651

POCHODZENIE I EWOLUCJA ŒMIERCI KOMÓRKI

POSTÊPY BIOLOGII KOMÓRKI

TOM 34 2007 NR 4 (651–667)

POCHODZENIE I EWOLUCJA ŒMIERCI KOMÓRKI

THE ORIGIN AND EVOLUTION OF CELL DEATH

Michalina MARUNIEWICZ*, Przemys³aw WOJTASZEK

Zak³ad Biologii Molekularnej i Komórkowej,

Uniwersytet im. Adama Mickiewicza, Poznañ

Streszczenie: Œmieræ komórki jest regulowanym genetycznie procesem wystêpuj¹cym powszechnie w

œwiecie ¿ywym. Przez dziesi¹tki lat uznawano, ¿e œmieræ komórki jest zjawiskiem typowym wy³¹cznie

dla organizmów wielokomórkowych, a wiêc i doœæ m³odym ewolucyjnie. Tymczasem w ostatnich latach

genetycznie regulowan¹ œmieræ komórek udokumentowano u wielu organizmów jednokomórkowych

zarówno eukariotycznych, jak i prokariotycznych. Dane te sugeruj¹ wiêc, ¿e œmieræ komórek jest proce-

sem, który towarzyszy ¿yciu od samego pocz¹tku. W artykule porównano wybrane przyk³ady œmierci

komórek u ró¿nych grup organizmów. Na tej podstawie przedstawiono przegl¹d hipotez dotycz¹cych

powstania i ewolucji procesu programowanej œmierci komórki. Wskazano równie¿ mo¿liwe drogi wy-

kszta³cania siê ró¿nych mechanizmów œmierci komórek.
S³owa kluczowe: Eukaryota, ewolucja, organizmy jednokomórkowe, organizmy wielokomórkowe, Pro-

karyota, œmieræ 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 Wydzia-

³u Biologii UAM.

652

M. MARUNIEWICZ, P. WOJTASZEK

kryteria apoptozy wydawa³o siê, ¿e zosta³y stworzone solidne podstawy do badañ

œciœle okreœlonego procesu. PóŸniejsze analizy szczegó³owe oraz badania œmierci

komórek organizmów z innych grup systematycznych, takich jak grzyby i roœliny,

wykaza³y jednak, ¿e komórki mog¹ umieraæ na wiele ró¿nych sposobów. Tym

niemniej powszechnie przyjmowano, ¿e programowana œmieræ komórki – PCD (ang.

programmed cell death) jest fenomenem wystêpuj¹cym wy³¹cznie w œwiecie

organizmów wielokomórkowych (przegl¹d w np. [10, 15, 22, 31, 34, 47, 59, 65]; w

piœmiennictwie 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 Ÿród³ami œmierci komórki. W niniejszej pracy postaramy siê pokazaæ

podejmowane próby odpowiedzi na dwa zasadnicze pytania: 1) jakie jest pochodzenie

œmierci komórki i 2) dlaczego powsta³o i jak wyewoluowa³o wiele mechanizmów

œmierci?

ŒMIERÆ KOMÓRKI – DEFINICJE

Mimo up³ywu wielu dziesiêcioleci badañ, œmieræ komórki oraz drogi wiod¹ce do

niej nie doczeka³y siê wystarczaj¹co jasnych i precyzyjnych definicji. Œmieræ 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 œmierci 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 œmierci 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 œmierci oraz

3) oczyszczaj¹cy, kiedy nastêpuje usuniêcie pozosta³oœci komórki z organizmu w

trakcie lub po jej œmierci [29, 71].

O ile etap pierwszy jest we wszystkich przypadkach elementem niezbêdnym, o

tyle dwa pozosta³e nie musz¹ ju¿ spe³niaæ wymogu natychmiastowej i bezwzglêdnej

wykonalnoœci. 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 œmierci staj¹ siê komórkami wa¿nymi funkcjonalnie dla

organizmu, takich jak keratynocyty u ssaków czy cz³ony naczyñ u roœlin kwiatowych,

b¹dŸ te¿ komórek, u których proces umierania jest rozci¹gniêty w czasie, np. kilku

tygodni lub miesiêcy w starzej¹cych siê liœciach drzew czy te¿ nawet kilku lat, jak

653

POCHODZENIE I EWOLUCJA ŒMIERCI KOMÓRKI

w komórkach endospermu zbó¿, gdy komórki umieraj¹ce w trakcie formowania

nasion s¹ degradowane dopiero podczas kie³kowania [65].

Wyró¿nia siê trzy g³ówne typy œmierci 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 ci¹g³oœci b³ony komórkowej oraz zmiany w organizacji j¹dra i chromatyny

[22, 29, 43]. Przeciwstawia siê j¹ zwykle pozosta³ym dwóm typom œmierci komórki

jako œmieræ pasywn¹, wywo³an¹ przypadkowymi czynnikami zewnêtrznymi, np.

toksynami czy zniszczeniem fizycznym. Apoptozê uznaje siê za aktywn¹ formê

œmierci 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 integralnoœci b³ony komórkowej do póŸnych 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 œmieræ komórki nie ma miejsca u

organizmów, których komórki otoczone s¹ œcian¹ komórkow¹, czyli u roœlin 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 œmieræ 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 roœlin kwiatowych. Ten

typ œmierci komórki wzbudza obecnie najwiêcej dyskusji, zw³aszcza w odniesieniu

do œmierci 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 œmierci¹ [10, 22]. St¹d te¿ sugeruje

siê, by u¿ywaæ okreœleñ typu œmieræ komórki z autofagi¹, które nie przes¹dzaj¹

samego mechanizmu, a jedynie zawieraj¹ opis morfologii œmierci [43]. W odniesieniu

do komórek roœlinnych proponuje siê równie¿ uszczegó³owienie okreœlenia autofagia

ze wzglêdu na zakres zmian zachodz¹cych w komórce [65].

Odrêbnego komentarza wymaga termin programowana œmieræ komórki

(PCD). Wprowadzono go, aby podkreœliæ, ¿e jest to œmieræ 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

okreœlenie PCD nie jest bezwzglêdnie uniwersalne i w niektórych sytuacjach

doœwiadczalnych mo¿e okazaæ siê myl¹ce [43].

654

M. MARUNIEWICZ, P. WOJTASZEK

POCHODZENIE ŒMIERCI KOMÓRKI – EUKARIONTY

WIELOKOMÓRKOWE

Konsekwencj¹ panuj¹cego powszechnie przekonania, ¿e œmieræ komórki jest cech¹

organizmów wielokomórkowych, by³o równie¿ przeœwiadczenie, ¿e PCD pojawi³a

siê doœæ póŸno 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 œmierci

komórki [75].

Œmieræ komórki u Metazoa

Pierwsze obserwacje œmierci komórek pojawi³y siê w trakcie badañ rozwoju

embrionalnego zwierz¹t. Pocz¹tkowo definiowano PCD jako œmieræ okreœlonej

komórki w okreœlonym 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 póŸniejszego 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 jakoœæ 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

œmierci zamieraj¹ komórki zainfekowane, co mo¿e byæ traktowane jako pierwotna

forma reakcji obronnych organizmów wielokomórkowych [36, 69].

Zjawisko œmierci 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

obecnoœci œmierci 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 œmierci 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

655

POCHODZENIE I EWOLUCJA ŒMIERCI KOMÓRKI

Drosophila melanogaster, myszy i cz³owieka. Wykazano nie tylko wspólne pocho-

dzenie tych genów, ale tak¿e wielk¹ ró¿norodnoœæ ich produktów w obrêbie grup

filogenetycznych [4, 7, 8, 14]. Nale¿y jednak zaznaczyæ, ¿e œmieræ 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 œmierci komórki u C. elegans

nie musi ju¿ mieæ, i zwykle nie ma, takiej postaci u innych organizmów. Znanych

jest wiele przyk³adów œmierci komórek niezale¿nej od aktywacji kaspaz [32] b¹dŸ,

z drugiej strony, udzia³u typowych bia³ek œmierci w innych procesach ¿yciowych

komórki [74].

Œmieræ komórki u roœlin kwiatowych

Problem wystêpowania programowanej œmierci komórki u roœlin by³ przez wiele

lat zaniedbywany i dopiero w ostatnich latach uznano PCD za nieod³¹czny element

procesów wzrostu i rozwoju roœliny, a tak¿e za jeden z istotnych sk³adników

odpowiedzi roœlin na atak patogenu [11, 39, 71, 75]. To opóŸnienie sprawi³o jednak,

¿e przez d³ugi czas badania koncentrowa³y siê na poszukiwaniu objawów œmierci

identycznych z tymi, które znane by³y dla komórek zwierz¹t, a nie na charaktery-

zowaniu cech swoistych dla roœlin. Wspomniane ju¿ dyskusje nad wystêpowaniem

autofagii w komórkach zwierz¹t jeszcze bardziej zaciemnia³y obraz. Dopiero nie-

dawno osi¹gniêto, jak siê wydaje, porozumienie i uznano, ¿e œmieræ komórek

roœlinnych nie wykazuje przejawów typowych dla apoptozy komórek zwierzêcych,

natomiast najczêœciej daje siê j¹ opisaæ jako œmieræ komórki z autofagi¹ [65]. G³ówn¹

przyczyn¹ jest, w wiêkszoœci przypadków, brak fazy trzeciej œmierci komórki, czyli

usuniêcia jej pozosta³oœci z organizmu, a to za spraw¹ otoczenia protoplastów

roœlinnych przez œciany komórkowe. Jedynie w nielicznych przypadkach dochodzi

do strawienia równie¿ i œcian komórki. Tak wiêc, martwe komórki pozostaj¹ na

miejscu, pe³ni¹c niezwykle wa¿ne funkcje, np. szkieletu roœlinnego czy te¿ tkanki

przewodz¹cej wodê [33, 45]. PCD spe³nia u roœlin 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

liœci (Monstera),

3) zamieraj¹ce komórki pe³ni¹ funkcje ochronne, np. komórki czapeczki korzenia.

Równie¿ starzenie i opadanie liœci przebiega szlakiem programowanej œmierci.

Wreszcie komórki roœlinne pora¿one przez patogena, a czêsto i komórki s¹siaduj¹ce

zamieraj¹ w wyniku PCD okreœlanej jako reakcja nadwra¿liwoœci –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 roœlin i

zwierz¹t wielokomórkowych tak fenotypowe, jak i biochemiczne czy molekularne

[38]. Programowan¹ œmieræ komórek roœlin mog¹ zatem wywo³ywaæ czynniki

zewnêtrzne, np. niekorzystne warunki œrodowiska, 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¿,

656

M. MARUNIEWICZ, P. WOJTASZEK

¿e znacz¹ca czêœæ szlaków sygna³owych aktywuje PCD poprzez podwy¿szenie

poziomu reaktywnych form tlenu – ROS (ang. Reactive Oxygen Species) w ko-

mórce [35]. Czêsto obserwuje siê fragmentacjê chromatyny i degradacjê j¹dra oraz

zwiêkszon¹ aktywnoœæ proteaz cysteinowych. Co ciekawe, mimo licznych poszuki-

wañ odpowiedników kaspaz, jak dot¹d nie wykryto takich bia³ek. U roœlin i grzybów,

a tak¿e u pierwotniaków stwierdzono jednak obecnoœæ 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 roœlin zaburza przebieg œmierci

komórki (patrz np. [20, 46]).

Ewolucyjne Ÿród³a œmierci u organizmów wielokomórkowych

Jedn¹ z konsekwencji teorii komórkowej jest spojrzenie na organizm wieloko-

mórkowy jako na swoist¹ spo³ecznoœæ komórek, wyodrêbnion¹ z otoczenia i œciœle

zale¿n¹ od wyspecjalizowania, umiejscowienia, zró¿nicowanych form aktywnoœci i

wzajemnych oddzia³ywañ miêdzy poszczególnymi jej sk³adowymi. Spo³ecznoœæ, której

liczebnoœæ 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 podstawo-

wym [58]. W takim uk³adzie ¿ycie jest ci¹g³ym powstrzymywaniem œmierci, a œmieræ

komórki jest trwale wpisana w funkcjonowanie organizmu. Wystarczy wiêc pozba-

wiæ komórkê sygna³ów podtrzymuj¹cych ¿ycie i uruchomione zostan¹ programy

eliminuj¹ce. Z drugiej strony, spojrzenie bardziej antropomorficzne wskazuje pewien

rodzaj altruizmu w œmierci komórki – zamiera ona wtedy, gdy jest to konieczne z

punktu widzenia spo³ecznoœci komórek jako ca³oœci. Czy takie spojrzenie jest w pe³ni

uzasadnione? Wydaje siê, ¿e raczej nie. Spogl¹daj¹c na mechanizmy molekularne

œmierci komórki trzeba by bowiem przyj¹æ, ¿e wraz z pojawieniem siê organizmów

wielokomórkowych pojawi³ siê równie¿ ca³y zestaw genów œmierci. Tymczasem,

obecnie obserwowana funkcja danego procesu jest sum¹ drobnych zmian przystoso-

wawczych, których pierwotnego znaczenia czêsto nie jesteœmy w stanie odgadn¹æ.

Co wiêcej, przyjêcie za³o¿enia, ¿e program œmierci jest programem podstawowym

wyklucza równie¿ mo¿liwoœæ wystêpowania tego procesu u organizmów jednokomór-

kowych. Je¿eli bowiem PCD jest procesem polegaj¹cym na unicestwieniu komórki

nios¹cej program genetyczny tego¿ procesu, to u organizmów jednokomórkowych

œmieræ w wyniku realizacji programu prowadzi³aby jednoczeœnie do eliminacji genomu

go nios¹cego [4].

Innym spojrzeniem na pochodzenie procesu œmierci komórki jest potraktowanie

PCD jako formy pierwotnej odpornoœci organizmów wielokomórkowych [69].

Wystêpowanie PCD jako odpowiedzi na atak patogenu u roœlin, owadów i ssaków

zdaje siê tê tezê potwierdzaæ [4]. Komórka zaka¿ona mo¿e staæ siê Ÿród³em infekcji

657

POCHODZENIE I EWOLUCJA ŒMIERCI KOMÓRKI

zagra¿aj¹cej ca³emu organizmowi. Uruchamiaj¹c gwa³towny program œmierci zatrzy-

muje 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 œmierci gospodarza, np. wytwarzanie bia³ek naœladuj¹cych funkcjonalnie

Bcl-2 [4, 6, 7]. Te obserwacje pozwalaj¹ przypuszczaæ, ¿e pierwotnie programowana

œmieræ komórki by³a efektem koewolucji gospodarza i patogenu, a dopiero póŸniej,

poprzez w³¹czenie dodatkowych mechanizmów regulatorowych, zosta³a wykorzysta-

na jako sposób na kontrolê liczebnoœci i jakoœci komórek organizmu wielokomór-

kowego.

POCHODZENIE ŒMIERCI KOMÓRKI – EUKARIONTY

JEDNOKOMÓRKOWE

Œmieræ komórki wœród heterotrofów jednokomórkowych

W ostatnich latach pojawi³y siê prace wskazuj¹ce, ¿e œmieræ komórki, zapewne

o pod³o¿u genetycznym, ma miejsce równie¿ u jednokomórkowców [75]. Do chwili

obecnej zebrane dane dotycz¹ co najmniej kilkunastu gatunków organizmów jedno-

komórkowych. Co wiêcej, w przebadanych przypadkach czêsto stwierdza siê, ¿e

œmieræ komórki wykazuje wiele cech uznawanych za typowe m.in. dla apoptozy

[4]. Na przyk³ad, zastosowanie leków przeciwko paso¿ytniczej Leishmania dono-

vani indukowa³o kondensacjê chromatyny, fragmentacjê DNA (pozytywny wynik

testu TUNEL), zwiêkszenie przepuszczalnoœci b³ony komórkowej oraz zaburzenia

potencja³u b³ony mitochondrialnej. Poœrednio wykazano tak¿e obecnoœæ proteaz

cysteinowych [48]. Przypadki œmierci 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]. Œmieræ 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 œmierci komórki, mimo ¿e uznawany za formê PCD, podlega

regulacji swoistej dla gatunku. Co wiêcej, s¹ przes³anki by s¹dziæ, ¿e œmieræ komórki

dotyczy równie¿ wyspecjalizowanych pierwotniaków pozba-wionych mitochondriów,

takich jak Trichomonas vaginalis czy Giardia intestinalis (przegl¹d w [17]).

Œmieræ 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¿noœci 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

obecnoœci 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 wieloko-

mórkowych, prowadzi³a do œmierci 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]. PóŸniejsze

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].

Œmieræ komórki u autotrofów jednokomórkowych

Szczególnym przypadkiem, przynajmniej ze wzglêdu na charakter œmierci komórki,

wydaj¹ siê byæ jednokomórkowe eukarionty autotroficzne. Œmieræ 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¿y-

wa³y bez wiêkszych zmian liczebnoœci warunki g³odzenia azotowego, natomiast do

gwa³townej œmierci komórek dochodzi³o przy przed³u¿aj¹cym siê braku œwiat³a [12].

Œmieræ ta charakteryzowa³a siê przejawami morfologicznymi typowymi dla apoptozy;

zidentyfikowano równie¿ aktywnoœæ proteolityczn¹ typow¹ dla kaspaz. Ta ostatnia

obserwacja sta³a siê podstaw¹ sugestii, ¿e przynajmniej niektóre elementy maszynerii

œmierci 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 interesu-

j¹ce prawid³owoœci. Organizmy heterotroficzne zdolne s¹ do pobierania i wykorzysty-

wania organicznych Ÿróde³ wêgla i azotu z otoczenia. Znaczna ich czêœæ, np. Dictyo-

stelium czy dro¿d¿e, ¿yje w koloniach, gdzie organizmy s¹ na ogó³ blisko spokrew-

nione lub wrêcz s¹ klonami nios¹cymi ten sam materia³ genetyczny. W takich

sytuacjach PCD mo¿e pe³niæ rolê swoistej kontroli populacyjnej. W œrodowisku

bogatym w substancje pokarmowe pojedyncze ameboidalne komórki Dictyostelium

¿eruj¹ indywidualnie. Przy przekroczeniu pewnej granicznej gêstoœci populacji, co

zwykle oznacza równie¿ wyczerpanie sk³adników pokarmowych, komórki ³¹cz¹ siê

tworz¹c pseudoplazmodium i dalej owocnik. W nim czêœæ komórek ulega progra-

mowanej œmierci, czêœæ 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 œrodku kolonii [64].

W obu przypadkach, œmieræ komórek ma wartoœæ przystosowawcz¹ dla kolonii jako

ca³oœci. Z kolei Dunaliella jest obligatoryjnym fotoautotrofem. W tym przypadku,

¿aden organizm nie jest w stanie wykorzystaæ substancji organicznych uwolnionych

659

POCHODZENIE I EWOLUCJA ŒMIERCI KOMÓRKI

w wyniku œmierci s¹siaduj¹cych komórek. St¹d „altruistyczna” wizja œmierci 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

œwiat³a, mog³y ulegaæ niekontrolowanej aktywacji. Ich swoista aktywnoœæ sprawia

zaœ, ¿e objawy œmierci s¹ tak znacz¹co podobne do apoptozy.

POCHODZENIE ŒMIERCI KOMÓRKI – PROKARIONTY

Œmieræ 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 œrodowiska mog¹ aktywowaæ œmieræ

komórki, której efektem bêdzie liza i uwolnienie zawartoœci do otoczenia. Co ciekawe,

sygna³y œrodowiskowe 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 Myxo-

bacteria w odpowiedzi na zmianê warunków œrodowiska tworz¹ zró¿nicowane pod

wzglêdem kszta³tu struktury, sk³adaj¹ce siê z komórek martwych oraz spor przetrwal-

nikowych [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 przekszta³-

ceniu 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 aktywnoœci 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 ca³oœci

[49, 59]. Wreszcie, proces regulowanej œmierci komórki obserwowano równie¿ u

sinic, np. z rodzaju Anabaena. Co ciekawe, w tym przypadku uda³o siê zanalizowaæ

morfologiê procesu, która bardzo przypomina³a objawy œmierci komórki z autofagi¹,

typowe dla komórek roœlinnych [55].

Z uwagi na brak wyodrêbnionego j¹dra komórkowego u prokariontów, apopto-

tyczny model programowanej œmierci 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 œmierci komórki. Je¿eli u pod³o¿a œmierci komórki zostan¹ zidentyfiko-

wane bia³ka podobne strukturalnie lub funkcjonalnie, wówczas mo¿na bêdzie uznaæ,

¿e ma ona charakter œmierci 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 œmierci komórki u organizmów eukariotycz-

nych, 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 roœlin, grzybów, pierwotniaków

oraz u wielu grup bakterii. U roœlin niektóre metakaspazy wystêpuj¹ w postaci bia³ka

wielodomenowego, po³¹czone np. z LSD1 – regulatorem PCD [21, 60, 63]. Analizy

porównawcze wskaza³y na jedn¹ interesuj¹c¹ prawid³owoœæ: bia³ka enzymatyczne

zaanga¿owane w œmieræ komórki maj¹ bardzo szerok¹ dystrybucjê i doœæ ³atwo

mo¿na zidentyfikowaæ ich odpowiedniki u bakterii. Z kolei bia³ka nieenzymatyczne,

spe³niaj¹ce np. rolê organizatorów kompleksów wielobia³kowych s¹ czêsto charak-

terystyczne jedynie dla okreœlonej linii rozwojowej i nie maj¹ odpowiedników bakteryj-

nych. Interesuj¹cym wyj¹tkiem s¹ bia³ka zawieraj¹ce domenê TIR (ang. Toll-

interleukin-receptor), gdy¿ funkcjonalny odpowiednik tej domeny znajdowany jest

w bia³kach zwierz¹t i roœlin oraz wielu grup bakterii [42].

KONCEPCJE POCHODZENIA ŒMIERCI KOMÓRKI

Jak siê wydaje, wyniki ostatnich lat sugeruj¹ wyraŸnie, ¿e aktywna i regulowana

œmieræ komórki ma miejsce zarówno u organizmów eukariotycznych, jak i prokario-

tycznych. Problemem, który wymaga rozwa¿enia, staje siê wiêc: kiedy i w jaki

sposób do tego dosz³o? Jak dot¹d sformu³owano kilka propozycji teoretycznych,

wyjaœniaj¹cych pochodzenie œmierci komórki. Najpowszechniej rozwa¿ane s¹ trzy,

niewykluczaj¹ce siê wzajemnie koncepcje: 1) endosymbiotyczna, 2) czynnika uzale¿-

niaj¹cego oraz 3) grzechu pierworodnego. Choæ wszystkie umiejscawiaj¹ Ÿród³o

œmierci komórki g³êboko u podstaw drzewa ¿ycia, to odnosz¹ siê przede wszystkim

do œmierci komórki eukariotycznej. Wszystkie te¿, w istotnym stopniu, odnosz¹ siê

do zwi¹zku œmierci komórki z mitochondriami.

Rola mitochondriów w œmierci komórki

Mitochondria pe³ni¹ kluczow¹ rolê w indukcji, a tak¿e egzekucji œmierci komórki

u wielu grup organizmów. Mo¿na je uznaæ za swoiste integratory sygnalizacji œmierci.

Bia³ka aktywuj¹ce apoptozê przemieszczaj¹ siê z cytoplazmy lub j¹dra w kierunku

b³on mitochondriów, gdzie oddzia³uj¹ z receptorami z rodziny Bcl-2/Bax. Oddzia³y-

wania 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 Ca

2+

do cytozolu. Wzrost stê¿enia wolnego wapnia w cyto-

plazmie wymusza aktywny transport tego jonu do wnêtrza mitochondriów. Ci¹g³a

ucieczka Ca

2+

przez otwarte pory oraz koniecznoϾ transportowania go ponownie

661

POCHODZENIE I EWOLUCJA ŒMIERCI KOMÓRKI

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

œmierci 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 œmierci zale¿nym od kaspaz;

endonukleaza G, czy bia³ko AIF (ang. Apoptosis-Inducing Factor) sprzyjaj¹

uruchomieniu szlaku œmierci 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 œmierci komórek zwierz¹t, g³ównie ssaków.

Choæ istniej¹ wskazówki, ¿e mitochondria mog¹ byæ zaanga¿owane w PCD u roœlin,

to zakres ich udzia³u w przebiegu œmierci komórek ró¿nych typów w odpowiedzi

na ró¿ne bodŸce nie zosta³ dot¹d w pe³ni wyjaœniony (patrz np. [33, 47]).

Hipoteza endosymbiotyczna

Zgodnie z teori¹ endosymbiozy komórki eukariotyczne wywodz¹ siê od beztleno-

wego jednokomórkowego przodka, który przechwyci³ bakteriê z grupy

α

-proteo-

bakterii, zawieraj¹c¹ ³añcuch oddechowy umo¿liwiaj¹cy fosforylacjê oksydacyjn¹.

Uzyska³ on tym samym zdolnoœæ do prowadzenia metabolizmu tlenowego.

W swej oryginalnej postaci teoria endosymbiozy nie przes¹dza charakteru komórki

-gospodarza i przechwyconej

α

-proteobakterii. Poszukuj¹c Ÿróde³ œmierci komórki

zwrócono uwagê na pewne, obserwowane wspó³czeœnie zale¿noœci, 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 kontekœcie hipoteza pochodzenia endosymbiotycznego œmierci 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 – póŸniejsz¹ zewnêtrzn¹ b³onê mito-

chondrialn¹ – 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 œmierci gospodarza [25]. By

prze¿yæ, bakteria endosymbiotyczna musia³a siê jeszcze wydostaæ na zewn¹trz

gospodarza. Sugeruje siê, ¿e nag³y wzrost stê¿enia Ca

2+

w cytozolu móg³ dzia³aæ

jako sygna³ indukuj¹cy aktywacjê proteaz wydzielanych przez bakteriê i trawi¹cych

komórkê gospodarza. Dopiero póŸniej pojawi³y siê bia³ka regulatorowe, które umo¿li-

wi³y komórce eukariotycznej przekszta³cenie procesu patogenezy w kontrolowan¹

œmieræ 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 œmierci komórki wywodzi siê ze

stwierdzenia, ¿e w œwiecie o¿ywionym podstawowym warunkiem przetrwania jest

jak najlepsze wykorzystanie zasobów œrodowiska. 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 przery-

waj¹cych ci¹g³oœæ 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

aktywnoœci [4, 72].

Poniewa¿, w wiêkszoœci 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

œrodowiska nadaj¹cym siê do wykorzystania [37, 56]. Czynnikiem wystarczaj¹cym

bêdzie obecnoœæ, 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 wy-

dzielaæ 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 gospo-

darza od obecnoœci 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 przeciwdzia-

³aj¹cego toksynie. W normalnych warunkach utrzymuje siê stan dynamicznej równo-

wagi zapewniaj¹cy bakterii przetrwanie. W warunkach niekorzystnych nastêpuje

zatrzymanie syntezy obu bia³ek. Degradacja MazE prowadzi do œmierci komórki w

wyniku zniszczeñ DNA wywo³anych przez MazF [1]. To odkrycie wskaza³o na

kolejny mo¿liwy krok w ewolucji œmierci 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

663

POCHODZENIE I EWOLUCJA ŒMIERCI KOMÓRKI

organizmie jednokomórkowym, koncepcji kontroli spo³ecznej. Œmieræ komórki nastê-

puje bowiem nie w wyniku aktywacji programu œmierci, lecz jego zahamowania

przez sygna³y docieraj¹ce z zewn¹trz. Ten stopniowy proces ewolucyjny prowadzi

wiêc do wykszta³cenia œmierci komórki o cechach altruistycznych, pocz¹tkowo

umo¿liwiaj¹cych przetrwanie kolonii organizmów jednokomórkowych, a póŸniej

w³aœciwe funkcjonowanie organizmu wielokomórkowego [3].

W takim kontekœcie warto zauwa¿yæ, ¿e teoriê czynnika uzale¿niaj¹cego mo¿na

tak¿e odnieœæ 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 wiêkszoœci genów do genomu j¹drowego, s¹ równie¿ zwi¹zane

nierozerwalnie z komórk¹. Istnienie komórki jako ca³oœci jest uzale¿nione od dobrej

kondycji wszystkich przedzia³ów komórki. To, ¿e regulacja œmierci komórki ma miejsce

g³ównie na styku cytozolu i mitochondrium mo¿e byæ konsekwencj¹ wczeœniejszego

procesu wzajemnego uzale¿niania. Zatem egzekucja œmierci komórki drog¹ mitochon-

drialn¹ mo¿e byæ postrzegana jako usuwanie czynnika uzale¿niaj¹cego [4].

Hipoteza grzechu pierworodnego

Punktem wyjœcia do trzeciej z hipotez sta³a siê obserwacja, ¿e ka¿dy z procesów

komórkowych niesie w sobie ryzyko b³êdu, wynikaj¹ce z niedoskona³oœci konstruk-

cyjnej bia³ek. Ten b³¹d z kolei mo¿e zostaæ zminimalizowany przez wprowadzenie

dodatkowych czynników regulatorowych/naprawczych. St¹d te¿ aktywnoœæ komórek

umo¿liwiaj¹ca im przetrwanie w zró¿nicowanych warunkach œrodowiska, a obejmu-

j¹ca wiele procesów komórkowych, obarczona jest swoistym grzechem pierworod-

nym – niemo¿noœci¹ zapewnienia stuprocentowej dok³adnoœci zdarzeñ molekular-

nych, co mo¿e doprowadziæ do samozniszczenia, œmierci komórki. Dotyczy to w

szczególnoœci mechanizmów zwi¹zanych z funkcjonowaniem genomu. Z jednej strony

konieczne jest bowiem powstrzymanie zmian genetycznych wynikaj¹cych z mutacji

czy z b³êdów replikacji. Z drugiej zaœ, równie niezbêdne jest dopuszczenie zró¿nico-

wania genetycznego, którego ewolucyjnym motorem s¹ w³aœnie 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 œmierci komórki. Tu równoleg³ymi i pozornie przeciw-

stawnymi trendami ewolucyjnymi bêd¹: 1) powstrzymywanie i 2) uruchamianie

samozniszczenia komórki, a efektem bêdzie coraz bardziej wyrafinowany system

regulacji procesu autodestrukcji.

Z koncepcji grzechu pierworodnego wywieœæ 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 œmierci komórki. T³umaczy to z jednej strony wieloœæ postaci œmierci

komórki, które s¹ zale¿ne od aktualnego wyposa¿enia i ewolucyjnej historii komórek

danego gatunku. Z drugiej zaœ wskazuje, ¿e œmieræ komórki jest raczej wynikiem

664

M. MARUNIEWICZ, P. WOJTASZEK

zró¿nicowanego wykorzystania cz¹steczek, które normalnie funkcjonuj¹ w najwa¿niej-

szych 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 mitochon-

drialnego DNA, po uwolnieniu z mitochondriów staje siê aktywatorem œmierci

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 zawartoœci komórki mo¿e byæ

wykorzystana do podtrzymania ¿ycia lub do usuniêcia komórki [29].

PODSUMOWANIE

W chwili obecnej mo¿na ju¿ chyba stwierdziæ, ¿e œmieræ komórki, rozumiana jako

zdolnoœæ do autodestrukcji pod wp³ywem okreœlonych czynników œrodowiskowych,

jest procesem uniwersalnym w œwiecie o¿ywionym mimo obserwowanych ró¿nic

w obrazie fenotypowym, regulacji czy obecnoœci poszczególnych elementów szlaku.

Jednak¿e, g³ównie z powodu niewystarczaj¹cych danych doœwiadczalnych, nie jest

jeszcze mo¿liwe precyzyjne okreœlenie zale¿noœci i dróg ewolucji œmierci komórki u

ró¿nych grup organizmów. Nie ulega jednak w¹tpliwoœci, ¿e wraz z postêpem badañ

zmienia siê tak¿e sposób myœlenia o œmierci komórki. Zarysowany tutaj szereg

pogl¹dów nie jest zbiorem zamkniêtym. Pojawia siê bowiem co najmniej kilka pytañ,

których wyjaœnienie pomo¿e nam lepiej zrozumieæ proces ewolucji ¿ycia i œmierci.

W tym miejscu warto wskazaæ choæby dwa z nich. W jaki sposób funkcjonuj¹

procesy œmierci komórki u organizmów niezawieraj¹cych mitochondriów? [17]. W

jakim stopniu ró¿nice w przebiegu œmierci komórki u organizmów z ró¿nych grup

systematycznych, np. roœlin 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: 6059–6063.

[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: 1278–1279.

[4] AMEISEN JC. On the origin, evolution, and nature of programmed cell death: a timeline of four billion

years. Cell Death Differ 2002; 9: 367–393.

[5] AMEISEN JC, IDZIOREK T, BILLAUT-MULOT O, LOYENES M, TISSIER JP, QUAISSI MA. Apopto-

sis 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: 285–300.

665

POCHODZENIE I EWOLUCJA ŒMIERCI KOMÓRKI

[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): S3–S6.

[7] AOUACHERIA A, BRUNET F, GOUY M. Phylogenomics of life-or-death switches in multicellular ani-

mals: Bcl-2, BH3-only, and BNip families of apoptotic regulators. Mol Biol Evol 2005; 22: 2395–2416.

[8] ARAVIND L, DIXIT VM, KOONIN EV. Apoptotic molecular machinery: vastly increased complexity in

vertebrates revealed by genome comparisons. Science 2001; 291: 1279–1284.

[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: 65–81.

[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: 561–567.

[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: 129–135.

[13] BOYCE M, DEGTEREV A, YUAN J. Caspases: an ancient cellular sword of Damocles. Cell Death Differ

2004; 11: 29–37.

[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: 19–25.

[15] BURSCH W. Multiple cell death programs: Charon’s lift to Hades. FEMS Yeast Res 2004; 5: 101–110.

[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:

521–525.

[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: 559–564.

[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: 301–308.

[19] CORNILLON S, FOA C, DAVOUST J, BUONAVISTA N, GROSS JD, GOLSTEIN P. Programmed cell

death in Dictyostelium. J Cell Sci 1994; 107: 2691–2704.

[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: 685–694.

[22] EDINGER AL, THOMPSON CB. Death by design: apoptosis, necrosis and autophagy. Curr Opin Cell Biol

2004; 16: 663–669.

[23] ELLIS RE, HORVITZ HR. Genetic control of programmed cell death in the nematode C. elegans. Cell

1986; 44: 817–829.

[24] ERRINGTON J. Determination of cell fate in Bacillus subtilis. Trends Genet 1996; 12: 31–34.

[25] FRADE JM, MICHAELIDIS TM. Origin of eukaryotic programmed cell death: a consequence of aerobic

metabolism? BioEssays 1997; 19: 827–832.

[26] FRENCH T, GERDES K. Programmed cell death in bacteria: translational repression by mRNA end-

pairing. Mol Microbiol 1996; 21: 1049–1060.

[27] FRÖHLICH K-U, MADEO F. Apoptosis in yeast – a monocellular organism exhibits altruistic behaviour.

FEBS Lett 2000; 473: 6–9.

[28] GERDES K, RASMUSSEN PB, MOLIN S. Unique type of plasmid maintenance function: postsegregatio-

nal killing of plasmid-free cells. Proc Natl Acad Sci USA 1986; 83: 3116–3120.

[29] GOLSTEIN P, KROEMER G. Redundant cell death mechanisms as relics and backups. Cell Death Differ

2005; 12: 1490–1496.

[30] GOURLAY CW, DU W, AYSCOUGH KR. Apoptosis in yeast – mechanisms and benefits to a unicellular

organism. Mol Microbiol 2006; 62: 1515–1521.

[31] GREEN DR. Apoptotic pathways: ten minutes to dead. Cell 2005; 121: 671–674.

[32] GUIMARÃES CA, LINDEN R. Programmed cell death. Apoptosis and alternative deathstyles. Eur J

Biochem 2004; 271: 1638–1650.

[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: 47–57.

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: 235–249.

[35] JABS T. Reactive oxygen intermediates as mediators of programmed cell death in plants and animals.

Biochem Pharmacol 1999; 57: 231–245.

[36] JAMES ER, GREEN DR. Infection and the origins of apoptosis. Cell Death Differ 2002; 9: 355–357.

[37] JENSEN RB, GERDES K. Programmed cell death in bacteria: proteic plasmid stabilization systems. Mol

Microbiol 1995; 17: 205–210.

[38] JONES AM, DANGL JL. Logjam at the Styx: programmed cell death in plants. Trends Plant Sci 1996; 1:

114–119.

[39] JONES JDG, DANGL JL. The plant immune system. Nature 2006; 444: 323–329.

[40] KERR JFR, WYLLIE AH, CURRIE AR. Apoptosis: a basic biological phenomenon with wide-ranging

implications in tissue kinetics. Brit J Cancer 1972; 26: 239–257.

[41] KLIONSKY DJ. Autophagy: from phenomenology to molecular understanding in less than a decade. Nat

Rev Mol Cell Biol 2007; 8: 931–937.

[42] KOONIN EV, ARAVIND L. Origin and evolution of eukaryotic apoptosis: the bacterial connection. Cell

Death Differ 2002; 9: 394–404.

[43] KROEMER G, EL-DEIRY WS, GOLSTEIN P, PETER ME, VAUX D, VANDENABEELE P, ZHIVOTO-

VSKY 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: 1463–1467.

[44] KROEMER G, REED JC. Mitochondrial control of cell death. Nat Med 2000; 6: 513–519.

[45] KURIYAMA H, FUKUDA H. Developmental programmed cell death in plants. Curr Opin Plant Biol

2002; 5: 568–573.

[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: 7956–7961.

[47] LAM E. Controlled cell death, plant survival and development. Nat Rev Mol Cell Biol 2004; 5: 305–315.

[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: 53–64.

[49] LEWIS K. Programmed death in bacteria. Microbiol Mol Biol Rev 2000; 64: 503–514.

[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: 1581–1588.

[51] MADEO F, FRÖHLICH E, FRÖHLICH K-U. A yeast mutant showing diagnostic markers of early and late

apoptosis. J Cell Biol 1997; 139: 729–734.

[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: 911–917.

[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: 515–525.

[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: 305–313.

[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: 15–28.

[56] NORDSTRÖM K, AUSTIN SJ. Mechanisms that contribute to the stable segregation of plasmids. Annu

Rev Genet 1989; 23: 37–69.

[57] PISZCZEK E, GUTMAN W. Caspase-like proteases and their role in programmed cell death in plants.

Acta Physiol Plant 2007; 29: 391–398.

[58] RAFF MC. Social controls on cell survival and cell death. Nature 1992; 356: 397–400.

[59] SAMUILOV VD, OLESKIN AV, LAGUNOVA EM. Programmed cell death. Biochemistry (Moscow)

2000; 65: 873–887.

[60] SANMARTIN M, JAROSZEWSKI L, RAIKHEL NV, ROJO E. Caspases. Regulating death since the origin

of life. Plant Physiol 2005; 137: 841–847.

667

POCHODZENIE I EWOLUCJA ŒMIERCI KOMÓRKI

[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: 99–105.

[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:

613–621.

[63] UREN A, O’ROURKE K, ARAVIND L, PISABARRO M, SESHAGIRI S, KOONIN E, DIXIT V. Identifi-

cation of paracaspases and metacaspases: two ancient families of caspase-like proteins, one of which

plays a role in MALT lymphoma. Mol Cell 2000; 6: 961–967.

[64] VACHOVA L, PALKOVA Z. Physiological regulation of yeast cell death in multicellular colonies is

triggered by ammonia. J Cell Biol 2005; 169: 711–717.

[65] VAN DOORN WG, WOLTERING EJ. Many ways to exit? Cell death categories in plants. Trends Plant

Sci 2005; 10: 117–122.

[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 CO

2

limitation and oxidative stress. Curr

Biol 1999; 9: 1061–1064.

[67] WELBURN SC, DALE C, ELLIS D, BEECROFT R, PEARSON TW. Apoptosis in procyclic Trypansoma

brucei rhodesiense in vitro. Cell Death Differ 1996; 3: 229–236.

[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: 307–321.

[69] WILLIAMS GT. PCD: a fundamental protective response to pathogens. Trends Microbiol 1994; 12:

463–464.

[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 œmieræ komórki. W: WoŸny A, Michejda J, Ratajczak L [red.] Podstawy

Biologii Komórki Roœlinnej. Poznañ, Wydawnictwo Naukowe UAM, 2000: 547–570.

[72] YARMOLINSKY MB. Programmed cell death in bacterial populations. Science 1995; 267: 836–837.

[73] YOU L, COX RS, WEISS R, ARNOLD FH. Programmed population control by cell-cell communication

and regulated killing. Nature 2004; 428: 868–871.

[74] YUAN J. Divergence from a dedicated cellular suicide mechanism: exploring the evolution of cell death.

Mol Cell 2006; 23: 1–12.

[75] ZAGÓRSKA-MAREK B. Wzrost i ró¿nicowanie. W: Wojtaszek P, WoŸny A, Ratajczak L. [red.] Biologia

Komórki Roœlinnej. Funkcja. Warszawa, Wydawnictwo Naukowe PWN, 2007: 560–615.

Redaktor prowadz¹cy – Jerzy Kawiak

Otrzymano:13.10. 2007 r.

Przyjêto: 20.11. 2007 r.

ul. Miêdzychodzka 5, 60-371 Poznañ

e-mail: [e-mail]