Система mazE-mazF, расположенная на хромосоме E. coli, аналогична многочисленным плазмидным системам, которые кодируют стабильный цитотоксический агент в комбинации с лабильным противоядием к нему (такие плазмидные системы именуются модулями зависимости, addiction modules). Так, у E. coli обнаружена плазмида, содержащаяген стабильной ДНК-рестриктазы и нестабильной ДНК-метилазы, которая предохраняет ДНК от рестриктазы (метилированная ДНК не может быть узнана рестриктазой). Утрата плазмиды влечет за собой прекращение синтеза метилазы, и стабильная рестриктаза фрагментирует вновь снтезируемую неметилированную ДНК и вызывает гибель потерявших плазмиду клеток [123]. Поэтому подобные модули зависимости рассматривают как "эгоистичные ДНК" (термин Р. Докинза [124]): гибнут те клетки, которые пытаются избавиться от этой ДНК; сохраняются те, которые распространяют ее.
Участки hok/sok и pnd плазмид R1 и R483 [125] кодируют токсины, вызывающие диссипацию мембранного потенциала и наряду с этим гены, транскрипция которых дает лабильные антисмысловые РНК, препятствующие транскрипции плазмидной ДНК. Плазмида F y E. coli несет гены, отвечающие за синтез 1)токсина CcdB, который превращает ДНК-гиразу в ДНК-повреждающий агент и 2)белка-антидота CcdA, образующего с CcdB неактивный комплекс [123]. Приведенные примеры относятся к внутриклеточным механизмам ПКС, элиминирующим ту самую клетку, которая утратила плазмиду с модулем зависимости.
Имеются и внеклеточные механизмы ПКС: содержащие плазмиду клетки убивают соседей, не имеющих этой плазмиды. Речь идет о бактерицинах и подобных им агентах, чьи гены расположены на плазмидах вместе с генами, определяющими устойчивость к токсину самой бактериоцин-продуцирующей клетки. Внеклеточные токсины используют те же механизмы элиминирования чувствительных клеток, что и рассмотренные выше внутриклеточные токсины. Так, колицин Е1 и сходные с ним агенты, подобно плазмидам R1 и R483, ведут к деэнергизации цитоплазматической мембраны E. coli, а микроцин В17 (как и белок CcdB, кодируемый плазмидой F) трансформирует ДНК-гиразу в ДНК-повреждающий агент [123]. Известны также колицины (Е9), разрушающие ДНК; расщепляющие рибосомальную РНК и поэтому препятствующие синтезу белка; ингибирующие синтез пептидогликана клеточной стенки [126]. Колициногенные клетки E. coli защищаются от действия колицинов путем их комплексирования с белковым фактором иммунитета Im9 (молекулярная масса 9,5 кДа). Фактор Im9 соэкспрессируется с колицином и с высоким сродством связывается с колицином [126].
ПКС у бактерий наблюдается при заражении фагом. В этом плане в наибольшей мере исследована система E. coli – Т-четные фаги. Подобно эукариотическим инфицированным клеткам, гибнущим, чтобы локализовать опасный для всего многоклеточного организма патоген, некоторые штаммы E. coli несут гены, вызывающие гибель клетки после внедрения фага Т4 [123, 127, 128]. Так, ген lit блокирует синтез всех клеточных белков в ответ на экспрессию генов фага Т4. Ген lit кодирует протеазу, расщепляющую фактор элонгации EF-Tu, необходимый для синтеза белка на рибосомах [129]. Ген prrC кодирует нуклеазу, расщепляющую лизиновую тРНК. Нуклеаза активируется посредством пептидного продукта гена stp фага Т4. Гены rex вызывают у клеток, инфицированных фагом Т4, формирование трансмембранных ионных каналов, обрекающих эти клетки на гибель, если только фаг не закрывает каналы своими белками, продуктами генов rII [127, 130].
Гены, отвечающие за гибель клетки в ответ на внедрение вирулентного фага, локализуются в плазмидах или в геноме фагов (экспрессируясь в лизогенных клетках [127]). Поэтому представляется вероятным, что "альтруистические" гены, будучи подвижными и легко утрачиваемыми генетическими элементами, функционируют только у части бактериальной популяции.
ПКС представляет собой нормальную составную часть процесса развития многих прокариот. Агрегация клеток миксобактерий с формированием плодового тела со спорами сопряжена с гибелью значительной части клеточной популяции [118]. При спорообразовании у бацилл отмирает вегетативная клетка, внутри которой и созревает спора [118, 131].
Микробиологам знакома проблема появления у грам-отрицательных бактерий жизнеспособных, но некультивируемых (покоящихся) форм [132]. Такие клетки устойчивы к воздействию повреждающих агентов, малоактивны в метаболическом отношении и не размножаются. Однако они могут быть выведены из состояния покоя различными способами, специфичными для конкретных видов и штаммов бактерий, например, путем перевивки через чувствительное к патогену животное или с помощью сигнальных веществ, выделенных активно растущими клетками. Так, некультивируемые формы преобладают в популяции Micrococcus luteus после длительного голодания. Добавление 20–30% надосадочной жидкости из клеточной суспензии, выращенной на богатой среде до ранней стационарной фазы, обеспечивает активный рост некультивируемых форм [132, 133].
Вопрос о физиолого-биохимических механизмах формирования некультивируемого, но жизнеспособного состояния у бактериальных клеток остается дискуссионным, однако обращает на себя внимание сходство некультивируемых форм бактерий и эукариотических клеток на начальных стадиях апоптоза. Подобно последним, бактериальные клетки, переходя в некультивируемое состояние, уменьшаются в размерах, у них активируются протеолитические ферменты, РНК и рибосомы подвергаются деградации. Эти процессы гипотетически рассматриваются как проапоптоз, т.е. эволюционный предшественник апоптоза [118].
Активные формы кислорода (АФК) способствуют образованию некультивируемых форм в бактериальных популяциях [118]. Элиминацией АФК ведают ферменты супероксиддисмутаза, каталаза и пероксидазы. У мутантов E. coli, лишенных этих ферментов, в условиях нехватки питательных веществ наблюдали повышенные концентрации окисленных (карбонилированных) функционально важных белков, отвечающих за элонгацию полипептидной цепи при рибосомальном синтезе белка (фактор EF-G), укладку полипептидов (DnaK), поддержание архитектуры ДНК (щелочная форма белка H-NS). Лишенные супероксиддисмутазы мутанты вообще не могут быть культивированы после периода голодания, а лишенные каталазы могут быть возвращены к жизни только при культивировании в анаэробных условиях [134].
Известно, что АФК индуцируют апоптоз у животных, а антиоксиданты ингибируют этот процесс. Дрожжи погибают при воздействии пероксидом водорода (в низких концентрациях) или истощении внутриклеточного фонда глутатиона [135]. При ПКС, вызванной инсерцией гена bax, наблюдаетсянакопление АФК в клетках дрожжей; снижение их концентрации, например, путем инкубации клеток в условиях гипоксии, предотвращает bax-индуцированную ПКС у Saccharomyces cerevisiae [135]. Bax-Индуцированная гибель дрожжей выражена в большей степени в условиях дыхания, чем в условиях брожения [116]. Эти данные подкрепляют гипотезу о некультивируемом состоянии бактериальных клеток как эволюционном предшественнике апоптоза, который первоначально (на ранних стадиях эволюции) обходился без каспаз, но реализовался при участии активных форм кислорода.
Как уже отмечалось, процессы дифференцировки эукариот могут наносить существенный ущерб клеткам – в качестве иллюстрации безъядерные эритроциты млекопитающих. Сходные эффекты – при дифференцировке прокариот, осуществляемой в интересах всей клеточной популяции [118]. Так, гетероцисты цианобактерий лишены фотосистемы II, они выполняют узкоспециализированную функцию – фиксируют N2 из атмосферы – и погибают, как только отпадает потребность в азотфиксации. Узкую специализацию имеют и бактероиды, образуемые корневыми симбионтами растений – бактериями рода Rhizobium, также фиксирующими азот атмосферы.
В заключение напрашивается параллель между апоптозом и его аналогом, альтруистической гибелью клеток, и сходными биосоциальными явлениями, наблюдаемыми в популяциях многоклеточных организмов, включая человека. Не представляет ли собой программируемая клеточная смерть эволюционную предтечу того, что воспето во многих поэмах и отражено в словах "Варшавянки": "В битве великой не будут забыты павшие с честью во имя идей"?
Заключение
Программируемая клеточная гибель – механизм, широко распространенный в различных царствах живого, включая прокариот. Эволюционно ПКС возникла у прокариот как механизм противовирусной защиты популяций и была закреплена у одноклеточных эукариот. В дальнейшем, с появлением многоклеточных организмов, механизм совершенствовался и был приспособлен, наряду с защитой от патогенов, для реализации важных жизненных функций – дифференцировки клеток и тканей при эмбриогенезе и постэмбриональном развитии, элиминирования клеток иммунной системы, невостребованных, состарившихся клеток либо клеток, подвергшихся воздействию мутагенных факторов. Апоптоз у животных и человека стал неотъемлемым инструментом для осуществления наследственного и приобретенного, гуморального и клеточного ответа иммунной системы. Исследования в области апоптоза открывают новые перспективы в клеточной биологии и иммунологии.
Работа поддержана Российским фондом фундаментальных исследований (грант № 98-04-48226) и фондом "Фундаментальное естествознание" Минобразования РФ.
Список литературы
Greenberg, J. T. (1996) Proc. Natl. Acad. Sci. USA., 93, 12094-12097.
Vaux, D. L. and Korsmeyer, S. J. (1999) Cell, 96, 245-254.