Ферроптоз — новый вид программируемой клеточной гибели

Программируемая клеточная смерть — это процесс гибели клеток вследствие действия специальных внутриклеточных механизмов. Она встречается не только у высших животных, но и у беспозвоночных, растений, бактерий и грибов. Значение программируемой клеточной гибели для нормального развития и жизнедеятельности организма сложно переоценить [1]. Эмбриональное развитие и морфогенез, обновление тканей, иммунный ответ, воспаление, элиминация злокачественных и зараженных вирусами клеток — во всех этих процессах важную роль играет программируемая клеточная гибель. Избыточная или недостаточная программируемая клеточная гибель приводит к различным нарушениям, таким как нейродегенеративные, аутоиммунные, онкологические и другие заболевания. Важность изучения программируемой клеточной гибели была подчеркнута присуждением двух Нобелевских премий по физиологии и медицине за работы по этой тематике — в 2002 и 2016 г. Первым описанным механизмом программируемой клеточной гибели был апоптоз [2]. В настоящее время известно не менее десятка различных неапоптотических механизмов программируемой клеточной гибели, таких как аутофагия, некроптоз, ферроптоз, пироптоз, партанатоз, энтоз, нетоз и др. [1]. Несмотря на интенсивные исследования, наши знания об этих процессах остаются неполными.

Интересным и перспективным с точки зрения практического использования вариантом программируемой клеточной гибели является ферроптоз. В 2004 г. было обнаружено, что новое гетероциклическое соединение эрастин вызывает ранее неизвестный неапоптотический вид клеточной гибели [3]. Эрастин напрямую взаимодействует с митохондриальными потенциалзависимыми анионными каналами (VDAC), и его действие ингибируют антиоксиданты, такие как альфатокоферол, бутилированный гидрокситолуол и бетакаротин [4]. При обработке клеток эрастином клеточную гибель ингибируют хелатирующие агенты, связывающие двухвалентное железо [5]. В 2012 г. Диксон с соавторами предложили термин ферроптоз — особый тип программируемой клеточной гибели, связанный с интенсивным окислением липидов, вызванным наличием свободных ионов двухвалентного железа. Ферроптоз генетически, биохимически и морфологически отличается от апоптоза, некроза и аутофагии [1, 6]. В отличие от апоптоза, при ферроптозе не происходит изменений клеточного ядра и конденсации хроматина, но уменьшается объем митохондрий, возрастает плотность их мембран, уменьшаются или исчезают митохондриальные кристы [5, 6]. В процессе ферроптоза падает активность глутатион-пероксидазы 4 (GPX4), происходит зависимое от ионов двухвалентного железа окисление липидов и накопление гидропероксидов липидов, которое приводит к гибели клеток [5, 7]. Накопление двухвалентного железа и образование гидропероксидов липидов, приводящие к повреждению клеток, можно наблюдать при ряде нейродегенеративных заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона, болезнь Хантингтона, атаксия Фридрейха и других патологических процессах, включающих боковой амиотрофический склероз, перивентрикулярную лейкомаляцию, ишемический инсульт, травматические повреждения мозга и острую травму почек. Протекание вышеперечисленных заболеваний предположительно связано с запуском ферроптозного каскада [8]. В то же время, поскольку раковые клетки содержат повышенное количество ионов двухвалентного железа, индукция ферроптоза является перспективной стратегией терапии устойчивых к апоптозу опухолей. Показано, что противоопухолевый препарат сорафениб, эффективный для лечения рака почки, индуцирует ферроптоз [9]. Таким образом, изучение механизмов ферроптоза, поиск новых индукторов и супрессоров ферроптоза актуальны для создания новых препаратов для лечения нейродегенеративных и онкологических заболеваний. Однако для масштабных скринингов новых индукторов (супрессоров) ферроптоза необходимо в первую очередь разработать эффективную систему для мониторинга этого процесса в живых клетках или у лабораторных животных.

Биолюминесцентная система Chaetopterus variopedatus и перспективы ее использования

В современной биотехнологии и диагностике широко используют методы, основанные на биолюминесценции, так как они обладают высокой чувствительностью и низким фоновым сигналом. Биолюминесцентные системы применяют для тестов на различные аналиты, иммунологических анализов, анализов экспрессии генов, скринингов потенциальных лекарственных препаратов, биоимиджинга живых организмов, визуализации внутриклеточных структур и процессов, исследований онкологических и инфекционных заболеваний, мониторинга окружающей среды [10]. Такие системы широко распространены в природе, однако хорошо изучено и адаптировано для применения всего несколько. Расшифровка новых биолюминесцентных систем позволит создать на их основе новые методы для практического использования [11]. Одной из малоизученных и необычных систем является биолюминесцентная система морского дракона — многощетинкового червя Chaetopterus variopedatus (см. рисунок). Этот организм-фильтратор обитает на морском дне в трубках-домиках. При извлечении из домика тело морского дракона светится, кроме того, он может выделять светящуюся слизь. Биологическая роль, как и молекулярные основы этого механизма, пока не совсем понятны [12]. Согласно полученным ранее данным, фотопротеин морского дракона Chaetopterus variopedatus для своей активности требует, помимо двух кофакторов, наличия ионов железа и пероксида водорода (либо органических гидропероксидов) [13]. Позднее было показано, что биолюминесцентная система Chaetopterus variopedatus функционирует скорее по классическому механизму «люциферин–люцифераза» и зависит от присутствия ионов двухвалентного железа [14].

Поскольку в процессе ферроптоза происходит как накопление свободных ионов двухвалентного железа, так и образование большого количества различных активных форм кислорода, при развитии ферроптоза в клетках, экспрессирующих люциферазу морского дракона и содержащих необходимые кофакторы, будет возникать люминесцентный сигнал.

Заключение

Значение программируемой клеточной гибели для нормального развития и жизнедеятельности организма сложно переоценить, ее нарушения приводят к различным патологиям, таким как нейродегенеративные, аутоиммунные, онкологические и другие заболевания. Ферроптоз — особый неапоптотический тип программируемой клеточной гибели, связанный с интенсивным окислением липидов, вызванным наличием свободных ионов двухвалентного железа. Изучение механизмов ферроптоза, поиск новых индукторов и супрессоров ферроптоза — актуальная научная и практически значимая задача. Биолюминесцентная система морского дракона является перспективным инструментом для мониторинга ферроптоза в живых лабораторных организмах.