처음에는 세포가 자기 파괴 직전에 있는지 알기가 어려울 수 있습니다.

유전자를 전사하고 단백질을 만드는 등 일상적인 업무를 수행하는 것으로 보입니다. 미토콘드리아라고 불리는 강력한 세포 소기관은 충실하게 에너지를 생산하고 있습니다. 그러나 미토콘드리아는 신호를 받고 일반적으로 평온한 단백질이 힘을 합쳐 죽음의 기계를 형성합니다.

그들은 숨이 막힐 정도로 철저하게 세포를 꿰뚫습니다. 몇 시간 만에 세포가 쌓아온 모든 것이 폐허로 변합니다. 남은 것은 막의 거품 몇 개뿐입니다.

"얼마나 빠르고, 얼마나 체계적으로 구성되어 있는지 정말 놀랍습니다."라고 말했습니다. 오로라 네델쿠, 조류의 과정을 연구해온 뉴 브런즈윅 대학교의 진화 생물학자입니다.

이 과정으로 알려진 세포사멸은 폭력적일 만큼 가능성이 낮아 보입니다. 그러나 일부 세포는 의도적으로 자살하기 위해 파괴적이지만 예측 가능한 일련의 단계를 거칩니다. 생물학자들이 처음 그것을 관찰했을 때, 살아 있고 분투하는 유기체들 사이에서 스스로 유발된 죽음을 발견하고 충격을 받았습니다. 그리고 세포사멸은 많은 다세포 생물에게 필수적인 창조력임이 밝혀졌지만 특정 세포에게는 완전히 파멸적인 것입니다. 세포의 갑작스러운 죽음을 초래하는 행동이 어떻게 지속되기는커녕 진화할 수 있겠습니까?

분자생물학자들은 세포사멸을 위한 도구가 이상하게도 널리 퍼져 있다는 사실을 발견했습니다. 그리고 그들은 분자 과정과 기원을 이해하려고 노력하면서 훨씬 더 놀라운 사실을 발견했습니다. 세포 사멸은 단세포 유기체, 심지어 박테리아에 의해 수행된 고대 형태의 프로그램된 세포 사멸로 거슬러 올라갈 수 있으며, 이 세포 사멸은 이를 진화시킨 것으로 보입니다. 사회적 행동으로.

한 연구 결과, 작년 가을에 출판된, 효모와 인간의 마지막 공통 조상(최초의 진핵생물, 즉 핵과 미토콘드리아를 보유한 세포)은 이미 약 2억년 전에 종말을 맞이하는 데 필요한 도구를 가지고 있었음을 시사합니다. 그리고 다음을 포함한 기타 연구 핵심 문서 지난 5월에 발표된 연구에 따르면 그 유기체가 살아 있었을 때 어떤 종류의 프로그램된 세포 사멸은 이미 수백만 년 전이었습니다.

일부 연구자들은 우리 세포에서 진행되는 세포사멸의 기원이 이상하게도 그 과정의 중심인 미토콘드리아에서 유래할 수 있다고 믿습니다. 그러나 다른 사람들은 세포 사멸의 기원이 우리 조상과 박테리아 사이의 오래 전의 거래에 있을 수 있다고 의심합니다. 경로가 무엇이든, 새로운 연구는 프로그램된 세포 사멸이 다른 사람이 알고 있는 것보다 더 오래되고 더 보편적일 수 있다는 감질나는 증거를 제시합니다. 왜 삶은 죽음으로 인해 괴로워지는가?

죽음이 계획일 때

1950년대 후반 세포생물학자 리차드 록신 유기체가 더 이상 필요로 하지 않는 조직에 일어나는 일에 매료되었습니다. 그는 곤충 전문가인 캐롤 윌리엄스(Carroll Williams)의 하버드 대학 연구실에서 일하고 있었는데, 그는 아시아에서 누에고치 20,000개를 얻었습니다. 그들이 실험실에 도착했을 때 그들의 변태가 시작되었습니다. 각 누에고치 안에서 누에의 세포는 죽어가고 있었고 그 생물은 실크나방이 될 수 있었습니다. 록신은 계속해서 신체 내부의 표적화된 조직 죽음을 기록했는데, 그는 이를 "프로그램화된 세포 죽음"이라고 불렀습니다.

비슷한 시기에 호주의 병리학자는 존 커 비슷한 발견을 하기 위해 쥐 배아의 세포에 전자현미경을 돌리고 있었습니다. 배아가 발달함에 따라 새로운 세포가 신체 계획에 추가되었습니다. 그러나 세포도 죽어가고 있었습니다. 사고도 아니고 부상으로 인한 결과도 아니었습니다. 커(Kerr)는 그가 "세포사멸"이라고 불렀던 이 죽음은 "활성적이고 본질적으로 통제된 현상"이라고 썼습니다. 쥐 배아에서는 죽음이 계획이었습니다.

이런 종류의 죽음을 관찰한 연구자들은 결국 이에 대한 합리적인 설명에 도달했습니다. 발달 과정에서 빠르게 분열하는 세포의 구체는 날개와 더듬이 또는 손가락과 발가락이 있는 것으로 변합니다. 그 과정에서 일부 세포는 나머지 세포를 방해하지 않아야 합니다. 성인의 경우에도 프로그램된 세포 사멸은 과학적으로 의미가 있습니다. DNA 손상을 일으키는 세포와 같은 건강에 해로운 세포는 주변 세포에 추가적인 파괴를 일으키지 않도록 다세포체에서 스스로 제거될 수 있어야 합니다. 연구자들은 또한 세포사멸의 실패가 질병으로 이어질 수 있다는 것을 발견했는데, 이는 또한 적합했습니다. 암에서는 죽어야 할 세포, 즉 DNA에 실수가 너무 많아 스스로 제거했어야 할 세포가 죽지 않습니다. 자가면역 질환과 기타 질병에서는 죽어서는 안되는 세포가 죽고, 그 반대의 경우도 마찬가지입니다. 죽어야 하는 세포는 죽지 않습니다.

하지만 전문가들은 이 기술이 다른 세포가 죽을 수 있는 많은 세포로 구성된 몸을 가진 다세포 유기체에만 있는 것이라고 가정했습니다. 단세포 유기체가 자신의 죽음으로부터 어떤 이익을 얻을 수 있습니까? 진화는 유전자 풀에서 운반자를 제거하는 행동을 거의 선호하지 않습니다.

"어째서 어떤 것이 적극적으로 자살하는지 이해가 되지 않는 것 같았습니다."라고 말했습니다. 피에르 뒤랑, 남아프리카 위트워터스랜드 대학의 진화생물학자.

그러나 과학자들이 이러한 죽음의 프로토콜을 더 자세히 설명하면서 일부 사람들은 단세포 진핵생물도 비슷한 도구와 능력을 가지고 있다는 것을 깨닫기 시작했습니다. 1997년 생화학자가 이끄는 연구팀이 카이우베 프뢰리히 보고된 효모 세포 체계적으로 스스로를 해체하다 — 프로그래밍된 세포 사멸의 기본 메커니즘을 갖춘 "단세포 하등 진핵생물"의 최초의 알려진 사례입니다. 곧, 단세포 조류, 원생 생물 및 기타 균류가 스스로 죽음을 초래하는 것으로 알려진 생물의 대열에 합류했습니다.

생물학자들은 유기체가 어떻게 이러한 능력을 진화시킬 수 있었는지 이해하려고 노력하면서 또 다른 질문에 직면하게 되었습니다. 즉, 프로그램된 세포 사멸이 다세포성에서 나타나지 않는다면 그것은 어디에서 왔는가?

작업을 위한 도구

진핵 세포가 스스로 죽을 운명에 처했을 때 일어나는 일은 다음과 같습니다.

첫째, 종말이 왔다는 신호가 옵니다. 신호가 세포 외부에서 오는 경우(주변 세포가 이웃 세포의 죽음을 표시한 경우) 신호는 세포 표면에 도착하여 세포사멸을 시작하는 죽음 수용체에 결합합니다. 신호가 세포 내부에서 오는 경우(예를 들어 사망 원인이 게놈 손상인 경우) 해당 과정은 미토콘드리아가 숙주 세포에 반대하는 것으로 시작됩니다.

두 경우 모두 특수한 효소가 곧 활동을 시작합니다. 동물의 카스파제와 같은 일부 세포사멸 인자는 떼가 되어 세포 구조를 리본 모양으로 자르는 놀라운 신속성으로 서로를 활성화할 수 있습니다. 그 후, 세포의 운명은 결정된다.

“세포 사멸로 가는 길은 많습니다.” L. 아라빈드, 국립생명공학정보센터(National Center for Biotechnology Information)의 진화생물학자. 그것들은 모두 세포사멸 효소와 세포가 있던 곳에 단백질과 DNA 조각으로 끝납니다.

아폽토시스는 매우 엄격하게 통제되고 광범위하게 실행되므로 그 메커니즘(기계를 구성하는 부분, 즉 먼저 와야 하는 부분)과 이들이 함께 작동하는 방식이 어디서 유래되었는지 궁금해하지 않을 수 없습니다. 그 호기심이 Szymon Kaczanowski와 우르술라 질렌키에비츠 폴란드 과학 아카데미의 최근 실험 세트. 그들은 한 진핵생물의 세포사멸 단백질이 먼 친척의 세포사멸 기계에 연결되면 기능할 수 있는지 알고 싶었습니다. 그 과정이 여전히 작동한다면 효소의 기능(DNA를 자르고 자르거나 기계의 다른 부분을 활성화하는 방식)은 오랜 기간 동안 대부분 보존되었을 것이라고 그들은 생각했습니다.

팀은 겨자 식물, 점균류, 인간 및 레슈마니아증을 유발하는 기생충 등 진핵생물 세계 전반에서 세포사멸 효소를 갖는 효모 키메라를 조작했습니다. 그런 다음 연구진은 세포사멸을 유도했습니다. 그들은 이러한 키메라 중 다수가 단백질의 기원에 관계없이 스스로 실행될 수 있다는 것을 확인했습니다. 더욱이, DNA 파손과 핵 내 염색질 응축을 포함하여 "세포사멸의 다양한 특징이 자주 유지됩니다"라고 Kaczanowski는 말했습니다.

그들은 또한 박테리아 단백질이 진핵생물 단백질을 대신할 수 있는지 궁금해했습니다. 연구팀은 소수의 박테리아의 유사 단백질 유전자를 삽입했을 때 일부 키메라에서 프로그램된 죽음을 관찰했지만 전부는 그렇지 않았습니다. 이는 자기 유도 죽음을 위한 도구가 진핵생물보다 먼저 존재했음을 시사한다고 연구자들은 결론지었습니다.

모든 사람이 그들의 해석에 동의하는 것은 아닙니다. 이러한 단백질 중 일부, 특히 DNA와 단백질을 절단하는 단백질은 세포에 위험하다고 Aravind는 말했습니다. 세포는 세포사멸 과정보다는 단순히 손상으로 인해 죽을 수도 있습니다.

그럼에도 불구하고 Kaczanowski와 Zielenkiewicz는 그들이 보고 있는 것이 진정한 프로그램화된 세포 사멸이라고 믿고 있습니다. 그리고 박테리아 유전자가 진핵생물에서 작동하는 이유에 대한 그들의 추측 중 하나는 수십 년 동안 생물학자들에 의해 맴돌던 생각과 연결됩니다.

이 이론은 한때 자유 생활 박테리아였던 세포 소기관인 미토콘드리아를 포함합니다. 이는 세포의 에너지 생산자입니다. 또한 세포사멸 경로에서 계속해서 발생합니다. 세포사멸에서 미토콘드리아의 역할을 연구한 귀도 크로머(Guido Kroemer)는 이를 “자살 세포 기관. "

Nedelcu는 “많은 사람들이 그것을 세포 사멸의 중앙 집행자라고 부릅니다.”라고 말했습니다.

내부 직업?

미토콘드리아는 현미경으로 보면 매우 작은 것으로, 미로 같은 막이 들어 있는 깔끔한 마름모꼴 모양입니다. 이는 설탕을 분해하여 거의 모든 세포 과정에 에너지를 공급하는 분자인 ATP를 생성합니다. 우리는 그것이 우리 내부에서 어떻게 발생했는지 정확히 알지 못합니다. 원래 박테리아는 우리 단세포 조상의 먹이였으며 여전히 신비한 방법으로 소화에서 탈출했을 수 있습니다. 그것은 운명이 너무 얽혀 그들의 몸이 하나가 될 때까지 우리 조상과 자원을 공유하는 이웃 세포였을 수도 있습니다.

그 기원이 무엇이든, 미토콘드리아는 독립 시절부터 남겨진 자신만의 작은 게놈을 가지고 있습니다. 그러나 많은 유전자가 숙주의 게놈으로 이동했습니다. 2002년에 아라빈드(Aravind)와 유진 쿠닌(Eugene Koonin)은 다음과 같은 글을 썼습니다. 획기적인 종이 진핵생물이 미토콘드리아에서 세포사멸 유전자의 일부를 얻었을 수도 있다는 생각을 고려해 보세요. 이 작은 박테리아 잔재는 진핵 세포가 스스로를 죽이기 위해 사용하는 일부 도구의 원천일 수 있습니다.

세포사멸 유전자는 Kaczanowski와 Zielenkiewicz에게 포식자와 먹이 사이의 군비 경쟁을 상기시켰습니다. 새로운 논문에서 그들은 먹이 유기체(아마도 원래의 미토콘드리아 박테리아)가 자신을 방어하기 위해 진화한 도구에서 유래한 것일 수 있다고 추측했습니다.

어쩌면 우리의 고대 조상 내부에 일단 포착되면 세포사멸 단백질은 미토콘드리아가 숙주에게 자신의 행동을 바꾸도록 압력을 가하는 방법이 되었다고 Durand와 과학철학자인 Grant Ramsey가 수집한 가설은 다음과 같습니다. 리뷰에서 그들은 지난 6월에 출판했습니다. 아니면 미토콘드리아가 숙주가 그것을 제거할 수 없도록 보장한 방식의 잔재일 수도 있습니다. 즉, 미토콘드리아만이 해독제를 가지고 있는 독입니다. 도중 어딘가에서 이 과정은 숙주에 의해 포착되거나 변형되었으며, 변종은 적절한 세포사멸로 진화했습니다.

진핵세포 사멸의 기원에 대한 답을 찾는 것은 연구자들을 박테리아 세계로 더 깊이 끌어들이는 것 같습니다. 사실은, 어떤 경이로움 단세포 유기체가 스스로 목숨을 끊는 이유에 대한 답이 있을지도 모릅니다. 만약 어떤 형태의 프로그램된 세포 사멸이 다세포 생물보다 더 오래됐다면, 심지어 진핵생물보다 더 오래됐다면, 이익을 얻을 수 있는 신체가 없고 과정을 가속화할 미토콘드리아가 없는 유기체에서 그런 일이 일어나는 이유를 이해하면 이 모든 것이 어떻게 시작되었는지 설명할 수 있을 것입니다.

일부 전체의 이익을 위해

단세포 유기체가 죽음을 선택하는 한 가지 이유는 이웃을 돕기 위해서입니다.

2000년대, 듀랜드가 애리조나 대학교에서 박사후 연구원으로 재직하던 중 그는 흥미로운 사실을 발견했습니다. 단세포 진핵 조류를 이용한 실험. 프로그램된 세포 사멸로 죽은 동족의 유해에 조류를 먹이자 살아있는 세포가 번성했습니다. 그러나 그가 폭력적으로 죽인 친족의 유해를 그들에게 먹였을 때, 조류의 성장은 둔화되었습니다.

프로그램된 세포 사멸은 죽은 부분에서 유용한 자원을 생성하는 것으로 나타났습니다. 그러나 이 과정은 죽은 조류의 친척들에게만 도움이 될 수 있다고 그는 발견했습니다. Durand는 “그것은 실제로 다른 종의 동물들에게 해로웠습니다.”라고 말했습니다. 2022년에는 또 다른 연구그룹 발견을 확인했다 다른 조류에서.

이번 결과는 단세포 생물에서 세포 사멸이 어떻게 진화할 수 있는지 설명할 수 있습니다. 유기체가 친족으로 둘러싸여 있다면, 그 유기체의 죽음은 영양분을 제공할 수 있으므로 친척의 생존을 더욱 향상시킬 수 있습니다. 이는 자연 선택이 자기 유발 죽음을 위한 도구를 선택할 수 있는 기회를 만듭니다.

박테리아 역시 단세포이며 동족끼리 함께 살 수 있습니다. 그들은 더 큰 이익을 위해 죽을 수도 있습니까? 힌트가 있습니다 올바른 조건에서, 바이러스에 감염된 박테리아는 질병의 확산을 막기 위해 자살할 수 있습니다. 이러한 사실은 연구자들이 프로그램된 세포 사멸에 대해 생각하는 방식을 재편했으며 Aravind는 최근에 이를 발견했습니다. 퍼즐의 또 다른 조각.

이는 다음과 같은 단백질 영역을 포함합니다. NACHT 도메인, 이는 일부 동물의 세포사멸 단백질에 나타납니다. NACHT 도메인은 박테리아에도 존재합니다. 실제로 야생에서 가장 많은 NACHT 도메인을 가진 미생물은 때때로 다세포 생활과 매우 유사한 생활에 참여한다고 Aravind는 말했습니다. 그들은 군집을 이루어 자라기 때문에 특히 전염에 취약하고 특히 서로의 자기희생을 통해 이익을 얻을 가능성이 높습니다.

아라빈드의 동료 아론 휘틀리 콜로라도 대학교에 있는 그의 연구실과 장비를 갖춘 그의 연구실 E. 대장균 NACHT 도메인을 사용하여 시험관에서 성장시켰습니다. 그런 다음 그들은 세포를 바이러스로 감염시켰습니다. 놀랍게도 그들은 NACHT 함유 단백질이 프로그램된 세포 사멸의 형태를 유발하는 데 필요하다는 사실을 발견했습니다. 감염된 세포는 너무 빨리 스스로 죽기 때문에 바이러스가 복제할 수 없습니다. 그들의 희생은 주변 사람들을 감염으로부터 보호할 수 있다고 Aravind는 말했습니다.

Aravind에 따르면 이러한 보존된 영역은 세포사멸 기원에 대한 이야기를 말해줍니다. “당신은 이미 특정 박테리아에 미리 만들어진 세포 사멸 장치를 갖고 있었습니다.”라고 그는 말했습니다. 그런 다음 어느 시점에서 진핵 세포의 일부 계통이 이 툴킷을 선택하여 결국 다세포 유기체의 세포에 더 큰 이익을 위해 죽을 수 있는 방법을 부여했습니다.

그는 더 이상 세포사멸 단백질의 유일한 박테리아 공급원이 미토콘드리아라는 증거를 믿지 않습니다. 미토콘드리아는 대부분의 진핵 세포 내에 여전히 살고 있는 주요 박테리아 잔여물이며, 25년 전에는 이것이 이 신비한 유전자의 논리적 후보였다고 그는 말했습니다. 그러나 그 이후 몇 년 동안 또 다른 사실이 분명해졌습니다. 미토콘드리아는 아마도 혼자가 아니었을 것입니다.

우리 안의 박테리아

연구자들은 진핵생물 게놈이 우리에게 흔적을 남긴 다른 생물들의 조용한 행렬의 잔재인 박테리아 유전자의 많은 흔적을 담고 있다는 것을 점차 깨달았습니다. 그들은 미토콘드리아와 같은 공생체였을 수도 있습니다. 튀어나왔다 나갔다 다양한 진핵생물 계통이 존재하며 유전자를 남깁니다. Aravind는 “이제 우리는 이러한 상황이 진핵생물의 진화 전반에 걸쳐 계속되었을 것이라는 점을 깨달아야 합니다.”라고 말했습니다.

세포사멸과 관련된 유전자는 그 이후로 떠난 이전의 공생 파트너로부터 유래되었을 수 있습니다. 또는 수평적 유전자 전달의 결과일 수도 있습니다. 이 과정은 한때 드물다고 여겨졌으나 지금은 상대적으로 광범위하게 여겨지는 과정입니다. 유전자는 뛰어다닐 수 있다 다음과 같은 과정을 통해 한 유기체에서 다른 유기체로 아직도 해결 중. 유용한 유전자 패키지는 이점이 충분히 크면 생명계 사이를 뛰어넘을 수 있으며 새로운 유기체에 지속될 수 있습니다.

이상하게도 그러한 이점 중 하나는 프로그래밍된 자기 파괴인 것 같습니다.

이 모든 것이 중요한 이유는 '적자생존'이라는 말의 기저에 깔려 있는 복잡한 현실에 초점을 맞추기 때문입니다. 진화는 놀라운 방식으로 이루어지며 유전자에는 많은 목적이 있습니다. 그러나 점점 더 분명해지는 것은 다세포 생물이 출현하기 전에 일종의 원시적 집합체가 — 그리고 그에 따라 생물의 조직적인 자기희생 —이 아마도 수십억 년 동안 지속되었다는 것입니다. 아마도 과학자들이 세포 사멸의 기원을 계속해서 종합해 나가면서 우리는 죽음과 생명이 무엇을 위한 것인지에 대한 더 넓은 개념을 발견하게 될 것입니다.