Гомеостаз у млекопитающих контролируется не только клеточной пролиферацией и дифференцировкой, но также клеточной смертью. Клеточная смерть является важной составляющей общебиологических процессов. Наиболее частой формой клеточной смерти является некроз, который вызывается повреждением клетки прямой травмой, токсическими агентами (активные мембранные вещества и токсины), гипоксией и ишемией, клеточным лизисом, опосредованным комплементом, и т.д. Около 20 лет назад была описана другая форма клеточной смерти, названная программированной клеточной смертью, или апоптозом, которая отличается от некроза как по биохимическим, так и по морфологическим признакам. Морфологически апоптоз характеризуется последовательными изменениями в ядре клетки, связанными с перевариванием хроматина и приводящими к фрагментации ДНК на части по 180 пар оснований в каждой. Морфологически апоптоз проявляется сморщиванием клетки и уменьшением ее размера, конденсацией хроматина по периферии ядерной мембраны, распадом на несколько ядрышек. Эти ядрышки покрываются цитоплазматической мембраной, и клетка распадается на несколько апоптотических телец, которые затем фагоцитируются макрофагами. В отличие от некроза, апоптоз проявляется в разбросанных отдельных клетках асинхронно и не ассоциирован с воспалением, то есть он более физиологичен.
Апоптоз — это фундаментальный биологический процесс, необходимый для удаления поврежденных, старых и инфицированных клеток. Он имеет большое значение в цикле развития различных организмов, включая гельминтов, насекомых, амфибий, птиц, рыб и млекопитающих. Апоптоз занимает ведущее место в эмбриогенезе и инволюции тканей, поддержании гомеостаза, сохранении клеточного баланса в физиологических условиях, при удалении клеток с генетическими повреждениями, лучевых повреждениях, росте и терминальной дифференцировке. Он нужен для удаления избытка клеток, особенно в нервной и иммунной системах. В настоящее время ясно, что программированная клеточная смерть является важным механизмом поддержания корректного числа клеток в многоклеточном организме.
Апоптоз вовлечен в механизм развития большого количества заболеваний у человека. Предполагается, что развитие лейкоза и опухолевый рост являются результатом дисбаланса между пролиферацией клеток и программированной клеточной смертью.
Процесс апоптоза может быть структурно разделен на четыре независимые фазы: инициацию, эффекторную фазу, деградацию и фазу очистки. Фаза инициации может быть достигнута самыми различными путями: удалением факторов роста и метаболизма, гипоксией, гипероксией, субнекротическим поражением химическими реагентами, физическими агентами, перекрестным связыванием соответствующих рецепторов, нарушением сигналов клеточного цикла.
За инициацией следует эффекторная фаза, в ходе которой происходит активация каспазной системы клетки. В течение эффекторной фазы различные инициирующие пути конвертируются в один общий или несколько путей апоптоза. Вслед за эффекторной наступает фаза деградации клетки, характеризующаяся деструкцией клеточного материала. Фаза деградации является общей для всех инициирующих путей. На этом этапе наблюдаются нуклеазная, протеазная и липазная гиперактивности, что неизбежно ведет к дезинтеграции клеточных подсистем. Формирующиеся в результате сложных и многообразных процессов деградации апоптотические тельца покрыты мембраной, что устраняет возможность утечки агрессивной внутриклеточной среды в межклеточное пространство. Кроме того, в фазе деградации тканевая трансглутаминаза свободно проходит внутрь апоптотирующей клетки и формирует сшивки между белками с образованием протеиновой сети, фиксирующей клеточное содержимое. В финальной фазе апоптоза — фазе очистки — умирающая клетка поглощается макрофагами, что обеспечивает отсутствие воспалительных реакций, связанных с выбросом в межклеточное пространство продуктов деградации.
Выявлены поверхностный клеточный рецептор, воспринимающий сигнал апоптоза, и лиганд этого рецептора. Апоптоз нормальных и злокачественных клеток индуцируется при участии рецепторно-лигандной системы CD95/FasL. Рецептор, опосредующий апоптоз, стали именовать APO-1 или Fas по названию моноклональных антител (МКА), выявляющих его. Затем на Международном рабочем совещании по дифференцировочным антигенам лейкоцитов человека он был обозначен как CD95. В литературе он встречается под всеми тремя названиями — CD95, APO-1 или CD95(Fas/APO-1).
CD95-антиген — это гликозилированный трансмембранный протеин с молекулярной массой 45–52 кДа, относящийся к суперсемейству TNF-рецепторных молекул. В состав данного суперсемейства входят два типа рецепторов фактора некроза опухолей (TNF-RI и TNF-II), низкоаффинный фактор роста нервов (NGF), Т-клеточный активационный антиген CD27, антиген CD30, ассоциированный с лимфогранулематозом, В-клеточный антиген CD40 и некоторые иные гомологи молекул млекопитающих и вирусов.
Человеческий Fas-антиген (CD95) относится к мембранным белкам I типа. Функционально активная мембранная форма CD95-антигена является гомотримером. Каждая из входящих в его состав гликопротеиновых молекул состоит из 320–335 аминокислотных остатков. В структуре Fas-молекулы выделяют следующие регионы:
1) внеклеточный регион, построенный из трех обогащенных цистеином доменов и состоящий примерно из 160 аминокислотных остатков, закодированных в пяти первых экзонах;
2) трансмембранный, закодированный в шестом экзоне (17 аминокислот);
3) внутриклеточный, соответствующий 7–9-му экзонам, кодирующий примерно 150 аминокислот.
Гомология между членами суперсемейства рецепторов TNF/NGF обычно ограничена внеклеточными доменами. CD95 дополнительно имеет значительную гомологию с TNF-рецептором I типа во внутриклеточной части (около 80 аминокислот): 70 аминокислот во внутриклеточной области необходимо и достаточно для передачи сигнала смерти. Мутационный анализ подтвердил, что эта консервативная область является существенной для CD95 и TNF-рецепторов при передаче сигнала смерти. Этот домен называют доменом смерти, так как в обеих молекулах он передает сигнал смерти.
Мутации гена Fas приводят к экспрессии неактивных продуктов. Врожденные или приобретенные дефекты гена Fas ассоциированы с лимфопролиферативными и аутоиммунными заболеваниями. Подобная стратегия защиты от апоптоза реализуется в опухолевых клетках. Соматические мутации гена, кодирующего CD95-антиген, описаны при лимфомах. Подобные мутации известны для многих линий опухолевых клеток как лимфоидного, так и нелимфоидного ряда. Существуют растворимые формы CD95-антигена, образующиеся за счет альтернативного сплайсинга матричной РНК. Растворимый Fas-протеин конкурирует с локализованным на мембране рецептором CD95 в связывании лиганда и может ингибировать CD95-опосредованный апоптоз in vitro. Мономерная форма растворимого CD95-антигена блокирует центры связывания Fas-лиганда с мембранным CD95. Обнаружено существование не только мономерного, но и олигомерного растворимого CD95-антигена. Повышение сывороточного уровня растворимого CD95-рецептора обнаружено при определенных В- и Т-клеточных лейкозах, аутоиммунных заболеваниях и имеет прогностическое значение.