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        細(xì)胞為何要“自殺”

        2015-01-26 22:24:51內(nèi)含子
        大眾科學(xué) 2014年12期
        關(guān)鍵詞:自殺生物體單細(xì)胞

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        每逢秋天到來的時(shí)候,樹葉由綠轉(zhuǎn)黃,從樹梢上飄落下來。這一幕對于生活在溫帶的人們來說是再熟悉不過的了,即便是為樹葉凋零而落淚的文人也知道這些樹并沒有生病,更沒有死,它們明年春天還會(huì)發(fā)芽。

        樹葉的凋零是一個(gè)生理過程,是樹木抵御寒冬的一種策略。有時(shí)氣溫驟降,比如提前下了一場大雪,樹葉也會(huì)紛紛掉落。這時(shí),如果你足夠細(xì)心,就會(huì)發(fā)現(xiàn)這些落葉和正常凋零的樹葉是不同的,因?yàn)樗鼈冞€沒來得及經(jīng)歷凋零的程序,就在短時(shí)間內(nèi)被凍傷或凍死了。

        細(xì)胞的凋亡

        樹葉的凋零是看得見的器官水平的變化,在細(xì)胞水平也有一個(gè)類似的凋零現(xiàn)象,人們把它形象地稱為細(xì)胞凋亡(apoptosis)。

        細(xì)胞凋亡是一個(gè)主動(dòng)的、按部就班的過程,它涉及到一系列基因的表達(dá)、酶促反應(yīng)以及亞細(xì)胞水平的變化。也就是說,細(xì)胞凋亡是一種程序性死亡(programmed cell death)。與程序性死亡相對的是意外死亡,比如我們把一只活蝦扔到熱油鍋里,蝦身上的細(xì)胞,還來不及運(yùn)行任何程序,就都死掉了。

        乍一看,細(xì)胞給自己準(zhǔn)備一套精密復(fù)雜的“自殺”程序似乎有些不可思議。生物不都是在千方百計(jì)地生存嗎?為什么又要處心積慮地去死呢?然而,這里的“死”只是細(xì)胞的死亡,而不是生物體的死亡。實(shí)際上,能夠控制身體細(xì)胞的死亡,對于多細(xì)胞生物來說是至關(guān)重要的。

        最原始的多細(xì)胞生物其實(shí)只是一堆單細(xì)胞聚集在一起,彼此之間沒有分工。當(dāng)細(xì)胞之間有了分工和協(xié)作,機(jī)體就需要能夠控制這些細(xì)胞的行為——包括必要的時(shí)候讓它們死掉。因?yàn)?,如果這些細(xì)胞還像單細(xì)胞生物那樣自顧自地生長,那么它們到頭來會(huì)是聚在一起的一堆細(xì)胞,而不會(huì)是一個(gè)“有機(jī)”的整體。

        在發(fā)育過程中,很多不需要的細(xì)胞都是以凋亡的方式被清除的,比如一些臟器的空腔,就是因?yàn)槔锩嬖瓉淼募?xì)胞死掉了才空出來的;再比如蝌蚪有尾巴,而青蛙沒有尾巴,從蝌蚪到青蛙的變態(tài)過程中尾巴上的細(xì)胞發(fā)生了凋亡。我們?nèi)祟惻咛グl(fā)育的一定時(shí)期也有尾巴,而我們尾巴的消失也是通過類似的機(jī)制來實(shí)現(xiàn)的。

        形象一點(diǎn)說,沒有細(xì)胞凋亡的“雕琢”,就不可能發(fā)展出千姿百態(tài)的各種動(dòng)物,而只能是出現(xiàn)一個(gè)個(gè)肉球。

        一種為了生存的死亡

        生物體的細(xì)胞總是處于新舊更替中,老去的細(xì)胞大多也是通過凋亡結(jié)束生命的。在凋亡的過程中,細(xì)胞內(nèi)的一些蛋白會(huì)被降解,染色體被切割成短片段,而細(xì)胞膜則一直保持完整,并且膜表面會(huì)出現(xiàn)特定的標(biāo)志,告訴吞噬細(xì)胞這是一個(gè)凋亡了的細(xì)胞。然后,吞噬細(xì)胞會(huì)將凋亡的細(xì)胞吞噬消化,在這一過程中,細(xì)胞的內(nèi)容物不會(huì)泄漏,因此不會(huì)造成“環(huán)境污染”。

        相反,經(jīng)歷壞死(necrosis)的細(xì)胞,細(xì)胞膜會(huì)破裂,細(xì)胞內(nèi)容物會(huì)泄漏,進(jìn)而會(huì)引起炎癥反應(yīng),表現(xiàn)為局部腫脹、發(fā)熱、疼痛,并對生物體造成一定的傷害。

        機(jī)體的細(xì)胞時(shí)時(shí)刻刻都處于新生和死亡的動(dòng)態(tài)平衡之中。我們體內(nèi)每天有數(shù)以百億計(jì)的細(xì)胞死去,但我們并不會(huì)因此感到任何不舒服,這就是因?yàn)樗鼈兪峭ㄟ^細(xì)胞凋亡這種安全的途徑死掉的。

        也就是說,從胚胎發(fā)育到生物體正常生活,都離不開細(xì)胞凋亡。細(xì)胞的凋亡,實(shí)際上是一種為了生存的死亡。

        細(xì)胞凋亡異常與疾病

        既然細(xì)胞凋亡在生命活動(dòng)中如此重要,凋亡的異常也就會(huì)造成一些疾病。例如老年癡呆癥、帕金森氏癥等,就是因?yàn)橐恍┍緛聿辉摰蛲龅纳窠?jīng)細(xì)胞凋亡了;相反,如果一些細(xì)胞中的凋亡途徑被抑制,開始無節(jié)制的瘋長,則可能形成腫瘤。

        通過對凋亡機(jī)制的深入研究,人們可以開發(fā)出一些藥物來對細(xì)胞凋亡進(jìn)行調(diào)節(jié),比如一些抗癌藥物能特異地激活某些癌細(xì)胞的凋亡途徑,這樣既可以高效殺死癌細(xì)胞,對正常組織的毒副作用又比較小。與傳統(tǒng)的化療藥物相比,它們有明顯的優(yōu)勢。

        孔老夫子曾說:“未知生,焉知死?!边@句話很樸素,也很合情理,但對細(xì)胞凋亡來說,它卻不合事實(shí)。細(xì)胞凋亡伴隨著我們的一生,如果不了解它,我們就無法真正了解生命。因此,從某種意義上,我們也可以說:“欲知生,必知死?!?/p>

        2002年,基于細(xì)胞凋亡的開創(chuàng)性研究,麻省理工學(xué)院的H. Robert Horvitz獲得了諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。近些年來,細(xì)胞凋亡以及其他細(xì)胞程序性死亡的研究一直是一個(gè)熱點(diǎn),為細(xì)胞凋亡研究做出過重量級貢獻(xiàn)的還有兩位華人科學(xué)家,他們是北京生命科學(xué)研究所的王曉東(曾任職于美國德克薩斯大學(xué)西南醫(yī)學(xué)中心)和美國哈佛大學(xué)的袁鈞瑛,兩人都是美國科學(xué)院院士。

        實(shí)際上,除細(xì)胞凋亡之外,還有其他類型的程序性細(xì)胞死亡,它們處于細(xì)胞凋亡與意外死亡之間,其中,越接近凋亡的死亡,對身體的傷害越小,越接近意外死亡的,傷害越大。一般來說,凋亡是機(jī)體的首選,然后依次是其他程序性死亡,而應(yīng)盡量避免意外死亡。

        細(xì)胞凋亡相關(guān)的基因和信號(hào)途徑在進(jìn)化中相當(dāng)保守,在一些單細(xì)胞生物,比如酵母和一些原生生物中也有凋亡現(xiàn)象。這是一個(gè)有趣的問題:多細(xì)胞生物的細(xì)胞凋亡是為了機(jī)體的利益犧牲自己,那么單細(xì)胞生物凋亡又為了誰呢?

        對于這個(gè)問題,目前還沒有太滿意的答案。通常認(rèn)為一個(gè)細(xì)胞周圍的細(xì)胞通常是自己的兄弟姐妹,如果細(xì)胞以凋亡的方式結(jié)束自己的生命,對周圍細(xì)胞的負(fù)面影響會(huì)更小,這和多細(xì)胞體內(nèi)的情形多少有些相似。(作者系生物化學(xué)與分子生物學(xué)博士 來源:科學(xué)公園 責(zé)任編輯/清揚(yáng))endprint

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