Програмована клітинна загибель

Залежна від лізосом клітинна загибель починається з порушень клітинного гомеостазу і пермеабілізаціі (змінення проникності) мембран лізосом. Вона спостерігається при багатьох патофізіологічних процесах: запаленні, перебудові тканин (наприклад, перебудові тканини молочних залоз після лактації), старінні, нейродегенеративних захворюваннях, серцево-судинних захворюваннях і відповіді на внутрішньоклітинні патогени[4].

Після пермеабілізаціі мембран лізосом вміст останніх виходить в цитозоль, де зокрема виявляються в результаті протеолітичні ферменти родини катепсинів, які руйнують вміст клітини. Процеси, що передують пермеабілізаціі лізосомальних мембран і запускають її, не цілком ясні. В деяких умовах вона відбувається після пермеабілізації зовнішньої мітохондріальної мембрани в ході внутрішнього апоптозу. В інших випадках пермеабілізація мембран лізосом відбувається раніше від мембран мітохондрій за участю білка BAX. Важливу роль у запуску підвищення проникності лізосомальних мембран відіграють активні форми кисню[4].

Автофагосоми, мічені флуоресцентним барвником, у клітинах hTERT-RPE1

Залежна від автофагії клітинна загибель передбачає активацію молекулярних механізмів автофагії (всіх або частини), які призводять до утворення автофагосом — везикул з подвійною мембраною[5][6]. Автофагія є важливим процесом, що становлять частину клітинної відповіді на стрес, тому її порушення призводять до різноманітних дефектів розвитку і захворювань. У дрозофіли автофагія задіяна в оновленні вистилки середньої кишки і деградації личинкових слинних залоз. Залежна від автофагії клітинна загибель вносить свій внесок у патогенез ряду захворювань і у людини. Наприклад, при деяких патологічних станах шляхом автофагії гинуть нейрони. Різновид залежною від автофагії клітинної загибелі, в якій задіяна Na⁺/K⁺-АТФаза, відома як автоз[4].

Імуногенною клітинною загибеллю називають ті види клітинної смерті, які супроводжуються активацією адаптивної імунної відповіді, спрямованого проти ендогенних (клітинних) або екзогенних (вірусних) антигенів, які експресує, клітина, що гине. Імуногенну клітинну загибель викликають порівняно небагато факторів: вірусні інфекції, деякі протиракові препарати (наприклад, антрацикліни і бортезоміб]), деякі види радіотерапії, а також фотодинамічна терапія, заснована на гіперіцині. Як правило, імунну відповідь запускають такі асоційовані з ушкодженнями молекулярні патерни (англ. Damage-associated molecular pattern, DAMP), які експресуються клітиною, що вмирає: кальретикулін, АТФ, білок HMGB1, інфтерферони I типу, нуклеїнові кислоти, що походять від ракових клітин, і аннексин A1[4].

Узагальнена схема апоптозу ссавців

Внутрішній апоптоз запускають різноманітні зміни навколишнього середовища клітини: відсутність факторів росту, пошкодження ДНК, стрес ендоплазматичного ретикулуму (ЕПР), активні форми кисню, порушення реплікації ДНК, дефекти мітозу і порушення функціювання мікротрубочок. Клітини, що гинуть шляхом апоптозу, зберігають цілісність плазматичної мембрани і певну метаболічну активність. Вони розпадаються на везикули — апоптотичні тільця, які фагоцитуються іншими клітинами. Критичний етап внутрішнього апоптозу — необоротна пермеабілізація зовнішніх мітохондріальних мембран, яка контролюється різними білками родини BCL2. В результаті у цитозоль виходять проапоптотичні фактори, які в звичайний час знаходяться в міжмембранному просторі мітохондрій. Найважливішим з них є білок дихального ланцюга цитохром c. В цитозолі він зв'язується з білком APAF1 і про-каспазою 9, формуючи комплекс, відомий як апоптосома. В ній каспаза 9 активується, формуючи димери, які самі себе розрізають і тим самим активують, і починає активувати інші каспази, вносячи в них розрізи. Каспази — це протеази, які руйнують всі білки клітини і викликають смерть клітини[4].

Зовнішній апоптоз запускається змінами в мікрооточенні клітини. Ключову роль у запуску зовнішнього апоптозу відіграють два типи рецепторів клітинної мембрани: рецептори смерті, які активуються при зв'язуванні з лігандом, а також рецептори, які активуються, коли концентрація їх ліганду опускається нижче від певного значення. До числа рецепторів смерті відносяться, наприклад, рецептор Fas та низка інших рецепторів надродини факторів некрозу пухлин (англ. tumor necrosis factor, TNF). Коли рецептор смерті активується, у його внутрішньоклітинній частині збирається особливий багатобілковий комплекс — DISC (від англ. death-inducing silencing complex). Він регулює активацію і функціювання каспази-8 (або, в деяких випадках, каспази-10). Слідом за нею активуються й інші каспази, які руйнують клітинні білки і призводять до її загибелі[4].

MPT-залежний некроз починається при особливих змінах внутрішньоклітинних умов, таких як сильний окислювальний стрес і значне підвищення концентрації іонів кальцію в цитозолі. Скорочення MPT походить від англ. mitochondrial permeability transition — порушення проникності мітохондрій, оскільки при цьому виді клітинної загибелі внутрішня мітохондріальна мембрана стає проникною для малих молекул, що призводить до зникнення електрохімічного градієнта на ній, осмотичного руйнування обох мітохондріальних мембран і врешті загибелі клітини у вигляді некрозу[4].

Молекулярні механізми некроптозу

Некроптоз викликається різними змінами у внутрішньому і зовнішньому середовищі клітини, які детектуються особливими рецепторами смерті (наприклад, Fas), рецепторами розпізнавання патогенів (наприклад, Toll-подібними рецепторами 3 і 4), а також білком ZBP1, що зв'язується з Z-ДНК. Морфологічно смерть клітини відбувається у формі некрозу. Критично важливу роль у запуску некроптозу грають протеїнкінази RIPK3 і MLKL, які активуються рецепторами. Некроптоз не тільки пов'язаний з відповіддю організму на стрес, він забезпечує загибель дефектних організмів до народження і бере участь у регуляції гомеостазу T-лімфоцитів у дорослому організмі[4].

Фероптозу, як правило, передує серйозне пошкодження клітинних ліпідів внаслідок утворення активних форм кисню і появи вільних йонів заліза в клітині. Окиснення ліпідів відбувається саме через йони заліза, через що даний вид клітинної загибелі і отримав свою назву[7]. Морфологічно ферроптоз — це некроз, при якому відбуваються серйозні пошкодження мітохондрій: вони стискаються, у них зникають крісти і руйнується зовнішня мембрана. У ферроптозі не задіяні каспази і білки, що здійснюють автофагію. При цьому виді клітинної загибелі відбувається окислення деяких поліненасичених жирних кислот, наприклад, арахідонової кислоти, утворюються гідропероксиди ліпідів. Іноді окиснення ліпідів може відбуватися під дією ферментів ліпоксигеназ і циклооксигеназ. Їм протидіє глутатіонпероксидаза GPX4. Ферроптозу також перешкоджають ферростатин-1, ліпрокстатин-1, а також вітамін E, коензим Q₁₀ і подібні сполуки з антиоксидантною активністю, які відволікають на себе активні форми кисню і не дають їм взаємодіяти з ліпідами[4].

Піроптоз активується в ході реакцій вродженого імунітету. При піроптозі відбувається особлива конденсація хроматину, що відрізняється від конденсації хроматину при апоптозі. Клітина розбухає, відбувається пермеабілізація мембрани. У піроптозі провідну роль відіграє прозапальна каспаза 1, однак у деяких випадках замість неї виступають інші каспази, наприклад, каспаза 3. Піроптоз задіяний у розвитку багатьох патологічних станів, наприклад, смертельного септичного шоку, спричиненого бактерійними ліпополісахаридами. Саме бактеріальні ліпополісахариди, що потрапляють у цитоплазму клітин організму-господаря, ймовірно, відіграють провідну роль у запуску піроптозу[4].

Партанатоз — це форма програмованої клітинної загибелі, що характеризується гіперактивацією полі(АДФ-рибоза)-полімерази PARP1 — білка, що бере участь у клітинній відповіді на пошкодження ДНК. Однак партанатоз може відбуватися не тільки при сильному пошкодженні ДНК шляхом алкілювання, а також при окисному стресі, гіпоксії, гіпоглікемії або запаленні. Головну роль у гіперактивації PARP1, особливо в нейронах, відіграють активні форми азоту, зокрема оксид азоту NO. Гіперактивація PARP1 має цитотоксичні ефекти, такі як виснаження пулу NAD⁺ і АТФ (що призводить до порушення біоенергетичної і окислювально-відновної рівноваги клітини), а також накопичення полімерів полі(АДФ-рибози) і полі(АДФ-рибоз)ованих білків у мітохондріях (через що втрачається мембранний потенціал і пермеабілізується зовнішня мітохондріальна мембрана)[4].

Схема ентозу

Ентоз — це форма клітинного канібалізму, яка відбувається в здорових тканинах та пухлинах ссавців. Жива клітина поглинається іншою клітиною, що не володіє здатністю до фагоцитозу. Часто, але не завжди, поглинена клітина гине. Як правило, ентоз запускається, коли епітеліальна клітина втрачає контакт з позаклітинним матриксом, хоча для цього можуть бути й інші причини: невідрегульована експресія міозинів при формуванні міжклітинних контактів, відмінності в механічних властивостях сусідніх клітин і метаболічний стрес. У ракових клітин ентоз може запускатися при мітозі. Загибель поглиненої клітини не залежить від каспаз і білків BCL2, що відіграють найважливішу роль в апоптозі. Принаймні в деяких випадках загибель відбувається у вигляді особливої форми автофагії[4].

Схема NETозу

Спочатку ця форма загибелі була описана у нейтрофілів, які, вмираючи, викидають назовні мережу з волокон, що містять хроматин і гістони, пов'язані з цитозольними білками. Ці волокна були названі англ. neutrophil extracellulae traps (NET), і форма смерті отримала назву NETоз (англ. NETosis). Викид NET може бути викликаний мікробами, активацією особливих рецепторів (наприклад, Toll-подібних). Суттєва частка ДНК, яка входить до складу цих волокон, має мітохондріальне, а не ядерне походження. NET можуть викидати й інші клітини, відмінні від нейтрофілів: мастоцити, еозинофіли і базофіли, причому викид NET не завжди призводить до загибелі клітини. NET володіють не тільки антимікробним ефектом; показана їх роль у таких захворювань, як діабет і рак[4].