Dlaczego komórki umierają?

W piątym tygodniu ciąży dłonie płodu ludzkiego są płaskimi tarczkami, kształtem przypominającymi rakietki do ping-ponga. W ciągu następnych kilku tygodni w tych miejscach, które będą przerwami między palcami, komórki obumierają i dłoń rozwija się nadal, ale już w swojej znanej pięciopalczastej postaci. Jest to przykład jednego z najbardziej godnych uwagi procesów w organizmach żywych – zaprogramowanej śmierci komórek. Inny przykład: ogon kijanki zanika, gdy przekształca się ona w dorosłą żabę, ponieważ miliony komórek w ogonie są zaprogramowane na obumarcie.

Zaprogramowana śmierć komórki nazywana jest przez naukowców „apoptozą”. Słowo pochodzi z greckiego apo (z dala) i ptosis (opadanie). Różni się ona od przypadkowego lub patologicznego obumarcia komórki, będącego wynikiem choroby bądź uszkodzenia. Podczas apoptozy komórka rozpada się w sposób uporządkowany, a jej materiał zostaje wchłonięty przez zdrowych sąsiadów.

W ciągu ostatnich kilku lat naukowcy doszli do przekonania, że każda komórka ma zdolność ulegania apoptozie – w istocie, każda nosi w sobie „gen samobójstwa”, który po uaktywnieniu zabija komórkę. Niektórzy naukowcy idą w swych wnioskach dalej, twierdząc, że proces ten jest przejawem „kontraktu społecznego”, wiążącego się z istnieniem tak wielu komórek żyjących razem w jednym organizmie. Poświęcenie się komórki jest często niezbędne dla rozwoju organizmu jako całości. Podczas rozwijania się ludzkiego układu nerwowego, wzdłuż śladów pozostawionych przez cząsteczki wydzielane przez specyficzne komórki czuciowe, komórki nerwowe poprzez wypustki łączą się ze sobą, tworząc drogi nerwowe. Na przykład w trakcie takiego procesu neurony mózgu łączą się z siatkówką oka. Jeżeli komórka nie może znaleźć odpowiedniego miejsca do „zaczepienia się” lub gdy dostanie się do nieodpowiedniego obszaru ciała, popełnia samobójstwo, podczas gdy te, które tworzą prawidłowe połączenia – przeżywają.

We wczesnych pracach nad procesem śmierci komórki używano interesującego modelu, mikroskopijnego nicienia glebowego o nazwie Caenorhabditis elegans, lub w skrócie C. elegans, będącego laboratoryjnym faworytem biologów. Wszystkie te robaki w dorosłej postaci mają dokładnie 1090 komórek ciała, a podczas ich dojrzewania dokładnie 131 podlega apoptozie. Ten przypadek umożliwił naukowcom wyodrębnienie cząsteczki białka, które zapoczątkowywało śmierć komórki, a także genu kodującego to białko^ Wówczas, podczas jednego z tych fascynujących wydarzeń naukowych przypominających dobrą opowieść detektywistyczną, różne grupy naukowców zlokalizowały podobne geny u innych rodzajów organizmów (nie wyłączając ssaków) i odkryli zdumiewający przypadek ewolucyjnej zgodności – u bardzo odległych od siebie ewolucyjnie organizmów geny samobójstwa były bardzo podobne. W jednym z klasycznych doświadczeń w miejsce oryginalnego genu do DNA C. elegans wprowadzono gen ssaka, nie wywołując żadnej zmiany w komórce.

Są dwa podstawowe pytania, jakie możemy zadać w sprawie apoptozy: (1) jaki rodzaj sygnału musi odebrać komórka, by zapoczątkować proces i (2) gdy już sygnał zostanie odebrany, jaki jest mechanizm dokonania przez komórkę samobójstwa? Badania w tej dziedzinie są dziś jednym z najgorętszych tematów nauk biologicznych.

Jeżeli chodzi o pierwszą kwestię, wcześniejszy przykład komórek nerwowych w mózgu może wskazywać na ważną prawdę – komórki otrzymują sygnały od innych komórek w postaci określonych cząsteczek. Zaczyna się zarysowywać zgoda co do tego, że sygnały te powstrzymują geny samobójstwa od aktywacji. Jeśli to zapatrywanie jest słuszne, można wyobrażać sobie, że każda komórka organizmu wysyła cząsteczki, mówiące sąsiadom, by siebie nie zabijali, i sama otrzymuje od nich podobne bodźce. Gdy komórka przestaje dostawać takie sygnały, wie, że jej czas nadszedł, i inicjuje apoptozę.

Szczegóły wewnętrznego mechanizmu systemu sygnalizacyjnego komórki zaczynają teraz stawać się bardziej zrozumiałe. Wygląda na to, że u ssaków apoptoza nie jest po prostu zwykłym przekręceniem wyłącznika. W rzeczywistości z procesem tym jest chyba związanych kilka różnych cząsteczek (każda z nich kodowana przez osobny gen). Niektóre z tych cząsteczek prawdopodobnie włączają mechanizm obumierania komórki, podczas gdy inne zdają się ją chronić. Wygląda to tak, jakby komórka zawierała skalowaną tarczę, której ustawienie wyznaczane byłoby przez właściwości „uśmiercających” i „ożywiających” substancji. Gdy nadchodzi sygnał samobójstwa, komórka, w której dominują substancje uśmiercające, rozpocznie proces obumierania, podczas gdy ta, w której przeważają ożywiające, po prostu zignoruje sygnał. Gen łączący w całość te sygnały został zidentyfikowany w 1995 roku i otrzymał stosowną nazwę genu „żniwiarza” (ang. reaper).

Prace nad apoptozą nie są motywowane jedynie zwykłą ciekawością naukową – są to również zagadnienia medyczne. Na przykład jeden z ożywiających genów zidentyfikowany w komórkach zwany jest p53; już od dawna wiadomo było, że brak p53 związany jest z powstawaniem nowotworów. Stąd wynika, że niektóre postaci raka raczej mogą wynikać z niemożności obumarcia komórki niż z nie kontrolowanego rozwoju. Przedwczesne włączenie się odpowiedzi samobójczej może być także związane z chorobami Parkinsona i Alzheimera. I jak to się często zdarza, gdy badamy podstawowe procesy w przyrodzie, zastosowania praktyczne przychodzą same.