Buněčná sebedestrukce: Jak buňky vyvinuly proces k ukončení vlastního života

Apoptóza je ze své podstaty sebedestruktivní, a přesto je to nezbytný a produktivní proces ve složitých organismech. Nedávný výzkum sleduje jeho genetický původ k jednobuněčným bakteriím.

Zdá se, že se věnuje své obvyklé činnosti, přepisování genů a výrobě proteinů. Mocné organely zvané mitochondrie poslušně chrlí energii. Ale pak mitochondrie obdrží signál a její typicky klidné proteiny spojí své síly, aby vytvořily stroj smrti.

Prořezávají celu s dechberoucí důkladností. Během několika hodin leží vše, co buňka vybudovala, v troskách. Zůstane jen pár bublinek membrány.

„Je opravdu úžasné, jak rychle k tomu dochází a jak je to organizované,“ řekla Aurora Nedelcu, evoluční bioložka z univerzity v Novém Brunšviku, která tento proces studovala na řasách.

Apoptóza, jak je tento proces znám, se zdá být stejně nepravděpodobná jako násilná. A přesto některé buňky podstupují tuto zničující, ale předvídatelnou sérii kroků, aby se záměrně zabily. Když to biologové poprvé pozorovali, byli šokováni, když našli smrt, kterou si způsobili sami mezi živými, usilovnými organismy. A ačkoli se ukázalo, že apoptóza je pro mnoho mnohobuněčných tvorů životně důležitou tvůrčí silou, pro danou buňku je naprosto zničující. Jak by se chování, které má za následek náhlou smrt buňky, mohlo vyvinout, natož přetrvat?

Molekulární biologové zjistili, že nástroje pro apoptózu jsou překvapivě rozšířené. A když se snažili porozumět jejímu molekulárnímu procesu a původu, našli něco ještě překvapivějšího: Apoptózu lze vysledovat zpět ke starověkým formám programované buněčné smrti prováděné jednobuněčnými organismy, dokonce i bakteriemi, které ji zřejmě vyvinuly jako sociální chování.

Zjištění jedné studie, publikované loni na podzim, naznačují, že poslední společný předek kvasinek a lidí, první eukaryote, neboli buňka nesoucí jádro a mitochondrie, již měl nástroje nezbytné k tomu, aby skončil sám před 2 miliardami let. A další výzkum, včetně klíčového dokumentu zveřejněného loni v květnu, naznačuje, že když byl tento organismus naživu, nějaký druh programované buněčné smrti byl již miliony let starý.

Někteří vědci se domnívají, že původ apoptózy praktikované v našich buňkách lze vysledovat v mitochondriích, které jsou v tomto procesu kupodivu ústřední. Jiní však mají podezření, že původ buněčné smrti může spočívat v dávné dohodě mezi našimi předky a bakteriemi. Ať už jde o jakoukoli cestu, nový výzkum přináší vzrušující důkazy, že programovaná buněčná smrt může být starší a univerzálnější, než si kdokoli uvědomoval. Proč je život tolik pronásledován smrtí?

Na konci 50. let 20. století byl buněčný biolog Richard Lockshin fascinován tím, co se děje s tkáněmi, které organismus již nepotřebuje. Pracoval v laboratoři Harvardské univerzity experta na hmyz Carrolla Williamse, který získal 20 000 zámotků bource morušového z Asie. Než dorazili do laboratoře, jejich proměna začala. Uvnitř každého kokonu odumíraly buňky bource morušového, aby se z tvora mohl stát bourec morušový. Lockshin dále dokumentoval cílenou tkáňovou smrt v jejich tělech, kterou nazval „programovaná buněčná smrt“.

Přibližně ve stejnou dobu australský patolog John Kerr, testoval elektronový mikroskop na buňkách krysích embryí, aby učinil podobný objev. Jak se embryo vyvíjelo, byly do tělesného plánu přidávány nové buňky. Buňky však také umíraly. Nebyla to nehoda a nebyl to důsledek zranění. Tato smrt, kterou nazval „apoptóza“, byla „aktivním, ze své podstaty kontrolovaným jevem,“ napsal Kerr. U krysích embryí byla v plánu smrt.

Výzkumníci, kteří pozorovali tento druh smrti, nakonec dospěli k rozumnému vysvětlení. Během vývoje se ze zeměkoule rychle se dělících buněk stane něco s křídly a tykadly nebo prsty na rukou a nohou. Po cestě musí některé z těchto buněk sejít ostatním z cesty. Dokonce i u dospělých dávala programovaná buněčná smrt vědecký smysl. Nezdravé buňky, jako jsou ty, které poškozují DNA, musí být schopny se samy eliminovat z mnohobuněčného těla, aby nezpůsobily další destrukci buněk kolem nich. Výzkumníci také zjistili, že selhání apoptózy může vést k onemocnění, což bylo také vhodné. U buňka u rakoviny, která měla zemřít, buňka, jejíž DNA má tolik chyb, že by se měla odstranit sama, se nezničí. U autoimunitních a jiných onemocnění buňky, které by neměly zemřít, zemře a naopak: Buňky, které by měly zemřít, nezemřou.

Odborníci však předpokládali, že tato dovednost byla jedinečná pro mnohobuněčné organismy, které měly těla složená z mnoha buněk, pro které mohly jiné buňky zemřít. Co dobrého by mohl jednobuněčný organismus získat ze své vlastní smrti? Evoluce mohla jen stěží upřednostňovat chování, které odstranilo svého nositele z genofondu.

„Nezdálo se, že by dávalo smysl, proč by se něco aktivně zabíjelo,“ řekl Pierre Durand, evoluční biolog z Witwatersrandské univerzity v Jižní Africe.

Ale když vědci načrtli tyto protokoly smrti podrobněji, někteří si začali uvědomovat, že jednobuněčné eukaryoty mají podobné nástroje a schopnosti. V roce 1997 tým výzkumníků vedený biochemikem Kai-Uwe Fröhlichem oznámil, že se kvasinkové buňky metodicky rozkládají. První známý případ „jednobuněčného nižšího eukaryota“, který má základní mechanismus programované buněčné smrti. Jednobuněčné řasy, protistové a další houby se brzy připojily k řadám tvorů známých svou smrtí, kterou si způsobili sami.

Když se biologové snažili pochopit, jak si organismy mohly tuto schopnost vyvinout, byli nuceni se potýkat s další otázkou: Pokud se programovaná buněčná smrt neobjevila s mnohobuněčností, odkud se tedy vzala?

Zde je to, co se stane, když je eukaryotická buňka odsouzena k smrti.

Nejprve přichází signál, že nastal konec. Pokud je to zvenčí buňky, pokud okolní buňky označily svého souseda za smrt, signál dorazí na povrch buňky a naváže se na receptor smrti, který skokově spustí apoptózu. Pokud signál přichází zevnitř buňky, je-li důvodem smrti například poškození genomu, pak proces začíná obratem mitochondrií proti jejich hostitelské buňce.

„Existuje mnoho cest k buněčné smrti,“ řekl L. Aravind, evoluční biolog z Národního centra pro biotechnologické informace. Všechny končí apoptotickými enzymy a fragmenty proteinu a DNA tam, kde bývala buňka.

Apoptóza je tak přísně kontrolována a tak široce praktikována, že je těžké se divit, kde vznikly její mechanismy. Jak části, které tvoří stroj, který musel být na prvním místě, tak způsoby, jak spolupracují. Právě tato zvědavost přivedla Szymona Kaczanowského a Urszulu Zielenkiewiczovou z Polské akademie věd k nedávnému souboru experimentů. Chtěli vědět, zda by apoptotické proteiny z jednoho eukaryota fungovaly, kdyby byly zapojeny do apoptotického stroje vzdáleného příbuzného. Usoudili, že pokud proces stále funguje, pak funkce enzymů, způsob, jakým krájí a  porcuje DNA nebo aktivují jiné části stroje, musí být z velké části zachovány po dlouhou dobu.

Urszula Zielenkiewiczová a Szymon Kaczanowski nedávno zjistili, že apoptotické proteiny z celého eukaryotického stromu života fungují, když jsou zapojeny do kvasinkových buněk, což naznačuje, že tento proces pochází od jejich společného předka.

Tým vytvořil kvasinkové chiméry, které měly apoptotické enzymy z celého eukaryotického světa: z rostlin hořčice, slizniček, lidí a parazita, který způsobuje leishmaniózu. Poté vědci vyvolali apoptózu. Viděli, že mnoho z těchto chimér se dokázalo spustit bez ohledu na původ proteinů. A co víc, „různé charakteristické znaky apoptózy jsou často zachovány,“ řekl Kaczanowski, včetně rozbití DNA a kondenzace chromatinu v jádře.

Zajímalo je také, zda by bakteriální proteiny mohly nahradit ty eukaryotické. Když se vložili do analogových proteinových genů z hrstky bakterií, tým pozoroval programovanou smrt u některých chimér, ale ne u všech. To naznačuje, že nástroje pro samovolně vyvolanou smrt předcházely dokonce i eukaryotům, dospěli vědci k závěru.

Možná, že jakmile byly zachyceny uvnitř našeho pradávného předka, apoptotické proteiny se staly pro mitochondrie způsobem, jak stresovat hostitele, aby změnil své chování.

Ne každý s jejich výkladem souhlasí. Některé z těchto proteinů, zejména ty, které štěpí DNA a proteiny, jsou pro buňku nebezpečné, řekl Aravind. Buňka může zemřít jednoduše kvůli poškození, spíše než kvůli apoptickému procesu.

Přesto Kaczanowski a Zielenkiewiczová věří, že to, co vidí, je skutečná programovaná buněčná smrt. A jedna z jejich spekulací o tom, proč by bakteriální geny mohly fungovat v eukaryotech, se spojuje s myšlenkou, kterou biologové zmítají po celá desetiletí.

Tato teorie zahrnuje mitochondrie, organelu, která byla kdysi volně žijící bakterií. Je to výrobce energie buňky. Také se znovu a znovu objevuje v apoptózových drahách. Guido Kroemer, který studuje roli mitochondrií v apoptóze, je nazval “ sebevražedné organely “.

„Mnozí tomu říkají,“ řekl Nedelcu, „ústřední kat buněčné smrti.“

Mitochondrie je pod mikroskopem pěkná maličkost, úhledná pastilka obsahující labyrint membrán. Rozkládá cukry a vytváří ATP, molekulu, jejíž energie pohání téměř každý buněčný proces. Nevíme přesně, jak se to v nás zvrtlo: Původní bakterie mohla být kořistí našeho jednobuněčného předka a pak unikla trávení pomocí dosud záhadných prostředků. Mohla to být sousední buňka, která sdílela zdroje s naším předkem, dokud se jejich osudy nepropletly natolik, že se jejich těla stala jedním.

Ať už je původ jakýkoli, mitochondrie má svůj vlastní malý genom, který zbyl z dob své nezávislosti. Ale mnoho z jeho genů se přesunulo do genomu hostitele. V roce 2002 Aravind a Eugene Koonin napsali přelomový dokument, který se zabýval myšlenkou, že eukaryota mohla získat některé ze svých apoptózových genů z mitochondrií.

Geny pro apoptózu připomněly Kaczanowskému a Zielenkiewiczové závody ve zbrojení mezi predátorem a jeho kořistí. Ve svém novém článku spekulovali, že by to mohly být pozůstatky z nástrojů vyvinutých organismem kořisti, pravděpodobně původní mitochondriální bakterií, aby se bránila.

Geny zapojené do apoptózy mohly pocházet od bývalých symbiotických partnerů, kteří mezitím odešli. Nebo mohou být výsledkem horizontálního přenosu genů, procesu, který byl kdysi považován za vzácný a nyní je považovaný za relativně rozšířený, kde geny mohou přeskakovat z jednoho organismu do druhého prostřednictvím procesů, které se stále vypracovávají. Balíčky užitečných genů mohou přeskakovat mezi královstvími života a přetrvávat v nových organismech, pokud jsou přínosy dostatečně velké.

Jedna z těchto výhod se kupodivu zdá být naprogramovaná k sebezničení.

To vše je důležité, protože se zaměřuje na spletitou realitu, která je základem hanlivé fráze „přežijí jen nejschopnější“.

Evoluce funguje překvapivým způsobem a geny mají mnoho účelů. Stále je však jasnější, že jakási primitivní kolektivita a s ní organizované sebeobětování živými tvory, trvala možná miliardy let, než vznikl mnohobuněčný život. Možná, když vědci budou pokračovat ve skládání původů buněčné smrti, najdeme širší představu o tom, k čemu smrt a život jsou.