Молекулярно генетические механизмы регуляции пролиферации клетки. Учебное пособие: Молекулярные механизмы регуляции клеточного цикла

Пролиферативные процессы при остром воспалении начинаются вскоре после воздействия флогогенного фактора на ткань и более выражены по периферии зоны воспаления. Одним из условий оптимального течения пролифрации является затухание процессов альтерации и экссудации.

Пролиферация

Фагоциты также продуцируют и выделяют в межклеточную жидкость ряд БАВ, регулирующих развитие либо иммунитета, либо аллергии, либо состояния толерантности. Таким образом, воспаление непосредственно связано с формированием иммунитета или иммунопатологических реакций в организме.

Пролиферация - компонент воспалительного процесса и завершающая его стадия - характеризуется увеличением числа стромальных и, как правило, паренхиматозных клеток, а также образованием межклеточного вещества в очаге воспаления, Эти процессы направлены на регенерацию альтерированных и/или замещение разрушенных тканевых элементов. Существенное значение на этой стадии воспаления имеют различные БАВ, в особенности стимулирующие пролиферацию клеток (митогены).

Формы и степень пролиферации органоспецифических клеток различны и определяются характером клеточных популяций (см. статью «Популяция клеток» в приложении «Справочник терминов»).

У части органов и тканей (например, печени, кожи, ЖКТ, дыхательных путей) клетки обладают высокой пролиферативной способностью, достаточной для ликвидации дефекта структур в очаге воспаления.

У других органов и тканей эта способность весьма ограничена (например, у тканей сухожилий, хрящей, связок, почек и др.).

У ряда органов и тканей паренхиматозные клетки практически не обладают пролиферативной активностью (например, миоциты сердечной мышц, нейроны). В связи с этим при завершении воспалительного процесса в тканях миокарда и нервной системы на месте очага воспаления пролиферируют клетки стромы, в основном фибробласты, которые образуют и неклеточные структуры. В результате этого формируется соединительнотканный рубец. Вместе с тем известно, что паренхиматозные клетки указанных тканей обладают высокой способностью к гипертрофии и гиперплазии субклеточных структур.

Активация пролиферативных процессов коррелирует с образованием БАВ, обладающих антивоспалительным эффектом (своеобразных противовоспалительных медиаторов). К числу наиболее действенных среди них относятся:

Ингибиторы гидролаз, в частности протеаз (например, антитрипсина),  ‑микроглобулина, плазмина или факторов комплемента;

Антиоксиданты (например, церулоплазмин, гаптоглобин, пероксидазы, СОД);

Полиамины (например, путресцин, спермин, кадаверин);

Глюкокортикоиды;

Гепарин (подавляющий адгезию и агрегацию лейкоцитов, активность кининов, биогенных аминов, факторов комплемента).

Замещение погибших и повреждённых при воспалении тканевых элементов отмечается после деструкции и элиминации их (этот процесс получил название раневого очищения).

Реакции пролиферации как стромальных, так и паренхиматозных клеток регулируется различными факторами. К числу наиболее значимых среди них относят:

Многие медиаторы воспаления (например, ФНО, подавляющий пролиферацию; лейкотриены, кинины, биогенные амины, стимулирующие деление клеток).

Специфические продукты метаболизма лейкоцитов (например, монокины, лимфокины, ИЛ, факторы роста), а также тромбоцитов, способные активировать пролиферацию клеток.

Низкомолекулярные пептиды, высвобождающиеся при деструкции тканей, полиамины (путресцин, спермидин, спермин), а также продукты распада нуклеиновых кислот, активирующие размножение клеток.

Гормоны (СТГ, инсулин, T 4 , кортикоиды, глюкагон), многие из них способные как активировать, так и подавлять пролиферацию в зависимости от их концентрации, активности, синергических и антагонистических взаимодействий; например, глюкокортикоиды в низких дозах тормозят, а минералокортикоиды - активируют реакции регенерации.

На процессы пролиферации оказывает влияние и ряд других факторов, например, ферменты (коллагеназа, гиалуронидаза), ионы, нейромедиаторы и другие.

Можно считать доказанным, что исходным элементом всей системы клеток крови является стволовая клетка, полипотентная, способная к многочисленным разнообразным дифференцировкам и в то же время обладающая способностью к самоподдержанию, т. е. к пролиферации без видимой дифференцировки.

Отсюда следует, что принципы управления системой кроветворения должны обеспечивать такую ее регуляцию, в результате которой при стабильном кроветворении выполняются следующие два основных условия: число продуцируемых клеток каждого типа постоянно и строго соответствует числу погибших зрелых клеток; число стволовых клеток постоянно, и образование новых стволовых клеток точно соответствует числу их, ушедших в дифференцировку.

Еще более сложные задачи решаются при стабилизации системы после возмущающего воздействия. В этом случае число образующихся стволовых клеток должно превышать число ушедших в дифференцировку до тех пор, пока величина отдела не достигает исходного уровня, после чего вновь должны быть установлены сбалансированные отношения между числом новообразующихся и дифференцирующихся стволовых клеток.

С другой стороны, дифференцировка стволовых клеток должна регулироваться так, чтобы восстановить число зрелых клеток только того ряда, который оказался уменьшенным (например, эритроидные клетки после кровопотери) при стабильной продукции других клеток. И здесь после усиленного новообразования данной категории клеток ее продукция должна быть снижена до сбалансированного уровня.

Количественная регуляция кроветворения , т. е. обеспечение образования необходимого числа клеток нужного типа в определенное время, осуществляется в последующих отделах, прежде всего в отделе коммитированных предшественников.

Стволовая клетка обладает двумя основными свойствами: способностью к самоподдержанию, достаточно длительному, сравнимому со временем существования всего многоклеточного организма, и способностью к дифференцировке. Так как последняя, видимо, необратима, «принявшая решение» о дифферсицировке стволовая клетка необратимо покидает отдел.

Итак, важнейшая проблема регуляции в этом отделе состоит в том, чтобы при повышении запроса дифференцировке нe подвергались бы все стволовые клетки, после чего регенерация кроветворения оказалась бы невозможной в связи с истощением способных к самоподдержанию элементов, так как клетки всех последующих отделов к длительному самоподдержанию не способны. Такая регуляция в организме действительно существует. После облучения в высоких дозах практически вся кроветворная система погибает. Между тем, например, у мыши, регенерация возможна после того, как облучением уничтожено 99,9% всех стволовых клеток (Bond е. а., 1965). Несмотря на огромный запрос на дифференцировку, сохранившиеся 0,1% стволовых клеток восстанавливают свое число и обеспечивают резкое повышение дифференцировки клеток последующих отделов.

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.

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.

Наши экспериментальные результаты и опубликованные данные свидетельствуют о том, что регуляция процессов пролиферации, дифференцировки и апоптоза может происходить в клетках нейробластомы под действием сублетальных концентраций широкого спектра веществ, в том числе и изменение ионного состава культуральной среды. Клеточный цикл и дифференцировка клетки контролируются циклинами и циклин-зависимыми киназами. Однако молекулярные механизмы, лежащие в основе дифференцировки, все еще плохо поняты. Предложена простейшая модель регуляции фермента с центрами связывания для органических субстратов и для неорганических ионов. Активность такого фермента зависит не только от наличия субстрата, но и от внутриклеточных активностей неорганических ионов. Ионный состав цитоплазмы может осуществить тонкую регулировку различных ферментных систем клетки.

культура клеток

нейробластома

пролиферация

дифференцировка

неорганические ионы

1. Асланиди К.Б., Булгаков В.В., Замятнин А.А. (мл.), Маевский Е.И., Чайлахян Л.М. Модель метаболической регуляции мембранного электрогенеза животной клетки. // ДАН. – 1998. – Т.360, № 6. – С. 823–828.

2. Асланиди К.Б., Мякишева С.Н., Иваницкий Г.Р. Ионная регуляция пролиферации клеток нейробластомы мыши NIE-115 in vitro // ДАН – 2008. – Т. 423, № 2. – С. 1 – 3.

3. Асланиди К.Б., Мякишева С.Н. Влияние компонентов среды на время дифференцировки и продолжительность жизни клеток нейробластомы мыши NIE-115. //Биологические мембраны – 2011. – Т. 28, № 3. – С. 181–190.

4. Мякишева С.Н., Костенко М.А., Дриняев В.А., Мосин В.А. Пролиферация и морфологическая дифференцировка клеток нейробластомы в культуре под влиянием авермектинов // Морфология. – 2001. – Т.120, № 6. – С.24–26.

5. Мякишева С.Н., Крестинина О.В. Исследование влияния мелатонина на пролиферацию и индукцию дифференцировки клеток нейробластомы мыши N1E-115 // Современные проблемы науки и образования. – 2014. – № 6.

6. Мякишева С.Н., Крестинина О.В., Асланиди К.Б. Мелатонин ингибирует пролиферацию и индуцирует дифференцировку клеток нейробластомы. //Сб.ст.: Труды Международной научной конференции SCVRT2013–14. Москва-Протвино – 2013–2014. – С. 153–156.

7. Тирас Х.П., Петрова О.Н., Мякишева С.Н., Попова С.С., Асланиди К.Б. Влияние слабых магнитных полей в разные фазы регенерации планарии. // Биофизика – 2015. – Т.60, №1. – С. 158 – 163.

8. Aslanidi K.B., Boitzova L.J., Chailakhyan L.M., Kublik L.N., Marachova I.I., Potapova T.V., Vinogradova T.A. Energetic cooperation via ion-permeable junctions in mixed cell cultures. // FEBS Letters – 1991. – Vol.283, №2. – P.295–297.

9. Aslanidi K.B., Panfilov A.V. The Boyle-Conway model including the effect of an electrogenic pump for nonexcitable cells // Mathematical Biosciences – 1986. – Vol.79. – P.45–54.

10. Bell J.L., Malyukova A., Kavallaris M., Marshall G.M., Cheung B.B. TRIM16 inhibits neuroblastoma cell proliferation through cell cycle regulation and dynamic nuclear localization. // Cell Cycle – 2013. – Mar 15;12(6):889–98. doi: 10.4161/cc.23825. Epub 2013 Feb 19.

11. Cheung W.M., Chu P.W., Kwong Y.L. Effects of arsenic trioxide on the cellular proliferation, apoptosis and differentiation of human neuroblastoma cells // Cancer Lett. – 2007. – Feb 8;246(1–2):122–8. Epub 2006 Mar 29.

12. Chu J., Tu Y., Chen J., Tan D., Liu X., Pi R. Effects of melatonin and its analogues on neural stem cells // Mol Cell Endocrinol – 2016. – Jan 15;420:169–79. doi: 10.1016/j.mce.2015.10.012. Epub 2015 Oct 21.

13. Duffy DJ, Krstic A, Schwarzl T, Halasz M, Iljin K, Fey D, Haley B, Whilde J, Haapa-Paananen S, Fey V, Fischer M, Westermann F, Henrich KO, Bannert S, Higgins DG, Kolch W. Wnt signalling is a bi-directional vulnerability of cancer cells // Oncotarget – 2016. –Aug 11. doi: 10.18632/oncotarget.11203. .

14. Dziegiel P., Pula B., Kobierzycki C., Stasiolek M., Podhorska-Okolow M. Metallothioneins in Normal and Cancer Cells // Adv Anat Embryol Cell Biol – 2016; – 218:1–117. doi: 10.1007/978–3–319–27472–0_1.

15. Gohara D.W., Di Cera E. Molecular Mechanisms of Enzyme Activation by Monovalent Cations. // J Biol Chem – 2016. – Sep. 30;291(40):20840–20848. Epub 2016 Jul 26.

16. Hiyoshi H, Abdelhady S, Segerström L, Sveinbjörnsson B, Nuriya M, Lundgren TK, Desfrere L. Quiescence and γH2AX in neuroblastoma are regulated by ouabain/Na,K-ATPase. // Br J Cancer. – 2012. – May 22; 106(11):1807–15. doi: 10.1038/bjc.2012.159. Epub 2012 Apr 24.

17. Ikram F., Ackermann S., Kahlert Y., Volland R., Roels F., Engesser A., Hertwig F., Kocak H., Hero B., Dreidax D., Henrich K.O., Berthold F., Nürnberg P., Westermann F., Fischer M. Transcription factor activating protein 2 beta (TFAP2B) mediates noradrenergic neuronal differentiation in neuroblastoma. // Mol Oncol – 2016. – Feb;10(2):344–59. doi: 10.1016/j.molonc.2015.10.020. Epub 2015 Nov 7.

18. Leung Y.M., Huang C.F., Chao C.C., Lu D.Y., Kuo C.S., Cheng T.H., Chang L.Y., Chou C.H. Voltage-gated K+ channels play a role in cAMP-stimulated neuritogenesis in mouse neuroblastoma N2A cells // J Cell Physiol – 2011. – Apr;226(4):1090–8. doi: 10.1002/jcp.22430.

19. Luksch R., Castellani M.R., Collini P., De Bernardi B., Conte M., Gambini C., Gandola L., Garaventa A, Biasoni D, Podda M, Sementa AR, Gatta G, Tonini GP. Neuroblastoma (Peripheral neuroblastic tumours). // Crit Rev Oncol Hematol – 2016. – Nov. – 107:163–181. doi: 10.1016/j.critrevonc.2016.10.001. Epub 2016 Oct 6.

20. Morgan D.O. Principles of CDK regulation. // Nature – 1995, Vol. 374. – P. 131–134.

21. Narimanov A.A., Kublik L.N., Myakisheva S.N. Influence of cyanosis blue Polemonium Coeruleum L. extract on the growth of transformed cells in vitro. // Experimental Oncology –1996, Vol. 18. – P. 287–289.

22. Naveen C.R., Gaikwad S., Agrawal-Rajput R. Berberine induces neuronal differentiation through inhibition of cancer stemness and epithelial-mesenchymal transition in neuroblastoma cells. // Phytomedicine – 2016, Jun 15. –23(7). – P. 736–44. doi: 10.1016/j.phymed.2016.03.013. Epub 2016 Apr 13.

23. Russo M., Russo G.L., Daglia M., Kasi P.D., Ravi S., Nabavi S.F., Nabavi S.M. Understanding genistein in cancer: The «good» and the «bad» effects: A review. // Food Chem – 2016, Apr 1. – 196:589–600. doi: 10.1016/j.foodchem.2015.09.085. Epub 2015 Sep 26.

24. Santamaria D., Ortega S. Cyclins and CDKS in development and cancer: lessons from genetically modified mice. // Front Biosci – 2006, Jan 1. – 11. – P. 1164–88.

25. Yuan Y., Jiang C.Y., Xu H., Sun Y., Hu F.F., Bian J.C., Liu X.Z., Gu J.H., Liu Z.P. Cadmium-induced apoptosis in primary rat cerebral cortical neurons culture is mediated by a calcium signaling pathway. // PLoS One – 2013, May 31. – 8(5):e64330. doi: 10.1371/journal.pone.0064330. Print 2013.

Нейробластома является наиболее распространенной солидной опухолью детского возраста и на нейробластому приходится до 15 % всех детских смертей от рака . Нейробластома представляет собой опухоль, возникающую из незрелых клеток эмбриональной симпатической нервной системы. Под действием различных факторов клетки нейробластомы могут пролиферировать, дифференцироваться или дедифференцироваться, а также погибать по механизмам некроза или апоптоза . Существуют и периферические виды нейробластомы, возникающие в надпочечниках или в забрюшинных ганглиях, в кости и в костном мозге .

Клетки нейробластомы являются классической экспериментальной моделью для исследования механизмов пролиферации, дифференцировки и апоптоза. По данным PubMed еженедельно выходит не менее 2-х обзоров о нейробластоме, а общее количество публикаций приблизилось к 37.000, увеличиваясь ежегодно почти на 1500 штук.

Корреляция между гистологическими и генетическими признаками у клеток нейробластомы отмечалась многими исследователями и клиницистами. Развитие и патогенез эмбриональной нервной системы связан главным образом с Wnt сигнальным путём. В клетках нейробластомы ингибирование Wnt сигнализации блокирует пролиферацию и способствует дифференцировке, а гиперактивация Wnt сигнализации направляет раковые клетки к апоптозу . Ранее нами было показано, что клетки мышиной нейробластомы N1Е -115 проявляют чувствительность к широкому кругу биологически активных веществ , а также к ионному составу культуральной среды . Однако остаётся вопрос, какие метаболические пути являются общими как для множества биологически активных веществ, так и для неорганических ионов, являющихся компонентами культуральных сред.

Целью работы является поиск мишеней, на которых совмещаются влияния многообразных экзогенных биологически активных веществ и неорганических ионов.

Морфология клеток нейробластомы мыши N1Е -115

Клетки нейробластомы культивировали при 37°С в среде DМЕМ (Sigma, США) с добавлением 10 % эмбриональной сыворотки (Fetal Bovine Serum, Flow Laboratories, Великобритания). Плотность посева в пластиковых флаконах (50 мл) составляла 104 клеток на см2 при объёме среды 5 мл. Через сутки после обычного пересева среду меняли на обычную среду DМЕМ без сыворотки . Исследования клеток проводили методом прижизненного наблюдения c использованием микроскопа.

Рис. 1. Типичная морфология пролиферирующих (А), дифференцированных (Б) и погибших (В) клеток нейробластомы

Адгезированные к поверхности клетки округлой или овальной формы, с наличием коротких отростков или без отростков определяли как пролиферирующие (рис. 1А). Критерием дифференцировки клетки было увеличение размеров и появление длинных аксоноподобных отростков (рис. 1Б). Погибшие клетки определяли как клетки округлой формы или деформированные с фрагментированной структурой ядра и цитоплазмы, как правило не адгезированные к поверхности (рис. 1В).

Влияние фармакологических препаратов на клетки нейробластомы

Ранее были иисследованы процессы пролиферации и морфологической дифференцировки клеток нейробластомы под действием аверсектина С, диметилсульфоксида (ДМСО) и форсколина . Доля дифференцированных клеток, обусловленная применением этих веществ в сублетальных концентрациях, через пять суток культивирования достигала 50 %. Эффект мелатонина на клетки нейробластомы зависел от концентрации в диапазоне 10-8М до 10-3М и приводил к торможению пролиферации и индукции дифференцировки . Некоторые растительные препараты также ингибируют пролиферацию и индуцируют дифференцировку . Аналогичное действие на клетки нейробластомы оказывал препарат растительного происхождения, полученный из синюхи голубой Polemonium coeruleum L. .

Приведённые экспериментальные данные свидетельствуют о том, что описанные морфологические изменения наблюдались при использовании сублетальных концентраций самых различных веществ, которые активируют или ингибируют различные сигнальные пути, в частности, Wnt сигнализацию или МАРК/ERK сигнальный путь . Отметим, что морфология пролиферирующих, дифференцированных или погибших клеток практически не зависит от природы действующего фактора. Более того, ниже будет показано, что процесс дифференцировки сопровождается закономерным изменением ионного состава внутриклеточной среды.

Влияние неорганических ионов на клетки нейробластомы

В наших экспериментах дифференцировка клеток нейробластомы NIE-115 происходила только на бессывороточных средах. Были выявлены зависимости скорости дифференцировки клеток от осмотичности среды, концентрации ионов Na+, значения рН, содержания аминокислот и углеводов в культуральной среде. Показано, что быстрая дифференцировка приводит к быстрой гибели клеток, а максимальную длительность жизни дифференцированных клеток обеспечивали среды, время дифференцировки в которых было сопоставимо с длительностью клеточного цикла . В рамках нашей теоретической модели дифференцировка клеток нейробластомы происходила при вполне определённых значениях внутриклеточных активностей неорганических ионов Na+, K+, Ca2+и рН . При этом неудивительно, что некоторые фармакологические препараты, непосредственно влияющие на распределение неорганических ионов между клеткой и средой, в частности, эндогенный сердечный гликозид оуабаин, действуя на Na+/К+ - АТФазу, вызывает у злокачественной нейробластомы человека обратимую остановку клеточного цикла в S-G2 фазе и увеличение содержание Na+ в цитоплазме , что активирует открытие Ca2+-каналов и вхождение Ca2+ в клетку . Отметим, что уже в течение первого часа инкубации культивируемых клеток с оуабаином ингибирование Na+/К+ - АТФазы приводило практически к полной деполяризации плазматической мембраны клетки . В клетках нейробластомы N2A имеются два типа потенциалзависимых К+ -каналов, которые ингибируются 4-аминопиридином и тетраэтиламмонием. Ингибирование калиевых потоков в этих каналах блокирует дифференцировку, в частности, нейритогенез, вызываемый внутриклеточным цАМФ .

Ионы кадмия Cd2+ нарушают гомеостаз свободного внутриклеточного кальция Са2+, что приводит к апоптозу в различных клетках, в том числе в первичной культуре нейронов мыши. Cd2+ ингибирует активность Na+/К+ - АТФазы, Са2+ - АТФазы и Mg2+ - АТФазы, нарушает транспорт Са2+ в эндоплазматическом ретикулуме, вызывая рост внутриклеточного Са2+, и активацию апоптотического сигнального пути в митохондриях . Триоксид мышьяка As2O3 при концентрации порядка 0,5×10-6М также вызывает доз-зависимое ингибирование пролиферации, а при концентрациях выше 1,5×10-6М приводит к апоптозу клеток нейробластомы . Известно, что мышьяк As3+ участвует в окислительно-восстановительных реакциях: окислительном распаде сложных углеводов, брожении, гликолизе и т. п. Возможно, что As3+ конкурирует с ионами Са2+ за соответствующие центры связывания на ферментах.

Все изменения основных параметров ионно-осмотического гомеостаза в процессе дифференцировки, которые были описаны в приведённых выше независимых экспериментах, могут быть описаны в рамках простейшей модели, учитывающей активный транспорт ионов Na+ и K+ .

Комплексообразование ферментов с ионами

Регуляция функциональной активности посредством комплексообразования с ионами металлов играет ключевую роль во многих ферментативных реакциях. До 40 % всех, исследованных на сегодняшний день белков, являются металлопротеинами . Металлы играют важную роль в формировании структуры белков. Многие ферменты содержат несколько металлов в своих активных центрах, расположенных в разных местах белковой цепи. В некоторых случаях замена одного металла на другой может ингибировать ферментативную активность и стать причиной отравления и гибели организма . Большинство белков ассоциируется с двухвалентными металлами: Fe2+ участвует в окислительно-восстановительных циклах, Zn2+- в каталитических реакциях, Ca2+ определяет стабильность структуры ферментов и играет ключевую роль в системе внутриклеточной сигнализации . Существует семейство низкомолекулярных металлопротеинов, связывающих Zn2+, и принимающих участие в важнейших физиологических процессах у всех живых существ, в частности, в процессах канцерогенеза . для функционирования биологических макромолекул необходимы и одновалентные ионы группы IА: Na+ и К+ .

Связывание одновалентного катиона с его аллостерическим центром влечет за собой активацию фермента и преобразование этого события в изменении каталитической активности. Ионы натрия и калия необходимы для функционирования многих ферментов, включая киназы, шапероны, фосфатазы, альдолазы, рекомбиназы, дегидрогеназы и рибокиназы, диалкилкарглициндекарбоксилазы, триптофансинтаза, тромбин и Na/K-АТФазы . Эффекты ионов Na+ или К+ для всех исследованных ферментов разнонаправлены.

Связь ферментативной активности и локальной концентрации ионов внутри клетки

Более 20 лет назад было показано, что электрофизиологические сдвиги коррелируют с изменениями синтетических процессов . Как клеточный цикл, так и процесс дифференцировки контролируются циклинами и циклин-зависимыми киназами Cdks. Нарушение активности циклинов и циклин-зависимых киназ приводит к развитию опухолей . В зависимости от дозы некоторых препаратов в клетках задействуются различные молекулярные механизмы, в результате чего может усилиться пролиферация или произойти дифференцировка клеток, приводящая к апоптозу .

Связь ферментативной активности с ионно-осмотическим гомеостазом клетки наглядно проявляется в теоретической модели, учитывающей потоки субстратов и продуктов обмена через плазматическую мембрану при различных функциональных нагрузках, таких как синтез нуклеиновых кислот, синтез белков, синтез липидов или двигательная активность, требующая большого расхода АТФ. Результаты, полученные на этой модели, могут объяснить наблюдаемые в экспериментах изменения ионных проницаемостей клеточной мембраны, мембранного потенциала и внутриклеточных активностей неорганических ионов в ходе клеточного цикла и в процессе дифференцировки . Отметим, что наличие доз-зависимых эффектов , зарегистрированных при действии многих веществ на процессы пролиферации, дифференцировки и клеточной гибели, свидетельствует о вероятностном механизме взаимодействия как биологически активных веществ, так и неорганических ионов с ферментом, являющимся первичной мишенью. Такими мишенями, на которых совмещаются влияния неорганических катионов и органических субстратов, могут быть, в частности, циклинзависимые киназы или циклины .

Уравнение Михаэлиса - Ментен для фермента, обладающего центрами связывания как для органического субстрата, так и для неорганических ионов, имеет вид:

где P - скорость ферментативной реакции; - внутриклеточная активность органического субстрата или конкретного неорганического иона; - внутриклеточная активность органического субстрата или конкретного неорганического иона, ингибирующего этот центр, kmi и kii - кажущиеся константы ассоциации органического субстрата или конкретного неорганического иона и их ингибиторов. Подобное выражение для скорости ферментативной реакции использовалось ранее для описания функционирования Na+/К+ - АТФазы плазматической мембраны при изменении ионного состава внешней среды и показало хорошее соответствие с результатами ряда независимых электрофизиологических экспериментов . Приведённое уравнение означает, что скорость ферментативной реакции P определяется произведением вероятностей заполнения всех n центров связывания фермента. При этом активность фермента зависит от внутриклеточных концентраций многих ионов, а роль ионно-осмотического гомеостаза заключается в поддержании внутриклеточных концентраций ионов на уровне, позволяющем производить тонкую регуляцию переключения различных ферментативных систем. При этом, лимитирующим фактором для активности фермента может оказаться внутриклеточная концентрация любого иона, если внутриклеточные концентрации других ионов оптимальны, т.е. вероятности заполнения соответствующих центров связывания близки к единице.

Заключение

В совокупности, представленные данные свидетельствуют о том, что морфогенез нейробластомы in vitro можно контролировать различными воздействиями, как биологически активными веществами, так и ионным составом культуральной среды. Все рассмотренные выше и полученные в независимых экспериментах биологические эффекты легко интерпретировать в рамках модели регуляции ферментативной активности, предполагающей совершение единичного акта при одновременном заполнении всех центров связывания для субстратов и неорганических ионов.

Действительно, в условиях культивирования могут реализоваться две стратегии развития клеток нейробластомы. Одна стратегия заключается в ее дифференцировке и старении, и, в конечном счете, индивидуальной гибели (апоптотической или некротической). Другая может заключаться в усилении пролиферации и даже в дедифференцировке. Первый сценарий развивается на бессывороточных средах и усиливается при воздействии экзогенных или эндогенных повреждающих факторов, в частности, при воздействии сублетальных концентраций самых разнообразных веществ или определённых изменений ионного состава культуральной среды . На уровне организма при достижении определённого предела компенсаторных возможностей клеток нарушается тканевой и функциональный гомеостаз в жизненно важных органах, что ведёт к старению и последующей гибели всего организма. В условиях культивирования присутствие сыворотки, в частности, наличие биологически активных вещества, способствует процессу пролиферации . На уровне организма усиление пролиферации стволовых клеток приводит к развитию клона неопластических клеток, к росту опухоли и последующей гибели организма. Обе рассмотренные стратегии представляют собой многостадийные процессы, некоторые этапы которых хорошо охарактеризованы, тогда как другие нуждаются в дополнительном исследовании. В частности, наличие ключевого фермента, обладающего центрами связывания для органического субстрата и неорганических ионов можно выявить с использованием слабых магнитных полей, настроенных в резонанс с определёнными неорганическими ионами, такими как Na+, K+, Ca2+ .

Библиографическая ссылка