Смерть клеток

Клеточная смерть

Развивающийся мозг производит громадное количество незрелых клеток, и многие позднее уничтожаются. Этот процесс, называемый программируемой клеточной смертью, — естественная часть нервного развития, находящаяся под генетическим контролем. Клеточная смерть формирует нейронные цепи, благодаря ей в них участвует нужное число клеток и определяется размер и форма мозга.

Мозг — невероятно сложный орган, состоящий из многих миллиардов нейронов. Еще внутриутробно развивающийся мозг производит примерно втрое больше нейронов, чем ему нужно, и большая их часть уничтожается еще до нашего рождения. Этот процесс называется программируемой клеточной смертью, или апоптозом — от греческих слов «апо», что означает «отпадение от», и «птозис», т. е. «смерть»; «апоптоз» — это, по сути, «листопад».

Отмершие клетки — никоим образом не бракованные. Программируемая клеточная смерть — естественный процесс, разнообразно проявляющийся в развитии мозга и других органов тела. В форми-рующихся конечностях, к примеру, недоразвитые пальцы рук и ног срощены вместе паутиноподобной тканью — это эволюционный привет от наших водоплавающих предков. С дальнейшим развитием эта ткань отмирает и конечности принимают привычный вид.

По мере созревания нервные клетки выпускают волокна, формирующие связи с другими нейронами, мышечными клетками и различными другими «мишенями». Эти целевые ткани производят небольшие количества химических веществ — так называемых трофических факторов, и от этих веществ зависит выживание нейронов. Согласно нейротрофической гипотезе аксоны, растущие к одной и той же целевой ткани, состязаются друг с другом за это небольшое количество трофических факторов, и программируемая клеточная смерть инициируется в тех клетках, которые не получают таких веществ в достатке.

Программируемая клеточная смерть

Нейротрофическая гипотеза была предложена в 1940-х годах Виктором

Гамбургером и Ритой Леви-Монтальчини на основа- нии серии классических экспериментов. В 1930-х годах Гамбургер хирургически удалял зачатки конечностей — эмбриональную ткань, которая позднее развивается до зрелой конечности, — у зародышей цыплят и заметил, что в спинном мозге из-за этого получилось меньше чувствительных и двигательных нейронов. Напротив, подсадка дополнительного зачатка конечности привела к увеличению нейронов спинного мозга.

Гамбургер заключил — ошибочно, — что целевая ткань производит сигналь- ные вещества, провоцирующие зачаточные нейроны к размножению,
а затем к дифференциации на чувствительные или двигательные нейроны. Через несколько лет Леви-Монтальчини повторила его эксперименты, но обнаружила, что клетки не умирают немедленно. Они растут нормально, протягивают волокна к своим целям и отмирают непосредственно перед достижением целевых тканей. Она заключила, что клеточная смерть происходит не из-за недостатка сигнального вещества, которое подталкива- ет их к делению и дифференциации, а из-за нехватки вещества, поддержива- ющего их рост.

В начале 1940-х Леви-Монтальчини произвела серию других экспериментов, в которых привила опухоли из тела мыши развивающемуся эмбриону цыпленка. В результате нервные волокна эмбриона принялись расти
к опухолям, что подтвердило мысль, что опухоль выделяет вещество, попадающее в кровеносную систему эмбриона.

Далее она изолировала чувствительные нейроны эмбриона цыпленка
и растила их в чашке Петри рядом с мышиными опухолями и обнаружила, что вокруг клеток образовалось облако волокон, тянущихся к опухолям.

В 1950-х годах Леви-Монтальчини вместе со Стэнли Коэном выделяла из змеиного яда вещество, которое предположительно вызывает рост нервных волокон. Ученые показали, что это вещество — белок и он может вызывать рост нервных волокон, если добавить его к незрелым нейронам в чашке Петри, но этот эффект уничтожается, если ввести противоядие. Они назвали это вещество фактором роста нервов (NGF, nerve growth factor). С тех пор были открыты многие другие нейротрофические факторы.

Смерть клетки

Все клетки содержат несколько генетических путей, активирующих самоубийство клетки. Эти пути впервые были открыты
у круглых червей и плодовых мушек, и изучают их по большей части по-прежнему в этих организмах, однако механизмы клеточной смерти очень похожи у всех биологических видов, а человеческий геном содержит эквивалентные варианты большинства генов клеточной смерти.

Программируемая клеточная смерть управляется весьма разнообразными сигналами и снаружи, и изнутри клетки; среди этих веществ — токсины, гормоны и факторы роста, вызывающие или подавляющие процесс умирания. Программируемая клеточная смерть возникает и вслед за вирусной инфекцией или травмой мозга, а также при нейродегенера- тивных заболеваниях.

«Двигатель» машины клеточной смерти — семейство белков-убийц под названием «каспазы», неактивная форма которых есть в любой клетке. При активации клеточной смерти каспазы принимают активную форму и действуют как молекулярные ножницы, перемещаясь вокруг клетки и уничтожая другие белки, необходимые для нормальной жизни клетки. В результате возникает череда специфических структурных изменений: клеточная мембрана раздувается, ДНК клетки фрагментируется, ядро распадается и, наконец, вся клетка разваливается на части, так называемые апоптотические тела.

После смерти клетки ее останки вычищаются. В мозге эту работу выполня- ют клетки-уборщики микроглии, засекающие сигналы умирающих нейро- нов и устремляющиеся к ним. Микроглиальные клетки опознают осколки мертвых клеток и поглощают их; этот процесс называется фагоцитозом.