Lúc đầu, có thể khó để biết khi nào một tế bào đang trên đà tự hủy diệt.

Nó dường như đang thực hiện công việc bình thường của mình là phiên mã gen và tạo ra protein. Các bào quan mạnh mẽ được gọi là ty thể đang sản xuất năng lượng một cách nghiêm túc. Nhưng sau đó ty thể nhận được tín hiệu và các protein bình thường của nó hợp lực để tạo thành một cỗ máy tử thần.

Họ cắt xuyên qua tế bào một cách kỹ lưỡng đến nghẹt thở. Chỉ trong vài giờ, tất cả những gì phòng giam đã xây dựng đã trở thành đống đổ nát. Chỉ còn lại một vài bong bóng màng.

“Thật ngạc nhiên là nó diễn ra nhanh chóng và có tổ chức như thế nào,” nói. Cực Quang Nedelcu, một nhà sinh vật học tiến hóa tại Đại học New Brunswick, người đã nghiên cứu quá trình này ở tảo.

Apoptosis, như quá trình này được biết đến, có vẻ khó xảy ra vì nó rất bạo lực. Tuy nhiên, một số tế bào lại trải qua một loạt các bước tàn khốc nhưng có thể đoán trước được để cố tình tự sát. Khi các nhà sinh vật học lần đầu tiên quan sát nó, họ đã bị sốc khi phát hiện ra cái chết tự gây ra giữa các sinh vật đang sống và đang phấn đấu. Và mặc dù hóa ra apoptosis là một động lực sáng tạo quan trọng đối với nhiều sinh vật đa bào, nhưng đối với một tế bào nhất định, nó hoàn toàn bị hủy hoại. Làm thế nào một hành vi dẫn đến cái chết đột ngột của tế bào có thể tiến triển chứ chưa nói đến việc tồn tại?

Các nhà sinh học phân tử đã phát hiện ra rằng các công cụ dành cho quá trình apoptosis đang phổ biến một cách kỳ lạ. Và khi họ tìm cách tìm hiểu quá trình phân tử và nguồn gốc của nó, họ đã phát hiện ra một điều còn đáng ngạc nhiên hơn: Apoptosis có thể bắt nguồn từ các dạng chết tế bào được lập trình cổ xưa được thực hiện bởi các sinh vật đơn bào - thậm chí cả vi khuẩn - dường như đã tiến hóa nó. như một hành vi xã hội.

Kết quả của một nghiên cứu, xuất bản vào mùa thu năm ngoái, cho thấy rằng tổ tiên chung cuối cùng của nấm men và con người - sinh vật nhân chuẩn đầu tiên, hay tế bào mang nhân và ty thể - đã có những công cụ cần thiết để tự kết thúc khoảng 2 tỷ năm trước. Và các nghiên cứu khác, trong đó có một giấy tờ quan trọng được công bố vào tháng 5 năm ngoái, chỉ ra rằng khi sinh vật đó còn sống, cái chết theo chương trình của tế bào thuộc loại nào đó đã có từ hàng triệu năm tuổi.

Một số nhà nghiên cứu tin rằng nguồn gốc của quá trình apoptosis được thực hiện trong tế bào của chúng ta có thể bắt nguồn từ ty thể, trung tâm của quá trình này. Tuy nhiên, những người khác lại nghi ngờ rằng nguồn gốc của cái chết của tế bào có thể nằm ở sự thỏa thuận từ lâu giữa tổ tiên của chúng ta và vi khuẩn. Dù bằng cách nào, nghiên cứu mới đưa ra bằng chứng trêu ngươi rằng cái chết của tế bào được lập trình có thể lâu đời hơn mọi người nhận ra và phổ biến hơn. Tại sao cuộc sống lại bị ám ảnh bởi cái chết?

Khi cái chết là kế hoạch

Vào cuối những năm 1950, nhà sinh học tế bào Richard Lockshin trở nên bị mê hoặc bởi những gì xảy ra với các mô mà một sinh vật không còn cần nữa. Anh đang làm việc trong phòng thí nghiệm của chuyên gia côn trùng Carroll Williams tại Đại học Harvard, người đã mua 20,000 kén tằm từ châu Á; vào thời điểm họ đến phòng thí nghiệm, quá trình biến thái của họ đã bắt đầu. Bên trong mỗi chiếc kén, các tế bào của con tằm đang chết đi nên sinh vật này có thể trở thành một con bướm tơ. Lockshin tiếp tục ghi lại cái chết của mô có chủ đích bên trong cơ thể họ, cái mà ông gọi là “cái chết của tế bào được lập trình”.

Cùng lúc đó, nhà nghiên cứu bệnh học người Úc John Kerr đang hướng kính hiển vi điện tử vào tế bào phôi chuột để thực hiện một khám phá tương tự. Khi phôi phát triển, các tế bào mới được thêm vào sơ đồ cơ thể. Tuy nhiên, các tế bào cũng đang chết dần. Đó không phải là một tai nạn và cũng không phải là kết quả của một vết thương. Kerr viết, cái chết này, mà ông gọi là “chứng chết rụng tế bào”, là “một hiện tượng tích cực, được kiểm soát vốn có”. Trong phôi chuột, cái chết là kế hoạch.

Các nhà nghiên cứu quan sát kiểu chết này cuối cùng đã đưa ra lời giải thích hợp lý cho nó. Trong quá trình phát triển, một khối cầu gồm các tế bào phân chia nhanh chóng sẽ trở thành một thứ có cánh và râu, hoặc ngón tay và ngón chân. Trên đường đi, một số tế bào đó phải thoát ra khỏi phần còn lại. Ngay cả ở người lớn, cái chết theo chương trình của tế bào cũng có ý nghĩa khoa học. Các tế bào không khỏe mạnh - chẳng hạn như những tế bào tích lũy tổn thương DNA - phải có khả năng tự loại bỏ khỏi cơ thể đa bào, kẻo chúng gây ra sự phá hủy thêm cho các tế bào xung quanh chúng. Các nhà nghiên cứu cũng phát hiện ra rằng sự thất bại của quá trình apoptosis có thể dẫn đến bệnh tật, điều này cũng phù hợp. Trong bệnh ung thư, một tế bào lẽ ra đã chết - một tế bào có DNA có quá nhiều lỗi mà đáng lẽ nó phải tự loại bỏ - lại không. Trong bệnh tự miễn dịch và các bệnh khác, các tế bào không nên chết sẽ chết và ngược lại: Các tế bào lẽ ra không chết.

Tuy nhiên, các chuyên gia cho rằng kỹ năng này chỉ có ở các sinh vật đa bào, có cơ thể được tạo thành từ nhiều tế bào mà các tế bào khác có thể chết. Một sinh vật đơn bào có thể thu được lợi ích gì từ cái chết của chính nó? Sự tiến hóa khó có thể ủng hộ một hành vi loại bỏ chất mang của nó khỏi vốn gen.

“Có vẻ như không hiểu tại sao bất cứ thứ gì lại chủ động tự sát,” nói. Pierre Durand, một nhà sinh vật học tiến hóa tại Đại học Witwatersrand ở Nam Phi.

Nhưng khi các nhà khoa học phác thảo các quy trình tử vong này một cách chi tiết hơn, một số người bắt đầu nhận ra rằng sinh vật nhân chuẩn đơn bào có các công cụ và khả năng tương tự. Năm 1997, một nhóm các nhà nghiên cứu do nhà hóa sinh dẫn đầu Kai-Uwe Fröhlich tế bào nấm men được báo cáo tự tháo dỡ một cách có phương pháp - trường hợp đầu tiên được biết đến về “sinh vật nhân chuẩn bậc thấp đơn bào” có cơ chế cơ bản của quá trình chết tế bào được lập trình. Chẳng bao lâu, tảo đơn bào, sinh vật nguyên sinh và các loại nấm khác đã gia nhập hàng ngũ những sinh vật được biết đến với khả năng tự tử.

Khi các nhà sinh học cố gắng tìm hiểu làm thế nào các sinh vật có thể phát triển khả năng này, họ buộc phải vật lộn với một câu hỏi khác: Nếu cái chết của tế bào được lập trình không xuất hiện ở cơ thể đa bào thì nó đến từ đâu?

Công cụ cho công việc

Đây là những gì xảy ra khi một tế bào nhân chuẩn tự chết.

Đầu tiên, có một tín hiệu cho thấy sự kết thúc đã đến. Nếu đến từ bên ngoài tế bào - nếu các tế bào xung quanh đã đánh dấu hàng xóm của chúng là đã chết - thì tín hiệu sẽ đến bề mặt tế bào và liên kết với một thụ thể chết, từ đó bắt đầu quá trình apoptosis. Nếu tín hiệu đến từ bên trong tế bào - chẳng hạn như nếu nguyên nhân cái chết là do tổn thương bộ gen - thì quá trình bắt đầu bằng việc ty thể quay lưng lại với tế bào chủ của chúng.

Trong cả hai trường hợp, các enzym chuyên biệt sẽ sớm bắt đầu hoạt động. Một số yếu tố gây chết tế bào, chẳng hạn như các caspase ở động vật, có thể kích hoạt lẫn nhau thành một dòng thác nhanh đến mức đáng kinh ngạc và trở thành một đàn và cắt cấu trúc của tế bào thành những dải ruy băng. Sau đó, số phận của tế bào bị phong ấn.

“Có nhiều con đường dẫn đến cái chết của tế bào,” nói L. Aravind, một nhà sinh học tiến hóa tại Trung tâm Thông tin Công nghệ sinh học Quốc gia. Tất cả đều kết thúc bằng các enzyme apoptotic, và với các mảnh protein và DNA nơi từng là tế bào.

Apoptosis được kiểm soát chặt chẽ và được thực hiện rộng rãi đến mức thật khó để không thắc mắc cơ chế của nó bắt nguồn từ đâu - cả những bộ phận tạo nên cỗ máy, những thứ phải có trước và cách chúng hoạt động cùng nhau. Sự tò mò đó là điều đã thúc đẩy Szymon Kaczanowski và Urszula Zielenkiewicz của Viện Hàn lâm Khoa học Ba Lan cho một loạt thí nghiệm gần đây. Họ muốn biết liệu protein apoptotic từ một sinh vật nhân chuẩn có hoạt động hay không nếu được cắm vào máy apoptotic của một họ hàng xa. Họ nhận ra rằng nếu quá trình này vẫn hoạt động thì chức năng của enzyme - cách chúng cắt và cắt DNA hoặc kích hoạt các bộ phận khác của máy móc - chắc hẳn đã được bảo tồn phần lớn trong thời gian dài.

Nhóm nghiên cứu đã tạo ra các thể khảm nấm men có các enzyme apoptotic từ khắp thế giới nhân chuẩn: từ cây mù tạt, nấm mốc, con người và ký sinh trùng gây bệnh leishmania. Sau đó, các nhà nghiên cứu đã gây ra apoptosis. Họ thấy rằng nhiều chimera trong số này có thể tự thực hiện bất kể nguồn gốc của protein. Hơn nữa, “các dấu hiệu khác nhau của quá trình apoptosis thường xuyên được duy trì,” Kaczanowski cho biết, bao gồm cả sự đứt gãy DNA và sự ngưng tụ của chất nhiễm sắc trong nhân.

Họ cũng tự hỏi liệu protein của vi khuẩn có thể thay thế cho protein của sinh vật nhân chuẩn hay không. Khi họ thêm vào các gen protein tương tự từ một số ít vi khuẩn, nhóm nghiên cứu đã quan sát thấy cái chết được lập trình ở một số loài chimera, nhưng không phải tất cả. Các nhà nghiên cứu kết luận rằng điều đó cho thấy rằng các công cụ tự gây ra cái chết đã có trước cả sinh vật nhân chuẩn.

Không phải ai cũng đồng ý với cách giải thích của họ. Aravind cho biết một số protein này, đặc biệt là những protein cắt DNA và protein, rất nguy hiểm cho tế bào; một tế bào có thể chết đơn giản vì bị tổn thương chứ không phải do quá trình chết theo chương trình.

Tuy nhiên, Kaczanowski và Zielenkiewicz tin rằng những gì họ đang thấy thực sự là sự chết tế bào được lập trình. Và một trong những suy đoán của họ về lý do tại sao gen vi khuẩn có thể hoạt động ở sinh vật nhân chuẩn có liên quan đến một ý tưởng đã được các nhà sinh vật học bàn tán trong nhiều thập kỷ.

Lý thuyết này liên quan đến ty thể - một cơ quan từng là vi khuẩn sống tự do. Nó là nhà sản xuất năng lượng của tế bào. Nó cũng xuất hiện nhiều lần trong con đường apoptosis. Guido Kroemer, người nghiên cứu vai trò của ty thể trong quá trình apoptosis, đã gọi chúng là “các bào quan tự sát".

“Nhiều người gọi nó,” Nedelcu nói, “kẻ hành quyết trung tâm của cái chết tế bào.”

Một công việc ngầm?

Ti thể là một vật nhỏ xinh dưới kính hiển vi, một hình thoi gọn gàng chứa một mê cung màng. Nó phân hủy đường để tạo ra ATP, một phân tử có năng lượng cung cấp năng lượng cho hầu hết mọi quá trình của tế bào. Chúng ta không biết chính xác nó xâm nhập vào cơ thể chúng ta như thế nào: Vi khuẩn ban đầu có thể là con mồi của tổ tiên đơn bào của chúng ta và sau đó thoát khỏi quá trình tiêu hóa bằng những cách vẫn còn bí ẩn. Nó có thể là một tế bào lân cận, chia sẻ tài nguyên với tổ tiên của chúng ta cho đến khi số phận của họ gắn bó với nhau đến mức cơ thể họ trở thành một.

Bất kể nguồn gốc của nó là gì, ty thể đều có bộ gen nhỏ của riêng nó, còn sót lại từ những ngày độc lập. Nhưng nhiều gen của nó đã chuyển sang bộ gen của vật chủ. Năm 2002, Aravind và Eugene Koonin đã viết một tờ giấy mốc xem xét ý tưởng rằng sinh vật nhân chuẩn có thể đã nhận được một số gen gây chết tế bào từ ty thể. Phần còn sót lại của vi khuẩn có thể là nguồn gốc của một số công cụ mà tế bào nhân chuẩn sử dụng để tự sát.

Các gen quy định quá trình apoptosis khiến Kaczanowski và Zielenkiewicz nhớ đến một cuộc chạy đua vũ trang giữa kẻ săn mồi và con mồi của nó. Trong bài báo mới, họ suy đoán rằng chúng có thể là tàn dư của các công cụ do sinh vật săn mồi tiến hóa, có lẽ là vi khuẩn ty thể ban đầu, để tự vệ.

Có lẽ, một khi đã được đưa vào bên trong tổ tiên xa xưa của chúng ta, các protein apoptotic đã trở thành một cách để ty thể gây áp lực lên vật chủ để thay đổi hành vi của nó, theo một giả thuyết được thu thập bởi Durand và Grant Ramsey, một triết gia khoa học, trong một đánh giá họ đã xuất bản vào tháng 6 năm ngoái. Hoặc có thể chúng là tàn dư của một cách mà ty thể đảm bảo rằng vật chủ không thể loại bỏ nó - một chất độc mà chỉ ty thể mới có thuốc giải độc. Ở một nơi nào đó trên đường đi, quá trình này đã bị vật chủ nắm bắt hoặc biến đổi và một biến thể đã phát triển thành quá trình tự chết theo chương trình.

Việc tìm kiếm câu trả lời về nguồn gốc của apoptosis ở sinh vật nhân chuẩn dường như đang thu hút các nhà nghiên cứu đi sâu hơn vào thế giới vi khuẩn. Trong thực tế, một số thắc mắc liệu câu trả lời có thể nằm ở chỗ tại sao các sinh vật đơn bào lại tự sát. Nếu một dạng chết tế bào được lập trình nào đó lâu đời hơn đời sống đa bào - thậm chí lâu đời hơn cả sinh vật nhân chuẩn - thì có lẽ hiểu được lý do tại sao nó xảy ra ở những sinh vật không có cơ thể được hưởng lợi và không có ty thể để tăng tốc quá trình có thể giải thích mọi chuyện đã bắt đầu như thế nào.

Vì lợi ích của một số người

Đây là một lý do khiến một sinh vật đơn bào có thể chọn cái chết: để giúp đỡ hàng xóm của mình.

Vào những năm 2000, khi Durand còn là nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại Đại học Arizona, ông đã phát hiện ra điều gì đó hấp dẫn trong quá trình nghiên cứu. một thí nghiệm với tảo nhân chuẩn đơn bào. Khi ông cho tảo ăn phần còn lại của họ hàng đã chết do tế bào chết theo chương trình, các tế bào sống đã phát triển mạnh mẽ. Nhưng khi anh cho chúng ăn phần còn lại của họ hàng bị giết một cách dã man, sự phát triển của tảo chậm lại.

Sự chết tế bào được lập trình dường như tạo ra các nguồn tài nguyên có thể sử dụng được từ các phần chết. Tuy nhiên, ông nhận thấy quá trình này chỉ có thể mang lại lợi ích cho họ hàng của tảo chết. Durand nói: “Nó thực sự có hại cho những loài khác. Năm 2022, một nhóm nghiên cứu khác đã xác nhận phát hiện này ở một loài tảo khác.

Kết quả có thể giải thích sự chết tế bào có thể tiến hóa như thế nào ở các sinh vật đơn bào. Nếu một sinh vật được bao quanh bởi họ hàng thì cái chết của nó có thể cung cấp dinh dưỡng và do đó giúp họ hàng của nó sống sót hơn. Điều đó tạo ra cơ hội cho chọn lọc tự nhiên lựa chọn các công cụ để tự gây ra cái chết.

Vi khuẩn cũng là loại đơn bào và có thể sống cùng họ hàng với chúng. Họ cũng có thể chết vì một số điều tốt đẹp hơn không? Có gợi ý rằng trong điều kiện thích hợp, vi khuẩn bị nhiễm vi-rút có thể tự sát để ngăn chặn sự lây lan của bệnh tật. Những phát hiện này đã định hình lại cách các nhà nghiên cứu nghĩ về cái chết tế bào được lập trình và Aravind gần đây đã phát hiện ra một mảnh ghép khác.

Nó liên quan đến các vùng protein được gọi là Tên miền NACHT, xuất hiện trong một số protein apoptosis của động vật. Miền NACHT cũng tồn tại ở vi khuẩn. Trên thực tế, trong tự nhiên, các vi khuẩn có nhiều miền NACHT nhất đôi khi tham gia vào những hoạt động trông rất giống cuộc sống đa bào, Aravind nói. Chúng phát triển thành đàn, điều này khiến chúng đặc biệt dễ bị lây lan và đặc biệt có khả năng hưởng lợi từ sự hy sinh bản thân của nhau.

đồng nghiệp của Aravind Aaron Whiteley và phòng thí nghiệm của ông tại Đại học Colorado và phòng thí nghiệm của ông được trang bị E. coli với các miền NACHT và nuôi chúng trong ống nghiệm. Sau đó, họ lây nhiễm virus vào các tế bào. Điều đáng chú ý là họ phát hiện ra rằng các protein mang NACHT cần thiết để kích hoạt một dạng chết tế bào được lập trình, trong đó các tế bào bị nhiễm bệnh sẽ tự giết chết chúng nhanh đến mức virus không thể nhân lên. Sự hy sinh của họ có thể bảo vệ những người xung quanh khỏi bị lây nhiễm, Aravind nói.

Theo Aravind, những miền được bảo tồn này kể một câu chuyện về nguồn gốc apoptotic. Ông nói: “Bạn đã có một bộ máy tiêu diệt tế bào được tạo sẵn ở một số vi khuẩn nhất định. Sau đó, tại một thời điểm nào đó, một số dòng tế bào nhân chuẩn đã sử dụng bộ công cụ này, bộ công cụ này cuối cùng mang lại cho các tế bào ở sinh vật đa bào một cách để chết vì lợi ích lớn hơn.

Ông không còn tin rằng các bằng chứng chỉ ra rằng ty thể là nguồn cung cấp protein apoptosis duy nhất của vi khuẩn. Ông nói, ty thể là phần vi khuẩn chính còn sót lại vẫn còn sống trong hầu hết các tế bào nhân chuẩn và 25 năm trước nó là ứng cử viên hợp lý cho những gen bí ẩn này. Tuy nhiên, trong nhiều năm kể từ đó, một điều khác đã trở nên rõ ràng: Ty thể có lẽ không đơn độc.

Vi khuẩn trong chúng ta

Các nhà nghiên cứu dần dần nhận ra rằng bộ gen của sinh vật nhân chuẩn mang nhiều dấu vết của gen vi khuẩn, tàn tích của một cuộc diễu hành thầm lặng của các sinh vật khác đã để lại dấu ấn cho chúng ta. Chúng có thể là loài cộng sinh, giống như ty thể, xuất hiện và xuất hiện của các dòng sinh vật nhân chuẩn khác nhau, để lại các gen. Aravind nói: “Bây giờ chúng ta nên nhận ra rằng tình trạng này có thể tiếp tục diễn ra trong suốt quá trình tiến hóa của sinh vật nhân chuẩn”.

Các gen liên quan đến quá trình apoptosis có thể đến từ các đối tác cộng sinh trước đây đã rời đi. Hoặc chúng có thể là kết quả của quá trình chuyển gen ngang - một quá trình từng được cho là hiếm gặp và hiện được coi là tương đối phổ biến - trong đó gen có thể nhảy từ sinh vật này sang sinh vật khác thông qua các quá trình vẫn đang được giải quyết. Các gói gen hữu ích có thể nhảy vọt giữa các vương quốc của sự sống và tồn tại trong các sinh vật mới nếu lợi ích đủ lớn.

Một trong những lợi ích đó, thật kỳ lạ, dường như là khả năng tự hủy diệt được lập trình.

Tất cả những điều này đều quan trọng vì nó làm nổi bật thực tế rối rắm đằng sau cụm từ lấp lánh “sự sống sót của kẻ mạnh nhất”. Sự tiến hóa diễn ra theo những cách đáng ngạc nhiên và gen có nhiều mục đích. Tuy nhiên, điều đang trở nên rõ ràng hơn là một số dạng tập thể nguyên thủy - và cùng với nó là sự hy sinh có tổ chức của các sinh vật sống - đã tồn tại trong khoảng hàng tỷ năm trước khi sự sống đa bào xuất hiện. Có lẽ, khi các nhà khoa học tiếp tục xâu chuỗi các nguồn gốc của cái chết của tế bào, chúng ta sẽ tìm thấy một khái niệm rộng hơn về mục đích của cái chết và sự sống.