Апоптоз играет важную роль при становлении и функционировании иммунной системы. Эта форма гибели клеток сопровождает развитие клеток иммунной системы, особенно лимфоцитов, на этапе их селекции. С помощью механизма апоптоза происходит гибель клеток-мишеней кил- лерных лимфоцитов. При дальнейшем изложении материала апоптоз будет неоднократно упоминаться в связи с самыми разнообразными иммунологическими процессами. Именно потому, что апоптоз широко распространен при развитии лимфоцитов в центральных лимфоидных органах, этот процесс рассматривается в настоящем разделе.
Выделяют 2 основных варианта гибели клеток — некроз и апоптоз (табл. 3.19). Гибель, вызванная прямым повреждением или разрушением клеточной мембраны, называют некрозом. Другой вариант гибели клеток — апоптоз (от греч. алолтостгст — опадание листьев) или программированная гибель — реализуется в ответ на действие физиологических сигналов или в процессе срабатывания генетической программы клетки и служит необходимым условием существования многоклеточных организмов. Понятие «апоптоз» ввели в 1972 г. Дж. Керр (J.F. Kerr) и соавт. в связи с описанием формы гибели лимфоцитов при действии глюкокортикоидов.
Таблица 3.19. Сравнительная характеристика апоптоза и некроза клеток

Показатель
Апоптоз
Некроз

Пусковой фактор
Повышение проницаемости мембран митохондрий или сигнал, воспринимаемый мембранными рецепторами
Неадекватные условия среды, токсические агенты

Скорость развития
1-4 ч
lt; 1 ч

Причины гибели клетки
Нарушение функционирования энергетической системы клетки, деградация ДНК
Нарушение целостности мембраны, осмотические процессы

Изменение размера клетки
Уменьшение (сморщивание)
Увеличение (набухание)

Изменения ядра
Конденсация хроматина, пикноз, фрагментация
Набухание

Окончание табл. 3.19

Показатель
Апоптоз
Некроз

Изменения в цитоплазме
Конденсация цитоплазмы, уплотнение гранул
Лизис гранул

Изменения клеточной мембраны
Потеря микроворсинок, образование вздутий, уплотнение
Нарушение целостности

Состояние ДНК
Упорядоченная (межнук- леосомная) деградация
Неупорядоченная деградация

Энергозависимость
Зависит
Не зависит

Зависимость от синтеза макромолекул
Часто зависит
Не зависит

Примеры проявления
Гибель клеток при метаморфозе, отрицательной селекции лимфоцитов, гормонозависимой атрофии, интерфазной радиационной гибели лимфоцитов, гибели клеток-мишеней киллерных клеток
Гибель клеток от гипоксии, действия токсинов, вирусном цитолизе, комплементзависимом цитолизе

Некроз происходит при нарушении целостности клеточной мембраны и проявляется набуханием клетки, лизисом гранул и ядра, неупорядоченной деградацией ДНК. Проявлениями апоптоза служат, наоборот, сморщивание клетки, уменьшение ее размеров, уплотнение наружной и внутриклеточных мембран (при сохранении их целостности) с деполяризацией, утратой микроворсинок и формированием вздутий, а также уменьшение размеров, уплотнение и фрагментация ядра. При этом происходят разрывы ДНК между нуклеосомами, в результате чего образуются фрагменты протяженностью, кратной 180—190 пар оснований (размер нуклеосомы). От клетки, подвергшейся апоптозу, отшнуровываются «апоптотические тельца» — фрагменты ядра, окруженные мембраной. Уже в процессе апоптоза гибнущие клетки подвергаются фагоцитозу. В результате продукты распада клеток не поступают в межклеточное пространство и не вызывают воспалительной реакции, которая обычно сопутствует некрозу клеток. Апоптоз развивается более медленно (1 ч и более), чем некроз (практически сразу после действия повреждающих факторов).
Механизмы апоптоза детально изучены на клетках нематоды Caenorhabditis elegans, у которой было идентифицировано 14 генов, контролирующих 4 фазы развития апоптоза. Обнаруженные у млекопитающих гомологи некоторых из этих генов также участвуют в развитии апоптоза. Выделяют 3 фазы развития апоптоза — включение пусковых механизмов, активацию каспаз и реализацию гибели. Апоптоз может быть запущен по двум механизмам — рецепторному и митохондриальному (табл. 3.20; рис. 3.65, 3.66).








Рис. 3.66. Митохондриальный механизм запуска апоптоза


Рецепторный механизм запуска апоптоза реализуется с участием мебран- ных рецепторных молекул, цитоплазматическая часть которых представлена доменом смерти (death domain), содержащим около 80 остатков. Эти молекулы относят к семейству рецепторов TNFa. Известно 6 таких рецепторов: Fas-рецептор (АРО-1, CD95, DR2), TNF-R1 (р55, CD120а, DR1), DR3, DR4, DR5, DR6. Их лиганды — Fas-лиганд (FasL, CD178 — для Fas-рецептора), цитокин TNFa (для TNFR1), TRAIL (TNF-related apoptosis-inducing ligand — для DR4 и DR5), TL1A (для DR3 и DR6) (табл. 3.20). Все лиганды организованы в виде тримеров. Их взаимодействие с рецепторами приводит к тримеризации последних, что запукает сигнальный каскад. При этом домены смерти приобретают способность взаимодействовать с аналогичными доменами адапторных белков FADD (Fas-associated death domain) и TRADD (TNF-receptor death domain). FADD распознает домены смерти в составе про- каспазы 8 и, взаимодействуя с ними, вызывает активацию каспазы 8 (см. далее). Результат действия TRADD аналогичен, но он реализуется посредством FADD. Формирующиеся в результате указанных взаимодействий молекулярные комплексы называют DISC (Death-inducing signaling complex).
Митохондриальный механизм запуска апоптоза реализуется при повреждении функций митохондрий, приводящем к нарушению проницаемости их мембраны. Решающую роль в этом пути запуска апоптоза играют белки семейства Bcl-2. Их разделяют на проапототические (Bid, Bax, Bak, Bcl-XS и др.) и антиапоптотические (Bcl-2, Bcl-XL, Mcl-1 и др.). Запуск сигналов к апоптозу связан с проапоптотическими белками, содержащими 1 домен ВН (Bcl-2 homology) — BH3. Белки этой группы блокируют анти-

апоптотические факторы типа Bcl-2, образуя с ними димеры. Кроме того, в результате олигомеризации Вах и Bak они формируют трансмембранные поры. В норме олигомеризация этих факторов подавляется антиапоптоти- ческими факторами. Через поры в мембране митохондрий в цитозоль выходят цитохром с и фактор Apaf-1 (Apoptose protease activation factor 1). Аpaf-1 и цитохром с в присутствии АТФ образуют комплекс с неактивной каспазой — прокаспазой 9. Этот комплекс называют апоптосомой. В ней происходит активация каспазы 9.
Рецепторный механизм апоптоза может быть прерван активацией ингибиторов каспазы 8. Митохондриальный механизм блокируется антиапопто- тическими факторами Bcl-2 и Bcl-XL связывающими проапоптотические факторы. Пути запуска апоптоза не являются изолированными. Так, рецепторный механизм приводит к активации митохондриального фактора Bid, что обусловливает подключение митохондриального механизма апоптоза.
Необходимо упомянуть также о механизме контроля за балансом пролиферации и апоптоза, осуществляемого метаболитами сфингомиелина. Из них роль проапоптотического фактора играет церамид, действующий через механизмы митохондриального (через фактор Bax) и рецепторного (через Fas-рецептор) путей.


Оба пути запуска апоптоза приводят к активации каспаз (рис. 3.67). Каспазы — группа цистеиных протеаз, расщепляющих полипептидную

связь после остатков аспарагиновой кислоты. Как уже отмечалось, рецепторный путь приводит к активации каспазы 8, митохондриальный — к активации каспазы 9. Эти ферменты относят к группе инициаторных каспаз. Их активация — результат агрегации вследствие взаимодействия с адаптерными белками (FADD, Apaf-1). При агрегации происходит аутокаталитическое отщепление длинного N-концевого участка каспазы с последующим формированием активного гетеродимера. После активации инициаторных каспаз процесс апоптоза становится необратимым.
Инициаторные каспазы вызывают частичный протеолиз (отщепление короткого продомена) и вследствие этого активацию исполнительных, или эффекторных каспаз — каспазы 3, реже — каспазы 6 и каспазы 7. Известно до 280 молекул-мишеней исполнительных каспаз, локализованных преимущественно в ядре. Расщепление молекул-мишеней определяет все проявления апоптоза. Действие каспаз на фактор ретинобластомы (Rb) и 5-изоформу протеинкиназы С обусловливает нарушение контроля клеточного цикла. Расщепление киназ МЕКК-1 и FAK приводит к изменениям, вызывающим ослабление адгезионной способности клетки, а расщепление гельсолина и киназы РАК определяет характерные изменения клеточной морфологии. Расщепление той же каспазой ядерных ферментов PARP (Poly-ADP-ribose polymerase — поли-АДФ-рибоза полимераза), а также ДНК-зависимой протеинкиназы нарушает процесс репарации ДНК. Одна из главных мишеней каспазы 3 — нейтральная эндонуклеаза CAD (Caspase- activated DNase), ответственная за межнуклеосомную фрагментацию ДНК в апоптотических клетках. Показана причинная связь гибели клетки с фрагментацией ДНК: введение в клетку гена, кодирующего активную форму CAD, вызывают ее гибель. Среди других причин апоптотической гибели клетки называют исчерпание ее энергетических ресурсов вследствие нарушения функций митохондрий и неконтролируемых расходов энергии на репарацию ДНК.
Фагоцитозу апоптотических клеток способствует экспрессия на их поверхности молекул, служащих для фагоцитов источником сигналов типа «съешь меня». Так, при апоптозе нарушается асимметрия мембраны, и фосфатидилсерин, в норме локализующийся на внутренней поверхности мембраны, оказывается экспонированным снаружи (выявление его экспрессии по связыванию с меченным аннексином V используют для идентификации апоптотических клеток). Появляющиеся на поверхности фосфатидилсерин, а также тромбоспондин и десиалированные остатки мембранных гликоконъюгатов распознаются рецепторами фагоцитов (как профессиональных, так и факультативных), что обеспечивает быстрый фагоцитоз апоптотических клеток. Такое завершение апоптоза чрезвычайно важно для организма, поскольку предотвращает поступление внутриклеточных компонентов, включая ДНК, в межклеточное пространство и последующее развитие воспаления и аутоиммунных процессов. В то же время чрезмерно интенсивное поглощение фрагментов ДНК может активировать (через внутриклеточные TLR) патологические процессы, ведущие к развитию системной аутоиммунной патологии, например, системной красной волчанки (СКВ).
Апоптозу принадлежит важная роль не только в селекции лимфоцитов, но и в других процессах, связанных с развитием лимфоцитов, морфогенезом лимфоидных органов, а также проявлением активности клеток иммунной системы, прежде всего в контактном цитолизе (табл. 3.21).
Таблица 3.21. Участие апоптоза в формировании иммунной системы и реализации иммунологических процессов

Этапы развития и функционирования клеток иммунной системы
События
Проявления апоптоза (в скобках — механизмы)

Формирование популяций лимфоцитов
Ранние этапы формирования популяций
Гибель избыточных клеток (вследствие дефицита факторов выживания)

Формирование антигенрас- познающих рецепторов
Выбраковка клеток с дефектами реаранжировки рецепторных генов (отсутствие сигналов от стромальных клеток)

Селекция клонов
Гибель клеток, не распознающих аутологичные комплексы MHC—пептид (апоптоз «по умолчанию»), при положительной селекции и гибель аутоспецифических клеток (активационный апоптоз) при отрицательной селекции

Дифференцировка субпопуляций
Апоптоз Т-клеток при несоответствии специфичности рецептора и корецептора

Зрелые покоящиеся клетки
Гомеостатический контроль численности зрелых клеток
Гибель избыточных клеток (дефицит гомеостатических факторов выживания)

Элиминация старых клеток
Апоптоз старых клеток (вероятно включение эндогенной программы апоптоза)

Иммунный ответ
Активация и пролиферация лимфоцитов
Активационный апоптоз (передача сигнала через мембранные рецепторы)

Созревание аффинности антител
Гибель низкоаффинных клонов В-клеток (конкуренция за антиген и помощь Т-хелперов)

Элиминация эффекторных клеток
Апоптоз отработавших клеток (вероятно включение эндогенной программы апоптоза)

Реализация цитотоксического эффекта лимфоцитов
Гибель клеток-мишеней цитотоксических лимфоцитов (передача апоптотического сигнала по перфорин/гран- зимному и рецепторному механизмам)