Одноклеточные альтруїсти

Одноклеточные альтруїсти

А.В.Гордеева, Ю. А. Лабас.

Альтруизм (від латів. аlter — інший) — моральний принцип, що полягає в безкорисливому служінні іншим, з готовністю жертвувати їхнього блага особистими інтересами. Таке визначення альтруїзму дав французький філософ Огюст Конт. «Vivre pour altrui» (жити іншому) має російський аналог: «Сам гинь, а товариша виручай».

Альтруистическое поведінка властиво як людям, а й вищим тваринам. Зазвичай тварини виявляють альтруїзм, попереджаючи побратимів про небезпечність. Особина, що подала сигнал втекти, часто привертає до собі увагу хижака і невдовзі стає його жертвою.

Оказалось, що альтруїсти зустрічаються всіх рівнях організації живої матерії, починаючи з клітинного. Заради блага організму гинуть як окремі клітини, а й цілі органи. Цей процес відбувається бачимо щоразу, коли спостерігаємо перетворення на жабеняти, ловимо ящірок чи гуляємо по осіннього лісі. Альтруїзм притаманний, наприклад, клітинам яблучною плодоножки. Адже аби всі яблука залишалися на гілках, хоч як розмножувалися? Запрограмована смерть клітин отримав назву «апоптоз», що у перекладі із грецької означає «листопад».

В останні роки з’ясувалося, що здійснюють самогубство і одноклітинні організми. Які вони механізми та призначення цього процесу? Як клітини «навчилися» організовано гинути «за командою» і з якої саме? Цим питань, і присвячена наша стаття. Але спочатку розглянемо, навіщо, чому та яким чином роблять самогубства клітини багатоклітинних.

Зачем і чому

Для чого многоклеточному організму може знадобитися загибель окремих його клітин? Приклади її використання в інтересах цілого організму ми сьогодні вже наводили, коли згадали осінніх листі і яблуках, про хвостах пуголовків і ящірок. Білі кров’яні клітини — макрофаги — заковтують хвороботворних бактерій і, роблячи самогубство, вбивають разом з собою. Освіта пальців у ембріона відбувається тому лише, що гинуть клітини в межпальцевых перегородках. Коли клітини сполучної тканини починають перетворюватися на ракові, здорові сусідні клітини примусово відправляють в апоптоз.

Разумеется, який завжди запрограмована смерть клітин приносить явну користь. У окремих випадках, як-от масова загибель ще сформованих яйцеклітин в яєчниках ембріонів, її призначення незрозуміло. Апоптоз клітин мозку при хвороби Альцгеймера (старечому слабоумстві) йде на явну шкоду організму. Однак у переважній більшості випадків апоптоз відповідальна за формообразовательные процеси, за звільнення від клітин із зміненим генетичним матеріалом чи заражених. Отже, для нормальної життєдіяльності він справді необхідний.

Как відрізнити клетку-самоубийцу? Такі клітини відокремлюються від внеклеточного матриксу, їх мембрани зморщуються, ядра стискуються, молекули ДНК рвуться на дрібні осколки і через це утворюються звані апоптозные тільця — мембранні бульбашки з клітинним вмістом. Беручи фатальний рішення, клітина завчасно сама готує себе на поховання: викликає «ритуальних агентів», роль яких виконують макрофаги чи сусідні клітини. Одне з ліпідів внутрішнього шару клітинної мембрани, фосфатидилсерин, переходить в зовнішній шар. Макрофаги постійно виділяють особливий гликопротеин MFG-E8 (milk fat globule-EGF-factor 8 — чинник зростання епідермальних клеток-8 з жирових глобул молока), який специфічно пов’язують із фосфатидилсерином лежить на поверхні клітин, які впадають у апоптоз. Які Утворюються комплекси фосфатидилсерина з MFG-E8 і служать тими знаками, по яким дізнаються майбутніх самовбивць. Макрофаги збігаються до таких клітинам і швидко поглинають які утворилися апоптозные тільця.

.

Схема, иллюстрирующая морфологічні зміни клітини за апоптозе.

Есть і той вид запрограмованої смерті, не так давно не вважався таким, — некроз. При некрозі клітина не съеживается, а, навпаки, набухає; те є і із її органеллами. Це спричиняє порушення цілісності всіх мембранних структури першу чергу лизосом, як наслідок, до автолизу. Вміст клітини разом із активними протеолитическими ферментами виливається в межклеточное простір, пошкоджуючи всі навколо себе. Цей процес відбувається супроводжує запальні захворювання, опікову хворобу і т.д., інакше кажучи, всі випадки, коли згубні стимули занадто сильні у тому, щоб клітина встигла гідним чином підготуватися до смерті. Такий спосіб самогубства навряд можна вважати альтруїстичним, тому не будемо у ньому зупинятися.

Почему ж клітина вирішує померти? По наведених прикладів можна будувати висновки про причинах, які спонукають клітину до самогубства. Вбивають себе або вже хворі клітини, або ті, загибель що у цьому місці тепер вигідна організму. Якщо хвора клітина «гребує» сама здійснювати самогубство, її можуть спонукати до цього сусіди.

Не злічити знарядь самогубства

Клетка дізнається, що має покінчити із собою, отримавши «повідомлення про майбутньої смерті». Роль таких сповіщень виконують спеціальні сигнальні білки, до яких і чинник некрозу пухлин, що виділяється макрофагами. Приймачами сигнальних молекул служать рецепторні білки, розташовані лежить на поверхні клітин та звані «рецепторами смерті». Дія цих сигналів опосередковано особливими протеолитическими ферментами (каспазами) і адаптерными білками, які допомагають їм зв’язатися з рецепторным комплексом.

.

Рецепторный шлях апоптоза.

Сигнальная молекула (1) пов’язують із «рецептором смерті» (2) і далі через адаптерный білок (3) — з прокаспазой-8 (4), після що хоче перетворюється на активний фермент каспазу-8 (5). Вона активує своєю чергою прокаспазу-3 (6), яка, ставши чинним ферментом (7), розщеплює клітинні білки, та клітинка погибает.

У ссавців сімейство каспаз складається з 14 постійно синтезованих білків. Неактивна каспаза, чи прокаспаза, побудована з чотирьох частин: N-концевого домену, великий й малої субодиниць та короткою сполучній області з-поміж них. Щоб прокаспаза перетворилася на активний фермент, єднальна область і N-концевой домен отщепляются, й утворюється гетеродимер з великої й малої субодиниць. Із двох таких димеров і формується активна каспаза. При апоптозе спочатку активуються инициаторные каспазы (-2, -8, -9, -10, -12), та був, зі своїми допомогою, ефекторні (-3, -6, -7). Ці останні розщеплюють опорно-рухові структури клітини, придушують біосинтез білків і призводять на дію эндонуклеазу — фермент, який розщеплює ДНК. Інші каспазы (-1, -4, -5, -11, -13, -14) беруть участь у розвитку запальних процесів, і навіть, поруч із эффекторными каспазами, у формуванні епітеліальних клітин кришталика, кератиноцитів (клітин верхнього шару шкіри) тощо.

После того як сигнальна молекула зв’язалася з «рецептором смерті», з допомогою адаптерного білка до них приєднується прокаспаза-8. Ставши після цього працюючим ферментом, вона активує прокаспазу-3, вартісну на перетині двох шляхів запуску апоптозу — рецепторного і митохондриального. Роль каспазы-3 — розщеплення опорних клітинних структур.

.

Схема будівлі митохондрии.

Митохондрии, ці клітинні органели з подвійним мембраною, мають, як відомо, власним геномом і здатні автономно розмножуватися. Внутрішня мембрана утворює глибокі складки — кристы. У обмеженому нею просторі, митохондриальном матриксе, перебувають ферменти енергетичного метаболізму. Мітохондрії забезпечують всю клітинну життя, оскільки служать енергетичними станціями: тут енергія поживних субстратів запасається у доступній для клітини формі, як аденозинтрифосфата (АТФ). Він синтезується з допомогою енергії, высвобождающейся при перенесення електронів з атомів водню, які утворилися при переробці субстратів, кінцевий акцептор — кисень. Бєлки, які переносять електрони, вмонтовані у внутрішнє мембрану мітохондрій і утворюють электронтранспортную ланцюг (ЭТЦ). Її кінцевий елемент — цитохром с-оксидаза — і передає електрони від цитохрома з на кисень (це клітинне подих).

.

Схема окисного фосфорилювання (зліва), під час якого синтезується АТФ. Високоенергетичні електрони проходять по переносящей їх ланцюга, і частина вивільненої у своїй енергії використовується для відкачування протонів з матриксу. На внутрішньої мембрані виникає електрохімічний протонний градієнт, завдяки чому М+ знову повертаються до матрикс через АТФ-синтетазу. Цей фермент використовує енергію протонного струму для синтезу АТФ з АДФ й неорганічного фосфату (P). На рисунку наведені також схема будівлі АТФ-синтетазы (в середині) і модель дії цього фермента.

Протоны, що залишилися після відриву електронів від атомів водню, з допомогою енергії електронного транспорту виштовхуються з матриксу в межмембранное простір. Квазінаціональне середовище у своїй різницю концентрацій (градієнт) іонів М+ створює мембранний потенціал мітохондрій (Dym), енергія якого і використовується для фосфорилювання аденозиндифосфата (АДФ).

Фермент АТФ-синтетаза, катализирующий освіту АТФ з АДФ й неорганічного фосфату, є вбудоване у внутрішнє мембрану грибоподібне тільце з каналом у центрі. Коли іон М+ проривається цим каналом в матрикс, енергія протонного струму йде синтез АТФ. Інших шляхів повернення матрикс у протона немає, що у нормальний стан внутрішня мембрана непроникна для іонів. Процес синтезу АТФ з допомогою енергії перенесення електронів називається окислительным фосфорилированием.

В матриксе протони поєднано з аналітичними киснем, відновлених під час роботи электронтранспортной ланцюга, й утворюється вода. Але коли він відновлюється не повністю, з’являються активні форми кисню (АФК): супероксидный радикал (О2· -), перекис водню (Н2О2) і гидроксильный радикал (ВІН·). У мітохондріях освіту АФК, цього побічного продукту, посилюється у разі підвищення швидкості потоку електронів, збільшенні концентрації кисню і роз'єднанні подиху і окисного фосфорилювання речовинами, що викликають проникність внутрішньої мембрани.

Органеллы, щоб забезпечити життєдіяльність клітини, забезпечують і його смерть. При сильному стресовому вплив (переохолодженні; нагріванні; стимуляції освіти АФК іншими структурами клітини, крім мітохондрій; перекисном окислюванні ліпідів плазматичної мембрани — найчастіше при опроміненні) в цитоплазмі різко підвищується концентрація іонів кальцію. Якщо кальцієві депо клітини не виходить із його утилізацією, відкривається так звана мітохондріальна час діаметром 2.6−2.9 нм. Це канал, проходить через обидві мітохондріальні мембрани і трійка білків: транслокатора адениновых нуклеотидів, потенциалзависимого анионного каналу (порина) і бензодиазепинового рецептора. Коли це комплекс пов’язують із Са2+, через мембранную пору можуть проходити речовини з низькою молекулярної масою. Це спричиняє падіння мембранного потенціалу набряканню матриксу, цілісність зовнішньої мембрани неминуче порушується, і з межмембранного простору в цитоплазму виходять білки апоптозу. Їх декілька: чинник, индуцирующий апоптоз (APOptosis-inducing factor — AIF), вторинний митохондриальный активатор каспаз (second mitochondria-derived activator of caspases — Smac) і пояснюються деякі прокаспазы. Индуцирующий чинник іде просто у ядро, де викликає деградацію ДНК.

Наряду зі специфічно апоптозными білками, з мітохондрії через відкриту пору виходить цитохром з, що у нормі служить кінцевим ланкою электронтранспортной ланцюга. У цитоплазмі цього білка пов’язують із білком Apaf-1 (APOptotic protease activating factor-1 — активуючий протеазу фактор-1) і формує апоптосомный комплекс. Разом із допомогою Smac і чергового чинника (Omi/HtrA2) активує прокаспазу-9, та, ставши каспазой-9, перетворює дві інші профермента в каспазы-3 і -7; що вже розщеплюють структурні білки, наводячи до появи біохімічних і морфологічних ознак апоптозу. Серед перших можна назвати, зокрема, перехід фосфатидилсерина в зовнішнє мембранний шар і фрагментацію ДНК. З других ознак найбільш характерними є «отшелушивание» клітини від матриксу, морщення мембрани, стиснення ядра процес формування пухирців з клітинним вмістом — апоптозных тілець.

Цитохром з электростатически і гидрофобно пов’язані з внутрішньої мембраною мітохондрій через фосфоліпіди, переважно через кардиолипин. Электростатически взаємодіють між собою позитивно заряджені залишки амінокислоти лізину в цитохроме і негативно заряджені фосфатні групи в кардиолипине. за рахунок гидрофобного взаємодії між вуглецевої ланцюгом цього фосфолипида і гидрофобными ділянками молекули цитохрома ще більше зміцнюється зв’язок ферменту з мітохондріальній мембраною, що забезпечує навіть у його часткове занурення в її шар.

Следовательно, для виходу цитохрома з в цитоплазму самого тріщини мітохондріальній мембрани недостатньо. Электростатически пов’язаний цитохром з може відірватися від кардиолипина, якщо змінюється іонна сила, щільність поверхового заряду чи рН, а пов’язаний гидрофобно — з допомогою окислительной модифікації мітохондріальних ліпідів. Останню реакцію таки викликають активні форми кисню, що неминуче утворюються за будь-яких сильних впливах (стресах), а відкривання пори посилює той процес.

Однако цитохром з який завжди потрібен для запрограмованої смерті. Апоптоз в серцевої тканини, наприклад, взагалі протікає самотужки ферменту, він і виходить із межмембранного простору.

.

Фрагмент схеми апоптозу, викликаного по митохондриальному пути.

Под дією надлишку іонів кальцію митохондрия розбухає, через пору з її виходить цитохром сек. і два білка — AIF і Smac. Перший білок індукує апоптоз, а другий активує деякі прокаспазы.

Цитохром з може вивільнятися у відповідь підвищення концентрації іонів Са2+, яке викликає відкривання пори. Але ферменту «волю» може і залежати від цих іонів, тоді процес контролюють білки сімейства Bcl-2 (B-cell leukaemia-2 — лейкемія В-клеток-2). Саме вони регулюють апоптоз лише на рівні мітохондрій. Дехто з білків цього великої родини (Bcl-2, і навіть Bcl-xL, Bcl-w, Mcl-1, Al і Boo) запобігають апоптоз; інші (Вах, Bad, Bok, Bcl-xS, Bak, Bid, Bik, Bim, Krk, і Mtd) сприяють самогубству. Ось одне приклад роботи білків цього сімейства регуляторів. Цитозольный білок Bid розщеплюється каспазой-8, активируемой через «рецептори смерті», і лизосомными протеазами катепсинами, чий вихід із лизосом стимулює ця сама каспаза. Виниклий активний білок — урізаний Bid (truncated Bid — t-Bid) — змінює конформацию іншого проапоптозного білка, Вах, після чого той вбудовується на зовнішній мембрану мітохондрій, де формує комплекс з порином. Спільно вони выстилают канал, яким з межмембранного простору виходять цитохром сек. і проапоптозные білки. Але тоді як справа втручається Bcl-2, діючий як антиоксидант, вихід цитохрома блокується.

.

Фрагмент схеми апоптозу, викликаного під медичним наглядом білків сімейства Bcl-2, ні з участю p53.

Объяснения в тексте.

В запуску апоптозу, викликаного ушкодженнями ДНК, активацією онкогенів і гіпоксією, бере участь белок-53 (р53), взаємодіючи з Вах, стимулюючи «рецептори смерті» і апоптозные гени. р53 активує модулятор суїциду PUMA (p53 upregulated modulator of APOptosis), і потім пов’язує Bcl-2 і виводить з експлуатації цей що перешкоджає апоптозу білок. Тим самим було вихід цитохрома з з мітохондрій вже не стримується.

Некоторые білки, котрі пов’язують іони кальцію, наприклад ALG-2, кодируемый однойменною геном (APOptosis-linked gene-2), теж беруть участь у запрограмованої смерті. Так, взаємодією ALG-2 й білків Alix (ALG-interacting protein X, відомий і як AIP1) здійснюється регуляція апоптозу. Частина складної молекули ALG-2 є іще одна апоптозный білок кальпоин.

Кальпоины специфічно розщеплюють білки, містять області, звані PAST-мотивами і багаті залишками чотирьох амінокислот — пролина (P), аспарагінової кислоти (A), серина (P.S) і треоніну (T). (Серед цих білків — фермент ДНК-лигаза, яка має такий мотив перебуває у N-концевой області.) З іншого боку, кальпоины звільняють каспазы від що з ними інгібіторів апоптозных білків (inhibitors of APOptosis proteins, IAPs).

Впервые виявлені у вірусів, гомологи IAP пізніше знайшли в усіх эукариот, від дріжджів до ссавців. У останніх відкриті 8 представників цього сімейства інгібіторів, і має від однієї близько трьох 70-аминокислотных ділянок, званих BIR-доменами (baculoviruses inhibitor of APOptosis repeat domains — повторювані домени бакуловирусного інгібітору апоптозу). Кодируемый Х-хромосомой IAP (XIAP) і клітинні інгібітори апоптозных білків (cellular inhibitors of APOptosis protein; cIAP1, 2) містять по три N-концевых BIR-домена і С-концевой RING-домен, кодируемый геном ring (really interesting new gene — насправді цікавий новий ген). Ці білки інгібірують каспазы-3, -7, -9: BIR-домены цілеспрямовано пов’язуються з ними, блокуючи їх активні центри; RING-домен забезпечує деградацію каспаз, пришиває до них «чорну мітку» — 76-аминокислотный білок убиквитин. Присоединившие його білки піддаються розщеплення протеасомой *.

* Про це специфічному шляху деградації білків див.: Абрамова Е. Б., Карпов В. Л. Протеасома: руйнація в ім'я творення // Природа. 2003. № 7. С.36−45.

Есть і той ендогенний інгібітор каспаз — FLIP (FLICE-inhibitory protein). Він взаємодіє зі посібниками суїциду — сигнальними комплексами, блокуючи активацію прокаспазы-8 і передачу проапоптического сигналу від «рецепторів смерті».

Как все інгібітори протеаз, XIAP, cIAP1 і cIAP2 самі піддаються негативною регуляції. Зокрема, митохондриальный полипептид Smac/DIABLO (direct IAP-binding protein with low pI — білок з низькою pI, прямо зв’язуючий IAP), виходячи з мітохондрій в цитозоль, пов’язують із інгібіторами XIAP, cIAP1 і cIAP2 та заважає їм взаємодіяти з каспазами. Але XIAP, cIAP1 і 2 здатні протистояти ингибирующему дії Smac/DIABLO, приєднуючи щодо нього убиквитин — сигнал для деградації. Один із изоформ Smac/DIABLO, Smac3, сама стимулює приєднання убиквитина до XIAP. У високих концентраціях каспазы-3 і -7 можуть розщеплювати XIAP і посередників.

Как бачимо, клітина будь-коли впадає в апоптоз без «роздумів». Вона спочатку задає собі гамлетівське запитання: «Бути чи бути?». Відповідь нею залежить від співвідношення проі антиапоптозных білків; з-поміж них точиться жорстка боротьба, і перемагає та сторона, яка встигає навісити в іншу «чорну мітку» — убиквитин. А протеазам цілком байдуже, з ким ця мітка — вони неупереджено розщеплюють мічені білки. Отже, вибір клітини між життям і смертю залежить й не так від зовнішніх обставин, як від її власного внутрішнього стану. Навіть якщо його організм наказує клітині загинути, вона підпорядковується йому в тому разі, коли саме розташована до такого результату. Бувають мутанти, які категорично США вмирати, притому, що все зовнішні обставини спонукають їх до самогубства — зазвичай, це ракових клітин.

.

Общая схема «класичного» апоптозу млекопитающих.

Мы згадали всіх види знарядь самогубства, якими клітина багатоклітинного організму користується, що він наказує і коли він сама того хоче. Але треба розуміти, що їхня дія неоднозначно. Наприклад, кальцій й активні форми кисню беруть участь переважають у всіх без винятку процесах життєдіяльності як вторинні посередники у передачі сигналів і регулюють всі функції клітини: розмноження, подих, обмін речовин, рух, зростання. Той-таки кальцій здатний, в частковості, активувати антиоксидантные ферменти, які захищають клітину від окисного стресу. АФК в микромолярных концентраціях необхідні проліферації клітин, їх рухливості і хеморецепции; більше, деяких видів (наприклад, NO) навіть блокують апоптоз у вигляді виборчого нитрозилирования эффекторных каспаз. Та й каспазы також можуть гідно виконувати цілком «мирні» функції - управляти дифференцировкой деяких типів клітин.

Таким чином, тільки з знарядь самогубства є лише цього: більшістю їх клітина має і «домашньому побуті». Постає питання: а всі вони необхідні скоєння суїциду? А якщо ні, навіщо виробляти настільки непомірний арсенал знарядь? На це ми зможемо відповісти, коли розглянемо специфіку перебігу запрограмованої смерті в одноклітинних організмів.

Суицид у одноклітинних

Практически в усіх найпростіших організмів зовнішніх ознак апоптозу ті ж, що з клітин багатоклітинних, і що в них, загибель наводять різні причини. У одноклітинних водоростей її викликає відсутність світла чи окисний стрес, а запобігають інгібітори каспаз і антиоксидантний фермент, який розщеплює Н2О2, — каталаза (каспазы вони теж виявлено — з допомогою антитіл). Паразитичні жгутиконосцы кінчають життя самогубством, коли їм допомагають інгібітор протеїнкінази З ставроспорин (він також стимулює апоптоз й у клітинах ссавців) і перекис водню, а запобігають теж інгібітори каспаз. Екстракт цитоплазми паразитичного найпростішого Leishmania major в дослідах викликав характерні для апоптозу зміни у ізольованих ядрах ссавців, бо свідчить присутність у ньому AIF-подобных білків. Ізольовані мітохондрії L. major втрачали цитохром з при інкубації з рекомбінантним Вах людини навіть, коли Вах позбавили трансмембранного домену, необхідного для вбудови у зовнішні мембрани мітохондрій. Отже, у L. major є білки, здатні взаємодіяти з Вах.

У дріжджів знайдено майже всі гармати суїциду, наявні в багатоклітинних, крім лизосомальных катепсинов та їхніх представників сімейства Bcl-2. Проте, гени проапоптозных білків ссавців при експресії в дріжджах викликають їх запрограмовану загибель, а Bcl-2 захищає пекарські дріжджі (Saccharomyces сerevisiae) від загибелі, викликаної окислительным стресом. У Shizosaccharomyces pombe знайдено Rad9-белок, у якому послідовність амінокислот, необхідну для взаємодії з Bcl-2.

К апоптозу дріжджів наводять речовини, які самі і продукують: наприклад, оцтової кислоти (продукт бродіння), перекис водню чи a-фактор — пептидный статевої феромон, вироблену a-типом гаплоидных клітин S.сerevisiae. При концентрації.