Апоптоз, основные механизмы и роль в развитии животных

Апоптоз, основные механизмы
и роль в развитии животных
Апоптоз -программированная клеточная смерть
1. Морфологические характеристики (отличия от некроза)
2. Исполнители - цистеиновые протеазы, специфичные к аспарагину,
каспазы (caspase); протеаза-зависимая ДНК-аза (CAD)
3. Специфика (каспазы эффекторные и инициаторные, их число у
разных видов)
4. Консерватизм основных путей апоптоза
5. Консерватизм доменов белков, участвующих в апоптозе
Апоптоз и его роль в развитии
•
•
•
Основываясь на микроскопической картине гибнущей клетки, они установили, что клетки погибают, по крайней
мере, двумя путями: некроз и апоптоз.
При некрозе клетки набухают, их митохондрии и другие органеллы расширяются (вследствие нарушения работы
ионных каналов) и разрываются внутриклеточные и плазматическая мембраны клетки: В результате этого
активируются лизосомальные ферменты, а внутриклеточное содержимое, попадая во внеклеточную среду, вызывает
воспалительные процессы. Классические причины, приводящие к некрозу клетки -гипертермия, ингибирование
окислительного фосфорилирования, гликолиза или цикла Кребса, гипоксия, действие комплемента или различных
токсинов.
•
Отличительной морфологической чертой апоптоза является коллапс ядра. Хроматин, который в норме представлен
открытыми и конденсированными областями (гетеро- и эухроматин), становится суперконденсированным в форме
полумесяца по периферии ядра. В этот момент начинается фрагментация ДНК. На ранних стадиях апоптоза, в
отличии от некроза, клетка наоборот, сморщивается, теряя до 1/3 своего объема за несколько минут. Механизм этого
явления до сих пор не изучен, но, несомненно, в этот процесс должны вовлекаться транспорт ионов и воды. Важной
особенностью этого процесса является то, что не происходит повреждения мембран клетки
•
Апоптотическая клетка превращается в совокупность окруженных мембраной апоптозных телец различных по
своему составу, которые фагоцитируются макрофагами или соседними клетками. Клетка на данном этапе еще живая
(включение летального красителя трипанового синего не происходит). Видимо в этом и есть задача апоптоза утилизация еще живых апоптозных телец, пока содержимое клетки не попадает во внеклеточную среду, не вызывая
воспалительных явлений. Т.е. уничтожение клеток путем апоптоза обеспечивает минимальное повреждение тканей
по сравнению с другими механизмами смерти.
Апоптоз -программированная клеточная смерть
1. Морфологические характеристики (отличия от некроза)
2. Исполнители - сериновые протеазы, специфичные к аспарагину
(каспазы); протеаза-зависимая ДНК-аза (CAD)
3. Специфика (каспазы эффекторные и инициаторные, их число у
разных видов)
4. Консерватизм основных путей апоптоза
5. Консерватизм доменов белков, участвующих в апоптозе
Роль апоптоза в процессе онтогенеза и эмбриогенеза.
• Апоптоз играет жизненно важную роль в процессе эмбрионального и
онтогенетического развития. Он наблюдается при различных
морфогенетических процессах.
• Хорошо исследована апоптотическая гибель клеток при
эмбриональном развитии беспозвоночных животных, например
нематоды (Chaenorhabditis elegans). Запрограммированная клеточная
гибель наблюдается при метаморфозе насекомых.
•
Изучена также запрограммированная клеточная гибель в процессе
эмбриогенеза высших позвоночных - при развитии глаза
млекопитающих, сердца, нервной системы. Нарушение апоптоза в
эмбриогенезе может приводить к внутриутробной гибели плода,
врожденным уродствам или различным заболеваниям, в том числе и
злокачественным новообразованиям.
Programmed Cell Death and Apoptosis
Outline
1) Introduction to Apoptosis
-What it is and why is it important
2) Cellular Morphology of Apoptosis
- Apoptosis vs. Necrosis
- Cell biology of Apoptosis
3) Apoptosis in biology
- Development
- Neurogenesis
- immune response
4) Molecular Regulation of Apoptosis
-Bcl-2 family
-Cytochrome C
-Caspases
-Intrinsic and Extrinsic Pathways
5) Programmed Cell Death in Single-celled Eukaryotes
Importance of Apoptosis
1) Crucial for embryonic development
-Errors in Apoptosis can lead to Birth Defects
2) Important for maintaining homeostasis
- Cell death is balanced with mitosis to regulate
total cell number.
3) Improper regulation contributes to human disease
- Neurodegenerative diseases
- Parkinson’s
- Alzheimer’s
- Spinal Muscular Atrophy
Too much
apoptosis
-Cancer
-Autoimmune diseases
(diabetes type I)
Not enough
apoptosis
Основные признаки апоптоза
Метаморфоз нематоды C. elegans включает апоптоз 131 клетки
личинки
Apoptosis and Development
C. elegans
-C. elegans have 1090 somatic
cells
- 131 cells die by apoptosis and
959 cells live and develop into
tissues
- 116 of the 131 dying cells are
cells of the nervous system and
ectoderm
-The 2002 Nobel Prize in Physiology
or Medicine was awarded to
Brenner, Horvitz & Sulston for their
work on apoptosis in C. elegans.
Apoptosis and Development
Neurogenesis
Apoptosis and Development
Neurogenesis
Apoptosis in the Immune System
1) Viral infected cells are removed from the body by
the induction of apoptosis
2) Apoptosis is critical in the removal of lymphocytes
that respond to “self”
-defects in apoptosis can lead to auto-immune
disease
HOW THE DUCK GOT ITS WEBBED FEET
Merino et al., 1999. Dev. Biol. 200: 35 - 45.
Chick
Hindlimb
Duck
Hindlimb
BMP
Gremlin
Apoptosis
Newborn
Апоптоз необходим для для формирования пальцев
(птицы, млекопитающие)