Задачи 3 Обзор литературы Эукариоты 1 Животные и грибы 1 Виды пгк 3 1 Механизмы апоптоза (стр. 1 из 7)
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова
Биологический факультет
Кафедра физиологии микроорганизмов
ПРОГРАММИРУЕМАЯ ГИБЕЛЬ КЛЕТОК
Курсовая работа
студента 3 курса
Беликова Алексея Витальевича
Научный руководитель -
доктор биологических наук
профессор В.Д. Самуилов
Москва – 2007
СОДЕРЖАНИЕ
1.Введение 3
2.Цель 3
3.Задачи 3
4.Обзор литературы
4.1.Эукариоты
4.1.1.Животные и грибы
4.1.1.1.Виды ПГК 3
4.1.1.2.Механизмы апоптоза
4.1.1.2.1.Инициация апоптоза 5
4.1.1.2.2.Реализация апоптоза 9
4.1.1.3.Значение апоптоза 13
4.1.2.Растения
4.1.2.1.Особенности ПГК у растений 14
4.2.Прокариоты
4.2.1.Особенности ПГК у прокариот 25
5.Обсуждение 29
6.Выводы 30
7.Список литературы 31
-2-
1.Введение
Программируемая гибель клеток (ПГК) широко распространена в живой природе. Эмбриогенез и постэмбриональное развитие, гибель мутировавших клеток, функционирование Т-киллеров, опадание листьев, гиперчувствительный ответ и образование аэренхимы при затоплении корневой системы у растений, генетическая трансформация, спорообразование и образование плодовых тел у прокариот, и даже, по некоторым данным, программируемая гибель многоклеточных организмов, в т.ч. человека - вот далеко не полный список процессов, протекающих с участием ПГК. Однако целенаправленные исследования в этой области начались относительно недавно (около десяти лет назад), в связи с чем обьем наших знаний о ПГК еще незначителен, и проблема требует дальнейших масштабных исследований.
2.Цель
Дать обзор современных представлений о ПГК как у про-, так и у эукариот.
3.Задачи
3.1.Показать разнообразие предполагаемых типов ПГК у животных и грибов как наиболее изученных обьектов.
3.2.Изложить накопленные данные о механизмах инициации и реализации апоптоза, как наиболее изученного типа ПГК, у животных и грибов.
3.3.Раскрыть значение апоптоза у животных и грибов.
3.4.Рассмотреть особенности ПГК у растений и прокариот.
4.Обзор литературы
4.1.Эукариоты
4.1.1.Животные и грибы
4.1.1.1.Виды ПГК
Ранее считалось, что существует всего два возможных варианта гибели клеток у
-3-
животных: некроз и апоптоз (Самуилов, 2001). Некроз – непрограммируемая, патологическая форма клеточной смерти, характеризуется разрывом цитоплазматической и внутриклеточных мембран (рис. 1).
Это приводит к разрушению органелл, высвобождению лизосомальных ферментов и выходу цитоплазмы в межклеточное пространство. Некроз могут вызвать физические и химические повреждения (механическая травма, обморожение, ожог, недостаток кислорода, отравление). Некротическую гибель клетки могут вызвать вирусы или иные паразиты, когда иммунная система организма своевременно не распорядилась судьбой инфицированной клетки, настроив ее на путь апоптоза. Новое поколение паразитов устремляется в соседние клетки, нанося все больший и больший ущерб организму. Начинается воспалительный процесс, исходом которого может быть как выздоровление, так и гибель организма.
Картина апоптоза у животных (рис. 1) – это уменьшение объема клетки, сморщивание цитоплазматической мембраны, конденсация ядра, разрывы нити ДНК и последующий распад ядра на части, фрагментация клетки на мембранные везикулы с внутриклеточным содержимым (апоптозные тельца), фагоцитируемые макрофагами и клетками-соседями. В нормальных клетках фосфолипиды распределены асимметрично между внутренним и наружным монослоями
-4-
цитоплазматической мембраны: аминофосфолипиды (фосфатидилсерин и фосфатидилэтаноламин) отсутствуют в наружном монослое. Асимметрия поддерживается особым АТФ-зависимым ферментом, переносящим аминофосфолипиды снаружи внутрь. Апоптоз нарушает асимметрию мембраны, на
ее наружной поверхности появляются аминофосфолипиды, и клетки-фагоциты узнают апоптозные клетки и апоптозные везикулы с помощью специальных рецепторов, взаимодействующих с наружным фосфатидилсерином. Наличие или отсутствие воспаления у животных и человека используется как признак, позволяющий отличить апоптоз от некроза.
Однако, появились статьи, указывающие на возможность существования и других форм ПГК (Edinger, Thompson, 2004). Так, обсуждается возможность программируемости некроза, а также в качестве нового типа ПГК предлагается аутофагия. Аутофагия - это поедание клеткой самой себя. При аутофагии в цитоплазме образуются везикулы, окруженные двойной мембраной и заключающие в себе органеллы и куски цитоплазмы. Эти аутофагосомы затем сливаются с лизосомами, где их содержимое разрушается. Однако, известно множество фактов, указывающих на то, что аутофагия используется клетками в период острого голодания для обеспечения себя энергией. Таким образом аутофагия известна как стратегия борьбы за существование, а не стратегия самоубийства. Несмотря на это, некоторые исследователи приводят аргументы в пользу последней.
4.1.1.2.Механизмы апоптоза
4.1.1.2.1.Инициация апоптоза
Апоптоз – многоэтапный процесс (Самуилов, 2001). Начальный этап – прием сигнала, предвестника гибели в виде информации, поступающей в клетку извне или возникающей в недрах самой клетки (рис. 2). Сигнал воспринимается рецептором, подвергается анализу и далее передается молекулам-посредникам. Рассмотрим для начала апоптоз, включаемый рецепторами плазматической мембраны. Этот тип ПГК, играющий решающую роль в регуляции иммунного ответа, зависит от действия специальных рецепторов смерти, объединенных в группу рецепторов фактора некроза опухолей, – Fas (обозначаемый также CD95 или APO-1). Fas – белок,пронизывающий плазматическую мембрану (рис. 3), он экспрессируется в тканях различных органов: в тимусе, печени, сердце, почках. Его лиганд, FasL, преимущественно экспрессируется цитотоксическими Т-лимфоцитами (Т-киллерами) и натуральными киллерами (НК-клетками). Через механизм Fas-зависимого апоптоза цитотоксические Т-лимфоциты расправляются с клетками, инфицированными вирусами или бактериями, а натуральные киллеры – с опухолевыми клетками. В то же время Fas-зависимый апоптоз регулирует гомеостаз (равновесие) лимфоцитов, вызывая гибель активированных Т-лимфоцитов –
-5-
продуцентов цитокинов и В-лимфоцитов – продуцентов антител по окончании иммунного ответа, когда повержен инфекционный возбудитель, внедрившийся в организм. Воспалительные реакции могут вызвать неспецифические повреждения ткани. Большинство органов устойчиво к воспалительным реакциям, за исключением глаз и мужских половых желез. Поэтому эти органы в иммунологическом отношении находятся в привилегированном положении. Клетки эпителия и эндотелия роговицы, радужной оболочки, ресничные клетки глаз, фолликулярные клетки (клетки Сертоли) семенников конститутивно экспрессируют FasL. Если активированные воспалительные клетки (Т-лимфоциты и нейтрофилы) проникают в эти иммунопривилегированные органы, они немедленно атакуются FasL: взаимодействуя с Fas-рецептором воспалительных клеток, FasL вызывает гибель этих клеток в результате апоптоза и тем самым предотвращает воспалительный процесс. Сходным образом некоторые опухолевые клетки тоже экспрессируют FasL, что позволяет им производить контратаку на цитотоксические Т-лимфоциты и НК-клетки, вызывать их апоптоз, связываясь с Fas-рецептором на поверхности этих клеток.
Апоптоз может запускаться также митохондриальными белками. Стрессорные воздействия, вызванные цитотоксическими соединениями, дефицитом ростовых факторов, активными формами кислорода, нарушением структуы ДНК или Са2+
-6-
-6-
гомеостаза приводят к образованию гигантской поры в наружной мембране митохондрий. Ее диаметр ~3 нм позволяет пересекать мембрану веществам с молекулярной массой 1,5 кДа и ниже. Вследствие раскрытия гигантской поры митохондриальный матрикс набухает, наружная мембрана митохондрий разрывается, растворимые белки межмембранного пространства оказываются в цитоплазме. Среди этих белков несколько апоптозных факторов: цитохром с, прокаспазы-2, -3, -9 (о каспазах подробно см. в следующем разделе), белок AIF (apoptosis inducing factor – фактор, вызывающий апоптоз). Прокаспаза-3 обнаруживается как в межмембранном пространстве митохондрий, так и в цитоплазме. Высвобожденный цитохром с вместе с цитоплазматическим фактором APAF-1 (apoptosis protease activating factor-1 – фактор-1, активирующий апоптозную протеазу) участвует в активации каспазы-9 (рис. 4). APAF-1 – белок с молекулярной
-7-
массой 130 кДа, содержащий CARD-домен на N-конце и 12 повторяющихся WD-40-последовательностей (WD – дипептид из триптофана и аспартата, терминирующий последовательность из 40 аминокислотных остатков) на С-конце. WD-повторы свойственны белкам, участвующим в регуляции деления и дифференцировки эукариотных клеток, транскрипции генов, модификации мРНК, трансмембранной передачи сигналов. К наиболее охарактеризованным белкам относится β-субъединица G-белков. Из этих субъединиц собираются жесткие, симметричные структуры наподобие веера или пропеллера. Другой белок межмембранного пространства митохондрий – АIF, представляющий собой флавопротеин и имеющий значительную гомологию с аскорбатредуктазами растений. Оказавшись в цитоплазме, AIF транслоцируется в клеточное ядро, где он