БИОХИМИЯ, 2020, том 85, вып. 10, с. 1344–1360

УДК 576.5

Проблема обратимости апоптотических процессов

Обзор

© 2020 И.И. Захаров, М.А. Савицкая, Г.Е. Онищенко *

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, биологический факультет, 119991 Москва, Россия; электронная почта: galina22@mail.ru

Поступила в редакцию 10.07.2020
После доработки 23.07.2020
Принята к публикации 23.07.2020

DOI: 10.31857/S0320972520100036

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: апоптоз, обратимость апоптоза, анастаз, активация каспаз, MOMP, экстернализация фосфатидилсерина, блеббинг.

Аннотация

Апоптоз – наиболее изученный вариант регулируемой клеточной гибели, который на протяжении долгого времени считался необратимым. В настоящее время накапливается все больше данных, свидетельствующих о том, что ключевые события апоптоза, такие как появление фосфатидилсерина во внешнем монослое плазматической мембраны, пермеабилизация внешней мембраны митохондрий, активация каспаз, повреждение ДНК и блеббинг цитоплазмы, не являются необратимыми, а также могут участвовать в процессах нормальной жизнедеятельности клетки, не связанных с осуществлением программы апоптоза. Анастаз – восстановление жизнеспособности клетки после индукции апоптоза – может происходить после устранения проапоптотических воздействий. Это явление способствует выживанию поврежденных нормальных или опухолевых клеток. В данном обзоре описаны процессы, характерные для апоптоза, однако не приводящие к гибели, – как в ходе нормальной жизнедеятельности клеток, так и при анастазе. Понимание механизмов и последствий обратимости апоптотических процессов, с одной стороны, может способствовать совершенствованию существующих методов терапии различных заболеваний, в том числе злокачественных новообразований, а с другой – открывает новые возможности для защиты клеточных элементов тканей и органов от гибели при лечении дегенеративных патологий.

Сноски

* Адресат для корреспонденции.

Финансирование

Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РФФИ (19-015-0023).

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Соблюдение этических норм

Настоящая статья не содержит описания выполненных авторами исследований с участием людей или использованием животных в качестве объектов.

Список литературы

1. Galluzzi, L., Vitale, I., Aaronson, S. A., Abrams, J. M., Adam, D., et al. (2018) Molecular mechanisms of cell death: recommendations of the Nomenclature Committee on Cell Death, Cell Death. Differ., 25, 486-541, doi: 10.1038/s41418-017-0012-4.

2. Savitskaya, M. A., and Onishchenko, G. E. (2015) Mechanisms of apoptosis, Biochemistry (Moscow), 80, 1613-1627, doi: 10.1134/S0006297915110012.

3. Narula, J., Haider, N., Arbustini, E., and Chandrashekhar, Y. (2006) Mechanisms of disease: apoptosis in heart failure – seeing hope in death, Nat. Clin. Pract. Cardiovasc. Med., 3, 681-688, doi: 10.1038/ncpcardio0710.

4. Albeck, J. G., Burke, J. M., Aldridge, B. B., Zhang, M., Lauffenburger, D. A., and Sorger, P. K. (2008) Quantitative analysis of pathways controlling extrinsic apoptosis in single cells, Mol. Cell, 30, 11-25, doi: 10.1016/j.molcel.2008.02.012.

5. Tang, H. L., Yuen, K. L., Tang, H. M., and Fung, M. C. (2009) Reversibility of apoptosis in cancer cells, Br. J. Cancer, 100, 118-122, doi: 10.1038/sj.bjc.6604802.

6. Tang, H. L., Tang, H. M., Mak, K. H., Hu, S., Wang, S. S., Wong, K. M., Wong, C. S. T., Wu, H. Y., Law, H. T., Liu, K., Talbot Jr., C. C., Lau, W. K., Montell, D. J., and Fung, M. C. (2012) Cell survival, DNA damage, and oncogenic transformation after a transient and reversible apoptotic response, Mol. Biol. Cell, 23, 2240-2252, doi: 10.1091/mbc.E11-11-0926.

7. Shalini, S., Dorstyn, L., Dawar, S., and Kumar, S. (2015) Old, new and emerging functions of caspases, Cell Death Differ., 22, 526-539, doi: 10.1038/cdd.2014.216.

8. Espinosa-Oliva, A. M., García-Revilla, J., Alonso-Bellido, I. M., and Burguillos, M. A. (2019) Brainiac caspases: beyond the wall of apoptosis, Front. Cell Neurosci., 13, 500, doi: 10.3389/fncel.2019.00500.

9. Liu, X., He, Y., Li, F., Huang, Q., Kato, T. A., Hall, R. P., and Li C.-Y. (2015) Caspase-3 promotes genetic instability and carcinogenesis, Mol. Cell, 58, 284-296, doi: 10.1016/j.molcel.2015.03.003.

10. Ichim, G., Lopez, J., Ahmed, S. U., Muthalagu, N., Giampazolias, E., et al. (2015) Limited mitochondrial permeabilization causes DNA damage and genomic in-stability in the absence of cell death, Mol. Cell, 57, 860-872, doi: 10.1016/j.molcel.2015.01.018.

11. Lovric, M. M., and Hawkins, C. J. (2010) TRAIL treatment provokes mutations in surviving cells, Oncogene, 29, 5048-5060, doi: 10.1038/onc.2010.242.

12. Tang, H. L., Tang, H. M., Marie Hardwick, J., and Fung, M. C. (2015) Strategies for tracking anastasis, a cell survival phenomenon that reverses apoptosis, J. Vis. Exp., 16, 1-13, doi: 10.3791/51964.

13. Gong, Y. N., Crawford, J. C., Heckmann, B. L., and Green, D. R. (2019) To the edge of cell death and back, FEBS J., 286, 430-440, doi: 10.1111/febs.14714.

14. Tang, H. M., and Tang, H. L. (2019) Cell recovery by reversal of ferroptosis, Biol. Open, 8, 1-10, doi: 10.1242/bio.043182.

15. Shlomovitz, I., Speir, M., and Gerlic, M. (2019) Flipping the dogma – phosphatidylserine in non-apoptotic cell death, Cell Commun. Signal., 17, 139, doi: 10.1186/s12964-019-0437-0.

16. Rote, N. S., Ng, A. K., Dostal-Johnson, D. A., Nicholson, S. L., and Siekman, R. (1993) Immunologic detection of phosphatidylserine externalization during thrombin-induced platelet activation, Clin. Immunol. Immunopathol., 66, 193-200, doi: 10.1006/clin.1993.1025.

17. Boyle, E. M., Pohlman, T. H., Cornejo, C. J., and Verrier, E. D. (1996) Endothelial cell injury in cardiovascular surgery: ischemia-reperfusion, Ann. Thor. Surg., 62, 1868-1875, doi: 10.1016/s0003-4975(96)00950-2.

18. Riedl, S., Rinner, B., Asslaber, M., Schaider, H., Walzer, S., Novak, A., Lohner, K., and Zweytick, D. (2011) In search of a novel target – phosphatidylserine exposed by non-apoptotic tumor cells and metastases of malignancies with poor treatment efficacy, Biochim. Biophys. Acta, 1808, 2638-2645, doi: 10.1016/j.bbamem.2011.07.026.

19. Van den Eijnde, S. M., van den Hoff, M. J., Reutelingsperger, C. P., van Heerde, W. L., Henfling, M. E., Vermeij-Keers, C., Schutte, B., Borgers, M., and Ramaekers, F. C. (2001) Transient expression of phosphatidylserine at cell-cell contact areas is required for myotube formation, J. Cell. Sci., 114 (Pt. 20), 3631-3642.

20. Vogt, E., Ng, A. K., and Rote, N. S. (1996) A model for the antiphospholipid antibody syndrome: monoclonal antiphosphatidylserine antibody induces intrauterine growth restriction in mice, Am. J. Obstet. Gynecol., 174, 700-777, doi: 10.1016/s0002-9378(96)70453-2.

21. Charras, G., and Paluch, E. (2008) Blebs lead the way: how to migrate without lamellipodia, Nat. Rev. Mol. Cell. Biol., 9, 730-736, doi: 10.1038/nrm2453.

22. Khajah, M. A., and Luqmani, Y. A. (2016) Involvement of membrane blebbing in immunological disorders and cancer, Med. Princ. Pract., 25 Suppl. 2, 18-27, doi: 10.1159/000441848.

23. Aram, L., Yakobi-Sharon, K., and Arama, E. (2017) CDPs: caspase-dependent non-lethal cellular processes, Cell Death Differ., 24, 1307-1310, doi: 10.1038/cdd.2017.111.

24. Green, D. R., Goldstein, J. C., Waterhouse, N. J., Juin, P., and Evan, G. I. (2000) The coordinate release of cytochrome c during apoptosis is rapid, complete and kinetically invariant, Nat. Cell. Biol., 2, 156-162, doi: 10.1038/35004029.

25. Xu, Y., Surman, D. R., Diggs, L., Xi, S., Gao, S., et al. (2020) Bile acid-induced “Minority MOMP” promotes esophageal carcinogenesis while maintaining apoptotic resistance via Mcl-1, Oncogene, 39, 877-890, doi: 10.1038/s41388-019-1029-6.

26. Tait, S. W. G., Parsons, M. J., Llambi, F., Bouchier-Hayes, L., Connell, S., Muñoz-Pinedo, C., and Green, D. R. (2010) Resistance to caspase-independent cell death requires persistence of intact mitochondria, Dev. Cell., 18, 802-813, doi: 10.1016/j.devcel.2010.03.014.

27. Seervi, M., Sumi, S., Chandrasekharan, A., Sharma, A. K., and Santhosh-Kumar, T. R. (2019) Molecular profiling of anastatic cancer cells: potential role of the nuclear export pathway, Cell Oncol., 42, 645-661, doi: 10.1007/s13402-019-00451-1.

28. Tang, H. M., Talbot, Jr., C. C., Fung, M. C., and Tang, H. L. (2017) Molecular signature of anastasis for reversal of apoptosis, F1000Research, 6, 43, doi: 10.12688/f1000research.10568.1.

29. Tang, H. M., and Tang, H. L. (2018) Anastasis: recovery from the brink of cell death, R. Soc. Open Sci., 5, 180442, doi: 10.1098/rsos.180442.

30. Colell, A., Ricci, J.-E., Tait, S., Milasta, S., Maurer, U., et al. (2007) GAPDH and autophagy preserve survival after apoptotic cytochrome c release in the absence of caspase activation, cell, 129, 983-997, doi: 10.1016/j.cell.2007.03.045.

31. Potts, M. B., Vaughn, A. E., McDonough, H., Patterson, C., and Deshmukh, M. (2005) Reduced Apaf-1 levels in cardiomyocytes engage strict regulation of apoptosis by endogenous XIAP, J. Cell Biol., 171, 925-930, doi: 10.1083/jcb.200504082.

32. Ding, A. X., Sun, G., Argaw, Y. G., Wong, J. O., Easwaran, S., and Montell, D. J. (2016) CasExpress reveals widespread and diverse patterns of cell survival of caspase-3 activation during development in vivo, Elife, 5, 1-20, doi: 10.7554/eLife.10936.

33. Tang, H. M., Fung, M. C., and Tang, H. L. (2018) Detecting anastasis in vivo by caspase-tracker biosensor,J. Vis. Exp., 132, 54107, 1-12, doi: 10.3791/54107.

34. Haupt, Y., Maya, R., Kazaz, A., and Oren, M. (1997) Mdm2 promotes the rapid degradation of p53, Nature, 387, 296-299, doi: 10.1038/387296a0.

35. Gu, L., Zhu, N., Zhang, H., Durden, D. L., Feng, Y., and Zhou, M. (2009) Regulation of XIAP translation and induction by MDM2 following irradiation, Cancer Cell, 15, 363-375, doi: 10.1016/j.ccr.2009.03.002.

36. Flanagan, L., Sebastià, J., Tuffy, L. P., Spring, A., Lichawska, A., Devocelle, M., Prehn, J. H. M., and Rehm, M. (2010) XIAP impairs Smac release from the mitochondria during apoptosis, Cell Death Dis., 1, 1-13, doi: 10.1038/cddis.2010.26.

37. Hauer, M. H., Seeber, A., Singh, V., Thierry, T., Sack, R., Amitai, A., Kryzhanovska, M., Eglinger, J., Holcman, D., Owen-Hughes, T., and Gasser, S. M. (2017) Histone degradation in response to DNA damage enhances chromatin dynamics and recombination rates, Nat. Struct. Mol. Biol., 24, 99-107, doi: 10.1038/nsmb.3347.

38. Geske, F. J., Lieberman, R., Strange, R., and Gerschenson, L. E. (2001) Early stages of p53-induced apoptosis are reversible, Cell Death Differ., 8, 182-191, doi: 10.1038/sj.cdd.4400786.

39. Kenis, H., Zandbergen, H. R., Hofstra, L., Petrov, A. D., Dumont, E. A., Blankenberg, F. D., Haider, N., Bitsch, N., Gijbels, M., Verjans, J. W. H., Narula, N., Narula, J., and Reutelingsperger, C. P. M. (2010) Annexin A5 uptake in ischemic myocardium: demonstration of reversible phosphatidylserine externalization and feasibility of radionuclide imaging, J. Nucl. Med., 51, 259-267, doi: 10.2967/jnumed.109.068429.

40. Sun, G., Guzman, E., Balasanyan, V., Conner, C. M., Wong, K., Zhou, H. R., Kosik, K. S., and Montell, D. J. (2017) A molecular signature for anastasis, recovery from the brink of apoptotic cell death, J. Cell Biol., 216, 3355-3360, doi: 10.1083/jcb.201706134.

41. Wan, Z., Pan, H., Liu, S., Zhu, J., Qi, W., Fu, K., Zhao, T., and Liang, J. (2015) Downregulation of SNAIL sensitizes Hepatocellular carcinoma cells to TRAIL-induced apoptosis by regulating the NF-κB pathway, Oncol. Rep., 33, 1560-1566, doi: 10.3892/or.2015.3743.

42. Germano, G., Lamba, S., Rospo, G., Barault, L., Magrì, A., et al. (2017) In-activation of DNA repair triggers neoantigen generation and impairs tumour growth, Nature, 552,1-5, doi: 10.1038/nature24673.

43. Zhou, M., Liu, X., Li, Z., Huang, Q., Li, F., and Li, C.-Y. (2018) Caspase-3 regulates the migration, invasion and metastasis of colon cancer cells, Int. J. Cancer, 143, 921-930, doi: 10.1002/ijc.31374.

44. Betti, C. J., Villalobos, M. J., Diaz, M. O., and Vaughan, A. T. M. (2003) Apoptotic stimuli initiate MLL-AF9 translocations that are transcribed in cells capable of division, Cancer Res., 63, 1377-1381.

45. Von Karstedt, S., Conti, A., Nobis, M., von Karstedt, S., Conti, A., et al. (2015) Cancer cell-autonomous TRAIL-R signaling promotes KRAS-Driven cancer progression, invasion, and metastasis, Cancer Cell, 27, 561-573, doi: 10.1016/j.ccell.2015.02.014.

46. Peter, M. E., Hadji, A., Murmann, A. E., Brockway, S., Putzbach, W., Pattanayak, W., and Ceppi, P. (2015) The role of CD95 and CD95 ligand in cancer, Cell Death Differ., 22, 549-559, doi: 10.1038/cdd.2015.3.

47. Hadji, A., Ceppi, P., Murmann, A. E., Hadji, A., Ceppi, P., et al. (2014) Death induced by CD95 or CD95 ligand elimination, Cell Rep, 7, 208-222, doi: 10.1016/j.celrep.2014.02.035.

48. Chakraborty, S., Mir, K. B., Seligson, N. D., Nayak, D., Kumar, R., and Goswami, A. (2020) Integration of EMT and cellular survival instincts in reprogramming of programmed cell death to anastasis, Cancer Metastasis Rev., 39, 553-566, doi: 10.1007/s10555-020-09866-x.

49. Xu, Y., So, C., Lam, H. M., Fung, M. C., and Tsang, S. Y. (2018) Apoptosis reversal promotes cancer stem cell-like cell formation, neoplasia (United States), 20, 295-303, doi: 10.1016/j.neo.2018.01.005.

50. De Falco, S. (2012) The discovery of placenta growth factor and its biological activity, Exp. Mol. Med., 44, 1-9, doi: 10.3858/emm.2012.44.1.025.

51. Fresquet, V., Rieger, M., Carolis, C., García-Barchino, M. J., and Martinez-Climent, J. A. (2014) Acquired mutations in BCL2 family proteins conferring resistance to the BH3 mimetic ABT-199 in lymphoma, Blood, 123, 4111-4119, doi: 10.1182/blood-2014-03-560284.

52. Somasekharan, S. P., Koc, M., Morizot, A., Micheau, O., Sorensen, P. H. B., Gaide, O., Andera, L., and Martinou, J.-C. (2013) TRAIL promotes membrane blebbing, detachment and migration of cells displaying a dysfunctional intrinsic pathway of apoptosis, Apoptosis, 18, 324-336, doi: 10.1007/s10495-012-0782-6.