細胞がいつ自己破壊の危機に瀕しているかを最初は判断するのは難しいかもしれません。

遺伝子を転写してタンパク質を作り、通常通りの仕事をしているようだ。ミトコンドリアと呼ばれる発電所の細胞小器官が律儀にエネルギーを生産しています。しかしその後、ミトコンドリアが信号を受信し、通常は穏やかなタンパク質が力を合わせてデスマシンを形成します。

彼らは息をのむほど徹底的に細胞を切り裂きます。数時間のうちに、独房が築いたものはすべて廃墟と化した。わずかな膜の気泡が残るだけです。

「そのスピードと組織化には本当に驚かされます」と氏は語った。 オーロラ・ネデルクニューブランズウィック大学の進化生物学者であり、藻類のプロセスを研究しています。

このプロセスが知られているように、アポトーシスは暴力的であると同時に可能性は低いように思われます。しかし、一部の細胞は、意図的に自らを殺すために、この壊滅的だが予測可能な一連のステップを経ます。生物学者が最初にそれを観察したとき、彼らは、生きて努力している生物の間に自己誘発的な死が存在することを発見して衝撃を受けました。そして、アポトーシスは多くの多細胞生物にとって不可欠な創造力であることが判明しましたが、特定の細胞にとってはまったくの破滅です。細胞の突然死をもたらす行動は、どのようにして進化し、ましてや持続するのでしょうか?

分子生物学者は、アポトーシスのためのツールが不思議なことに広範囲に普及していることを発見しました。そして、その分子過程と起源を理解しようとしたところ、さらに驚くべきことを発見した。アポトーシスは、それを進化させたと思われる単細胞生物、さらには細菌によって引き起こされる古代のプログラム細胞死の形態にまで遡ることができる。社会的な行動として。

ある研究結果では、 去年の秋に出版された、酵母と人間の最後の共通の祖先、つまり最初の真核生物、つまり核とミトコンドリアを持つ細胞は、すでに約2億年前に自らを終わらせるために必要な道具を持っていたことを示唆しています。その他の研究としては、 キーペーパー 昨年5月に発表された論文は、その生物が生きていたとき、ある種のプログラムされた細胞死がすでに数百万年前から存在していたことを示している。

一部の研究者は、私たちの細胞で行われるアポトーシスの起源は、奇妙なことにこのプロセスの中心であるミトコンドリアにまで遡る可能性があると考えています。しかし、細胞死の起源は、私たちの祖先と細菌との間の昔の取引にあるのではないかと疑う人もいます。経路が何であれ、新しい研究は、プログラムされた細胞死が誰もが認識していたよりも古く、より普遍的である可能性があるという興味深い証拠を明らかにしました。なぜ人生はこれほど死に悩まされるのでしょうか？

死が計画されているとき

1950年代後半、細胞生物学者は、 リチャード・ロックシン 生物が必要としなくなった組織に何が起こるのかに興味を持ち始めました。彼はハーバード大学の昆虫専門家キャロル・ウィリアムズの研究室で働いており、彼はアジアから20,000万個の蚕の繭を入手していた。彼らが研究室に到着するまでに、彼らの変態は始まっていた。それぞれの繭の中で蚕の細胞は死滅し、蚕が蚕になる可能性がありました。ロックシン氏はさらに、彼らの体内の標的組織の死を記録し、これを「プログラムされた細胞死」と名付けた。

同じ頃、オーストラリアの病理学者は、 ジョン·カー 彼は、同様の発見をするためにラットの胎児の細胞を電子顕微鏡で観察していました。胚が発達するにつれて、新しい細胞が体の計画に追加されました。しかし、細胞も死滅していました。それは事故ではなかったし、怪我の結果でもありませんでした。彼が「アポトーシス」と呼んだこの死は、「活動的で本質的に制御された現象」であるとカー氏は書いた。ラットの胎児では、死は計画されていました。

この種の死を観察していた研究者たちは、最終的にそれについての合理的な説明に到達しました。発生中に、急速に分裂する細胞の球体は、翼と触角、または指と足の指を備えたものになります。その過程で、これらの細胞の一部は残りの細胞の邪魔をしないようにする必要があります。成人であっても、プログラムされた細胞死は科学的に理にかなっています。 DNA 損傷を生じた細胞など、不健康な細胞は、周囲の細胞にさらなる破壊を引き起こさないように、多細胞体から自らを排除できなければなりません。研究者らはまた、アポトーシスの失敗が病気につながる可能性があることを発見しましたが、これも適切でした。がんでは、死ぬべき細胞、つまり DNA に多くの間違いがあり、自ら除去すべき細胞が死滅しません。自己免疫疾患やその他の疾患では、死ぬべきではない細胞が死ぬことがあり、逆も同様です。つまり、死ぬべき細胞が死なないのです。

しかし専門家らは、このスキルは多細胞生物に特有のものであり、多細胞生物は体が多くの細胞でできており、そのために他の細胞が死んでしまう可能性があると考えていた。単細胞生物は自らの死からどんな利益を得ることができるでしょうか?進化は、そのキャリアを遺伝子プールから取り除くような行動を好むことはほとんどありません。

「なぜ何かが自らを積極的に殺すのか、理解できないようだった」と彼は言った。 ピエール・デュラン、南アフリカのウィットウォータースランド大学の進化生物学者。

しかし、科学者たちがこれらの死のプロトコルをより詳細にスケッチするにつれて、単細胞真核生物にも同様のツールと能力があることに気づき始めた人もいます。 1997年、生化学者が率いる研究者チームが カイ＝ウーヴェ・フレーリッヒ 報告された酵母細胞 系統的に自分自身を解体する —プログラムされた細胞死の基本的な機構を持つ「単細胞下等真核生物」の既知の最初の例。すぐに、単細胞の藻類、原生生物、その他の菌類が、自己誘発死で知られる生物の仲間入りをしました。

生物学者たちは、生物がどのようにしてこの能力を進化させたのかを理解しようとしたとき、別の疑問に取り組まざるを得なくなった。もしプログラムされた細胞死が多細胞性によって現れないとしたら、それはどこから来たのか?

仕事のためのツール

真核細胞が死ぬ運命にあるとき、何が起こるかは次のとおりです。

まず、終わりが来たという合図があります。それが細胞の外側からのものである場合、つまり周囲の細胞が隣接する細胞に死のマークを付けている場合、信号は細胞の表面に到着し、死受容体に結合し、アポトーシスを活性化させます。信号が細胞内から来ている場合、たとえば死の理由がゲノムの損傷である場合、プロセスはミトコンドリアが宿主細胞に敵対することから始まります。

いずれの場合も、特殊な酵素がすぐに活性化します。動物のカスパーゼなどの一部のアポトーシス因子は、驚くべき速さのカスケードで相互に活性化し、群れとなって細胞の構造をリボン状に切断します。その後、細胞の運命は決定されます。

「細胞死への道はたくさんあります」と彼は言った L. アラビンド 国立バイオテクノロジー情報センターの進化生物学者。それらはすべてアポトーシス酵素で終わり、細胞が存在していた場所にタンパク質と DNA の断片が残ります。

アポトーシスは非常に厳密に制御され、非常に広く行われているため、そのメカニズムがどこから来たのか、つまり、最初に作られたはずの機械を構成する部品と、それらが連携する方法の両方がどこから来たのか疑問に思わずにはいられません。その好奇心がシモン・カチャノフスキーと ウルシュラ・ツィエレンキェヴィチ ポーランド科学アカデミーの最近の一連の実験について。彼らは、ある真核生物のアポトーシスタンパク質が、遠い親戚のアポトーシス機構に接続された場合に機能するかどうかを知りたいと考えていました。このプロセスがまだ機能しているのであれば、酵素の機能、つまり DNA をスライスしたり、機械の他の部分を活性化したりする方法は、長期間にわたってほぼ保存されているに違いないと彼らは考えた。

研究チームは、カラシナ、粘菌、ヒト、リーシュマニア症の原因となる寄生虫など、真核生物の世界各地から集めたアポトーシス酵素を備えた酵母キメラを作製した。次に、研究者らはアポトーシスを誘導しました。彼らは、これらのキメラの多くがタンパク質の起源に関係なく自らを実行できることを確認しました。さらに、DNAの切断や核内のクロマチンの凝縮など、「アポトーシスのさまざまな特徴が頻繁に維持される」とカザノフスキー氏は述べた。

彼らはまた、細菌のタンパク質が真核生物のタンパク質の代わりになれるのではないかとも考えました。研究チームが少数の細菌のアナログタンパク質遺伝子を埋め込んだところ、すべてのキメラではなく、一部のキメラでプログラムされた死が観察された。このことは、自己誘発死のためのツールが真核生物よりも以前からあったことを示唆している、と研究者らは結論づけた。

誰もが彼らの解釈に同意するわけではありません。これらのタンパク質の一部、特にDNAやタンパク質を切断するタンパク質は細胞にとって危険である、とアラビンド氏は述べた。細胞は、アポトーシスプロセスのためではなく、単に損傷のために死ぬ可能性があります。

それでも、カチャノフスキー氏とツィレンキェヴィチ氏は、自分たちが見ているのは真のプログラムされた細胞死であると信じている。そして、なぜ細菌の遺伝子が真核生物で機能するのかについての彼らの推測の 1 つは、数十年にわたって生物学者によって議論されてきた考えと結びついています。

この理論には、かつて自由生活性の細菌であったミトコンドリアという細胞小器官が関係しています。それは細胞のエネルギー生産者です。また、アポトーシス経路でも何度も発生します。アポトーシスにおけるミトコンドリアの役割を研究しているグイド・クレーマーは、それらを「自殺細胞小器官に設立された地域オフィスに加えて、さらにローカルカスタマーサポートを提供できるようになります。」

「多くの人はそれを細胞死の中心的な執行者と呼んでいます」とネデルク氏は語った。

内部の仕事？

ミトコンドリアは顕微鏡で見るとかなり小さなもので、迷路のような膜を含んだきれいな菱形です。糖を分解して ATP を生成します。ATP は、そのエネルギーがほぼすべての細胞プロセスに動力を供給する分子です。それがどのように私たちの体内に発生したのかは正確にはわかっていません。元の細菌は単細胞の祖先の餌食であり、その後、まだ謎に包まれた手段によって消化を逃れたのかもしれません。それは、運命が非常に絡み合って体が一つになるまで、私たちの祖先と資源を共有していた隣の細胞だったのかもしれません。

その起源が何であれ、ミトコンドリアは独立した時代から残った独自の小さなゲノムを持っています。しかし、その遺伝子の多くは宿主のゲノムに移動しています。 2002 年、アラヴィンドとユージン・クーニンは次のように書きました。 画期的な紙 真核生物はアポトーシス遺伝子の一部をミトコンドリアから得た可能性があるという考えを考慮しています。この小さな細菌の残骸は、真核細胞が自らを殺すために使用するいくつかのツールの源である可能性があります。

アポトーシスの遺伝子は、カチャノフスキーとツィレンキェヴィチに、捕食者とその獲物との間の軍拡競争を思い出させた。彼らは新しい論文の中で、これらはおそらく元のミトコンドリア細菌である捕食生物が自らを守るために進化させた道具の名残ではないかと推測している。

おそらく、アポトーシスタンパク質は、私たちの古代の祖先の体内に取り込まれた後、ミトコンドリアが宿主にストレスを与えてその行動を変えるようにする手段になったのではないか、というのがデュランド・ラムジーと科学哲学者のグラント・ラムジーによって収集された仮説である。 レビューで 彼らは昨年6月に出版した。あるいは、ミトコンドリアが宿主にそれを排除できないようにした方法の名残かもしれません。ミトコンドリアだけが解毒剤を持っていた毒なのです。途中のどこかで、このプロセスは宿主によって捕捉または変換され、変異体が適切なアポトーシスに進化しました。

真核生物のアポトーシスの起源に関する答えの探求により、研究者は細菌の世界にさらに深く引き込まれているようです。実際には、 何か不思議だ 単細胞生物がなぜ自らの命を絶つのか、その答えが見つかるかどうか。ある種のプログラムされた細胞死が多細胞生物よりも古く、真核生物よりも古いのであれば、恩恵を受ける体やプロセスを加速させるミトコンドリアがない生物でなぜそれが起こるのかを理解すれば、これがどのように始まったかを説明できるかもしれない。

一部全体の利益のために

単細胞生物が死を選ぶ理由の 1 つは、隣人を助けるためです。

2000 年代、デュランドがアリゾナ大学の博士研究員だったとき、彼は研究中に興味深いことを発見しました。 単細胞真核藻類を使った実験。彼がプログラムされた細胞死によって死んだ同族の残骸を藻類に与えると、生きた細胞が繁栄した。しかし、暴力的に殺された親族の遺体を彼らに与えると、藻類の成長が遅くなった。

プログラムされた細胞死は、死んだ部分から利用可能なリソースを作り出すようです。しかし、このプロセスは死んだ藻類の近縁種にのみ利益をもたらすことができる、と彼は発見した。 「実際、それは異なる種の動物にとって有害で​​した」とデュランド氏は語った。 2022年に別の研究グループが 発見を確認した 別の藻類で。

この結果は、単細胞生物において細胞死がどのように進化するかを説明する可能性がある。生物が親族に囲まれている場合、その死によって栄養が提供され、その結果、その親族の生存がさらに促進される可能性があります。それは、自己誘発的な死のための手段を選択するための自然選択の余地を生み出します。

細菌も単細胞であり、同族間で生存する場合があります。彼らもまた、より大きな利益のために死ぬことができるのでしょうか？というヒントがあります 適切な条件下で、ウイルスに感染した細菌は病気の蔓延を阻止するために自らを殺す可能性があります。これらの啓示は、プログラムされた細胞死に対する研究者の考え方を一変させ、アラビンドは最近発見した パズルのもう一つのピース.

これには、と呼ばれるタンパク質領域が含まれます。 NACHTドメイン、いくつかの動物のアポトーシスタンパク質に現れます。 NACHT ドメインは細菌にも存在します。実際、野生下では、最も多くの NACHT ドメインを持つ微生物が、多細胞生物に非常によく似た状態にあることがある、とアラビンド氏は述べた。彼らはコロニーで成長するため、感染に対して特に脆弱であり、特にお互いの自己犠牲から利益を得る可能性が高くなります。

アラヴィンドの同僚 アーロン・ホワイトリー コロラド大学の彼の研究室と彼の研究室には設備が整っています E. 大腸菌の NACHT ドメインを使用して試験管内で培養しました。次に、細胞をウイルスに感染させました。驚くべきことに、彼らは、プログラムされた細胞死の一種を引き起こすにはNACHTを含むタンパク質が必要であることを発見し、感染した細胞はウイルスが複製できなくなるほど急速に自らを死滅させた。彼らの犠牲により、周囲の人を感染から守ることができるとアラビンド氏は語った。

アラヴィンド氏によれば、これらの保存されたドメインはアポトーシスの起源の物語を物語っているという。 「特定の細菌にはあらかじめ作られた細胞死装置が備わっていました」と彼は言う。その後、ある時点で、真核細胞のいくつかの系統がこのツールキットを採用し、最終的には多細胞生物の細胞に、より大きな利益のために死ぬ方法を与えました。

彼はもはや、ミトコンドリアがアポトーシスタンパク質の唯一の細菌源であることを示す証拠を信じていません。ミトコンドリアは、ほとんどの真核細胞内に今も生きている主要な細菌の残存物であり、25年前にはこれらの謎の遺伝子の論理的な候補であったと同氏は述べた。しかし、それから数年が経ち、別のことが明らかになりました。それはおそらくミトコンドリアだけではなかったということです。

私たちの体内の細菌

研究者らは、真核生物のゲノムには細菌の遺伝子の痕跡が多く残っており、私たちに痕跡を残した他の生物の沈黙のパレードの名残であると徐々に気づいてきました。それらはミトコンドリアのような共生生物であった可能性があります。 飛び出したり出たり さまざまな真核生物の系統の遺伝子を残しています。 「我々は今、この状況がおそらく真核生物の進化を通じてずっと続いていたことを認識すべきだ」とアラヴィンド氏は語った。

アポトーシスに関与する遺伝子は、その後別れた元の共生パートナーに由来する可能性があります。あるいは、それらは遺伝子の水平伝達（かつてはまれであると考えられていたが、現在では比較的広く普及していると考えられているプロセス）の結果である可能性があります。 遺伝子は飛び跳ねることができる ある生物から別の生物へ、 まだ検討中です。有用な遺伝子のパッケージは、その利益が十分に大きい場合、生命界の間を飛び越え、新しい生物の中に存続することができます。

奇妙なことに、それらの利点の 1 つは、プログラムされた自己破壊であるようです。

これらすべてが重要なのは、「適者生存」という決まり文句の根底にある複雑な現実に焦点を当てるからです。進化は驚くべき方法で機能し、遺伝子には多くの目的があります。しかし、より明らかになりつつあるのは、ある種の原始的な集団性とそれに伴う生物による組織的な自己犠牲が、多細胞生物が誕生するまでおそらく数十億年にわたって続いたことだ。おそらく、科学者たちが細胞死の起源をつなぎ合わせ続けるにつれて、死と生が何のためにあるのかについて、より広範な概念が見つかるでしょう。