Гибернация – оптимальная модель для изучения апоптоза
Гибернация – оптимальная модель для изучения апоптоза
Аннотация
Ещё 1972 году Джон Керр описал процесс гибели лимфоцитов под действием глюкокортикоидов и назвал его апоптоз.
Апоптоз (от древнегреческого слова, означающего «листопад») – форма запрограммированной гибели клеток. А в 2002 за исследование в области апоптоза была присуждена нобелевская премия Сиднею Бреннеру, Роберту Хорвицу и Джону Салстону. С тех пор вышло много работ где подробно описаны механизмы индукции и регуляции апоптоза.
Однако более точная последовательность развития апоптоза внутриклеточных процессов еще не совсем ясна. Более того, остается много непонятного в истории регуляторных механизмов процесса смерти клеток. Так, полное исследование в этой области имеет высокий терапевтический и научный потенциал. Причиной тому является важность данного процесса в различных аспектах существования многоклеточных организмов. Предложенная нами модель для исследований в области апоптоза является идеальным и уникальным природным состоянием которая возможно прольет свет на многие загадки этого удивительного процесса.
1. Введение
Динамичное и физиологическое развитие организма и функционирование иммунной системы поддерживаются балансирующим соотношением между образующимися и отмирающими клетками. Апоптоз – необходимый механизм морфогенеза и обеспечения нормального функционирования многоклеточных организмов , . Это процесс регулируемой, программируемой (физиологической) гибели клеток, при которой клеточные популяции очищаются от отработанных, нежелательных или поврежденных клеток.
В организме человека, как правило, ежедневно зарождаются и гибнут десятки миллиардов клеток. За год общий вес обновляемых клеток достигает веса тела человека .
Главными морфологическими признаками этого удивительного процесса служат конденсация хроматина и сжатие клетки. Далее клетка распадается на фрагменты, которые фагоцитируются макрофагами или соседними клетками. Воспалительная реакция отсутствует, так как нарушения целостности мембраны клетки и ее фрагментов в ходе апоптоза не происходит.
Гибель клетки запускается двумя механизмами – внутренним и рецепторным. Внутренний апоптоз, также имеет название митохондриальный, развивается при дефиците условий для выживания клеток (цитокинов и контактных сигналов от соседних клеток), а также от воздействия цитотоксических агентов (облучение, стероидные гормоны, цитостатики).
Вследствие этого изменяется баланс митохондриальных факторов семейства Вcl-2 (проапоптотический и противоапоптотический). Из митохондрии в цитозоль выходит цитохром C, где он активизирует каспазу 9 путем связывания Apaf-1 с АТФ/дАТФ и прокаспазой 9. После этого активируются новые исполнительные (эффекторные) каспазы, которые и приводят клетку к уничтожению .
Нарушенный процесс апоптоза лежит в основе различных патологических состояний организма. Доказано, что уменьшение способности клеток претерпевать апоптоз может привести к развитию злокачественных опухолей, вирусных инфекций, аутоиммунных заболеваний , , в то же время излишняя активность апоптоза может привести к различным аутоимунными дегенеративным заболеваниям типа Хантингтона, Паркинсона и Альцгеймера .
Изучение апоптоза и исследования в этой области публикуются в целом ряде обзоров , , , . Выявлены основные механизмы реализации апоптоза, разработаны молекулярные и морфологические критерии апоптозной клеточной смерти, выяснены биохимические и молекулярные механизмы активации и регуляции апоптоза, идентифицированы сотни генов, которые контролируют инициацию, осуществление и терминальную фазу апоптоза.
Многие из ключевых белков, которые активируются или инактивируются в путях апоптоза, идентифицированы. Но молекулярные механизмы действия или активации этих белков до конца не изучены и находятся в центре внимания продолжающихся исследований.
2. Основная часть
Для изучения молекулярных механизмов этого уникального явления необходимы модели в которых в естественных условиях активируются и протекают процессы апоптоза. При физиологических условиях найти апоптозирующую клетку в ткани довольно трудно. Для изучения особенностей апоптоза в эксперименте широко используются модельные объекты, в частности, клеточные культуры, в которых можно индуцировать апоптоз, синхронизировать его и исследовать процессы угасания клеточных функций.
В качестве идеальной модели для изучения апоптоза могут быть использованы гибернирующие животные. В состоянии индуцированного пробуждения и на этапах самосогревания, можно наблюдать как полное отсутствие апоптоза, так и его наличие. Преимущество этого объекта в том, что эта модель является абсолютно физиологическим состоянием, при котором нет необходимости в использовании ингибиторов и активаторов апоптоза.
Зимняя спячка или гибернация, представляет собой адаптацию к нехватке пищи и низким температурам окружающей среды в зимний период года . Температура тела в этот период значительно снижена и иногда даже может достигать 1-2 °С . При этом физиологическая активность и потребление кислорода в организме животного существенно (до 100-200 раз) снижены.
Однако глубокая спячка сусликов – не непрерывный процесс. Периодически (через каждые 10-15 дней) животные пробуждаются: температура тела за несколько часов повышается до 37-38 °С, они могут активно двигаться, уровень метаболизма повышается и может превышать уровень бодрствующих животных. Это состояние длится примерно 20 ч, после чего температура тела вновь понижается и животное погружается в глубокую спячку. Следует отметить, что суслики во время периодических пробуждений не питаются и не выделяют продуктов метаболизма .
Проведённые нами исследования показали, что в период глубокой спячки в тканях суслика апоптоз отсутствует. Гистологические препараты тканей печени, сердца и головного мозга суслика исследовали в середине периода спячки (температура тела 1-4 °С), при самосогревании (температура тела 6-29°С) и при полном пробуждении (температура тела 37-38 °С). В состоянии глубокой гибернации признаков апоптоза в тканях суслика не выявлено . При самосогревании обнаружены признаки начальной стадии апоптоза и лишь при полном пробуждении выявлены единичные гепатоциты и нейроны, сходные с апоптозными тельцами. Отсутствие воспалительной реакции в тканях также позволяет предположить, что мы наблюдаем стадии апоптоза. Пробуждение сусликов сопровождается значительным повышением активности маркеров состояния лизосомальных мембран, катепсина Д и кислой фосфатазы. В связи с этим мы предполагаем, что возможно в состоянии глубокой гибернации включается другой уникальный механизм, именуемый аутофагия.
Термин «аутофагия» (от др.-греч. αύτός – «сам» и φαγεϊν – «есть») был введен в 1963 г. бельгийским цитологом и биохимиком, лауреатом Нобелевской премии Кристианом де Дювом (Christian de Duve) для описания процесса получения питательных веществ в результате катаболизма внутриклеточных компартментов лизосомами.
Аутофагия – эволюционно сложившийся процесс лизосомальной утилизации белков и органелл для поддержания своего гомеостаза и жизнедеятельности при неблагоприятных условиях . Аутофагия служит самозащитным средством, позволяя клеткам выживать при нехватке питательных веществ, энергии или гипоксии, предотвращая накопление токсинов внутри клетки . Аутофагия на базальном уровне регулируется определенными набором сигнальных молекул во всех клетках организма и индуцируется различными стимулами. В формировании и утилизации аутофагосом участвуют эволюционно консервативные гены, связанные с аутофагией (autophagy-related genes, ATG) . Данный процесс разделяется на несколько стадий: образование фагофоры, ее элонгация, образование (созревание) аутофагосомы, синтез аутолизосомы и ее деградация.
3. Заключение
Таким образом, мы хотим отметить, что для полного понимания процессов протекающих в клетках во время апоптоза необходима модель в которой можно будет наблюдать как наличие апоптоза, так и его отсутствие. Важно чтобы эта модель была полностью физиологичной, то есть процесс апоптоза не индуцировался и не ингибировался сторонними препаратами. В качестве такой модели мы предлагаем гибернирующих грызунов, которые идеально подходят под эти критерии.