Клеточный цикл и его регуляция. Регуляция пролиферации стволовых клеток. Свойства стволовой клетки Экзогенные регуляторы пролиферации

Эндокринная, паракринная и аутокринная регуляция. В норме клетки делятся исключительно под воздействием различных факторов внутренней среды организма (и внешних - по отношению к клетке). В этом состоит их коренное отличие от трансформированных клеток, деля­щихся под воздействием эндогенных стимулов. Существуют два типа физиологической регуляции - эндокринная и паракринная. Эндокринная регуляция осуществляется специализированными органами (железами внутренней секреции), в числе которых гипофиз, надпочечники, щитовид­ная, паращитовидная, поджелудочная и половые железы. Они секретируют продукты своей активности в кровь и оказывают генерализованное воздействие на весь организм.
Паракринная регуляция характеризуется тем, что в одной и той же ткани соседние клетки воздействуют друг на друга посредством секретируемых и распространяющихся диффузией активных веществ. К числу таких митогенных стимуляторов (полипептидные ростовые факторы) относятся эпидермальный фактор роста, фактор роста тромбоцитов, ин­терлейкин-2 (фактор роста Т-клеток), фактор роста нервов и множество других.
Аутокринная регуляция, характерная для опухолевых клеток, отли­чается от паракринной тем, что одна и та же клетка является и источни­ком ростового фактора, и его мишенью. Результат - непрекращающееся, самоподдерживающееся митогенное «возбуждение» клетки, приводящее к нерегулируемому размножению. При этом клетка не нуждается во вне­шних митогенных стимулах и становится полностью автономной.
Перенос митогенного сигнала - процесс многоэтапный. В зави­симости от типа клетки и от конкретного митогенного стимула реализу­ется один из множества сигнальных путей. Ниже в качестве «прототипа» описан так называемый МАР-киназный каскад.
Ростовые факторы (регуляторы пролиферации) секретируются одними клетками и действуют паракринным образом на другие. Это небольшие белки. Полипептидная цепь EGF (epidermal growth factor) состоит, например, из 53 аминокислот. Существует несколько семейств ростовых факторов, представитель каждого из которых объединен структурным и функциональным сходством. Одни из них стимулируют пролиферацию (например, EGF и PDGF, platelet-derived growth factor, тромбоцитарный фактор роста), а другие (TGF-p, TNF, интерфероны) - подавляют.
Рецепторы расположены на клеточной поверхности. Каждая клет­ка имеет присущий ей репертуар рецепторов и соответственно свой осо­бый набор ответных реакций. Очень важное в функциональном отноше­нии семейство образуют так называемые тирозинкиназные рецепторы (ТКР), обладающие ферментативной (протеинкиназной) активностью. Они состоят из нескольких доменов (структурно-функциональных блоков): внеклеточного (взаимодействующего с лигандом - в данном случае с ростовым фактором), трансмембранного и подмембранного, обладающего тирозинпротеинкиназной активностью. В зависимости от структу­ры ТКР подразделяют на несколько субклассов.
При связывании с ростовыми факторами (например, EGF) молеку­лы рецепторов димеризуются, их внутриклеточные домены сближаются и индуцируют межмолекулярное автофосфорилирование по тирозину. Этоттрансмембранный перенос сигнала - начало волны «возбуждения», распространяющейся затем в виде каскада реакций фосфорилирования внутрь клетки и достигающей в итоге хромосомного аппарата ядра. ТКР обладают тирозинкиназной активностью, но по мере продвижения сигнала внутрь клетки тип фосфорилирования меняется на серин/треониновый.
Ras-белки. Одним из наиболее важных является сигнальный путь с участием Ras белков (это подсемейство так называемых G-белков, обра­зующих комплексы с гуаниловыми нуклеотидами; Ras-GTP - активная форма, Ras-GDP - неактивная). Этот путь - один из основных в регуля­ции клеточного деления у высших эукариот - настолько консервативен, что его компоненты способны заменить соответствующие гомологи в клет­ках дрозофилы, дрожжей и нематод. Он опосредует многочисленные сиг­налы, исходящие из окружающей среды, и функционирует, по-видимо­му, в каждой клетке организма. Ras играет роль своеобразного турникета, через который должен пройти почти любой из поступающих в клетку сиг­налов. Критическая роль этого белка в регуляции клеточного деления из­вестна с середины 80-х годов, когда активированная форма соответству­ющего гена (онкоген Ras) была обнаружена во многих опухолях человека. Активация онкогена (онкогены - гены, вызывающие нерегулируемое клеточное деление) - одно из главных событий канцерогенеза. Это такое повреждение нормального, участвующего в регуляции клеточного размно­жения гена (протоонкогена - нормального клеточного гена, способного при нарушении структуры индуцировать опухолевый рост), которое де­лает его перманентно работающим (активным) и, тем самым, индуциру­ющим столь же непрерывное (нерегулируемое) клеточное деление. Поскольку в регуляции клеточного размножения принимает участие мно­жество клеточных генов (протоонкогенов), повреждение которых потенциально способно вызывать опухолевый рост, то соответственно существует и множество (несколько десятков, а возможно и сотен) онко­генов.
В конкретной ситуации Ras-опосредованного сигнального пути (на­пример, при взаимодействии EGF с рецептором) димеризация последнего приводит к автофосфорилированию одного из остатков тирозина в его подмембранном домене. В результате этого становится возможной са­мосборка («рекрутирование» в комплекс) ряда белков, расположенных ниже в сигнальном пути (адаптерный белок Grb2, белок Sos1). Этот муль­тибелковый комплекс локализован в плазматической мембране.
МАР-киназный каскад. МАР-киназы (mitogen activated protein kinases) - серин/треониновые протеинкиназы, активируемые в резуль­тате митогенной стимуляции клетки. Киназный каскад возникает как следствие последовательной активации одного фермента другим, стоящим «выше» в сигнальном пути. Как следствие стимуляции белка Ras и фор­мирования подмембранного комплекса повышается активность двух ци­топлазматических серин/треониновых МАР-киназ (известных так же как ERK1 и ERK2, extracellular signal-regulated protein kinases 1 and 2), кото­рые перемещаются из цитоплазмы в ядро клетки, где фосфорилируют ключевые факторы транскрипции - белки-регуляторы активности различных генов.
Активация транскрипции. Группа генов, определяющих вхождение клетки в фазу S, активируется транскрипционным фактором АР-1 - ком­плексом белков Jun и Fos (гены, их кодирующие - c-Jun и c-Fos, относятся к числу протоонкогенов; с - от cell, обозначает их клеточное про­исхождение в отличие от вирусных онкогенов v-Jun и v-Fos). Эти транскрипционные факторы могут взаимодействовать между собой с образованием множества гомо- и гетеродимеров, связывающихся с опре­деленными участками ДНК и стимулирующих синтез РНК на прилежащих к этим участкам генах. МАР-киназы повышают активность АР-1 двояким образом:
опосредованным, активируя гены, кодирующие эти транскрипцион­ные факторы, и увеличивая тем самым их содержание в клетке;
прямым, фосфорилируя входящие в их состав сериновые и треониновые остатки.
В результате активации генов продуцируются белки, необходимые для синтеза ДНК и последующего митоза. Некоторые из новообразованных белков (Fos, Jun, Мус), известные как белки раннего ответа (immediateearly proteins), выполняют регуляторные функции; связываясь со специ­фическими участками ДНК, они активируют прилежащие гены. Другую группу составляют такие ферменты, как тимидинкиназа, рибонуклеотидредуктаза, дигидрофолатредуктаза, тимидилат-синтаза, орнитиндекарбоксилаза, ДНК-полимеразы, топоизомеразы и ферменты, которые имеют непосредственное отношение к синтезу ДНК. Кроме того, усили­вается общий белковый синтез, поскольку при каждом цикле удвоения воспроизводятся все клеточные структуры.
Реализация митогенного сигнала. Результатом переноса мито­генного сигнала является реализация сложной программы клеточного деления.
Клеточный цикл. Клетки могут находиться в одном из трех состоя­ний - в цикле деления, в стадии покоя с сохранением возможности воз­врата в цикл и, наконец, в стадии терминальной дифференцировки, при которой способность к делению полностью утрачена. Образовывать опу­холи могут только те клетки, которые сохранили способность к делению.
Цикл удвоения разных клеток человека варьирует от 18 ч (клетки ко­стного мозга) до 450 ч (клетки крипт толстой кишки), в среднем - 24 ч. Митоз (М) и синтез ДНК (фаза S), между которыми выделяют 2 промежу­точных (gap) периода - G1 и G2, наиболее заметны; во время интерфазы (период между двумя делениями) клетка растет и готовится к митозу. В период фазы G1 существует момент (так называемая точка рестрикции R), когда осуществляется выбор между вхождением в следующий цикл деления или переходом в стадию покоя G0. Вхождение клетки в цикл де­ления - процесс вероятностный, определяемый сочетанием ряда усло­вий (внутренних и внешних); однако после того, как выбор сделан, по­следующие этапы совершаются автоматически. Хотя клетка может блокироваться на той или иной стадии цикла деления, обычно это может быть следствием каких-то особых обстоятельств.
Особенно важными в цикле являются моменты вхождения клетки в фазу синтеза ДНК (граница фаз G/S) и митоз (граница фаз G2/M), где действуют своеобразные «контрольно-пропускные пункты» (checkpoints), которые проверяют в первом случае целость ДНК (ее готовность к репли­кации), а во втором - завершенность репликации. Клетки с поврежден­ной или недореплицированной ДНК блокируются на границе соответству­ющих фаз, что предотвращает возможность передачи потомству дефектов ее структуры в виде мутаций, делеций и иных нарушений. Некая система надзора, по-видимому, существующая в клетке, индуцирует систему ре­парации ДНК, после завершения которой продвижение клетки по циклу может быть продолжено. Альтернативой репарации является апоптоз, радикальным образом устраняющий опасность возникновения в организ­ме клона дефектных (потенциально опухолевых) клеток. Конкретный вы­бор зависит от множества условий, в том числе от индивидуальных осо­бенностей клетки.
Процесс репликации ДНК сложен и длителен (занимает несколько часов), поскольку весь генетический материал клетки должен быть воспроизведен абсолютно точно. При возникновении в нем каких-либо от­клонений клетка блокируется на подходе к митозу (на границе фаз G2/M) и также может подвергнуться апоптозу. Защитное значение checkpoints трудно переоценить, поскольку их функциональные дефекты в конечном итоге имеют следствием и опухолевую трансформацию клетки и прогрес­сию уже сформировавшейся опухоли.
Циклические реакции. Существуют два семейства белков, «движу­щих» клеточный цикл - циклин(сусНп)-зависимые серин/треониновые протеинкиназы (Cdk, cyclin-dependent kinases) и сами циклины. Циклины регулируют активность Cdk и тем самым их способность модифициро­вать структуры-мишени, непосредственно участвующие в метаморфозах цикла. С их участием осуществляются такие важные этапы цикла, как дезинтеграция ядерной мембраны, конденсация хроматина, формирование веретена и ряд других. Cdk активны только в комплексе с одним из циклинов. В связи с этим сборка и активация многочисленных комплексов Cdkcyclin, а также их диссоциация - ключевые моменты клеточного цикла.
Как следует из их названия, циклины синтезируются и распадаются в строго определенные моменты цикла, различные для разных циклинов. Имеется три основных их класса: йЛциклины, необходимые для прохож­дения GyS, S-циклины - для прохождения S-фазы и G2 (или митотичес­кие) - циклины для вхождения в митоз. В клетках млекопитающих име­ется также несколько семейств Cdk, участвующих в разных регуляторных влияниях. Удаление того или иного циклина из внутриклеточной среды строго в определенный момент столь же важно, как и его появление (уст­ранение циклинов из внутриклеточной среды достигается как их дегра­дацией, так и блоком синтеза), например в митозе (на границе мета- и анафазы) в результате протеолиза один из циклинов быстро деградиру­ет; если же этого не происходит, то митоз не может завершиться и разде­ления дочерних клеток не происходит.
Продвижение в фазе S требует активации киназ Cdk2, Cdk4 и Cdk6, которые взаимодействуют с вЛфазными циклинами (в частности, с cyclin D). Комплекс Cdc2 с первым йЛфазным циклином индуцируеттранскрипцию гена следующего циклина и т.д., продвигая клетки все дальше по цик­лу. Cdc2-cyclin D в самом начале замещается на Cdc2-cyclin Е, а тот в свою очередь - на Cdc2-cyclin А, активирующий аппарат синтеза ДНК. Когда клетка входит в S-фазу, йЛциклины деградируют и появляются вновь лишь в фазе G1 следующего цикла.
Контрольно-пропускные пункты (checkpoints - англ.). Любое стрессорное воздействие (например, отсутствие питательных веществ, гипоксия, особенно повреждение ДНК) блокирует движение’по циклу в одном из двух упомянутых выше контрольных пунктов (checkpoints). Во время этих остановок активируются механизмы надзора, способные:
обнаружить повреждение ДНК;
передать сигнал неблагополучия, блокирующий синтез ДНК или
митоз;
активировать механизмы репарации ДНК.
Благодаря этому обеспечивается стабильность генома. Как упоминалось выше, механизм контроля G/S блокирует репликацию ДНК и ак­тивирует процессы репарации (или индуцирует апоптоз), тогда как меха­низм контроля G2/M запрещает митоз до завершения репликации Дефекты этих механизмов могут привести к появлению дочерних клеток с поврежденным геномом.
В механизме checkpoint участвуют комплексы Cdk-cyclin и ряд допол­нительных белков - Rb, р53 и другие. Их совокупность образует систему «тормозов», не позволяющих клетке делиться в отсутствие адекватных стимулов. Гены, кодирующие эти белки, называют генами-супрессора­ми. Особая значимость этой системы заключается в том, что раковая трансформация клетки становится возможной лишь после ее инактива­ции. В соматической клетке существуют по два аллеля каждого из генов, втом числе и генов-супрессоров, и, следовательно, для их инактивации необходимы два независимых события (например, делеция одного алле­ля и мутация другого). Именно по этой причине «спорадические» опухоли появляются относительно редко (вероятность возникновения в одной клетке нескольких независимых мутаций, причем поражающих один и тот же локус обеих хромосом, относительно невелика), а «семейные» чрез­вычайно часты (в «раковых» семействах один из двух наследуемых алле­лей того или иного гена-супрессора исходно дефектен). В последнем слу­чае система «тормозов» у всех клеток данного организма обеспечивается лишь одним нормальным аллелем, что резко снижает ее надежность и повышает риск возникновения опухоли. Именно это и происходит при наследственной ретинобластоме (делеция одного аллеля Rb) и других наследственных синдромах (делеция или повреждение одного аллеля р53 или других генов-супрессоров).
У клеток с дефектным или отсутствующим белком-супрессором р53 контрольный пункт GyS неполноценен. Это проявляется в том, что повреж­дения ДНК, индуцированные ионизирующей радиацией или каким-либо другим способом, не приводят ни к задержке клеток на границе фаз G 1/S, ни капоптозу. В результате в популяции накапливаются клетки с мно­жественными нарушениями структуры ДНК; появляется и со временем нарастает нестабильность генома, которая способствует возникновению новых клеточных клонов. Их естественный отбор лежит в основе опухоле­вой прогрессии - постоянного «дрейфа» опухоли ко все большей авто­номности и злокачественности.
Апоптоз (или программируемая клеточная гибель) - широко распространенный биологический феномен клеточного «самоубийства», ко­торое индуцируется либо разнообразными внешними стимулами, либо неразрешимыми «внутренними» конфликтами (например, невозможностью репарации повреждений ДНК). Роль апоптоза велика не только в фор­мообразовательных процессах во время эмбриогенеза (формирование органов, замена одних тканей другими, резорбция временных органов и т.д.), но и в поддержании тканевого гомеостаза во взрослом организме.
В регуляции тканевого гомеостаза гибель клетки выполняет функцию, комплементарную митозу. У опухолевых клеток программа гибели клеток в большинстве случаев блокирована, что вносит существенный вклад в увеличение массы опухоли.
Механизмы апоптоза. Принципиальное значение имеет тот факт, что механизмы апоптоза чрезвычайно консервативны и сохраняют свои основные закономерности у весьма далеких в эволюционном отношении организмов. Это обстоятельство позволило идентифицировать у млекопитающих (в частности у человека) гены, гомологичные генам апоптоза у нематоды, - организма, у которого впервые была обнаружена и изучена генетическая система, управляющая этим процессом.
В результате у млекопитающих были идентифицированы гены семейства Вс1 -2. Роль самого Вс1-2 и некоторых его гомологов - антиапоптическая (предотвращение гибели клеток), тогда как у других членов се­мейства, например Вах, - проапоптическая. Белки Вах и Вс1-2 способны к комплексообразованию друг с другом. В зависимости от относительно­го внутриклеточного содержания про- и антиапоптических белков реша­ется судьба данной клетки. Механизм действия белков семейства Вс1-2 не до конца ясен.
Большое функциональное значение имеет механизм апоптоза, индуцируемого через специфические рецепторы CD95 (трансмембранный белок-рецептор размером 45 кДа, который при связывании со специфическим лигандом или антителами передает сигнал к апоптозу) и TNF-R (tumor necrosis factor receptor, рецептор фактора некроза опухолей). Эти рецепторы, объединяемые сходством внеклеточных доменов, входят в состав большого семейства. Лигандами (молекулами, специфически вза­имодействующими с рецепторами TNF-R и CD95) являются соответствен­но TNF и CD95-L, которые представляют собой трансмембранные белки, но могут функционировать и в растворимой, «свободной» форме. Осо­бенно интересен, с онкологической точки зрения, TNF - цитокин, произ­водимый многими клетками (макрофагами, моноцитами, лимфоидными клетками, фибробластами) в ответ на воспаление, инфекцию и другие стрессорные воздействия. Он индуцирует широкий спектр иногда проти­воположных по направленности реакций, включая лихорадку, шок, некроз опухоли, анорексию; а также иммунорегуляторные сдвиги, клеточное раз­множение, дифференцировку и апоптоз. В этом случае апоптоз осуще­ствляется с участием специфической цистеиновой протеазы ICE, разру­шающей многие внутриклеточные белки-мишени. Гиперэкспрессия ICE в клетке вызывает апоптоз. size=5 face="Times New Roman">

1. Факторы роста (макрофаги, лимфоциты, фибробласты, тромбоциты и др.) –стимуляция пролиферации и ограничение апоптоза.

2. Кейлоны – гликопротеидные тканеспецифические ингибиторы роста.

3. Фибронектин- хемоаттрактант фибробластов.

4. Ламинин -главный адгезивный белок базальных мембран.

5. Синдекан -интегральный протеогликан клеточных мембран, связывает коллаген, фибронектин и тромбоспондин.

6. Тромбоспондин – гликопротеид, образует комплексы с синдеканом, коллагеном и гепарином, играет существенную роль в сборке костной ткани.

Образование и реализация эффектов биологически активных веществ (БАВ) - одно из ключевых звеньев воспаления. БАВ обеспечивают закономерный характер развития воспаления, формирование его общих и местных проявлений, а также исходы воспаления. Именно поэтому БАВ нередко именуют как «медиаторы воспаления».

Медиаторы воспаления - это местные химические сигналы, образую­щиеся, высвобождаемые либо активируемые в очаге воспаления, действую­щие и разрушаемые также в пределах очага. Под медиаторами (посредниками) воспаления понимают биологически активные вещества, ответственные за возникновение или поддержание тех или иных воспалительных явлений, например повышенной сосудистой проницаемости, эмиграции и т. д.

Это те же вещества, которые в условиях нормальной жизнедеятельности организма, образуясь в различных органах и тканях в физиологических концентрациях, ответственны за регуляцию функций на клеточном, тканевом уровне. При воспалении, местно высвобождаясь (вследствие активации клеток и жидких сред) в больших количествах, они приобретают новое качество - медиаторов воспаления. Практически все медиаторы являются и модуляторами воспаления, т. е. способны усиливать или ослаблять выраженность воспалительных явлений. Это обусловлено комплексностью их влияния и взаимодействием их как с клетками-продуцентами этих веществ, так и между собой. Соответственно эффект медиатора может быть добавочным (аддитивным), потенцирующим (синергистическим) и ослабляющим (антагонистическим), а взаимодействие медиаторов возможно на уровне их синтеза, секреции или эффектов.

Медиаторное звено является основным в патогенезе воспаления. Оно координирует взаимодействие множества клеток - эффекторов воспаления, смену клеточных фаз в очаге воспаления. Соответственно патогенез воспаления можно представить себе как цепь множественных межклеточных взаимодействий, регулируемых медиаторами-модуляторами воспаления.

Медиаторы воспаления обусловливают развитие и регуляцию процессов альтерации (включая изменение обмена веществ, физико‑химических параметров, структуры и функции), развитие сосудистых реакций, экссудации жидкости и эмиграции клеток крови, фагоцитоза, пролиферации и репаративных процессов в очаге воспаления.

Большинство медиаторов выполняют свои биологические функции специфически воздействуя на рецепторы клеток-мишеней. Однако некоторые из них имеют прямую ферментативную или токсическую активность (напри­мер, лизосомальные гидролазы и активные кислородные радикалы). Функции каждого медиатора регулируются соответствующими ингибиторами.

Источниками медиаторов воспаления могут служить плазма крови и клетки-участники воспаления. В соответствии с этим выделяют 2 большие группы медиаторов воспаления: гуморальные и клеточные . Гуморальные

медиаторы в основном представлены полипептидами, которые постоянно цир­кулируют в крови в неактивном состоянии и синтезируются преимуществен­но в печени. Эти медиаторы составляют так называемую «сторожевую поли­систему плазмы крови». Клеточные медиаторы могут синтезироваться de novo (например, метаболиты арахидоновой кислоты) или высвобождаться из клеточных депо (например, гистамин). Источниками клеточных медиаторов в очаге воспаления являются, в основном, макрофаги, нейтрофилы и базофилы.

Из гуморальных медиаторов воспаления наиболее важными являютсяпроизводные комплемента. Среди почти 20 различных белков, образующихся при активации комплемента, непосредственное отношение к воспалению имеют его фрагменты С5а, С3а, С3b и комплекс С5b-С9. При этом С5а и в меньшей степени С3а являются медиаторами острого воспаления. СЗb опсонизирует патогенный агент и соответственно способствует иммунной адгезии и фагоцитозу. Комплекс С5b-С9 ответствен за лизис микроорганизмов и патологически измененных клеток. Источником комплемента является плазма крови и в меньшей мере тканевая жидкость. Усиленная поставка плазменного комплемента в ткань является одним из важных назначений экссудации. С5а, образующийся из него в плазме и тканевой жидкости под влиянием карбоксипептидазы N, C5a des Arg и С3а повышают проницаемость посткапиллярных венул. При этом C5a и С3а, будучи анафилатоксинами (т. е. либераторами гистамина из тучных клеток), повышают проницаемость как прямо, так и опосредованно через гистамин Эффект C5a des Arg не связан с гистамином, но является нейтрофилзависимым, т. е. осуществляется за счет факторов проницаемости, вьсвобождаемых из полиморфноядерных гранулоцитов, - лизосомальных ферментов и неферментных катионных белков, активных метаболитов кислорода. Кроме того, C5a и C5a des Arg привлекают нейтрофилы. В отличие от них С3а практически не обладает хемотаксическими свойствами. Активные компоненты комплемента высвобождают не только гистамин и гранулоцитарные продукты, но и интеряейкин-1, простагландины, лейкотриены, фактор, активирующий тромбоциты, и синергистически взаимодействуют с простагландинами и веществом Р.

Кинины - вазоактивные пептиды, образующиеся из кининогенов (альфа2-глобулинов) под влиянием калликреинов в плазме (нонапептид брадикинин) и в тканевой жидкости (декапептид лизилбрадикинин, или каллидин). Пусковым фактором активации калликреин-кининовой системы является активация при повреждении ткани фактора Хагемана (XII фактор свертывания крови), превращающего прекалликреины в калликреины.

Кинины опосредуют расширение артериол и повышение проницаемости венул путем контракции эндотелиальных клеток. Они сокращают гладкую мускулатуру вен и повышают внутрикапиллярное и венозное давление. Кинины угнетают эмиграцию нейтрофилов, модулируют распределение макрофагов, стимулируют миграцию и митогенез Т-лимфоцитов и секрецию лимфокинов. Они также усиливают пролиферацию фибробластов и синтез коллагена и, следовательно, могут иметь значение в репаративных явлениях и в патогенезе хронического воспаления.

Один из наиболее значимых эффектов кининов- активация рефлексов путем раздражения окончаний чувствительных нервов и опосредование, таким образом, воспалительной боли. Кинины вызывают или усиливают высвобождение гистамина из тучных клеток, синтез простагландинов многими типами клеток, поэтому некоторые из их основных эффектов- вазодилятация, сокращение гладкой мускулатуры, боль - связывают с высвобождением других медиаторов, особенно простагландинов.

Активация фактора Хагемана запускает не только процесс кининообразования, но и свертывания крови и фибринолиза. При этом образуются такие медиаторы, как фибринопептиды и продукты деградации фибрина, которые являются мощными хематтрактантами. Кроме того, фибринолиз и образование тромбов в сосудах очага имеют существенное значение как в патологических, так и в защитных явлениях воспаления.

Из клеточных медиаторов первостепенный интерес вызываютэйкозаноиды поскольку скорее всего именно они являются центральным медиаторным звеном воспалительной реакции. В пользу этого свидетельствуют продолжительное поддержание продукции эйкозаноидов в очаге, их тесная связь с ключевым событием воспалительного процесса - лейкоцитарной инфильтрацией, мощный противовоспалительный эффект ингибиторов их синтеза.

Основную роль в продукции эйкозаноидов в очаге воспаления играют лейкоциты, особенно моноциты и макрофаги, хотя они образуются почти всеми типами ядерных клеток при стимуляции последних. Преобладающими эйкозаноидами в очаге воспаления почти всегда оказываются простагландин (ПГ) Е2, лейкотриен (ЛТ) B4 и 5-гидроксиэйкозатетраеновая кислота (5-ГЭТЕ). Образуются также, хотя и в меньшем количестве, тромбоксан (Ткс) А2, ПГF2альфа, ПГD2, простациклин (ПГ12), ЛТС4, ЛТD4, ЛТЕ4, другие ГЭTЕ.

Главными эффектами эйкозаноидов при воспалении являются влияния на лейкоциты. ПГ, Ткс и особенно ЛТ являются мощными хематтрактантами и играют, таким образом, важную роль в механизмах самоподдержания лейкоцитарной инфильтрации. ПГ сами не повышают сосудистую проницаемость, но, будучи сильными вазодилятаторами, усиливают гиперемию и, следовательно, экссудацию. ЛТС4, JITD4, ЛТЕ4 повышают проницаемость сосудов путем прямой контракции эндотелиальных клеток, а ЛТВ4 - как нейтрофилзависимый медиатор. ПГ и ЛТ имеют значение в генезе воспалительной боли. При этом ПГЕ2, не обладая прямой болевой активностью, повышает чувствительность рецепторов афферентных болевых нервных окончаний к брадикинину и гистамину. ПГЕ2 является сильным жароповышающим агентом, и лихорадка при воспалении может быть отчасти обусловлена его высвобождением. ПГ играют ключевую роль в модуляции воспалительного процесса, осуществляя двунаправленную регуляцию экссудации, эмиграции и дегрануляции лейкоцитов, фагоцитоза. Так, например, ПГЕ способны потенцировать развитие отека, вызванного гистамином или брадикинином, а ПГF2альфа, напротив, ослаблять. Аналогичные отношения между ПГЕ и ПГF2альфа распространяются также на эмиграцию лейкоцитов.

Особо широкий спектр взаимодействий с другими медиаторами воспаления характерен для ЛТ. Они синергистически взаимодействуют в отношении бронхоспазма с гистамином, ацетилхолином, ПГ и Ткс, стимулируют высвобождение ПГ и Ткс. Модуляторная функция эйкозаноидов осуществляется через изменения соотношения циклических нуклеотидов в клетках.

Источникамигистамина являются базофилы и тучные клетки.Серотонин (нейромедиатор) у человека кроме незначительного количества в тучных клетках содержится также в тромбоцитах и энтерохромаффинных клетках. Благодаря быстрому высвобождению при дегрануляции тучных клеток, способности изменять просвет микрососудов и вызывать непосредственную контракцию эндотелиальных клеток венул гистамин и серотонин считаются основными медиаторами первоначальных микроциркуляторных нарушений в очаге острого воспаления и немедленной фазы повышения проницаемости сосудов. Гистамин играет дуалистическую роль как в отношении сосудов, так и клеток. Через Н2-рецепторы он расширяет артериолы, а через H1-рецепторы суживает венулы и, таким образом, повышает внутрикапиллярное давление. Че­рез Hi -рецепторы гистамин стимулирует, а через Нг-рецепторы угнетает эмиграцию и дегрануляцию лейкоцитов. При обычном течении воспаления гистамин действует преимущественно через Нг-рецепторы на нейтрофилах, ограничивая их функциональную активность, и через Hi -рецепторы на моно­цитах, стимулируя их. Таким образом, на­ряду с провоспалительными сосудистыми эффектами он оказывает противовоспали­тельные клеточные. Серотонин также сти­мулирует моноциты в очаге воспаления. Гистамин осуществляет двунаправленную регуляцию пролиферации, дифференцировки и функциональной активности фибробластов и, следовательно, может иметь значение в репаративных явлениях. Моду­ляторные эффекты гистамина также опосредуются циклическими нуклеотидами.

Что касается взаимодействий биогенных аминов в очаге воспаления, то известно, что гистамин через Hi-рецепторы может за­пускать или усиливать синтез простагландинов, а через На -рецепторы - угнетать. Биогенные амины взаимодействуют как меж­ду собой, так и с брадикинином, нуклео­тидами и нуклеозидами, веществом Р в по­вышении проницаемости сосудов. Сосудорас­ширяющее действие гистамина усиливается в комплексе с ацетилхолином, серотонином, брадикинином.

Основным источникомлизосомальных ферментов в очаге воспаления являются фагоциты - гранулоциты и моноциты-макрофаги. Несмотря на огромную важность в патогенезе воспаления фагоцитоза, фагоциты являются прежде всего подвиж­ными носителями медиаторов-модуляторов, секретируемых внеклеточно. Вывобождение лизосомального содержимого осуществляется в ходе их хемотаксической стимуляции, ми­грации, фагоцитоза, повреждения, гибели. Главными компонентами лизосом у челове­ка являются нейтральные протеиназы- эластаза, катепсин G и коллагеназы, содер­жащиеся в первичных, азурофильных, гра­нулах нейтрофилов. В процессах противомикробной защиты, в том числе при воспа­лении, протеиназы относятся к факторам “второй очереди” после кислородзависимых (миелопероксидаза - перекись водорода) и таких кислороднезависимых, как лактоферрин и лизоцим, механизмов. Они обеспе­чивают главным образом лизис уже убитых микроорганизмов. Основные же эффекты протеиназ - медиация и модуляция воспалительных явлений, в том числе повреждения собственных тканей. Медиаторный и модуляторный эффекты протеиназ осуществляются в отношении сосудистой проницаемости, эмиграции, фагоцитоза.

Повышение проницаемости сосудов под влиянием лизосомальных ферментов происходит за счет лизиса субэндотелиального матрикса, истончения и фрагментации эндотелиальных клеток и сопровождается геморрагией и тромбозом. Образуя или расщепляя важнейшие хемотаксические вещества, лизосомальные ферменты являются модуляторами лейкоцитарной инфильтрации. В первую очередь это касается компонентов системы комплемента и калликреин-кининовой.

Лизосомальные ферменты, в зависимости от концентрации, могут и сами усиливать или угнетать миграцию нейтрофилов. В отношении фагоцитоза нейтральные протеиназы также обладают рядом эффектов. В частности, эластаза может об­разовывать опсонин С3b; С3b является также важным для адгезии частиц к поверхности нейтрофила. Следовательно, нейтрофил сам обеспечивает себе механизм усиления фагоцитоза. Как катепсин G, так и эластаза повышают сродство Fc-рецептора мембраны нейтрофила к комплексам иммуноглобулинов и, соответственно, усиливают эффективность поглощения частиц.

Благодаря также способности лизосомальных ферментов активировать системы комплемента, калликреин-кининовую, свертывания и фибринолиза, высвобождать цитокины и лимфокины, воспаление развертывается и самоподдерживается в течение длительного времени.

Важнейшим свойствомнеферментных катионных белков, содержащихся как в азурофильных, так и в специфических гранулах нейтрофилов, являетсяих высокая микробицидность. В этом отношении они находятся в синергистическом взаимодействии с системой миелопероксидаза - перекись водорода. Катионные белки адсорбируются на отрицательно заряженной мембране бактериальной клетки путем электростатического взаимодействия. В результате этого нарушаются проницаемость и структура оболочки и наступает гибель микроорганизма, что является предпосылкой для последующего эффективного лизиса его лизосомальными протеиназами. Высвободившиеся внеклеточно катионные белки опосредуют повышение проницаемости сосудов (главным образом путем индукции дегрануляции тучных клеток и высвобождения гистамина), адгезию и эмиграцию лейкоцитов.

Главным источникомцитокинов (монокинов) при воспалении являются стимулированные моноциты и макрофаги. Кроме того, эти полипептиды продуцируются нейтрофилами, лимфоцитами, эндотелиальными и другими клетками. Наиболее изученными из цитокинов являются интерлейкин-1(ИЛ-1) и фактор некроза опухоли (ФНО). Цитокины повышают сосудистую проницаемость (неитрофилзависимым путем), адгезию и эмиграцию лейко­цитов. Наряду с провоспалительными свойствами цитокины могут иметь значение и в непосредственной защите организма, стимулируя нейтрофилы и моноциты к умерщвлению, поглощению и перевариванию внедрившихся микроорганизмов, а также усиливая фагоцитоз путем опсонизации патогенного агента.

Стимулируя раневое очищение, пролиферацию и дифференцировку клеток, цитокины усиливают репаративные процессы. Наряду с этим они могут опосредовать тканевую деструкцию (деградацию хрящевого матрикса и резорбцию кости) и, таким образом, играть роль в патогенезе заболеваний соединительной ткани, в частности ревматоидного артрита.

Действие цитокинов вызывает также ряд метаболических эффектов, лежащих в основе общих проявлений воспаления - лихорадки, сонливости, анорексии, изменения обмена веществ, стимуляции гепатоцитов к усиленному синтезу белков острой фазы, активации системы крови и т. д.

Цитокины взаимодействуют между собой, с простагландинами, нейропептидами и другими медиаторами.

К медиаторам воспаления относится также рядлимфокинов - полипептидов, продуцируемых стимулированными лимфоцитами. Наиболее изученными из лимфокинов, модулирующих воспалительный ответ, являются фактор, угнетающий макрофаги, макрофагактивирующий фактор, интерлейкин-2. Лимфокины координируют взаимодействие нейтрофилов, макрофагов и лимфоцитов, регулируя таким образом воспалительную реакцию в целом.

Активные метаболиты кислорода, прежде всего свободные радикалы - супероксидный анион радикал, гидроксильный радикал НО, пергидроксил, вследствие наличия на их внешней орбите одного или нескольких непарных электронов обладают повышенной реактивностью с другими молекулами и, следовательно, значительным деструктивным потенциалом, который имеет значение в патогенезе воспаления. Источником свободных радикалов, а также других кислородпроизводных медиаторов и модуляторов воспаления - перекиси водорода (Н 2 0 2), синглетного кислорода (f0 2), гипохлорида (НОС1) служат: дыхательный взрыв фагоцитов при их стимуляции, каскад арахидоновой кислоты в процессе образования эйкозаноидов, ферментные процессы в эндоплазматическом ретикулуме и пероксизомах, митохондриях, цитозоле, а также самоокисление малых молекул, таких, как гидрохиноны, лейкофлавины, катехоламины и др.

Роль активных метаболитов кислорода в воспалении состоит, с одной стороны, в повышении бактерицидной способности фагоцитов и, с другой стороны, - в их медиаторной и модуляторной функциях. Медиаторная роль активных метаболитов кислорода обусловлена их способностью вызывать перекисное окисление липидов, окисление белков, углеводов, повреждение нуклеиновых кислот. Указанные молекулярные изменения лежат в основе вызываемых активными метаболитами кислорода явлений, характерных для воспаления, - повышения проницаемости сосудов (вследствие повреждения эндотелиальных клеток), стимуляции фагоцитов.

Модуляторная ролъ, активных метаболитов кислорода может заключаться как в усилении воспалительных явлений (путем индукции высвобождения ферментов и взаимодействия с ними в повреждении ткани; не только инициации, но и модуляции каскада арахидоновой кислоты), так и в противовоспалительных эффектах (за счет инактивации лизосомальных гидролаз и других медиаторов воспаления).

Важное значение имеют активные метаболиты кислорода в поддержании хронического воспаления.

К медиаторам и модуляторам воспаления относят такженейропептиды - вещества, высвобождаемые С-волокнами в результате активации воспалительным агентом полимодальных ноцицепторов, играющих важную роль в возникновении аксонрефлексов в конечных разветвлениях первичных афферентных (чувствительных) нейронов. Наиболее изученными являются вещество Р, кальцитонин-генсвязанный пептид, нейрокинин А. Нейропептиды повышают проницаемость сосудов, и этаих способность во многом опосредована медиаторами, происходящими из тучных клеток. Между немиелинными нервами и тучными клетками имеются мембранные контакты, которые обеспечивают сообщение центральной нервной системы с очагом воспаления.

Нейропептиды синергистически взаимодействуют в повышении проницаемости сосудов как между собой, так и с гистамином, брадикинином, С5а, фактором, активирующим тромбоциты, лейкотриеном В4; антагонистически - с АТФ и аденозином. Они оказывают также потенцирующее воздействие на привлечение и цитотоксическую функцию нейтрофилов, усиливают адгезию нейтрофилов к эндотелию венул. Кроме того, нейропептиды повышают чувствительность ноцицепторов к действию различных медиаторов, в частности простагландина Е2 и простациклина, участвуя, таким образом, в воссоздании воспалительной боли.

Кроме вышеперечисленных веществ к медиаторам воспаления относятся также ацетилхолив и катехоламины, высвобождающиеся при возбуждении холин- и адренергических структур. Ацетилхолин вызывает расширение сосудов и играет роль в аксонрефлекторном механизме артериальной гиперемии при воспалении. Норадреналин и адреналин тормозят рост сосудистой проницаемости, выступая главным образом как модуляторы воспаления.

Клеточная пролиферация - увеличение числа клеток путем митоза,

приводящее к росту ткани, в отличие от другого способа увеличения ее

массы (например, отек). У нервных клеток пролиферация отсутствует.

Во взрослом организме продолжаются процессы развития, связанные

с делением и специализацией клеток. Эти процессы могут быть как нор-

мальными физиологическими, так и направленными на восстановление ор-

ганизма вследствие нарушения его целостности.

Значение пролиферации в медицине определяется способностью кле-

ток разных тканей к делению. С делением клеток связан процесс заживле-

ния ран и восстановление тканей после хирургических операций.

Пролиферация клеток лежит в основе регенерации (восстановления)

утраченных частей. Проблема регенерации представляет интерес для ме-

дицины, для восстановительной хирургии. Различают физиологическую,

репаративную и патологическую регенерацию.

Физиологическая - естественное восстановление клеток и тканей в

онтогенезе. Например, смена эритроцитов, клеток кожного эпителия.

Репаративная - восстановление после повреждения или гибели кле-

ток и тканей.

Патологическая - разрастание тканей не идентичных здоровым тка-

ням. Например, разрастание рубцовой ткани на месте ожога, хряща – на

месте перелома, размножение клеток соединительной ткани на месте мы-

шечной ткани сердца, раковая опухоль.

В последнее время принято разделять клетки тканей животных по спо-

собности к делению на 3 группы: лабильные, стабильные и статические.

К лабильным относятся клетки, которые быстро и легко обновляются

в процессе жизнедеятельности организма (клетки крови, эпителия, слизи-

стой ЖКТ, эпидермиса и др.).

К стабильным относятся клетки таких органов как печень, поджелу-

дочная железа, слюнные железы и др., которые обнаруживают ограничен-

ную способность к делению.

К статическим относятся клетки миокарда и нервной ткани, кото-

рые, как считает большинство исследователей, не делятся.

Изучение физиологии клетки имеет важное значение для понимания он-

тогенетического уровня организации живого и механизмов саморегуляции

клетки, обеспечивающих целостное функционирование всего организма.

Глава 6

ГЕНЕТИКА КАК НАУКА. ЗАКОНОМЕРНОСТИ

НАСЛЕДОВАНИЯ ПРИЗНАКОВ

6.1 Предмет, задачи и методы генетики

Наследственность и изменчивость являются фундаментальными свой-

ствами живого, т. к. характерны для живых существ любого уровня орга-

низации. Наука, изучающая закономерности наследственности и изменчи-

вости, называется генетикой.

Генетика как наука изучает наследственность и наследственную из-

менчивость, а именно, она имеет дело со следующими проблемами :

1) хранение генетической информации;

2) передача генетической информации;

3) реализация генетической информации (использование ее в конкрет-

ных признаках развивающегося организма под влиянием внешней среды);

4) изменение генетической информации (типы и причины изменений,

механизмы).

Первый этап развития генетики - 1900–1912 гг. С 1900 г. - переот-

крытие законов Г. Менделя учеными Х. Де Фризом, К. Корренсом, Э. Чер-

маком. Признание законов Г. Менделя.

Второй этап 1912–1925 гг. - создание хромосомной теории Т. Мор-

гана. Третий этап 1925–1940 гг. - открытие искусственного мутагенеза и

генетических процессов эволюции.

Четвертый этап 1940–1953 гг. - исследования по генному контролю

физиологических и биохимических процессов.

Пятый этап с 1953 г. и по настоящее время - развитие молекулярной

биологии.

Отдельные сведения по наследованию признаков были известны

очень давно, однако научные основы передачи признаков впервые были

изложены Г. Менделем в 1865 г. в работе: «Опыты над растительными

гибридами». Это были передовые мысли, но современники не придали

значение его открытию. Понятия «ген» в то время еще не было и Г. Мен-

дель говорил о «наследственных задатках», содержащихся в половых клет-

ках, но их природа была неизвестна.

В 1900 г. независимо друг от друга Х. Де Фриз, Э. Чермак и К. Кор-

ренс заново открыли законы Г. Менделя. Этот год и считается годом рож-

дения генетики как науки. В 1902 г. Т. Бовери, Э. Вильсон и Д. Сеттон сде-

лали предположение о связи наследственных факторов с хромосомами.

В 1906 г. У. Бетсон ввел термин «генетика», а в 1909 г. В. Иогансен -

«ген». В 1911 г. Т. Морган и сотрудники сформулировали основные поло-

жения хромосомной теории наследственности. Они доказали, что гены

расположены в определенных локусах хромосом в линейном порядке, по-

ние определенного признака.

Основные методы генетики: гибридологический, цитологический и

математический. Генетика активно использует и методы других смежных

наук: химии, биохимии, иммунологии, физики, микробиологии и др.

Клеточный цикл – это период жизни клетки от одного деления до другого или от деления до смерти. Клеточный цикл состоит из интерфазы (период вне деления) и самого клеточного деления.

В конце G1 периода принято различать специальный момент, называемый R‑точкой (точка рестрикции, R‑пункт), после которого клетка обязательно в течение нескольких часов (обычно 1–2) вступает в S период. Период времени между R‑точкой и началом S периода можно рассматривать в качестве подготовительного для перехода в S период.

Самый главный процесс, который идет в S периоде, – это удвоение или редупликация ДНК. Все остальные реакции, происходящие в это время в клетке, направлены на обеспечение синтеза ДНК. К таким вспомогательным процессам можно отнести синтез гистоновых белков, синтез ферментов, регулирующих и обеспечивающих синтез нуклеотидов и образование новых нитей ДНК.

Прохождение клетки по всем периодам клеточного цикла строго контролируется. При движении клеток по клеточному циклу в них появляются и исчезают, активируются и ингибируются специальные регуляторные молекулы, которые обеспечивают: 1) прохождение клетки по определенному периоду клеточного цикла и 2 переход из одного периода в другой. Причем прохождение по каждому периоду, а также переход из одного периода в другой контролируется различными веществами. Сейчас мы попробуем выяснить, что же это за вещества и что они делают.

Общая ситуация выгладит так. В клетке постоянно присутствуют специальные белки-ферменты, которые путем фосфорилирования других белков (по остаткам серина, тирозина или треонина в полипептидной цепи), регулируют активность генов, ответственных за прохождение клетки по тому или иному периоду клеточного цикла. Эти белки-ферменты называются циклин-зависимыми протеинкиназами (cdc). Имеется несколько их разновидностей, но они все обладают сходными свойствами. Хотя количество этих циклин-зависимых протеинкиназ может варьировать в различных периодах клеточного цикла, они присутствуют в клетке постоянно, независимо от периода клеточного цикла, то есть они имеются в избытке. Другими словами, их синтез или количество не лимитирует или не регулирует прохождение клеток по клеточному циклу. Однако при патологии, если синтез их нарушен, снижено их количество или имеются мутантные формы с измененными свойствами, то это, конечно же, может повлиять на течение клеточного цикла.

Почему же такие циклин-зависимые протеинкиназы сами не могут регулировать прохождение клеток по периодам клеточного цикла. Оказывается, что они находятся в клетках в неактивном состоянии, а для того чтобы они активировались и начали работать, необходимы специальные активаторы. Ими являются циклины. Их также много разных типов, но они присутствуют в клетках не постоянно: то появляются, то исчезают. В разные фазы клеточного цикла образуются разные циклины, которые связываясь с Cdk образуют различные Cdk‑циклиновые комплексы. Эти комплексы регулируют разные фазы клеточного цикла и поэтому называются G1-, G1/S-, S- и М-Cdk (рис. из моих рис. циклины). Так, например, прохождение клетки по G1 периоду клеточного цикла обеспечивает комплекс циклин-зависимой протеинкиназы‑2 (cdk2) и циклина D1, циклин-зависимой протеинкиназы‑5 (cdk5) и циклина D3. Прохождение через специальную точку рестрикции (R‑пункт) периода G1 контролирует комплекс cdc2 и циклина С. Переход клетки из G1 периода клеточного цикла в S период контролирует комплекс cdk2 и циклина Е. Для перехода клетки из S периода в G2 период необходим комплекс cdk2 и циклин А. Циклин-зависимая протеинкиназа‑2 (cdc2) и циклин В участвуют в переходе клетки из G2 периода в митоз (М период). Циклин H в соединении с cdk7 необходим для фосфорилирования и активации cdc2 в комплексе с циклином В.

Циклины – новый класс белков, открытый Тимом Хантом, которые играют ключевую роль в управлении делением клеток. Название «циклины» появилось из-за того, что концентрация белков этого класса изменяется периодически в соответствии со стадиями клеточного цикла (например, падает перед началом деления клетки).

Первый циклин был обнаружен Хантом в начале 1980-х годов, во время опытов с икрой лягушек и морских ежей. Позднее циклины были найдены и в других живых существах.

Оказалось, что эти белки мало изменились в ходе эволюции, как и механизм управления клеточным циклом, который дошел от простых дрожжевых клеток до человека в «законсервированном» виде.

Тимоти Хант (R. Timothy Hunt) вместе с соотечественником-англичанином Полом Нерсом (Paul M. Nurse) и американцем Лиландом Хартуэллом (Leland H. Hartwell) в 2001 году получили нобелевскую премию по физиологии и медицине за открытие генетических и молекулярных механизмов регуляции клеточного цикла – процесса, который имеет важнейшее значение для роста, развития и самого существования живых организмов

Контрольные точки клеточного цикла

1. Точка выхода из G1‑фазы, называемая Старт – у млекопитающих и точкой рестрикции у дрожжей. После перехода через точку рестрикции R в конце G1 наступление S становится необратимым, т.е. запускаются процессы ведущие к следующему делению клетки.
2. Точка S – проверка точности репликации.

3. Точка G2/M‑перехода – проверка завершения репликации.
4. Переход от метафазы к анафазе митоза.

Регуляция репликации

Перед началом репликации Sc ORC‑комплекс (origin recognition complex) садится на ori – точку начала репликации. Cdc6 представлен во всем клеточном цикле, но его концентрация возрастает вначале G1, где он связывается c ОRC комплексом, к которому затем присоединяются Mcm белки с образованием pre-replicative complex (pre-RC). После сборки pre-RC клетка готова к репликации.

Для инициации репликации S-Cdk соединяется с протеинкиназой (?), которая фосфорилирует pre-RC. При этом Cdc6 диссоциирует от ОRC после начала репликации и фосфорилируется, после чего убиквитинируется SCF и деградирует. Изменения в pre-RC препятствуют повторному запуску репликации. S-Cdk так же фосфорилирует некоторые Mcm белковые комплексы, что запускает их экспорт из ядра. Последующая дефосфориляция белков вновь запустит процесс образования pre-RC.

Циклины – активаторы Cdk. Циклины, так же как и Cdk вовлечены в различные, помимо контроля клеточного цикла, процессы. Циклины разделяются на 4 класса в зависимости от времени действия в клеточном цикле: G1/S, S, M и G1 циклины.
G1/S циклины (Cln1 и Cln2 у S. cerevisiae, циклин E у позвоночных) достигает максимальной концентрации в поздней G1‑фазе и падает в S‑фазе.

G1/S cyclin–Cdk комплекс запускает начало репликации ДНК выключая различные системы подавляющие S-phase Cdk в G1‑фазе G1/S циклины также инициируют дупликацию центросом у позвоночных, образование веретенного тела у дрожжей. Падение уровня G1/S сопровождается увеличением концентрации S циклинов (Clb5, Clb6 у Sc и циклин A у позвоночных), который образует S циклин-Cdk комплекс который напрямую стимулирует ДНК репликацию. Уровень S циклина остается высоким в течении всей S, G2‑фаз и начала митоза, где помогает началу митозу в некоторых клетках.

М-циклины (Clb1,2,3 и 4 у Sc, циклин B у позвоночных) появляется последним. Его концентрация увеличивается, когда клетка переходит к митозу и достигает максимума в метафазе. М-циклин-Cdk‑комплекс включает сборку веретена деления и выравнивание сестринских хроматид. Его разрушение в анафазе приводит к выходу из митоза и цитокиезу. G1 циклины (Cln3 у Sc и циклин D у позвоночных) помогает координировать клеточный рост с входом в новый клеточный цикл. Они необычны, так как их концентрация не меняется от фазы клеточного цикла, а меняется в ответ на внешние регуляторные сигналы роста.

Программируемая клеточная гибель

В 1972 г. Керр с соавт. опубликовали статью, в которой авторы представили морфологические доказательства существования отличающегося от некроза особого вида гибели клеток, которую они назвали «апоптоз». Авторы сообщили, что структурные изменения клеток при апоптозе проходят две стадии:

1-я – образование апоптозных тел,

2-я – их фагоцитоз и разрушение другими клетками.

Причины гибели, процессы морфологического и биохимического характера развития клеточной смерти могут быть различными. Но все же их можно четко разделить на две категории:

1. Некроз (от греч. пеkrosis– омертвление) и

2. Апоптоз (от греч. корней, означающих «отпадение» или «распадение»), который часто называют программируемой клеточной смертью (ПКС) или даже клеточным самоубийством (рис. 354).

Два пути клеточной гибели

а – апоптоз (профаммированная клеточная смерть): / – специфическое сжатие клетки и конденсация хроматина, 2 – фрагментация ядра, 3 – фрагментация тела клетки на ряд апоптических телец; б – некроз: / – набухание клетки, вакуолярных компонентов, конденсация хроматина (кариорексис), 2 – дальнейшее набухание мембранных органоидов, лизис хроматина ядра (кариолизис), 3 – разрыв мембранных компонентов клетки – лизис клетки

Н. является наиболее частой неспецефической формой гибели клеток. Он может быть вызван тяжелыми повреждениями клетки в результате прямой травмы, радиации, влияния токсических агентов, вследствие гипоксии, лизиса клетки, опосредованного комплементом и т.д.

Некротический процесс проходит ряд стадий:

1) паранекроз – подобные некротическим, но обратимые изменения;

2) некробиоз – необратимые дистрофические изменения, характеризующиеся преобладанием катаболических реакций над анаболическими;

3) смерть клетки, время наступления которой установить трудно;

4) аутолиз – разложение мертвого субстрата под действием гидролитических ферментов погибших клеток и макрофагов. В морфологическом выражении некроз равнозначен аутолизу.

Несмотря на огромное количество работ, согласованного и точного определения понятия «апоптоз» нет.

Алоптоз обычно характеризовали как особую форму гибели клетки, отличную от некроза по морфологическим, биохимическим, молекулярно-генетическим и другим признакам.

А. – это гибель клетки, вызываемая внутренними или внешними сигналами, которые сами по себе не являются токсичными или деструктивными. А. – это активный процесс, требующий затрат энергии, транскрипции генов и синтеза белка denovo.

Обнаружено значительное количество агентов, вызывающих апоптоз этих клеток, помимо облучения и глюкокортикоидов:

Ионофоры Са2+

Аденозин

Циклический АМФ

Трибутилтин

Гипертермия

Изучение кинетики деградации ДНК в лимфоидных клетках invivo и invitro показало:

Первые отчетливые признаки распада появляются, как правило, спустя более 1 ч после воздействия, чаще к концу 2‑го часа.

Межнуклеосомная фрагментация продолжается в течение нескольких часов и заканчивается в основном через 6, реже 12 ч после воздействия.

Сразу же от момента появления деградации при анализе обнаруживается большое количество мелких фрагментов ДНК, причем соотношение между крупными и мелкими фрагментами в ходе апоптоза значительно не меняется.

Применение ингибиторов синтеза АТФ, белка и транскрипции генов замедляет процесс апоптоза. Такой зависимости в случае Н. нет

Как видно из сравнения определений некроза и апоптоза, между двумя видами гибели клетки имеется как сходство, так и существенные различия.

Характеристика	Некроз	Апоптоз
функционально		необратимым прекращением ее жизнедеятельности;
морфологически	нарушением целостности мембран, изменением ядра (пикноз, рексис, лизис), цитоплазмы (отек), разрушением клетки;	потерей микроворсинок и межклеточных контактов, конденсацией хроматина и цитоплазмы, уменьшением объема клетки (сморщиванием), образованием пузырьков из плазматической мембраны, фрагментацией клетки и образованием апоптозных телец;
биохимически	нарушением выработки энергии, коагуляцией, гидролитическим расщеплением белков, нуклеиновых кислот, липидов;	гидролизом белков цитоплазмы и межнуклеосомным распадом ДНК;
генетически	– потерей генетической информации; и завершающейся ее аутолизом или гетеролизом с воспалительной реакцией.	структурно-функциональной перестройкой генетического аппарата и завершающийся ее поглощением макрофагами и(или) другими клетками без воспалительной реакции.

Клеточная смерть регулируется межклеточными взаимодействиями различным образом. Множество клеток многоклеточного организма нуждается в сигналах с тем, чтобы оставаться живыми. В отсутствие таких сигналов или трофических факторов в клетках развивается программа «самоубийства» или программируемой смерти. Например, клетки культуры нейронов погибают при отсутствии фактора роста нейронов (NGF), клетки простаты гибнут в отсутствие андрогенов семенника, клетки молочной железы – при падении уровня гормона прогестерона и т.д. В то же время клетки могут получать сигналы, которые в клетках-мишенях запускают процессы, приводящие к гибели по типу апоптоза. Так, гидрокортизон вызывает гибель лимфоцитов, а глютамат – нервных клеток в культуре ткани, фактор некроза опухоли (TNF) вызывает гибель самых различных клеток. Тироксин (гормон щитовидной железы) вызывает апоптоз клеток хвоста головастиков. Кроме этого существуют ситуации, когда апоптическая гибель клетки вызывается внешними факторами, например радиацией.

Понятие «апоптоз» было введено при изучении гибели части клеток печени при неполной перевязке портальной вены. При этом наблюдается своеобразная картина клеточной смерти, которая затрагивает лишь отдельные клетки в паренхиме печени.

Процесс начинается с того, что соседние клетки теряют контакты, они как бы сморщиваются (первоначальное название этой формы гибели shrinkagenecrosis– некроз сжатием клетки), в ядрах по их периферии происходит специфическая конденсация хроматина, затем ядро фрагментируется на отдельные части, вслед за этим сама клетка фрагментируется на отдельные тельца, отграниченные плазматической мембраной, – апоптические тельца.

Апоптоз – процесс, приводящий не к лизису, не к растворению клетки, а к ее фрагментации, распаду. Судьба апоптических телец тоже необычна: они фагоцитируются макрофагами или даже нормальными соседними клетками. При этом не развивается воспалительная реакция.

Важно отметить, что во всех случаях апоптоза – во время ли эмбрионального развития, во взрослом ли организме, в норме или при патологических процессах – морфология процесса гибели клеток очень сходна. Это может говорить об общности процессов апоптоза в разных организмах и в разных органах.

Исследования на разных объектах показали, что апоптоз есть результат реализации генетически запрограммированной клеточной гибели. Первые доказательства наличия генетической программы клеточной смерти (ПКС) были получены при изучении развития нематоды Caenorhabditiselegans. Этот червь развивается всего за трое суток, и его малые размеры позволяют проследить за судьбой всех его клеток, начиная с ранних этапов дробления до половозрелого организма.

Оказалось, что при развитии Caenorhabditiselegans образуется всего 1090 клеток, из которых часть нервных клеток в количестве 131 штуки спонтанно погибает путем апоптоза и в организме остается 959 клеток. Были обнаружены мутанты, у которых процесс элиминации 131 клетки был нарушен. Были выявлены два гена сеd‑3 и сеd‑4, продукты которых вызывают апоптоз 131 клетки. Если у мутантных Caenorhabditiselegans эти гены отсутствуют или изменены, то апоптоз не наступает и взрослый организм состоит из 1090 клеток. Был найден и другой ген – сеd‑9, который является супрессором апоптоза: при мутации сеd‑9 все 1090 клеток погибают. Аналог этого гена был обнаружен у человека: ген bcl‑2 также является супрессором апоптоза различных клеток. Оказалось, что оба белка, кодируемые этими генами, – Сеd‑9 и Вс1–2, имеют один трансмембранный домен и локализуются во внешней мембране митохондрий, ядер и эндоплазматического ретикулума.

Система развития апоптоза оказалась очень сходной у нематоды и позвоночных животных, она состоит из трех звеньев: регулятора, адаптера и эффектора. У Caenorhabditiselegans регулятором является Сеd‑9, который блокирует адаптерный белок Сеd‑4, который в свою очередь не активирует эффекторный белок Сеd‑3, протеазу, которая действует на белки цитоскелета и ядра (табл. 16).

Табл. 16. Развитие программируемой клеточной смерти (апоптоза)

Знак ──┤ – торможение процесса‚ знак ─→ – стимуляцию процесса

У позвоночных система ПКС более сложная. Здесь регулятором является белок Вс1–2, который ингибирует адаптерный белок Apaf‑1, стимулирующий каскад активации специальных протеиназ – каспаз.

Ферменты – участники процесса апоптоза

Таким образом,

Раз начавшись в клетке, такая деградация быстро протекает «до конца»;

В апоптоз вступают не все клетки сразу или в короткий промежуток времени, а постепенно;

Разрывы ДНК происходят по линкерной (межнуклеосомной) ДНК;

Деградацию осуществляют эндо-, но не экзонуклеазы, и эти эндонуклеазы активируются или получают доступ к ДНК не в результате непосредственного взаимодействия с агентом, вызывающим апоптоз, а опосредованно, так как от момента контакта клеток с таким агентом до начала развития деградации проходит довольно значительное время, и, следовательно, фрагментация ДНК не является первой характерной «апоптотической» реакцией клетки на молекулярном уровне. В самом деле, если бы деградация запускалась в результате непосредственного взаимодействия эндонуклеаз или хроматина с агентом, то в случае, например, действия ионизирующей радиации апоптоз происходил бы быстро и одновременно почти во всех клетках.

Исходя из этих заключений, расшифровка молекулярного механизма развития апоптоза «сосредоточилась» на идентификации эндонуклеаз(ы), осуществляющих фрагментацию ДНК, и механизмов, активирующих эндонуклеазы.

Эндонуклеазы

1. Деградацию осуществляет ДНКаза I. Процесс активируется Са2+ и Мg2+ и подавляется Zn2+ .

Однако имеются факты, которые свидетельствуют против участия ДНКазы I в процессе фрагментации ДНК. Так известно, что этот фермент отсутствует в ядре, правда, этот аргумент не очень весомый, так как относительно небольшой размер его молекул, 31 кДа, в случае нарушения проницаемости ядерной мембраны делает участие ДНКазы I в деградации ДНК вполне реальным. Другое дело, что при обработке хроматина invitro ДНКаза I вызывает разрывы не только в линкерной части, но и в нуклеосомной ДНК.

2. Другой эндонуклеазой, рассматриваемой в качестве основного фермента деградации ДНК, является эндонуклеаза II [Барри 1993]. Эта нуклеаза при обработке ядер и хроматина осуществляет межнуклеосомную фрагментацию ДНК. Несмотря на то, что его активность не зависит от ионов двухвалентных металлов, вопрос об участии эндонуклеазы II в деградации ДНК не снят до сих пор, поскольку фермент не только находится в лизосомах, но и выделяется из ядер клеток.

3. эндонуклеаза с молекулярной массой 18 кДа. Этот фермент был выделен из ядер погибающих путем апоптоза тимоцитов крыс [Гайдо, 1991]. Она отсутствовала в нормальных тимоцитах. Активность фермента проявляется в нейтральной среде и зависит от Са2+ и Мg2+.

4. γ-нуклеаза с молекулярной массой 31 кДа, имеющая «классическую» зависимость от ионов Са, Мg и Zn. Активность этого фермента повышалась в ядрах тимоцитов крыс, обработанных глюкокортикоидами .

5. эндонуклеаза с молекулярной массой 22,7 кДа фермент, активность которого проявляется в ядрах тимоцитов крыс только после действия глюкокортикоидов и подавляется теми же ингибиторами, что и межнуклеосомная деградация ДНК .

Каспазы – цистеиновые протеазы, которые расщепляют белки по аспарагиновой кислоте. В клетке каспазы синтезируются в форме латентных предшественников – прокаспаз. Существуют инициирующие и эффекторные каспазы. Инициирующие каспазы активируют латентные формы эффекторных каспаз. Субстратами для действия активированных каспаз служат более 60 различных белков. Это, например, киназа фокальных адгезионных структур, инактивация которой приводит к отделению апоптических клеток от соседей; это ламины, которые при действии каспаз разбираются; это цитоскелетные белки (промежуточные филаменты, актин, гельзолин), инактивация которых приводит к изменению формы клетки и к появлению на ее поверхности пузырей, которые дают начало апоптическим тельцам; это активируемая протеаза САD, которая расщепляет ДНК на олигонуклеотидные нуклео-сомные фрагменты; это ферменты репарации ДНК, подавление которых предотвращает восстановление структуры ДНК, и многие другие.

Одним из примеров разворачивания апоптозного ответа может являться реакция клетки на отсутствие сигнала от необходимого трофического фактора, например фактора роста нервов (NGF), или андрогена.

В цитоплазме клеток в присутствии трофических факторов находится в неактивной форме еще один участник реакции – фосфорилированный белок Ваd. В отсутствие трофического фактора этот белок дефосфорилируется и связывается с белком Вс1–2 на внешней митохондриальной мембране и этим ингибирует его антиапоптозные свойства. После этого активируется мембранный проапоптический белок Вах, открывая путь ионам, входящим в митохондрию. В это же время из митохондрий через образовавшиеся в мембране поры в цитоплазму выходит цитохром с, который связывается с адаптерным белком Араf‑1, который в свою очередь активирует прокаспазу 9. Активированная каспаза 9 запускает каскад других прокаспаз, в том числе каспазу 3, которые, будучи протеиназами, начинают переваривать мешенные белки (ламины, белки цитоскелета и др.), что вызывает апоптическую смерть клетки, ее распад на части, на апоптические тельца.

Апоптические тельца, окруженные плазматической мембраной разрушенной клетки, привлекают отдельные макрофаги, которые их поглощают и переваривают с помощью своих лизосом. Макрофаги не реагируют на соседние нормальные клетки, но узнают апоптические. Это связано с тем, что при апоптозе нарушается асимметрия плазматической мембраны и на ее поверхности появляется фосфатидилсерин, негативно заряженный фосфолипид, который в норме располагается в цитозольной части билипидной плазматической мембраны. Таким образом, путем избирательного фагоцитоза ткани как бы очищаются от погибших апоптозных клеток.

Как указывалось выше, апоптоз может быть вызван целым рядом внешних факторов, таких как радиация, действие некоторых токсинов, ингибиторов клеточного метаболизма. Необратимые повреждения ДНК вызывают апоптоз. Это связано с тем, что накапливающийся транскрипционный фактор – белок р53, не только активирует белок р21, который ингибирует зависящую от циклина киназу и останавливает клеточный цикл в G1- или G2‑фазе, но и активирует экспрессию гена bax, продукт которого запускает апоптоз.

Наличие контрольных точек в клеточном цикле необходимо для определения завершения его каждой фазы. Остановка клеточного цикла происходит при повреждении ДНК в G1 периоде, при неполной репликации ДНК в S‑фазе, при повреждении ДНК в G2‑периоде и при нарушении связи веретена деления с хромосомами.

Одним из контрольных пунктов в клеточном цикле является собственно митоз, который не переходит в анафазу при неправильной сборке веретена и при отсутствии полных связей микротрубочек с кинетохорами. В этом случае не происходит активации АРС-комплекса, не происходит деградации когезинов, соединяющих сестринские хрома-тиды, и деградации митотических циклинов, что необходимо для перехода в анафазу.

Повреждения ДНК препятствуют вхождению клеток в S‑период или в митоз. Если эти повреждения не катастрофические и могут быть восстановлены за счет репаративного синтеза ДНК, то блок клеточного цикла снимается, и цикл доходит до своего завершения. Если же повреждения ДНК значительные, то каким-то образом происходят стабилизация и накопление белка р53, концентрация которого в норме очень низкая из-за его нестабильности. Белок р53 является одним из факторов транскрипции, который стимулирует синтез белка р21, являющегося ингибитором комплекса СDК-циклин. Это приводит к тому, что клеточный цикл останавливается на стадии G1или G2. При блоке в G1‑периоде клетка с повреждением ДНК не вступает в S‑фазу, так как это могло бы привести к появлению мутантных клеток, среди которых могут быть и опухолевые клетки. Блокада в G2‑периоде также предотвращает процесс митоза клеток с повреждениями ДНК. Такие клетки, с блокированным клеточным циклом, в дальнейшем погибают путем апоптоза, программированной клеточной гибели (рис. 353).

При мутациях, приводящих к потере генов белка р53, или при их изменениях, блокады клеточного цикла не происходит, клетки вступают в митоз, что приводит к появлению мутантных клеток, большая часть из которых нежизнеспособна, другая – дает начало злокачественным клеткам.

Избирательные повреждения митохондрий, при которых в цитоплазму высвобождается цитохром с, также являются частой причиной развития апоптоза. Особенно митохондрии и другие клеточные компоненты страдают при образовании токсически активных форм кислорода (АТК), под действием которых во внутренней мембране митохондрий образуются неспецифические каналы с высокой проницаемостью для ионов, в результате чего матрикс митохондрий набухает, а внешняя мембрана разрывается. При этом растворенные в межмембранном пространстве белки вместе с цитохромом с выходят в цитоплазму. Среди освободившихся белков есть факторы, активирующие апоптоз, и прокаспаза 9.

Многие токсины (рицин, дифтерийный токсин и др.), а также антиметаболиты могут вызывать гибель клеток путем апоптоза. При нарушении синтеза белка в эндоплазматическом ретикулуме в развитии апоптоза участвует локализованная там прокаспаза 12, которая активирует ряд других каспаз, и в том числе каспазу 3.

Элиминация – удаление отдельных клеток путем апоптоза, наблюдается и у растений. Здесь апоптоз включает в себя, так же как у животных клеток, фазу индукции, эффекторную фазу и фазу деградации. Морфология гибели клеток растений сходна с изменениями клеток животных: конденсация хроматина и фрагментация ядра, олигонуклеотидная деградация ДНК, сжатие протопласта, его дробление на везикулы, разрыв плазмодесм и т.д. Однако везикулы протопласта разрушаются гидролазами самих везикул, так как у растений нет клеток, аналогичных фагоцитам. Так, ПКС происходит при росте клеток корневого чехлика, при формировании перфораций у листьев, при образовании ксилемы и флоэмы. Опадание листьев связано с избирательной гибелью клеток определенной зоны черенка.

Биологическая роль апоптоза, или программированной смерти клеток, очень велика: это удаление отработавших свое или ненужных на данном этапе развития клеток, а также удаление измененных или патологических клеток, особенно мутантных или зараженных вирусами.

Итак, для того чтобы клетки в многоклеточном организме существовали, нужны сигналы на их выживание – трофические факторы, сигнальные молекулы. Эти сигналы могут быть переданы на расстояние и уловлены соответствующими рецепторными молекулами на клетках-мишенях (гормональная, эндокринная сигнализация), это может быть паракринная связь, когда сигнал передается на соседнюю клетку (например, передача нейромедиатора). При отсутствии таких трофических факторов реализуется программа апоптоза. В то же время апоптоз может вызываться сигнальными молекулами, например при резорбции хвоста головастиков под действием тироксина. Кроме того, действие ряда токсинов, влияющих на отдельные звенья метаболизма клетки, также может стать причиной клеточной гибели посредством апоптоза.

Апоптоз в патогенеза заболеваний

1. В иммунной системе

2. ОНКОЛОГИЧЕСКИЕ ЗАБОЛЕВАНИЯ

3. ВИРУСНАЯ ИНФЕКЦИЯ (индуцирующие апоптоз: в. иммунодефицита человека‚ в. анемии циплят; ингибирующие апоптоз: цитомегаловирус‚ в. Эпштейна-Барр‚ в. герпеса)

4. А. и НЕЙРОНЫ КОРЫ ГОЛОВНОГО МОЗГА

ПРИНЦИПЫ КОРРЕКЦИИ АПОПТОЗА КЛЕТКИ

Открытие регулируемого процесса гибели клетки – апоптоза–позволило определенным образом воздействовать на его отдельные этапы с целью регуляции или коррекции.

Биохимические процессы развития апоптоза можно гипотетически разделить на несколько этапов:

Действие фактора, вызывающего апоптоз;

Передача сигнала с рецепторной молекулы в клеточное ядро;

Активация апоптозспецифических генов;

Синтез апоптозспецифических белков

Активация эндонуклеаз

Фрагментацию ДНК (рис. 2.4).

В настоящее время считают, что если клетка погибает путем апоптоза, то подразумевается возможность терапевтического вмешательства, если вследствие некроза, то такое вмешательство невозможно. На основе знаний регуляции запрограммированной гибели клетки используется широкий ряд препаратов с целью воздействия на этот процесс в различных типах клеток.

Так, сведения о рецепторопосредованной регуляции апоптоза клеток учитывают при лечении гормонзависимых опухолей.

Андрогенблокирующую терапию назначают при раке предстательной железы.

Рак молочной железы часто подвергается регрессии при использовании антагонистов эстрогеновых рецепторов.

Информация о биохимических сигналпередающих путях регуляции апоптоза позволяет эффективно применять антиоксидантную терапию, препараты, регулирующие концентрацию кальция, активаторы или ингибиторы различных протеинкиназ и т.д. с целью коррекции апоптоза в различных типах клеток.

Осознание роли апоптоза в гибели клеток интенсифицировало поиск фармакологических воздействий, защищающих клетки от апоптоза.

Активно изучаются ингибиторы специфических протеаз в качестве фармакологических агентов. Это, как правило, три- или тетрапептиды, содержащие аспарагиновую кислоту (Асп). Использование таких протеаз в терапевтических целях ограничено их низкой способностью проникать в клетку. Однако, несмотря на это, в экспериментах invivo успешно применяется Z-VAD-FMK – ингибитор ICE‑подобных протеаз широкого спектра действия для снижения зоны инфаркта при моделировании инсульта.

В ближайшие годы можно ожидать появления новых лекарственных средств для лечения и предупреждения различных заболеваний, основу действия которых будет составлять принцип регуляции процессов апоптоза.

Наиболее эффективны для коррекции апоптоза подходы, связанные с регуляцией апоптозспецифических генов. Эти подходы лежат в основе генной терапии – одного из перспективных направлений лечения больных с заболеваниями, вызванными нарушением функционирования отдельных генов.

Принципы генной терапии включают следующие этапы:

Идентификация последовательности ДНК, которая будет подвергаться лечению;

Определение типа клеток, в которых будет проводиться лечение;

Защита ДНК от гидролиза эндонуклеазами;

Транспорт ДНК в клетку (ядро).

Геннотерапевтические подходы позволяют

Усиливать работу отдельных генов (трансформация генов, ингибирующих апоптоз, например гена bcl‑2),

Ослаблять их экспрессию. Для селективного ингибирования экспрессии генов в настоящее время используют технику антисмысловых олигонуклеотидов (антисенсов). Использование антисенсов снижает синтез определенных белков, что влияет на регуляцию процесса апоптоза.

Механизм действия антисенсов активно изучается. В некоторых случаях короткие (13–17 оснований) антисмысловые олигонуклеотиды, имеющие последовательности, комплементарные нуклеотидным последовательностям матричной РНК (мРНК) отдельных белков, могут эффективно блокировать генетическую информацию на стадии, предшествующей транскрипции (рис. 2.5). Данные олигонуклеотиды, связываясь с ДНК, формируют триплетную спиральную структуру. Такое связывание может быть необратимым или вызывать селективное выщепление триплетного комплекса, что в итоге приводит к ингибированию экспрессии гена и гибели клетки. В других случаях происходит комплементарное связывание антисенса с мРНК, что вызывает нарушение трансляции и снижение концентрации соответствующего белка.

Триплетный комплекс

Рис. Регуляция экспрессии генов антисмысловыми олигонуклеотидами.

В настоящее время убедительно показано, что технология с использованием антисенсов имеет большое значение для регуляции отдельных генов в культуре клеток. Успешное подавление гена bcl‑2 в экспериментах на культурах клеток пробуждает надежду на применение в будущем антисенсов для лечения больных раком. Во многих экспериментах invitro показано, что антисенсы вызывают ингибирование пролиферации и дифференцировки клеток. Такой результат подтверждает перспективы терапевтического использования данной технологии.

В. Флемминг сформулировал представление о митозе как циклическом процессе, кульминационным моментом которого является расщепление каждой хромосомы на две дочерние хромосомы и их распределение по двум вновь образующимся клеткам. У одноклеточных организмов продолжительность существования клетки совпадает с продолжительностью жизни организма. В организме многоклеточных животных и растений различаются две группы клеток: постоянно делящиеся (пролиферирующие) и покоящиеся (статичные). Совокупность пролиферирующих клеток образует пролиферативный пул.

В группах пролиферирующих клеток интервал между завершением митоза в исходной клетке и завершением митоза в ее дочерней клетке называется клеточный цикл. Клеточный цикл контролируется определенными генами. Полный клеточный цикл включает интерфазу и собственно митоз. В свою очередь, собственно митоз включает кариокинез (деление ядра) и цитокинез (деление цитоплазмы).

Клеточный цикл состоит из интерфазы (период вне деления) и самого клеточного деления.

Если клетка собирается когда-нибудь делиться, то интерфаза будет состоять из 3-х периодов. Сразу после выхода из митоза клетка вступает в пресинтетический или G1-период, далее переходит в синтетический или S-период и потом - в постсинтетический или G2-период. G2-периодом заканчивается интерфаза и после нее клетка вступает в следующий митоз.

Если клетка не планирует снова делиться, то она как бы выходит из клеточного цикла и вступает в период покоя, или G0-период. Если клетка, находящаяся в G0-периоде, снова захочет делиться, то она выходит из G0-периода и вступает в G1-период. Таким образом, если клетка находится в G1-периоде, то она обязательно рано или поздно будет делиться, не говоря уже о S- и G2-периодах, когда клетка в ближайшее время обязательно вступит в митоз.

G1-период может продолжаться от 2–4 ч до нескольких недель или даже месяцев. Продолжительность S-периода варьирует от 6 до 8 ч, а G2-периода - от нескольких часов до получаса. Длительность митоза - от 40 до 90 минут. Причем самой короткой фазой митоза можно считать анафазу. Она занимает всего несколько минут.

G1-период характеризуется высокой синтетической активностью, в течение которого клетка должна увеличить свой объем до размера материнской клетки, а значит, и количество органелл, различных веществ. Непонятно почему, но клетка прежде чем вступить в следующий митоз должна иметь размер равный материнской клетке. И пока этого не произойдет, клетка продолжает оставаться в G1-периоде. Видимо, единственным исключением из этого является дробление, при котором бластомеры делятся, не достигая размеров исходных клеток.

В конце G1-периода принято различать специальный момент, называемый R-точкой (точка рестрикции, R-пункт), после которого клетка обязательно в течение нескольких часов (обычно 1–2) вступает в S-период. Период времени между R-точкой и началом S-периода можно рассматривать в качестве подготовительного для перехода в S-период.

Самый главный процесс, который идет в S-периоде - это удвоение или редупликация ДНК. Все остальные реакции, происходящие в это время, направлены на обеспечение синтеза ДНК - синтез гистоновых белков, синтез ферментов, регулирующих и обеспечивающих синтез нуклеотидов и образование новых нитей ДНК.

Сущность G2-периода не совсем понятна в настоящее время, однако в этот период происходит образование веществ, необходимых для самого процесса митоза (белки микротрубочек веретена деления, АТФ).

Прохождение клетки по всем периодам клеточного цикла строго контролируется специальными регуляторными молеулами, которые обеспечивают:

1) прохождение клетки по определенному периоду клеточного цикла
2) переход из одного периода в другой.

Причем прохождение по каждому периоду, а также переход из одного периода в другой контролируется различными веществами. Одними из участников регуляторной системы являются циклин-зависимыми протеинкиназами (cdc). Именно они регулируют активность генов, ответственных за прохождение клетки по тому или иному периоду клеточного цикла. Имеется несколько их разновидностей, и все они присутствуют в клетке постоянно независимо от периода клеточного цикла. Но для работы циклин-зависимых протеинкиназ требуются специальные активаторы. Ими являются циклины. Циклины присутствуют в клетках не постоянно, а то появляются, то исчезают. Это обусловлено их синтезом и быстрым разрушением. Известно много типов циклинов. Синтез каждого циклина происходит в строго определенный период клеточного цикла. В один период образуются одни циклины, а в другой - другие. Таким образом, система "циклины - циклин-зависимые протеинкиназы" управляет движением клетки по клеточному циклу.

Регуляция клеточного цикла

По пролиферативному потенциалу различают три группы клеток:

1. Статичные, или непролиферирующие клетки – не размножаются при нормальных физиологических условиях. Хроматин конденсирован настолько, что исключается транскрипционная активность ядра (сегментоядерные лейкоциты, тучные клетки, эритроциты). К статичным клеткам относят также миоциты и нейроны, в которых хроматин деконденсирован, что связано с выполнением ими специфических функций в отсутствие пролиферации.

2. Растущие, или медленно пролиферирующие клетки с низкой митотической активностью (лимфоциты, хондроциты, гепатоциты).

3. Обновляющиеся клеточные популяции, в которых высокий уровень пролиферации компенсируется гибелью клеток. В этих популяциях основная масса клеток претерпевает терминальную (окончательную) дифференцировку и погибает (кроветворная система). Стволовые клетки на всем протяжении своей жизни сохраняют пролиферативный потенциал.

Особую группу постоянно пролиферирующих клеток составляют раковые клетки. Это вечно молодые, иммортализированные («бессмертные») клетки.

Существует эндогенная (внутренняя) и экзогенная (внешняя) регуляция пролиферации. Факторы, подавляющие пролиферацию, называются ингибиторами пролиферации. Факторы, повышающие вероятность пролиферации, называются стимуляторами пролиферации, или митогенами. Митогенами могут быть определенные пептиды.