоцитоз
Адгезия фагоцитов к объекту фагоцитоза
Активация фагоцитов при адгезии, погружение частицы
Формирование фаголизосомы, лизис и расщепление фагоцитированных клеток
Секреторная активность фагоцитов
Киллерная активность фагоцитов
Функционирование естественных киллеров
Гуморальные факторы естественного иммунитета
Классическая активация комплемента
Альтернативная активация комплемента
Атака клеточной мембраны
Роль комплементзависимых процессов в иммунной защите
Медиаторы воспаления
Белки острой фазы
Другие медиаторы воспаления
Молекулярные и клеточные основы адаптивного иммунитета
Мембранные иммуноглобулины
Fc-рецепторы
Рецепторный комплекс Т-лимфоцитов TCR-CD3
Формирование разнообразия антигенраспознающих молекул лимфоцитов
Антигены и их взаимодействие с антителами
Иммуногенность антигенов
Тимуснезависимые антигены, толерогенность
Специфичность антигенов
Взаимодействие антигенов и антител
Антигены и Т-клетки
Процессинг и презентация антигенов Т-клеткам
Особенности антигенов, распознаваемых Т-клетками
Молекулярные основы межклеточных взаимодействий
Интегрины, цитокины
Интерлейкины
Интерлейкины - факторы некроза опухолей
Интерфероны
Трансформирующий фактор роста
Эффекты цитокинов на уровне организма
Активация лимфоцитов
Дальнейшая передача сигнала и формирование транскрипционных факторова активации лимфоцитов
Сигналы лимфоцитов, включаемые через корецепторы
Сигнализация лимфоцитов, запускаемая цитокинами
Продвижение активации лимфоцитов по клеточному циклу
Дифференцировка лимфоцитов
Дифференцировка Т-хелперов
Дифференцировка цитотоксических Т-лимфоцитов и Т-клеток памяти
Апоптоз
Нобелевские премии, литература

Еще одним исходом процесса активации лимфоцитов служит их программированная гибель по механизму апоптоза. По своим проявлениям он существенно отличается от другой формы гибели клеток — некроза, развивающегося при попадании клеток в неадекватные условия или при действии цитолитических агентов типа комплемента (табл. 65). Апоптоз в сущности представляет собой самоубийство клетки, поскольку он осуществляется вследствие срабатывания собственных внутренних механизмов клетки. В наиболее яркой и массовой форме апоптоз лимфоцитов реализуется в процессе их развития (в случае Т-клеток — в коре тимуса, при созревании В-клеток — в костном мозгу, см. раздел 1.1.1). В связи с этим тимоциты служат «излюбленной» моделью для изучения данного процесса. Покоящиеся зрелые лимфоциты апоптозу не подвержены. Однако они становятся чувствительными к индукции апоптоза после активации: по этому механизму гибнет значительная часть лимфоцитов при развертывании иммунного ответа и все эффекторные клетки — в определенные сроки после завершения выполнения функций. Среди форм лимфоцитов, индуцированных в результате антигенной стимуляции, лишь клетки памяти не подвергаются апоптозу или подвергаются ему спустя очень длительный срок после их возникновения.
Морфологические признаки апоптоза состоят в уменьшении размеров клетки, уплотнении и фрагментации хроматина с появлением скоплений хроматина, прилегающих к ядерной оболочке. В последней образуются инвагинации, что приводит к образованию апоптотических телец — фрагментов ядра, окруженных мембраной. В цитоплазме происходят конденсация и сморщивание гранул, расширение эндоплазматического ретикулума. Мембрана теряет микроворсинки и нормальную складчатость, образует пузыревидные вздутия. Клетки утрачивают связь с субстратом. Целостность мембраны нарушается позже. Клетки погибают по одиночке и очень быстро фагоцитируются, поскольку на их поверхности «открываются» молекулы, распознаваемые фагоцитирующими клетками (тромбоспондин, фосфолипиды, содержащие фосфосерин, гликоконъюгаты, содержащие концевой β-D-N-ацетилглюкозамин).

Таблица 65. Сравнительная характеристика апоптоза и некроза клеток

Показатель

Апоптоз

Некроз

Пусковой фактор

Сигнал, воспринимаемый мембранными рецепторами, или отсутствие физиологического сигнала

Токсические и мембрано- тропные агенты, неадекватные внешние условия

Скорость развития

1-12 ч

В пределах 1 ч

Локализация первичного повреждения

В ядре

В мембране

Причины гибели клетки

Деградация ДНК, нарушение энергетики клетки

Нарушение целостности мембраны

Изменение размера клетки

Уменьшение (сморщивание)

Увеличение (набухание)

Изменения ядра

Конденсация хроматина, пикноз, фрагментация

Набухание

Изменения в цитоплазме

Конденсация цитоплазмы, уплотнение гранул

Лизис гранул

Изменения клеточной мембраны

Потеря микроворсинок, образование вздутий

Нарушение целостности

Состояние ДНК

Разрывы с образованием сначала крупных, затем мелких фрагментов

Неупорядоченная деградация

Энергозависимость

Зависит

Не зависит

Зависимость от синтеза макромолекул

 

«· и

Примеры проявления

Метаморфоз, отрицательная селекция лимфоцитов, гормонозависимая атрофия, интерфазная радиационная гибель лимфоцитов

Гибель клеток от гипоксии, действия токсинов, вирусный цитолиз, комплемент- зависимый цитолиз

Методы выявления морфологические

Сморщивание клетки

Набухание клетки

тинкториальные

Ослабление окрашиваемости ДНК-тройными красителями

Восприятие суправитальных красителей

цитофлюориметрические

Гиподиплоидность, уменьшение размеров клетки

электрофоретические

Формирование дискретных фракций («лесенки») при электрофорезе ДНК

Размазанное пятно при электрофорезе ДНК

Наиболее ярким проявлением апоптоза на молекулярном уровне служит фрагментация ДНК. Сначала образуются крупные фрагменты ДНК (30 000—700 000 пар оснований). Затем происходит межнуклеосомная деградация ДНК — ее расщепление в результате формирования разрывов между нуклеосомами (ядерными структурами, представляющими собой нечто подобное катушкам, на которые намотаны нити ДНК определенной длины) с формированием фрагментов, содержащих 180—190 пар оснований (протяженность нити ДНК в нуклеосоме) или кратных им по величине. Эти фрагменты выявляются при электрофорезе ДНК апоптотических клеток в виде «лесенки» — дискретных полос, соответствующих дискретности по молекулярной массе образующихся фрагментов ДНК. Электрофоретический метод широко используют для идентификации апоптотической гибели клеток. На регистрации снижения содержания в клетке ДНК (появление фракции гиподиплоидных клеток) основан цитофлюорометрический метод определения апоптоза.
Деградация хроматина является активным процессом: зависит от температуры, блокируется энергетическим ядом азидом натрия, требует синтеза РНК и белка de novo, ингибируется при связывании ионов Са, действии ионов Zn. Осуществление различных этапов деградации ДНК связывают с проявлением активности разных ферментов. Межнуклеосомная деградация ДНК обусловлена активацией ядерной Ca2+/Mg2+-зaвисимой эндонуклеазы.
Большой прогресс в понимании природы и генетической детерминации апоптоза был достигнут при изучении контроля клеточной гибели у нематоды Caenorhabditis elegans, отличающейся очень жестким гомеостазом суммарного числа клеток. На этой модели вычленено 4 уровня контроля апоптоза, реализуемых с участием 14 генов: выбор гибели, осуществление гибели, фагоцитоз и переваривание погибших клеток. Гомологи трех генов, контролирующих вторую стадию, обнаружены у млекопитающих.
Апоптоз может быть вызван различными индукторными факторами. В иммунной системе чаще других реализуются три формы апоптоза: гибель клеток вследствие дефицита факторов роста, апоптоз, вызванный глюкокортикоидами и другими агентами со сходным действием, и «активационный» апоптоз (табл. 66). Именно последняя разновидность апоптоза свойственна зрелым лимфоцитам. «Активационный» апоптоз развивается в результате дисбаланса активационных сигналов или вследствие экспрессии и последующего связывания специализированных рецепторов для индукторов апоптоза.
Апоптоз обычно развивается в пределах 12—16 ч после действия индукторных факторов. Это сопровождается экспрессией 10—13 генов, среди которых гены, детерминирующие некоторые из названных ферментов.
Специализированным рецептором сигналов к индукции апоптоза является мембранная молекула Fas (CD95, мол. масса 48 000), которая принадлежит к семейству рецепторов для ФНО/фактора роста нервов. В состав цитоплазматической части этой трансмембранной молекулы входит уже упоминавшийся «домен гибели», свойственный лишь немногим представителям этого семейства (например, ФНО-рецептору 1 типа, р55). Естественным лигандом для Fas-рецептора служит лиганд FasL (гомолог ФНОα), также экспрессирующийся на части клеток под влиянием активации. У мышей с мутациями, затрагивающими гены fas или fasl (соответственно мутации lрr и gld), подавляется апоптоз периферических лимфоцитов, что сопровождается развитием аутоиммунного (волчаночного) и лимфопролиферативного синдромов (см. раздел 5.3). При этом селекция тимоцитов почти не нарушается: патология затрагивает преимущественно периферические клетки иммунной системы.

Таблица 66. Разновидности сигналов, приводящих к развитию апоптоза


Сигналы

Природа сигнала

Примеры

Внеклеточные
сигналы

Антиген

Отрицательная селекция тимоцитов

Гормон

Действие глюкокортикоидов

Цитокин или его аналог

Fas-зависимый апоптоз, цитолиз, вызванный ФНОα или β

Внутриклеточные сигналы

Повреждение хромосом

Радиационная гибель лимфоцитов в интерфазе. Действие топоизомераз

Дефицит
сигнала

Цитокиновый

Гибель кроветворных клеток при дефиците цитокинов. Гибель активированных Т-клеток в отсутствие ИЛ-2

Корецептор

Активация Т-клеток в отсутствие сигнала с CD28

Известно несколько цитоплазматических белков, способных взаимодействовать с «доменами гибели» и передавать в клетку поступающий через них сигнал апоптоза, FADD (мол. масса 23 000) и RIP. Белок FAP-1, связывающийся с С-концом Fas-рецептора, наоборот, ингибирует включение сигналов к развитию апоптоза.
Передача сигнала к апоптозу в значительной степени сходна с внутриклеточной сигнализацией при активации клеток, хотя имеются и существенные различия. Многие сигнальные пути и конкретные факторы, упоминавшиеся при рассмотрении активации лимфоцитов (см. раздел 3.5.1), «задействованы» при включении апоптоза. Наиболее ярким проявлением сходства и одновременно различий этих процессов служит роль повышения внутриклеточного уровня Са2+. Кальциевые ионофоры являются индукторами апоптоза, однако в отличие от индукции активации при этом не требуется активации протеинкиназы С. Более того, ее активатор форболмиристатацетат обычно подавляет развитие апоптоза. Сама по себе активация (например, моноклональными антителами к рецептору TCR—CD3) не вызывает апоптоза, но, как уже отмечалось, делает клетку чувствительной к действию индукторов апоптоза, способствуя появлению на ее поверхности рецепторов для них. При повторном действии активаторов (например, антител к CD3 или ИЛ-2) на стимулированные клетки развивается апоптоз этих клеток.

Рецепция Fas-зависимого сигнала к развитию апоптоза
Рис. 81. Рецепция Fas-зависимого сигнала к развитию апоптоза и последующие внутриклеточные события.
+ активация, — подавление; в рамке обозначения ядерных мишеней каспаз.

Следует особо подчеркнуть, что разновидности апоптоза, запускаемые действием различных факторов, могут существенно отличаться по начальным механизмам (вплоть до противоположного действия некоторых модифицирующих факторов). Однако на определенных этапах все эти пути сходятся и завершающие, ключевые этапы развития апоптоза осуществляются по единому механизму. Некоторые данные о сигнальных механизмах и факторах, обусловливающих развитие апоптоза, отражены на рис. 81. К таким ключевым механизмам реализации апоптоза относят активацию некоторых протеиназ. Это сериновые протеиназы гранзимы, участвующие также в осуществлении цитолиза киллерными клетками (апоптоз является одним из основных механизмов его реализации), а также каспазы, к которым относится более 10 ферментов, включая ICE (от англ. IL-1 converting enzyme), Ich-lL, а также JAMA (Срр32), ответственный за переключение событий с цитоплазменного уровня на уровень ядерных ферментов, участвующих в реализации основного события — фрагментации ДНК (см. рис. 81).

Выбор направления сигнализации в сторону апоптоза в большой степени зависит от экспрессии генов с-тус и р53. Последний связан с ДНК и реагирует на накопление нерепарированных разрывов ее нитей. Формирование большого числа разрывов ДНК, например, при действии радиации, также, как генетические преобразования при трансформации клеток, вызывают апоптоз этих клеток, включаемый с участием р53. Поскольку таким образом элиминируются потенциально злокачественные клетки, фактор р53 называют онкосупрессором. Результатом мутации гена р53 является подавление апоптотической элиминации клеток с отклонениями в геноме, что приводит к значительному повышению вероятности развития злокачественных опухолей.
Известно несколько генов, блокирующих развитие апоптоза, bcl-2, bcl-xL, bag-1. Ген bcl-2 является гомологом гена ced-9 С. elegans. Его продукт, митохондриальный белок Вс1-2, имеет молекулярную массу 26 000. Экспрессия этого белка обнаружена именно в тех клетках иммунной системы, которые устойчивы к апоптозу. Экспрессия Вс1-2 высока в CD4- СD8-тимоцитах, но отсутствует в СD4+СD8+-тимоцитах; она усиливается при формировании зрелых форм Т-клеток, но вновь снижается в некоторых активированных лимфоцитах (см. раздел 1.2.1). Вс1-2 в значительном количестве содержится в клетках памяти. Хотя Вс1-2 защищает клетки не от всех индукторов апоптоза, в целом его присутствие, как правило, свидетельствует об устойчивости клетки к апоптозу. Усиленная экспрессия Вс1-2 (например, у мышей, трансгенных по bcl-2) приводит к развитию тех же последствий, что и мутации генов 1рг и gld. Механизм антиапоптотического действия Вс1-2 и Bc1-xl точно не установлен. Возможно, это действие связано с антиоксидантной активностью Bcl-2 и с предотвращением образования липидных перекисей, участвующих в запуске апоптоза.
Есть данные о том, что реализация действия рассматриваемых защитных факторов связана с инактивацией родственного фактора, обладающего противоположным влиянием, — Вах. Вах в гомодимерной форме способствует формированию протеиназы Ich-lb — одного из ключевых ферментов апоптоза. При образовании гетеродимера Вах—Вс1-2 эта активность Вах нейтрализуется (см. рис. 81). Имеется целое семейство факторов, родственных Вах и способствующих развитию апоптоза — Bak, Bik, Bad, а также Bcl-xg.
Роль апоптоза в иммунной системе можно резюмировать таким образом. В период становления иммунной системы и развития клеток, входящих в ее состав, апоптоз служит регулятором численности клеточных популяций и их «правильного» распределения в тканях, а также фактором селекции. Последняя функция проявляется при формировании клональной структуры популяций лимфоцитов. При иммунном ответе с помощью апоптоза контролируется интенсивность и подчинение ответа определенным правилам. Так, клетки, активируемые в условиях, при которых не может быть обеспечен полный активационный сигнал, элиминируются. Кроме того, апоптоз препятствует участию в иммунном ответе «отработавших» эффекторных клеток. В конечном итоге назначение апоптоза в иммунной системе состоит в предотвращении опасности возникновения аутореактивных, а также злокачественных клонов. Это подтверждается регулярным развитием аутоиммунных и опухолевых процессов в ситуациях, когда апоптоз по той или иной причине блокирован.

Следствием поступления в лимфоциты сигналов через рецепторы для антигена и костимулирующие молекулы является активация этих клеток. Ее суть состоит в переходе лимфоцитов из состояния покоя в фазу Gi клеточного цикла. Условием активации является передача сигналов от мембранных рецепторов к ядру. Это каскадный процесс, который осуществляется с участием многих внутриклеточных факторов. Он завершается образованием транскрипционных факторов, назначение которых состоит в активации генов, важных для выполнения функций лимфоцитов. Для лимфоцитов это прежде всего гены ростовых факторов и их рецепторов. При условии образования ростовых факторов и наличия для них мембранных рецепторов лимфоциты вступают в пролиферацию. Последняя важна для реализации иммунного ответа, так как исходное число клеток тех клонов, которые реагируют на конкретные антигены, невелико, и клетки могут выполнить свои функции по удалению антигенов только после предварительного размножения. Затем лимфоциты дифференцируются в эффекторные клетки: В-лимфоциты — в антителообразующие плазматические клетки, СD4+-лимфоциты — в хелперные клетки двух типов — Тh1 и Th2, которые «помогают» развитию соответственно клеточного и гуморального иммунного ответа, СD8+-клетки — в цитотоксические Т- лимфоциты. В случае, если лимфоциты не получили полного «комплекта» активирующих сигналов, а также после выполнения ими своих функций или при действии некоторых факторов (радиации, глюкокортикоидов и т.д.) лимфоциты подвергаются апоптозу, или программированной гибели. Основой апоптоза является активация эндогенных ферментов, что приводит к фрагментации ДНК. В норме все перечисленные формы реакций лимфоцитов сбалансированы, и это обусловливает успешное развитие иммунного ответа.



 
« Основы иммунологии   Основы педиатрии »