CC BY
688
УДК 576.311.347:576.367
Н.П. Судаков1, С.Б. Никифоров1, Ю.М. Константинов2, С.А. Лепехова1
РОЛЬ МИТОХОНДРИЙ В РЕАЛИЗАЦИИ МЕХАНИЗМОВ ПРОГРАММИРОВАННОЙ ГИБЕЛИ КЛЕТКИ
1НЦ РВХ ВСНС СО РАМН (Иркутск), 2Сибирский институт физиологии и биохимии растений СО РАН (Иркутск)
В настоящем обзоре анализируются, механизмы участия митохондрий в реализации механизмов программированной гибели клетки. Митохондрии являются основным, звеном, интегрирующим, различные сигналы, активизирующие и подавляющие различные формы, программированной гибели клетки: апоптоза, аутофагии, некрозоподобной программированной гибели, клетки. Предполагается, что на уровне митохондрий, осуществляется, «выбор» клеткой реализации той или. иной формы, программированной. гибели. Пересечение различных механизмов программированной, гибели, клетки, в митохондриях предопределяет, возможность использования, данных органелл в качестве одного из ключевых объектов протекции клеток от. воздействия, на них различных факторов, индуцирующих гибель клетки.
Ключевые слова: митохондрии, апоптоз, аутофагия, некрозоподобная программированная гибель клетки
THE ROLE OF MITOCHONDRIA IN REALIZATION OF PROGRAMMED CELL DEATH
N.P. Sudakov1, S.B. Nikiforov1, Yu.M. Konstantinov2, S.A. Lepekhova1
1SC RRS ESSC of SD RAMS, Irkutsk, 2Siberian Institute of Plant Physiology and Biochemistry SD RAS, Irkutsk
In this review is discussed, mechanisms of mitochondria participation in programmed, cell death mechanisms. The mitochondria are main unit, integrating signals that activates different ways of programmed, cell death: apoptosis, aytophagy, and necrosis-like programmed, cell death. It is assumed, that at mitochondria participate in a «choice» of cell death, way. The integration of different mechanisms of cell death, predetermines the possibility mitochondria use as one of main objects of cell protection, from different death, stimula.
Key words: mitochondria, apoptosis, aytophagy, and necrosis-like programmed cell death
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время достаточно трудно недооценить значение нарушения регуляции программированной гибели клетки (ПГК) в развитии самых разнообразных патологических процессов. На сегодняшний день известны три формы ПГК: апоптоз, аутофагия и некрозоподобная ПГК. Активизация клеточной гибели является одним из основных механизмов утраты клеток в пораженных патологическим процессом органах и тканях, что способствует развитию в них структурных и функциональных нарушений. В качестве примера можно привести увеличение активности программированной гибели клеток в тканях после ишемии и реперфузии (инфаркты, инсульты), при нейродегенеративных заболеваниях, в процессах ремоделирования миокарда, эрозии и разрыва атеросклеротических бляшек, при формировании аневризм, развитии фиброзных изменений в печени, панкреатитах и многих других патологических процессах.
Установлено, что основным компонентом, осуществляющим восприятие стимулов ПГК и активизирующим механизмы реализации той или иной формы ПГК, являются митохондрии. Предполагается, что на уровне митохондрий осуществляется интеграция сигналов активизирующих и подавляющих процесс ПГК, следствием чего является
дальнейшая реализация программированной клеточной гибели или ее подавление. Изучение тонких молекулярных механизмов, управляющих этими процессами, откроет новые перспективы для создания технологий протекции тканей и органов от неконтролируемой клеточной гибели, ассоциированной с развитием рассмотренных выше заболеваний.
ОСНОВНЫЕ ПУТИ РЕАЛИЗАЦИИ ПРОГРАММИРОВАННОЙ ГИБЕЛИ КЛЕТКИ
На сегодняшний день показано существование трех основных форм программированной гибели клетки: апоптоз (I тип ПГК), аутофагия (II тип ПГК), некрозоподобная ПГК (III тип ПГК). Каждый из этих типов гибели клетки характеризуется собственными биохимическими, молекулярными и морфологическими особенностями [1].
При апоптозе наблюдается уменьшение клетки в объеме, конденсация хроматина и фрагментация ДНК на олигонуклеосомные фрагменты. Митохондрии и рибосомы во время реализации апоптоза сохраняют в основном свою структуру и частично — функции. Заключительный этап апоптоза характеризуется разрушением цитоскелета, что приводит к сморщиванию клетки и ее фрагментации на апоптотические тельца, поглощаемые макрофагами или другими соседними клетками
[11]. Ключевыми участниками терминальной фазы апоптотической программы являются цистеино-вые протеазы — каспазы, осуществляющие деградацию белковых структур клетки и активирующие нуклеазы. К дополнительным эффекторам апоптоза относят эндонуклеазу G и апоптоз-индуциру-ющий фактор (apoptosis-inducing factor — AIF) [1].
Для аутофагии характерно набухание митохондрий и цистерн эндоплазматического ретику-лума, увеличение аппарата Гольджи, секвестрация клеточных органелл аутофагическими вакуолями, конденсация хроматина и коллапс ядра. Компоненты цитоскелета при аутофагии выполняют ключевую роль в захвате цитоплазматических структур лизосомами и сохраняются в течение всего процесса клеточной гибели. Терминальным этапом аутофагии является разрушение клеточных органелл лизосомальными ферментами, следствием чего является деградация клетки. Образующийся после реализации аутофагии клеточный дебрис поглощается соседними клетками. Основными исполнителями аутофагической программы являются лизосомы, осуществляющие деградацию захваченных ими клеточных органелл посредством содержащихся в них гидролаз — протеаз (катепсинов), липаз и нуклеаз [12].
Во время реализации некротической гибели клетки происходит значительное набухание митохондрий и эндоплазматического ретикулума, секвестрация цитоплазмы аутофагическими вакуолями, разрушение лизосом и выход содержащихся в них ферментов в цитоплазму, деградация цитоскелета и разрушение ядра. Заключительным событием в этом процессе является разрыв плазматической мембраны, способствующий излиянию содержимого клетки в межклеточное пространство, что способствует индукции воспалительной реакции. Для некротической формы ПГК характерно участие самых разнообразных гидролитических ферментов: каспаз, эндонуклеазы G, катепсинов, высвобождаемых из лизосом, Са2 + -зависимых протеаз — кальпаинов [1].
Показано, что в пораженной тем или иным патологическим процессом ткани возможна индукция всех рассмотренных ранее форм клеточной гибели. Соотношение различных типов ПГК может варьироваться в зависимости от типа и силы воздействия стимула, активизирующего ПГК. Например, процесс аутофагии в большей степени характерен для нейродегенеративных заболеваний, ассоциированных с образованием внутриклеточных депозитов дефектных нейроспецифичных белков. В миокарде, после ишемии и реперфузии, некротическая форма ПГК будет преобладать над апоптозом в участках ткани, подвергшихся более сильному воздействию гипоксии [8].
В настоящее время обнаружены промежуточные формы клеточной гибели, совмещающие в себе признаки того или иного типа ПГК: апоптоза и аутофагии, апоптоза и некроза [9]. По всей видимости, это определяется некоторой общностью молекулярных механизмов индукции, возможно-
стью их «пересечения» и одновременной активизации различных программ ПГК.
МЕХАНИЗМЫ УЧАСТИЯ МИТОХОНДРИЙ
В ПРОГРАММИРОВАННОЙ КЛЕТОЧНОЙ ГИБЕЛИ
В настоящее время митохондрии считаются основным звеном, интегрирующим различные сигналы, активизирующие и подавляющие программированную гибель клетки. Важной особенностью этих органелл является способность к значительной амплификации исходящих от них стимулов, активирующих ПГК.
Показано, что открытие митохондриальных пор является общим моментом в реализации механизмов всех обсуждаемых выше форм ПГК (рис. 1) [2]. Образование пор в митохондриях приводит к выходу из митохондрий цитохрома С, способствующего образованию апоптосомы и активирующего каспазы. Этот процесс является основным механизмом апоптотической гибели клетки. Через открытые поры в митохондриях в цитоплазму высвобождаются также факторы, перемещающиеся в ядро и активирующие реализацию ПГК по независимым от каспаз механизмам: эндонуклеаза G и AIF, связывающий ДНК и активирующий нуклеазы и протеазы в ядре. Показано, что данные факторы принимают участие в развитии как апоптоза, так и некроза. Помимо активаторов ПГК, митохондрии также высвобождают ингибиторы белков, блокирующих ПГК (Smac/DIABLO, Omi/ HtrA2) и предшественников каспаз (прокаспаза-2, -3, -9) [1]. К небелковым медиаторам клеточной гибели относятся ионы Са2 + , активирующие при их выходе в цитоплазму кальпаины и Са2 + -зависимые липазы, что приводит к реализации некротической формы ПГК. Дополнительным фактором индукции ПГК является увеличение продукции компонентами дыхательной цепи митохондрий активных форм кислорода, активирующих механизмы апоптоза, аутофагии и некроза.
На сегодняшний день известны митохондриальные апоптотические поры (mitochondrial apoptotic pores — MAP) и поры повышенной проницаемости или мегаканалы (permeability transition pores — РТР). Механизмом образования апопто-тических пор в митохондриях является олигомеризация на митохондриальной мембране белков Bax и Bak. PTP формируются за счет объединения в единый комплекс АТФ-АДФ-антипортера (adenine nucleotide translocase, ANT), локализованного во внутренней митохондриальной мембране, циклофилина D, находящегося в матриксе митохондрий, и порина (voltage dependent anion channel, VDAC) — ионного канала внешней митохондриальной мембраны [4].
Процесс формирования пор в митохондриях находится под жестким контролем различных регуляторных систем клетки. Установлено, что образованию MAP за счет олигомеризации Bax и Bak способствуют белки-индукторы ПГК семейства Bcl-2: Bax, Bak, Bok, Boo, Bcl-G, Bcl-B, Bcl-rambo, Bad,
Рис. 1. Роль митохондрий в реализации механизмов различных форм программированной гибели клетки.
Bim, Bmf, Bid, Noxa, Puma, BNip3. Предотвращение образования MAP осуществляется представителями семейства Bcl-2, нейтрализующими действие индукторов ПГК (Bcl-2, Bcl-xL, Bcl-w, Mcl-1, Bcl-B). Регуляция проницаемости PTP осуществляется посредством взаимодействия Bax с основными компонентами PTP: ANT и VDAC [10]. Установлено, что BNip3 и активная поли(АДФ-рибоза)полимераза-1 (PARP-1) индуцируют открытие PTP, что сопровождается снижением митохондриального потенциала и увеличением продукции активных форм кислорода [3, 7]. Показано, что бензодиазепиновые рецепторы, гексокиназа и креатинкиназа могут регулировать проницаемость PTP [13]. Образование митохондриальных пор возможно посредством воздействия на митохондрии цитоплазматических ионов Ca2+ и активных форм кислорода. Действие свободных радикалов и ионов Ca2+ заключается в дестабилизации митохондриальных мембран посредством активизации в них соответственно процессов ПОЛ или липолиза, опосредованного фос-фолипазой А2. Установлено, что повреждение митохондрий и развитие их функциональных нарушений при различных патологических процессах и токсических повреждениях данных органелл также способствует активизации ПГК посредством обсуждаемых выше механизмов [2].
Таким образом, помимо обеспечения клеток энергией, митохондрии принимают активное уча-
стие в процессах регуляции и реализации программированной гибели клетки, что увеличивает значение этих клеточных органелл в развитии различных патологических процессов.
УЧАСТИЕ МИТОХОНДРИЙ В «ВЫБОРЕ»
МЕХАНИЗМОВ ПРОГРАММИРОВАННОЙ ГИБЕЛИ КЛЕТКИ
Механизмы, определяющие «выбор» формы клеточной гибели, в настоящее время являются областью высокого научного интереса. Существует мнение, что «выбор» клеткой активизации механизмов той или иной формы программированной гибели определяется количеством открытых пор в митохондриях. В том случае, если PTP формируются в нескольких митохондриях, в клетке активируется процесс аутофагии. Когда PTP открываются у большего числа митохондрий, в клетке инициируется апоптоз, что, вероятно, является следствием увеличения в цитоплазме количества цитохрома С и AIF. Наконец, когда в клетке практически во всех митохондриях открываются PTP, происходит разобщение окисления и фосфорили-рования и интенсивный гидролиз АТФ митохондриальной АТФ-азой, активизируются механизмы некрозоподобной клеточной гибели [9]. J.N. Weiss с соавторами считают, что минимальное количество открытых пор принципиально не влияет на процесс клеточной гибели, при большем количе-
стве открытых пор возможна инициация апоптоза, при генерализованном открытии митохондриальных пор реализуется процесс некроза [13].
К сожалению, проанализированные публикации рассматривают в качестве одного из механизмов «выбора» формы клеточной гибели только количество открытых PTP и не принимают во внимание MAP. Можно предположить, что преимущественная реализация того или иного типа ПГК определяется соотношением количества открытых MAP и PTP, поскольку в отличие от MAP открытие PTP способствует не только выходу в цитоплазму содержащихся в межмембранном пространстве танатогенных белков, но и падению трансмембранного потенциала и высвобождению ионов Ca2 + .
Предполагается, что «выбор» пути клеточной гибели по механизму апоптоза или некроза определяется уровнем ионов кальция. При этом незначительное увеличение концентрации ионов кальция в цитоплазме приводит к развитию апоптоза, в то время как существенное возрастание их уровня индуцирует некроз [5]. К возможным механизмам этого процесса относят воздействие ионов кальция на митохондрии и активацию Ca^-зави-симых протеаз (кальпаинов) [7]. Установлено, что увеличение внутриклеточной концентрации Ca2 + сопровождается открытием PTP в митохондриях и снижением митохондриального трансмембранного потенциала, следствием чего является активация программированной гибели клетки [2]. Известно, что увеличение внутриклеточной концентрации ионов Ca2+ способствует активации кальпаинов, Ca2 + -зависимых фосфолипаз и нуклеаз, приводящих к разрушению внутриклеточных структур и реализации ПГК по механизму некроза [15]. Показано, что ионы кальция активируют Ca2 + -зависимую АТФазу, способствующую истощению запасов АТФ в клетке, наблюдаемому при некрозоподобной ПГК. Таким образом, возможно, что значительное увеличение ионов кальция в цитоплазме способствует активации кальций-зависи-мых дегенеративных процессов, что определяет прохождение ПГК по механизму некроза.
Считается, что определенное значение в реализации апоптоза и некрозоподобной ПГК имеет уровень продукции АТФ. Известно, что при низком уровне АТФ в клетке протекает процесс программированной гибели клетки по механизму некроза, достаточное энергообеспечение клетки способствует прохождению ПГК по механизму апоптоза [6].
Показано, что в определенных случаях апопто-тические механизмы способны предотвращать некроз. Примером может быть так называемый процесс митоптоза (программированной гибели отдельных митохондрий в клетке): митохондрия, продуцирующая избыточное количество активных форм кислорода может быть элиминирована посредством апоптосомы — комплекса из каспаз и других протеолитических ферментов [14]. Ингибирование каспаз в этом случае способствовало инициации некроза. Подобные взаимодействия суще-
ствуют также между апоптозом и аутофагией. Показана возможность предотвращения апоптоза вследствие захвата аутофагосомами митохондриальных апоптогенных таких белков, как цитохром С [9]. Это свидетельствует о том, что различные механизмы программированной гибели клетки находятся в более сложных взаимоотношениях, чем в простой конкуренции за «право» реализации клеточной гибели.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, митохондрии являются одним из ключевых внутриклеточных компонентов, принимающих участие в регуляции процессов программированной гибели клетки: апоптоза, аутофагии и некрозоподобной ПГК. Установлено, что митохондрии обладают широким спектром белковых (цитохром С, эндонуклеаза G, AIF,) и небелковых факторов (ионы Ca2 + , активные формы кислорода), активизирующих процесс клеточной гибели после высвобождения их в цитоплазму. Эти органеллы способны интегрировать внутриклеточные стимулы, индуцирующие и блокирующие ПГК и многократно усиливать сигналы, активирующие клеточную гибель. Интересной с точки зрения патологической физиологии является возможность индукции ПГК митохондриями не только после восприятия ими внешних стимулов, но и вследствие функциональных нарушений в этих клеточных органеллах. В настоящее время существует аргументированная гипотеза, предполагающая, что накопление нарушений в митохондриальном геноме и прогрессирование митохондриальной дисфункции является одним из механизмов старения организма и развития различных патологических процессов. Активизация ПГК под влиянием митохондриальной дисфункции является одним из патогенетических механизмов развития структурных и функциональных нарушений в пораженных патологическим процессом органах и тканях. Значительный интерес представляет регуляция на уровне митохондрий «выбора» формы ПГК, вследствие неоднозначного эффекта различных форм ПГК на тканевые структуры. Пересечение различных механизмов ПГК в митохондриях предопределяет возможность использования митохондрий в качестве одного из ключевых объектов протекции клеток от воздействия на них различных повреждающих факторов: токсических повреждений, ишемии и реперфузии, окислительного стресса и других воздействий.
Дальнейшее изучение роли митохондрий в механизмах программированной гибели клетки будет способствовать созданию более целостной картины многих патологических процессов, ассоциированных с активизацией гибели клеток, что будет являться основой для создания новых оригинальных биомедицинских технологий профилактики и лечения данных заболеваний.
ЛИТЕРАТУРА
1. Бра М. Митохондрии в программированной гибели клетки: различные механизмы гибели /
М. Бра, Б. Квинан, С.А. Сузин // Биохимия. — 2005. - Т. 70, № 2. - С. 284-293.
2. Владимиров Ю.А. Дизрегуляция проницаемости мембран митохондрий, некроз и апоптоз / Ю.А. Владимиров // Дизрегуляционная патология.
- М.: Медицина, 2002. - C. 127-156.
3. Alano C.C. Poly(ADP-ribose) polymerase-1-mediated cell death in astrocytes requires NAD + depletion and mitochondrial permeability transition / C.C. Alano, W. Ying, R.A. Swanson // J. Biol. Chem.
- 2004. - Vol. 279. - P. 18895-18902.
4. Aradjomande S.L.-A. Newcomers in the process of mitochondrial permeabilisation / S.L.-A. Aradjomande, J.-C. Martinou // J. Cell Scien. -2005. - Vol. 118. - P. 473-483.
5. Artal-Sanz M. Proteolytic mechanisms in necrotic cell death and neurodegeneration / M. Artal-Sanz, N. Tavernarakis // FEBS Lett. - 2005. -Vol. 597. - P. 3287-3296.
6. Buja L.M. Myocardial ischemia and reperfusion injury / L.M. Buja // Cardiovasc. Pathol.
- 2005. - Vol. 14. - P. 170-175.
7. Crow M.T. Hypoxia, BNip3 proteins, and the mitochondrial death pathway in cardiomyocytes / M.T. Crow // Circ. Res. - 2002. - Vol. 92. -P. 183-185.
8. Fink S.L. Apoptosis, pyroptosis, and necrosis: mechanistic description of dead and dying eukaryotic
cells / S.L. Fink, B.T. Cookson // Infect. Immun. -2005. - Vol. 73. - P. 1907-1916.
9. Guimaraes C.A. Programmed cell death: apoptosis and alternative deathstyles / C.A. Guimaraes, R. Linden // Eur. J. Biochem. -2004. - Vol. 217. - P. 1638-1650.
10. Gulbins E. Role mitochondria in apoptosis / E. Gulbins, S. Drechers, J. Bock // Exp. Physiol. -2003. - Vol. 88. - P. 85-90.
11. Israels L.G. Apoptosis / L.G. Israels, E.D. Israels // Stem cells. - 1999. - Vol. 17. -P. 306-313.
12. Levine B. Autophagy in cell death: an innocent convict? / B. Levine, J. Yuan // J. Clin. Invest. - 2005. - Vol. 115. - P. 26792688.
13. Role of the mitochondrial permeability transition in myocardial disease / J.N. Weiss, P. Korge, H.M. Honda et al. // Circ. Res. - 2003. -Vol. 93. - P. 292-301.
14. Skulachev V.P. Programmed death phenomena: from organelle to organism / V.P. Skulachev // Ann. N. Y. Acad. Scien. - 2002. -Vol. 959. - P. 214-237.
15. Xu C. Endoplasmic reticulum stress: cell life and death decisions / C. Xu, B. Bailly-Maitre, J.C. Reed // J. Clin. Invest. - 2005. - Vol. 115. -P. 2656-2664.
Поступила в редакцию 31.08.2006 г
