خود تخریب سلولی ممکن است باستانی باشد. اما چرا؟ | مجله کوانتا

در ابتدا تشخیص اینکه چه زمانی یک سلول در آستانه خود تخریبی است دشوار است.

به نظر می رسد که به کار معمول خود ادامه می دهد، رونویسی ژن ها و ساخت پروتئین. اندامک‌های نیروگاهی به نام میتوکندری با وظیفه‌شناسی در حال تولید انرژی هستند. اما سپس یک میتوکندری سیگنالی دریافت می‌کند و پروتئین‌های معمولی آن به هم پیوسته و ماشین مرگ را تشکیل می‌دهند.

آنها با دقتی خیره کننده از سلول عبور می کنند. در عرض چند ساعت، تمام آنچه سلول ساخته بود در ویرانه است. فقط چند حباب غشایی باقی می ماند.

گفت: «این واقعاً شگفت‌انگیز است که چقدر سریع، چقدر سازماندهی شده است آرورا ندلکو، زیست شناس تکاملی در دانشگاه نیوبرانزویک که این فرآیند را در جلبک ها مطالعه کرده است.

آپوپتوز، همانطور که این فرآیند شناخته شده است، به همان اندازه که خشن است بعید به نظر می رسد. و با این حال، برخی از سلول‌ها این سری مراحل ویرانگر اما قابل پیش‌بینی را برای کشتن عمدی خود انجام می‌دهند. هنگامی که زیست شناسان برای اولین بار آن را مشاهده کردند، از یافتن مرگ خودساخته در میان موجودات زنده و تلاشگر شوکه شدند. و اگرچه معلوم شد که آپوپتوز یک نیروی خلاق حیاتی برای بسیاری از موجودات چند سلولی است، اما برای یک سلول خاص کاملاً ویرانگر است. رفتاری که منجر به مرگ ناگهانی یک سلول می شود چگونه می تواند تکامل یابد، چه رسد به تداوم؟

زیست شناسان مولکولی دریافته اند که ابزار آپوپتوز به طور عجیبی گسترده است. و همانطور که آنها به دنبال درک فرآیند مولکولی و منشأ آن هستند، چیزی حتی شگفت‌انگیزتر را یافته‌اند: آپوپتوز را می‌توان به اشکال باستانی مرگ برنامه‌ریزی‌شده سلولی که توسط ارگانیسم‌های تک سلولی - حتی باکتری‌ها - که به نظر می‌رسد آن را تکامل داده‌اند، ردیابی کرد. به عنوان یک رفتار اجتماعی

یافته های یک مطالعه، پاییز گذشته منتشر شد، نشان می دهد که آخرین جد مشترک مخمر و انسان - اولین یوکاریوت یا سلول حامل هسته و میتوکندری - قبلاً حدود 2 میلیارد سال پیش ابزار لازم برای پایان دادن به خود را داشت. و تحقیقات دیگر از جمله یک کاغذ کلیدی در ماه مه گذشته منتشر شد، نشان می دهد که زمانی که آن ارگانیسم زنده بود، مرگ برنامه ریزی شده سلولی میلیون ها سال پیش بود.

برخی از محققان بر این باورند که منشأ آپوپتوز انجام شده در سلول های ما ممکن است در میتوکندری ردیابی شود، که به طور عجیبی در مرکز این فرآیند است. با این حال، برخی دیگر گمان می کنند که منشاء مرگ سلولی ممکن است در یک معامله طولانی مدت بین اجداد ما و باکتری ها باشد. مسیر هر چه که باشد، تحقیقات جدید شواهد وسوسه‌انگیزی نشان می‌دهد که مرگ سلولی برنامه‌ریزی‌شده ممکن است قدیمی‌تر از آن چیزی باشد که هر کسی تصور می‌کرد، و جهانی‌تر است. چرا زندگی اینقدر با مرگ تسخیر شده است؟

وقتی مرگ برنامه است

در اواخر دهه 1950، زیست شناس سلولی ریچارد لاکشین مجذوب اتفاقاتی که برای بافت‌هایی می‌افتد که یک ارگانیسم دیگر به آن نیازی ندارد، می‌افتد. او در آزمایشگاه کارول ویلیامز متخصص حشرات دانشگاه هاروارد کار می کرد که 20,000 پیله کرم ابریشم از آسیا به دست آورده بود. زمانی که آنها به آزمایشگاه رسیدند، دگردیسی آنها آغاز شده بود. در داخل هر پیله، سلول های کرم ابریشم در حال مرگ بودند تا این موجود بتواند به پروانه ابریشم تبدیل شود. لاکشین در ادامه به ثبت مرگ بافت هدفمند در داخل بدن آنها پرداخت که او آن را "مرگ برنامه ریزی شده سلولی" نامید.

تقریباً در همان زمان، آسیب شناس استرالیایی جان کر در حال چرخاندن یک میکروسکوپ الکترونی روی سلول‌های جنین موش بود تا کشفی مشابه انجام دهد. همانطور که جنین رشد کرد، سلول های جدیدی به برنامه بدن اضافه شد. با این حال، سلول ها نیز در حال مرگ بودند. این یک تصادف نبود و نتیجه یک مصدومیت نبود. کر نوشت: این مرگ، که او آن را «آپوپتوز» نامید، «یک پدیده فعال و ذاتاً کنترل شده بود». در جنین موش، مرگ برنامه بود.

محققان با مشاهده این نوع مرگ در نهایت به توضیح معقولی برای آن دست یافتند. در طی رشد، کره ای از سلول هایی که به سرعت تقسیم می شوند به چیزی با بال و آنتن یا انگشتان دست و پا تبدیل می شوند. در طول مسیر، برخی از آن سلول ها باید از سر راه بقیه خارج شوند. حتی در بزرگسالان، مرگ برنامه ریزی شده سلولی منطقی علمی بود. سلول‌های ناسالم - مانند آن‌هایی که آسیب DNA به آنها وارد می‌شود - باید بتوانند خود را از یک بدن چند سلولی حذف کنند، تا مبادا باعث تخریب بیشتر سلول‌های اطرافشان شوند. محققان همچنین دریافتند که شکست آپوپتوز می تواند منجر به بیماری شود، که این نیز مناسب بود. در سرطان، سلولی که باید بمیرد - سلولی که DNA آن اشتباهات زیادی دارد که باید خودش را حذف می‌کرد - اینطور نیست. در بیماری‌های خودایمنی و سایر بیماری‌ها، سلول‌هایی که نباید بمیرند، می‌میرند و بالعکس: سلول‌هایی که باید بمیرند، نمی‌میرند.

با این حال، کارشناسان فرض کردند که این مهارت منحصر به ارگانیسم‌های چند سلولی است، که بدن‌هایی از سلول‌های بسیاری دارند که سلول‌های دیگر می‌توانند برای آنها بمیرند. یک ارگانیسم تک سلولی چه سود ممکنی می تواند از مرگ خود درو کند؟ تکامل به سختی می تواند رفتاری را که حامل آن را از مخزن ژنی حذف کند، مورد حمایت قرار دهد.

گفت: "به نظر نمی رسید که چرا هر چیزی به طور فعال خود را بکشد، منطقی به نظر نمی رسید." پیر دورانند، زیست شناس تکاملی در دانشگاه ویتواترزند در آفریقای جنوبی.

اما وقتی دانشمندان این پروتکل‌های مرگ را با جزئیات بیشتری ترسیم کردند، برخی متوجه شدند که یوکاریوت‌های تک سلولی ابزارها و توانایی‌های مشابهی دارند. در سال 1997، تیمی از محققان به رهبری بیوشیمی کای اووه فرولیش سلول های مخمری گزارش شده است به طور روشمند خود را از بین می برند - اولین نمونه شناخته شده از یک "یوکاریوت پایین تک سلولی" که ماشین اولیه مرگ برنامه ریزی شده سلولی را دارد. به زودی جلبک‌های تک سلولی، پروتیست‌ها و سایر قارچ‌ها به صفوف موجوداتی ملحق شدند که به مرگ خودساخته معروف هستند.

در حالی که زیست شناسان تلاش می کردند بفهمند که چگونه موجودات زنده می توانند این توانایی را تکامل دهند، مجبور شدند با سوال دیگری دست و پنجه نرم کنند: اگر مرگ برنامه ریزی شده سلولی با چند سلولی ظاهر نمی شد، پس از کجا آمده است؟

ابزار برای کار

در اینجا چیزی است که وقتی یک سلول یوکاریوتی خود را محکوم به مرگ می کند، اتفاق می افتد.

اول، سیگنالی می آید که پایان فرا رسیده است. اگر از خارج از سلول باشد - اگر سلول های اطراف همسایه خود را برای مرگ علامت گذاری کرده باشند - سیگنال به سطح سلول می رسد و گیرنده مرگ را متصل می کند، که آپوپتوز را شروع می کند. اگر سیگنال از داخل سلول می آید - برای مثال اگر دلیل مرگ آسیب به ژنوم باشد - این فرآیند با چرخش میتوکندری به سلول میزبان شروع می شود.

در هر صورت، آنزیم های تخصصی به زودی وارد عمل می شوند. برخی از عوامل آپوپتوز، مانند کاسپازها در حیوانات، می توانند یکدیگر را در یک آبشار از سرعت خیره کننده فعال کنند که به یک گروه تبدیل می شود و ساختارهای سلول را به صورت نواری برش می دهد. پس از آن، سرنوشت سلول مهر و موم می شود.

گفت: "راه های زیادی برای مرگ سلولی وجود دارد." ال آراویند، یک زیست شناس تکاملی در مرکز ملی اطلاعات بیوتکنولوژی. همه آنها با آنزیم های آپوپتوز و با قطعات پروتئین و DNA در جایی که یک سلول قبلاً وجود داشت، خاتمه می یابد.

آپوپتوز به قدری کنترل می شود و به قدری گسترده انجام می شود که نمی توان تعجب کرد که مکانیسم های آن از کجا سرچشمه گرفته اند - هم قطعاتی که دستگاه را می سازند، که باید اول بوده باشند و هم روش هایی که با هم کار می کنند. این کنجکاوی چیزی است که شیمون کاچانوفسکی و اورزولا زیلنکیویچ آکادمی علوم لهستان به مجموعه ای از آزمایشات اخیر. آنها می خواستند بدانند که آیا پروتئین های آپوپتوز یک یوکاریوت در صورت اتصال به دستگاه آپوپتوز یکی از خویشاوندان دور عمل می کنند یا خیر. آن‌ها دریافتند که اگر این فرآیند همچنان کار می‌کرد، عملکرد آنزیم‌ها - روشی که DNA را برش می‌دهند و تاس می‌کنند یا سایر بخش‌های ماشین را فعال می‌کنند - باید تا حد زیادی در طول دوره‌های زمانی طولانی حفظ شده باشد.

این تیم کایمراهای مخمری را مهندسی کردند که دارای آنزیم های آپوپتوز از سراسر جهان یوکاریوتی بودند: از گیاهان خردل، کپک های لجن، انسان و انگلی که باعث لیشمانیوز می شود. سپس، محققان آپوپتوز را القا کردند. آنها دیدند که بسیاری از این واهی ها بدون توجه به منشأ پروتئین ها می توانند خود را اعدام کنند. علاوه بر این، کاچانوفسکی گفت: «علائم مختلف آپوپتوز اغلب حفظ می‌شوند، از جمله شکستن DNA و متراکم شدن کروماتین در هسته.

آنها همچنین متعجب بودند که آیا پروتئین های باکتریایی می توانند جایگزین پروتئین های یوکاریوتی باشند. هنگامی که آنها در ژن‌های پروتئین آنالوگ تعدادی باکتری قرار گرفتند، این تیم مرگ برنامه‌ریزی شده را در برخی از واهی‌ها مشاهده کردند، اما نه همه. محققان نتیجه گرفتند که این نشان می‌دهد که ابزارهای مرگ خودساخته حتی پیش از یوکاریوت‌ها هم بوده‌اند.

همه با تفسیر آنها موافق نیستند. آراویند گفت: برخی از این پروتئین ها، به ویژه آنهایی که DNA و پروتئین ها را قطع می کنند، برای سلول خطرناک هستند. یک سلول ممکن است صرفاً به دلیل آسیب بمیرد نه به دلیل فرآیند آپوپتوز.

با این حال، Kaczanowski و Zielenkiewicz بر این باورند که آنچه آنها می بینند، مرگ سلولی برنامه ریزی شده واقعی است. و یکی از گمانه‌زنی‌های آن‌ها در مورد اینکه چرا ژن‌های باکتریایی ممکن است در یوکاریوت‌ها کار کنند، با ایده‌ای مرتبط است که برای چندین دهه توسط زیست‌شناسان مطرح شده است.

این تئوری شامل میتوکندری است - اندامکی که زمانی یک باکتری آزاد بود. تولید کننده انرژی سلول است. همچنین بارها و بارها در مسیرهای آپوپتوز ظاهر می شود. گیدو کرومر، که نقش میتوکندری در آپوپتوز را مطالعه می کند، آنها را "نامگذاری کرد.اندامک های خودکشی"

ندلکو گفت: «بسیاری آن را «جلاد مرکزی مرگ سلولی» می‌نامند.

یک شغل درون؟

میتوکندری یک چیز بسیار کوچک در زیر میکروسکوپ است، یک لوزی تمیز حاوی هزارتویی از غشاها. قندها را برای تولید ATP، مولکولی که انرژی آن تقریباً هر فرآیند سلولی را تامین می کند، تجزیه می کند. ما دقیقاً نمی دانیم که چگونه در درون ما زخمی شده است: باکتری اصلی ممکن است طعمه جد تک سلولی ما بوده باشد و سپس با وسایلی که هنوز مرموز است از هضم فرار کرده باشد. این ممکن است یک سلول همسایه بوده باشد که منابع را با اجداد ما به اشتراک می گذاشت تا اینکه سرنوشت آنها چنان به هم گره خورد که بدن آنها یکی شد.

منشا میتوکندری هرچه که باشد، ژنوم کوچک خودش را دارد که از دوران استقلالش باقی مانده است. اما بسیاری از ژن های آن به ژنوم میزبان منتقل شده اند. در سال 2002، آراویند و یوجین کونین نوشتند یک کاغذ شاخص با در نظر گرفتن این ایده که یوکاریوت ها ممکن است برخی از ژن های آپوپتوز خود را از میتوکندری گرفته باشند. این بقایای کوچک از یک باکتری ممکن است منبع ابزارهایی باشد که سلول‌های یوکاریوتی برای کشتن خود از آنها استفاده می‌کنند.

ژن های آپوپتوز کاچانوفسکی و زیلنکیویچ را به یاد مسابقه تسلیحاتی بین شکارچی و طعمه اش انداخت. در مقاله جدید خود، آنها حدس زدند که آنها ممکن است ابزارهایی باشند که توسط یک موجود زنده شکاری، احتمالاً باکتری میتوکندری اصلی، برای دفاع از خود تکامل یافته است.

در فرضیه ای که توسط دوراند و گرانت رمزی، فیلسوف علم گردآوری شده، آمده است، شاید، زمانی که پروتئین های آپوپتوز در جد باستانی ما گیر افتاده بودند، راهی برای میتوکندری شد که میزبان را تحت فشار قرار دهد تا رفتار خود را تغییر دهد. در یک بررسی ژوئن گذشته منتشر کردند. یا شاید آنها بقایای راهی هستند که میتوکندری تضمین می کرد که میزبان نمی تواند از شر آن خلاص شود - سمی که فقط میتوکندری ها دارای پادزهر هستند. جایی در طول مسیر، این فرآیند توسط میزبان ضبط یا تبدیل شد و یک نوع آن به آپوپتوز تبدیل شد.

به نظر می رسد جستجو برای یافتن پاسخ در مورد منشأ آپوپتوز یوکاریوتی، محققان را عمیق تر به دنیای باکتری ها می کشاند. در حقیقت، برخی تعجب می کنند آیا پاسخ ممکن است در این باشد که چرا موجودات تک سلولی جان خود را می گیرند؟ اگر نوعی از مرگ برنامه‌ریزی‌شده سلولی قدیمی‌تر از زندگی چند سلولی باشد - حتی از یوکاریوت‌ها - شاید درک اینکه چرا در ارگانیسم‌هایی اتفاق می‌افتد که هیچ جسمی برای آن سودمند نیست و هیچ میتوکندری برای سرعت بخشیدن به این فرآیند وجود ندارد، می‌تواند توضیح دهد که چگونه همه چیز شروع شد.

برای خیر برخی از کل

این یکی از دلایلی است که یک موجود تک سلولی ممکن است بمیرد: کمک به همسایگانش.

در دهه 2000، زمانی که دوراند یک محقق فوق دکترا در دانشگاه آریزونا بود، چیز جالبی را در طول این مدت کشف کرد. آزمایشی با جلبک یوکاریوتی تک سلولی. هنگامی که او با بقایای خویشاوندان خود که با مرگ برنامه ریزی شده سلولی مرده بودند، جلبک ها را تغذیه کرد، سلول های زنده شکوفا شدند. اما زمانی که او با بقایای اقوام کشته شده به شدت به آنها غذا داد، رشد جلبک ها کند شد.

به نظر می رسد که مرگ سلولی برنامه ریزی شده منابع قابل استفاده را از قسمت های مرده ایجاد می کند. با این حال، او دریافت که این فرآیند فقط می تواند به نفع خویشاوندان جلبک مرده باشد. دوراند گفت: "این در واقع برای گونه های مختلف مضر بود." در سال 2022، یک گروه تحقیقاتی دیگر این یافته را تایید کرد در جلبک دیگری

نتایج احتمالاً توضیح می دهد که چگونه مرگ سلولی می تواند در موجودات تک سلولی تکامل یابد. اگر یک ارگانیسم توسط خویشاوندان احاطه شده باشد، مرگ او می تواند تغذیه و در نتیجه بقای خویشاوندان را افزایش دهد. این فرصتی را برای انتخاب طبیعی ایجاد می کند تا ابزارهایی را برای مرگ ناشی از خود انتخاب کند.

باکتری ها نیز تک سلولی هستند و ممکن است در میان خویشاوندان خود زندگی کنند. آیا آنها همچنین می توانند برای یک خیر بزرگتر بمیرند؟ نکاتی وجود دارد که تحت شرایط مناسب، باکتری های آلوده به ویروس ممکن است خود را بکشند تا از گسترش بیماری جلوگیری کنند. این افشاگری ها نحوه تفکر محققان در مورد مرگ برنامه ریزی شده سلولی را تغییر داده است و آراویند اخیراً کشف کرده است یک قطعه دیگر از پازل.

این شامل مناطق پروتئینی به نام دامنه های NACHT، که در برخی از پروتئین های آپوپتوز حیوانی ظاهر می شوند. دامنه های NACHT نیز در باکتری ها وجود دارد. آراویند گفت، در واقع، در طبیعت، میکروب هایی که بیشترین دامنه های NACHT را دارند، گاهی اوقات از چیزی که بسیار شبیه به زندگی چند سلولی است، شریک می شوند. آنها در مستعمرات رشد می کنند، که آنها را به ویژه در برابر سرایت آسیب پذیر می کند و به ویژه احتمال دارد از فداکاری یکدیگر سود ببرند.

همکار آراویند آرون وایتلی و آزمایشگاه او در دانشگاه کلرادو و آزمایشگاه او مجهز شده است باکتری E. coli با دامنه های NACHT و آنها را در لوله های آزمایش رشد داد. سپس سلول ها را با ویروس آلوده کردند. به طور شگفت انگیزی، آنها دریافتند که پروتئین های حاوی NACHT برای تحریک نوعی مرگ برنامه ریزی شده سلولی مورد نیاز هستند، در حالی که سلول های آلوده آنقدر سریع خود را می کشند که ویروس ها قادر به تکثیر نیستند. آراویند گفت که فداکاری آنها می تواند اطرافیانشان را از عفونت محافظت کند.

به گزارش آراویند، این حوزه های حفظ شده داستانی از منشأ آپوپتوز را بیان می کنند. او گفت: «شما قبلاً یک دستگاه مرگ سلولی از پیش ساخته داشتید که در باکتری خاصی وجود داشت. سپس، در نقطه‌ای، برخی از دودمان سلول‌های یوکاریوتی این جعبه ابزار را انتخاب کردند، که در نهایت به سلول‌های موجودات چند سلولی راهی برای مردن برای نفع بیشتر داد.

او دیگر معتقد نیست که شواهد به میتوکندری به عنوان تنها منبع باکتریایی پروتئین های آپوپتوز اشاره می کنند. او گفت که میتوکندری باقیمانده باکتری اولیه است که هنوز در بیشتر سلول های یوکاریوتی زندگی می کند و 25 سال پیش کاندیدای منطقی برای این ژن های مرموز بود. اما در سال‌های پس از آن، چیز دیگری مشخص شده است: میتوکندری احتمالاً تنها نبوده است.

باکتری در ما

محققان به تدریج دریافته‌اند که ژنوم‌های یوکاریوتی دارای رگه‌های بسیاری از ژن‌های باکتریایی هستند، بقایای رژه خاموش سایر موجودات که آثار خود را بر روی ما بر جای گذاشتند. آنها ممکن است همزیست بوده باشند، مانند میتوکندری، که بیرون زد و آمد از دودمان های مختلف یوکاریوتی که ژن ها را پشت سر می گذارد. آراویند گفت: «اکنون باید متوجه شویم که این وضعیت احتمالاً در تمام طول تکامل یوکاریوتی ادامه داشته است.

ژن‌های دخیل در آپوپتوز ممکن است از شرکای همزیست قبلی که از آن زمان جدا شده‌اند، آمده باشند. یا ممکن است نتایج انتقال افقی ژن باشد - فرآیندی که زمانی تصور می شد نادر است و اکنون نسبتاً گسترده است - که در آن ژن ها می توانند پرش کنند از یک ارگانیسم به موجود دیگر از طریق فرآیندهایی که هستند هنوز در حال کار است. بسته‌هایی از ژن‌های مفید می‌توانند بین پادشاهی‌های زندگی جهش کنند و در صورت وجود فواید در موجودات جدید باقی بمانند.

یکی از این مزایا، به طرز عجیبی، به نظر می رسد که خود تخریبی برنامه ریزی شده است.

همه اینها مهم است زیرا واقعیت درهم‌تنیده‌ای را که زیربنای عبارت «بقای شایسته‌ترین» است، مورد توجه قرار می‌دهد. تکامل به روش های شگفت انگیزی عمل می کند و ژن ها اهداف زیادی دارند. با این حال، آنچه واضح‌تر می‌شود این است که نوعی از جمع بدوی - و همراه با آن، از خودگذشتگی‌های سازمان‌یافته توسط موجودات زنده - احتمالاً میلیاردها سال قبل از ظهور حیات چند سلولی ادامه داشت. شاید، همانطور که دانشمندان به گردآوری ریشه های مرگ سلولی ادامه می دهند، ما تصور وسیع تری از آنچه مرگ و زندگی برای چیست پیدا کنیم.