РЕГУЛЯЦИЯ КЛЕТОЧНОГО ЦИКЛА

Введение

Активация пролиферации

Клеточный цикл

Регуляция клеточного цикла

Экзогенные регуляторы пролиферации

Эндогенные регуляторы клеточного цикла

Пути регуляции CDK

Регуляция G1 фазы

Регуляция S фазы

Регуляция G2 фазы

Регуляция митоза

Повреждения ДНК

Пути восстановления двуцепочечных разрывов ДНК

Клеточный ответ на повреждение ДНК и его регуляция

Регенерация тканей

Регуляция регенерации тканей

Заключение

Список литературы

Введение

Клетка является элементарной единицей всего живого. Вне клетки жизни нет. Размножение клеток происходит только путем деления исходной клетки, которому предшествует воспроизведение ее генетического материала. Активация деления клетки происходит вследствие воздействия на нее внешних или внутренних факторов. Процесс деления клетки с момента ее активации называется пролиферацией. Иными словами, пролиферация - это размножение клеток, т.е. увеличение числа клеток (в культуре или ткани), происходящее путем митотических делений. Время существования клетки как таковой, от деления до деления, обычно называют клеточным циклом

Во взрослом организме человека, клетки различных тканей и органов имеют неодинаковую способность к делению. Кроме того, при старении интенсивность пролиферации клеток снижается (т.е. увеличивается интервал между митозами). Встречаются популяции клеток, полностью потерявшие свойство делиться. Это, как правило, клетки, находящиеся на терминальной стадии дифференцировки, например, зрелые нейроны, зернистые лейкоциты крови, кардиомиоциты. В этом отношении исключение составляют иммунные В- и Т- клетки памяти, которые, находясь в конечной стадии дифференцировки, при появлении в организме определенного стимула в виде ранее встречавшегося антигена способны начать пролиферировать. В организме есть постоянно обновляющиеся ткани - различные типы эпителия, кроветворные ткани. В таких тканях существуют клетки, которые постоянно делятся, заменяя отработавшие или погибающие типы клеток (например, клетки крипт кишечника, клетки базального слоя покровного эпителия, кроветворные клетки костного мозга). Также в организме существуют клетки, которые не размножаются в обычных условиях, но вновь приобретают это свойство при определенных условиях, в частности при необходимости регенерации тканей и органов. Процесс пролиферации клеток жестко регулируется как самой клеткой (регуляция клеточного цикла, прекращение или замедление синтеза аутокринных ростовых факторов и их рецепторов), так и ее микроокружением (отсутствие стимулирующих контактов с соседними клетками и матриксом, прекращение секреции и/или синтеза паракринных ростовых факторов). Нарушение регуляции пролиферации приводит к неограниченному делению клетки, что в свою очередь инициирует развитие онкологического процесса в организме.

Активация пролиферации

Основную функцию, связанную с инициацией пролиферации, берет на себя плазматическая мембрана клетки. Именно на ее поверхности происходят события, которые связаны с переходом покоящихся клеток в активированное состояние, предшествующее делению. Плазматическая мембрана клеток за счет располагающихся в ней молекул-рецепторов воспринимает различные внеклеточные митогенные сигналы и обеспечивает транспорт в клетку необходимых веществ, принимающих участие в инициации пролиферативного ответа. Митогенными сигналами могут служить контакты между клетками, между клеткой и матриксом, а также взаимодействие клеток с различными соединениями, стимулирующими их вступление в клеточный цикл, которые получили название факторов роста. Клетка, получившая митогенный сигнал на пролиферацию, запускает процесс деления.

КЛЕТОЧНЫЙ ЦИКЛ

Весь клеточный цикл состоит из 4 этапов: пресинтетического (G1), синтетического (S), постсинтетического (G2) и собственно митоза (М). Кроме того, существует так называемый G0-период, характеризующий состояние покоя клетки. В G1-периоде клетки имеют диплоидное содержание ДНК на одно ядро. В этот период начинается рост клеток, главным образом, за счет накопления клеточных белков, что обусловлено увеличением количества РНК на клетку. Кроме того, начинается подготовка к синтезу ДНК. В следующем S-периоде происходит удвоение количества ДНК и соответственно удваивается число хромосом. Постсинтетическая G2 фаза называется также премитотической. В этой фазе происходит активный синтез мРНК (матричная РНК). Вслед за этой стадией следует собственно деление клетки надвое или митоз.

Деление всех эукариотических клеток связано с конденсацией удвоенных (реплицированных) хромосом. В результате деления эти хромосомы переносятся в дочерние клетки. Такой тип деления эукариотических клеток - митоз (от греч. mitos - нити) - является единственным полноценным способом увеличения числа клеток. Процесс митотического деления подразделяют на несколько этапов: профаза, прометафаза, метафаза, анафаза, телофаза.

РЕГУЛЯЦИЯ КЛЕТОЧНОГО ЦИКЛА

Назначение регуляторных механизмов клеточного цикла состоит не в регуляции прохождения клеточного цикла как такового, а в том, чтобы обеспечить, в конечном счете, безошибочность распределения наследственного материала в процессе репродукции клеток. В основе регуляции размножения клеток лежит смена состояний активной пролиферации и пролиферативного органа. Регуляторные факторы, контролирующие размножение клеток можно условно разделить на две группы: внеклеточные (или экзогенные) или внутриклеточные (или эндогенные). Экзогенные факторы находятся в микроокружении клетки и взаимодействуют с поверхностью клетки. Факторы, которые синтезируются самой клеткой и действуют внутри нее, относятся к эндогенным факторам. Такое подразделение весьма условно, поскольку некоторые факторы, будучи эндогенными по отношению к продуцирующей их клетке, могут выходить из нее и действовать как экзогенные регуляторы на другие клетки. Если регуляторные факторы взаимодействуют с теми же клетками, которые их продуцируют, то такой тип контроля называется аутокринным. При паракринном контроле синтез регуляторов осуществляется другими клетками.

ЭКЗОГЕННЫЕ РЕГУЛЯТОРЫ ПРОЛИФЕРАЦИИ

У многоклеточных организмов регуляция пролиферации различных типов клеток происходит вследствие действия не одного какого-либо ростового фактора, а их совокупности. Кроме того, некоторые ростовые факторы, будучи стимуляторами для одних типов клеток, ведут себя как ингибиторы по отношению к другим. Классические ростовые факторы представляют собой полипептиды с молекулярной массой 7-70 кДа. К настоящему моменту известно более сотни таких ростовых факторов. Однако здесь будут рассмотрены только некоторые из них.

Пожалуй, самое большое количество литературы посвящено фактору роста из тромбоцитов (PDGF). Освобождаясь при разрушении сосудистой стенки, PDGF участвует в процессах тромбообразования и заживления ран. PDGF является мощным ростовым фактором для покоящихся фибробластов. Наряду с PDGF, не менее обстоятельно изучен эпидермальный фактор роста (EGF), который также способен стимулировать пролиферацию фибробластов. Но, кроме этого также стимулирующе влияет и на другие типы клеток, в частности на хондроциты.

Большую группу ростовых факторов составляют цитокины (интерлейкины, факторы некроза опухоли, колоние-стимулирующие факторы и т.д.). Все цитокины полифункциональны. Они могут, как усиливать, так и угнетать пролиферативные ответы. Так, например, разные субпопуляции CD4+ Т-лимфоцитов, Th1 и Th2, продуцирующие разный спектр цитокинов, по отношению друг к другу являются антагонистами. То есть, Th1 цтокины стимулируют пролиферацию клеток, которые их продуцируют, но в то же время подавляют деление Th2 клеток, и наоборот. Таким образом, в норме в организме сохраняется постоянный баланс этих двух типов Т-лимфоцитов. Взаимодействие факторов роста с их рецепторами на поверхности клетки приводит к запуску целого каскада событий внутри клетки. В результате чего происходит активация факторов транскрипции и экспрессия генов пролиферативного ответа, что в конечном итоге инициирует репликацию ДНК и вступление клетки в митоз.

ЭНДОГЕННЫЕ РЕГУЛЯТОРЫ КЛЕТОЧНОГО ЦИКЛА

В нормальных эукариотических клетках прохождение клеточного цикла жестко регулируется. Причиной онкологических заболеваний является трансформация клеток, как правило, связанная с нарушениями регуляторных механизмов клеточного цикла. Одним из основных результатов дефективности клеточного цикла является генетическая нестабильность, поскольку клетки с ущербным контролем клеточного цикла теряют способность корректно удваивать и распределять между дочерними клетками свой геном. Генетическая нестабильность приводит к приобретению новых особенностей, которые отвечают за прогрессирование опухоли. Циклин-зависимые киназы (CDK)и их регуляторные субъединицы (циклины) являются основными регуляторами клеточного цикла. Прохождение клеточного цикла достигается путем последовательной активации и дезактивации разных комплексов циклин-CDK. Действие комплексов циклин-CDK заключается в фосфорилировании ряда белков-мишеней в соответствии с фазой клеточного цикла, в которой активен тот или иной комплекс циклин-CDK . Так, например, циклин Е-CDK2 активен в поздней G1 фазе и фосфорилирует белки, необходимые для прохождения через позднюю G1 фазу и вход в S фазу. Циклин А-CDK2 активен в S и G2 фазах, он обеспечивает прохождение S фазы и вход в митоз. Циклин А и циклин Е являются центральными регуляторами репликации ДНК. Поэтому неправильная регуляция экспрессии какого-либо из этих циклинов приводит к генетической нестабильности. Было показано, что накопление ядерного циклина А происходит исключительно в тот момент, когда клетка входит в S фазу, т.е. в момент G1/S перехода. С другой стороны, было показано, что уровень циклина Е повышался после прохождения так называемой точки ограничения (R-точки) в поздней G1 фазе, а затем существенно понижался, когда клетка входила в S фазу.

ПУТИ РЕГУЛЯЦИИ CDK

Активность циклин-зависимых киназ (CDK) жестко регулируется, по крайней мере, по четырем механизмам:

1) Основной способ регуляции CDK - это связывание с циклином, т.е. в свободном виде киназа не активна, и только комплекс с соответствующим циклином обладает необходимыми активностями.

2) Активность комплекса циклин-CDK также регулируется за счет обратимого фосфорилирования. Для того чтобы приобрести активность, необходимо фосфорилирование CDK, которое осуществляется при участии CDK активирующего комплекса (САК), состоящего из циклина Н, CDK7 и Mat1.

3) С другой стороны, в молекуле CDK, в регионе, ответственном за связывание субстрата, имеются сайты, фосфорилирование которых приводит к ингибированию активности комплекса циклин-CDK. Эти сайты фосфорилируются группой киназ, включая Wee1 киназу, и дефосфорилируются фосфатазами Cdc25. Активность этих ферментов (Wee1 и Cdc25) существенно варьирует в ответ на разные внутриклеточные события, такие как повреждения ДНК.

4) В конце концов, некоторые комплексы циклин-CDK могут быть заингибированы вследствие связывания с ингибиторами CDK (CKI). Ингибиторы CDK состоят из двух групп белков INK4 и CIP/KIP. Ингибиторы INK4 (p15, p16, p18, p19) связываются с CDK4 и CDK6 и инактивируют их, предотвращая взаимодействие с циклином D. CIP/KIP ингибиторы (p21, p27, p57) могут связываться с комплексами циклин-CDK, содержащими CDK1, CDK2, CDK4 и CDK6. Примечательно, что при определенных условиях CIP/KIP ингибиторы могут усиливать киназную активность комплексов циклин D-CDК4/6

РЕГУЛЯЦИЯ G 1 ФАЗЫ

В G1 фазе, в так называемой точке рестрикции (ограничения, R-точка), клетка принимает решение, делится ей или нет. Точка рестрикции - это та точка клеточного цикла, после которой клетка становится невосприимчивой к внешним сигналам вплоть до завершения всего клеточного цикла. Точка рестрикции делит G1 фазу на два функционально различных этапа: G1pm (постмитотический этап) и G1ps (пресинтетический этап). В течение G1pm клетка оценивает присутствующие в ее окружении ростовые факторы. Если необходимые ростовые факторы присутствуют в достаточном количестве, то клетка переходит в G1ps. Клетки, перешедшие в G1ps период, продолжают нормальное прохождение всего клеточного цикла даже при отсутствии ростовых факторов. Если отсутствуют необходимые ростовые факторы в G1pm периоде, то клетка переходит в состояние пролиферативного покоя (G0 фаза).

Основным результатом каскада сигнальных событий, происходящих вследствие связывания ростового фактора с рецептором на поверхности клетки, является активация комплекса циклин D-CDK4/6. Активность этого комплекса существенно возрастает уже в раннем G1 периоде. Этот комплекс фосфорилирует мишени, необходимые для прохождения в S фазу. Основным субстратом комплекса циклин D-CDK4/6 является продукт гена ретинобластомы (pRb). Нефосфорилированный pRb связывается и, тем самым, инактивирует транскрипционные факторы группы E2F. Фосфорилирование pRb комплексами циклин D-CDK4/6 приводит к высвобождению E2F, который проникает в ядро и инициирует трансляцию генов белков, необходимых для репликации ДНК, в частности генов циклина Е и циклина А. В конце G1 фазы происходит кратковременное увеличение количества циклина Е, которое предвещает накопление циклина А и переход в S фазу.

Остановку клеточного цикла в G1 фазе могут вызвать следующие факторы: повышение уровня ингибиторов CDK, депривация ростовых факторов, повреждения ДНК, внешние воздействия, онкогенная активация

РЕГУЛЯЦИЯ S ФАЗЫ

S фаза - это этап клеточного цикла, когда происходит синтез ДНК. Каждая из двух дочерних клеток, которые образуются в конце клеточного цикла, должна получить точную копию ДНК материнской клетки. Каждое основание молекул ДНК, составляющих 46 хромосом человеческой клетки, должно быть скопировано только один раз. Именно поэтому синтез ДНК регулируется крайне жестко.

Было показано, что только ДНК клеток, находящихся в G1 или S фазе, может реплицироваться. Это наводит на мысль, что ДНК должна быть <лицензирована> для репликации и что тот кусочек ДНК, который был удвоен, теряет эту <лицензию>. Репликация ДНК начинается в месте связывания белков, называемых ORC (Origin of replicating complex). Несколько компонентов, необходимых для синтеза ДНК, связываются с ORC в поздней М или ранней G1 фазе, формируя пререплекативный комплекс, что собственно и дает <лицензию> ДНК для репликации. На стадии перехода G1/S к пререплекативному комплексу добавляются еще белки, необходимые для репликации ДНК, таким образом, образуется комплекс инициации. Когда начинается процесс репликации и образуется репликативная вилка, многие компоненты отделяются от инициирующего комплекса, а в месте инициации репликации остаются только компоненты пострепликативного комплекса.

Во многих работах было показано, что для нормального функционирования инициирующего комплекса необходима активность циклин А-CDK2. Кроме того, для успешного окончания S фазы также необходима активность комплекса циклин А-CDK2, что, собственно, и является основным регуляторным механизмом, обеспечивающим успешное завершение синтеза ДНК. Остановку в S фазе может индуцировать повреждение ДНК.

РЕГУЛЯЦИЯ G 2 ФАЗЫ

G2 фаза - это этап клеточного цикла, который начинается после завершения синтеза ДНК, но до начала конденсации. Основным регулятором прохождения G2 фазы служит комплекс циклин В-CDK2. Арест клеточного цикла в G2 фазе происходит вследствие инактивации комплекса циклин В-CDK2. Регулятором перехода G2/М является комплекс циклин В-CDK1, его фосфорилирование/дефосфорилирование регулирует вход в М фазу. Повреждения ДНК или наличие нереплицированных участков предотвращает переход в М фазу.

1. Факторы роста (макрофаги, лимфоциты, фибробласты, тромбоциты и др.) –стимуляция пролиферации и ограничение апоптоза.

2. Кейлоны – гликопротеидные тканеспецифические ингибиторы роста.

3. Фибронектин- хемоаттрактант фибробластов.

4. Ламинин -главный адгезивный белок базальных мембран.

5. Синдекан -интегральный протеогликан клеточных мембран, связывает коллаген, фибронектин и тромбоспондин.

6. Тромбоспондин – гликопротеид, образует комплексы с синдеканом, коллагеном и гепарином, играет существенную роль в сборке костной ткани.

Образование и реализация эффектов биологически активных веществ (БАВ) - одно из ключевых звеньев воспаления. БАВ обеспечивают закономерный характер развития воспаления, формирование его общих и местных проявлений, а также исходы воспаления. Именно поэтому БАВ нередко именуют как «медиаторы воспаления».

Медиаторы воспаления - это местные химические сигналы, образую­щиеся, высвобождаемые либо активируемые в очаге воспаления, действую­щие и разрушаемые также в пределах очага. Под медиаторами (посредниками) воспаления понимают биологически активные вещества, ответственные за возникновение или поддержание тех или иных воспалительных явлений, например повышенной сосудистой проницаемости, эмиграции и т. д.

Это те же вещества, которые в условиях нормальной жизнедеятельности организма, образуясь в различных органах и тканях в физиологических концентрациях, ответственны за регуляцию функций на клеточном, тканевом уровне. При воспалении, местно высвобождаясь (вследствие активации клеток и жидких сред) в больших количествах, они приобретают новое качество - медиаторов воспаления. Практически все медиаторы являются и модуляторами воспаления, т. е. способны усиливать или ослаблять выраженность воспалительных явлений. Это обусловлено комплексностью их влияния и взаимодействием их как с клетками-продуцентами этих веществ, так и между собой. Соответственно эффект медиатора может быть добавочным (аддитивным), потенцирующим (синергистическим) и ослабляющим (антагонистическим), а взаимодействие медиаторов возможно на уровне их синтеза, секреции или эффектов.

Медиаторное звено является основным в патогенезе воспаления. Оно координирует взаимодействие множества клеток - эффекторов воспаления, смену клеточных фаз в очаге воспаления. Соответственно патогенез воспаления можно представить себе как цепь множественных межклеточных взаимодействий, регулируемых медиаторами-модуляторами воспаления.

Медиаторы воспаления обусловливают развитие и регуляцию процессов альтерации (включая изменение обмена веществ, физико‑химических параметров, структуры и функции), развитие сосудистых реакций, экссудации жидкости и эмиграции клеток крови, фагоцитоза, пролиферации и репаративных процессов в очаге воспаления.

Большинство медиаторов выполняют свои биологические функции специфически воздействуя на рецепторы клеток-мишеней. Однако некоторые из них имеют прямую ферментативную или токсическую активность (напри­мер, лизосомальные гидролазы и активные кислородные радикалы). Функции каждого медиатора регулируются соответствующими ингибиторами.

Источниками медиаторов воспаления могут служить плазма крови и клетки-участники воспаления. В соответствии с этим выделяют 2 большие группы медиаторов воспаления: гуморальные и клеточные . Гуморальные

медиаторы в основном представлены полипептидами, которые постоянно цир­кулируют в крови в неактивном состоянии и синтезируются преимуществен­но в печени. Эти медиаторы составляют так называемую «сторожевую поли­систему плазмы крови». Клеточные медиаторы могут синтезироваться de novo (например, метаболиты арахидоновой кислоты) или высвобождаться из клеточных депо (например, гистамин). Источниками клеточных медиаторов в очаге воспаления являются, в основном, макрофаги, нейтрофилы и базофилы.

Из гуморальных медиаторов воспаления наиболее важными являютсяпроизводные комплемента. Среди почти 20 различных белков, образующихся при активации комплемента, непосредственное отношение к воспалению имеют его фрагменты С5а, С3а, С3b и комплекс С5b-С9. При этом С5а и в меньшей степени С3а являются медиаторами острого воспаления. СЗb опсонизирует патогенный агент и соответственно способствует иммунной адгезии и фагоцитозу. Комплекс С5b-С9 ответствен за лизис микроорганизмов и патологически измененных клеток. Источником комплемента является плазма крови и в меньшей мере тканевая жидкость. Усиленная поставка плазменного комплемента в ткань является одним из важных назначений экссудации. С5а, образующийся из него в плазме и тканевой жидкости под влиянием карбоксипептидазы N, C5a des Arg и С3а повышают проницаемость посткапиллярных венул. При этом C5a и С3а, будучи анафилатоксинами (т. е. либераторами гистамина из тучных клеток), повышают проницаемость как прямо, так и опосредованно через гистамин Эффект C5a des Arg не связан с гистамином, но является нейтрофилзависимым, т. е. осуществляется за счет факторов проницаемости, вьсвобождаемых из полиморфноядерных гранулоцитов, - лизосомальных ферментов и неферментных катионных белков, активных метаболитов кислорода. Кроме того, C5a и C5a des Arg привлекают нейтрофилы. В отличие от них С3а практически не обладает хемотаксическими свойствами. Активные компоненты комплемента высвобождают не только гистамин и гранулоцитарные продукты, но и интеряейкин-1, простагландины, лейкотриены, фактор, активирующий тромбоциты, и синергистически взаимодействуют с простагландинами и веществом Р.

Кинины - вазоактивные пептиды, образующиеся из кининогенов (альфа2-глобулинов) под влиянием калликреинов в плазме (нонапептид брадикинин) и в тканевой жидкости (декапептид лизилбрадикинин, или каллидин). Пусковым фактором активации калликреин-кининовой системы является активация при повреждении ткани фактора Хагемана (XII фактор свертывания крови), превращающего прекалликреины в калликреины.

Кинины опосредуют расширение артериол и повышение проницаемости венул путем контракции эндотелиальных клеток. Они сокращают гладкую мускулатуру вен и повышают внутрикапиллярное и венозное давление. Кинины угнетают эмиграцию нейтрофилов, модулируют распределение макрофагов, стимулируют миграцию и митогенез Т-лимфоцитов и секрецию лимфокинов. Они также усиливают пролиферацию фибробластов и синтез коллагена и, следовательно, могут иметь значение в репаративных явлениях и в патогенезе хронического воспаления.

Один из наиболее значимых эффектов кининов- активация рефлексов путем раздражения окончаний чувствительных нервов и опосредование, таким образом, воспалительной боли. Кинины вызывают или усиливают высвобождение гистамина из тучных клеток, синтез простагландинов многими типами клеток, поэтому некоторые из их основных эффектов- вазодилятация, сокращение гладкой мускулатуры, боль - связывают с высвобождением других медиаторов, особенно простагландинов.

Активация фактора Хагемана запускает не только процесс кининообразования, но и свертывания крови и фибринолиза. При этом образуются такие медиаторы, как фибринопептиды и продукты деградации фибрина, которые являются мощными хематтрактантами. Кроме того, фибринолиз и образование тромбов в сосудах очага имеют существенное значение как в патологических, так и в защитных явлениях воспаления.

Из клеточных медиаторов первостепенный интерес вызываютэйкозаноиды поскольку скорее всего именно они являются центральным медиаторным звеном воспалительной реакции. В пользу этого свидетельствуют продолжительное поддержание продукции эйкозаноидов в очаге, их тесная связь с ключевым событием воспалительного процесса - лейкоцитарной инфильтрацией, мощный противовоспалительный эффект ингибиторов их синтеза.

Основную роль в продукции эйкозаноидов в очаге воспаления играют лейкоциты, особенно моноциты и макрофаги, хотя они образуются почти всеми типами ядерных клеток при стимуляции последних. Преобладающими эйкозаноидами в очаге воспаления почти всегда оказываются простагландин (ПГ) Е2, лейкотриен (ЛТ) B4 и 5-гидроксиэйкозатетраеновая кислота (5-ГЭТЕ). Образуются также, хотя и в меньшем количестве, тромбоксан (Ткс) А2, ПГF2альфа, ПГD2, простациклин (ПГ12), ЛТС4, ЛТD4, ЛТЕ4, другие ГЭTЕ.

Главными эффектами эйкозаноидов при воспалении являются влияния на лейкоциты. ПГ, Ткс и особенно ЛТ являются мощными хематтрактантами и играют, таким образом, важную роль в механизмах самоподдержания лейкоцитарной инфильтрации. ПГ сами не повышают сосудистую проницаемость, но, будучи сильными вазодилятаторами, усиливают гиперемию и, следовательно, экссудацию. ЛТС4, JITD4, ЛТЕ4 повышают проницаемость сосудов путем прямой контракции эндотелиальных клеток, а ЛТВ4 - как нейтрофилзависимый медиатор. ПГ и ЛТ имеют значение в генезе воспалительной боли. При этом ПГЕ2, не обладая прямой болевой активностью, повышает чувствительность рецепторов афферентных болевых нервных окончаний к брадикинину и гистамину. ПГЕ2 является сильным жароповышающим агентом, и лихорадка при воспалении может быть отчасти обусловлена его высвобождением. ПГ играют ключевую роль в модуляции воспалительного процесса, осуществляя двунаправленную регуляцию экссудации, эмиграции и дегрануляции лейкоцитов, фагоцитоза. Так, например, ПГЕ способны потенцировать развитие отека, вызванного гистамином или брадикинином, а ПГF2альфа, напротив, ослаблять. Аналогичные отношения между ПГЕ и ПГF2альфа распространяются также на эмиграцию лейкоцитов.

Особо широкий спектр взаимодействий с другими медиаторами воспаления характерен для ЛТ. Они синергистически взаимодействуют в отношении бронхоспазма с гистамином, ацетилхолином, ПГ и Ткс, стимулируют высвобождение ПГ и Ткс. Модуляторная функция эйкозаноидов осуществляется через изменения соотношения циклических нуклеотидов в клетках.

Источникамигистамина являются базофилы и тучные клетки.Серотонин (нейромедиатор) у человека кроме незначительного количества в тучных клетках содержится также в тромбоцитах и энтерохромаффинных клетках. Благодаря быстрому высвобождению при дегрануляции тучных клеток, способности изменять просвет микрососудов и вызывать непосредственную контракцию эндотелиальных клеток венул гистамин и серотонин считаются основными медиаторами первоначальных микроциркуляторных нарушений в очаге острого воспаления и немедленной фазы повышения проницаемости сосудов. Гистамин играет дуалистическую роль как в отношении сосудов, так и клеток. Через Н2-рецепторы он расширяет артериолы, а через H1-рецепторы суживает венулы и, таким образом, повышает внутрикапиллярное давление. Че­рез Hi -рецепторы гистамин стимулирует, а через Нг-рецепторы угнетает эмиграцию и дегрануляцию лейкоцитов. При обычном течении воспаления гистамин действует преимущественно через Нг-рецепторы на нейтрофилах, ограничивая их функциональную активность, и через Hi -рецепторы на моно­цитах, стимулируя их. Таким образом, на­ряду с провоспалительными сосудистыми эффектами он оказывает противовоспали­тельные клеточные. Серотонин также сти­мулирует моноциты в очаге воспаления. Гистамин осуществляет двунаправленную регуляцию пролиферации, дифференцировки и функциональной активности фибробластов и, следовательно, может иметь значение в репаративных явлениях. Моду­ляторные эффекты гистамина также опосредуются циклическими нуклеотидами.

Что касается взаимодействий биогенных аминов в очаге воспаления, то известно, что гистамин через Hi-рецепторы может за­пускать или усиливать синтез простагландинов, а через На -рецепторы - угнетать. Биогенные амины взаимодействуют как меж­ду собой, так и с брадикинином, нуклео­тидами и нуклеозидами, веществом Р в по­вышении проницаемости сосудов. Сосудорас­ширяющее действие гистамина усиливается в комплексе с ацетилхолином, серотонином, брадикинином.

Основным источникомлизосомальных ферментов в очаге воспаления являются фагоциты - гранулоциты и моноциты-макрофаги. Несмотря на огромную важность в патогенезе воспаления фагоцитоза, фагоциты являются прежде всего подвиж­ными носителями медиаторов-модуляторов, секретируемых внеклеточно. Вывобождение лизосомального содержимого осуществляется в ходе их хемотаксической стимуляции, ми­грации, фагоцитоза, повреждения, гибели. Главными компонентами лизосом у челове­ка являются нейтральные протеиназы- эластаза, катепсин G и коллагеназы, содер­жащиеся в первичных, азурофильных, гра­нулах нейтрофилов. В процессах противомикробной защиты, в том числе при воспа­лении, протеиназы относятся к факторам “второй очереди” после кислородзависимых (миелопероксидаза - перекись водорода) и таких кислороднезависимых, как лактоферрин и лизоцим, механизмов. Они обеспе­чивают главным образом лизис уже убитых микроорганизмов. Основные же эффекты протеиназ - медиация и модуляция воспалительных явлений, в том числе повреждения собственных тканей. Медиаторный и модуляторный эффекты протеиназ осуществляются в отношении сосудистой проницаемости, эмиграции, фагоцитоза.

Повышение проницаемости сосудов под влиянием лизосомальных ферментов происходит за счет лизиса субэндотелиального матрикса, истончения и фрагментации эндотелиальных клеток и сопровождается геморрагией и тромбозом. Образуя или расщепляя важнейшие хемотаксические вещества, лизосомальные ферменты являются модуляторами лейкоцитарной инфильтрации. В первую очередь это касается компонентов системы комплемента и калликреин-кининовой.

Лизосомальные ферменты, в зависимости от концентрации, могут и сами усиливать или угнетать миграцию нейтрофилов. В отношении фагоцитоза нейтральные протеиназы также обладают рядом эффектов. В частности, эластаза может об­разовывать опсонин С3b; С3b является также важным для адгезии частиц к поверхности нейтрофила. Следовательно, нейтрофил сам обеспечивает себе механизм усиления фагоцитоза. Как катепсин G, так и эластаза повышают сродство Fc-рецептора мембраны нейтрофила к комплексам иммуноглобулинов и, соответственно, усиливают эффективность поглощения частиц.

Благодаря также способности лизосомальных ферментов активировать системы комплемента, калликреин-кининовую, свертывания и фибринолиза, высвобождать цитокины и лимфокины, воспаление развертывается и самоподдерживается в течение длительного времени.

Важнейшим свойствомнеферментных катионных белков, содержащихся как в азурофильных, так и в специфических гранулах нейтрофилов, являетсяих высокая микробицидность. В этом отношении они находятся в синергистическом взаимодействии с системой миелопероксидаза - перекись водорода. Катионные белки адсорбируются на отрицательно заряженной мембране бактериальной клетки путем электростатического взаимодействия. В результате этого нарушаются проницаемость и структура оболочки и наступает гибель микроорганизма, что является предпосылкой для последующего эффективного лизиса его лизосомальными протеиназами. Высвободившиеся внеклеточно катионные белки опосредуют повышение проницаемости сосудов (главным образом путем индукции дегрануляции тучных клеток и высвобождения гистамина), адгезию и эмиграцию лейкоцитов.

Главным источникомцитокинов (монокинов) при воспалении являются стимулированные моноциты и макрофаги. Кроме того, эти полипептиды продуцируются нейтрофилами, лимфоцитами, эндотелиальными и другими клетками. Наиболее изученными из цитокинов являются интерлейкин-1(ИЛ-1) и фактор некроза опухоли (ФНО). Цитокины повышают сосудистую проницаемость (неитрофилзависимым путем), адгезию и эмиграцию лейко­цитов. Наряду с провоспалительными свойствами цитокины могут иметь значение и в непосредственной защите организма, стимулируя нейтрофилы и моноциты к умерщвлению, поглощению и перевариванию внедрившихся микроорганизмов, а также усиливая фагоцитоз путем опсонизации патогенного агента.

Стимулируя раневое очищение, пролиферацию и дифференцировку клеток, цитокины усиливают репаративные процессы. Наряду с этим они могут опосредовать тканевую деструкцию (деградацию хрящевого матрикса и резорбцию кости) и, таким образом, играть роль в патогенезе заболеваний соединительной ткани, в частности ревматоидного артрита.

Действие цитокинов вызывает также ряд метаболических эффектов, лежащих в основе общих проявлений воспаления - лихорадки, сонливости, анорексии, изменения обмена веществ, стимуляции гепатоцитов к усиленному синтезу белков острой фазы, активации системы крови и т. д.

Цитокины взаимодействуют между собой, с простагландинами, нейропептидами и другими медиаторами.

К медиаторам воспаления относится также рядлимфокинов - полипептидов, продуцируемых стимулированными лимфоцитами. Наиболее изученными из лимфокинов, модулирующих воспалительный ответ, являются фактор, угнетающий макрофаги, макрофагактивирующий фактор, интерлейкин-2. Лимфокины координируют взаимодействие нейтрофилов, макрофагов и лимфоцитов, регулируя таким образом воспалительную реакцию в целом.

Активные метаболиты кислорода, прежде всего свободные радикалы - супероксидный анион радикал, гидроксильный радикал НО, пергидроксил, вследствие наличия на их внешней орбите одного или нескольких непарных электронов обладают повышенной реактивностью с другими молекулами и, следовательно, значительным деструктивным потенциалом, который имеет значение в патогенезе воспаления. Источником свободных радикалов, а также других кислородпроизводных медиаторов и модуляторов воспаления - перекиси водорода (Н 2 0 2), синглетного кислорода (f0 2), гипохлорида (НОС1) служат: дыхательный взрыв фагоцитов при их стимуляции, каскад арахидоновой кислоты в процессе образования эйкозаноидов, ферментные процессы в эндоплазматическом ретикулуме и пероксизомах, митохондриях, цитозоле, а также самоокисление малых молекул, таких, как гидрохиноны, лейкофлавины, катехоламины и др.

Роль активных метаболитов кислорода в воспалении состоит, с одной стороны, в повышении бактерицидной способности фагоцитов и, с другой стороны, - в их медиаторной и модуляторной функциях. Медиаторная роль активных метаболитов кислорода обусловлена их способностью вызывать перекисное окисление липидов, окисление белков, углеводов, повреждение нуклеиновых кислот. Указанные молекулярные изменения лежат в основе вызываемых активными метаболитами кислорода явлений, характерных для воспаления, - повышения проницаемости сосудов (вследствие повреждения эндотелиальных клеток), стимуляции фагоцитов.

Модуляторная ролъ, активных метаболитов кислорода может заключаться как в усилении воспалительных явлений (путем индукции высвобождения ферментов и взаимодействия с ними в повреждении ткани; не только инициации, но и модуляции каскада арахидоновой кислоты), так и в противовоспалительных эффектах (за счет инактивации лизосомальных гидролаз и других медиаторов воспаления).

Важное значение имеют активные метаболиты кислорода в поддержании хронического воспаления.

К медиаторам и модуляторам воспаления относят такженейропептиды - вещества, высвобождаемые С-волокнами в результате активации воспалительным агентом полимодальных ноцицепторов, играющих важную роль в возникновении аксонрефлексов в конечных разветвлениях первичных афферентных (чувствительных) нейронов. Наиболее изученными являются вещество Р, кальцитонин-генсвязанный пептид, нейрокинин А. Нейропептиды повышают проницаемость сосудов, и этаих способность во многом опосредована медиаторами, происходящими из тучных клеток. Между немиелинными нервами и тучными клетками имеются мембранные контакты, которые обеспечивают сообщение центральной нервной системы с очагом воспаления.

Нейропептиды синергистически взаимодействуют в повышении проницаемости сосудов как между собой, так и с гистамином, брадикинином, С5а, фактором, активирующим тромбоциты, лейкотриеном В4; антагонистически - с АТФ и аденозином. Они оказывают также потенцирующее воздействие на привлечение и цитотоксическую функцию нейтрофилов, усиливают адгезию нейтрофилов к эндотелию венул. Кроме того, нейропептиды повышают чувствительность ноцицепторов к действию различных медиаторов, в частности простагландина Е2 и простациклина, участвуя, таким образом, в воссоздании воспалительной боли.

Кроме вышеперечисленных веществ к медиаторам воспаления относятся также ацетилхолив и катехоламины, высвобождающиеся при возбуждении холин- и адренергических структур. Ацетилхолин вызывает расширение сосудов и играет роль в аксонрефлекторном механизме артериальной гиперемии при воспалении. Норадреналин и адреналин тормозят рост сосудистой проницаемости, выступая главным образом как модуляторы воспаления.

Эндокринная, паракринная и аутокринная регуляция. В норме клетки делятся исключительно под воздействием различных факторов внутренней среды организма (и внешних - по отношению к клетке). В этом состоит их коренное отличие от трансформированных клеток, деля­щихся под воздействием эндогенных стимулов. Существуют два типа физиологической регуляции - эндокринная и паракринная. Эндокринная регуляция осуществляется специализированными органами (железами внутренней секреции), в числе которых гипофиз, надпочечники, щитовид­ная, паращитовидная, поджелудочная и половые железы. Они секретируют продукты своей активности в кровь и оказывают генерализованное воздействие на весь организм.
Паракринная регуляция характеризуется тем, что в одной и той же ткани соседние клетки воздействуют друг на друга посредством секретируемых и распространяющихся диффузией активных веществ. К числу таких митогенных стимуляторов (полипептидные ростовые факторы) относятся эпидермальный фактор роста, фактор роста тромбоцитов, ин­терлейкин-2 (фактор роста Т-клеток), фактор роста нервов и множество других.
Аутокринная регуляция, характерная для опухолевых клеток, отли­чается от паракринной тем, что одна и та же клетка является и источни­ком ростового фактора, и его мишенью. Результат - непрекращающееся, самоподдерживающееся митогенное «возбуждение» клетки, приводящее к нерегулируемому размножению. При этом клетка не нуждается во вне­шних митогенных стимулах и становится полностью автономной.
Перенос митогенного сигнала - процесс многоэтапный. В зави­симости от типа клетки и от конкретного митогенного стимула реализу­ется один из множества сигнальных путей. Ниже в качестве «прототипа» описан так называемый МАР-киназный каскад.
Ростовые факторы (регуляторы пролиферации) секретируются одними клетками и действуют паракринным образом на другие. Это небольшие белки. Полипептидная цепь EGF (epidermal growth factor) состоит, например, из 53 аминокислот. Существует несколько семейств ростовых факторов, представитель каждого из которых объединен структурным и функциональным сходством. Одни из них стимулируют пролиферацию (например, EGF и PDGF, platelet-derived growth factor, тромбоцитарный фактор роста), а другие (TGF-p, TNF, интерфероны) - подавляют.
Рецепторы расположены на клеточной поверхности. Каждая клет­ка имеет присущий ей репертуар рецепторов и соответственно свой осо­бый набор ответных реакций. Очень важное в функциональном отноше­нии семейство образуют так называемые тирозинкиназные рецепторы (ТКР), обладающие ферментативной (протеинкиназной) активностью. Они состоят из нескольких доменов (структурно-функциональных блоков): внеклеточного (взаимодействующего с лигандом - в данном случае с ростовым фактором), трансмембранного и подмембранного, обладающего тирозинпротеинкиназной активностью. В зависимости от структу­ры ТКР подразделяют на несколько субклассов.
При связывании с ростовыми факторами (например, EGF) молеку­лы рецепторов димеризуются, их внутриклеточные домены сближаются и индуцируют межмолекулярное автофосфорилирование по тирозину. Этоттрансмембранный перенос сигнала - начало волны «возбуждения», распространяющейся затем в виде каскада реакций фосфорилирования внутрь клетки и достигающей в итоге хромосомного аппарата ядра. ТКР обладают тирозинкиназной активностью, но по мере продвижения сигнала внутрь клетки тип фосфорилирования меняется на серин/треониновый.
Ras-белки. Одним из наиболее важных является сигнальный путь с участием Ras белков (это подсемейство так называемых G-белков, обра­зующих комплексы с гуаниловыми нуклеотидами; Ras-GTP - активная форма, Ras-GDP - неактивная). Этот путь - один из основных в регуля­ции клеточного деления у высших эукариот - настолько консервативен, что его компоненты способны заменить соответствующие гомологи в клет­ках дрозофилы, дрожжей и нематод. Он опосредует многочисленные сиг­налы, исходящие из окружающей среды, и функционирует, по-видимо­му, в каждой клетке организма. Ras играет роль своеобразного турникета, через который должен пройти почти любой из поступающих в клетку сиг­налов. Критическая роль этого белка в регуляции клеточного деления из­вестна с середины 80-х годов, когда активированная форма соответству­ющего гена (онкоген Ras) была обнаружена во многих опухолях человека. Активация онкогена (онкогены - гены, вызывающие нерегулируемое клеточное деление) - одно из главных событий канцерогенеза. Это такое повреждение нормального, участвующего в регуляции клеточного размно­жения гена (протоонкогена - нормального клеточного гена, способного при нарушении структуры индуцировать опухолевый рост), которое де­лает его перманентно работающим (активным) и, тем самым, индуциру­ющим столь же непрерывное (нерегулируемое) клеточное деление. Поскольку в регуляции клеточного размножения принимает участие мно­жество клеточных генов (протоонкогенов), повреждение которых потенциально способно вызывать опухолевый рост, то соответственно существует и множество (несколько десятков, а возможно и сотен) онко­генов.
В конкретной ситуации Ras-опосредованного сигнального пути (на­пример, при взаимодействии EGF с рецептором) димеризация последнего приводит к автофосфорилированию одного из остатков тирозина в его подмембранном домене. В результате этого становится возможной са­мосборка («рекрутирование» в комплекс) ряда белков, расположенных ниже в сигнальном пути (адаптерный белок Grb2, белок Sos1). Этот муль­тибелковый комплекс локализован в плазматической мембране.
МАР-киназный каскад. МАР-киназы (mitogen activated protein kinases) - серин/треониновые протеинкиназы, активируемые в резуль­тате митогенной стимуляции клетки. Киназный каскад возникает как следствие последовательной активации одного фермента другим, стоящим «выше» в сигнальном пути. Как следствие стимуляции белка Ras и фор­мирования подмембранного комплекса повышается активность двух ци­топлазматических серин/треониновых МАР-киназ (известных так же как ERK1 и ERK2, extracellular signal-regulated protein kinases 1 and 2), кото­рые перемещаются из цитоплазмы в ядро клетки, где фосфорилируют ключевые факторы транскрипции - белки-регуляторы активности различных генов.
Активация транскрипции. Группа генов, определяющих вхождение клетки в фазу S, активируется транскрипционным фактором АР-1 - ком­плексом белков Jun и Fos (гены, их кодирующие - c-Jun и c-Fos, относятся к числу протоонкогенов; с - от cell, обозначает их клеточное про­исхождение в отличие от вирусных онкогенов v-Jun и v-Fos). Эти транскрипционные факторы могут взаимодействовать между собой с образованием множества гомо- и гетеродимеров, связывающихся с опре­деленными участками ДНК и стимулирующих синтез РНК на прилежащих к этим участкам генах. МАР-киназы повышают активность АР-1 двояким образом:
опосредованным, активируя гены, кодирующие эти транскрипцион­ные факторы, и увеличивая тем самым их содержание в клетке;
прямым, фосфорилируя входящие в их состав сериновые и треониновые остатки.
В результате активации генов продуцируются белки, необходимые для синтеза ДНК и последующего митоза. Некоторые из новообразованных белков (Fos, Jun, Мус), известные как белки раннего ответа (immediateearly proteins), выполняют регуляторные функции; связываясь со специ­фическими участками ДНК, они активируют прилежащие гены. Другую группу составляют такие ферменты, как тимидинкиназа, рибонуклеотидредуктаза, дигидрофолатредуктаза, тимидилат-синтаза, орнитиндекарбоксилаза, ДНК-полимеразы, топоизомеразы и ферменты, которые имеют непосредственное отношение к синтезу ДНК. Кроме того, усили­вается общий белковый синтез, поскольку при каждом цикле удвоения воспроизводятся все клеточные структуры.
Реализация митогенного сигнала. Результатом переноса мито­генного сигнала является реализация сложной программы клеточного деления.
Клеточный цикл. Клетки могут находиться в одном из трех состоя­ний - в цикле деления, в стадии покоя с сохранением возможности воз­врата в цикл и, наконец, в стадии терминальной дифференцировки, при которой способность к делению полностью утрачена. Образовывать опу­холи могут только те клетки, которые сохранили способность к делению.
Цикл удвоения разных клеток человека варьирует от 18 ч (клетки ко­стного мозга) до 450 ч (клетки крипт толстой кишки), в среднем - 24 ч. Митоз (М) и синтез ДНК (фаза S), между которыми выделяют 2 промежу­точных (gap) периода - G1 и G2, наиболее заметны; во время интерфазы (период между двумя делениями) клетка растет и готовится к митозу. В период фазы G1 существует момент (так называемая точка рестрикции R), когда осуществляется выбор между вхождением в следующий цикл деления или переходом в стадию покоя G0. Вхождение клетки в цикл де­ления - процесс вероятностный, определяемый сочетанием ряда усло­вий (внутренних и внешних); однако после того, как выбор сделан, по­следующие этапы совершаются автоматически. Хотя клетка может блокироваться на той или иной стадии цикла деления, обычно это может быть следствием каких-то особых обстоятельств.
Особенно важными в цикле являются моменты вхождения клетки в фазу синтеза ДНК (граница фаз G/S) и митоз (граница фаз G2/M), где действуют своеобразные «контрольно-пропускные пункты» (checkpoints), которые проверяют в первом случае целость ДНК (ее готовность к репли­кации), а во втором - завершенность репликации. Клетки с поврежден­ной или недореплицированной ДНК блокируются на границе соответству­ющих фаз, что предотвращает возможность передачи потомству дефектов ее структуры в виде мутаций, делеций и иных нарушений. Некая система надзора, по-видимому, существующая в клетке, индуцирует систему ре­парации ДНК, после завершения которой продвижение клетки по циклу может быть продолжено. Альтернативой репарации является апоптоз, радикальным образом устраняющий опасность возникновения в организ­ме клона дефектных (потенциально опухолевых) клеток. Конкретный вы­бор зависит от множества условий, в том числе от индивидуальных осо­бенностей клетки.
Процесс репликации ДНК сложен и длителен (занимает несколько часов), поскольку весь генетический материал клетки должен быть воспроизведен абсолютно точно. При возникновении в нем каких-либо от­клонений клетка блокируется на подходе к митозу (на границе фаз G2/M) и также может подвергнуться апоптозу. Защитное значение checkpoints трудно переоценить, поскольку их функциональные дефекты в конечном итоге имеют следствием и опухолевую трансформацию клетки и прогрес­сию уже сформировавшейся опухоли.
Циклические реакции. Существуют два семейства белков, «движу­щих» клеточный цикл - циклин(сусНп)-зависимые серин/треониновые протеинкиназы (Cdk, cyclin-dependent kinases) и сами циклины. Циклины регулируют активность Cdk и тем самым их способность модифициро­вать структуры-мишени, непосредственно участвующие в метаморфозах цикла. С их участием осуществляются такие важные этапы цикла, как дезинтеграция ядерной мембраны, конденсация хроматина, формирование веретена и ряд других. Cdk активны только в комплексе с одним из циклинов. В связи с этим сборка и активация многочисленных комплексов Cdkcyclin, а также их диссоциация - ключевые моменты клеточного цикла.
Как следует из их названия, циклины синтезируются и распадаются в строго определенные моменты цикла, различные для разных циклинов. Имеется три основных их класса: йЛциклины, необходимые для прохож­дения GyS, S-циклины - для прохождения S-фазы и G2 (или митотичес­кие) - циклины для вхождения в митоз. В клетках млекопитающих име­ется также несколько семейств Cdk, участвующих в разных регуляторных влияниях. Удаление того или иного циклина из внутриклеточной среды строго в определенный момент столь же важно, как и его появление (уст­ранение циклинов из внутриклеточной среды достигается как их дегра­дацией, так и блоком синтеза), например в митозе (на границе мета- и анафазы) в результате протеолиза один из циклинов быстро деградиру­ет; если же этого не происходит, то митоз не может завершиться и разде­ления дочерних клеток не происходит.
Продвижение в фазе S требует активации киназ Cdk2, Cdk4 и Cdk6, которые взаимодействуют с вЛфазными циклинами (в частности, с cyclin D). Комплекс Cdc2 с первым йЛфазным циклином индуцируеттранскрипцию гена следующего циклина и т.д., продвигая клетки все дальше по цик­лу. Cdc2-cyclin D в самом начале замещается на Cdc2-cyclin Е, а тот в свою очередь - на Cdc2-cyclin А, активирующий аппарат синтеза ДНК. Когда клетка входит в S-фазу, йЛциклины деградируют и появляются вновь лишь в фазе G1 следующего цикла.
Контрольно-пропускные пункты (checkpoints - англ.). Любое стрессорное воздействие (например, отсутствие питательных веществ, гипоксия, особенно повреждение ДНК) блокирует движение’по циклу в одном из двух упомянутых выше контрольных пунктов (checkpoints). Во время этих остановок активируются механизмы надзора, способные:
обнаружить повреждение ДНК;
передать сигнал неблагополучия, блокирующий синтез ДНК или
митоз;
активировать механизмы репарации ДНК.
Благодаря этому обеспечивается стабильность генома. Как упоминалось выше, механизм контроля G/S блокирует репликацию ДНК и ак­тивирует процессы репарации (или индуцирует апоптоз), тогда как меха­низм контроля G2/M запрещает митоз до завершения репликации Дефекты этих механизмов могут привести к появлению дочерних клеток с поврежденным геномом.
В механизме checkpoint участвуют комплексы Cdk-cyclin и ряд допол­нительных белков - Rb, р53 и другие. Их совокупность образует систему «тормозов», не позволяющих клетке делиться в отсутствие адекватных стимулов. Гены, кодирующие эти белки, называют генами-супрессора­ми. Особая значимость этой системы заключается в том, что раковая трансформация клетки становится возможной лишь после ее инактива­ции. В соматической клетке существуют по два аллеля каждого из генов, втом числе и генов-супрессоров, и, следовательно, для их инактивации необходимы два независимых события (например, делеция одного алле­ля и мутация другого). Именно по этой причине «спорадические» опухоли появляются относительно редко (вероятность возникновения в одной клетке нескольких независимых мутаций, причем поражающих один и тот же локус обеих хромосом, относительно невелика), а «семейные» чрез­вычайно часты (в «раковых» семействах один из двух наследуемых алле­лей того или иного гена-супрессора исходно дефектен). В последнем слу­чае система «тормозов» у всех клеток данного организма обеспечивается лишь одним нормальным аллелем, что резко снижает ее надежность и повышает риск возникновения опухоли. Именно это и происходит при наследственной ретинобластоме (делеция одного аллеля Rb) и других наследственных синдромах (делеция или повреждение одного аллеля р53 или других генов-супрессоров).
У клеток с дефектным или отсутствующим белком-супрессором р53 контрольный пункт GyS неполноценен. Это проявляется в том, что повреж­дения ДНК, индуцированные ионизирующей радиацией или каким-либо другим способом, не приводят ни к задержке клеток на границе фаз G 1/S, ни капоптозу. В результате в популяции накапливаются клетки с мно­жественными нарушениями структуры ДНК; появляется и со временем нарастает нестабильность генома, которая способствует возникновению новых клеточных клонов. Их естественный отбор лежит в основе опухоле­вой прогрессии - постоянного «дрейфа» опухоли ко все большей авто­номности и злокачественности.
Апоптоз (или программируемая клеточная гибель) - широко распространенный биологический феномен клеточного «самоубийства», ко­торое индуцируется либо разнообразными внешними стимулами, либо неразрешимыми «внутренними» конфликтами (например, невозможностью репарации повреждений ДНК). Роль апоптоза велика не только в фор­мообразовательных процессах во время эмбриогенеза (формирование органов, замена одних тканей другими, резорбция временных органов и т.д.), но и в поддержании тканевого гомеостаза во взрослом организме.
В регуляции тканевого гомеостаза гибель клетки выполняет функцию, комплементарную митозу. У опухолевых клеток программа гибели клеток в большинстве случаев блокирована, что вносит существенный вклад в увеличение массы опухоли.
Механизмы апоптоза. Принципиальное значение имеет тот факт, что механизмы апоптоза чрезвычайно консервативны и сохраняют свои основные закономерности у весьма далеких в эволюционном отношении организмов. Это обстоятельство позволило идентифицировать у млекопитающих (в частности у человека) гены, гомологичные генам апоптоза у нематоды, - организма, у которого впервые была обнаружена и изучена генетическая система, управляющая этим процессом.
В результате у млекопитающих были идентифицированы гены семейства Вс1 -2. Роль самого Вс1-2 и некоторых его гомологов - антиапоптическая (предотвращение гибели клеток), тогда как у других членов се­мейства, например Вах, - проапоптическая. Белки Вах и Вс1-2 способны к комплексообразованию друг с другом. В зависимости от относительно­го внутриклеточного содержания про- и антиапоптических белков реша­ется судьба данной клетки. Механизм действия белков семейства Вс1-2 не до конца ясен.
Большое функциональное значение имеет механизм апоптоза, индуцируемого через специфические рецепторы CD95 (трансмембранный белок-рецептор размером 45 кДа, который при связывании со специфическим лигандом или антителами передает сигнал к апоптозу) и TNF-R (tumor necrosis factor receptor, рецептор фактора некроза опухолей). Эти рецепторы, объединяемые сходством внеклеточных доменов, входят в состав большого семейства. Лигандами (молекулами, специфически вза­имодействующими с рецепторами TNF-R и CD95) являются соответствен­но TNF и CD95-L, которые представляют собой трансмембранные белки, но могут функционировать и в растворимой, «свободной» форме. Осо­бенно интересен, с онкологической точки зрения, TNF - цитокин, произ­водимый многими клетками (макрофагами, моноцитами, лимфоидными клетками, фибробластами) в ответ на воспаление, инфекцию и другие стрессорные воздействия. Он индуцирует широкий спектр иногда проти­воположных по направленности реакций, включая лихорадку, шок, некроз опухоли, анорексию; а также иммунорегуляторные сдвиги, клеточное раз­множение, дифференцировку и апоптоз. В этом случае апоптоз осуще­ствляется с участием специфической цистеиновой протеазы ICE, разру­шающей многие внутриклеточные белки-мишени. Гиперэкспрессия ICE в клетке вызывает апоптоз. size=5 face="Times New Roman">

Клеточная пролиферация - увеличение числа клеток путем митоза,

приводящее к росту ткани, в отличие от другого способа увеличения ее

массы (например, отек). У нервных клеток пролиферация отсутствует.

Во взрослом организме продолжаются процессы развития, связанные

с делением и специализацией клеток. Эти процессы могут быть как нор-

мальными физиологическими, так и направленными на восстановление ор-

ганизма вследствие нарушения его целостности.

Значение пролиферации в медицине определяется способностью кле-

ток разных тканей к делению. С делением клеток связан процесс заживле-

ния ран и восстановление тканей после хирургических операций.

Пролиферация клеток лежит в основе регенерации (восстановления)

утраченных частей. Проблема регенерации представляет интерес для ме-

дицины, для восстановительной хирургии. Различают физиологическую,

репаративную и патологическую регенерацию.

Физиологическая - естественное восстановление клеток и тканей в

онтогенезе. Например, смена эритроцитов, клеток кожного эпителия.

Репаративная - восстановление после повреждения или гибели кле-

ток и тканей.

Патологическая - разрастание тканей не идентичных здоровым тка-

ням. Например, разрастание рубцовой ткани на месте ожога, хряща – на

месте перелома, размножение клеток соединительной ткани на месте мы-

шечной ткани сердца, раковая опухоль.

В последнее время принято разделять клетки тканей животных по спо-

собности к делению на 3 группы: лабильные, стабильные и статические.

К лабильным относятся клетки, которые быстро и легко обновляются

в процессе жизнедеятельности организма (клетки крови, эпителия, слизи-

стой ЖКТ, эпидермиса и др.).

К стабильным относятся клетки таких органов как печень, поджелу-

дочная железа, слюнные железы и др., которые обнаруживают ограничен-

ную способность к делению.

К статическим относятся клетки миокарда и нервной ткани, кото-

рые, как считает большинство исследователей, не делятся.

Изучение физиологии клетки имеет важное значение для понимания он-

тогенетического уровня организации живого и механизмов саморегуляции

клетки, обеспечивающих целостное функционирование всего организма.

Глава 6

ГЕНЕТИКА КАК НАУКА. ЗАКОНОМЕРНОСТИ

НАСЛЕДОВАНИЯ ПРИЗНАКОВ

6.1 Предмет, задачи и методы генетики

Наследственность и изменчивость являются фундаментальными свой-

ствами живого, т. к. характерны для живых существ любого уровня орга-

низации. Наука, изучающая закономерности наследственности и изменчи-

вости, называется генетикой.

Генетика как наука изучает наследственность и наследственную из-

менчивость, а именно, она имеет дело со следующими проблемами :

1) хранение генетической информации;

2) передача генетической информации;

3) реализация генетической информации (использование ее в конкрет-

ных признаках развивающегося организма под влиянием внешней среды);

4) изменение генетической информации (типы и причины изменений,

механизмы).

Первый этап развития генетики - 1900–1912 гг. С 1900 г. - переот-

крытие законов Г. Менделя учеными Х. Де Фризом, К. Корренсом, Э. Чер-

маком. Признание законов Г. Менделя.

Второй этап 1912–1925 гг. - создание хромосомной теории Т. Мор-

гана. Третий этап 1925–1940 гг. - открытие искусственного мутагенеза и

генетических процессов эволюции.

Четвертый этап 1940–1953 гг. - исследования по генному контролю

физиологических и биохимических процессов.

Пятый этап с 1953 г. и по настоящее время - развитие молекулярной

биологии.

Отдельные сведения по наследованию признаков были известны

очень давно, однако научные основы передачи признаков впервые были

изложены Г. Менделем в 1865 г. в работе: «Опыты над растительными

гибридами». Это были передовые мысли, но современники не придали

значение его открытию. Понятия «ген» в то время еще не было и Г. Мен-

дель говорил о «наследственных задатках», содержащихся в половых клет-

ках, но их природа была неизвестна.

В 1900 г. независимо друг от друга Х. Де Фриз, Э. Чермак и К. Кор-

ренс заново открыли законы Г. Менделя. Этот год и считается годом рож-

дения генетики как науки. В 1902 г. Т. Бовери, Э. Вильсон и Д. Сеттон сде-

лали предположение о связи наследственных факторов с хромосомами.

В 1906 г. У. Бетсон ввел термин «генетика», а в 1909 г. В. Иогансен -

«ген». В 1911 г. Т. Морган и сотрудники сформулировали основные поло-

жения хромосомной теории наследственности. Они доказали, что гены

расположены в определенных локусах хромосом в линейном порядке, по-

ние определенного признака.

Основные методы генетики: гибридологический, цитологический и

математический. Генетика активно использует и методы других смежных

наук: химии, биохимии, иммунологии, физики, микробиологии и др.

Опухолевый рост является следствием нарушения тканевого гомеостаза, поддерживаемого балансом клеточной пролиферации и гибели (апоптоза). Увеличение клеточной массы опухоли может быть обусловлено как усилением пролиферации, так и угнетением апоптоза. Вероятность «сбоев» в механизмах поддержания этого гомеостаза вполне реальна в условиях канцерогенного воздействия факторов внешней среды.

Наследуемые нарушения механизмов тканевого гомеостаза обусловлены теми или иными повреждениями структуры ДНК.

Нормальная делящаяся клетка с поврежденной ДНК либо прекращает деление до полной репарации повреждений, либо самоуничтожается (апоптоз). Последний вариант предпочтительней, поскольку потеря клетки может не иметь никаких последствий. Сохранение такой клетки таит для организма смертельную угрозу возникновения клона дефектных (потенциально опухолевых) клеток. Опухолевый рост возможен лишь тогда, когда дефектные клетки способны «проскальзывать» через защитный барьер апоптоза.

Ниже приведено краткое описание нарушений, обусловливающих трансформацию нормальных клеток в злокачественные.

В организме существуют два типа физиологической регуляции клеточного размножения - эндокринная и паракринная (рис. 12.1). Регуляторные молекулы секретируются клеткой и действуют вовне (через кровоток, на соседние клетки или себя). Утолщенные полукружия, изображенные на поверхности клеточной мембраны, - рецепторные участки.

Эндокринная регуляция.

Она осуществляется железами внутренней секреции (гипофиз, надпочечники, щитовидная, околощитовидная, поджелудочная и половые железы). Они секретируют продукты своей активности в кровь и оказывают генерализованное воздействие на весь организм.

Паракринная регуляция.

В отличие от эндокринной паракринная регуляция заключается в том, что секретаруемые клетками активные вещества распространяются за счет диффузии и действуют на соседние клетки-мишени. Так действуют, например, митогенные стимуляторы (полипептидные ростовые факторы) - эпидермальный фактор роста, фактор роста тромбоцитов, интерлейкин-2 (фактор роста Т-клеток), фактор роста нервов и т.д.

Рис. 12.1. Схема эндокринной (а), паракринной (б) и аутокринной (в) регуляции

Аутокринная регуляция.

Она отличается от паракринной регуляции тем, что одна и та же клетка является источником ростового фактора и его мишенью. В результате может возникать феномен непрекращающегося, самоподдерживающегося митогенного «возбуждения» клетки, приводящего к нерегулируемому размножению. Клетка не нуждается во внешних митогенных стимулах и становится полностью автономной. С помощью аутокринной регуляции можно объяснить механизмы канцерогенеза. Для этого вначале разъясним понятие, называемое митогенной «рефлекторной дугой».

Рис. 12.2. «Рефлекторная дуга» митогенного сигнала

В регуляции сложных систем, как бы различны они не были, обнаруживаются общие черты. Между рефлекторной активностью организма и митотической активностью клетки есть принципиальное сходство (рис. 12.2).

Суть заключается в том, что на периферии системы (организм, клетка) существуют различные специализированные рецепторы (глаз, ух о, тактильные и обонятельные - в первом случае; рецепторы ростовых факторов - во втором); воспринимаемые ими внешние сигналы передаются внутрь системы (в виде импульсов по чувствительным нервам или в виде каскадов реакций фосфорилирования); затем происходит обработка сигнала в центре (центральной нервной системе пли в клеточном ядре) и информация центробежно (в виде импульсов по двигательным нервам или с помощью молекул мРНК) поступает к исполнительным органам и индуцирует их активность (двигательную, секреторную - в первом случае и митотическую - во втором).

Перенос митогенного сигнала от периферии клетки к ее ядру осуществляется в виде каскада реакций фосфорилирования посредством протеин-киназ (ферментов, фосфорилирующих белки). Существует три типа протеинкиназ (тирозиновые, сери новые и треониновые) по их способности фосфорилировать определенные аминокислоты. Фосфатные группы играют роль молекулярных переключателей: меняя конформацию определенных белковых структур (доменов), они могут «включать» или «выключать» их активность (имеются в виду ферментативная активность, ДНК-связывающая способность и способность образовывать белок-белковые комплексы).

Центростремительная волна митогенной импульсации в максимально упрощенном виде сводится к передаче фосфатной группы наподобие эстафетной палочки от одной протеин-киназы к другой. В конечном итоге она достигает ядерных регуляторных белков, активирует их посредством фосфорилирования и тем самым индуцирует перепрограммирование генома. Необходимо отметить, что активность протеинкиназ практически на любом этапе переноса митогенного сигнала уравновешивается активностью противодействующих им ферментов --дефосфорилирующих белки фосфатаз. Баланс позитивных и негативных эффектов - фундаментальное свойство регуляции клеточного деления, проявляемое на любом его уровне.

Противоположно направленный (центробежный, из ядра в цитоплазму) поток информации в виде молекул мРНК обусловливает специфическую реакцию клетки на митогенный сигнал - синтезируется множество новых белков, выполняющих структурные, ферментативные и регуляторные функции.

В структуре многих сигнальных белков существуют своеобразные «стыковочные узлы» разных типов, предназначенные для белок-белковых взаимодействий. Поскольку одна молекула может обладать несколькими такими участками, то существует возможность самосборки очень сложных многокомпонентных конструкций, необходимых для переноса сигнала и для регуляции транскрипции. Присоединение к конструкции новых элементов иногда обозначают термином «рекрутирование». Одни и те же структурные блоки могут формировать существенно разные конструкции, что наделяет систему функциональной гибкостью и свойством взаимозаменяемости отдельных ее элементов.

Нерегулируемое размножение трансформированной клетки можно представить, если продолжить аналогию с рефлекторной дугой, как следствие возникновения очага «застойного» возбуждения в том или ином звене пути переноса митогенного сигнала. Повреждение гена и, как следствие, структурный дефект какого-либо из сигнальных белков, способный зафиксировать его в постоянно активном состоянии (т.е. сделать независимым от «вышестоящих» регуляторных инстанций), - один из главных механизмов канцерогенеза.

Нормальные гены, участвующие в переносе митогенного сигнала и потенциально способные на такое превращение, называются протоонкогенами.

Баланс позитивных и негативных факторов, как уже отмечалось выше, - фундаментальное свойство любой сложной регуляторной системы, в том числе и управляющей клеточным делением. Протоонкогены - элементы позитивной регуляции; они являются акселераторами клеточного деления и в случае превращения в онкогены проявляют себя как доминантный признак.

Вместе с тем в давних опытах по образованию гетерокарионов (продуктов слияния клеток в культуре) установлено, что свойство туморогенности (способности образовывать опухоли при перевивке животным) ведет себя как признак рецессивный - гетерокарионы. образованные слиянием нормальных и трансформированных (опухолевых) клеток, ведут себя как нормальные. Таким образом, в нормальных клетках явно присутствуют факторы, тормозящие клеточное деление и способные при внесении в опухолевую клетку нормализовать ее. Многие из этих белковых факторов идентифицированы; кодирующие их гены получили название генов-супрессоров.

Рис. 12.3. Схема клеточного цикла (пояснения в тексте)

Итак, полная трансформация клетки является следствием нескольких генетических событий - активации онкогена(ов) и инактивации гена(ов), осуществляющих супрессорные функции.

В основе канцерогенеза лежит нарушение цикла деления. Клетки организма находятся в одном из трех возможных состояний (рис. 12.3):

1. в цикле;
2. в стадии покоя с сохранением возможности вернуться в цикл;
3. в стадии окончательной дифференцировки, при которой способность делиться полностью утрачена (таковы, например, нейроны головного мозга). Образовывать опухоли могут, естественно, только клетки, способные делиться.

Цикл удвоения разных клеток человека существенно варьирует: от 18 ч у клеток костного мозга до 50 ч у клеток крипт толстой кишки. Основными его периодами являются митоз (М) и синтез ДНК (фаза S), между которыми выделяют два промежуточных периода - G, и G 2 . Вовремя интерфазы (период между двумя делениями) клетка растет и готовится к митозу.

На протяжении фазы G 1 существует ответственный момент (так называемая точка рестрикции R), когда решается, войдет ли клетка в следующий цикл деления или предпочтет стадию покоя G 0 , в которой она может находиться неопределенно долго. Как уже упоминалось, окончательно дифференцированные клетки постоянно находятся в стадии покоя, тогда как сохранившие способность к делению могут вернуться в цикл при соответствующей стимуляции внешними факторами, причем последующие этапы совершаются автоматически.

В отличие от «асоциальной» опухолевой клетки нормальная клетка подчиняется исходящим из организма сигналам (митогенный стимул). Если в определенный момент у нормальной клетки есть необходимые условия (достаточная масса и содержание белков, концентрация кальция, обеспеченность питательными веществами) и она к тому же получает митогенный стимул, то она вступает в очередной цикл деления. В отсутствие внешнего сигнала нормальная клетка выходит из цикла и в этом заключается ее коренное отличие от клетки опухолевой, которая побуждается к делению эндогенными стимулами.

При делении клетки есть два критически важных момента: фаза синтеза ДНК и вхождение в митоз, когда действуют своеобразные «контрольно-пропускные пункты» (checkpoints ). В этих «пунктах» проверяется готовность к удвоению (репликации) ДНК (в первом случае) и завершенность репликации (во втором случае). Если в клетке ДНК повреждена, то ее удвоение блокируется перед началом деления. Следовательно, блокируется этап, способный закрепить повреждения ДНК и передать их потомству. Аналогичная цель достигается апоптозом, причем какой путь выберет клетка (блокировку деления или апоптоз) зависит от многих условий.

Процесс репликации ДНК продолжается несколько часов. За это время весь генетический материал должен быть воспроизведен абсолютно точно. В случае каких-либо отклонений продвижение клетки в цикле блокируется или она может подвергнуться апоптозу. Если же дефектны сами «контрольно-пропускные пункты», то дефекты генома не устраняются, передаются потомству и возникает опасность злокачественной трансформации клетки.

Как говорилось ранее, для деления клетки необходим митогенный сигнал, перенос которого - процесс многоэтапный.

В зависимости от типа клетки и конкретного митогенного стимула реализуется один из множества сигнальных путей. Например, ростовые факторы действуют путем, опосредованным тирозинпротеинкиназными рецепторами и MAP (mitogen activated protein) - киназным каскадом, т.е. каскадом реакций фосфорирования, возникающим как следствие митогенной активации клетки.

Ростовые факторы (регуляторы пролиферации).

Ростовые факторы секретируются одними клетками и действуют паракринным образом на других. Это небольшие белки; полипептидная цепь EGF (epidermal growth factor) состоит, например, из 53 аминокислот. Существует несколько семейств ростовых факторов, члены каждого из которых объединены структурной гомологией и функциональным сходством. Одни из них стимулируют пролиферацию (например, EGF и PDGF - platelet-derived growth factor, тромбоцитарный фактор роста), а другие (TGF-p, TNF, интерфероны) - подавляют ее.

Рецепторы к ростовым факторам.

Рецепторы расположены на клеточной поверхности. Каждая клетка обладает своим особым набором рецепторов и соответственно - набором ответных реакций. Тирозинкиназные рецепторы состоят из нескольких доменов: внеклеточного (взаимодействующего с лигандом), трансмембранного и подмембранного, обладающего тирозин-протеинкиназной активностью.

При связывании с ростовыми факторами (например EGF) молекулы рецепторов инициируют реакции, вследствие чего возникает трансмембранный перенос сигнала - зарождение той волны «возбуждения», которая распространяется затем в виде каскада реакций фосфорилирования внутрь клетки и благодаря которой митогенный стимул достигает в конце концов генетического аппарата ядра.

Ras-белки..

Одним из наиболее важных является сигнальный путь с участием Ras-белков (это подсемейство так называемых G-белков, образующих комплексы с гуаниловыми нуклеотидами; Ras-GTP - активная форма, Ras-GDP - неактивная). Этот путь один из основных в регуляции клеточного деления у высших эукариот - настолько консервативен, что его компоненты способны заменить соответствующие гомологи в клетках дрозофилы, дрожжей и нематод. Он опосредует разнообразные сигналы, исходящие из внешней среды, и функционирует, по всей вероятности, в каждой клетке организма. Ras-белки играют роль своеобразного турникета, через который должен пройти почти любой из поступающих в клетку сигналов. Критическая роль этого белка в регуляции клеточного деления известна с середины 80-х г. XX в., когда активированная форма соответствующего гена (онкоген Ras) была обнаружена во многих опухолях человека.

Ras-опосредованный сигнальный путь контролирует так называемый МАР-киназный каскад. Активность ферментов, участвующих в киназных каскадах, уравновешивается активностью противодействующих им и находящихся под столь же строгим контролем фосфатаз. Результатом активации МАР-киназ является индукция ряда факторов транскрипции и, как следствие, стимуляция активности ряда генов.

Таким образом, если в нормальной клетке активная конформация сигнального белка формируется лишь под воздействием внешнего стимула и имеет транзиторный характер, то в клетке трансформированной (и ее клонах) она закреплена постоянно.