docpochodzenie i ewolucja śmierci komórki
download 
Reklamacja Transkrypt
pochodzenie i ewolucja śmierci komórki
POCHODZENIE I EWOLUCJA MIERCI KOMÓRKI POSTÊPY BIOLOGII KOMÓRKI 651 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 procesem, 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 wykszta³cania siê ró¿nych mechanizmów mierci komórek. S³owa kluczowe: Eukaryota, ewolucja, organizmy jednokomórkowe, organizmy wielokomórkowe, Prokaryota, 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. XX w. Kiedy w 1972 r. Kerr, Wyllie i Currie [40] zdefiniowali fenotypowe *Autorka jest studentk¹ II roku studiów magisterskich na kierunku biotechnologia Wydzia³u 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 eukariontów 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, prawdopodobnie, 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, fragmentacja 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 uporz¹dkowane 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 jednokomórkowych 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 przedstawicielach 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 Mammalia [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 porównawczym 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 pochodzenie 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 charakteryzowaniu cech swoistych dla rolin. Wspomniane ju¿ dyskusje nad wystêpowaniem autofagii w komórkach zwierz¹t jeszcze bardziej zaciemnia³y obraz. Dopiero niedawno 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 Ca2+ [33, 47]. Zaobserwowano równie¿, 656 M. MARUNIEWICZ, P. WOJTASZEK ¿e znacz¹ca czêæ szlaków sygna³owych aktywuje PCD poprzez podwy¿szenie poziomu reaktywnych form tlenu ROS (ang. Reactive Oxygen Species) w komórce [35]. Czêsto obserwuje siê fragmentacjê chromatyny i degradacjê j¹dra oraz zwiêkszon¹ aktywnoæ proteaz cysteinowych. Co ciekawe, mimo licznych poszukiwañ odpowiedników kaspaz, jak dot¹d nie wykryto takich bia³ek. U rolin i grzybów, a tak¿e u pierwotniaków stwierdzono jednak obecnoæ metakaspaz bia³ek, które zdaj¹ siê tworzyæ z kaspazami zwierzêcymi wspóln¹ nadrodzinê bia³ek [47, 57, 60, 63]. Znacz¹ce wydaj¹ siê równie¿ obserwacje wskazuj¹ce, ¿e ekspresja genów typowych dla PCD zwierz¹t w liniach transgenicznych rolin zaburza przebieg mierci komórki (patrz np. [20, 46]). Ewolucyjne ród³a mierci u organizmów wielokomórkowych Jedn¹ z konsekwencji teorii komórkowej jest spojrzenie na organizm wielokomórkowy jako na swoist¹ spo³ecznoæ komórek, wyodrêbnion¹ z otoczenia i cile zale¿n¹ od wyspecjalizowania, umiejscowienia, zró¿nicowanych form aktywnoci i wzajemnych oddzia³ywañ miêdzy poszczególnymi jej sk³adowymi. Spo³ecznoæ, której liczebnoæ jest równie¿ precyzyjnie regulowana. Takie spojrzenie zaowocowa³o koncepcj¹ kontroli spo³ecznej. Jednym z przejawów owej kontroli jest wymiana sygna³ów miêdzy komórkami, w tym sygna³ów podtrzymuj¹cych ¿ycie komórek. W skrajnej postaci koncepcja kontroli spo³ecznej sprowadza siê wiêc do stwierdzenia, ¿e ka¿da komórka mo¿e prze¿yæ tak d³ugo, jak d³ugo docieraj¹ do niej sygna³y powstrzymuj¹ce dzia³ania programu autodestrukcji, który jest programem podstawowym [58]. W takim uk³adzie ¿ycie jest ci¹g³ym powstrzymywaniem mierci, a mieræ komórki jest trwale wpisana w funkcjonowanie organizmu. Wystarczy wiêc pozbawiæ komórkê sygna³ów podtrzymuj¹cych ¿ycie i uruchomione zostan¹ programy eliminuj¹ce. Z drugiej strony, spojrzenie bardziej antropomorficzne wskazuje pewien rodzaj altruizmu w mierci komórki zamiera ona wtedy, gdy jest to konieczne z punktu widzenia spo³ecznoci komórek jako ca³oci. Czy takie spojrzenie jest w pe³ni uzasadnione? Wydaje siê, ¿e raczej nie. Spogl¹daj¹c na mechanizmy molekularne mierci komórki trzeba by bowiem przyj¹æ, ¿e wraz z pojawieniem siê organizmów wielokomórkowych pojawi³ siê równie¿ ca³y zestaw genów mierci. Tymczasem, obecnie obserwowana funkcja danego procesu jest sum¹ drobnych zmian przystosowawczych, których pierwotnego znaczenia czêsto nie jestemy w stanie odgadn¹æ. Co wiêcej, przyjêcie za³o¿enia, ¿e program mierci jest programem podstawowym wyklucza równie¿ mo¿liwoæ wystêpowania tego procesu u organizmów jednokomórkowych. Je¿eli bowiem PCD jest procesem polegaj¹cym na unicestwieniu komórki nios¹cej program genetyczny tego¿ procesu, to u organizmów jednokomórkowych mieræ w wyniku realizacji programu prowadzi³aby jednoczenie do eliminacji genomu go nios¹cego [4]. Innym spojrzeniem na pochodzenie procesu mierci komórki jest potraktowanie PCD jako formy pierwotnej odpornoci organizmów wielokomórkowych [69]. Wystêpowanie PCD jako odpowiedzi na atak patogenu u rolin, owadów i ssaków zdaje siê tê tezê potwierdzaæ [4]. Komórka zaka¿ona mo¿e staæ siê ród³em infekcji POCHODZENIE I EWOLUCJA MIERCI KOMÓRKI 657 zagra¿aj¹cej ca³emu organizmowi. Uruchamiaj¹c gwa³towny program mierci zatrzymuje reprodukcjê patogenu i zapobiega dalszemu rozprzestrzenianiu siê zaka¿enia [36]. Z drugiej strony, mikroorganizmy patogenne dostosowuj¹ stale swoje strategie prze¿ywania, a jedn¹ z dróg jest wykszta³canie mechanizmów hamuj¹cych proces gwa³townej mierci gospodarza, np. wytwarzanie bia³ek naladuj¹cych funkcjonalnie Bcl-2 [4, 6, 7]. Te obserwacje pozwalaj¹ przypuszczaæ, ¿e pierwotnie programowana mieræ komórki by³a efektem koewolucji gospodarza i patogenu, a dopiero póniej, poprzez w³¹czenie dodatkowych mechanizmów regulatorowych, zosta³a wykorzystana jako sposób na kontrolê liczebnoci i jakoci komórek organizmu wielokomórkowego. POCHODZENIE MIERCI KOMÓRKI EUKARIONTY JEDNOKOMÓRKOWE mieræ komórki wród heterotrofów jednokomórkowych W ostatnich latach pojawi³y siê prace wskazuj¹ce, ¿e mieræ komórki, zapewne o pod³o¿u genetycznym, ma miejsce równie¿ u jednokomórkowców [75]. Do chwili obecnej zebrane dane dotycz¹ co najmniej kilkunastu gatunków organizmów jednokomórkowych. Co wiêcej, w przebadanych przypadkach czêsto stwierdza siê, ¿e mieræ komórki wykazuje wiele cech uznawanych za typowe m.in. dla apoptozy [4]. Na przyk³ad, zastosowanie leków przeciwko paso¿ytniczej Leishmania donovani indukowa³o kondensacjê chromatyny, fragmentacjê DNA (pozytywny wynik testu TUNEL), zwiêkszenie przepuszczalnoci b³ony komórkowej oraz zaburzenia potencja³u b³ony mitochondrialnej. Porednio wykazano tak¿e obecnoæ proteaz cysteinowych [48]. Przypadki mierci komórki opisano tak¿e u Trypanosoma cruzi [5], T. brucei rhodesiense [67], L. amazonensis [54], L. major [9], Tetrahymena thermophila [18], Peridinium gatunense [66], Dictyostelium discoideum [19] oraz u Plasmodium falciparum [2]. mieræ komórki jest tu warunkowana czynnikami zewnêtrznymi, np. sygna³ami od innych komórek w obrêbie kolonii T. cruzi i T. termophilia, warunkami pokarmowymi D. discoideum czy nawet w przypadku paso¿ytniczej L. amazonensis sygna³ami od gospodarza. Warto zaznaczyæ, ¿e ka¿dy z procesów mierci komórki, mimo ¿e uznawany za formê PCD, podlega regulacji swoistej dla gatunku. Co wiêcej, s¹ przes³anki by s¹dziæ, ¿e mieræ komórki dotyczy równie¿ wyspecjalizowanych pierwotniaków pozba-wionych mitochondriów, takich jak Trichomonas vaginalis czy Giardia intestinalis (przegl¹d w [17]). mieræ komórki, czêsto o cechach zbli¿onych do apoptozy [51], ma miejsce równie¿ u dro¿d¿y Saccharomyces cerevisiae czy Schizosaccharomyces pombe. Obserwuje siê j¹, gdy dro¿d¿e znajduj¹ siê w warunkach ograniczonych zasobów pokarmowych, w przypadku niemo¿noci znalezienia partnera do rozmna¿ania p³ciowego, czy te¿ w reakcji na toksyny wytwarzane przez inne szczepy grzybów (przegl¹d w [16, 30]). Mimo wielu analiz genomicznych nie potwierdzono jak dot¹d 658 M. MARUNIEWICZ, P. WOJTASZEK obecnoci genów koduj¹cych bia³ka podobne do bia³ek z rodziny Bcl-2/Bax w ¿adnym organizmie jednokomórkowym [4]. Jednak u obu gatunków dro¿d¿y ekspresja genów koduj¹cych sk³adniki szlaków apoptotycznych, pochodz¹cych z organizmów wielokomórkowych, prowadzi³a do mierci komórki. Wykorzystano m.in. geny koduj¹ce Bax, kaspazy, p53, CED-4/Apaf-1 (przegl¹d w [27]). Co ciekawe, nadekspresja ludzkiego bia³ka Bcl-2 prowadzi do przed³u¿enia czasu ¿ycia komórek dro¿d¿y [50]. Póniejsze prace doprowadzi³y do wykrycia dro¿d¿owych odpowiedników bia³ek reguluj¹cych apoptozê u wy¿szych eukariontów, takich jak: metakaspaza Yca 1p/Mca 1p [52] czy te¿ czynnik indukuj¹cy apoptozê Aif 1p [70]. mieræ komórki u autotrofów jednokomórkowych Szczególnym przypadkiem, przynajmniej ze wzglêdu na charakter mierci komórki, wydaj¹ siê byæ jednokomórkowe eukarionty autotroficzne. mieræ komórki wykryto u zielenicy Dunaliella tertiolecta w populacjach planktonowych. W warunkach naturalnych do masowej autolizy komórek dochodzi po zakwicie, a wiêc w sytuacji pogorszenia warunków wzrostu. W warunkach in vitro populacje Dunaliella prze¿ywa³y bez wiêkszych zmian liczebnoci warunki g³odzenia azotowego, natomiast do gwa³townej mierci komórek dochodzi³o przy przed³u¿aj¹cym siê braku wiat³a [12]. mieræ ta charakteryzowa³a siê przejawami morfologicznymi typowymi dla apoptozy; zidentyfikowano równie¿ aktywnoæ proteolityczn¹ typow¹ dla kaspaz. Ta ostatnia obserwacja sta³a siê podstaw¹ sugestii, ¿e przynajmniej niektóre elementy maszynerii mierci pojawi³y siê w komórkach jeszcze przed pojawieniem siê organizmów wielokomórkowych [61]. Heterotrofy i autotrofy ograniczenia koncepcji altruistycznej Porównanie obu grup organizmów eukariotycznych wskazuje na pewne interesuj¹ce prawid³owoci. Organizmy heterotroficzne zdolne s¹ do pobierania i wykorzystywania organicznych róde³ wêgla i azotu z otoczenia. Znaczna ich czêæ, np. Dictyostelium czy dro¿d¿e, ¿yje w koloniach, gdzie organizmy s¹ na ogó³ blisko spokrewnione lub wrêcz s¹ klonami nios¹cymi ten sam materia³ genetyczny. W takich sytuacjach PCD mo¿e pe³niæ rolê swoistej kontroli populacyjnej. W rodowisku bogatym w substancje pokarmowe pojedyncze ameboidalne komórki Dictyostelium ¿eruj¹ indywidualnie. Przy przekroczeniu pewnej granicznej gêstoci populacji, co zwykle oznacza równie¿ wyczerpanie sk³adników pokarmowych, komórki ³¹cz¹ siê tworz¹c pseudoplazmodium i dalej owocnik. W nim czêæ komórek ulega programowanej mierci, czêæ natomiast ró¿nicuje siê w spory. Gdy warunki ulegn¹ poprawie, spory odtwarzaj¹ koloniê [19]. Podobnie, u dro¿d¿y kolonie wywodz¹ siê zwykle z pojedynczej komórki. Po wielu kolejnych podzia³ach komórkowych tworzy siê ustrukturalizowana kolonia, z m³odymi komórkami na zewn¹trz i stref¹ dojrza³ych, starzej¹cych siê i zamieraj¹cych w procesie PCD komórek w rodku kolonii [64]. W obu przypadkach, mieræ komórek ma wartoæ przystosowawcz¹ dla kolonii jako ca³oci. Z kolei Dunaliella jest obligatoryjnym fotoautotrofem. W tym przypadku, ¿aden organizm nie jest w stanie wykorzystaæ substancji organicznych uwolnionych POCHODZENIE I EWOLUCJA MIERCI KOMÓRKI 659 w wyniku mierci s¹siaduj¹cych komórek. St¹d altruistyczna wizja mierci komórki zdaje siê nie mieæ w tym przypadku potwierdzenia. Czemu wiêc wystêpuje? Autorzy pracy [61] spekuluj¹, ¿e pocz¹tkowo kaspazy by³y proteazami zaanga¿owanymi w normalne procesy wzrostu i rozwoju, które w szczególnych warunkach, np. braku wiat³a, mog³y ulegaæ niekontrolowanej aktywacji. Ich swoista aktywnoæ sprawia za, ¿e objawy mierci s¹ tak znacz¹co podobne do apoptozy. POCHODZENIE MIERCI KOMÓRKI PROKARIONTY mieræ komórek prokariotycznych opisywano od dziesi¹tków lat, jednak¿e dopiero w ostatnich latach podjêto próby interpretacji niektórych przynajmniej procesów jako zbli¿onych do PCD. Podobnie jak u jednokomórkowych eukariontów, równie¿ u niektórych bakterii niekorzystne warunki rodowiska mog¹ aktywowaæ mieræ komórki, której efektem bêdzie liza i uwolnienie zawartoci do otoczenia. Co ciekawe, sygna³y rodowiskowe nie s¹ tu czynnikiem wystarczaj¹cym, gdy¿ zwykle konieczna jest równie¿ wymiana sygna³ów miêdzy komórkami, zwi¹zana z funkcjonowaniem mechanizmu quorum sensing [73]. Bakterie z grupy Streptomyces czy Myxobacteria w odpowiedzi na zmianê warunków rodowiska tworz¹ zró¿nicowane pod wzglêdem kszta³tu struktury, sk³adaj¹ce siê z komórek martwych oraz spor przetrwalnikowych [53, 72]. Sporulacja jest równie¿ sta³ym elementem cyklu ¿yciowego Bacillus subtilis czy Caulobacter crescentus. W wyniku podzia³u asymetrycznego powstaje du¿a komórka wegetatywna oraz po³¹czona z ni¹ pre-spora. Po przekszta³ceniu pre-spory w dojrza³¹ sporê komórka wegetatywna zamiera. Szlak, którym bêd¹ ró¿nicowaæ siê obie komórki, zale¿y od zró¿nicowania stê¿eñ regulatorów ekspresji i aktywnoci ró¿nych czynników transkrypcyjnych w obu komórkach [24]. Mimo ¿e nie wszystkie gatunki bakterii tworz¹ spory, proces ró¿nicowania uzyskany dziêki z³amaniu symetrii podzia³u mo¿e byæ kluczowy dla przetrwania kolonii jako ca³oci [49, 59]. Wreszcie, proces regulowanej mierci komórki obserwowano równie¿ u sinic, np. z rodzaju Anabaena. Co ciekawe, w tym przypadku uda³o siê zanalizowaæ morfologiê procesu, która bardzo przypomina³a objawy mierci komórki z autofagi¹, typowe dla komórek rolinnych [55]. Z uwagi na brak wyodrêbnionego j¹dra komórkowego u prokariontów, apoptotyczny model programowanej mierci komórki zdaje siê byæ ograniczony jedynie do przedstawicieli Eukaryota. Nale¿y jednak wzi¹æ pod uwagê, ¿e apoptoza, której markerem morfologicznym jest stan j¹dra komórkowego, jest tylko jedn¹ z mo¿liwych manifestacji mierci komórki. Je¿eli u pod³o¿a mierci komórki zostan¹ zidentyfikowane bia³ka podobne strukturalnie lub funkcjonalnie, wówczas mo¿na bêdzie uznaæ, ¿e ma ona charakter mierci aktywnej i kontrolowanej, podobnej do PCD. Analizy porównawcze sta³y siê mo¿liwe w ostatnich latach, gdy udostêpniono wyniki sekwencjonowania genomów prokariotycznych i eukariotycznych. Wynika z nich, ¿e kilka kluczowych elementów szlaków mierci komórki u organizmów eukariotycznych, takich jak bia³ka podobne do kaspaz, apoptotyczne AP-ATPazy, NTPazy 660 M. MARUNIEWICZ, P. WOJTASZEK (g³ównie GTPazy) zawieraj¹ce domenê NACHT, czy wreszcie proteazy podobne do mitochondrialnej HtrA, kodowanych jest równie¿ przez genomy bakterii, lecz nie archeonów [13, 42]. Na przyk³ad, bia³ka nadrodziny proteaz podobnych do kaspaz wykryto w genomach organizmów ze wszystkich grup filetycznych. U zwierz¹t wystêpuj¹ zarówno kaspazy, jak i parakaspazy, które wykryto tak¿e u bakterii z grupy rizobiów. Natomiast metakaspazy s¹ obecne u rolin, grzybów, pierwotniaków oraz u wielu grup bakterii. U rolin niektóre metakaspazy wystêpuj¹ w postaci bia³ka wielodomenowego, po³¹czone np. z LSD1 regulatorem PCD [21, 60, 63]. Analizy porównawcze wskaza³y na jedn¹ interesuj¹c¹ prawid³owoæ: bia³ka enzymatyczne zaanga¿owane w mieræ komórki maj¹ bardzo szerok¹ dystrybucjê i doæ ³atwo mo¿na zidentyfikowaæ ich odpowiedniki u bakterii. Z kolei bia³ka nieenzymatyczne, spe³niaj¹ce np. rolê organizatorów kompleksów wielobia³kowych s¹ czêsto charakterystyczne jedynie dla okrelonej linii rozwojowej i nie maj¹ odpowiedników bakteryjnych. Interesuj¹cym wyj¹tkiem s¹ bia³ka zawieraj¹ce domenê TIR (ang. Tollinterleukin-receptor), gdy¿ funkcjonalny odpowiednik tej domeny znajdowany jest w bia³kach zwierz¹t i rolin oraz wielu grup bakterii [42]. KONCEPCJE POCHODZENIA MIERCI KOMÓRKI Jak siê wydaje, wyniki ostatnich lat sugeruj¹ wyranie, ¿e aktywna i regulowana mieræ komórki ma miejsce zarówno u organizmów eukariotycznych, jak i prokariotycznych. Problemem, który wymaga rozwa¿enia, staje siê wiêc: kiedy i w jaki sposób do tego dosz³o? Jak dot¹d sformu³owano kilka propozycji teoretycznych, wyjaniaj¹cych pochodzenie mierci komórki. Najpowszechniej rozwa¿ane s¹ trzy, niewykluczaj¹ce siê wzajemnie koncepcje: 1) endosymbiotyczna, 2) czynnika uzale¿niaj¹cego oraz 3) grzechu pierworodnego. Choæ wszystkie umiejscawiaj¹ ród³o mierci komórki g³êboko u podstaw drzewa ¿ycia, to odnosz¹ siê przede wszystkim do mierci komórki eukariotycznej. Wszystkie te¿, w istotnym stopniu, odnosz¹ siê do zwi¹zku mierci komórki z mitochondriami. Rola mitochondriów w mierci komórki Mitochondria pe³ni¹ kluczow¹ rolê w indukcji, a tak¿e egzekucji mierci komórki u wielu grup organizmów. Mo¿na je uznaæ za swoiste integratory sygnalizacji mierci. Bia³ka aktywuj¹ce apoptozê przemieszczaj¹ siê z cytoplazmy lub j¹dra w kierunku b³on mitochondriów, gdzie oddzia³uj¹ z receptorami z rodziny Bcl-2/Bax. Oddzia³ywania te prowadz¹ dalej do spadku potencja³u zewnêtrznej b³ony mitochondrialnej, co uznawane jest obecnie za cechê rozpoznawcz¹ apoptozy, przebiegaj¹cej szlakiem zarówno zale¿nym, jak i niezale¿nym od kaspaz [44]. Redukcja potencja³u b³onowego prowadzi do ucieczki Ca2+ do cytozolu. Wzrost stê¿enia wolnego wapnia w cytoplazmie wymusza aktywny transport tego jonu do wnêtrza mitochondriów. Ci¹g³a ucieczka Ca2+ przez otwarte pory oraz koniecznoæ transportowania go ponownie POCHODZENIE I EWOLUCJA MIERCI KOMÓRKI 661 do organelli powoduje wyczerpanie puli komórkowego ATP [25]. Mitochondria pêczniej¹, dochodzi do przerwania zewnêtrznej b³ony mitochondrialnej i uwolnienia bia³ek przestrzeni miêdzyb³onowej, które w istotny sposób mog¹ wp³ywaæ na przebieg mierci komórki. Takie bia³ka, jak: prokaspazy, cytochrom c, czy Smac/DIABLO (ang. Second mitochondria-derived activator of caspases/Direct IAP Binding protein with LOw pI) zwi¹zane s¹ ze szlakiem mierci zale¿nym od kaspaz; endonukleaza G, czy bia³ko AIF (ang. Apoptosis-Inducing Factor) sprzyjaj¹ uruchomieniu szlaku mierci niezale¿nego od kaspaz [44], natomiast proteaza serynowa HtrA2 wydaje siê byæ zdoln¹ do aktywacji obu szlaków [62]. Powy¿szy model jest oparty na wynikach badañ mierci komórek zwierz¹t, g³ównie ssaków. Choæ istniej¹ wskazówki, ¿e mitochondria mog¹ byæ zaanga¿owane w PCD u rolin, to zakres ich udzia³u w przebiegu mierci komórek ró¿nych typów w odpowiedzi na ró¿ne bodce nie zosta³ dot¹d w pe³ni wyjaniony (patrz np. [33, 47]). Hipoteza endosymbiotyczna Zgodnie z teori¹ endosymbiozy komórki eukariotyczne wywodz¹ siê od beztlenowego jednokomórkowego przodka, który przechwyci³ bakteriê z grupy α-proteobakterii, zawieraj¹c¹ ³añcuch oddechowy umo¿liwiaj¹cy fosforylacjê oksydacyjn¹. Uzyska³ on tym samym zdolnoæ do prowadzenia metabolizmu tlenowego. W swej oryginalnej postaci teoria endosymbiozy nie przes¹dza charakteru komórki -gospodarza i przechwyconej α-proteobakterii. Poszukuj¹c róde³ mierci komórki zwrócono uwagê na pewne, obserwowane wspó³czenie zale¿noci, zw³aszcza typu patogennego. Przyk³adem s¹ bakterie z rodzaju Neisseria, zdolne do wnikniêcia i funkcjonowania we wnêtrzu ludzkich komórek nab³onkowych czy fagocytów, lub bakterie z rodzaju Bdellovibrio, atakuj¹ce wiele gatunków bakterii Gram-ujemnych (przegl¹d w [25]). Po wnikniêciu do komórki gospodarza bakterie te s¹ otoczone dodatkow¹ b³on¹ pochodz¹c¹ od gospodarza, do której wydzielaj¹ bia³ka podobne do poryn, dzia³aj¹ce podobnie jak mitochondrialne kana³y VDAC. Zaproponowana w tym kontekcie hipoteza pochodzenia endosymbiotycznego mierci komórki uznaje komórkê eukariotyczn¹ nie za efekt wspó³pracy dwóch symbiontów, lecz raczej za wynik ustabilizowania pocz¹tkowego konfliktu miêdzy patogenem i gospodarzem i wymuszenia wspó³pracy miêdzy nimi [25, 42]. Zgodnie z takim modelem, poryny bakteryjne translokowane w b³onê gospodarza póniejsz¹ zewnêtrzn¹ b³onê mitochondrialn¹ sta³y siê sensorem stanu metabolicznego komórki-gospodarza, gdy¿ fizjologiczny potencja³ b³onowy i odpowiednio wysokie stê¿enie ATP by³y sygna³ami zamkniêcia kana³ów. Spadek stê¿enia ATP prowadzi³ natomiast do otwarcia poryn, obni¿enia potencja³u b³onowego i w konsekwencji do mierci gospodarza [25]. By prze¿yæ, bakteria endosymbiotyczna musia³a siê jeszcze wydostaæ na zewn¹trz gospodarza. Sugeruje siê, ¿e nag³y wzrost stê¿enia Ca2+ w cytozolu móg³ dzia³aæ jako sygna³ indukuj¹cy aktywacjê proteaz wydzielanych przez bakteriê i trawi¹cych komórkê gospodarza. Dopiero póniej pojawi³y siê bia³ka regulatorowe, które umo¿liwi³y komórce eukariotycznej przekszta³cenie procesu patogenezy w kontrolowan¹ mieræ komórki. To równie¿ mo¿e byæ przyczyn¹, dla której jak dot¹d u organizmów 662 M. MARUNIEWICZ, P. WOJTASZEK prokariotycznych nie wykryto na przyk³ad odpowiedników bia³ek z rodziny Bcl-2/ Bax [42]. Koncepcja czynnika uzale¿niaj¹cego Druga z koncepcji opisuj¹cych pochodzenie mierci komórki wywodzi siê ze stwierdzenia, ¿e w wiecie o¿ywionym podstawowym warunkiem przetrwania jest jak najlepsze wykorzystanie zasobów rodowiska. Jedn¹ ze strategii stosowanych przez prokarionty jest wydzielanie na zewn¹trz substancji toksycznych dla innych organizmów o d³ugim okresie pó³trwania. Toksyny (T) te nale¿¹ do bia³ek przerywaj¹cych ci¹g³oæ b³ony komórkowej lub enzymów niszcz¹cych DNA bakteryjne. Bakterie wydzielaj¹ce toksynê s¹ odporne na jej dzia³anie dziêki ekspresji genów koduj¹cych antidotum (A), utrzymywane wewn¹trz komórki i o krótkim okresie aktywnoci [4, 72]. Poniewa¿, w wiêkszoci przypadków, toksyna i antidotum kodowane s¹ przez plazmidy, a nie przez chromosom bakteryjny, mo¿na takie ujêcie rozszerzyæ jeszcze bardziej i uznaæ, ¿e równie¿ plazmidy czy bakteriofagi dysponuj¹ w³asn¹ strategi¹ przetrwania. Mo¿na równie¿ przyj¹æ, ¿e to komórki bakteryjne mog¹ byæ zasobem rodowiska nadaj¹cym siê do wykorzystania [37, 56]. Czynnikiem wystarczaj¹cym bêdzie obecnoæ, oprócz genów koniecznych do w³asnej replikacji i umo¿liwiaj¹cych szerzenie siê infekcji, modu³ów genetycznych koduj¹cych zarówno toksynê, jak i antidotum. Pojawienie siê czynnika infekcyjnego sprawi, ¿e bakteria zacznie wydzielaæ toksynê, która najpierw bêdzie zabijaæ przede wszystkim osobniki w³asnej kolonii. W krótkim czasie prowadzi to do efektywnego rozprzestrzenienia siê czynnika infekcyjnego w populacji. Co wiêcej, pojawia siê swoisty stan uzale¿nienia gospodarza od obecnoci prawid³owej formy czynnika infekcyjnego. Antidotum ma krótki czas trwania, gdy¿ jest degradowane we wnêtrzu komórki przez proteazy serynowe, naturalnie obecne w komórce i kodowane przez chromosom bakteryjny. Warunkiem prze¿ycia jest wiêc ci¹g³a synteza antidotum. W przypadku utraty plazmidu nios¹cego modu³ T/A nastêpuje zatrzymanie syntezy obu sk³adników. Jednak ró¿nica w okresie trwania obu elementów sprawia, ¿e komórka ginie od zawartej w pod³o¿u i nadal aktywnej toksyny. Podobny los czeka komórki, które nie otrzymaj¹ plazmidu podczas podzia³u [26, 28, 37, 72]. Integracja plazmidu lub samego modu³u przetrwania T/A z genomem komórki koñczy ten etap ewolucyjnego uzale¿nienia komórki [4]. W 1996 roku odkryto uzale¿niaj¹cy modu³ genetyczny w genomie Escherichia coli. Jest on z³o¿ony ze stabilnego bia³ka MazF, pe³ni¹cego funkcjê toksyny poprzez indukcjê zniszczeñ DNA oraz krótko ¿yj¹cego bia³ka MazE antidotum przeciwdzia³aj¹cego toksynie. W normalnych warunkach utrzymuje siê stan dynamicznej równowagi zapewniaj¹cy bakterii przetrwanie. W warunkach niekorzystnych nastêpuje zatrzymanie syntezy obu bia³ek. Degradacja MazE prowadzi do mierci komórki w wyniku zniszczeñ DNA wywo³anych przez MazF [1]. To odkrycie wskaza³o na kolejny mo¿liwy krok w ewolucji mierci komórki. Zarówno toksyna, jak i antidotum s¹ tu bia³kami wewn¹trzkomórkowymi, a ich ekspresja jest regulowana przez sygna³y docieraj¹ce do komórki. Co wiêcej, jest to równie¿ swoiste potwierdzenie, w POCHODZENIE I EWOLUCJA MIERCI KOMÓRKI 663 organizmie jednokomórkowym, koncepcji kontroli spo³ecznej. mieræ komórki nastêpuje bowiem nie w wyniku aktywacji programu mierci, lecz jego zahamowania przez sygna³y docieraj¹ce z zewn¹trz. Ten stopniowy proces ewolucyjny prowadzi wiêc do wykszta³cenia mierci komórki o cechach altruistycznych, pocz¹tkowo umo¿liwiaj¹cych przetrwanie kolonii organizmów jednokomórkowych, a póniej w³aciwe funkcjonowanie organizmu wielokomórkowego [3]. W takim kontekcie warto zauwa¿yæ, ¿e teoriê czynnika uzale¿niaj¹cego mo¿na tak¿e odnieæ do wspó³oddzia³ywañ miêdzy komórk¹ eukariotyczn¹ a mitochondrium. Mo¿na bowiem uznaæ, ¿e we wspó³czesnych komórkach mamy do czynienia z uzale¿nieniem obustronnym. Mitochondria uzale¿niaj¹ komórkê eukariotyczn¹, gdy¿ warunkuj¹ jej metabolizm tlenowy. Z drugiej strony, mitochondria, dziêki transferowi zdecydowanej wiêkszoci genów do genomu j¹drowego, s¹ równie¿ zwi¹zane nierozerwalnie z komórk¹. Istnienie komórki jako ca³oci jest uzale¿nione od dobrej kondycji wszystkich przedzia³ów komórki. To, ¿e regulacja mierci komórki ma miejsce g³ównie na styku cytozolu i mitochondrium mo¿e byæ konsekwencj¹ wczeniejszego procesu wzajemnego uzale¿niania. Zatem egzekucja mierci komórki drog¹ mitochondrialn¹ mo¿e byæ postrzegana jako usuwanie czynnika uzale¿niaj¹cego [4]. Hipoteza grzechu pierworodnego Punktem wyjcia do trzeciej z hipotez sta³a siê obserwacja, ¿e ka¿dy z procesów komórkowych niesie w sobie ryzyko b³êdu, wynikaj¹ce z niedoskona³oci konstrukcyjnej bia³ek. Ten b³¹d z kolei mo¿e zostaæ zminimalizowany przez wprowadzenie dodatkowych czynników regulatorowych/naprawczych. St¹d te¿ aktywnoæ komórek umo¿liwiaj¹ca im przetrwanie w zró¿nicowanych warunkach rodowiska, a obejmuj¹ca wiele procesów komórkowych, obarczona jest swoistym grzechem pierworodnym niemo¿noci¹ zapewnienia stuprocentowej dok³adnoci zdarzeñ molekularnych, co mo¿e doprowadziæ do samozniszczenia, mierci komórki. Dotyczy to w szczególnoci mechanizmów zwi¹zanych z funkcjonowaniem genomu. Z jednej strony konieczne jest bowiem powstrzymanie zmian genetycznych wynikaj¹cych z mutacji czy z b³êdów replikacji. Z drugiej za, równie niezbêdne jest dopuszczenie zró¿nicowania genetycznego, którego ewolucyjnym motorem s¹ w³anie mutacje oraz takie procesy, jak rekombinacja, koniugacja czy wreszcie rozmna¿anie p³ciowe. Koncepcja grzechu pierworodnego (podsumowanie w [4]) uznaje, ¿e w podobny sposób mo¿na rozpatrywaæ pojawienie siê mierci komórki. Tu równoleg³ymi i pozornie przeciwstawnymi trendami ewolucyjnymi bêd¹: 1) powstrzymywanie i 2) uruchamianie samozniszczenia komórki, a efektem bêdzie coraz bardziej wyrafinowany system regulacji procesu autodestrukcji. Z koncepcji grzechu pierworodnego wywieæ mo¿na kilka interesuj¹cych implikacji, z których najwa¿niejsz¹ wydaje siê byæ konstatacja, ¿e w komórkach nie istnieje ¿aden program genetyczny, którego jedynym celem dzia³ania jest uruchomienie lub powstrzymanie mierci komórki. T³umaczy to z jednej strony wieloæ postaci mierci komórki, które s¹ zale¿ne od aktualnego wyposa¿enia i ewolucyjnej historii komórek danego gatunku. Z drugiej za wskazuje, ¿e mieræ komórki jest raczej wynikiem 664 M. MARUNIEWICZ, P. WOJTASZEK zró¿nicowanego wykorzystania cz¹steczek, które normalnie funkcjonuj¹ w najwa¿niejszych procesach ¿yciowych komórki. Klasycznym przyk³adem bêdzie tu cytochrom c. Zamkniêty we wnêtrzu mitochondriów odgrywa znacz¹c¹ rolê w metabolizmie, natomiast uwolniony do cytozolu staje siê sk³adnikiem apoptosomu i aktywatorem kaspaz. Podobnie, endonukleaza G, uczestnicz¹ca normalnie w obróbce mitochondrialnego DNA, po uwolnieniu z mitochondriów staje siê aktywatorem mierci komórki niezale¿nej od kaspaz [4]. Mo¿na przypuszczaæ, ¿e równie¿ niektóre procesy komórkowe mog¹ ujawniaæ swe drugie oblicze w zmienionych warunkach otoczenia. Przyk³adem mo¿e byæ autofagia, gdy destrukcja zawartoci komórki mo¿e byæ wykorzystana do podtrzymania ¿ycia lub do usuniêcia komórki [29]. PODSUMOWANIE W chwili obecnej mo¿na ju¿ chyba stwierdziæ, ¿e mieræ komórki, rozumiana jako zdolnoæ do autodestrukcji pod wp³ywem okrelonych czynników rodowiskowych, jest procesem uniwersalnym w wiecie o¿ywionym mimo obserwowanych ró¿nic w obrazie fenotypowym, regulacji czy obecnoci poszczególnych elementów szlaku. Jednak¿e, g³ównie z powodu niewystarczaj¹cych danych dowiadczalnych, nie jest jeszcze mo¿liwe precyzyjne okrelenie zale¿noci i dróg ewolucji mierci komórki u ró¿nych grup organizmów. Nie ulega jednak w¹tpliwoci, ¿e wraz z postêpem badañ zmienia siê tak¿e sposób mylenia o mierci komórki. Zarysowany tutaj szereg pogl¹dów nie jest zbiorem zamkniêtym. Pojawia siê bowiem co najmniej kilka pytañ, których wyjanienie pomo¿e nam lepiej zrozumieæ proces ewolucji ¿ycia i mierci. W tym miejscu warto wskazaæ choæby dwa z nich. W jaki sposób funkcjonuj¹ procesy mierci komórki u organizmów niezawieraj¹cych mitochondriów? [17]. W jakim stopniu ró¿nice w przebiegu mierci komórki u organizmów z ró¿nych grup systematycznych, np. rolin i zwierz¹t s¹ efektem odrêbnej historii ewolucyjnej? LITERATURA [1] AIZENMAN E, ENGELBERG-KULKA H, GLASER G. An Escherichia coli chromosomal addiction module regulated by 3,5-bisphytophosphate: a model for programmed bacterial cell death. Proc Natl Acad Sci USA 1996; 93: 60596063. [2] AL-OLAYAN EM, WILLIAMS GT, HURD H. Apoptosis in the malaria protozoan Plasmodium berghei : a possible mechanism for limiting intensity of infection in the mosquito. Int J Parasitol 2002; 32: 1133 1144. [3] AMEISEN JC. The origin of programmed cell death. Science 1996; 272: 12781279. [4] AMEISEN JC. On the origin, evolution, and nature of programmed cell death: a timeline of four billion years. Cell Death Differ 2002; 9: 367393. [5] AMEISEN JC, IDZIOREK T, BILLAUT-MULOT O, LOYENES M, TISSIER JP, QUAISSI MA. Apoptosis in a unicellular eukaryote (Trypansoma cruzi): implications for the evolutionary origin and role of programmed cell death in the control of cell proliferation, differentiation and survival. Cell Death Differ 1995; 2: 285300. POCHODZENIE I EWOLUCJA MIERCI KOMÓRKI 665 [6] AMEISEN JC, PLESKOFF O, LELIEVRE JD, DE BELS F. Subversion of cell survival and cell death: viruses as enemies, tools, teachers and allies. Cell Death Differ 2003; 10 (Suppl): S3S6. [7] AOUACHERIA A, BRUNET F, GOUY M. Phylogenomics of life-or-death switches in multicellular animals: Bcl-2, BH3-only, and BNip families of apoptotic regulators. Mol Biol Evol 2005; 22: 23952416. [8] ARAVIND L, DIXIT VM, KOONIN EV. Apoptotic molecular machinery: vastly increased complexity in vertebrates revealed by genome comparisons. Science 2001; 291: 12791284. [9] ARNOULT D, AKARID K, GROODET A, PETIT PX, ESTAQUIER J, AMEISEN JC. On the evolution of programmed cell death: apoptosis of the unicellular eukaryote Leishmania major involves cysteine proteinase activation and mitochondrion permeabilization. Cell Death Differ 2002; 9: 6581. [10] BAEHRECKE EH. How death shapes life during development. Nat Rev Mol Cell Biol 2002; 3: 779-787. [11] BEERS EP, MCDOWELL JM. Regulation and execution of programmed cell death in response to pathogens, stress and developmental cues. Curr Opin Plant Biol 2001; 4: 561567. [12] BERGES JA, FALKOWSKI PG. Physiological stress and cell death in marine phytoplankton: Induction of proteases in response to nitrogen or light limitation. Limnol Oceanogr 1998; 43: 129135. [13] BOYCE M, DEGTEREV A, YUAN J. Caspases: an ancient cellular sword of Damocles. Cell Death Differ 2004; 11: 2937. [14] BRIDGHAM JT, WILDER JA, HOLLOCHER H, JOHNSON AL. All in the family: evolutionary and functional relationships among cell death receptors. Cell Death Differ 2003; 10: 1925. [15] BURSCH W. Multiple cell death programs: Charons lift to Hades. FEMS Yeast Res 2004; 5: 101110. [16] BÜTTNER S, EISENBERG T, HERKER E, CARMONA-GUTIERREZ D, KROEMER G, MADEO F. Why yeast cells can undergo apoptosis: death in times of peace, love, and war. J Cell Biol 2006; 175: 521525. [17] CHOSE O, SARDE C-O, GERBOD D, VISCOGLIOSI E, ROSETO A. Programmed cell death in parasitic protozoans that lack mitochondria. Trends Parasitol 2003; 19: 559564. [18] CHRISTENSEN ST, WHEATLEY DN, RASMUSSEN MI, RASMUSSEN L. Mechanisms controlling death, survival and proliferation in a model unicellular eukaryote Tetrahymena thermophila. Cell Death Differ 1995; 2: 301308. [19] CORNILLON S, FOA C, DAVOUST J, BUONAVISTA N, GROSS JD, GOLSTEIN P. Programmed cell death in Dictyostelium. J Cell Sci 1994; 107: 26912704. [20] DICKMAN MB, PARK YK, OLTERSDORF T, LI W, CLEMENTE T, FRENCH R. Abrogation of disease development in plants expressing animal antiapoptotic genes. Proc Natl Acad Sci USA 2001; 98: 6957 6962. [21] DIETRICH RA, RICHBERG MH, SCHMIDT R, DEAN C, DANGL JL. A novel zinc finger protein is encoded by the Arabidopsis LSD1 gene and functions as a negative regulator of plant cell death. Cell 1997; 88: 685694. [22] EDINGER AL, THOMPSON CB. Death by design: apoptosis, necrosis and autophagy. Curr Opin Cell Biol 2004; 16: 663669. [23] ELLIS RE, HORVITZ HR. Genetic control of programmed cell death in the nematode C. elegans. Cell 1986; 44: 817829. [24] ERRINGTON J. Determination of cell fate in Bacillus subtilis. Trends Genet 1996; 12: 3134. [25] FRADE JM, MICHAELIDIS TM. Origin of eukaryotic programmed cell death: a consequence of aerobic metabolism? BioEssays 1997; 19: 827832. [26] FRENCH T, GERDES K. Programmed cell death in bacteria: translational repression by mRNA endpairing. Mol Microbiol 1996; 21: 10491060. [27] FRÖHLICH K-U, MADEO F. Apoptosis in yeast a monocellular organism exhibits altruistic behaviour. FEBS Lett 2000; 473: 69. [28] GERDES K, RASMUSSEN PB, MOLIN S. Unique type of plasmid maintenance function: postsegregational killing of plasmid-free cells. Proc Natl Acad Sci USA 1986; 83: 31163120. [29] GOLSTEIN P, KROEMER G. Redundant cell death mechanisms as relics and backups. Cell Death Differ 2005; 12: 14901496. [30] GOURLAY CW, DU W, AYSCOUGH KR. Apoptosis in yeast mechanisms and benefits to a unicellular organism. Mol Microbiol 2006; 62: 15151521. [31] GREEN DR. Apoptotic pathways: ten minutes to dead. Cell 2005; 121: 671674. [32] GUIMARÃES CA, LINDEN R. Programmed cell death. Apoptosis and alternative deathstyles. Eur J Biochem 2004; 271: 16381650. [33] HOEBERICHTS FA, WOLTERING EJ. Multiple mediators of plant programmed cell death: interplay of conserved cell death mechanisms and plant-specific regulators. BioEssays 2002; 25: 4757. 666 M. MARUNIEWICZ, P. WOJTASZEK [34] HUETTENBRENNER S, MAIER S, LEISSER C, POLGAR D, STRASSER S, GRUSCH M, KRUPITZA G. The evolution of cell death programs as prerequisites of multicellularity. Mutat Res Rev Mutat Res 2003; 543: 235249. [35] JABS T. Reactive oxygen intermediates as mediators of programmed cell death in plants and animals. Biochem Pharmacol 1999; 57: 231245. [36] JAMES ER, GREEN DR. Infection and the origins of apoptosis. Cell Death Differ 2002; 9: 355357. [37] JENSEN RB, GERDES K. Programmed cell death in bacteria: proteic plasmid stabilization systems. Mol Microbiol 1995; 17: 205210. [38] JONES AM, DANGL JL. Logjam at the Styx: programmed cell death in plants. Trends Plant Sci 1996; 1: 114119. [39] JONES JDG, DANGL JL. The plant immune system. Nature 2006; 444: 323329. [40] KERR JFR, WYLLIE AH, CURRIE AR. Apoptosis: a basic biological phenomenon with wide-ranging implications in tissue kinetics. Brit J Cancer 1972; 26: 239257. [41] KLIONSKY DJ. Autophagy: from phenomenology to molecular understanding in less than a decade. Nat Rev Mol Cell Biol 2007; 8: 931937. [42] KOONIN EV, ARAVIND L. Origin and evolution of eukaryotic apoptosis: the bacterial connection. Cell Death Differ 2002; 9: 394404. [43] KROEMER G, EL-DEIRY WS, GOLSTEIN P, PETER ME, VAUX D, VANDENABEELE P, ZHIVOTOVSKY B, BLAGOSKLONNY MV, MALORNI W, KNIGHT RA, PIACENTINI M, NAGATA S, MELINO G. Classification of cell death: recommendations of the Nomenclature Committee on Cell Death. Cell Death Differ 2005; 12: 14631467. [44] KROEMER G, REED JC. Mitochondrial control of cell death. Nat Med 2000; 6: 513519. [45] KURIYAMA H, FUKUDA H. Developmental programmed cell death in plants. Curr Opin Plant Biol 2002; 5: 568573. [46] LACOMME C, SANTA CRUZ S. Bax-induced cell death in tobacco is similar to the hypersensitive response. Proc Natl Acad Sci USA 1999; 96: 79567961. [47] LAM E. Controlled cell death, plant survival and development. Nat Rev Mol Cell Biol 2004; 5: 305315. [48] LEE N, BERTHOLET S, DEBRABANT A, MULLER J, DUNCAN R, NAKHASI HL. Programmed cell death in the unicellular protozoan parasite Leishmania. Cell Death Differ 2002; 9: 5364. [49] LEWIS K. Programmed death in bacteria. Microbiol Mol Biol Rev 2000; 64: 503514. [50] LONGO VD, ELLERBY LM, BREDESEN DE, VALENTINE JS, GRALLA EB. Human Bcl-2 reverses survival defects in yeast lacking superoxide dismutase and delays death of wild-type yeast. J Cell Biol 1997; 137: 15811588. [51] MADEO F, FRÖHLICH E, FRÖHLICH K-U. A yeast mutant showing diagnostic markers of early and late apoptosis. J Cell Biol 1997; 139: 729734. [52] MADEO F, HERKER E, MALDENER C, WISSING S, LACHELT S, HERLAN M, FEHR M, LAUBER K, SIGRIST SJ, WESSELBORG S, FRÖHLICH K-U. A caspase-related protease regulates apoptosis in yeast. Mol Cell 2002; 9: 911917. [53] MIGUELEZ EM, HARDISSON C, MANZANAL MB. Hyphal death during colony development in Streptomyces antibioticus: morphological evidence for the existence of process of cell deletion in a multicellular prokaryote. J Cell Biol 1999; 145: 515525. [54] MOREIRA MEC, DEL PORTILLO HA, MILDER RV, BALANCO JM, BARCINSKI MA. Heat shock induction of apoptosis in promastigotes of unicellular organism Leishmania amazonensis. J Cell Physiol 1996; 167: 305313. [55] NING S-B, GUO H-L, WANG L, SONG Y-C. Salt stress induces programmed cell death in prokaryotic organism Anabaena. J Appl Microbiol 2002; 93: 1528. [56] NORDSTRÖM K, AUSTIN SJ. Mechanisms that contribute to the stable segregation of plasmids. Annu Rev Genet 1989; 23: 3769. [57] PISZCZEK E, GUTMAN W. Caspase-like proteases and their role in programmed cell death in plants. Acta Physiol Plant 2007; 29: 391398. [58] RAFF MC. Social controls on cell survival and cell death. Nature 1992; 356: 397400. [59] SAMUILOV VD, OLESKIN AV, LAGUNOVA EM. Programmed cell death. Biochemistry (Moscow) 2000; 65: 873887. [60] SANMARTIN M, JAROSZEWSKI L, RAIKHEL NV, ROJO E. Caspases. Regulating death since the origin of life. Plant Physiol 2005; 137: 841847. POCHODZENIE I EWOLUCJA MIERCI KOMÓRKI 667 [61] SEGOVIA M, HARAMATY L, BERGES JA, FALKOWSKI PG. Cell death in the unicellular chlorophyte Dunaliella tertiolecta. A hypothesis on the evolution of apoptosis in higher plants and metazoans. Plant Physiol 2003; 132: 99105. [62] SUZUKI Y, IMAI Y, NAKAYAMA H, TAKAHASHI K, TAKIO K, TAKAHASHI R. A serine protease, HtrA2, is released from the mitochondria and interacts with XIAP, inducing cell death. Mol Cell 2001; 8: 613621. [63] UREN A, OROURKE K, ARAVIND L, PISABARRO M, SESHAGIRI S, KOONIN E, DIXIT V. Identification of paracaspases and metacaspases: two ancient families of caspase-like proteins, one of which plays a role in MALT lymphoma. Mol Cell 2000; 6: 961967. [64] VACHOVA L, PALKOVA Z. Physiological regulation of yeast cell death in multicellular colonies is triggered by ammonia. J Cell Biol 2005; 169: 711717. [65] VAN DOORN WG, WOLTERING EJ. Many ways to exit? Cell death categories in plants. Trends Plant Sci 2005; 10: 117122. [66] VARDI A, BERMAN-FRANK I, ROZENBERG T, HADAS O, KAPLAN A, LEVINE A. Programmed cell death of the dinoflagellate Peridinium gatunense is mediated by CO2 limitation and oxidative stress. Curr Biol 1999; 9: 10611064. [67] WELBURN SC, DALE C, ELLIS D, BEECROFT R, PEARSON TW. Apoptosis in procyclic Trypansoma brucei rhodesiense in vitro. Cell Death Differ 1996; 3: 229236. [68] WIENS M, MILLER WEG. Cell death in Porifera: molecular players in the game of apoptotic cell death in living fossils. Can J Zool 2006; 84: 307321. [69] WILLIAMS GT. PCD: a fundamental protective response to pathogens. Trends Microbiol 1994; 12: 463464. [70] WISSING SP, LUDOVICO P, HERKER E, BÜTTNER S, ENGELHARDT SM, DECKER T, LINK A, PROKSCH A, RODRIGUES F, CORTE-REAL M, FRÖHLICH K-U, MANNS J, CANDÉ C, SIGRIST SJ, KROEMER G, MADEO F. An AIF orthologue regulates apoptosis in yeast. J Cell Biol 2004; 166: 969 974. [71] WOJTASZEK P. Programowana mieræ komórki. W: Wony A, Michejda J, Ratajczak L [red.] Podstawy Biologii Komórki Rolinnej. Poznañ, Wydawnictwo Naukowe UAM, 2000: 547570. [72] YARMOLINSKY MB. Programmed cell death in bacterial populations. Science 1995; 267: 836837. [73] YOU L, COX RS, WEISS R, ARNOLD FH. Programmed population control by cell-cell communication and regulated killing. Nature 2004; 428: 868871. [74] YUAN J. Divergence from a dedicated cellular suicide mechanism: exploring the evolution of cell death. Mol Cell 2006; 23: 112. [75] ZAGÓRSKA-MAREK B. Wzrost i ró¿nicowanie. W: Wojtaszek P, Wony A, Ratajczak L. [red.] Biologia Komórki Rolinnej. Funkcja. Warszawa, Wydawnictwo Naukowe PWN, 2007: 560615. Redaktor prowadz¹cy Jerzy Kawiak Otrzymano:13.10. 2007 r. Przyjêto: 20.11. 2007 r. ul. Miêdzychodzka 5, 60-371 Poznañ e-mail: [email protected]
