L,
I',
Zycie po zyciu ...kom6rek roslinnych
Zycie po iyciu
czyJi
programowana smierc komorek roslinnych
Barbara Oratowska
Renata Bqczek-Kwinta
Programowana smierc komorki (PCD - Programmed Cell Death) jest efektem realizacji
wewnqtrzkomorkowego programu smierci. Nie zaleZy od tego jaki byl czynnik wywolujqcy
ten proces, ani od zachodzqcych w jego trakcie zmian morfologicznych czy biochemicznych.
Wsrod czynnikow, ktore przypuszczalnie prowadzqkomork~ roslinnq (podobnie jak ma to
miejsce w przypadku komorek zwierz~cych}na drog~ programowanej smierci mozemy
wyroi:ni6:
" czynniki fizyczne: promieniowanie jonizujqce, UV, szok termiczny,
" czynniki chemiczne: cytostatyki, wolne rodniki tlenowe, aktynomycyna D (inhibitor
syntezy RNA), cykloheksymid (inhibitor biosyntezy bialek),
" niedobor substancji wzrostowych,
" pobudzenie niektorych receptor6w Wonowych lub wewnqtrzkomorkowych,
" pozbawienie kom6rek kontaktu z macierzq zewnqtrzkomorkow'l:,
" uszkodzeniaDNA iorganelli komorkowych.
Programowana smierc komorki to apoptoza lub atrofia. Z atrofi~ mamy do czynienia
wowczas, gdy komorka zostaje pozbawiona niezb~dnych do Zycia czynnikow lub tei: jej
smierc stanowi ostatni etap programu rozwojowego prowadzqcego do jej rozrucowania.
Natorniastapoptoza to takzwa,na samob6jcza smierc kom6rki, ktorej towarzyszq
charakterystyczne zlni~lIiy~o~~ogiczne. .
Apoptoza jest aktywnym procesem, jej celem jest usuwanie zb~dnych komorek podczas
prawidiowego rozwoju organizmu lub kom6rek:, kt6re ulegly infekcji wirusowej czy tei:
wstqpily na drog~ nowotworzenia. Proces ten przebiega z udziaiem metabolizmu
komorkowego, obejmuje aktywacj~ genow i syntez~ biaiek:, ktore umoi:liwiajq dokonanie
przez komork~ samobojstwa. Apoptoza jest bardzo precyzyjnie kontrolowanym zjawiskiem.
Dokladny zestaw genow i bialek aktywowanych w tym procesie zaleZy od bodica
wywolujqcego i rodzaju komorki ulegajqcej smierci samob6jczej. Smierc apoptotyczna trwa
od kilku do kilkunastu godzin, a jej przebieg mozna obserwowac zaledwie przez kilka godzin,
przewaznie juz w koncowym etapie.
Pierwsze obserwacje umierajqcych komorek pojawily si~ pod koniec XIX w., jednak
systematyczne badania tego zjawiska rozpocz~to w latach 50. XX w., co doprowadziio do
odkrycia procesu programowanej smierci kom6rki. Zjawisko to wykryto i najlepiej zbadano
w komorkach bezkr~gowc6w i kr~gowcow. W 2002 roku za badania nad przebiegiem
apoptozy w organizmie nicienia Caenorhabditis elegans John Salston, Sydney Brenner i
Robert Hortwitz otrzymali Nagrod~ Nobla. Tematyka ta jest ostatnio intensywnie rozwijana
ze wzgl~du na potencjalne wykorzystanie znajomosci mechanizmow apoptozy w terapii.
nowotworow. Komorki rakowe potrafiil bowiem sprytnie oszukac system immunologiczny, i
dzi~ki temu unikajq rozpoznania i unicestwienia.
Zajmujemy si~ roslinami, wi~c wrocmy do naszych zielonych przyjaci61. Co dzieje si~ z ich
komorkami podczas PCD? .
" unieczynnieniu ulega system naprawy uszkodzen DNA,
" umierajilca komorka obkurcza si~ i oddziela od innych, _
" dochodzi do cyklicznego pojawiania si~ i zanikania drobnych p~cherzykowatych
uwypuklen cytoplazmypokrytych bfonilkomorkowil i nie zawierajqcych organelli,
" kolejnym etapem jest szybka i nieodwracalna kondensacja cytoplazmy, ktorej
towarzyszy wzrost g~stosci komorki i obkurczanie si~ organelli,
" w jildrze komorkowym dochodzi do kondensacji chromatyny, ktora tworzy ziarniste
struktury na obrzezach j'ldra, w tym samym czasie zanikaj'l pory j'ldrowe i degeneruje
j'lderko,
. " DNAj'ldrowe ulega trawieniu przez endogenn'l endonukleaz~, pocZ'ltkowo na
wi~ksze fragmenty (0 dlugosci od 50 do 300 tysi~cy par zasad), a nast~pnie na odcinki
mniejsze (rz~du 180-200 nukleotydow). Degeneracja DNA prowadzi do powstania
licznych wolnych grup 3'OH na koncach powstalych fragmentow (te fragmenty
podczas elektroforezy na telu tworz'l tzw. drabink~ apoptotycznq),
" kolejnym etapem jest fragmentacja jildra i cytoplazmy, a nast~pnie rozpad blon
poprzez przeksztalcenie ich w ciala apoptotyczne czyli otoczone blon'l fragmenty
komorki zawieraj'lce resztki cytoplazmy, organelle komorkowei fragmenty·.
chromatyny.. _d'
" zamieraj'lce kom6rki lub ciala apoptotyczne silnast~pnie usuwane. Nie jest do konca
pewne, na jakiej drodze odbywa si~ to u roslin. Prawdopodobnie dochodzi do autolizy.
Paradoksalnie smief(~poszczeg61nych komorek decyduje 0 Zyciu calej rosliny, jej pokroju i
przedluzeniu gatunku.
Apoptoza w komorkach roslinnych bierze udzial: w: koncowej fazie roZnicowania si~
komorek, w trakcie rozwoju organow rozmnazania plciowego oraz w procesie starzenia.
Czynnikiem decyduj'lcym 0 losach komorki jest polozenie w roslinie, a giownymi
regulatorami S'l komorki s'lsiednie oraz sygnaly pochodz'lce z odlegiych tkanek. Odkryto
rowniez kilka genow uczestniczilcych w hamowaniu tego procesu. Nalez'l do nich: dadl,
Lsd], ktory hamuje sygnaiy do tworzenia nadtlenkow i LIsl, ktory koduje bialko
uczestnicz,\ce m.in. w degradacji fenolowych zwi'lzkow 0 charakterze sygnalnym w procesie
programowanej srnierci komorki.
" w kom6rkach ksylemu i korka powstaj'l martwe, pozbawione element ow
cytoplazmatycznych sciany komorkowe, ktore tworzq systemy przewodzqce i
okrywaj'lce.
" podobnie powstaje kutner, czyli warstwa martwych wloskow na powierzchni rosliny,
oraz aerenchyma, czyli mi~kisz powietrzny,
o u rodzaju i\lonstera (gatunek uprawiany w domach; cz~sto bl~dnie zwany
filodendronem) i palm apoptoza zachodz::tca we wczesnym etapie rozwoju liki
warunkuje ich p6iniejszy klapowany ksztah,
o zewn~trzne kom6rki czapeczki korzeniowej zamierajq,
o starsze, najwczesniej wyksztalcone organy roslinne zarnieraj::t podczas
rozmnazania plciowego:
1. u roslin rozdzielnoplciowych jednopiennych inicjowane s::tzar6wno
zawiq.zki organ6w zenskich i mt,?skich.Zawi'lZki niewrasciwe ulegaj::t
degeneracji, np. u kukurydzy powstawanie wiech z prt,?cikamiwymaga
aktywnosci genu Tasselseed2, kt6rego produkt prawdopodobnie
generuje cz::tsteczk~ steroidu 0 charakterze sygnalnym,
2. w trakcie wrastania iagiewki pylkowej do znamienia srupka cz~sc jego
kom6rek ginie. U wi~kszosci okrytozalq,Zkowych degeneruj::t tak az 3 z
4 kom6rek powstalych na drodze mejozy.
3. kom6rki tapetum pylnikowego takie podlegaj::t apoptozie, a produkty
ich rozldadu wykorzystuj::t rozwijaj::tce si~ ziarna pyiku.
4. w stanie sercowatym zarodka na drodze peD gin::tkomorki suspensora
l::tczq,cezarodek z tkankami matecznymi.
C6z moze bye ciekawego w starzeniu si~ roslin? - mozna zapytac. Coz, starzenie si~
poszc~eg61nych organ6w roslinnych jest nieuchronne i precyzyjnie zaplanowane, gdyz .
zasoby w~gla, azotu, potasu, fosforu, magnezu czy cynku (tzw. pierwiastk6w ruchlivvych) w
-me-h i'l1uigazynowanc \v~druJdOhHodszych cz~sci, gdzie zostaj::t ponownie w)'korzystane w:. y
procesie tzw. reutylizacji sl.ciadnikow mineralnych.
Dla konsu;ment6w istotne jest, aby warzywa i owoce nie starzaiy si~ zbyt szybko. Przekwitie,
poz6ilde brokuly czy pomarszczone jablka nie stanowi::t dla nas atrakcji.
Starzenie si~ jest procesem bardzo uporz::tdkowanym. (jdkryto szereg genow, ktorych
ekspresja wzmaga si~ lub pojawia w okresie starzenia si~ lisci (np. geny SAG - Senescence
Associated Genes). RownoczeSnie ekspresja iririych ulega zablokowaniu,poza genami
metabolizmu podstawowego. Na skutek degradacji lipid6w blon plazmatycznych pO\~stajq,
produkty dostarczaj::tce energii niezb~dnej do realizacji programu starzenia oraz stanowiq,ce
substrat dla intensywnie zachodz::tcych procesow oddychania. Z kolei produkty degradacji
zwi::tzk6w takich jak kwasy nukleinowe i biaika s::tprzeksztakane w zwiq.zki rozpuszczalne w
wodzie, np. aminokwasy czy amidy i transportowane przez floem do rozwijajq,cych si~ cz~sci
roslin.
W procesach starzenia zrnienia si~ aktywnosc hormonalna roslin. Lipoksygenaza uczestniczy
w syntezie jednego z fitohormon6w - h.'")vasujasmonowego. Kwas jasmonow)' to inhibitor
wzrostu i r6Znicowania komorek, lecz tahe stymulator koncoWych etap6w ontogenezy roslin
- dojrzewania owocow czy starzenia si~ liki. Rowniez etylen (kolejny fitohormon) stymuluje
starzenie si~ lisci. Podobn::t rol~ etylenu stwierdzono w procesie dojrzewania owoc6w
pornidora.
Markerem wczesnych etap6w apoptozy jest enzym TdT - terminalna transferaza
deoksyrybonukleotydowa. TdT katalizuje reakcj~ dolq,czania deoksyurydyny znakowanej
1
t1uorochromem do konc6w 3 GB zdegenerowanego DNA, wskutek czego j::tdra komorkowe
ktore maj'l:.ulec apoptozie fluoryzujq, co wykorzystano w badaniach z uzyciem mikroskopu
fluorescencyjnego.
Na lisciach cz~sto widuje si~ mniejsze lub wi~ksze brunatne, zaschni~te plamki. Czy to
zewn~trzna oznaka apoptozy? Raczej nekrozy.
Nekroza jest biernym, nieselek'1ywnym procesem zachodzqcym w komorkach, gdy powstaJ:e
uszkodzenia nie pozwalaj'l:.na wykonywanie dotychczas speinianej przez nie funkcji.
Uszkodzenia takie powstajq, na skutek dzialania zewn~trznych czynnik6w fizycznych (np.
zbyt silnego oswietlenia), chemicznych (chocby herbicydow), meehanieznyeh czy
biologicznych (podczas ataku owadow zerujq,eych na lisciach). Nekroza nie jest rodzajem
smierci programowanej. Cz~sto dotyczy duzych, zwartych grup komorek. Charakterystycznq,
jej cech'l:.jest p~cznienie komorki spowodowane poszerzeniem siateczki srodplazmatycznej i
obrz~kiem mitochondriow. VV odroZnieniu od apoptozy ponadto:
" organelle komorkowe ulegajq, uszkodzeniu, a eytoplazma rozrzedzeniu,
" DNA jest ci~te przez endonukleazy na przypadkowe fragmenty 0 zroznicowanej
drugosci,
" i chromatyna nie zmienia swojego poiozenia.
Kaspazy S'l:.
giownymi biaikami apoptozy. TD:enzymy proteolityczne Wyst~pujq,ce w
·zdrowych komorkach w postaei nieaktywnyeh proenzyniow, ktoreaktywuj,r si~ pod
wpiywem ei~eia proteolitycznego. leh rola polega na naeinaniu roznych substratow
bialkowych, co prowadzi do uruchomienia niemozliwej do zatrzymania kaskady
proteolitycznej, ktorej efektem jest smierc komorki.
Wiele bialek mitochondrialnych uezestniczy w procesie apoptozy. Mog'l:.one przemieszczac
si~ z mitochondrium do eytoplazmy i uruchamiac kaspazy. Zaliczamy do nieh m. in.
cytochrom C oraz wsp6ipraeuj'l:.ce z nim bialko Apaf-l. Taki kompleks ma zdolnos6 i'l:.czenia
si~ z proEmzymem kaspazy 9 prowadzq,c do jej uaktywnienia.
W procesie apoptozy waznq, rol~ odgrywaj'l:.takZe bialka zewn~trznej blony mitochondrialnej,
a wsrod ktorych wyrozniamy:
" iTh~ibitoryapoptozy: bcl-2, bel-xl,
" aktywatory apoptozy: bad, bax, bak.
Bialka te posiadajq, specyficzne rejony umozliwiahce im oddzialywanie mi~dzy sob'l:.i
tworzenie dimerow oraz wpiyw na regulacj~ programowanej smierci komorki poprzez wpiyw
aktywnos6 kaspaz i st~zenie wapnia. Proteiny te odgrywaj'l:. rol~ w regulaeji przepuszczalnosci
bion komorkowych. Udowodniono, ze bialka bax i bak razem z bial:kiem VDAC (Voltage
Dependent Anion Channel) tworz'l:.duze kanaly bionowe, przez ktore z mitochondrium do
cytoplazmy dostaje si~ cytocbrom c, co prowadzi do uruchomienia kaskady proteolitycznej, a
w konsekwencji do smierci kom6rki.