Ocalenie i formowanie przez eliminowanie
Ludzie, zwierzęta i rośliny rozwijają się w ściśle określony i zaprogramowany sposób, zgodnie z informacją genetyczną (kwas nukleinowy DNA), znajdującą się w każdej żywej komórce. W czasie cyklu życiowego osobnika z jednej strony ma miejsce nieustanny wzrost liczby specyficznych komórek, a z drugiej stopniowa, często bezobjawowa eliminacja innych komórek. Mechanizmem, który umożliwia usuwanie komórek (m.in. uszkodzonych, nieprawidłowo funkcjonujących lub po prostu już niepotrzebnych) jest tzw. programowana śmierć komórki (ang. Programmed Cell Death, PCD).
Podczas PCD ma miejsce eliminacja składników komórki, prowadząca ostatecznie do jej śmierci (tzw. samobójcza śmierć komórki). Tego rodzaju zdolność do samounicestwienia komórek zapewnia utrzymanie optymalnego stosunku ilościowo-jakościowego pomiędzy komórkami eliminowanymi, a nowo powstającymi. W rezultacie możliwe jest utrzymanie równowagi biologicznej całego organizmu (tzw. homeostazy).
Białka do zadań specjalnych w życiu człowieka, zwierząt i roślin
U ludzi i zwierząt, PCD ma szczególne znaczenie podczas całego cyklu życiowego, począwszy od momentu wytwarzania komórek rozrodczych (tzw. gamet) aż do śmierci. Rola PCD polega m.in. na 1) kontroli szybkości różnicowania i dojrzewania komórek plemnikowych i oocytów (z tych drugich powstają komórki jajowe) oraz 2) modulowaniu ilości produkowanych plemników i komórek jajowych, jak również usuwaniu tych komórek, które posiadają uszkodzony materiał genetyczny, zmniejszając ryzyko wystąpienia mutacji mogących powodować poważne choroby a nawet śmierć nowo powstającego organizmu.
Kontrolowana PCD zachodzi również na etapie rozwoju zarodkowego (embriogenezy) i obejmuje ona np. zanikanie błon znajdujących się między palcami u płodu, powstawanie komórek soczewki oka, czy usuwanie niedojrzałych komórek podczas tworzenia połączeń między komórkami nerwowymi. Co więcej, eliminacja komórek zwierzęcych i ludzkich odgrywa rolę w procesie odnowy tkanek np. komórki niespełniające już swoich funkcji w nabłonku obumierają i są zastępowane nowymi, powstałymi z komórek macierzystych.
Należy zaznaczyć, że PCD może być aktywowana w odpowiedzi na czynniki pochodzące zarówno z wnętrza organizmów (np. hormony), jak i tych pochodzących z zewnątrz (np. promienie UV). I tak np. w odpowiedzi na zahamowane uwalniane hormonów (estrogenów i progesteronu) podczas cyklu miesiączkowego kobiety, komórki powierzchniowej warstwy błony śluzowej macicy (endometrium) ulegają złuszczeniu w wyniku PCD. Natomiast, gdy pod wpływem np. promieniowania słonecznego, DNA znajdujące się w komórce ulegnie uszkodzeniu, to komórka może próbować naprawić nieprawidłowości lub ulec zniszczeniu właśnie na skutek PCD. W sytuacji gdy komórka traci zdolność do samounicestwienia zwiększa się ryzyko powstania chorób nowotworowych.
Rośliny są sprytniejsze niż można sobie wyobrazić
U roślin, PCD jest uznawana za jedno z najważniejszych zjawisk odpowiedzialnych za formowanie organów, a następnie utrzymanie w nich homeostazy. Już w początkowym okresie rozwoju rośliny, PCD odpowiada za właściwe wykształcenie zarodka nasienia w czasie embriogenezy. Degradacji ulegają wówczas komórki tworzące np. tapetum (warstwa komórek w woreczku pyłkowym roślin nasiennych), które spełniły właściwe sobie funkcje. Podczas kiełkowania PCD uczestniczy w degradacji ziaren aleuronowych w bielmie (tkanka zapasowa) w ziarniakach zbóż, dostarczając energii niezbędnej dla przebiegu tego procesu, a następnie dla wzrostu i rozwoju młodej rośliny.
Proces PCD determinuje również prawidłowe powstawanie niektórych tkanek. W przypadku aerenchymy (tzw. tkanka powietrzna), przestwory międzykomórkowe umożliwiające magazynowanie gazów, mogą powstawać w wyniku śmierci określonych komórek. Innym, dobrze znanym przykładem procesu, który wymaga udziału PCD, jest obumieranie przyszłych członów naczyń wiązek przewodzących w drewnie, warunkujących powstanie kanałów transportujących w roślinie m.in. wodę. Ponadto, końcowy etap rozwojowy roślin, jakim jest starzenie, uznaje się za proces zsynchronizowany z zaprogramowaną genetycznie PCD.
Wiadomym jest, że dzięki PCD podczas procesu starzenia, z obumierających organów (np. liście jesienią) są wycofywane zmagazynowane zasoby węgla i azotu do innych części rośliny. Co ciekawe, taki udział PCD podczas starzenia jest typowy tylko dla roślin.
W organizmach zwierzęcych i ludzkich nie ma potrzeby zależnego od PCD wycofywania zmagazynowanych zasobów tych pierwiastków chemicznych do tkanek żywych. Interesujący jest fakt, że starzenie się komórek zwierzęcych nie musi oznaczać ich nieuchronnej śmierci. „Stara” komórka zwierzęca i/lub ludzka nie dzieli się i choć zmienia się jej morfologia i metabolizm, to może ona bardzo długo funkcjonować i żyć. Zjawisko PCD odgrywa istotną rolę również podczas tzw. reakcji nadwrażliwości (ang. hypersensitive response, HR).
Dlaczego nasiona noszą kolorowe kubraczki?
Jako, że rośliny nie mają typowego dla zwierząt i ludzi układu odpornościowego to musiały one wykształcić inną formę obrony w czasie ataku mikroorganizmów patogennych. Kluczowym elementem takiego mechanizmu obronnego jest HR, która polega na bardzo szybkim obumarciu komórek zainfekowanych oraz sąsiadujących, mającym na celu zahamowanie rozprzestrzeniania się infekcji w tkance. Istotną rolę w uśmiercaniu komórek podczas procesu HR przypisuje się właśnie PCD.
Przedstawione w niniejszym artykule przykłady podkreślają istotną rolę PCD w życiu zarówno ludzi, zwierząt, jak i roślin. Przebieg zmian zachodzących na terenie obumierających komórek zależy od ich budowy, pożądanej szybkości zahamowania ich żywotności oraz ostatecznego przeznaczenia obumarłych komórek. Warto mieć też na uwadze, że śmierć komórek jest konsekwencją zarazem rozwoju tych organizmów, jak i działania na nie różnorodnych, często niekorzystnych czynników.
Bez przesady można więc powiedzieć, że ocalenie, funkcjonowanie, jak i formowanie organizmów żywych jest w dużej mierze możliwe dzięki PCD.
Jednym z wielu celów badań prowadzonych w ramach projektu Biostrateg2 Narodowego Centrum Badań i Rozwoju (nr "BIOSTRATEG2/298241/10/NCBR/2016") zatytułowanego: "Inteligentne systemy hodowli i uprawy, pszenicy, kukurydzy i topoli dla zoptymalizowanej produkcji, biomasy, biopaliw oraz zmodyfikowanego drewna”, jest poznanie roli PCD w naturalnie zachodzącej hydrolizie ściany komórkowej w roślinach.
Wśród licznych wykonawców z różnych grup badawczych zaangażowanych w realizację w/w projektu znajdują się młodzi eksperymentatorzy - Martyna Ręgowska i Jakub Mielecki, którzy pod opieką dr Krystyny Oracz i prof. Stanisława Karpińskiego (kierownik projektu Biostrateg2 NCBiR), w Katedrze Genetyki, Hodowli i Biotechnologii Roślin oraz w ramach grupy badawczej SeedExplorerGroup (www.seedexplorer.eu), w Katedrze Fizjologii Roślin na Wydziale Rolnictwa i Biologii Szkoły Głównej Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie, wykonują ambitne eksperymenty.
- Krok po kroku w zakresie doboru odmian, nawożenia i ochrony. Zamów prenumeratę miesięcznika "Nowoczesna Uprawa" już teraz
