Реакция сверхчувствительности как форма апоптоза.

Сверхчувствительность — это защитная реакция растения в ответ на заражение патогенами, проявляющаяся в быстрой локальной гибели клеток растения и сопровождающаяся накоплением в погибших клетках токсичес­ких продуктов. Растение как бы жертвует своей частью ради спасения це­лого. РС может быть фенотипически различной, варьируя от гибели отдельной клетки до распространения некротических зон, сопровождающегося ограниченной колонизацией патогена. Кроме этого, появление РС зависит от окружающих условий и в частности может ослабевать при условии высокой влажности. Вместе с клетками растения погибает внедривший­ся патоген.

Клеточная смерть известна с момента открытия клетки. Мертвые клетки коры дуба были описаны первооткрывателем клетки Гуком в 1665 г. В XIX веке уче­ные описали смерть клеток как процесс. В XX веке были выделены две формы клеточной гибели у животных: апоптоз, или программируемая клеточная смерть, и некроз, или патологическая гибель клеток, сопровож­дающаяся воспалением. Это открытие сыграло важнейшую роль в разви­тии современных представлений о клеточной гибели и приблизило к по­ниманию конкретных механизмов гибели на клеточном уровне. В настоя­щее время программируемая клеточная гибель известна у широкого кру­га представителей разных систематических групп живых организмов: у жи­вотных, растений, грибов, микроорганизмов, включая прокариот. Апоптоз возник у прокариот, по всей видимости, как защита от вирусов или от пов­реждающего действия активных форм кислорода (АФК), т.е. как механизм выбраковки клеток с избыточной продукцией токсичных форм одноэлектронного восстановления кислорода. В ходе эволюции расширялись фун­кции апоптоза. Гибель клеток имеет большое значение для эмбриогенеза, морфогенеза, дифференцировки, как отклик на неблагоприятные факто­ры среды, а также инструмент иммунного ответа. Широко известны при­меры апоптоза у растений — развитие ксилемы, флоэмы, формообразо­вание листьев, прорастание пыльцевой трубки (гибель клеток пестика на пути трубки),опадание листьев и созревание плодов. Исследования последних лет выявили много общего между апоптозом у животных и реакцией сверхчувствительности у растений.

Морфологические изменения клеток при апоптозе и некрозе. Типичные признаки апоптоза у животных — это конденсация и дробле­ние ядра, разрыв нити ДНК на олигонуклеосомные фрагменты, которые образуют "ДНК-лесенку" при электрофорезе, формирование апоптозных телец — мембранных структур, содержащих фрагменты ДНК. При этом цитоплазматическая мембрана остается интактной до образования апоп­тозных телец. Клетка, претерпевающая апоптоз, резко уменьшается в объе­ме, протопласт съёживается, а мембрана приобретает складчатость. Далее разрыхляется хроматин. Наблюдается увеличение уровня ядерного гетерохроматина и перемещение его к краям ядра. Ядерная ДНК разрыва­ется на фрагменты длиной приблизительно 50 тысяч пар оснований. В даль­нейшем такие фрагменты под действием Са²⁺-зависимой эндонуклеазы разрываются на олигонуклеосомные фрагменты длиною около 180 пар ос­нований. Апоптозные тельца с фрагментами ДНК мигрируют из центра клетки к ее периферии.

Все признаки апоптоза у животных выявлены у растений при реакции сверхчувствительности. Разрезание ДНК на длинные фрагменты отмеча­лось при сверхчувствительном отклике растений в ответ на заражение ви­русами, бактериями и грибами. В клетках зараженных растений при этом идентифицируются свободные З'-ОН концы, выявлена активация Са²⁺-за-висимой эндонуклеазы, обнаружены фрагменты ДНК длиной 50 тыс. пар оснований, а также олигонуклеосомные фрагменты, дающие характерную "ДНК-лесенку" при разгоне в агарозном геле. Для модельной системы то­мат – Alternaria alternata f.sp. lycopersici показано, что фрагментация ДНК с образованием олигонуклеосомных фрагментов происходит только в не­совместимых комбинациях растение-патоген (то есть при воздействии авирулентных штаммов гриба, но не вирулентных). Кроме того, были обнаруже­ны остаточные апоптозные тельца, мигрирующие к периферии клетки. У животных апоптозные везикулы поглощаются соседни­ми или специализированными клетками, такими как макрофаги. У расте­ний фагоцитозу препятствует клеточная стенка. При реакции сверхчувст­вительности плазмодесмы разрываются, а вокруг очага поражения обра­зуется перидерма (вследствие приобретения здоровыми клетками меристематической активности). Поврежденная клеточная стенка либо пол­ностью разрушается при участии гидролитических ферментов, действую­щих очень локально, либо укрепляется за счет целлюлозных утолщений, лигнификации, сшивки белков, отложения кремния. Упрочнение клеточ­ной стенки замуровывает проникшего патогена внутри клетки и затрудня­ет проникновение новых патогенов.

Важную роль в программируемой гибели клеток как животных, так и растений играют митохондрии. Под воздействием индукторов апоптоза резко снижается мембранный потенциал ми­тохондрий. Деполяризация обусловлено увеличением про­ницаемости внутренней мембраны митохондрий вследствие образования гигантских пор. Их диаметр позволяет пересекать мембрану веществам с молекулярной массой 1,5 кДа и ниже. Митохондриальный матрикс набуха­ет. Это вызывает разрыв наружной мембраны митохондрий. Следствие раз­рыва — высвобождение белков межмембранного пространства митохондрий, что является важным этапом апоптоза. Хлоропласты растений также могут принимать участие в непос­редственном регулировании программируемой гибели растительных кле­ток при реакции сверхчувствительности: предполагается участие хлоропластов как источников АФК и координационного центра в гибели клеток растений при сверхчувствительном отклике. Высказываются предположе­ния и о роли других мембранных структур, например мембраны вакуоли тонопласта, в запуске механизмов гибели растительных клеток.

А что происходит с клеткой при некрозе? Объем клетки значительно увеличивается. Изменяется проницаемость цитоплазматической и вну­триклеточных мембран. Цитоплазма вакуолизируется. Повреждается тонопласт. Органеллы набухают и разрушаются. В дальнейшем мембраны разрываются, происходит дезинтеграция клетки. Остатки органелл лизируются. Содержимое клетки попадает в межклеточное пространство.

Признак	Апоптоз	Некроз
Объем клетки	Уменьшается	Увеличивается
Целостность цитоплазматической мембраны	Сохраняется до момента образования апоптозных везикул	Происходит разрыв
Содержимое клетки	Распределяется по апоптозным везикулам	Попадает в межклеточное пространство
Состояние ядра	Ядро фрагментируется с образованием олигонуклеосомных частиц, окруженных мембраной	Ядро лизируется
Органеллы	Во внешней мембране образуются поры, через которые высвобождаются индукторы апоптоза	Набухают и разрушаются

 

При некрозе не происходит активирования какой-либо генетической про­граммы. Апоптоз, напротив,— результат запуска определенной генетичес­кой программы. Обнаружены многочисленные позитивные и негативные регуляторные гены апоптоза. Эти гены могут непосредственно акти­вировать апоптоз через индукторы, блокировать через репрессоры, изме­нять метаболизм растений, влиять на сигнальные молекулы, их рецепторы или непосредственна на другие гены. Области гомологии между последова­тельностями регуляторных генов апоптоза у животных и растений редки. Это указывает на то, что либо у растений эволюционировали свои генети­ческие механизмы регуляции программируемой клеточной гибели, либо дивергенция генов зашла так далеко, что они уже не идентифицируются как гомологичные.

Системная приобретенная устойчивость. Приобретенная устойчивость развивается в растениях после первичной инфекции; при этом окружающие ткани или отдаленные части растения становятся устойчивыми к последующему заражению. Этот тип устойчивости является неспецифическим; он эффективен по отношению к различным стрессам и повторному заражению растений, прежде всего по отношению к биотическим и абиотическим факторам, которые индуцируют некрозы клеток и тканей растений.

О локальной приобретенной устойчивости первоначально упомянули Yarwood (1960) и Ross (1961) в отношении вирусной устойчивости. Системная приобретенная устойчивость была выявлена Ross (1961) для табака, зараженного вирусом табачной мозаики.

Сейчас становится понятным, что системная приобретенная устойчивость эффективна в отношении, вероятно, только биотрофных патогенов. Ее развитие опосредовано салициловой кислотой, но молекулярные и биохимические детали этого явления пока плохо понятны. Более того, заражение растений некротрофными патогенами, вероятно, вообще не индуцирует системную приобретенную устойчивость, хотя для окончательного вывода необходимы дальнейшие исследования.