Презентация, доклад по биологии Апоптоз и аутофагия

В конце 1980-х, когда он только начал свои работы по этой теме, было известно, что клетки каким-то образом избавляются от своих структур и отдельных молекул, ставших вдруг ненужными. Уже давно учёные знали, что в клетках находятся специальные органоиды под названием лизосомы. В них неоднократно обнаруживали полуразрушенные фрагменты других клеточных структур. Да и сам термин "аутофагия" предложили ещё задолго до работ Осуми. Это слово в 1963 году придумал Кристиан де Дюв— учёный, который и сам стал лауреатом Нобелевкой премии по физиологии в 1974-м за открытие лизосом

Когда какой-то компонент клетки становится ненужным, его окружает специальная мембрана, и получается пузырёк с органоидом (или его частью) внутри. Этот пузырёк подходит к лизосоме и сливается с ней. Там "мусорный" фрагмент клетки находит свой последний приют — особые ферменты расщепляют его на простые составляющие.
Долгое время лизосомы считали чем-то вроде "свалки" для всех ненужных структур клетки. Правда, такая точка зрения не давала ответа на вопрос: как клетка обновляет себя? Почему "свалка" не вырастает в размерах в десятки и сотни раз за всю долгую жизнь таких клеток, как, например, нейроны?
Чтобы выяснить, как именно это происходит, нужно было отыскать вещества, запускающие и поддерживающие реакции переработки вышедших из строя органоидов и молекул.

подтвердил предположение, что аутофагия помогает клетке заново использовать уже имеющиеся ресурсы в отсутствие притока новых (голоде). Кстати, при нехватке пищи первым делом аутофагии подвергаются белки. Это одна из главных причин, по которой голодание не приводит к моментальной и значительной потере жира.
Аутофагия — это единственный процесс, за счёт которого клетка обновляется "по-крупному". Протеасомы со своими убиквитиновыми метками разрушают только белки, и то не все, а лишь те, которым и так на роду написана короткая жизнь.
В аутофагосомы попадают большие фрагменты клеток, содержащие в себе не только белки, но и липиды, и нуклеиновые кислоты, и другие вещества. Когда ферменты лизосом, слившихся с аутофагосомами, переводят эти вещества в более доступную форму, клетка получает дополнительное питание.

быстро и часто перестраивать. Такая потребность возникает при эмбриональном развитии. Изменения, которые происходят в тканях зародыша, развиваются стремительно именно за счёт активной аутофагии.
Одни части клетки, которые выполнили свою функцию, разлагаются на составные элементы, и из них строятся новые, "более актуальные" органоиды. 
Нарушение процессов аутофагии у эмбрионов приводят к тому, что их развитие существенно замедляется.

Да, "самопоедание" имеет множество ограничений (нельзя есть себя непрерывно), но это лучше, чем ничего. Именно оно позволяет большинству тканей организма пережить недостаток ресурсов.
Например, для раковых клеток аутофагия оказалась отличным оружием в борьбе за выживание. Даже если организм по каким-то причинам не снабжает опухоль питательными веществами, она не погибает — именно потому, что её клетки используют собственные энергетические запасы, опираясь на процессы аутофагии.
Таким образом, остановив эти процессы, можно истощить ресурсы "осаждаемой" опухоли и остановить её развитие, а то и вовсе убить часть её клеток.

ещё одна форма гибели клетки –

 аутофагия (самопоедание), которая осуществляется при помощи лизосомной деградации, имеющей важное значение для поддержания гомеостаза. 
В отличие от митотических (делящихся) клеток, постмитотические клетки, такие как нейроны или кардиомиоциты, не могут войти в состояние покоя, поскольку они уже окончательно дифференцированны.
Судьба этих клеток, таким образом, полностью зависит от их способности справляться со стрессом.

аномальных белков и излишних объёмов цитоплазмы.
Функционирование клетки как системы.
Одноклеточные и многоклеточные организмы живут в постоянной адаптации к внешним и внутренним повреждающим стимулам. Неизбежное накопление повреждений приводит к ухудшению состояния компонентов клеток, к ухудшению клеточных функций и к изменениям в тканевом гомеостазе, что в конечном итоге оказывает влияние на весь организм. 

заболеваемость нейродегенеративными расстройствами повышается после 70 лет. 
Одним из важных различий между этими двумя патологиями является тип клеток, которые они поражают. 
Рак затрагивает, в первую очередь, митотические клетки, в то время как нейродегенеративные расстройства затрагивают главным образом постмитотические клетки. 
После развития и дифференцировки, простыe организмы (например, Caenorhabditis elegans и Drosophila melanogaster) состоят только из постмитотических -неделящиеся клетки, окончательно утратившие способность делиться ) клеток.
И наоборот, комплексные организмы (например, млекопитающие) состоят как из постмитотических так и митотических клеток, которые присутствуют в регенерирующих тканях и поддерживают их способность размножаться.
Одним из важных различий между простыми и комплексными организмами, это продолжительность их жизни: нематоды C. elegans живут только несколько недель, плодовые мушки D.melanogaster живут несколько месяцев, в то время как мыши могут жить несколько лет, а люди - многие десятилетия. 
Вполне вероятно, что присутствие регенерирующих тканей в организме дает возможность заменить поврежденные клетки, тем самым увеличивая продолжительность жизни. 

чтобы остановить их рост: они могут либо войти в состояние ареста клеточного цикла (процесс, известный как «сенесценция») или вызвать генетические программы клеточной гибели, чтобы умереть «по-тихому», не затрагивая соседние клетки (путем апоптоза и, возможно, аутофагии).
Для постмитотических клеток однако, сценарий поведения повреждения клеток радикально отличается. Поскольку их клеточный цикл уже остановлен в фазе G0, они не могут войти в состояние покоя, в сенесценцию. Не имея такого преимущества как пролиферативное обновление, постмтотические клетки, такие, как нейроны или кардиомиоциты, вынуждены адаптироваться к стрессу в целях обеспечения жизненно важных функций всего организма.
В нейродегенеративных патологиях, таких как болезнь Паркинсона, болезнь Альцгеймера и Хантингтона, агрегирование белков является следствием недостаточного удаления окисленных, неверно сконформированных или аномальных белков в мозге. В этом контексте, аутофагия является основным путём для обеспечения нормальной функции повреждённой ткани.

к усилению процессов аутофагии в клетках могут служить:
нехватка питательных веществ
наличие в цитоплазме повреждённых органелл
наличие в цитоплазме частично денатурировавших белков и их агрегатов
Для образования аутофагосом необходима активность многочисленных белков Atg-семейства (autophagosome-related proteins). Гомологи этих белков найдены у млекопитающих (в том числе и человека) и растений.

клеток от ненужных органелл, а также и организма от ненужных клеток. Особенно важна аутофагия в процессе эмбриогенеза, при так называемой самопрограммируемой клеточной гибели.
Сейчас этот вариант аутофагии чаще называют каспаза-независимым апоптозом . Если эти процессы нарушаются, а разрушенные клетки не удаляются, то эмбрион чаще всего становится нежизнеспособным.

многих случаях занимает соединительная ткань. Подобные нарушения являются одной из причин развития сердечной недостаточности.
Особенно большую роль нарушения аутофагии играют в развитии миопатий и нейродегенеративных болезей.
Так, при  болезни Альцгеймера в отростках нейронов пораженных участков мозга наблюдается накопление незрелых аутофагосом, которые не транспортируются к телу клетки и не сливаются с лизосомами.
Мутантные  хантангтин и альфа-синуклеин — белки, накопление которых в нейронах вызывает, соответственно, болезнь Хантингтона и болезнь Паркинсона — поглощаются и перевариваются при шапероновой аутофагии, и активация этого процесса предотвращает образование их агрегатов в нейронах

(разрастание ткани организма путём размножения клеток делением) в ответ на стресс, с целью избежать опасности трансформации в злокачественную клетку .
Клетки в состоянии покоя принимают уплощенную форму и запускают экспрессию конкретных молекулярных маркеров, связанных с сенесценцией - бета-галактозидазы, связанных с старением гетерохроматиновых локусов и накопления липофусциновых гранул.

Есть много стимулов способствующих переходу клетки в состояние покоя. Среди них, укорочение теломер, повреждение ДНК и оксидативный стресс являются наиболее хорошо изученными.
Несмотря на разнообразие этих сигналов, они сходятся на двух основных эффекторных путях: на пути  р53 и pRB пути.

Клеточное старение (сенесценция)

регулируется белком MDM2.
Однако, при митогенном стрессе или повреждении ДНК, активность MDM2 подавляется  и функциональный p53 способен активировать ингибитор циклин-зависимых киназ p21, который останавливает клеточный цикл.

Во втором пути, белок ретинобластомы рRB активируется белком p16 в условиях стресса или повреждений ДНК, который в свою очередь связывается с представителями E2F факторов транскрипции, о которых известно, что они запускают клеточный цикл .
Эти два пути перекрываются в области контроля клеточного старения, а также могут совпадать с запуском программ клеточной смерти. Например, вентрикулярные кардиомиоциты активируют митохондриальный апоптоз, когда в этих клетках увеличивается экспрессия E2F.

играет важную роль в эмбриональном развитии и организменном старении . Он включает в себя конторолируемую активацию протеаз и других гидролаз, которые быстро разрушают все клеточные структуры.
В отличие от гибели клеток путём некроза, при которой разрушается мембрана клеток и запускается воспалительная реакция, апоптоз осуществляется в пределах неповрежденной мембраны, без ущерба для соседних клеток.
На морфологическом уровне, классическими чертами апоптоза являются конденсация хроматина (pyknosis), ядерная фрагментация (karyorrhexis), сжатие клетки и пузырение мембраны.
Существует два основных пути инициации апоптоза: 1)внутриклеточный (или митохондриальный)
2)внешний

белки и p53, реагируют в ответ на различные стрессовые сигналы или на повреждение ДНК и активируют сигнальный каскад, который ведёт к пермеабелизации (достижение проницаемости)  внешней мембраны митохондрии (МОМР).
Высвобождённые из межмембранного пространства пермеабилизированных митохондрий белки, формируют характерную структуру, апоптосому, комплекс активации каспаз, состоящий из белка APAF-1 (апоптотического фактора активации протеазы 1), каспазы - 9 и цитохрома С, что приводит к активации эффекторных каспаз, который разрушает важные клеточные структуры.

подразделяются на 3 группы: 
(1) анти-апоптотические мультидоменные члены (Bcl-2, Bcl-X L и Mcl-1), которые содержат четыре Bcl-2 гомологичных домена (BH1, BH2, BH3 и BH4), 
(2) про-апоптотических мультидоменных члены (таких, как Bax и Bak), не имеющих BH4 доменов
(3) про-апоптотические BH3 белки (например, Bid, Bim и Bad).
 
Внутренние и внешние стимулы могут активировать протеолитическую деградацию белка Bid и транслокацию укороченного bid (tBid) к митохондриальной мембране, где он стимулирует MOMP, предположительно, путем активации каналов Bax / Bak и через другие механизмы. Множество внутриклеточных взаимодействий между членами семейства Bcl-2 сводятся к интеграции сигнальных каскадов, которые модулируют уровень и активность этих белков, чтобы активировать или избежать запуск митохондриального апоптоза.

семейства TNFR (рецепторов фактор некроза опухоли), которые активируются лигандами Fas/CD95 и TRAIL (TNF - связанный лиганд, индуцирующий апоптоз).
Тримеризация рецепторов приводит к рекрутированию и активации каспазы-8 через специальные адаптерные белки, такие, как FADD / TRADD (Fas -связанных доменов смерти/TNFR1-связанных доменов смерти) для формирования сигнального комплекса, который далее передаёт сигналы по крайней мере в трёх направлениях:
(1) путем прямого протеолиза и активации эффекторных каспаз,
(2) путем протеолиза BH3 белка Bid, транслокации tBid в митохондрии и последующая пермеабилизация внешней мембраны митохондрий
(3)путём активации киназы RIP1 и JNK (C-Jun N-концевых киназ), что приводит к транслокации tBid в лизосомы и пермебелизации Bax-зависимых лизосомных мембран, в результате заканчивающимся общим протеолизом при помощи катепсина B / D и MOMP.

на стресс и представляет собой важный механизм подавления опухолей. Пока еще не ясно, что определяет путь, по которому идёт клетка. Хотя большинство клеток способно на оба этих процесса, они всё же являются взаимозаключающими.
Тип клетки является определяющим, так поврежденные эпителиальные клетки и фибробласты в основном входят в покой, в то время как поврежденные лимфоциты подвергаются апоптозу. Кроме того, было сообщено о том, что при помощи манипулирования уровня экспрессии Bcl-2 или ингибирования каспаз можно направить клетку, которая обычно бы умерла путем апоптоза, в состояние покоя.
Также, были предприняты попытки затормозить клеточное старение путём повышенного уровня теломеразы, что в итоге не предотвращает клеточного старения, а защищает клетки от апоптоза. Эти исследования ясно указывают на пересечение между процессами апоптоза и клеточного старения, например, на уровне белка супрессора опухоли p53.

элементы цитоплазмы и целые органеллы поглощаются так называемыми аутофагосомами (autophagosomes), имеют двойную  мембранную структуру, или первичными аутофаговыми вакуолями (AV-I).
После слияния с лизосомами, аутофагосомы формируют одно-мембранную структуру, называемую аутолизосомой (autolysosome) или поздними аутофаговыми вакуолями (AV-II), содержимое которых деградируется и получившиеся элементы возвращаются в цитоплазму для метаболических реакций.

образование аутофагосом, но ее ингибирование (например, при помощи рапамицина при отсутствие питательных веществ) запускает макро-аутофагию.
Подавление mTOR активности способствует ферментативной активации мультипротеинового комплекса, который формируется из III phosphatidylinositol 3-киназы (PI3K), белка вакуолярной сортировки 34 (Vps34), Beclin 1, белка вакуолярной сортировки 15 (Vps15), белка резистентности к УФ-излучению (UVRAG), endophilin B1 (Bif-1), молекулы активации Beclin-1-зависимой аутофагии (Ambra 1) и, возможно, другие белки.

фосфатидилинозитол - 3-фосфат [PtdIns (3) P], молекулярный сигнал для сборки аутофаговых комплексов формирующим удлинение и закрытие везикул.
Процесс макро-аутофагии можно заингибировать по пути insulin/IGF-1, где PI3K продуцируют phosphatidylinositol - 3,4,5-trisphosphate [PtdIns (3,4,5) P 3], которые стимулируют функцию mTOR .
Не так хорошо изученным является следующий тип аутофагии - микро-аутофагия (microautophagy), при котором поглощение органелл производится непосредственно в лизосомные мембраны. Этот механизм также является путём деградации органелл и долгоживущих белков, но, в отличие от макро-аутофагии, он не отвечает за адаптацию к недостатку питательных веществ.

также чувствителен к недостотку пит. веществ, в нём не происходит тотального поглощения органелл или избирательного распознавания субстрата.
В CMA, белки цитоплазмы, которые содержат конкретные пента-пептидные мотивы, распознаваемые лизосомами (консенсус последовательность KFERQ) распознаются комплексом белков-шаперонов (в том числе теплового шока 73 кДа-белок, hsc73) и направляются к лизосомной мембране, где они взаимодействуют с белками, связанными с мембраной лизосом (LAMP) 2a.
Субстратные белки затем разворачиваются и транспортируются в люмен лизосом для деградации. Мотив KFERQ находится примерно в 30% белков цитоплазмы, включающих в том числе RNase А и амилоидные белки предшественники (APP).
Интересно, что АРР могут быть связаны hsc73 (и, следовательно, скормлены СМА), когда основной путь их деградации заингибирован и данное взаимодействие происходит не через APP KFFEQ последовательности.
Пока еще не ясно как KFERQ мотив распознается шапероновым комплексом.
Некоторые пост-трансляционные изменения субстратов (например, окисление или денатурация) могут сделать этот мотив более доступными для шаперонов, повышая уровень их лизосомного поглощения в CMA.

адаптации клеток к условиям стресса. В этом контексте парадоксально, что механизм аутофагии представляет из себя также не-апоптотическую программу клеточной гибели, которую называют 'autophagic"или" тип-II' клеточной смертью. 
Это основано на том, что некоторые случаи гибели клеток сопровождаются массовой аутофаговой вакуолязацией. Тем не менее, эти морфологические наблюдения не могут показать, сопровождается ли смерть клетки формированием аутофаговых вакуолей или клеточная гибель действительно осуществляется путём аутофагии.
В самом деле, отношения между аутофагией и апоптозом являются сложными, и именно то, что определяет, погибнет ли клетка путем апоптоза или по другому механизму по-прежнему остаётся неясным. 
В некоторых клеточных системах, аутофагия является единственным механизмом гибели, действуя в качестве резервного механизма исполнение смертного приговора, когда апоптоз в клетке просто заингибирован.
И наоборот, если в процессе клеточного голодания заблокировать процесс аутофагии (например, припомощи малых интерферирующих РНК), то инициируется программа апоптоза.

клетки предпочитают аутофагию, избегая апоптоз и клеточное старения. 
Опять же, белок p53 был определен в качестве одного из главных регуляторов определяющего направление, по которому пойдёт клетка. В стареющих и постмитотических клетках, аутофагия служит в качестве механизма адаптации к стрессу.  Было показано, что аутофагосомы накапливаются в стареющих фибробластах в целях содействия обновлению веществ цитоплазмы и её органелл.
 Точно так же в кардиомиоцитах, оптимальное функционирование митохондрий зависит от макро-аутофагии. Работа одного типа аутофагии- CMA - снижается с возрастом, что увеличивает риск дегенерации нейронов, связанный с накоплением подверженных к аггрегации мутантных белков.
 Следует отметить, что нейродегенеративные заболевания, связанные с возрастом, имеют схожие характеристики с патологиями, вызванных нокаутом генов, связанных с аутофагией (atg) в головном мозге, такими как накопление убиквитинированных белков и телец включения в цитоплазме, увеличение апоптоза в нейронах и постепенная потеря нейрональных клеток. 

культивируемых клетках, и действительно аутофагия это механизм, с помощью которого одноклеточные организмы (например дрожжевые клетки), а также клетки млекопитающих могут адаптироваться к истощающимся ресурсам. 
В ходе деградации макромолекул высвобождается АТФ, что позволяет скомпенсировать отсутствие внешних источников питания.
Важно отметить, что эта способность аутофагии может участвовать в продлении жизни организма за счёт ограничения в калорийности питания. Голодание или диетическое ограничение являются одним из сильнейших стимулов для запуска аутофагии по всему организму у мышей и нематод C.elegans.
В любопытном исследовании было показано, что выключение atg генов в C. elegans отменили эффекты противо-старения, которые наблюдались у особей в ходе ограничения калорий. 

что регулярное обновление цитоплазматических структур и молекул "очищает" и тем самым омолаживает клетки.
Кроме того, аутофагия играет важную роль в поддержании стабильности генома посредством механизмов, которые еще не изучены.  Таким образом, общее увеличение уровня аутофагии может помочь избежать долгосрочных последствий повреждений ДНК, гипотеза, которая требует дальнейшего изучения.

Вывод