Хромосоми як матеріальна основа спадковості. Зміни хромосом та механізми їх реорганізації

Як і при активації  клітинного старіння іншими факторами  у PICS центральну роль відіграють сигнальні  шляхи p53/p21 і p16^INK4a, у цьому випадку перший шлях запускається через гіперактивацію mTOR, а другий — через ETS2.[3]

Ознаки старіння клітин

Основною ознакою постарілих клітин є незворотна зупинка проліферації, що відбувається внаслідок підвищеної експресії білків, що блокують проходження через клітинний цикл. Зазвичай постарілі клітини мають вміст ДНК, що відповідає фазі G1. Проте деякі онкогени спричинюють старіння із вмістом ДНК, характерним для фази G2, а ракові клітини можуть старіти із кількістю ДНК, що відповідає G2 або S фазі.

Щоб оцінити здатність  клітин до поділу зазвичай використовують такі методи як визначення вмісту маркерів проліферації Ki67 і PCNA, мічення 5-бромодеоксіуридином (BrdU) або ³H-тимідином або тест на здатність до колонієутворення. Проте жоден із цих методів не дає можливості відрізнити постарілі клітини від пост-мітотичних або клітин у стані спокою (G0).

 

Загибель клітин

 
    Необхідно знати, що смерть клітини - постійний прояв життєдіяльності організму і в здоровому стані він збалансований фізіологічною регенерацією клітин. Як структурні компоненти клітин, так і цілі клітини зношуються, старіють, гинуть і вимагають заміни. Підтримання різних органів і тканин у здоровому стані неможливе без «природного» фізіологічного поновлення, а отже без смерті окремих клітин. Така смерть клітин отримала в 1972 році назву " апоптоз ". Апоптоз - це запрограмована смерть клітини. Але смерть клітини може відбуватися в живому організмі в результаті " насильницьких " дій зовнішніх (патогенних) чинників. Така смерть клітини носить назву " некроз ". Мертві клітини повністю припиняють своє функціонування. Загибель клітини супроводжується необоротними біохімічними і структурними змінами.Таким чином, смерть клітини може відбуватися двома шляхами: некрозу та апоптозу.

 

 

 

 

   Некроз

 

    Некроз (від грец некроса - мертвий) - змертвіння, загибель клітин і тканин в живому організмі під впливом хвороботворних факторів. Цей вид загибелі клітин генетично не контролюється, на відміну від апоптозу

 

 

    Чинники, що викликають некроз:

• Фізичні (вогнепальне поранення, радіація, електрика, низькі і високі температури - відмороження і опік) ;
• Токсичні (кислоти, луги, солі тяжких металів, ферменти, медикаменти, етиловий спирт та ін);
• Біологічні (бактерії, віруси, найпростіші тощо) ;
• Алергічні (ендо-та екзоантигени, наприклад, фібриноїдний некроз при інфекційно - алергічних і аутоімунних захворюваннях, феномен Артюса) ;
• Судинний (інфаркт - судинний некроз) ;
• Трофоневротичні (пролежні, незагойні виразки). 
  Залежно від механізму дії патогенного чинника розрізняють:
• Прямий некроз, обумовлений безпосередньою дією чинника (травматичні, токсичні та біологічні некрози)
• Непрямий некроз, що виникає опосередковано через судинну та нервово- ендокринну системи (алергічні, судинні і трофоневротичні некрози). 
   
      Морфологічні ознаки некрозу 
      Некрозу передує період некробіозу, морфологічним субстратом якого є дистрофічні зміни:
• Ранні зміни: В початковому періоді некробіозу клітина морфологічно не змінена. Має пройти 1-3 години, перш ніж з'являться зміни, які розпізнаються при електронній мікроскопії або гістохімічно, і, принаймні 6-8 годин, перш ніж з'являться зміни, які можуть бути виявленими при світловій мікроскопії ; ще пізніше розвиваються макроскопічні зміни. Наприклад, якщо хворий з інфарктом міокарда помирає через декілька хвилин від моменту початку нападу стенокардії (біль при недостатньому надходженні крові до міокарда), то на аутопсії не буде виявлено жодного структурного некрозу ; якщо ж смерть настає на 2- й день після гострого нападу, то зміни будуть очевидні[9].
• Гістохімічні зміни: приплив іонів кальцію в клітину тісно пов'язаний з необоротним пошкодженням і появою морфологічних проявів некрозу. У нормальній клітині внутрішньоклітинна концентрація кальцію складає приблизно 0,001 від концентрації його в позаклітинній рідини. Цей градієнт підтримується мембраною клітини, що активно транспортує іони кальцію з клітини. Експериментально доведено, що при пошкодженні клітин в результаті ішемії або під впливом різних токсичних агентів, накопичення кальцію всередині клітин спостерігається тільки тоді, коли зміни необоротні. Кальцій активує ендонуклеази (гідроліз, розщеплення ДНК), фосфоліпази (руйнування мембран) і протеази (деструкція, перетравлення цитоскелета). Підвищення їхньої активності виявляється гістохімічними методами. Активність окисно -відновних ферментів (наприклад, сукцинатдегідрогенази) різко падає або зникає.
• Зміни в ядрах: зміни в ядрах - очевидний доказ некрозу клітини. Хроматин мертвої клітини конденсується у великі грудочки і ядро стає зменшеним в обсязі, зморщеним, щільним, інтенсивно базофільним, тобто забарвлюється в темно-синій колір гематоксиліном. Цей процес названий пікнозом (зморщуванням). Пікнотичне ядро може потім розриватися на численні маленькі базофільні частинки (каріорексиси) або піддаватися лізису (розчиненню) в результаті дії лізосомної дезоксирибонуклеази (каріолізис). Тоді воно збільшується в об'ємі, слабо забарвлюється гематоксиліном, поступово втрачаються контури ядра. При швидкому розвитку некрозу ядро піддається лізису без пікнотичної стадії
• Цитоплазматичні зміни: приблизно через 6 годин після початку некрозу у клітині, цитоплазма її стає гомогенною і виражено ацидофільною, тобто забарвлюється інтенсивно кислими барвниками, наприклад, в рожевий колір при забарвленні еозином. Це - перша зміна, що виявляється при світловій мікроскопії, виникає в результаті коагуляції цитоплазматичних білків і руйнування (зникненню) рибосом. РНК рибосом надає базофільний відтінок нормальної цитоплазмі. Спеціалізовані органели клітини, наприклад, міофібрили в міокардіальних клітинах, зникають в першу чергу. Набухання мітохондрій і деструкція (руйнування) мембран органел викликають вакуолізацію цитоплазми. Нарешті, перетравлювання клітини ферментами, які вивільнюються з власних лізосом, викликає лізис клітини (аутоліз). Таким чином, в цитоплазмі відбувається коагуляція білків, змінюється в основному їх коліквацією.
• Зміни міжклітинної речовини охоплюють як проміжну речовину, так і волокнисті структури. Найчастіше розвиваються зміни, характерні для фібриноїдного некрозу: колагенові, еластичні і ретикулярні волокна перетворюються на щільні, гомогенні рожеві, іноді базофільні маси, які можуть піддаватися фрагментації, розпаду на грудочки або лізису. Рідше може спостерігатися набряк, лізис і ослизнення волокнистих структур, що властиво колікваційному некрозу.

 
 Клінічні прояви некрозу

[6]Некроз - процес незворотній. При відносно сприятливому результаті навколо відмерлих тканин виникає реактивне запалення, яке відокремлює мертву тканину. Таке запалення називається демаркаційним, а зона відокремлення - демаркаційною зоною. У цій зоні кровоносні судини розширюються, виникають повнокрів'я, набряк, з'являється велика кількість лейкоцитів, які вивільняють гідролітичні ферменти і розплавляють некротичні маси, що розсмоктуються макрофагами. Слідом за цим розмножуються клітини сполучної тканини, яка заміщує або обростає ділянку некрозу. При заміщенні мертвих мас сполучною тканиною говорять про їх організацію. На місці некрозу в таких випадках утворюється рубець (рубець на місці інфаркту). Обростання ділянки некрозу сполучною тканиною призводить до його інкапсуляції. У мертвій масі, при сухому некрозі, і в ділянці змертвіння, що піддався організації, можуть відкладатися солі кальцію. У цьому випадку розвивається  петрифікація вогнища некрозу. У деяких випадках у ділянці змертвіння відзначається утворення кістки - осифікація. При розсмоктуванні тканинного детриту і формуванні капсули, що зустрічається при вологому некрозі і найчастіше в головному мозку, на місці змертвіння з'являється порожнина - кіста.

Несприятливий результат некрозу - гнійне розплавлення місця змертвіння. Секвестрація - це формування ділянки мертвої тканини, яка не піддається автолізу, що не заміщується сполучною тканиною і вільно розташовується серед живих тканин. Секвестри зазвичай виникають в кістках при запаленні кісткового мозку - остеомієліті. Навколо такого секвестру утворюється секвестральна капсула і порожнина, заповнена гноєм

Значення некрозу визначається його сутністю - «місцевою смертю» , тому некроз життєво важливих органів, особливо великих ділянок, нерідко призводить до загибелі. Наприклад, інфаркти міокарда, ішемічні некрози головного мозку, некрози кіркової речовини нирок, прогресуючий некроз печінки, гострий панкреатит, який ускладнився панкреонекрозом є яскравими прикладами даного процесу. Нерідко змертвіння тканини є причиною важких ускладнень багатьох захворювань (паралічі при геморагічному та ішемічному інсультах, інфекції при масивних пролежнях, інтоксикації у зв'язку з впливом на організм продуктів тканинного розпаду, наприклад, при гангрені кінцівки і т.д.). Клінічні прояви некрозу можуть бути найрізноманітнішими. Патологічна електрична активність, яка виникає в ділянці некрозу в мозку або міокарді, може призводити до епілептичних припадків або серцевої аритмії. Порушення перистальтики в некротизованій кишці може викликати функціональну (динамічну) кишкову непрохідність. Нерідко спостерігаються крововиливи в некротизовану тканину, наприклад, кровохаркання (кровохаркання) при некрозі легені.

 

Апоптоз

 

[4]Апоптоз - запрограмована загибель клітини у відповідь на зовнішні або внутрішні сигнали. Апоптоз відбувається під час нормального розвитку, але може бути результатом раку, ВІЛ, хвороби Альцгеймера.

Апоптоз бере участь в  наступних фізіологічних і патологічних процесах:

• Запрограмованому руйнуванні клітин під час ембріогенезу (включаючи імплантацію, органогенез) і метаморфозу. Незважаючи на те, що при ембріогенезі апоптоз не завжди є “ відображенням " запрограмованої смерті клітини", це визначення апоптозу широко використовується різними дослідниками.
• Гормон-залежні інволюції органів у дорослих, наприклад, відторгнення ендометрію під час менструального циклу, атрезія фолікулів в яєчниках в менопаузі і регресія молочної залози після припинення лактації.
• Видаленні деяких клітин при проліферації клітинної популяції
• Загибелі окремих клітин в пухлинах, в основному при її регресії, але також і в активно зростаючої пухлини.
• Загибелі клітин імунної системи, як В-, так і Т- лімфоцитів, після виснаження запасів цитокінів, а також загибель аутореактивних Т- клітин при розвитку в тимусі.
• Патологічній атрофії гормон-залежних органів, наприклад, атрофія передміхурової залози після кастрації і виснаження лімфоцитів в тимусі при терапії глюкокортикоїдами[6].
• Патологічній атрофії паренхіматозних органів після обтурації вивідних проток, що спостерігається в підшлунковій і слинних залозах, нирках.
• Загибелі клітин, викликана дією цитотоксичних Т- клітин, наприклад, при відторгненні трансплантата і хвороби " трансплантат проти хазяїна".
• Пошкодженні клітин при перенесенні деяких вірусних захворювань, наприклад, вірусний гепатит, коли фрагменти апоптотичних клітин виявляються в печінці як тільця Каунсільмена.
• Загибелі клітин при дії різних факторів, які здатні викликати некроз, але діють в невеликих дозах, наприклад, при дії високої температури, іонізуючого випромінювання, протипухлинних препаратів.

 

  Для порівняння процесів некрозу і апоптозу можна розглянути таблицю 2.1:

 

                       Таблиця 2.1

Порівняльна характеристика процесів некрозу і апоптозу

 

Ознака	Апоптоз	Некроз
Індукція	Активується фізіологічними або патологічними стимулами	Різна, залежно від  шкідливого чинника
Розповсюдженість	Одинична клітина	Група клітин
Біохімічні зміни	Енергозалежна фрагментація ДНК ендогенними ендонуклеазами. Лізосоми інтактні.	Порушення або припинення йонного обміну. З лізосом виділяються  ферменти.
Розпад ДНК	Внутрішньоядерна конденсація  з розщепленням на фрагменти	Дифузна локалізація  в некротизованій клітині
Цілісність клітинної  мембрани	Збережена	Порушена
Морфологія	Зморщування клітин і  їх фрагментація з формуванням апоптичних тілець,  хроматин яких ущільнений	Набухання і лізис  клітин
Запальні процеси	Немає	Зазвичай є
Видалення відмерлих  клітин	Поглинання (фагоцитоз) сусідніми  клітинами	Поглинання (фагоцитоз) нейтрофілами та макрофагами

Поширеність у природі

   Під час нормального розвитку організму апоптоз виникає в клітинах при формуванні форми або структури органу. Наприклад при утворенні кінцівки миші деякі клітини піддаються апоптозу і утворюються пальці. 
Цікаво, що деякі птахи, такі як качка, мають перетинки між пальцями, тоді як у інших птахів, таких як курка, перетинок немає. У ранньому ембріогенезі і курки і качки мають перетинки між пальцями. Специфічний білок BMP4 утворюється в клітинах між пальцями, запускаючи клітинну смерть цих клітин. Інший білок BMP (Gremlin) утворюється навколо пальців у обох птахів і тільки у качок утворюється також і в клітинах перетинок, запобігаючи запуск апоптозу в них. Якщо додавати білок Gremlin в перетинку ембріонів курки, то вона не піддається апоптозу і зберігається. 
Прикладом апоптозу у нормальному розвитку є метаморфоз пуголовка жаби. Під впливом тиреоїдного гормону при метаморфозу пуголовка жаби, запускається апоптоз і хвіст пуголовка зникає.

Каспази — медіатори апоптозу

Клітинні системи, що забезпечують проходження апоптозу, аналогічні у всіх тварин, центральне місце в них займає родина білків каспаз. Каспази — це протеази, що мають в активному центрі залишок цистеїну, і розрізають свої субстрати по специфічному залишку аспарагінової кислоти (звідси назва: c від cysteine і asp від aspartic acid). Каспази синтезуються в клітині у вигляді неактивних прокаспаз, які можуть ставати субстратами для інших, вже активованих каспаз, що ріжуть їх в одному або двох місцях по залишку аспартату. Два утворені фрагменти — більший і менший — з'єднуються між собою, формуючи димер, що асоціює із таким самим димером. Сформований таким чином тетрамер і є активною протеазою, що може розрізати білки-субстрати. Крім ділянок, що відповідають більшій і меншій субодиницям, прокаспази інколи також містять інгібіторні продомени, які деградують після відщеплення[8].

Внаслідок розщеплення й активації одних каспаз іншими формується протеалітичний каскад, який суттєво посилює сигнал і робить апоптоз із певного моменту незворотним процесом. Ті прокаспази, які розпочинають цей каскад називаються ініціаторними, а їхні сусбтрати — ефекторними. Після аткивації ефекторні каспази можуть розщеплювати інші ефекторні прокаспази або білки-мішені. До мішеней ефекторних каспаз, що руйнуються під час апоптозу належать зокрема білки ядерної ламіни, розщелення яких призводить до розпаду цієї структури. Також деградує білок, що за нормальних умов пригнічує ендонуклеазу CAD, внаслідок цього розпочинається фрагментація ДНК. Розщеплюються каспазами і білки цитоскелету та міжклітинної адгезії, внаслідок чого апоптичні клітини округлюються і від'єднуються від сусідніх клітин, і таким чином стають легшою мішенню для фагоцитів.

Набір каспаз, необхідний для проходження апоптозу залежить від типу тканини і шляху, за яким активується клітинна смерть. Наприклад  у мишей при «вимкненні» гену, що кодує ефекторну каспазу-3, апоптоз не відбувається у мозку, проте нормально протікає в інших тканинах.

Гени прокаспаз активні  у здорових клітинах, а отже білки  необхідні для протікання апоптозу постійно наявні, потрібна лише їх активація  для запуску клітинного суїциду. До складу ініціаторних прокаспаз входить довгий продомен, що містить CARD (caspase recruitment domain, домен залучення каспаз). CARD дає змогу ініціаторним прокаспазам приєднуватись до адаптерних білків утворюючи активаційні комплекси, коли клітина отримує сигнал, що стимулює апоптоз. В активаційних комплексах кілька молекул прокаспаз опиняються безпосередньо поблизу одне одної, чого достатньо для їх переходу в активний стан, після чого вони розрізають одна одну.

Два найкраще вивчені  сигнальні шляхи активації каскаду каспаз у клітинах ссавців називаються зовнішній і внутрішній (мітохондріальний), кожен із них використовує власні ініціаторні прокаспази.

Шляхи активації апоптозу

Зовнішній шлях

Клітина може отримувати сигнал, що індукує апоптоз, іззовні, наприклад, від цитотоксичних лімфоцитів. В такому разі активується так званий зовнішній шлях (extrinsic pathway), що починається із рецепторів смерті. Рецептори смерті — це трансмембранні білки, що належать до родини рецепторів фактора некрозу пухлин (ФНП), наприклад сам рецептор ФНП і рецептор смерті Fas. Вони формують гомотримери, в яких кожен мономер має позаклітинний ліганд-зв'язувальний домен, трансмембранний домен і цитоплазматичний домен смерті, що через адаптерні білки залучає та активує прокаспази.

Ліганди рецепторів смерті також є гомотримерами. Вони споріднені між собою і належать до родини сигнальних молекул фактора некрозу пухлин. Наприклад, цитотоксичні лімфоцити несуть на своїй поверхні ліганди Fas, що можуть приєднуватись до рецепторів смерті Fas на плазмалемі клітин-мішеней. В такому разі внутрішньоклітинні домени цих рецепторів з'єднуються із адаптерними білками (FADD, Fas-associated death domain), а ті у свою чергу залучають ініціаторні прокаспази 8 і/або 10. Внаслідок цієї серії подій формується сигнальний комплекс, що індукує смерть, — DISC (death inducing signaling complex). Після активації в цьому комплексі ініціаторні каспази розрізають ефекторні прокаспази і запускають апоптичний каскад.

Багато клітин синтезують молекули, що у певній мірі захищають їх від активації зовнішнього шляху апоптозу. Прикладом такого захисту може бути експресія так званих рецепторів-приманок (decoy receptors), що мають позаклітинні домени зв'язування лігандів, проте не мають цитоплазматичних доменів сметрі, а отже не можуть запускати апоптозу і конкурують зі звичайними рецепторами смерті за ліганди. Клітини також можуть продукувати білки, що блокують зовнішній шлях апоптозу, наприклад FLIP, що схожий за структурою до прокаспаз 8 і 10, проте не має протеалітичної активності. Він пригнічує зв'язування ініціаторних прокаспаз із комплексом DISC^[.