Молекулярные механизмы апоптоза презентация

Молекулярные механизмы апоптоза

Термин «апоптоз» впервые введен в 1972 г. J.Kerr, A.Wyllie, A.Currie при изучении гибели клеток в растущих тканях. Термин может быть переведен как опадание листьев, лепестков, но его также употребляли Гиппократ и Гален, обозначая отмирание и потерю ненужных организму частиц. В 1987 г. А.Wyllie сфрмулировал главные признаки апоптоза: уменьшение объема клетки; конденсация и фрагментация хроматина, формирование апоптотических телец; изменение мембраны клетки, приводящее к распознава-нию ее фагоцитами; сопряжение апоптоза с активным синтезом белка

Нобелевская премия 2002 г. «за открытия, посвященные генетической регуляции развития органов и программированной клеточной смерти»

Выделяют 4 вида программированной гибели клеток (ПГК), основанные на морфо-физиологических изменениях 1) ПГК I типа (апоптоз) (сжатие клетки, олигонуклеосомная деградация ДНК, конденсация хроматина, коллапс ядра, апоптотические тельца, фагоцитоз без участия лизосом, нет разрыва плазматической мембраны) 2) ПГК II типа (аутофагия) (аутофагия органелл, набухание ЭПР, митохондрий, аутофагосомы, с участием лизосом) 3) ПГК III типа (некроз) (набухание органелл, без участия лизосом, есть разрыв плазматической мембраны и развитие воспаления) 4) ПГК IV типа (митотическая катастрофа) (гибель клетки в процессе митоза, в результате нарушения ДНК, остановка клетки в сверочных точках клеточного цикла)

Сравнение апоптоза и некроза

Различия апоптоза и некроза

Апоптоз эпителиальных клеток и кардиомицита: «пузырение», образование апоптотических телец Пузырение идет за счет расщепления каспазами и активации киназы миозина ROCK-1 и гельзолина, влияющих на цитоскелет

Апоптоз лейкоцитов

Роль апоптоза

Роль апоптоза

Роль апоптоза при протекании физиологических процессов: Роль апоптоза при протекании физиологических процессов: - при эмбриогенезе (морфогенетический, гистогенетический, филогенетический) - при пролиферацц в клеточных популяциях (поддержание тканевого гомеостаза и обеспечение дифференцировки клеток) - при гормон-зависимой инволюции органов и тканей Роль апоптоза при патологии: - при повреждении ДНК - при опухолевом процессе - при ишемии органов и тканей - при дефиците гормона (апоптоз гормон-зависимых органов) - при окислительном стрессе - при заражении клеток вирусом - при трансплантации органов (апоптоз клеток «хозяина»)

Индукция апоптоза

Стадии апоптоза 1.Индукция апоптоза: рецепция сигнала и начальные этапы его передачи (стадия обратима и разнообразна для различных клеток) 2.Эффекторная, стадия программирования: активация эффекторных каспаз, расщепление внутриклеточных субстратов 3.Реализация апоптоза, запрограммированного на предыдущей стадии (фрагментация ДНК, морфологические эффекты) Стадии 2 и 3 необратимые, протекают по единому плану для всех клеток. 4. Поглощение фрагментов клетки.

Индукция апоптоза : Главные пути: 1.Митохондриальный ( внутренний) путь, приводящий к активации каспазы 9 2.Рецепторный (внешний) путь, приводящий к активации каспазы 8 Дополнительные пути: ЭПР-зависимый (нарушение Са2+-гомеостаза) Гранзим В-зависимый Потеря клеточного ядра (кариорексис) ПАРП-зависимый (ПАРП – поли-АДФ-рибоза-полимераза, репарирует разрывы в хроматине)

Механизмы апоптоза (Г.Кремер, 1997)

Общая схема “классического” апоптоза млекопитающих.

Образование апоптосомы и инфламмасомы

Общая характеристика каспаз: Каспазы – цистеин содержащие специфические протеазы, расщепляющие субстраты после аспартата (Asp-Xaa-Xaa-Asp/Gly (Ser,Ala)) Выделяют 3 группы каспаз: 1.Инициаторные (касп-8, -9) 2. Эффекторные (касп-3, -7) 3. Каспазы, участвующие в воспалении (касп-1) Присутствуют в клетке в виде неактивных зимогенов и при активации апоптоза не происходит их нового синтеза. Расщепляют более 500 белковых субстратов.

Структура каспаз Прокаспазы представлены мономерами, которые содержат 3 домена: N-концевой продомен, домен-предшественник большой субъединицы и домен-предшественник малой субъединицы. Инициаторные каспазы содержат длинные продомены (100 АК) с последовательностями, характерными для белок-белковых взаимодействий. Это домен смерти (DD), домен мобилизации каспаз (CАRD), эффекторный домен смерти (DED). Все вместе они называются складками смерти и структурно близки друг к другу. Эффекторные каспазы содержат малый продомен (30 АК) без складок смерти.

Активация инициаторных каспаз происходит по механизму индуцированного сближения 1. Инициаторные каспазы (-2,-8,-9,-10) находятся в клетках в виде неактивных мономеров. 2. Активация происходит путем связывания с адаптерными белками и объединения двух мономеров в димер, в котором формируются активные сайты. 3. После образования димера происходит расщепление по сайтам, содержащим аспартат, что стабилизирует димер. Такой механизм активации за счет димериза-ции называется индуцированным сближением.

Активация эффекторных каспаз 1.Эффекторные каспазы (-7,-3,-6) присутствуют в клетках в виде неактивных димеров. 2.При активации происходит расщепление прокаспазы по аспартат-содержащим сайтам с помощью инициаторных каспаз. 3. Освобождается большая субъединица, содержащая в активном сайте Цис-Гис, и малая субъединица, содержащая Арг в сайте связывания субстрата. 4. Расщепление эффекторной каспазы формирует активный центр фермента, при этом каталитический димер Цис-Гис, необходимый для протеазной активности, сближается с Арг, который специфически связывает Асп субстрата. 5. Два гетеродимера объединяются, образуя тетрамер с 2 активными центрами.

Структура каспаз. Каспазы – цистеиновые аспартат-специфичные протеазы

Белковые ингибиторы апоптоза (IAPs) блокируют действие каспаз

Митохондриальный путь апоптоза

Митохондриальный путь апоптоза (Кремер, 1997)

Фрагмент схемы апоптоза, протекающего по митохондриальному пути.

Белки сем Bcl-2 участвуют в апоптозе Белки сем.Bcl-2 играют главную роль в митохондриальном пути апоптоза. Известно 3 класса Bcl-2 белков, которые являются индукторами, непосредственной причиной или ингибиторами повышения проницаемости наружной мембраны митохондрий (MOMP). Белки Baх и Bak повышают МОМР и необходимы для реализации митохондриального пути апоптоза. Антиапоптотические белки сем.Bcl-2 блокируют повышение МОМР, вызванное белками Bcl-2. ВН3 белки сем.Bcl-2 могут активировать Baх и Bak или нарушают функции антиапоптотических белков.

Фрагмент схемы апоптоза, протекающего под контролем белков семейства Bcl-2, а также с участием p53. 

Рецепторный путь апоптоза и формирование белкового комплекса DISC (death-inducing signaling complex) – агрегаты FasL-FasR-FADD-прокаспаза 8

Деградация ДНК идет поэтапно 1 этап. Образование крупных фрагментов, содержащих 300 тыс. п.н., затем 30-50 тыс. п.н. Идет протеолиз топоизомеразы II, участвующей в формировании суперспи-рализованных петель по 50 тыс. п.н., 6 петель объединяются в дисковидную розетку – 300 тыс. п.н. Активны ДНК-азы I, II; Ca, Mg- зависимые эндонуклеазы. 2 этап. Межнуклеосомная деградация ДНК с образованием фрагментов в 180-200 п.н. (протяженность нити в нуклеосоме) или кратных им по величине. Расщепление гистона H1. Активируется эндонуклеаза CAD (в результате расщепления Касп-3 ингибитора ICAD).

Строение нуклеосомы - 8 молекул гистонов четырех видов (Н2А, Н2В, Н3 и Н4) составляют нуклеосомный кор (ядро), на который наматывается ДНК, образуя примерно два витка

Функции цитохрома с в нормально функционирующих и апоптотических клетках (проявление пероксидазной активности→окисление кардиолипина→выход цит с; экстернализация фосфатидилсерина во внешний монослой)

Механизмы окисления и экстернализации фосфатидилсерина при апоптозе

Исследование апоптоза лимфоцитов при окислительном стрессе

Изменение уровня апоптоза при патологиях

Примеры вовлечения митохондриального апоптоза в патологию дегенеративного процесса

Активация инфламмасомы

Индукция апоптоза и некроза ФНО