АПОПТОЗ - ВАЖНАЯ ДЛЯ ОРГАНИЗМА ПРОГРАММА

Генетически контролируемая самоликвидация клеток - один из главных процессов в живой природе. Апоптоз может защитить от рака, а может усилить развитие патологий, как, например, при инфаркте или аутоиммунных заболеваниях, когда погибает множество неповрежденных клеток. При подавлении апоптоза происходит избыточное накопление клеток, в том числе раковых, а его усиление может привести к нарушениям жизненно важных функций. Научившись управлять апоптозом, мы получим мощное оружие против тяжелых болезней, патологий развития, и, возможно, против старения.

Российские ученые из НИИ физико-химической биологии им. А.Н.Белозерского МГУ во главе с академиком В.Скулачевым считают, что старение - это генетически заложенная программа, и апоптоз является одним из ее компонентов. На сегодняшний день существуют определенные основания полагать, что смерть от старости запрограммирована. Академик В.Скулачев говорит о том, что пока еще недостаточно знаний для того, чтобы сделать окончательный выбор между двумя концепциями старения: смерть от старости происходит в результате накопления случайных поломок или включения программы самоубийства. Эти две концепции, обычно рассматривающиеся как альтернативные, могут оказаться взаимодополняющими, если принять, что накопление поломок запускает программу самоубийства задолго до того, как эти поломки сами по себе станут несовместимыми с жизнью организма. В этом случае "самурайский" закон толкает организм, заметивший отклонение в функционировании его наиболее важных систем, на путь биохимического самоубийства. 

Проводя эксперименты на клеточном уровне, ученые НИИ физико-химической биологии им. А.Н.Белозерского обнаружили, что программируемая гибель одной клетки влечет за собой апоптоз соседних, как будто они получили приказ о самоубийстве. Академик В.Скулачев предположил, что сигналом к массовому самоубийству клеток служит перекись водорода, которая образуется в митохондриях апоптозных клеток, поступает во внешнюю среду и легко проникает через мембраны внутрь здоровых клеток. Чтобы проверить эту гипотезу, были разработаны специфические антиоксиданты, накапливающиеся в митохондриях, и предотвращающие выброс перекиси. Оказалось, что антиоксиданты позволяют прекратить работу межклеточной "рации", транслирующей смертельные сигналы. Ученые из НИИ физико-химической биологии продолжают исследовать механизмы этого явления.

- Апоптозом принято называть такие формы гибели клеток, которые записаны в геноме и протекают по определенной программе, - рассказывает заведующий лабораторией биоэнергетики клетки НИИ физико-химической биологии им. А.Н.Белозерского МГУ Борис Черняк. - Форм апоптоза может быть довольно много, но общим для всех является то, что это не случайная гибель (некроз), а гибель, которая протекает по отлаженному сценарию, записанному в наших генах, и единому для различных типов клеток, начиная от клеток беспозвоночных и заканчивая клетками человека. Эти программы чрезвычайно важны на всех этапах жизни многоклеточного организма, в частности, при эмбриональном развитии.

Мой собеседник приводит наиболее яркий пример: образование кисти руки у зародыша. Сначала это пластинка, потом происходит программированная гибель клеток между пальцами, и формируется кисть. Или другой пример: отмирание хвоста у головастика в процессе превращения в лягушку. В этом случае также имеет место апоптоз.

 Не менее важна его функция и в поддержании общего клеточного баланса в организме, где постоянно происходит образование новых клеток и гибель старых. Причем в некоторых тканях такой процесс идет очень интенсивно, как, скажем, в иммунной системе: здесь активно обновляются клеточные популяции разных типов иммунных клеток. И гибель тех клеток, которым суждено уступить место новым, происходит, как правило, по четкому апоптотическому механизму. Преимущество его состоит в том, что клетка умирает очень аккуратно, не загрязняя вокруг себя среду, не выбрасывая из себя содержимое, как бывает при гибели случайной. Поэтому, когда в нашем организме обновляются клетки, этот процесс не сопровождается воспалительными реакциями.

Сбой в программе апоптоза может привести к различным дефектам развития. Во взрослом организме могут возникнуть патологии, связанные с нарушением клеточного состава. Например, иммунная система будет "выдавать" чрезмерные ответы, приводя к аутоиммунным заболеваниям. Нарушение механизма апоптоза является одной из важнейших предпосылок для развития раковых заболеваний. Раковые клетки, как правило, более устойчивы к самоликвидации, нежели обычные, что в значительной степени дает право на их неограниченный рост, а также на преимущество опухоли перед нормальной тканью. Резистентность раковых клеток к апоптозу определяет трудности, возникающие при терапии опухолей, поскольку большинство противоопухолевых препаратов убивает раковые клетки, запуская в них программу гибели.

- С этой точки зрения апоптоз также представляет для нас очень большой интерес, - рассказывает Борис Черняк. - Как научиться запускать самоликвидацию опухолевых клеток даже там, где повреждена природная программа? Ответ на этот вопрос поможет решить задачу создания новых противоопухолевых препаратов.

Если апоптоз не нарушен, а наоборот, протекает избыточно, то он тоже является причиной разнообразных заболеваний, в том числе инфарктов и инсультов. При локальной ишемии клетки поражаются сначала в очень маленьком очаге, но затем вокруг такого очага начинают погибать и клетки, которые не получили никакого смертельного повреждения. Вокруг первичного очага возникают большие зоны погибших клеток, что служит причиной многих негативных последствий. Тем самым феномен распространения апоптоза и привлек наше внимание, захотелось разобраться и понять, каким же образом все это происходит, что за сигнал вырабатывается клетками, которые погибают от апоптоза? Почему такой сигнал может вызывать гибель клеток, не подвергшихся никакому воздействию?

Ученых из НИИ физико-химической биологии давно интересовала роль кислородных радикалов (активных форм кислорода - АФК) в жизнедеятельности клетки. Было установлено, что программируемая гибель клеток, как правило, сопровождается образованием значительного количества  активных форм кислорода. В то же время АФК способны инициировать апоптоз в различных типах клеток. Это позволило предположить, что активные формы кислорода могут служить для межклеточной передачи сигналов к самоликвидации. 

Пероксид водорода является наиболее подходящей формой АФК для выполнения данной функции: он относительно стабилен, и, как уже говорилось, способен проникать через биомембраны. Кроме того, пероксид водорода в клетке может быстро разлагаться под действием фермента каталазы, что позволяет регулировать его уровень в широких пределах. Также он способен инициировать апоптоз в культуре клеток самого разного типа. Ранее было показано, что перекись водорода может служить одним из механизмов защиты растения от заражения патогенами. При локализованной вирусной инфекции (например, при заражении листьев вирусом табачной мозаики) вокруг зоны размножения вируса может возникать зона мертвых клеток, предотвращающая распространение инфекции по всему организму. Этот эффект достигается благодаря тому, что зараженные клетки вырабатывают пероксид водорода, который распространяется по ткани быстрее, чем патогены, и  вызывает апоптоз.

Что представляют собой активные формы кислорода? Это радикалы, которые образуются при дыхании и некоторых других реакциях, связанных с переносом электронов в клетке. Как показывают исследования ученых, АФК имеют множество самых разнообразных функций, и, по-видимому, нашему организму необходим какой-то уровень содержания активных форм кислорода для того, чтобы он нормально существовал. Но - лишь определенный уровень: как только появляется их избыток - начинаются всевозможные проблемы.

 Уже несколько лет  ученые из НИИ физико-химической биологии под руководством академика В.Скулачева занимаются изучением этих радикалов и ищут ответы на вопрос: как они образуются и как влияют на клетку? Наиболее важной практической задачей является в настоящее время поиск новых антиоксидантов, с помощью которых можно было бы лечить самые разные заболевания, и, возможно, продлевать жизнь человеку.

- Мы сейчас занимаемся разработкой новых эффективных антиоксидантов, опираясь на собственные данные о том, что одним из основных источников радикалов АФК в клетках являются митохондрии - внутриклеточные органеллы, обеспечивающие клетку энергией, - рассказывает Б.Черняк. - Наша задача состоит в том, чтобы разработать такие вещества, которые "целились" бы исключительно в митохондрии. У нас уже есть успехи в этой области. Созданы молекулы, эффективно накапливающиеся в митохондриях и являющиеся хорошими антиоксидантами. В настоящее время мы проводим испытания этих веществ на культурах клеток и при некоторых патологиях.

 - Теперь давайте вернемся к попытке исследовать механизм передачи сигнала между клетками, - продолжает мой собеседник. - Такой сигнал, как я уже говорил, ведет к развитию апоптоза у клеток, не поврежденных никакими агентами. Для того чтобы исследовать этот феномен, нами была разработана простая модель.

Суть метода заключалась в том, что культуры клеток-индукторов и клеток-реципиентов выращивали на двух разных покровных стеклышках. Клетки на одном из стекол обрабатывали стимулирующим веществом, вызывающим апоптоз, и после инкубации и промывки средой роста помещали рядом с другим стеклом в общую чашку Петри. На первом, обработанном, стеклышке происходила массовая гибель клеток, что и не вызывало удивления. Но массовый апоптоз наступал и на стекле с клетками-реципиентами. Причем проведенные подсчеты показали, что количество апоптозных клеток-реципиентов не зависело от расстояния от стекла с клетками-индукторами и значительно уменьшалось при увеличении толщины слоя (объема) среды роста в чашке. Ученые получили подтверждение своей гипотезы о передаче сигнала через раствор, без прямого контакта клеток друг с другом.

Возникли закономерные вопросы: что же все-таки запускает апоптозную программу  и является стимулом для этих клеток? Поскольку при самоликвидации клеток активно вырабатываются АФК, было высказано предположение о том, что именно активные формы кислорода могут являться проводниками, передающими сигнал соседним клеткам. И наиболее реальным претендентом на передачу такого сигнала явилась перекись водорода. Добавление в среду инкубации каталазы эффективно подавляло апоптоз клеток-реципиентов и при этом не влияло на апоптоз клеток на стекле-индукторе.

Для определения роли митохондрий в продукции перекиси водорода при передаче апоптозного сигнала ученые из НИИ физико-химической биологии использовали разработанные ими митохондриально  направленные антиоксиданты. И оказалось, что эти антиоксиданты не защитили клетки-индукторы, но клетки-реципиенты приобрели устойчивость к апоптозу. Более замечательный результат исследования заключался в том, что те клетки, которые были обработаны антиоксидантом, а потом подвергнуты действию апоптозных агентов, хотя и погибали, но переставали вырабатывать сигнал для соседей!

Проведенный эксперимент позволил сделать вывод о том, что генерация перекиси водорода митохондриями в клетках, обработанных агентом, вызывающим апоптоз, является необходимым условием для передачи апоптозного сигнала клеткам-реципиентам. С другой стороны, развитие апоптоза в реципиентных клетках также зависит от генерации перекиси водорода митохондриями этих клеток. По-видимому, проникая в клетку, перекись водорода вызывает накопление АФК при участии митохондрий, и эти "вторичные" АФК инициируют апоптоз.

В тканях организма, где при развитии патологий происходит передача апоптотического сигнала, эффективные митохондриально  направленные антиоксиданты помогут задержать этот процесс.

- Конечно, мы вряд ли сможем таким образом остановить гибель клеток непосредственно в очаге кратковременного ишемического повреждения, например, при случаях инфаркта или инсульта, - заключает Б.Черняк. - Но, возможно, если вовремя ввести наши лекарства, удастся остановить или затормозить развитие волны вторичной гибели клеток, которая приводит к самым страшным последствиям. И мы надеемся, что это далеко не единственный пример, когда создаваемые нами вещества могут оказаться полезными.

Проект по разработке новых эффективных антиоксидантов еще находится в самом начале пути, но уже дал очень важные и обнадеживающие результаты. Есть надежда на то, что использование митохондриально  направленных антиоксидантов поможет в лечении многих тяжелых и распространенных заболеваний, в том числе септического шока. Ученые предполагают, что дальнейшие исследования заметно расширят область практического использования таких веществ. И разработанные ими антиоксиданты, нацеленные на митохондрии, могут послужить основой для получения препаратов нового поколения, в том числе и геропротекторов, замедляющих процесс старения.

Татьяна КУЗИВ,

корр. "МГ".