Apoptoza, czyli szczególny typ śmierci komórkowej, powstała ponad miliard lat temu, w czasie udomowienia mitochondriów – sugerują wyniki badań naukowców z Instytutu Biochemii i Biofizyki PAN. Szef zespołu, dr hab. Szymon Kaczanowski, pisze o tym, jaką rolę w potwierdzeniu tej hipotezy odegrały drożdże piekarskie.
Istnienie zjawiska śmierci wydaje się tak oczywiste, jak następowanie po sobie dnia i nocy. Jednak samo pojawienie się śmierci pozostaje jedną z największych zagadek przyrody. Proces jej powstania jest ściśle związany z narodzinami życia oraz pojawieniem się pierwszych organizmów, których cykl życiowy ma swój początek i koniec.
Od ponad dziesięciu lat nasz zespół stara się wyjaśnić, jak powstał bardzo szczególny typ śmierci komórkowej – apoptoza. Proces ten występuje wyłącznie u „wyższych” organizmów jądrowych, takich jak zwierzęta, grzyby, pierwotniaki czy rośliny. Przebiega w charakterystyczny sposób, dzięki czemu można ją łatwo odróżnić od innych form śmierci komórki. Proces ten jest zazwyczaj zapoczątkowany przez mitochondria – organelle pełniące funkcję komórkowych elektrowni. To właśnie w nich zachodzą procesy, w wyniku których powstaje energia magazynowana w postaci ATP. Mitochondria posiadają własne DNA i w rzeczywistości są symbiotycznymi bakteriami. Mitochondria pełnią podwójną rolę: z jednej strony dostarczają energię niezbędną do życia komórki, z drugiej – inicjują proces jej śmierci. Mitochondria uwalniają czynniki, które inicjują różne kaskady sygnałowe prowadzące do śmierci komórki. Końcowym etapem apoptozy jest degradacja DNA przez enzymy komórkowe. Apoptoza stanowi zatem prawdziwe samobójstwo komórki.
Apoptoza pełni kluczową rolę w rozwoju organizmów wielokomórkowych, umożliwiając eliminację zbędnych, uszkodzonych lub potencjalnie niebezpiecznych komórek. Jest to jeden z głównych naturalnych mechanizmów ochrony przed nowotworami. Ale ma również swoją ciemną stronę. W przypadku schorzeń neurodegeneracyjnych, takich jak choroba Alzheimera czy Parkinsona, komórki nerwowe są eliminowane właśnie w wyniku apoptozy. W przypadku organizmów jednokomórkowych apoptoza jest rzeczywiście aktem samobójczym. Komórka poświęca się dla dobra całej kolonii komórek blisko spokrewnionych. Takich samobójczych aktów często dokonują na przykład świdrowce. Są to pierwotniaki, które wywołują bardzo groźną chorobę – śpiączkę afrykańską, przenoszoną przez ukąszenia muchy tse-tse. Apoptoza wprawdzie prowadzi do śmierci osobnika, ale wydłuża życie gospodarza i zwiększa prawdopodobieństwo, że świdrowce zainfekują kolejną muchę tse-tse.
Chociaż apoptoza różnych typów organizmów jest bardzo podobna, czynniki apoptotyczne są bardzo różne. Na przykład u zwierząt jednym z głównych czynników indukujących apoptozę jest degradujący białka enzym kaspaza, natomiast u roślin i grzybów analogiczną funkcję pełni w niewielkim stopniu podobny enzym nazywany metakaspazą. Zwierzęta i rośliny używają także innych enzymów, które degradują ich własne DNA.
Celem prowadzonych przez nas badań jest wyjaśnienie, w jaki sposób powstały te różne mechanizmy apoptotyczne. Używamy zarówno metod eksperymentalnych, jak i komputerowych analiz przebiegu procesu ewolucji. W celu poznania historii apoptozy dokonaliśmy wirtualnej rekonstrukcji maszynerii apoptotycznej wspólnego przodka organizmów jądrowych (czyli grzybów, roślin i zwierząt). Okazało się, że ta prastara maszyneria miała pochodzenie bakteryjne, co sugeruje, że mechanizmy indukcji śmierci komórki powstały w czasie udomowienia mitochondriów.
Zrekonstruowana maszyneria zawierała zarówno mechanizmy typowe dla zwierząt, jak i te występujące u roślin – na przykład enzymy degradujące DNA, kaspazy i metakaspazy. Prawdopodobnie różne linie ewolucyjne utraciły z czasem różne elementy tej pierwotnej maszynerii – na przykład rośliny utraciły mechanizmy charakterystyczne dla zwierząt. Wyniki te sprowokowały kolejne pytanie badawcze: dlaczego przodkowie współczesnych mitochondriów posiadali aż tyle równoległych mechanizmów indukujących śmierć komórki? Zaproponowaliśmy następującą hipotezę wyjaśniającą ten fenomen: pierwotne organizmy jądrowe były drapieżnikami polującymi na bakterie, w tym na przodków dzisiejszych mitochondriów, a w odpowiedzi bakterie te rozwinęły różnorodne mechanizmy umożliwiające im zabijanie atakujących je komórek. Po udomowieniu mitochondriów mechanizmy te stały się elementami maszynerii apoptotycznej.
W oparciu o powyższą hipotezę doszliśmy do wniosku, że czynniki podobne do apoptotycznych, pochodzące z różnych organizmów, w tym bakterii, powinny indukować śmierć komórek także u organizmów odlegle spokrewnionych. Hipotezę tę potwierdziliśmy eksperymentalnie wykorzystując drożdże piekarskie, w których sztucznie zastąpione zostały geny kodujące czynniki apoptotyczne ich odpowiednikami z innych organizmów. Wyniki tego eksperymentu sugerują, że apoptoza powstała ponad miliard lat temu, w czasie udomowienia mitochondriów.
Szerzej o badaniach, które prowadzę wspólnie z dr hab. Urszulą Zielenkiewicz, napisało ostatnio czasopismo „Quanta Magazine”.
Szymon Kaczanowski