Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Окислительный стресс и запрограммированная смерть клетки

10.11.2018

До недавнего времени все разнообразие типов гибели клеток, обсуждаемое в литературе, сводилось к апоптозу и некрозу, причем классификация базировалась на присутствии или отсутствии специфических биохимических и молекулярных нарушений. Однако сегодня такой подход представляется уже слишком упрощенным.

Некрозом называют случайную смерть клетки, например вследствие накопления фитотоксичных молекул в результате действия сильного стрессора. Таким образом, смерть клетки в результате некроза представляется пассивным событием, часто следующим за необратимым повреждением, которое характеризуется потерей целостности мембран, набуханием (англ. swelling) цитоплазмы и выходом электролитов из клетки.

Термин «запрограммированная смерть клетки» (ЗСК) означает любую форму смерти клеток, включающую один или серию процессов на молекулярном или клеточном уровне, опосредованных внутриклеточными программами гибели, независимо от механизма запускающего процесс и симптомов нарушений при этом проявляющихся. У растений (в отличие от животных) различать некроз и ЗСК гораздо сложнее. ЗСК у растений может происходить на разных этапах онтогенеза и под действием разнообразных абиотических стрессоров, в частности гипоксии, экстремальных температур и озона. Что касается онтогенеза ЗСК была установлена в процессе формирования элементов трахей, развития семени и его прорастания, старения. Наилучшим образом события, связанные со смертью клеток, описаны на примере взаимодействия патогена и растения-хозяина, формирующего основу для реакции сверхчувствительности.

Только недавно на мутантах арабидопсис (Arabidopsis thalianа), не способных затормозить ЗСК, контролируемую АФК, или осуществляющих ЗСК, несмотря на высокую концентрацию АФК, была выявлена существенная роль АФК в индукции, сигналинге и осуществлении смерти клеток. Были идентифицированы первые гены, участвующие в восприятии АФК и трансдукции сигнала. Сейчас раскрывается роль отдельных генов в сложной регуляторной сети генов, функционирующей во всех компонентах клетки при АФК-зависимой смерти клеток. Иллюстрирует эту сложность тот факт, что в геноме арабидопсиса по меньшей мере 158 генов управляют пространственно-временной сетью образования и тушения АФК.

Хотя сигнальная функция АФК длительное время маскировалась наследственной природной токсичностью оксидантов, их роль в качестве триггеров на разных этапах онтогенеза и при действии разных стрессоров сегодня уже не оспаривается.

АФК и смерть растительной клетки. Данные о возможном участии АФК в ЗСК базировались на корреляции между повышенной концентрацией АФК и смертью клеток. Первые опытные данные, подтверждающие, что АФК также действовали как сигнал ЗСК у растений, были получены в суспензии клеток. Было показано, что индуцированная экзогенной H2O2 смерть клеток может быть заблокирована ингибиторами циклогексимидов и протеаз. Недавно были созданы трансгенные растения с различным уровнем клеточных антиоксидантов и мутанты, неспособные приостанавливать инициацию или распространение управляемой АФК смерти. Эти изящные опыты показали важную роль АФК в инициации ЗСК.

Наилучшим образом документированным примером ЗСК в результате действия АФК являются события, следующие за типичным двухфазным окислительным взрывом в реакциях СВЧ и при озоновом стрессе. При этом смерть клетки характеризуется дискретными клеточными нарушениями, которым предшествует конденсация хроматина. Трансгенные растения с низким или высоким уровнями нескольких антиоксидантов (СОД, каталаза, аскорбат пероксидаза) обнаруживают измененную реакцию на ЗСК, обусловленную действием как патогена, так и озона.

Другое подтверждение АФК-зависимой ЗСК получено на трансгенных растениях табака, дефицитных по каталазе (catlAS) — главному ферменту, расщепляющему H2O2. В листьях этого растения накопление H2O2 фотодыхательного происхождения индуцировало интенсивную смерть клеток палисадной паренхимы. Заслуживает внимания и тот факт, что удалось отделить реакцию, подобную некрозу и спровоцированную накоплением H2O2 на непрерывном свету высокой интенсивности, от ЗСК, индуцированной нежелательной дозой АФК, накопленной в растении. Наличие пороговой концентрации АФК, ниже которой запускается ЗСК и выше которой будет преобладать смерть некротических клеток, является причиной эффекта, оказываемого фитотоксичными концентрациями АФК на нарушения при ЗСК.

Как и в клетках животных, высокие дозы оксидантов могут ингибировать отдельные процессы ЗСК. В дополнение к данным, полученным на трансгенных растениях, на целом ряде мутантов арабидопсиса показана специфичность сигнальных возможностей различных АФК в индукции ЗСК. Оказалось, что для индукции распространения смерти клеток необходимы и достаточны повышенные концентрации АФК. У флуоресцентного мутанта (flu) арабидопсиса, генерирующего 1O2 при переходе темнота-свет, смерть клеток инициируется сразу же после выделения синглетного кислорода.

Кислород на молекулярном уровне ведет себя иначе, чем пероксид (H2O2) и супероксид-анион (O2), что еще раз указывает на то, что разные АФК ведут себя по-разному как участники сигнальных систем. Эти нарушения обусловлены скорее изменениями окислительно-восстановительного гомеостаза, чем концентрации H2O2, что подтверждается меньшей концентрацией аскорбиновой кислоты в мутантах vts, чем в диких формах. Таким образом, разные АФК и изменения в редокс-потенциале могут запускать сигнальные каскады, ведущие к ЗСК. Однако понимание восприятия и передачи сигнала АФК далеко от ясности.

В растениях, как и у животных, митохондрии могут служить первым этапным пунктом, где первичное изменение в гомеостазе АФК усиливается, инициируя морфологические изменения в клетках. Роль митохондрий дальше усиливается благодаря активации митохондриальных антиоксидантных генов, как Mn-СОД, так и альтернативной оксидазы, на ранних этапах АФК-зависимой ЗСК. Кроме митохондрий поставщиками АФК у растений могу быть хлоропласты, способные генерировать промежуточные сигналы, участвующие в ЗСК. Последние данные о роли сигналинга фитохрома в реакциях сверхчувствительности ясно указывают на необходимость хлоропластного фактора в метаболических путях, ведущих к реакции СВЧ.

Тесная связь в процессе ЗСК существует между АФК и другими сигнальными молекулами, в частности фитогормонами. Тот факт, что АФК-зависимая ЗСК связана с повышенным уровнем как салициловой кислоты (СК), так и этилена и что сверхсверхпродукция фермента (катехола), расщепляющего CK в этиленовых мутантах, тормозит ЗСК, сильно позиционирует как СК, так и этилен в рамках положительного цикла обратной связи, содействующего АФК-зависимой смерти клеток. Вместе с тем CK может или индуцировать или действовать антогонически по отношению к этому циклу смерти клеток, в зависимости от того, какая АФК служит первичным сигналом (синглетный кислород или супероксид). Еще одним участником в процессах АФК-зависимой ЗСК является NO, эффект действия которого также определяется дозой. NO синергически взаимодействует с H2O2 при смерти клеток в реакциях сверхчувствительности. Более того, NO может непосредственно взаимодействовать с СК. Таким образом, АФК-зависимая ПСК включает целый ряд сигнальных молекул (рис. 2.1).

Молекулярные мишени действия АФК в процессах смерти растительных клеток. Один из первых генов, идентифицированных при АФК-зависимой смерти клеток, был выделен с помощью генетического скрининга мутанта арабидопсиса lsd1, который не способен выдерживать высокие дозы супероксида и обнаруживает зависимые от супероксида и CK повреждения. LSD1 кодирует белок цинкового пальца, который вместе с двумя другими белками цинкового пальца (LOL1 и LOL2) мог бы выступать как молекулярный реостат, чувствующий изменения гомеостаза АФК, таким путем репрессируя процесс смерти или контролируя механизмы противодействия гибели клеток через регуляцию активности генов смерти клеток. Чувствительный к действию озона мутант rcd1 тоже обнаруживает повреждения, связанные с ЗСК. Вместе с тем недавно было показано, что ЗСК, индуцированная АФК, опосредована не фотоокислительным повреждением, а метаболическими процессами ЗСК. Действительно, инактивация гена ехе1 у арабидопсиса полностью снимала индуцированную синглетным кислородом смерть клеток. Этот прежде неизвестный хлоропластный белок мог воспринять негашеный 1O2 в хлоропласте. Вопрос в том, воспринимает ли ген ехе1 только 1O2 или также другие АФК, остается без ответа.

Важное место в передаче стресс-сигналов занимает МАРК, роль которой очень заметна при окислительном взрыве, при действии озона и в реакции СВЧ.
Имя:*
E-Mail:
Комментарий: