L,

I',

Zycie po zyciu ... kom6rek roslinnych

Zycie po iyciu
czyJi

programowana

smierc komorek

roslinnych

Barbara Oratowska
Renata Bqczek-Kwinta

Programowana

smierc komorki

(PCD - Programmed

Cell Death) jest efektem realizacji

wewnqtrzkomorkowego

programu smierci. Nie zaleZy od tego jaki byl czynnik wywolujqcy

ten proces, ani od zachodzqcych w jego trakcie zmian morfologicznych

czy biochemicznych.

Wsrod czynnikow, ktore przypuszczalnie

prowadzqkomork~

roslinnq (podobnie jak ma to

miejsce w przypadku komorek zwierz~cych}na

drog~ programowanej smierci mozemy

wyroi:ni6:

•

czynniki fizyczne: promieniowanie jonizujqce, UV, szok termiczny,

•

czynniki chemiczne: cytostatyki, wolne rodniki tlenowe, aktynomycyna D (inhibitor
syntezy RNA), cykloheksymid

(inhibitor biosyntezy bialek),

•

niedobor substancji wzrostowych,

•

pobudzenie niektorych receptor6w Wonowych lub wewnqtrzkomorkowych,

•

pozbawienie kom6rek kontaktu z macierzq zewnqtrzkomorkow'l:,

•

uszkodzeniaDNA

iorganelli

komorkowych.

Programowana smierc komorki to apoptoza lub atrofia. Z atrofi~ mamy do czynienia
wowczas, gdy komorka zostaje pozbawiona niezb~dnych do Zycia czynnikow lub tei: jej

smierc stanowi ostatni etap programu rozwojowego prowadzqcego do jej rozrucowania.

Natorniastapoptoza

to takzwa,na samob6jcza smierc kom6rki, ktorej towarzyszq

charakterystyczne zlni~lIiy~o~~ogiczne.

.

Apoptoza jest aktywnym procesem, jej celem jest usuwanie zb~dnych komorek podczas

prawidiowego rozwoju organizmu lub kom6rek:, kt6re ulegly infekcji wirusowej czy tei:

wstqpily na drog~ nowotworzenia.

Proces ten przebiega z udziaiem metabolizmu

komorkowego, obejmuje aktywacj~ genow i syntez~ biaiek:, ktore umoi:liwiajq dokonanie
przez komork~ samobojstwa. Apoptoza jest bardzo precyzyjnie kontrolowanym zjawiskiem.
Dokladny zestaw genow i bialek aktywowanych w tym procesie zaleZy od bodica
wywolujqcego i rodzaju komorki ulegajqcej smierci samob6jczej. Smierc apoptotyczna trwa

od kilku do kilkunastu godzin, a jej przebieg mozna obserwowac zaledwie przez kilka godzin,

przewaznie juz w koncowym etapie.

Pierwsze obserwacje umierajqcych komorek pojawily si~ pod koniec XIX w., jednak

systematyczne badania tego zjawiska rozpocz~to w latach 50. XX w., co doprowadziio do
odkrycia procesu programowanej

smierci kom6rki. Zjawisko to wykryto i najlepiej zbadano

w komorkach bezkr~gowc6w i kr~gowcow. W 2002 roku za badania nad przebiegiem

apoptozy w organizmie nicienia Caenorhabditis elegans John Salston, Sydney Brenner i

Robert Hortwitz otrzymali Nagrod~ Nobla. Tematyka ta jest ostatnio intensywnie rozwijana

ze wzgl~du na potencjalne wykorzystanie znajomosci mechanizmow apoptozy w terapii.

nowotworow. Komorki rakowe potrafiil bowiem sprytnie oszukac system immunologiczny,

i

dzi~ki temu unikajq rozpoznania i unicestwienia.

Zajmujemy si~ roslinami, wi~c wrocmy do naszych zielonych przyjaci61. Co dzieje si~ z ich
komorkami podczas PCD? .

•

unieczynnieniu ulega system naprawy uszkodzen DNA,

•

umierajilca komorka obkurcza si~ i oddziela od innych,

_

•

dochodzi do cyklicznego pojawiania si~ i zanikania drobnych p~cherzykowatych
uwypuklen cytoplazmypokrytych

bfonilkomorkowil

i nie zawierajqcych organelli,

•

kolejnym etapem jest szybka i nieodwracalna kondensacja cytoplazmy, ktorej
towarzyszy wzrost g~stosci komorki i obkurczanie si~ organelli,

•

w jildrze komorkowym dochodzi do kondensacji chromatyny, ktora tworzy ziarniste

struktury na obrzezach j'ldra, w tym samym czasie zanikaj'l pory j'ldrowe i degeneruje

j'lderko,

. •

DNAj'ldrowe

ulega trawieniu przez endogenn'l endonukleaz~, pocZ'ltkowo na

wi~ksze fragmenty

(0

dlugosci od 50 do 300 tysi~cy par zasad), a nast~pnie na odcinki

mniejsze (rz~du 180-200 nukleotydow).

Degeneracja DNA prowadzi do powstania

licznych wolnych grup 3'OH na koncach powstalych fragmentow (te fragmenty
podczas elektroforezy na telu tworz'l tzw. drabink~ apoptotycznq),

•

kolejnym etapem jest fragmentacja jildra i cytoplazmy, a nast~pnie rozpad blon
poprzez przeksztalcenie ich w ciala apoptotyczne czyli otoczone blon'l fragmenty
komorki zawieraj'lce resztki cytoplazmy, organelle komorkowei

fragmenty·.

chromatyny..

_d'

•

zamieraj'lce kom6rki lub ciala apoptotyczne silnast~pnie usuwane. Nie jest do konca
pewne, na jakiej drodze odbywa si~ to u roslin. Prawdopodobnie

dochodzi do autolizy.

Paradoksalnie smief(~poszczeg61nych komorek decyduje

0

Zyciu calej rosliny, jej pokroju i

przedluzeniu gatunku.

Apoptoza w komorkach roslinnych bierze udzial:

w:

koncowej fazie roZnicowania si~

komorek, w trakcie rozwoju organow rozmnazania plciowego oraz w procesie starzenia.

Czynnikiem decyduj'lcym

0

losach komorki jest polozenie w roslinie, a giownymi

regulatorami S'l komorki s'lsiednie oraz sygnaly pochodz'lce z odlegiych tkanek. Odkryto
rowniez kilka genow uczestniczilcych w hamowaniu tego procesu. Nalez'l do nich: dadl,

Lsd], ktory hamuje sygnaiy do tworzenia nadtlenkow i LIsl, ktory koduje bialko

uczestnicz,\ce m.in. w degradacji fenolowych zwi'lzkow

0

charakterze sygnalnym w procesie

programowanej srnierci komorki.

•

w kom6rkach ksylemu i korka powstaj'l martwe, pozbawione element ow

cytoplazmatycznych

sciany komorkowe, ktore tworzq systemy przewodzqce i

okrywaj'lce.

•

podobnie powstaje kutner, czyli warstwa martwych wloskow na powierzchni rosliny,
oraz aerenchyma, czyli mi~kisz powietrzny,

o

u rodzaju i\lonstera (gatunek uprawiany w domach; cz~sto bl~dnie zwany
filodendronem)

i palm apoptoza zachodz::tca we wczesnym etapie rozwoju liki

warunkuje ich p6iniejszy klapowany ksztah,

o

zewn~trzne kom6rki czapeczki korzeniowej zamierajq,

o

starsze, najwczesniej wyksztalcone organy roslinne zarnieraj::t podczas

rozmnazania plciowego:

1. u roslin rozdzielnoplciowych

jednopiennych

inicjowane s::tzar6wno

zawiq.zki organ6w zenskich i mt,?skich.Zawi'lZki niewrasciwe ulegaj::t
degeneracji, np. u kukurydzy powstawanie wiech z prt,?cikamiwymaga

aktywnosci genu Tasselseed2, kt6rego produkt prawdopodobnie

generuje cz::tsteczk~ steroidu

0

charakterze sygnalnym,

2. w trakcie wrastania iagiewki pylkowej do znamienia srupka cz~sc jego

kom6rek ginie. U wi~kszosci okrytozalq,Zkowych degeneruj::t tak az 3 z
4 kom6rek powstalych na drodze mejozy.

3. kom6rki tapetum pylnikowego takie podlegaj::t apoptozie, a produkty

ich rozldadu wykorzystuj::t rozwijaj::tce si~ ziarna pyiku.

4.

w stanie sercowatym zarodka na drodze peD gin::tkomorki suspensora
l::tczq,cezarodek z tkankami matecznymi.

C6z moze bye ciekawego w starzeniu si~ roslin? - mozna zapytac. Coz, starzenie si~

poszc~eg61nych organ6w roslinnych jest nieuchronne i precyzyjnie zaplanowane, gdyz .

zasoby w~gla, azotu, potasu, fosforu, magnezu czy cynku (tzw. pierwiastk6w ruchlivvych) w

-me-h

i'l1uigazynowanc \v~druJ<i.dOhHodszych cz~sci, gdzie zostaj::t ponownie w)'korzystane w:.

y

procesie tzw. reutylizacji

sl.ciadnikow mineralnych.

Dla konsu;ment6w istotne jest, aby warzywa i owoce nie starzaiy si~ zbyt szybko. Przekwitie,

poz6ilde brokuly czy pomarszczone jablka nie stanowi::t dla nas atrakcji.

Starzenie si~ jest procesem bardzo uporz::tdkowanym. (jdkryto szereg genow, ktorych
ekspresja wzmaga si~ lub pojawia w okresie starzenia si~ lisci (np. geny SAG - Senescence

Associated Genes). RownoczeSnie ekspresja iririych ulega zablokowaniu,poza

genami

metabolizmu podstawowego. Na skutek degradacji lipid6w blon plazmatycznych pO\~stajq,
produkty dostarczaj::tce energii niezb~dnej do realizacji programu starzenia oraz stanowiq,ce
substrat dla intensywnie zachodz::tcych procesow oddychania. Z kolei produkty degradacji
zwi::tzk6w takich jak kwasy nukleinowe i biaika s::tprzeksztakane

w zwiq.zki rozpuszczalne w

wodzie, np. aminokwasy czy amidy i transportowane

przez floem do rozwijajq,cych si~ cz~sci

roslin.

W procesach starzenia zrnienia si~ aktywnosc hormonalna roslin. Lipoksygenaza uczestniczy
w syntezie jednego z fitohormon6w - h.'")vasujasmonowego.

Kwas jasmonow)' to inhibitor

wzrostu i r6Znicowania komorek, lecz tahe

stymulator koncoWych etap6w ontogenezy roslin

- dojrzewania owocow czy starzenia si~ liki. Rowniez etylen (kolejny fitohormon) stymuluje
starzenie si~ lisci. Podobn::t rol~ etylenu stwierdzono w procesie dojrzewania owoc6w
pornidora.

Markerem wczesnych etap6w apoptozy jest enzym TdT - terminalna transferaza
deoksyrybonukleotydowa.

TdT katalizuje reakcj~ dolq,czania deoksyurydyny znakowanej

t1uorochromem do konc6w 3

1

GB zdegenerowanego

DNA, wskutek czego j::tdra komorkowe

ktore maj'l:.ulec apoptozie fluoryzujq, co wykorzystano w badaniach z uzyciem mikroskopu
fluorescencyjnego.

Na lisciach cz~sto widuje si~ mniejsze lub wi~ksze brunatne, zaschni~te plamki. Czy to

zewn~trzna oznaka apoptozy? Raczej nekrozy.

Nekroza jest biernym, nieselek'1ywnym procesem zachodzqcym w komorkach, gdy powstaJ:e
uszkodzenia nie pozwalaj'l:. na wykonywanie dotychczas speinianej przez nie funkcji.
Uszkodzenia takie powstajq, na skutek dzialania zewn~trznych czynnik6w fizycznych (np.
zbyt silnego oswietlenia),

chemicznych (chocby herbicydow), meehanieznyeh czy

biologicznych (podczas ataku owadow zerujq,eych na lisciach). Nekroza nie jest rodzajem
smierci programowanej.

Cz~sto dotyczy duzych, zwartych grup komorek. Charakterystycznq,

jej cech'l:.jest p~cznienie komorki spowodowane poszerzeniem siateczki srodplazmatycznej

i

obrz~kiem mitochondriow.

VV odroZnieniu od apoptozy ponadto:

•

organelle komorkowe ulegajq, uszkodzeniu, a eytoplazma rozrzedzeniu,

•

DNA jest ci~te przez endonukleazy na przypadkowe fragmenty

0

zroznicowanej

drugosci,

•

i chromatyna nie zmienia swojego poiozenia.

Kaspazy S'l:.giownymi biaikami apoptozy. TD:enzymy proteolityczne Wyst~pujq,ce w

·zdrowych komorkach w postaei nieaktywnyeh proenzyniow, ktoreaktywuj,r

si~ pod

wpiywem ei~eia proteolitycznego.

leh rola polega na naeinaniu roznych substratow

bialkowych, co prowadzi do uruchomienia niemozliwej do zatrzymania kaskady
proteolitycznej, ktorej efektem jest smierc komorki.

Wiele bialek mitochondrialnych

uezestniczy w procesie apoptozy. Mog'l:.one przemieszczac

si~ z mitochondrium do eytoplazmy i uruchamiac kaspazy. Zaliczamy do nieh m. in.
cytochrom

C

oraz wsp6ipraeuj'l:.ce z nim bialko Apaf-l. Taki kompleks ma zdolnos6 i'l:.czenia

si~ z proEmzymem kaspazy 9 prowadzq,c do jej uaktywnienia.

W procesie apoptozy waznq, rol~ odgrywaj'l:.takZe bialka zewn~trznej blony mitochondrialnej,

a wsrod ktorych wyrozniamy:

•

iTh~ibitoryapoptozy: bcl-2, bel-xl,

•

aktywatory apoptozy: bad, bax, bak.

Bialka te posiadajq, specyficzne rejony umozliwiahce

im oddzialywanie mi~dzy sob'l:.i

tworzenie dimerow oraz wpiyw na regulacj~ programowanej smierci komorki poprzez wpiyw
aktywnos6 kaspaz i st~zenie wapnia. Proteiny te odgrywaj'l:. rol~ w regulaeji przepuszczalnosci
bion komorkowych. Udowodniono,

ze bialka bax i bak razem z bial:kiem VDAC (Voltage

Dependent Anion Channel) tworz'l:. duze kanaly bionowe, przez ktore z mitochondrium do

cytoplazmy dostaje si~ cytocbrom c, co prowadzi do uruchomienia kaskady proteolitycznej, a
w konsekwencji do smierci kom6rki.