II.1.3. Запрограммированная смерть одноклеточных
Если апоптоз — изобретение многоклеточных, как думают «пессимисты», то существа, состоящие всего из одной клетки, должны быть лишены «генов смерти» и всего механизма клеточного самоубийства. К сожалению для «пессимистов», такое предположение оказалось ошибочным.
В части I мы уже отмечали, что механизм самоликвидации был обнаружен у дрожжей — одноклеточных представителей царства грибов. Один из видов дрожжей, Saccharomyces cerevisiae, — излюбленный объект клеточных биологов и генетиков. Именно на этом организме было сделано следующее важное открытие.
Пока дрожжам хорошо, они размножаются вегетативно, т. е. простым делением. Это не означает однако, что у дрожжей нет полов. S. cerevisiae двуполы, полы обозначаются буквами а и альфа. Ухудшение внешних условий служит сигналом к переходу на половое размножение. Как и многие другие существа, обладающие половым диморфизмом, дрожжи вырабатывают феромоны — особые вещества, привлекающие особи противоположного пола. У S. cerevisiae феромонами служат два коротких пептида, один из которых выделяется клетками типа a, чтобы привлечь клетки типа альфа, а другой — клетками альфа для привлечения клеток типа a. Известно было, что добавленный к клеткам альфа избыток феромонов, образуемых клетками a, убивает первые, а феромон из клеток альфа делает то же самое, но только с клетками a, т. е. вторая («убийственная») функция феромона сохраняет абсолютную специфичность к половому партнеру. Как показал Ф.Ф. Северин (работа была начата им в лаборатории А. Хаймана в Германии [300] и завершена в нашей группе [266]), механизм гибели дрожжей от феромонов очень похож на апоптоз клеток многоклеточных.
Биологический смысл убийства полового партнера у дрожжей с помощью феромона мог бы состоять в очистке популяции от клеток-«неудачников», склеившихся каким-то образом, не подходящим для передачи ДНК от клетки-донора к клетке-реципиенту. Выполнению «убийственной» функции феромона должно способствовать его длительное выделение в узкую щель между половыми партнерами. Дальнейшая жизнь «неудачников» привела бы к их вегетативному размножению в условиях, когда потребовалось размножение половое с его обменом генетической информацией двух организмов-партнеров [321].
Помимо одноклеточных эукариот существует огромный мир микроорганизмов, также одноклеточных, но устроенных гораздо проще. Это прокариоты: бактерии и археи, мелкие клетки без ядра, митохондрий и других органелл. У данных форм жизни описаны многочисленные случаи самоликвидации, но их механизмы отличаются от таковых у эукариот. В части I мы уже рассмотрели систему типа «долгоживущий токсин — короткоживущий антитоксин». Существенно, что не только нехватка аминокислот [185,86,391], но и субстратов дыхания и кислорода, появление в среде поллютантов — ингибиторов транскрипции, трансляции или энергетического обмена и другие неблагоприятные факторы, тормозящие биосинтез белков, могут включать систему «токсинантитоксин» как последнюю линию защиты бактериальной популяции от полного вымирания [323]. По мнению Лейна [173], массовая гибель водных микроорганизмов при появлении в водоеме вирусов может иметь тот же смысл, имея в виду тактику «выжженной земли» как способ блокировать наступление страшного врага — смертельной инфекции.
Многие грам-отрицательные бактерии располагают особым ферментом — лизиноксидазой, окисляющей аминокислоту лизин молекулярным кислородом, который при этом восстанавливается не до воды (как в случае подавляющего большинства других оксидаз), а до перекиси водорода (Н2О2). Последняя ядовита, образуя активные формы кислорода (АФК). Именно Н2О2 убивает часть бактерий в так называемых биофильмах — пленках, образуемых мириадами слипшихся бактериальных клеток. В результате в биофильме возникают пустоты в виде полых трубок в местах, раньше заполненных бактериями. Эти трубки нужны для обеспечения питательными веществами тех бактерий, которые оказались в толще биофильма. Те же пути используются для удаления из бактерий конечных метаболитов. У грам-положительных бактерий ту же функцию выполняет пируватоксидаза, также образующая не Н2О, а Н2О2. (О роли АФК в запрограммированной смерти эукариот см. раздел II.6).
У бактерий описана особая сигнальная система, вызывающая ряд событий в ответ на повреждение ДНК. Сначала — стимуляция репарации ДНК, затем (если это оказывается недостаточным) — блокада размножения и, наконец, при еще большей степени повреждения — активный лизис бактериальной стенки, ведущий к гибели клетки [185,323]. Такой в общем-то беспощадный принцип позволяет предотвратить утрату генетического наследия вида из-за ошибок, вкравшихся в биологический текст при его сохранении и многократном воспроизведении. Как пишет К. Льюис, «вполне возможно, что основная опасность, подстерегающая одноклеточные организмы — это не конкуренция, патогены или истощение питательных материалов, а их собственный клон, превратившийся в группу «безнадежных монстров», способных вызвать смерть всей популяции» [185]. Чтобы избежать этой опасности, бактерия с поврежденной ДНК кончает с собой задолго до того, как геном до такой степени испортится, что синтез белков полностью прекратится.
Среди других примеров самоубийства одноклеточных прокариот заслуживают упоминания (см. также Приложение 2):
— лизис материнской клетки Bacillus subtilis или Streptomyces при споруляции, необходимый для освобождение спор;
— освобождение бактероидов из клеток Rhizobium;
— лизис некоторых клеток S. pheumonia для освобождения в среду ДНК, поглощаемой другими клетками того же вида;
— лизис клеток Escherichia coli, образующих колицины, чтобы выплеснуть в среду эти ядовитые агенты, убивающие другие штаммы того же вида бактерий;
— три механизма самоубийства E. coli при заражении клетки разными бактериофагами. Один из них состоит в открытии в клеточной мембране каналов, проницаемых для протонов, так что клетка теряет способность к накоплению энергии, освобождающейся при дыхании. Другой — активация протеазы, расщепляющей один из белков, необходимый для работы рибосом. Третий — активация РНКазы, гидролизующей одну из транспортных РНК. В двух последних случаях смерть клетки наступает из-за прекращения белкового синтеза [185,323].
Итак, программы гибели, открытые первоначально в клетках многоклеточных существ, есть и у одноклеточных. Поскольку в случае одноклеточного понятие «клетка» и «организма» совпадают, можно утверждать, что запрограммированная смерть организма записана в геноме по меньшей мере у одноклеточных.
«Но ведь совершенно очевидно, — говорят в этом месте «пессимисты», — что для индивида нет ничего хуже, чем умереть! Как же такой вредный признак, максимально контрпродуктивный для индивида — его носителя, не был выбракован естественным отбором?»
К сожалению, сегодня мы еще не можем прямо ответить на этот каверзнейший вопрос, хотя у нас есть определенные соображения по данному поводу (см. ниже, раздел II.4.1). Но каким бы он ни был, уже сейчас нельзя отрицать очевидный факт существования программ смерти одноклеточных. А если это так, то почему программа старения не может быть частным случаем явлений такого типа, эдаким медленным самоубийством? Кстати, у одноклеточных эукариот, а именно у S.cerevisiae, на которых была открыта смертоносная программа, включаемая феромонами, описано так называемое репликативное старение: дрожжевая клетка, делясь, может дать почку, образующую затем дочернюю клетку, примерно 30 раз, после чего детородная функция исчезает (совсем как у стареющих высших животных, достигших состояния менопаузы).
Но может быть, старение запрограммировано только у одноклеточных организмов, продолжительность жизни которых измеряется днями, а у человека и всех прочих ныне живущих многоклеточных такая программа утрачена, и они стареют как-то совсем иначе?
