Апоптоз вызывается различными сигналами, как физиологическими - экспрессией специальных киллерных цитокинов, изменениями гормонального статуса (цикличное ремоделирование эндометрия матки, возрастная инволюция тимуса и др.), так и нефизиологическими - различными внутриклеточными повреждениями или неблагоприятными условиями - нехваткой факторов роста, повреждениями ДНК, гипоксией и т.д. В регуляции апоптоза выделяют два основных этапа: фазу индукции (принятия решения) и фазу экзекуции (исполнения приговора). Последняя осуществляется путем активации каспаз - семейства цистеиновых протеиназ, расщепляющих свои субстраты по остаткам аспартатовой кислоты. Расщепление каспазами 3, 6, 7 (так называемые эффекторные, или казнящие каспазы) ряда ключевых субстратов, в частности ингибиторов нуклеаз, ламинов - ядерных цитоскелетных белков и т.д., приводит к фрагментации ДНК и деструкции клетки. Каспазы присутствуют в цитоплазме в виде проэнзимов и активируются до полностью функциональных протеаз путем расщепления проэнзима на большую и малую субъединицы и дальнейшего отщепления от них N-концевых доменов. Затем субъединицы собираются в активные олигомеры. Расщепление прокаспаз могут осуществлять различные протеазы, в том числе и другие каспазы.
Существует два принципиально разных сигнальных пути, приводящих к активации эффекторных каспаз 3, 6, 7 (Рис. 8). Один из них инициируется связыванием специфических киллерных лигандов (Fas-лиганд, TNF-a и др.) со своими рецепторами, так называемыми рецепторами смерти, что вызывает рекрутирование к ним адаптерных белков и прокаспаз, в частности прокаспазы 8 (подробнее - см. раздел Недоспасова). Агрегация молекул прокаспазы 8 достаточна, чтобы инициировать их аутопроцессирование (расщепление) и образование активных форм каспазы 8, которая, в свою очередь, процессирует до активных форм эффекторные каспазы.
Рис. 8. Два основных пути активации каспаз и индукции апоптоза.
При альтернативном пути индукции апоптоза ключевую роль играют митохондрии, поэтому его называют митохондриальным путем. Он иницируется главным образом различными повреждающими воздействиями, вызывающими увеличение проницаемости митохондриальной мембраны и выход в цитоплазму ряда митохондриальных белков, в частности цитохрома С, который связывается с белком APAF-1 и стимулирует образование его олигомеров. Это, в свою очередь вызывает рекрутирование на образовавшийся комплекс молекул прокаспазы-9, их агрегацию, аутопроцессирование и формирование активного комплекса каспазы-9. На следующем этапе происходит рекрутирование на этот комплекс молекул прокаспазы-3 и их процессирование до активных форм, которые расщепляют ключевые мишени и вызывают апоптоз. Следует заметить, что повреждения и стрессы приводят к выходу из митохондрий не только цитохрома С, но и ряда других молекул, в частности протеазы AIF (Apoptosis Inducing Factor). AIF также стимулирует апоптоз, вызывая расщепление ряда ядерных белков каспазонезависимым путем. Таким образом, митохондриальный путь индукции апоптоза включает несколько независимых механизмов (Рис. 9). При этом, существует взаиморегуляция сигнальных путей, активируемые рецепторами смерти и повреждающими воздействиями (Рис. 8). Так, активация каспазы 8, вызванная активацией рецепторов смерти, не только напрямую активирует эффекторные каспазы, но и индуцирует увеличение проницаемости митохондриальной мембраны и активацию регуляторной каспазы 9. С другой стороны, при повреждениях и стрессах может наблюдаться повышение экспрессии рецепторов смерти - Fas и Killer/DR5. Таким образом, проапоптотические сигналы амплифицируются, что позволяет надежнее достигать необходимого эффекта.
Рис. 9. Механизмы митохондриального пути индукции апоптоза.
Ключевую роль в регуляции проницаемость митохондриальной мембраны для цитохрома С и AIF играют белки семейства Bcl2, подразделяющиеся на несколько подсемейств и обладающие либо проапоптотическими, либо антиапоптотическими активностями. Предполагается, что антиапоптотические белки (Bcl-2, Bcl-X, и др.), локализуясь в мембранах митохондрий, закрывают каналы, через которые осуществляется выброс цитохрома С и AIF. Проапоптотические молекулы (Bax, Bad и др.) при апоптогенных сигналах перемещаются из цитоплазмы в митохондриальные мембраны, где взаимодействуя с интегральным белком наружной митохондриальной мембраны VDAC, стимулируют открытие канала, через который, в частности секретируется цитохром С. Кроме того, белки подсемейства Bax образуют гетеромерные комлексы с белками Bcl2, Bcl-x, что, возможно, открывает закрытые до этого каналы.
Для опухолевых клеток характерны генетические изменения, ведущие к ослаблению обоих путей индукции апоптоза. Так, в них закономерно обнаруживаются:
· потеря экспрессии на поверхности клетки рецептора смерти Fas;
· нарушения проведения апоптогенного сигнала к митохондриям (например, при инактивации опухолевых супрессоров р53 и PTEN);
· ингибирование проницаемости митохондриальной мембраны для цитохрома С и AIF, вследствие изменений экспрессии белков семейства Bcl2;
· блокирование активации эффекторных каспаз (например, при потере экспрессии белка APAF-1 в результате метилирования его гена);
· резкое уменьшению времени жизни каспаз ввиду их связывания с белками IAP (Inhibitors of Apoptosis), экспрессия которых повышается вследствие активации протоонкогенов Ras, PKB/Akt (см. раздел II.2) или инактивации опухолевого супрессора PTEN