İlk başta bir hücrenin kendi kendini yok etmenin eşiğinde olduğunu söylemek zor olabilir.

Görünüşe göre her zamanki işine devam ediyor, genleri kopyalıyor ve protein üretiyor. Mitokondri adı verilen enerji santrali organelleri görev bilinciyle enerji üretiyor. Ancak daha sonra mitokondri bir sinyal alır ve tipik olarak sakin proteinleri güçlerini birleştirerek bir ölüm makinesi oluşturur.

Nefes kesen bir titizlikle hücreyi kesiyorlar. Birkaç saat içinde hücrenin inşa ettiği her şey harabeye döner. Geriye kalan tek şey birkaç zar kabarcığıdır.

"Bu kadar hızlı ve bu kadar organize olması gerçekten şaşırtıcı" dedi Aurora NedelcuAlglerdeki süreci inceleyen New Brunswick Üniversitesi'nden evrimsel biyolog.

Bu süreç bilindiği gibi apoptoz şiddetli olduğu kadar olası da görünmüyor. Ve yine de bazı hücreler, kendilerini bilerek öldürmek için bu yıkıcı ama öngörülebilir adımlar dizisine maruz kalıyor. Biyologlar bunu ilk gözlemlediğinde, yaşayan ve çabalayan organizmalar arasında kendi kendine ölüm olduğunu gördüklerinde şok oldular. Her ne kadar apoptozun birçok çok hücreli canlı için hayati bir yaratıcı güç olduğu ortaya çıksa da, belirli bir hücre için tamamen yıkıcıdır. Bir hücrenin ani ölümüyle sonuçlanan bir davranış, bırakın devam etmeyi, nasıl evrimleşebilir?

Moleküler biyologların bulduğu apoptoz araçları ilginç bir şekilde yaygındır. Ve moleküler sürecini ve kökenlerini anlamaya çalıştıkça, daha da şaşırtıcı bir şey buldular: Apoptozun izi, onu geliştirmiş gibi görünen tek hücreli organizmalar (hatta bakteriler bile) tarafından gerçekleştirilen programlanmış hücre ölümünün eski biçimlerine kadar uzanabilir. sosyal bir davranış olarak

Bir çalışmanın bulguları, geçen sonbaharda yayınlandımaya ve insanın son ortak atasının (ilk ökaryot veya çekirdek ve mitokondri taşıyan hücrenin) yaklaşık 2 milyar yıl önce kendisini sona erdirmek için gerekli araçlara zaten sahip olduğunu öne sürüyor. Ve diğer araştırmalar da dahil önemli bir kağıt Geçtiğimiz mayıs ayında yayınlanan çalışma, bu organizma hayattayken, bir tür programlanmış hücre ölümünün zaten milyonlarca yıllık olduğunu gösteriyor.

Bazı araştırmacılar, hücrelerimizde uygulanan apoptozun kökenlerinin, sürecin ilginç bir şekilde merkezinde yer alan mitokondriye kadar izlenebileceğine inanıyor. Ancak diğerleri, hücre ölümünün kökenlerinin atalarımız ve bakteriler arasında uzun zaman önce yapılan bir pazarlıkta olabileceğinden şüpheleniyor. Rota ne olursa olsun, yeni araştırma, programlanmış hücre ölümünün sanıldığından daha eski ve daha evrensel olabileceğine dair umut verici kanıtlar ortaya çıkarıyor. Hayat neden ölüme bu kadar musallat oldu?

Ölüm Plan Olduğunda

1950'lerin sonlarında hücre biyoloğu Richard Lockshin Bir organizmanın artık ihtiyaç duymadığı dokulara olan bitenler beni büyüledi. Asya'dan 20,000 ipekböceği kozası edinmiş olan böcek uzmanı Carroll Williams'ın Harvard Üniversitesi laboratuvarında çalışıyordu; Laboratuvara vardıklarında metamorfozları başlamıştı. Her kozanın içinde ipek böceğinin hücreleri ölüyordu, böylece yaratık bir ipek güvesine dönüşebilirdi. Lockshin, vücutlarındaki hedeflenen doku ölümünü belgelemeye devam etti ve bunu "programlanmış hücre ölümü" olarak adlandırdı.

Aynı sıralarda Avustralyalı patolog John Kerr benzer bir keşif yapmak için elektron mikroskobunu fare embriyolarının hücreleri üzerinde çeviriyordu. Embriyo geliştikçe vücut planına yeni hücreler ekleniyordu. Ancak hücreler de ölüyordu. Bu bir kaza değildi ve bir yaralanmanın sonucu değildi. Kerr, "apoptoz" olarak adlandırdığı bu ölümün "aktif, doğası gereği kontrol edilen bir fenomen" olduğunu yazdı. Fare embriyolarında ölüm plandı.

Bu tür bir ölümü gözlemleyen araştırmacılar sonunda bunun için makul bir açıklamaya ulaştı. Gelişim sırasında hızla bölünen hücrelerden oluşan bir küre, kanatları ve antenleri veya el ve ayak parmakları olan bir şeye dönüşür. Yol boyunca bu hücrelerin bazılarının geri kalanların yolundan çekilmesi gerekiyor. Yetişkinlerde bile programlanmış hücre ölümü bilimsel açıdan mantıklıydı. DNA hasarına yol açan sağlıksız hücrelerin, etraflarındaki hücrelere daha fazla zarar vermemeleri için kendilerini çok hücreli bir vücuttan yok edebilmeleri gerekir. Araştırmacılar ayrıca apoptozdaki başarısızlıkların hastalığa yol açabileceğini de buldu ki bu da uygundu. Kanserde ölmesi gereken bir hücre, yani DNA'sında kendi kendini yok etmesi gereken birçok hata bulunan bir hücre ölmez. Otoimmün hastalıklarda ve diğer hastalıklarda ölmemesi gereken hücreler ölür, bunun tersi de geçerlidir: Ölmesi gereken hücreler ölmez.

Ancak uzmanlar, bu becerinin, diğer hücrelerin ölebileceği çok sayıda hücreden oluşan vücutlara sahip çok hücreli organizmalara özgü olduğunu varsayıyordu. Tek hücreli bir organizma kendi ölümünden ne gibi bir fayda elde edebilir? Evrimin, taşıyıcısını gen havuzundan çıkaran bir davranışı desteklemesi pek mümkün değildir.

"Bir şeyin neden aktif olarak kendini öldürdüğü mantıklı görünmüyordu" dedi Pierre DurandGüney Afrika'daki Witwatersrand Üniversitesi'nden evrimsel biyolog.

Ancak bilim insanları bu ölüm protokollerini daha detaylı bir şekilde çizdikçe, bazıları tek hücreli ökaryotların da benzer araçlara ve yeteneklere sahip olduğunu fark etmeye başladı. 1997 yılında biyokimyacının liderliğindeki bir araştırma ekibi Kai-Uwe Fröhlich bildirilen maya hücreleri metodik olarak kendilerini parçalamak - programlanmış hücre ölümü temel mekanizmasına sahip "tek hücreli alt ökaryot"un bilinen ilk örneği. Kısa süre sonra tek hücreli algler, protistler ve diğer mantarlar, kendi kendine ölümle bilinen canlıların saflarına katıldı.

Biyologlar organizmaların bu yeteneği nasıl geliştirebileceğini anlamaya çalışırken başka bir soruyla boğuşmak zorunda kaldılar: Eğer programlanmış hücre ölümü çok hücrelilikte ortaya çıkmadıysa, o zaman nereden geldi?

İşe Yönelik Araçlar

Ökaryotik bir hücre kendini ölüme mahkum ettiğinde şöyle olur:

Önce sonun geldiğinin sinyali gelir. Eğer hücrenin dışından geliyorsa (eğer çevredeki hücreler komşularını ölüm için işaretlemişse), sinyal hücrenin yüzeyine ulaşır ve bir ölüm reseptörüne bağlanır, bu da apoptozu hızlı bir şekilde başlatır. Eğer sinyal hücrenin içinden geliyorsa (örneğin ölüm nedeni genomun hasar görmesiyse), mitokondrinin konak hücreye karşı dönmesiyle süreç başlıyor.

Her iki durumda da özel enzimler çok geçmeden harekete geçer. Hayvanlardaki kaspazlar gibi bazı apoptotik faktörler, bir sürüye dönüşen ve hücre yapılarını şeritler halinde kesen şaşırtıcı bir hızla birbirini aktive edebilir. Bundan sonra hücrenin kaderi mühürlenir.

"Hücre ölümüne giden birçok yol var" dedi L.Aravind, Ulusal Biyoteknoloji Bilgi Merkezi'nde evrimsel biyolog. Hepsi apoptotik enzimlerle ve hücrenin bulunduğu yerde protein ve DNA parçalarıyla son buluyor.

Apoptoz o kadar sıkı bir şekilde kontrol ediliyor ve o kadar yaygın bir şekilde uygulanıyor ki, mekanizmalarının nereden kaynaklandığını merak etmemek mümkün değil; hem makineyi oluşturan (öncelikle gelmiş olması gereken parçalar) hem de bunların birlikte çalışma biçimleri. Bu merak Szymon Kaczanowski'yi harekete geçiren şeydi ve Urszula Zielenkiewicz Polonya Bilimler Akademisi'nin yakın tarihli bir dizi deneyi. Bir ökaryottan gelen apoptotik proteinlerin, uzak bir akrabanın apoptotik makinesine takılırsa işlev görüp görmeyeceğini bilmek istediler. Eğer süreç hala çalışıyorsa, enzimlerin işlevlerinin (DNA'yı dilimleme ve parçalama veya makinenin diğer kısımlarını etkinleştirme şekli) uzun süreler boyunca büyük ölçüde korunmuş olması gerektiğini düşündüler.

Ekip, ökaryotik dünyanın dört bir yanından apoptotik enzimlere sahip maya kimeraları tasarladı: hardal bitkilerinden, balçık küflerinden, insanlardan ve leishmaniasis'e neden olan parazitlerden. Daha sonra araştırmacılar apoptozu tetikledi. Bu kimeraların çoğunun, proteinlerin kökenleri ne olursa olsun kendi kendilerini idame ettirebildiklerini gördüler. Dahası Kaczanowski, DNA kırılması ve çekirdekteki kromatinin yoğunlaşması da dahil olmak üzere "apoptozun farklı işaretlerinin sıklıkla korunduğunu" söyledi.

Bakteriyel proteinlerin ökaryotik proteinlerin yerini alıp alamayacağını da merak ettiler. Bir avuç bakteriden analog protein genleri aldıklarında ekip, bazı kimeralarda programlanmış ölümü gözlemledi, ancak hepsinde değil. Araştırmacılar, bu durumun, kendi kendine ölüme yol açan araçların ökaryotlardan bile önce ortaya çıktığını öne sürdüğü sonucuna vardı.

Herkes onların yorumuna katılmıyor. Aravind, bu proteinlerden bazılarının, özellikle DNA'yı ve proteinleri kesenlerin hücre için tehlikeli olduğunu söyledi; Bir hücre apoptotik bir süreçten ziyade sadece hasar nedeniyle ölebilir.

Yine de Kaczanowski ve Zielenkiewicz gördüklerinin gerçek programlanmış hücre ölümü olduğuna inanıyorlar. Bakteriyel genlerin ökaryotlarda neden işe yarayabileceğine dair spekülasyonlardan biri, biyologların onlarca yıldır tartıştığı bir fikirle bağlantılı.

Teori, bir zamanlar serbest yaşayan bir bakteri olan bir organel olan mitokondriyi içeriyor. Hücrenin enerji üreticisidir. Ayrıca apoptoz yollarında tekrar tekrar ortaya çıkar. Mitokondrinin apoptozdaki rolünü inceleyen Guido Kroemer bunları "intihar organelleri".

Nedelcu, "Birçok kişi onu hücre ölümünün merkezi uygulayıcısı olarak adlandırıyor" dedi.

İçeriden Bir İş?

Mitokondri, mikroskop altında oldukça küçük bir şey, zarlardan oluşan bir labirent içeren düzgün bir eşkenar dörtgendir. Enerjisi neredeyse her hücresel sürece güç sağlayan bir molekül olan ATP'yi üretmek için şekerleri parçalar. İçimizde nasıl ortaya çıktığını tam olarak bilmiyoruz: Orijinal bakteri, tek hücreli atamızın avı olmuş ve daha sonra hala gizemli olan bir yöntemle sindirimden kaçmış olabilir. Kaderleri iç içe geçene ve vücutları bir olana kadar atalarımızla kaynakları paylaşan bir komşu hücre olabilirdi.

Kökeni ne olursa olsun mitokondrinin, bağımsızlık günlerinden kalma kendi küçük genomu vardır. Ancak genlerinin çoğu, konağın genomuna taşınmıştır. 2002'de Aravind ve Eugene Koonin şunları yazdı: bir dönüm noktası kağıdı Ökaryotların apoptoz genlerinin bir kısmını mitokondriden almış olabileceği fikri göz önüne alındığında. Bu küçük bakteri kalıntısı, ökaryotik hücrelerin kendilerini öldürmek için kullandıkları bazı araçların kaynağı olabilir.

Apoptoz genleri, Kaczanowski ve Zielenkiewicz'e yırtıcı hayvan ile avı arasındaki silahlanma yarışını hatırlattı. Yeni makalelerinde, bunların, bir av organizması tarafından, muhtemelen orijinal mitokondriyal bakteri tarafından, kendini savunmak için geliştirilen araçlardan kalma araçlar olabileceğini öne sürdüler.

Durand ve bilim felsefecisi Grant Ramsey tarafından derlenen bir hipoteze göre, apoptotik proteinler, kadim atamızın içinde yakalandıklarında, mitokondrinin konakçının davranışını değiştirmesini strese sokmasının bir yolu haline gelmiş olabilir. bir incelemede geçen Haziran ayında yayınladılar. Veya belki de bunlar, mitokondrinin, konakçının ondan kurtulamamasını sağlayan bir yöntemin kalıntılarıdır; panzehiri yalnızca mitokondriye sahip olan bir zehir. Yolun bir yerinde süreç, konakçı tarafından yakalandı veya dönüştürüldü ve bir varyant, tam olarak apoptoza dönüştü.

Ökaryotik apoptozun kökenine ilişkin cevap arayışı, araştırmacıları bakteri dünyasının daha derinlerine çekiyor gibi görünüyor. Aslında, biraz merak Cevaplar tek hücreli organizmaların neden kendi canlarına kıydıkları konusunda yatıyor olabilir mi? Programlanmış hücre ölümünün bir türü çok hücreli yaşamdan daha eskiyse - ökaryotlardan bile daha eskiyse - o zaman bunun neden fayda sağlayacak bedenleri olmayan ve süreci hızlandıracak mitokondrisi olmayan organizmalarda gerçekleştiğini anlamak, tüm bunların nasıl başladığını açıklayabilir.

Bazı Bütünlerin İyiliği İçin

Tek hücreli bir organizmanın ölmeyi seçmesinin bir nedeni şudur: komşularına yardım etmek.

Durand, 2000'li yıllarda Arizona Üniversitesi'nde doktora sonrası araştırmacı iken, ilginç bir şey keşfetti. tek hücreli ökaryotik alglerle yapılan bir deney. Programlanmış hücre ölümüyle ölen akrabalarının kalıntılarını alglerle beslediğinde, canlı hücreler gelişti. Ancak vahşice öldürülen akraba kalıntılarını onlara beslediğinde alglerin büyümesi yavaşladı.

Programlanmış hücre ölümünün ölü parçalardan kullanılabilir kaynaklar yarattığı ortaya çıktı. Ancak bu sürecin yalnızca ölü alglerin akrabalarına fayda sağlayabileceğini buldu. Durand, "Aslında farklı türden olanlar için zararlıydı" dedi. 2022'de başka bir araştırma grubu bulguyu doğruladı başka bir algde.

Sonuçlar muhtemelen tek hücreli canlılarda hücre ölümünün nasıl evrimleşebileceğini açıklıyor. Bir organizmanın etrafı akrabalarla çevriliyse, ölümü beslenmeyi sağlayabilir ve dolayısıyla akrabalarının hayatta kalmasını sağlayabilir. Bu, doğal seçilimin kendi kendine ölüme yol açacak araçları seçmesi için bir açıklık yaratır.

Bakteriler de tek hücrelidir ve akrabaları arasında yaşayabilir. Daha büyük bir iyilik uğruna ölebilirler mi? Öyle ipuçları var ki doğru koşullar altındaVirüs bulaşmış bakteriler hastalığın yayılmasını durdurmak için kendilerini öldürebilir. Bu açıklamalar araştırmacıların programlanmış hücre ölümü hakkındaki düşüncelerini yeniden şekillendirdi ve Aravind yakın zamanda şunu keşfetti: bulmacanın başka bir parçası.

adı verilen protein bölgelerini içerir. NACHT alanlarıbazı hayvan apoptoz proteinlerinde görülen. NACHT alanları bakterilerde de mevcuttur. Aravind, aslında, vahşi doğada, en fazla NACHT alanına sahip mikropların bazen çok hücreli yaşama çok benzeyen şeyleri paylaştığını söyledi. Koloniler halinde büyüyorlar, bu da onları bulaşıcılığa karşı özellikle savunmasız hale getiriyor ve özellikle birbirlerinin fedakarlığından faydalanma olasılıklarını artırıyor.

Aravind'in meslektaşı Aaron Whiteley ve Colorado Üniversitesi'ndeki laboratuvarı ve laboratuvarı donanımlı E. coli NACHT alan adlarıyla test tüplerinde büyüttük. Daha sonra hücrelere virüs bulaştırdılar. Çarpıcı bir şekilde, NACHT taşıyan proteinlerin bir tür programlanmış hücre ölümünü tetiklemek için gerekli olduğunu buldular; enfekte olmuş hücreler kendilerini o kadar hızlı öldürüyor ki virüsler çoğalamıyor. Aravind, fedakarlıklarının çevrelerindeki diğer kişileri enfeksiyondan koruyabileceğini söyledi.

Aravind'e göre bu korunmuş alanlar apoptotik kökenlere dair bir hikaye anlatıyor. "Zaten bazı bakterilerde bulunan önceden hazırlanmış bir hücre ölümü aparatına sahiptiniz" dedi. Daha sonra, bir noktada, bazı ökaryotik hücre soyları bu araç setini benimsedi ve bu araç, sonunda çok hücreli organizmalardaki hücrelere, daha büyük bir iyilik uğruna ölmenin bir yolunu kazandırdı.

Artık kanıtların, apoptoz proteinlerinin tek bakteriyel kaynağı olarak mitokondriye işaret ettiğine inanmıyor. Mitokondri, çoğu ökaryotik hücrede hâlâ yaşayan birincil bakteri artığıdır ve 25 yıl önce bu gizemli genler için mantıksal aday olduğunu söyledi. Ancak o zamandan bu yana geçen yıllarda başka bir şey daha netleşti: Mitokondri muhtemelen yalnız değildi.

İçimizdeki Bakteriler

Araştırmacılar yavaş yavaş ökaryotik genomların, üzerimizde iz bırakan diğer canlıların sessiz geçit töreninin kalıntılarını, bakteri genlerinin birçok izini taşıdığını fark etti. Mitokondri gibi simbiyontlar olabilirler. içeri girip çıktı çeşitli ökaryotik soyların genlerini geride bırakarak. Aravind, "Artık bu durumun muhtemelen ökaryotik evrim boyunca devam ettiğinin farkına varmalıyız" dedi.

Apoptozda rol oynayan genler, o zamandan beri ayrılan eski simbiyotik ortaklardan gelmiş olabilir. Ya da yatay gen aktarımının (bir zamanlar nadir olduğu düşünülen, şimdi ise nispeten yaygın olduğu düşünülen bir süreç) sonuçları olabilir. genler atlayabilir süreçler aracılığıyla bir organizmadan diğerine hala üzerinde çalışılıyor. Yararlı gen paketleri, eğer faydaları yeterince büyükse, yaşamın krallıkları arasında sıçrayabilir ve yeni organizmalarda varlığını sürdürebilir.

Garip bir şekilde bu faydalardan biri, programlanmış kendi kendini yok etme gibi görünüyor.

Bunların hepsi önemlidir çünkü "en güçlü olanın hayatta kalması" gibi akıcı bir ifadenin altında yatan karmaşık gerçekliği odak noktasına getirir. Evrim şaşırtıcı şekillerde işler ve genlerin birçok amacı vardır. Ancak giderek daha açık hale gelen şey, bir tür ilkel kolektivitenin ve bununla birlikte canlıların organize fedakarlıklarının, çok hücreli yaşamın ortaya çıkmasından önce muhtemelen milyarlarca yıl boyunca devam ettiğidir. Belki bilim insanları hücre ölümünün kökenlerini birleştirmeye devam ettikçe ölümün ve yaşamın ne için olduğuna dair daha geniş bir fikir bulacağız.