Микроскопические наблюдения за прозрачной нематодой C. elegans позволили определить набор клеток, которые запрограммированы на гибель путём апоптоза. Химический мутагенез дал возможность выявить гены, регулирующие этот процесс.

Ced-3 является эффектором апоптотической программы. Он активируется белком ced-4, который, в свою очередь, ингибируется ced-9. Ced-9, в свою очередь, ингибируется egl-1. Из этой схемы следует, что экспрессия или активация egl-1 приводит к апоптотической гибели клетки. Существует также ряд различных генов ced, кодирующих белки, ответственные за фагоцитоз апоптотических клеток.

Хотя генетическая схема, используемая C. elegans, сохраняется и у высших эукариот, ситуация у них усложняется за счёт экспрессии нескольких генов, соответствующих каждому этапу, описанному у нематод:

• Так же, как Ced-3 является эффекторным белком апоптоза у C. elegans, эволюционно родственные гены (ортологи) у высших эукариот образуют семейство протеаз, называемых каспазами. Каспазы расщепляют структурные и ферментные компоненты клетки, приводя её к апоптической гибели [9]. Однако не все каспазы участвуют в реализации апоптоза. Человеческие каспазы 1, 4, 5, и, возможно 12, а у мышей - 1, 4, 11, 12, участвуют в усилении воспаления.
• Ортологи Ced-4 (факторы активации апоптоза, APAFs) связываются с каспазами и способствуют их превращению из неактивных зимогенов в активные протеазы.
• Ортологи ced-9 и egl-1 образуют большое семейство белков, связанных с B-клеточной лейкемией/лимфомой 2 (Bcl-2) [10]. Bcl-2 - это онкоген, который транскрипционно активируется при хромосомной транслокации t(14;18), обнаруживаемой при В-клеточной фолликулярной лимфоме. Чрезмерная экспрессия Bcl-2 подавляет апоптоз в этих клетках, что является критически важным для роста лимфомы. Отдельные представители семьи Bcl-2 могут взаимодействовать друг с другом, либо способствуя, либо ингибируя апоптоз, подобно тому как ced-9 предотвращает гибель клетки, а egl-1 способствует ей (путём блокирования функции ced-9) [11].

Запуск апоптоза

У высших эукариот базовая «программа смерти» может запускаться извне (внешний или экзогенный путь) или изнутри (внутренний или эндогенный путь) клетки [12]:

• Внешний запуск связан со связыванием специализированных «рецепторов смерти» с растворимыми или клеточно-ассоциированными лигандами [3].
• Внутренний запуск происходит, когда клетки реагируют на стрессовые условия окружающей среды (например, тепло, рентгеновское или ультрафиолетовое облучение), повреждение ДНК (генотоксическое воздействие) или на неправильное свёртывание белков (эндоплазматический стресс). Все эти события изменяют функцию митохондрий - органелл, которые необходимы не только для выживания клетки за счёт выработки АТФ, но и для регуляции входа в процесс клеточной смерти [13].

Протеолитический каскад

Адапторные молекулы затем связываются как с цитоплазматическим доменом «рецепторов смерти», так и с неактивной формой каспазы-8, которая является верхнеуровневой каспазой, инициирующей протеолитический каскад, приводящий к гибели клетки. Поскольку зимогенная (неактивная) форма каспазы-8 обладает низкой протеолитической активностью, её агрегация вызывает конформационные изменения, которые позволяют осуществить протеолитическое расщепление соседних молекул, тем самым запуская протеолитический каскад. В итоге активируются эффекторные каспазы (например, каспаза-3), которые непосредственно расщепляют структурные белки (такие как ядерные ламины и цитоскелетные гельзолины) и ферменты, например, ингибитор каспазы-активируемой ДНКазы (ICAD). Расщепление ICAD приводит к высвобождению активной CAD, которая проникает в ядро и расщепляет нуклеосомы в области линкера, образуя характерную «лесенку ДНК». Финальным результатом становится апоптическая гибель клетки.

В ответ на стрессовые условия или повреждение клетки, члены семейства Bcl-2, содержащие домен BH3, такие как Bak и Bax, изменяют проницаемость внешней мембраны митохондрий, в результате чего происходит высвобождение цитохрома C и других эффекторных белков. Цитохром C является кофактором, который позволяет APAF-1 способствовать активации каспазы-9, «верхнеуровневой» каспазы, необходимой для запуска внутреннего пути гибели; последующая активация эффекторных протеаз, в том числе каспазы-3, приводит к апоптической гибели клетки [16].

Эти основные пути, приводящие к апоптозу, регулируются рядом белков, которые связываются с «рецепторами смерти», адаптерами или каспазами, модулируя их функции. Примерами являются: представители семейства Bcl-2, которые взаимодействуют друг с другом [17,18] и могут связываться с APAF; ингибиторы апоптоза (IAPs), некоторые из них ослабляют активность каспаз [19]; а также путь PI-3/Akt, активирующий NFk-B и блокирующий эффекторы клеточной смерти [20]. Неудивительно, что вступление в апоптоз является строго контролируемым процессом.

Одной из характерных черт апоптоза является то, что клетки, подвергающиеся программируемой гибели, поглощаются макрофагами и дендритными клетками, что способствует противовоспалительному иммунному ответу за счет индукции цитокинов, таких как трансформирующий фактор роста (TGF)-бета или интерлейкин (IL) 10 [5].  Фагоцитоз отчасти запускается экспрессией фосфатидилсерина на поверхности погибающих клеток, который, в свою очередь, напрямую распознаётся либо поверхностными рецепторами, либо опсонинами («связующие» молекулами), связывающими апоптические клетки с фагоцитами [12]. Эффективность фагоцитоза во многом зависит от присутствия опсонинов, к которым относятся нормальные компоненты сыворотки, например белки комплемента C1q, C3, C4, а также члены семейства пентраксинов, включая пентраксин-3 (PTX3) и С-реактивный белок (CRP) [21,22]. Связывание белка S, антитромботического плазменного белка, с фосфатидилсерином на поверхности апоптических клеток также способствует их фагоцитозу [23].

Ряд наблюдений указывает на то, что нарушение регуляции апоптоза или дефектное удаление апоптических клеток могут способствовать возникновению или поддержанию аутоиммунного заболевания, вероятнее всего потому, что при этом клетки теряют целостность мембраны, вследствие чего из них высвобождается содержимое (постапоптический некроз) [1,24-26]. Существуют и другие механизмы, посредством которых некротические клетки, активируя иммунную систему, индуцируют воспаление и могут провоцировать аутоиммунитет [1]. К таким механизмам относится нетоз, когда нейтрофилы, стимулированные некоторыми бактериями, цитокинами или иммунными комплексами, могут погибать; некроптоз — форма регулируемого некроза, зависящая от киназы RIPK3 (receptor-interacting protein kinase 3) и возникающая при функциональном дефекте каспаз, таких как каспаза-8; а также пироптоз — некротическая гибель макрофагов, сопровождающаяся высвобождением интерлейкина (IL)‑1бета [1,26-30].

Самый яркий пример патологии, возникающей из-за нарушения апоптоза, — это редкое аутосомно-доминантное заболевание, известное как аутоиммунный лимфопролиферативный синдром. Его начало в раннем детстве сопровождается лимфаденопатией, гепатоспленомегалией и аутоиммунными проявлениями, включая гемолитическую анемию, тромбоцитопению и аутоиммунную нейтропению (часто в сочетании, то есть синдром Эванса).

Мутации в генах Fas или Fas-лиганд (FasL), выявленные у таких пациентов, нарушают элиминацию активированных лимфоцитов после их контакта с собственными или чужеродными антигенами. Сохранение этих клеток приводит к увеличению популяций лимфоцитов и предрасполагает к развитию аутоиммунных явлений, а также к возникновению лимфом.

Некоторым пациентам требуется медицинское вмешательство для лечения аутоиммунных проявлений, особенно клинически значимых цитопений. Обычно они хорошо реагируют на короткие курсы глюкокортикоидов или других иммуносупрессивных препаратов.

Хотя у мышей с инактивирующими мутациями в генах Fas или FasL развивается клиническая картина, напоминающая системную красную волчанку (СКВ), у людей с СКВ мутации в путях «рецепторов смерти» встречаются крайне редко. Тем не менее предполагается, что дефекты апоптоза могут играть роль в активации иммунной системы и продукции аутоантител, нацеленных на собственные белки, что является типичным нарушением при СКВ.

Многочисленные спонтанные или искусственно вызванные мутации у мышей показывают, что нарушение захвата апоптотических клеток способствует развитию волчаночноподобных заболеваний. Примером могут служить мыши с дефицитом опсонинов, таких как C1q и MFG-E8, а также с мутациями рецепторов, отвечающих за поглощение апоптотических клеток [24,31]. Существуют данные о том, что у некоторых пациентов с СКВ этот процесс также нарушен. Было отмечено нарушение фагоцитоза апоптотических клеток макрофагами в герминативных центрах лимфатических узлов у пациентов с СКВ [25].

Дендритные клетки, являясь антиген-презентирующими клетками, которые мигрируют в поисках антигена, тоже эффективно распознают и фагоцитируют апоптотические клетки [32,33]. Посредством не до конца изученного механизма дендритные клетки могут переносить пептиды, полученные из переваренных остатков погибших клеток, на молекулы главного комплекса гистосовместимости (MHC), экспрессируемые на их поверхности. Способность дендритной клетки презентировать пептиды, полученные от других клеток, называется «перекрёстным праймингом» (cross priming). Таким образом, слабо иммуногенные клетки (например, опухолевые) могут быть представлены иммунной системе «профессиональной» антиген-презентирующей клеткой.

Потенциально негативным следствием способности дендритных клеток представлять антигены из апоптотических клеток может быть возникновение иммунного ответа на собственные антигены. Для предотвращения такой ситуации иммунная система использует сложные механизмы центральной и периферической толерантности, которые могут быть нарушены при СКВ. Это подтверждается тем, что белки, модифицированные в результате расщепления (каспазами или гранзимами) или посттрансляционных изменений (например, фосфорилирования стрессовыми киназами, сшивания при участии трансглутаминазы, убиквитинирования или дезиминирования аргинина) во время гибели клетки, могут становиться мишенью для аутоантител при СКВ [34,35]. Стимуляция иммунной системы клетками, погибающими посредством некроза, нетоза (нейтрофилы, подвергающиеся воздействию некоторых бактерий, цитокинов или иммунных комплексов, гибнут этим путём) или некроптоза (происходит при дефекте каспаз, таких как каспаза-8, и активации RIPK3), также вызывает воспаление и может провоцировать аутоиммунные реакции [30,36]. Общий путь стимуляции врождённого иммунитета - это высвобождение нуклеиновых кислот из поздних апоптотических клеток или некротических клеток. Эти нуклеиновые кислоты распознаются специализированными рецепторами (например, толл-подобными рецепторами - TLR) внутри фагоцитарных клеток, что приводит к высвобождению интерферона 1-го типа и других провоспалительных цитокинов [37].

Нарушения в биохимических путях апоптоза или в процессах удаления апоптотических клеток у пациентов с СКВ могут быть вызваны генетическими, либо внешними факторами. Описаны мутации в генах, кодирующих C1q и C-реактивный белок (CRP), которые участвуют в удалении апоптических клеток [38,39]. Также генетические варианты гена ITGAM/CR3, способствующего фагоцитозу апоптических клеток [21], были выявлены в ходе полногеномных ассоциативных исследований (GWAS) при СКВ [40]. Поскольку вирусы обычно кодируют белки, тормозящие апоптоз, вирусная инфекция может замедлять апоптотическую программу, что ведёт к постапоптическому некрозу и накоплению модифицированных собственных пептидов [41]. Примером может служить вирусный белок FLIP (FADD-like IL-1-beta-converting enzyme-inhibitory protein), являющийся субстратом каспазы-8 и тем самым изменяющий протеолитический каскад, продлевая время жизни клетки.

Считается, что аутоантитела вносят вклад в патофизиологию ревматоидного артрита (РА). Выявление антител, направленных против собственных иммуноглобулинов (так называемый ревматоидный фактор), а также против цитруллинированных белков (например, виментин, коллаген, энолаза) является чувствительным маркером данного заболевания. Цитруллин образуется в результате окислительного посттрансляционного изменения аргинина, под действием фермента пептидиларгининдеиминазы (PAD), который может активироваться во время апоптоза [42], хотя гораздо чаще активация происходит при одной из форм программируемого некроза — NETозе [29]. Идентифицированы и другие мишени для антител против цитруллинированных пептидов (AЦЦП), роль которых при РА представляет большой интерес [27,29].

Предполагается, что нарушение (снижение) апоптоза в синовиоцитах или макрофагах также может способствовать синовиальной пролиферации, которая характерна для этого заболевания [43,44].

Предполагается, что апоптоз эндотелиальных клеток, опосредованный антиэндотелиальными антителами и лимфоцитами, может служить патогенетическим механизмом при склеродермии. Примеры включают повышенный апоптоз в модели заболевания на цыплятах, а также способность сыворотки крови пациентов со склеродермией (в сочетании с активированными лимфоцитами) индуцировать программируемую гибель клеток в культивируемых эндотелиальных клетках кожи человека [45,46]. Остается неясным, играет ли роль экспрессия интерферона 1 типа при этом заболевании [47,48].