Владимир Скулачёв - Жизнь без старости

В том же 1996 г., но на несколько месяцев позже Г. Кремера, К. Уанг и сотрудники (и независимо от него в начале 1997 г. Д.Д. Ньюмейер) в США показали, что давно известный биоэнергетикам цитохром с имеет, наряду с дыхательной, также и другую, функцию — запускает целый каскад процессов, приводящих к запрограммированной гибели клетки. Выйдя из митохондрий, цитохром с связывается с белком, названным «фактором, активирующим апоптическую протеазу 1» (apoptosis protease activating factor 1, или Apaf-1). Полученный комплекс присоединяет АТР и превращается в частицу, названную апоптосомой. Апоптосома сорбирует на своей поверхности несколько молекул белка, известного как прокаспаза 9. Сблизившись, молекулы прокаспазы 9 активируют друг друга (переход прокаспаза 9 ^ каспаза 9). Активные каспазы 9 атакуют прокаспазу 3, отщепляя часть ее полипептидной цепи, в результате чего получается активная каспаза 3. Объектом действия этой протеазы оказывается целая группа внутриклеточных белков. Все они занимают ключевые позиции на метаболической карте или играют важнейшую роль в структурной организации клетки. Одним из результатов всех этих событий становится межнуклеосомное расщепление ядерной ДНК. Роль smac и omi, двух других проапоптозных белков, также освобождающихся, подобно цитохрому с, AIF и эндонуклеазе G, из митохондрий в цитозоль, состоит в дополнительной активации каскада, запускаемого цитохромом с.

Существуют, по меньшей мере, еще два пути индукции апоптоза посредством АФК. Один из них — модификация порина, белка внешней митохондриальной мембраны. В норме этот белок образует поры, проницаемые только для низкомолекулярных веществ. Однако под действием супероксида молекулы порина объединяются в олигомеры, пропускающие также и более крупные молекулы белков. Этот эффект, по-видимому, усиливается белком Bax. В результате белки межмембранного пространства митохондрий выходят в цитозоль, причем этот процесс уже не требует открытия пор во внутренней мембране.

Еще один путь от АФК к внешней мембране митохондрии опосредован протеинкиназой JNK. Этот фермент фосфорилирует проапоптозный белок Bax, чем вызывает его активацию. Кроме того, JNK фосфорилирует и при этом инактивирует антиапоптозные белки Bcl-2 и Bcl-XL, ингибирющие Bax. Остается неизвестным, каким именно образом АФК активируют протеинкиназу JNK. На Рис. П-1.1 показаны все три пути запуска апоптоза при помощи АФК.

Рис. II-1.1.Активация апопотоза активными формами кислорода

Однако было бы ошибочным думать, что схема, представленная на рисунке, исчерпывает все варианты индукции запрограммированной смерти под действием АФК. Помимо апоптоза, существует еще несколько типов программ, смертоносных для клетки (аутофагия, некроз, некроптоз), которые также активируются АФК АФК [444,330].

Явление запрограммированной клеточной гибели обнаружено не только у многоклеточных организмов, но также и у одноклеточных эукариот и прокариот. Для последних оно равносильно запрограммированной смерти организма, то есть представляет собой феноптоз. В большинстве случаев стимулом, запускающим феноптоз у прокариот, является сигнал стресса (он может быть как внутренним, так и внешним).

Например, у многих бактерий существует белок RecA, который активируется при повреждении ДНК и гидролизует репрессор гена LexA [374] (см. список литературы к приложению 2). Это приводит к подавлению экспрессии генов, кодирующих (1) так называемые белки SOS-ответа, осуществляющие репарацию ДНК и (2) короткоживущий белок SulA. В свою очередь, SulA взаимодействует с фактором FtsZ (белком, формирующим кольцо деления) и тем самым блокирует клеточное деление. Неудивительно, что мутации в белке SulA приводят к многократному повышению устойчивости бактерий к повреждению их ДНК [261].

Ким Льюис отметил, что мутанты по SulA имеют огромное преимущество при выживании, но, тем не менее, в процессе эволюции оно не перевешивает долгосрочных негативных последствий, вызванных неспособностью популяции элиминировать клетки с поврежденной ДНК. Льюис также предположил, что вышеописанный каскад белковых взаимодействий запускает программу клеточной гибели [185]. Дальнейшие исследования подтвердили важную роль RecA в запрограммированной гибели бактерий. Оказалось, что вызванная стрессом (добавкой антибиотиков) активация этого белка является одним из важных звеньев апоптозоподобной гибели клеток кишечной палочки [81]. Если вызванный антибиотиками уровень повреждения ДНК был высок и запускаемые на начальном этапе RecA-обусловленного ответа белки репарации не могли с ним справиться, в клетке бактерии запускалась программа самоубийства. Примечательно, что помимо остановки клеточного деления, активация RecA приводит в итоге к таким характерным для апоптоза признакам, как конденсация хромосомы, фрагментация ДНК, деполяризация мембраны и экспонирование фосфатидилсерина c внешней стороны этой мембраны [81]. Последнее особенно интригующе, т. к. в случае апоптоза у многоклеточных эукариот считается, что экспонирование фосфатидилсерина является сигналом «съешь меня» для клеток иммунной системы. Роль этого феномена у прокариот пока совершенно неясна.

Рис. II-2.1Схема механизма запрограммированной гибели клеток кишечной палочки в ответ на стресс (адаптировано из [81])

RecA-опосредованный сигнальный каскад — не единственная известная прокариотическая «система самоуничтожения». Помимо нее, у бактерий обнаружен целый набор механизмов самоубийства, функционирующих по принципу токсин-антитоксин (ТА-системы). Наиболее изученная из ТА-систем (обнаруженная в том числе и у кишечной палочки), способная убивать клетку при масштабных повреждениях ДНК в ответ на добавку антибиотиков и некоторые другие виды стресса, называется mazEF [127]. Токсином является белок mazF, представляющий собой сайт-специфическую эндорибонуклеазу, активность которой подавляется нестабильным в клетке белком mazE [401]. Помимо разнообразных стресс-сигналов, триггером системы mazEF является выделяемый кишечной палочкой в окружающую среду пептид «чувства кворума» NNWNN, называемый также внеклеточным фактором смерти EDF (Extracellular Death Factor) [162]. То есть, помимо функции самоуничтожения в ответ на стресс, эта система обеспечивает контроль плотности популяции бактерий, приводя к гибели клеток в случае возникновения «проблемы перенаселения».

Примечательно, что индуцированная антибиотиками активация системы mazEF приводила к снижению уровеня иРНК фактора RecA и к подавлению апоптозоподобной клеточной гибели, описанной выше [89]. Таким образом, «система самоуничтожения» в ответ на повреждения ДНК оказывается продублирована: RecA-опосредованный сигнальный каскад может являться «резервным» вариантом на случай отказа системы mazEF.