Микробный апоптоз и альтруизм

Яркий пример социального контроля (на уровне колонии) за микробными клетками – апоптоз, т.е. программированная гибель отдельных клетокв интересах популяции в целом. Явление апоптоза ранее изучено на животных и, в меньшей мере, на растительных клетках. В этих случаях апоптоз – нормальная составная часть индивидуального развития организма. Так, он необходим для резорбции хвоста при превращении головастика; развитие мозга предполагает программированную гибель некоторых нейронов, причём мутация, предотвращающая апоптоз клеток эмбрионального мозга, является летальной. Апоптоз растительных клеток, пораженных инфекционным агентом, предотвращает дальнейшее распространение инфекции. Интенсивно исследуются генетико-биохимические механизмы апоптоза, связанные с активацией каскада каспаз (эволюционно консервативных цистеиновых протеаз), отвечающих в конечном счёте за активацию нуклеаз и ферментов, разрушающих другие клеточные структуре [50, 51]. Интересно, что апоптоз животных клеток фактически может происходить при участии симбиотических потомков бактерий – митохондрий. Повреждение стрессорными факторами мембран митохондрий, угрожающее не только самой клетке, но и её соседкам накоплением токсических свободно-радикальных форм кислорода, узнаётся клеткой по выходу из митохондрий цитохрома с. Этот цитохром связывается цитоплазматическим белком Apaf1, который связывает прокаспазу-9, превращая её в активную каспазу-9. Так инициируется каскад каспаз и апоптоз [50, 51].

Что касается апоптоза у микроорганизмов, то это явление находится в стадии исследования. Достаточно хорошо изучена система эукариотического микроорганизма – миксомицета Dictyostellium discoideum. Трансформация D. discoideum из одноклеточных амёб в многоклеточный мигрирующий псевдоплазмодий и далее в плодовое тело со спорами представляет собой коллективную реакцию на голодание клеточной популяции (система рассмотрена нами ранее в обзорах [4, 5]). Когда многоклеточный псевдоплазмодий начинает строить плодовое тело, клетки в его передней четверти претерпевают апоптоз. Мёртвые клетки формируют ножку плодового тела [52, 53]. Процесс находится под контролем ряда сигнальных агентов. Генерализованным агентом коммуникации служит циклический аденозиномонофосфат, но для дифференциации клеток ножки (с апоптозом) особенно важен фактор DIF (1-(3,5-дихлоро-2,6-окси-4-метоксифенил)-1-гексанон) [52, 53]. У миксобактерий – прокариотических аналогов миксомицетов в плане жизненного цикла – также наблюдается программированная гибель многих клеток во время агрегации миксобактериальных клеток, приводящей к формированию плодовых тел (некоторые группы клеток внутри созревающего плодового тела также обречены на гибель) [54].

Прокариотическим аналогом апоптоза можно также считать гибель части клеточной популяции E. coli в условиях стазиса – остановки роста бактериальной популяции (например, при исчерпании питательного субстрата). "Феноменология" данного процесса описана сравнительно давно [55] (см. также наш обзор [4]). Голодающая популяция E. coli постепенно разделяется на две субпопуляции, одна из которых гибнет и подвергается автолизу, в то время как другая субпопуляция использует продукты автолиза как субстрат и продолжает расти и создавать колониеобразующие единицы [55]. В последние годы был раскрыт генетический механизм апоптоза в этой системе [56, 57]. Геном E. coli содержит оперон с двумя генами mazE и mazF. Ген mazF кодирует стабильный цитотоксический белок, а mazE – нестабильное, быстро разрушаемое протеазой clp PA противоядие к белку MazF. Как известно, исчерпание доступного клетки фонда аминокислот ведёт к активации оперона rel, чей белковый продукт Rel A отвечает за синтез гуанозинтетрафосфата на рибосомах. Гуанозинтетрафосфат блокирует оперон maz, так что синтез противоядия прекращается. В этих условиях белок MazF вызывает гибель и автолиз части популяции, тем самым пополняя фонд аминокислот и вновь активируя синтез противоядия MazE у оставшихся в живых клеток [56, 57]. Таким образом, система выступает как хромосомный аналог многочисленных бактериальных плазмид, которые кодируют стабильный цитотоксичный агент в комбинации с лабильным противоядием к нему (addiction modules).

Этот пример апоптоза у E. coli одновременно может быть рассмотрен и как пример "бактериального альтруизма", так как в экстремальных условиях часть голодающих клеток лизируется, способствуя выживанию остальной части клеточной популяции [56, 58]. Авторы настоящего обзора не отрицают наличие других, более мощных механизмов сохранения жизнеспособности голодающей микробной популяции – процессов "экономизации" энергодающих метаболических процессов, исследованных в работах Н.С. Паникова [59-61].

Современная социобиология – модификация дарвиновской теории эволюции, обращающая основное внимание на социальные взаимодействия у различных форм живого – рассматривает так называемую концепцию родственного альтруизма [62]. Речь идёт о самопожертвовании ради близкого родственника, имеющего общие гены с индивидом, приносящим себя в жертву. По сути, это на "альтруизм" в общечеловеческом смысле слова, а клонирование собственных генов, которые получают альтернативный способ передачи следующему поколению (не через данного индивида, а через его родственника). Слово "родственный альтруизм" (kin altruism) – устоявшийся термин в среде социобиологов, но он не предполагает осознанную жертву, а лишь подхватывание естественным отбором генов "гибели ради родственника" [62].

В рамках этой концепции, микроорганизмы с преобладанием бесполого размножения имеют намного больше оснований совершать апоптоз (если он способствует выживанию популяции), чем многоклеточные существа. Действительно, колония как про-, так и многих эукариотических организмов (например, рассмотренного выше D. discoideum) представляет собой почти идеальный клон. Поэтому социобиологическая концепция родственного альтруизма, если она верна, предсказывает широкое распространение "альтруистических" событий в колониях микроорганизмов [9, 58].

В этой связи представляет интерес тот факт, что описанные примеры апоптоза не являются единственными "альтруистическими" системами в мире микроорганизмов. Подобно эукариотическим инфицированным клеткам, гибнущим, чтобы не допустить распространения инфекции, некоторые штаммы E. coli несут гены, вызывающие гибель клетки после внедрения в неё бактериофага Т4 [63]. Так, ген lit блокирует синтез всех клеточных белков в ответ на начало экспрессии поздних генов фага Т4, поскольку кодирует протеазу, разрушающую необходимый для синтеза белков фактор элонгации EF-Tu [64]. Ген prrC кодирует нуклеазу, расщепляющую лизиновую тРНК. Нуклеаза активируется продуктом гена stp фага Т4 [63]. Гены rex вызывают у инфицированных фагом Т4 клеток формирование ионных каналов, ведущих к потере клетками жизненно важных ионов и к альтруистической гибели, если только фаг не закрывает каналы своими белками, продуктами генов rII [65].