Programmable cell death

From the point of view of morphology , three main types of programmed cell death have been distinguished for a long time:

• Cell death of type I, or apoptosis . With this form of cell death, compression of the cytoplasm , condensation of chromatin , fragmentation of the nucleus, and the so-called cell membrane , that is, budding of vesicles from it. In the end, the entire contents of the cell breaks down into vesicles (apoptotic bodies), which are phagocytosed by neighboring cells and cleaved in their lysosomes .
• Cell death of type II, or autophagy . During autophagy, many vacuoles are formed in the cytoplasm of a collapsing cell, which are then phagocytosed and destroyed by neighboring cells.
• Cell death of type III, or necrosis . Necrosis is characterized by the complete absence of traits inherent in apoptosis and autophagy. The remains of the destroyed cell trigger inflammation ^[4] .

Later, a more complex classification of types of programmed cell death was adopted, which is built not on morphological details, but on genetic , biochemical , pharmacological and functional features. However, the types of death identified in this way are further divided into two groups according to morphology: one group includes types of death that are morphologically close to apoptosis, and the other - those that are morphologically close to necrosis. Thus, each type of programmed cell death has its own set of properties, from completely apoptotic to completely necrotic ^[4] .

As of 2018, the following types of programmed cell death are distinguished ^[4] :

• Lysosome-dependent cell death ( English Lysosome-dependent cell death, LDCD );
• Autophagy-dependent cell death ( Autophagy-dependent cell death, ADCD );
• ( born Immunogenic cell death, ICD );
• Internal apoptosis ( English Intrinsic apoptosis );
• External apoptosis ( English Extrinsic apoptosis );
• Mitochondrial Permeability-related Necrosis (MPT) ( MPT-driven necrosis );
• Necroptosis ( English Necroptosis );
• Ferroptosis ( English Ferroptosis );
• Pyroptosis ( English Pyroptosis );
• ( English Parthanatosis );
• Entosis ( Eng. Entosis );
• NEToz ( English NETosis ).

Lysosome-dependent cell death

Lysosome-dependent cell death begins with disorders of cell homeostasis and permeabilization (permeability changes) of lysosome membranes . It is observed in many pathophysiological processes: inflammation, tissue remodeling (for example, breast tissue remodeling after lactation ), aging , neurodegenerative diseases , cardiovascular diseases and the response to intracellular pathogens ^[4] .

After permeabilization of the lysosome membranes, the contents of the latter enter the cytosol , where, among other things, proteolytic enzymes of the cathepsin family are destroyed, which destroy the contents of the cell. The processes preceding the permeabilization of lysosomal membranes and triggering it are not entirely clear. In some conditions, it occurs after permeabilization of the outer mitochondrial membrane during internal apoptosis. In other cases, permeabilization of lysosome membranes occurs earlier than mitochondrial membranes with the participation of protein . An important role in triggering an increase in the permeability of lysosomal membranes is played by reactive oxygen species ^[4] .

Autophagy-dependent cell death

Autophagy-dependent cell death involves activation of the molecular mechanisms of autophagy (all or part) that lead to the formation of - double- membrane vesicles ^{[5] [6]} . Autophagy is an important process that forms part of the cellular response to stress, so its disorders lead to a variety of developmental defects and diseases. In Drosophila, autophagy is involved in the renewal of the lining of the middle intestine and the degradation of larval salivary glands . Autophagy-dependent cell death contributes to the pathogenesis of a number of diseases in humans . For example, in some pathological conditions, neurons die along the path of autophagy. A type of autophagy-dependent cell death involving Na ⁺ / K ⁺ -ATPase is known as autosis ^[4] .

Immunogenic Cell Death

Immunogenic cell death refers to those types of cell death that are accompanied by the activation of an adaptive immune response directed against endogenous (cellular) or exogenous ( viral ) antigens that a dying cell expresses . Relatively few factors cause immunogenic cell death: viral infections , some anticancer drugs (for example, anthracyclines and ), some types of radiotherapy , as well as photodynamic therapy based on hypericin . Typically, an immune response is triggered by the following damage -associated molecular patterns ( ) expressed by a dying cell: , ATP , HMGB1 protein, , nucleic acids derived from cancer cells , and annexin A1 ^[4] .

Internal Apoptosis

Various changes in the environment of the cell trigger internal apoptosis: the absence of growth factors , DNA damage, endoplasmic reticulum stress (EPR), reactive oxygen species , DNA replication dysfunctions, mitosis defects, and microtubule dysfunctions. Cells dying by apoptosis retain the integrity of the plasma membrane and some metabolic activity. They disintegrate into vesicles - apoptotic bodies that are phagocytosed by other cells. The critical stage of internal apoptosis is the irreversible permeabilization of external mitochondrial membranes, which is controlled by various proteins of the family. As a result, proapoptotic factors enter the cytosol, which are located in the . The most important of these is the respiratory chain protein cytochrome c . In the cytosol, it binds to the APAF1 protein and pro-caspase 9, forming a complex known as the apoptosome . In it, caspase 9 is activated, forming dimers , which cut themselves and thereby activate, and begins to activate other caspases , introducing cuts into them. Caspases are proteases that destroy all the proteins of a cell and cause cell death ^[4] .

External Apoptosis

External apoptosis is triggered by changes in the cell. A key role in triggering external apoptosis is played by two types of cell membrane receptors : death receptors , which are activated by binding to the ligand , and receptors, which are activated when their ligand concentration drops below a certain value. Death receptors include, for example, and a number of other receptors for the superfamily of tumor necrosis factors ( Eng. Tumor necrosis factor, TNF ). When the death receptor is activated, a special multi-protein complex is assembled at its intracellular part - DISC (from the English death-inducing silencing complex ). It regulates the activation and functioning of caspase 8 (or, in some cases, caspase 10). Following it, other caspases are also activated, which destroy cellular proteins and lead to its death ^[4] .

Mitochondrial Permeability Necrosis

MPT-dependent necrosis begins with special changes in intracellular conditions, such as severe oxidative stress and a significant increase in the concentration of calcium ions in the cytosol. The abbreviation MPT comes from English. mitochondrial permeability transition - a violation of the permeability of mitochondria, since in this type of cell death the inner mitochondrial membrane becomes permeable to small molecules , which leads to the disappearance of the electrochemical gradient on it, the osmotic destruction of both mitochondrial membranes and ultimately cell death in the form of necrosis ^[4] .

Necroptosis

Necroptosis is caused by various changes in the internal and external environment of the cell, which are detected by specific death receptors (for example, Fas), pathogen recognition receptors (for example, Toll-like receptors 3 and 4 ), as well as protein binding to Z-DNA . Morphologically, cell death occurs in the form of necrosis. The protein kinases and , which are activated by receptors, play a critical role in triggering necroptosis. Necroptosis is not only associated with the body's response to stress, it ensures the death of defective organisms before birth and is involved in the regulation of T-lymphocyte homeostasis in the adult body ^[4] .

Ferroptosis

Ferroptosis, as a rule, is preceded by serious damage to cellular lipids as a result of the formation of reactive oxygen species and the appearance of free iron ions in the cell. Lipid oxidation occurs precisely due to iron ions, for which this type of cell death got its name ^[7] . Morphologically, ferroptosis is a necrosis in which serious damage to the mitochondria occurs: they shrink, cristae disappear in them, and the outer membrane is destroyed. Caspases and autophagy proteins are not involved in ferroptosis. In this type of cell death, some polyunsaturated fatty acids , such as arachidonic acid , are oxidized , and lipid hydroperoxides are formed. Sometimes lipid oxidation can occur under the influence of lipoxygenase and cyclooxygenase enzymes . They are counteracted by glutathione peroxidase 4 (GSH4). Ferroptosis is also inhibited by ferrostatin-1, liprostatin-1, as well as vitamin E , coenzyme Q ₁₀ and similar compounds with antioxidant activity, which distract the active forms of oxygen and prevent them from interacting with lipids ^[4] .

Pyroptosis

Pyroptosis is activated during innate immunity reactions. With pyroptosis, a special chromatin condensation occurs, which differs from chromatin condensation during apoptosis. The cell swells, membrane permeabilization occurs. In pyroptosis, the pro-inflammatory caspase 1 plays a leading role, but in some cases other caspases, for example, , appear instead. Pyroptosis is involved in the development of many pathological conditions, for example, fatal septic shock caused by bacterial lipopolysaccharides . It is the bacterial lipopolysaccharides that enter the cytoplasm of the cells of the host organism that probably play a leading role in triggering pyroptosis ^[4] .

Partanatosis

Partanatosis is a form of programmed cell death characterized by hyperactivation of poly (ADP-ribose) polymerase 1 ( ), a protein involved in the cellular response to DNA damage. However, partanatosis can occur not only with severe DNA damage by alkylation , but also with oxidative stress, hypoxia , hypoglycemia, or inflammation. The main role in the overactivation of PARP1, especially in neurons, is played by active forms of nitrogen , including nitric oxide NO . Hyperactivation of PARP1 has effects, such as depletion of the NAD ⁺ pool and ATP (which leads to disruption of the bioenergetic and redox balance of the cell), as well as the accumulation of polymers of poly (ADP-ribose) and poly (ADP-ribose) protein in mitochondria (due to which the membrane potential is lost and the outer mitochondrial membrane is permeabilized) ^[4] .

Энтоз

Энтоз — это форма клеточного каннибализма, которая происходит в здоровых тканях и опухолях млекопитающих . Живая клетка поглощается другой клеткой, не обладающей способностью к фагоцитозу. Часто, но не всегда, поглощённая клетка погибает. Как правило, энтоз запускается, когда эпителиальная клетка теряет контакт с внеклеточным матриксом , хотя для этого могут быть и другие причины: неотрегулированная экспрессия миозинов при формировании межклеточных контактов , различия в механических свойствах соседних клеток и метаболический стресс. У раковых клеток энтоз может запускаться при митозе . Гибель поглощённой клетки не зависит от каспаз и белков BCL2, играющих важнейшую роль в апоптозе. По крайней мере в некоторых случаях гибель происходит в виде особой формы аутофагии ^[4] .

NETоз

Первоначально эта форма гибели была описана у нейтрофилов , которые, умирая, выбрасывают наружу сеть из волокон, содержащих хроматин и гистоны , связанные с цитозольными белками. Эти волокна были названы англ. neutrophil extracellulae traps (NET), и форма смерти получила название NETоз ( англ. NETosis ). Выброс NET может быть вызван микробами , активацией особых рецепторов (например, Toll-подобных). Существенная доля ДНК, входящей в состав этих волокон, имеет митохондриальное , а не ядерное происхождение. NET могут выбрасывать и другие клетки, отличные от нейтрофилов: тучные клетки , эозинофилы и базофилы , причём выброс NET не всегда приводит к гибели клетки. NET обладают не только антимикробным эффектом; показана их роль в таких заболеваниях, как диабет и рак ^[4] .

Программируемая клеточная гибель зафиксирована у беспозвоночных животных, в частности, у губок . У губок экспрессируются такие белки ПКГ, как каспазы, белки с и Bcl-2 . Более того, Bcl-2 губок подавляет апоптоз и в клетках позвоночных ^[8] . Первоначально молекулярные механизмы ПКГ были описаны у нематоды Caenorhabditis elegans . Поскольку количество клеток в теле взрослого червя жёстко фиксировано и одинаково для всех особей, количество актов ПКГ также фиксировано: в ходе развития червя клетки убивают сами себя ровно 131 раз. Ключевую роль в ПКГ у C. elegans играют белки Ced-4 и Ced-3 с каспазной активностью. В обычных условиях Ced-4 подавлен белком Ced-9, который локализован во внешней митохондриальной мембране. Когда клетка получает извне сигнал к началу ПКГ, Ced-9 инактивируется, а Ced-4 активируется и в свою очередь активирует Ced-3, который запускает работу протеаз и нуклеаз ^[9] . У членистоногих ПКГ впервые происходит при образовании нервной системы , когда происходят дифференцировка и деление клеток эктодермы , причём одна из дочерних клеток становится нейробластом , а другая погибает ^[10] . Более того, вследствие ПКГ у самцов и самок некоторые органы иннервируются по-разному ^[11] . У плодовой мушки Drosophila melanogaster имеется несколько каспаз и ингибиторов апоптоза, кроме того, некоторые белки ПКГ, такие как REAPER, HID и GRIM, могут быть специфичны для насекомых ^[12] .

У растений программируемая клеточная гибель наблюдается при образовании ксилемы и семян , старении , предотвращении самоопыления , а также под действием стрессов (солевого, температурного , окислительного ) и патогенов . Как и у животных, у растений существует несколько видов ПКГ, однако чаще всего она сходна с апоптозом и сопровождается фрагментацией ДНК, выходом цитохрома c из митохондрий, сжатием клетки, образованием активных форм кислорода и выходом фосфатидилсерина на внешний слой мембраны. В то же время, хотя у растений отсутствуют каспазы, известно, что ингибиторы каспаз животных могут подавлять программируемую клеточную смерть и у растений. Главная роль в программируемой клеточной гибели у растений принадлежит — серин -зависимым аспартат -специфичным протеазам. В здоровых тканях фитаспазы находятся в апопласте , а при индукции ПКГ входят в цитозоль ^[1] .

У грибов программируемая клеточная гибель наблюдается при образовании спор полового и бесполого размножения , формировании плодового тела или склероция , в реакции вегетативной несовместимости, при патогенезе , стрессовых условиях и на заключительных этапах старения. Этим назначение ПКГ у грибов отличается от такового у животных, у которых она прежде всего важна для развития. В общем случае ПКГ грибов аналогична внутреннему апоптозу животных. ПКГ детально изучена у дрожжей Saccharomyces cerevisiae и может запускаться разнообразными внутренними факторами, причём внешний механизм активации ПКГ не обнаружен. У них нет и очевидных гомологов ключевых белков апоптоза животных, таких как Bcl-2, p53 , , PARP и даже каспазы. В то же время гомологи некоторых регуляторных апоптотических белков отсутствуют у дрожжей, но есть у мицелиальных грибов. У ПКГ проявляется при старении мицелия, которое обусловлено действием активных форм кислорода. В ходе ПКГ у P. anserina функционируют цистеиновые протеазы с каспазной активностью ^[2] .

Плодовое тело слизевика Dictyostelium discoideum имеет ножку, образованную мёртвыми клетками. Эти клетки подверглись ПГК, похожей на аутофагию животных по степени развития вакуолей и конденсации хроматина , кроме того, в отличие апоптоза, фрагментации ДНК не происходит ^[13] . Предки слизевиков отделились от остальных эукариот более миллиарда лет назад до отделения предков растений и грибов, что свидетельствует о древнем происхождении программируемой клеточной гибели ^[14] .

У бактерий известно несколько форм программируемой клеточной гибели. В условиях стресса (окислительного стресса, воздействия радиации , нехватки питательных веществ , фаговой инфекции ) часть клеток погибает на благо колонии . Чаще всего смерть происходит при участии систем токсин-антитоксин различных типов. Бактериофаги , геном которых представлен двуцепочечной ДНК, вызывают гибель заражённых клеток в конце литического цикла для высвобождения новых вирионов с помощью холин-эндолизиновой системы. Маленькие белки встраиваются в мембрану, давая возможность выйти наружу . Эндолизины гидролизуют пептидогликан , разрушают клеточную стенку и вызывают лизис клетки. Гибель бактериальных клеток наблюдается на разных этапах развитии колонии и при отсутствии стресса: при споруляции , генетической трансформации , образовании плодовых тел и формировании биоплёнок . Механизмы программируемой клеточной гибели во всех перечисленных случаях различны ^[3] .

Физиологическое значение программируемой клеточной гибели огромно. У животных она играет важнейшую роль в развитии многих органов и тканей, а также старении. В ходе развития нервной системы множество клеток-предшественников нейронов погибают, так что количество нейронов в мозге взрослого животного существенно меньше, чем их было заложено в ходе эмбрионального развития . Апоптоз задействован в морфогенезе животных (в частности, апоптозом погибают клетки между пальцами, за счёт апоптоза отпадает хвост у головастика ). Иммуногенная клеточная смерть и пироптоз наряду с апоптозом задействованы в работе защитных систем организма. Подавление ПКГ очень часто связано со злокачественным перерождением клетки ^[15] . У растений ПКГ участвует в образовании тканей, состоящих из мёртвых клеток, например, ксилемы. Кроме того, на ПКГ основана самонесовместимость при опылении : если на рыльце попадает пыльца от того же растения, то особые белки на рыльце запускают ПКГ клеток пыльцевого зерна ^[16] . У грибов ПКГ обеспечивает вегетативную несовместимость, то есть не даёт сливаться гифам одного штамма , а также задействована в созревании спор полового и бесполого размножения ^[2] .

Сама концепция программируемой клеточной гибели была предложена ( англ. Lockshin ) и Уильямсом в 1964 году по отношению к развитию некоторых тканей у насекомых ^[17] . Примерно через 8 лет появился термин «апоптоз». Первые сведения о механизмах ПКГ появились при изучении белка Bcl-2 — продукта онкогена , экспрессия которого активируется при хромосомных транслокациях , которые часто наблюдаются при фолликулярной лимфоме . В отличие от других известных к этому моменту продуктов онкогенов, Bcl-2 вызывает злокачественное перерождение не за счёт непрерывной стимуляции деления, а за счёт предотвращения программируемой клеточной гибели ^[18] . По сей день программируемая клеточная гибель интенсивно исследуется. В 2002 году Нобелевская премия по физиологии и медицине была присуждена за открытия в молекулярной биологии программируемой клеточной гибели Сиднею Бреннеру , Роберту Хорвицу и Джону Салстону ^[19] , а в 2016 году этой награды был удостоен Ёсинори Осуми , исследовавший один из видов программируемой клеточной гибели — аутофагию ^[20] .