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        細胞為何要“自殺”

        2015-01-26 22:24:51內(nèi)含子
        大眾科學 2014年12期
        關鍵詞:自殺生物體單細胞

        內(nèi)含子

        每逢秋天到來的時候,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,它們明年春天還會發(fā)芽。

        樹葉的凋零是一個生理過程,是樹木抵御寒冬的一種策略。有時氣溫驟降,比如提前下了一場大雪,樹葉也會紛紛掉落。這時,如果你足夠細心,就會發(fā)現(xiàn)這些落葉和正常凋零的樹葉是不同的,因為它們還沒來得及經(jīng)歷凋零的程序,就在短時間內(nèi)被凍傷或凍死了。

        細胞的凋亡

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

        細胞凋亡是一個主動的、按部就班的過程,它涉及到一系列基因的表達、酶促反應以及亞細胞水平的變化。也就是說,細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,蝦身上的細胞,還來不及運行任何程序,就都死掉了。

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

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

        在發(fā)育過程中,很多不需要的細胞都是以凋亡的方式被清除的,比如一些臟器的空腔,就是因為里面原來的細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)過程中尾巴上的細胞發(fā)生了凋亡。我們?nèi)祟惻咛グl(fā)育的一定時期也有尾巴,而我們尾巴的消失也是通過類似的機制來實現(xiàn)的。

        形象一點說,沒有細胞凋亡的“雕琢”,就不可能發(fā)展出千姿百態(tài)的各種動物,而只能是出現(xiàn)一個個肉球。

        一種為了生存的死亡

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

        相反,經(jīng)歷壞死(necrosis)的細胞,細胞膜會破裂,細胞內(nèi)容物會泄漏,進而會引起炎癥反應,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。

        機體的細胞時時刻刻都處于新生和死亡的動態(tài)平衡之中。我們體內(nèi)每天有數(shù)以百億計的細胞死去,但我們并不會因此感到任何不舒服,這就是因為它們是通過細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,都離不開細胞凋亡。細胞的凋亡,實際上是一種為了生存的死亡。

        細胞凋亡異常與疾病

        既然細胞凋亡在生命活動中如此重要,凋亡的異常也就會造成一些疾病。例如老年癡呆癥、帕金森氏癥等,就是因為一些本來不該凋亡的神經(jīng)細胞凋亡了;相反,如果一些細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。

        通過對凋亡機制的深入研究,人們可以開發(fā)出一些藥物來對細胞凋亡進行調(diào)節(jié),比如一些抗癌藥物能特異地激活某些癌細胞的凋亡途徑,這樣既可以高效殺死癌細胞,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,但對細胞凋亡來說,它卻不合事實。細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。”

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

        實際上,除細胞凋亡之外,還有其他類型的程序性細胞死亡,它們處于細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,凋亡是機體的首選,然后依次是其他程序性死亡,而應盡量避免意外死亡。

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

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

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