ewolucja apoptozy, Ewolucjonizm - kreacjonizm, Ewolucja
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
POCHODZENIE I EWOLUCJA MIERCI KOMÓRKI
651
POSTÊPY BIOLOGII KOMÓRKI
TOM 34 2007 NR 4 (651667)
POCHODZENIE I EWOLUCJA MIERCI KOMÓRKI
THE ORIGIN AND EVOLUTION OF CELL DEATH
Michalina MARUNIEWICZ*, Przemys³aw WOJTASZEK
Zak³ad Biologii Molekularnej i Komórkowej,
Uniwersytet im. Adama Mickiewicza, Poznañ
Streszczenie: mieræ komórki jest regulowanym genetycznie procesem wystêpuj¹cym powszechnie w
wiecie ¿ywym. Przez dziesi¹tki lat uznawano, ¿e mieræ komórki jest zjawiskiem typowym wy³¹cznie
dla organizmów wielokomórkowych, a wiêc i doæ m³odym ewolucyjnie. Tymczasem w ostatnich latach
genetycznie regulowan¹ mieræ komórek udokumentowano u wielu organizmów jednokomórkowych
zarówno eukariotycznych, jak i prokariotycznych. Dane te sugeruj¹ wiêc, ¿e mieræ komórek jest proce-
sem, który towarzyszy ¿yciu od samego pocz¹tku. W artykule porównano wybrane przyk³ady mierci
komórek u ró¿nych grup organizmów. Na tej podstawie przedstawiono przegl¹d hipotez dotycz¹cych
powstania i ewolucji procesu programowanej mierci komórki. Wskazano równie¿ mo¿liwe drogi wy-
kszta³cania siê ró¿nych mechanizmów mierci komórek.
S³owa kluczowe: Eukaryota, ewolucja, organizmy jednokomórkowe, organizmy wielokomórkowe, Pro-
karyota, mieræ komórki (pochodzenie).
Summary: Cell death is a genetically regulated process occurring commonly in nature. For decades cell
death was considered to be typical only for multicellular organisms and, consequently, relatively young in
evolutionary terms. However, genetically regulated cell death has recently been documented in many
unicellular organisms, both eukaryotic and prokaryotic. These data suggest that cell death might be an old
process accompanying life since its beginning. In this paper, examples of cell death processes in different
organisms are compared. On that basis an overview of hypotheses on origin and evolution of cell death is
presented. Possible ways for the emergence of different cell death mechanisms are also discussed.
Key words: cell death (origin), Eukaryotes, evolution, multicellular organisms, Prokaryotes, unicellular
organisms.
Pierwsze obserwacje umieraj¹cych komórek bezkrêgowców i krêgowców pojawi³y
siê w XIX wieku, a systematyczne badania tego zjawiska rozpoczê³y siê w latach
50. XXÂ w. Kiedy w 1972Â r. Kerr, Wyllie i Currie [40] zdefiniowali fenotypowe
*Autorka jest studentk¹ II roku studiów magisterskich na kierunku biotechnologia Wydzia-
³u Biologii UAM.
652
M. MARUNIEWICZ, P. WOJTASZEK
kryteria apoptozy wydawa³o siê, ¿e zosta³y stworzone solidne podstawy do badañ
cile okrelonego procesu. Póniejsze analizy szczegó³owe oraz badania mierci
komórek organizmów z innych grup systematycznych, takich jak grzyby i roliny,
wykaza³y jednak, ¿e komórki mog¹ umieraæ na wiele ró¿nych sposobów. Tym
niemniej powszechnie przyjmowano, ¿e programowana mieræ komórki PCD (ang.
programmed cell death) jest fenomenem wystêpuj¹cym wy³¹cznie w wiecie
organizmów wielokomórkowych (przegl¹d w np. [10, 15, 22, 31, 34, 47, 59, 65]; w
pimiennictwie polskim patrz np. [71, 75]). Jednak w latach 90. XX w. pojawi³y siê
pierwsze prace sugeruj¹ce, ¿e podobne zjawisko mo¿e mieæ miejsce tak u eukarion-
tów jednokomórkowych, jak i u prokariontów. Otwiera to fascynuj¹c¹ perspektywê
badañ nad ród³ami mierci komórki. W niniejszej pracy postaramy siê pokazaæ
podejmowane próby odpowiedzi na dwa zasadnicze pytania: 1) jakie jest pochodzenie
mierci komórki i 2) dlaczego powsta³o i jak wyewoluowa³o wiele mechanizmów
mierci?
MIERÆ KOMÓRKI DEFINICJE
Mimo up³ywu wielu dziesiêcioleci badañ, mieræ komórki oraz drogi wiod¹ce do
niej nie doczeka³y siê wystarczaj¹co jasnych i precyzyjnych definicji. mieræ jest
bowiem procesem rozgrywaj¹cym siê na poziomie komórkowym, do którego
przyczyniaæ mo¿e siê wiele mechanizmów molekularnych. St¹d te¿ nadal najlepszymi
kryteriami opisu ró¿nych form mierci wydaj¹ siê kryteria morfologiczne, oparte na
obserwacjach mikroskopowych. Podejmowane od czasu do czasu próby kodyfikacji
dostêpnych danych, tak¿e te najnowsze [43, 65] jedynie porz¹dkuj¹ sytuacjê.
Poniewa¿ komórki mog¹ umieraæ na wiele ró¿nych sposobów, nale¿y odró¿niæ
umieranie jako proces od mierci jako punktu koñcowego tego procesu. W
procesie umierania komórki mo¿na wyodrêbniæ trzy kolejne etapy:
1) sygnalizacyjny, w którym nastêpuje odebranie i przekszta³cenie docieraj¹cych
sygna³ów wewnêtrznych i zewnêtrznych;
2) egzekutorowy, gdy uruchomiona maszyneria biochemiczna prowadzi komórkê
do mierci oraz
3) oczyszczaj¹cy, kiedy nastêpuje usuniêcie pozosta³oci komórki z organizmu w
trakcie lub po jej mierci [29, 71].
O ile etap pierwszy jest we wszystkich przypadkach elementem niezbêdnym, o
tyle dwa pozosta³e nie musz¹ ju¿ spe³niaæ wymogu natychmiastowej i bezwzglêdnej
wykonalnoci. Dziêki temu staje siê mo¿liwe odró¿nienie komórki umieraj¹cej,
ale ¿ywej od komórki martwej. Ma to du¿e znaczenie w przypadku np. komórek
martwych, które dopiero po mierci staj¹ siê komórkami wa¿nymi funkcjonalnie dla
organizmu, takich jak keratynocyty u ssaków czy cz³ony naczyñ u rolin kwiatowych,
b¹d te¿ komórek, u których proces umierania jest rozci¹gniêty w czasie, np. kilku
tygodni lub miesiêcy w starzej¹cych siê liciach drzew czy te¿ nawet kilku lat, jak
POCHODZENIE I EWOLUCJA MIERCI KOMÓRKI
653
w komórkach endospermu zbó¿, gdy komórki umieraj¹ce w trakcie formowania
nasion s¹ degradowane dopiero podczas kie³kowania [65].
Wyró¿nia siê trzy g³ówne typy mierci komórki. Nekrozê definiuje siê jako
katastrofê bioenergetyczn¹, wynikaj¹c¹ z wyczerpania zasobów ATP (i, prawdopodo-
bnie, NAD
+
), której przejawami morfologicznymi s¹: pêcznienie komórki i jej organelli,
przerwanie ci¹g³oci b³ony komórkowej oraz zmiany w organizacji j¹dra i chromatyny
[22, 29, 43]. Przeciwstawia siê j¹ zwykle pozosta³ym dwóm typom mierci komórki
jako mieræ pasywn¹, wywo³an¹ przypadkowymi czynnikami zewnêtrznymi, np.
toksynami czy zniszczeniem fizycznym. Apoptozê uznaje siê za aktywn¹ formê
mierci wymagaj¹c¹ dostarczenia ATP. Jej definicja nie zmieni³a siê znacz¹co od
1972 r. [40]. Nadal definiowana jest ze wzglêdu na przejawy morfologiczne procesu,
takie jak: obkurczenie komórki, kondensacja i marginalizacja chromatyny, fragmenta-
cja DNA, utrzymywanie integralnoci b³ony komórkowej do pónych faz procesu
czy wreszcie formowanie cia³ek apoptotycznych, wch³anianych nastêpnie przez
komórki s¹siednie lub wyspecjalizowane komórki ¿erne [32]. Ze wzglêdu na tê
ostatni¹ cechê uznaje siê, ¿e apoptotyczna mieræ komórki nie ma miejsca u
organizmów, których komórki otoczone s¹ cian¹ komórkow¹, czyli u rolin i
grzybów [65]. U pod³o¿a apoptozy mo¿e le¿eæ kilka ró¿nych mechanizmów, st¹d
te¿ Nomenclature Committee on Cell Death (NCCD) sugeruje na przyk³ad, by
analizy fragmentacji DNA czy aktywacji kaspaz uznawaæ za narzêdzia diagnozy,
lecz nie definicji apoptozy [43]. Komórki mog¹ równie¿ umieraæ w drodze autofagii.
Autofagiczna mieræ komórki charakteryzuje siê intensywnym nagromadzeniem
autofagosomów i dalej wakuolizacj¹ cytoplazmy, którym nie towarzysz¹ uporz¹dko-
wane zmiany w organizacji chromatyny. W wyniku autofagii mo¿e dochodziæ do
eliminacji ca³ych skupisk komórkowych. Autofagiê zaobserwowano pocz¹tkowo u
dro¿d¿y, a nastêpnie udokumentowano przede wszystkim u rolin kwiatowych. Ten
typ mierci komórki wzbudza obecnie najwiêcej dyskusji, zw³aszcza w odniesieniu
do mierci komórek zwierzêcych [41]. Zwraca siê uwagê przede wszystkim na to,
¿e autofagia jest procesem o dwojakim przeznaczeniu: 1) narzêdzia umo¿liwiaj¹cego
przetrwanie komórek w okresach niedoboru sk³adników pokarmowych lub 2)
narzêdzia rozk³adu sk³adników komórki przed mierci¹ [10, 22]. St¹d te¿ sugeruje
siê, by u¿ywaæ okreleñ typu mieræ komórki z autofagi¹, które nie przes¹dzaj¹
samego mechanizmu, a jedynie zawieraj¹ opis morfologii mierci [43]. W odniesieniu
do komórek rolinnych proponuje siê równie¿ uszczegó³owienie okrelenia autofagia
ze wzglêdu na zakres zmian zachodz¹cych w komórce [65].
Odrêbnego komentarza wymaga termin programowana mieræ komórki
(PCD). Wprowadzono go, aby podkreliæ, ¿e jest to mieræ komórki regulowana
genetycznie. Dalsz¹ konotacj¹ sta³o siê odniesienie terminu PCD g³ównie do
procesów rozwojowych oraz do obrony organizmu przed infekcj¹ patogenn¹. Tu
chcemy zwróciæ uwagê, ¿e PCD jest terminem znacznie szerszym ni¿ apoptoza czy
autofagia. Z drugiej strony, zgodnie z sugesti¹ NCCD, wskazujemy równie¿, ¿e
okrelenie PCD nie jest bezwzglêdnie uniwersalne i w niektórych sytuacjach
dowiadczalnych mo¿e okazaæ siê myl¹ce [43].
654
M. MARUNIEWICZ, P. WOJTASZEK
POCHODZENIE MIERCI KOMÓRKI EUKARIONTY
WIELOKOMÓRKOWE
Konsekwencj¹ panuj¹cego powszechnie przekonania, ¿e mieræ komórki jest cech¹
organizmów wielokomórkowych, by³o równie¿ przewiadczenie, ¿e PCD pojawi³a
siê doæ póno w ewolucji, wraz z powstaniem z³o¿onych form ¿ycia. Tymczasem
obserwacje nagromadzone w ostatnich kilkunastu latach, a dotycz¹ce jednokomór-
kowych eukariontów oraz organizmów prokariotycznych, zdaj¹ siê wskazywaæ na
bardzo stare, siêgaj¹ce pocz¹tków ¿ycia komórkowego, korzenie zjawiska mierci
komórki [75].
mieræ komórki u Metazoa
Pierwsze obserwacje mierci komórek pojawi³y siê w trakcie badañ rozwoju
embrionalnego zwierz¹t. Pocz¹tkowo definiowano PCD jako mieræ okrelonej
komórki w okrelonym miejscu i czasie. Przyczyni³y siê do tego zw³aszcza analizy
rozwoju embrionalnego Caenorhabditis elegans, w trakcie których zaobserwowano,
¿e pewna sta³a liczba komórek ulega degradacji w sposób wskazuj¹cy na istnienie
pod³o¿a genetycznego tego zjawiska [23]. Dalsze badania prowadzone na przedsta-
wicielach odleg³ych filogenetycznie rodzin wskaza³y, ¿e proces eliminacji komórek
w trakcie rozwoju embrionalnego, a tak¿e póniejszego rozwoju osobniczego jest
zjawiskiem powszechnym i jest regulowany genetycznie. Dotyczy on formowania
struktur, np. paliczków d³oni i stóp u ssaków, usuwania struktur, np. ogona kijanek
¿ab, a zw³aszcza przemodelowania cia³a w trakcie metamorfozy u owadów. W ten
sposób kontrolowana jest liczba i jakoæ komórek organizmu, usuwane s¹ komórki
bêd¹ce w nadmiarze, np. w trakcie rozwoju uk³adu nerwowego oraz komórki
zagra¿aj¹ce funkcjonowaniu organizmu, np. w wyniku nagromadzenia mutacji lub z
uszkodzonym materia³em genetycznym [10]. Wreszcie, w procesie programowanej
mierci zamieraj¹ komórki zainfekowane, co mo¿e byæ traktowane jako pierwotna
forma reakcji obronnych organizmów wielokomórkowych [36, 69].
Zjawisko mierci komórki zosta³o udokumentowane u wszystkich badanych grup
zwierz¹t: Porifera, Cnidaria, Nematoda, Insecta, Amphibia, Pisces, Aves i Mam-
malia [3, 68]. Obserwowane podobieñstwo PCD u tych grup dotyczy nie tylko samej
obecnoci mierci komórki, ale równie¿ pewnych objawów fenotypowych,
mechanizmów kontrolnych, a tak¿e pod³o¿a molekularnego procesu. Badania na
mutantach C. elegans wskaza³y, ¿e kluczow¹ rolê w mierci komórki odgrywaj¹
produkty czterech genów. Bia³ko Ced-3 nale¿y do rodziny proteaz cysteinowych
kaspaz i jest produkowane jako nieaktywny prekursor. Ced-4 jest bia³kiem
adapterowym, a jego przy³¹czenie siê do Ced-3 indukuje ciêcie autokatalityczne i
aktywacjê kaspazy. Bia³ko Ced-9 jest represorem, który przez wi¹zanie z Ced-4
uniemo¿liwia aktywacjê kaspaz. Wreszcie, produkt genu Egl-1 wi¹¿e siê z Ced-9
blokuj¹c jego funkcjê represorow¹. W ostatnich latach, dziêki badaniom porówna-
wczym genomów, zidentyfikowano liczne homologi genów C. elegans m.in. u
POCHODZENIE I EWOLUCJA MIERCI KOMÓRKI
655
Drosophila melanogaster, myszy i cz³owieka. Wykazano nie tylko wspólne pocho-
dzenie tych genów, ale tak¿e wielk¹ ró¿norodnoæ ich produktów w obrêbie grup
filogenetycznych [4, 7, 8, 14]. Nale¿y jednak zaznaczyæ, ¿e mieræ komórek zwierz¹t
mo¿e mieæ wiele ró¿nych postaci, u pod³o¿a których mog¹ le¿eæ pewne swoiste
mechanizmy, i ów prosty mechanizm kontrolny regulacji mierci komórki u C. elegans
nie musi ju¿ mieæ, i zwykle nie ma, takiej postaci u innych organizmów. Znanych
jest wiele przyk³adów mierci komórek niezale¿nej od aktywacji kaspaz [32] b¹d,
z drugiej strony, udzia³u typowych bia³ek mierci w innych procesach ¿yciowych
komórki [74].
mieræ komórki u rolin kwiatowych
Problem wystêpowania programowanej mierci komórki u rolin by³ przez wiele
lat zaniedbywany i dopiero w ostatnich latach uznano PCD za nieod³¹czny element
procesów wzrostu i rozwoju roliny, a tak¿e za jeden z istotnych sk³adników
odpowiedzi rolin na atak patogenu [11, 39, 71, 75]. To opónienie sprawi³o jednak,
¿e przez d³ugi czas badania koncentrowa³y siê na poszukiwaniu objawów mierci
identycznych z tymi, które znane by³y dla komórek zwierz¹t, a nie na charaktery-
zowaniu cech swoistych dla rolin. Wspomniane ju¿ dyskusje nad wystêpowaniem
autofagii w komórkach zwierz¹t jeszcze bardziej zaciemnia³y obraz. Dopiero nie-
dawno osi¹gniêto, jak siê wydaje, porozumienie i uznano, ¿e mieræ komórek
rolinnych nie wykazuje przejawów typowych dla apoptozy komórek zwierzêcych,
natomiast najczêciej daje siê j¹ opisaæ jako mieræ komórki z autofagi¹ [65]. G³ówn¹
przyczyn¹ jest, w wiêkszoci przypadków, brak fazy trzeciej mierci komórki, czyli
usuniêcia jej pozosta³oci z organizmu, a to za spraw¹ otoczenia protoplastów
rolinnych przez ciany komórkowe. Jedynie w nielicznych przypadkach dochodzi
do strawienia równie¿ i cian komórki. Tak wiêc, martwe komórki pozostaj¹ na
miejscu, pe³ni¹c niezwykle wa¿ne funkcje, np. szkieletu rolinnego czy te¿ tkanki
przewodz¹cej wodê [33, 45]. PCD spe³nia u rolin podobne funkcje jak u zwierz¹t:
1) usuwane s¹ struktury, które wype³ni³y swoje funkcje, np. komórki wieszade³ka,
2) formowane s¹ struktury, np. cz³ony naczyñ, aerenchyma, czy niektóre typy
lici (Monstera),
3) zamieraj¹ce komórki pe³ni¹ funkcje ochronne, np. komórki czapeczki korzenia.
Równie¿ starzenie i opadanie lici przebiega szlakiem programowanej mierci.
Wreszcie komórki rolinne pora¿one przez patogena, a czêsto i komórki s¹siaduj¹ce
zamieraj¹ w wyniku PCD okrelanej jako reakcja nadwra¿liwoci HR (ang.
Hypersensitive Response). Dziêki temu nie dochodzi do rozprzestrzeniania siê
infekcji, co zwiêksza szansê przetrwania organizmu [39].
Mimo oczywistych ró¿nic, widoczne s¹ tak¿e pewne podobieñstwa PCD rolin i
zwierz¹t wielokomórkowych tak fenotypowe, jak i biochemiczne czy molekularne
[38]. Programowan¹ mieræ komórek rolin mog¹ zatem wywo³ywaæ czynniki
zewnêtrzne, np. niekorzystne warunki rodowiska, jak i wewnêtrzne, np. hormony
oraz inne zwi¹zki sygna³owe, przede wszystkim kwas salicylowy, kwas jasmonowy,
etylen, ABA, kwas giberelinowy oraz jony Ca
2+
[33, 47]. Zaobserwowano równie¿,
[ Pobierz całość w formacie PDF ]