麻省理工学院细胞凋亡专家 H. Robert Horvitz 给出了简短的回应
“简而言之,关于为什么会发生程序性细胞死亡的问题应细分为两个相关的问题:为什么会产生通过程序性细胞死亡而死的细胞?以及为什么这些细胞会死亡而不是存活?”
“第一个问题的答案取决于所考虑的细胞。例如,有些细胞是过量产生的,只有那些功能正常的细胞才能存活(就像神经系统的某些部分发生的那样)。在某些情况下,产生所需细胞的机制也偶然地产生不需要的细胞(就像免疫系统中发生的那样)。还有一些死亡的细胞是需要的,但只是短暂地需要。”
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“细胞死亡要么是因为它们有害,要么是因为杀死它们比维持它们消耗的能量更少。目前,程序性细胞死亡——正如基于细胞凋亡的形态学和涉及特定蛋白切割酶家族的生物化学所描述的那样——已被证明仅发生在动物身上,尽管细菌、真菌和植物仍有可能使用类似的过程来消除不需要的细胞。”
冷泉港实验室高级研究员 Michael Hengartner 对这个问题进行了更广泛的调查
“让我们从问题的第一个部分开始:为什么会发生程序性细胞死亡?有几个原因:它可以清除不需要的、碍事的或可能对生物体其他部分有害的细胞。”
“不需要的细胞可能从未有过功能。在其他情况下,它们可能已经失去了功能,或者它们可能已经竞争并输给了其他细胞。在某些生物体中,尤其是低等物种,有些细胞在出生后很快就会死亡。没有明确的理由说明它们曾经存在过。这些细胞可能是进化遗迹,过去很有用,但不再有任何有价值的功能。对于失去功能的细胞的一个例子,请考虑蝌蚪尾巴中的细胞,当动物发育成青蛙时,这些细胞变得多余。”
“细胞竞争的一个例子发生在发育中的人脑中。大脑产生的神经元比我们需要的要多得多,可能是因为身体不知道需要多少神经元,而且将像大脑这样复杂的结构连接在一起并非易事。例如,许多神经元将无法到达它们的目标——它们的轴突可能会走错方向或过早终止。这些未能建立适当连接的迷路者将会死亡。死亡在这里充当了一种内置的纠错机制。”
“更普遍地说,构建像人类这样复杂的生物体就像创作一个精美的雕塑。细胞分裂形成粘土,而细胞死亡将粘土雕刻成所需的形状。考虑一下人手,它最初是桨状结构。手指在桨中发育,但随后手指之间组织中的细胞必须死亡,才能形成合适的手。”
“细胞死亡最令人着迷的原因之一是清除危险细胞,即那些可能对生物体其他部分有害的细胞。人们可能会说,细胞为了更大的利益而自杀。它们可能是会变成癌细胞的突变体——因此细胞凋亡在癌症的形成(或不形成)中非常重要。此外,免疫系统的细胞之间会发生阳性和阴性选择。识别‘自身’的细胞(即那些会攻击生物体自身细胞的细胞)在此过程中被指示死亡。最后,被病毒感染的细胞有时可以识别感染并在病毒有时间复制和传播到其他细胞之前杀死自己。”
“程序性细胞死亡,就生物体有意诱导的自杀意义而言,肯定发生在多细胞植物和真菌中;它是否通过与后生动物(多细胞动物)中发现的相同分子机制发生仍有待确定。细胞死亡在植物中很常见,尤其是在高等植物中。树木中的木质部通过它将水输送到叶子,它由死细胞留下的空间组成。当落叶树在秋天落叶时,细胞死亡非常明显。(顺便说一句,这就是‘细胞凋亡’这个名字的由来:它是希腊语,意思是树叶从树上掉落,以及秃顶男人掉头发——顺便说一句,人们也认为这与细胞凋亡有关!)植物细胞不能移动,因此植物使用烧毁技术来应对感染:受感染区域的所有细胞都可能杀死自己以阻止疾病的蔓延。”
“单细胞生物中是否存在程序性细胞死亡?答案陷入了细胞选择死亡和被迫死亡之间的语义问题。但在单细胞生物中发现了一些形式的程序性死亡,包括细菌。母细胞在孢子形成过程中的死亡,即孢子的产生过程,可以被认为是一种程序性细胞死亡。某些寄生虫,如锥虫(引起疟疾),会改变形态以逃避宿主的免疫反应;未能进行改变的落后者将以一种细胞利他主义的方式死去。”
“另一个平行的例子发生在粘菌中,如盘基网柄菌,一种介于单细胞和多细胞生物之间的物种。这些动物一生中的大部分时间都以单细胞变形虫的形式度过。但是,当饥饿时,细胞聚集并融合成一个单一的‘蛞蝓’,它迁移并最终形成一个真菌状结构,由一个茎组成,顶部是一个孢子球。孢子分散开来寻找更适宜的环境。茎细胞不繁殖,所以在某种意义上它们牺牲了自己。在大多数单细胞生物(尤其是细菌)中,尚不清楚细胞死亡是否遵循与高等生物中发生的细胞凋亡相同的模式或生物分子机制。”
“一种非常不寻常的细胞死亡形式发生在被某些质粒病毒感染的细胞中,这些病毒指示宿主细胞产生两种化学物质:一种长效毒素和一种不稳定的解毒剂。在复制过程中,约 1% 的细胞会丢失 DNA 中的寄生质粒;子细胞仍然含有毒素,但无法再制造解毒剂,因此它们会死亡。这是一个罕见的细胞谋杀而非自杀的例子。”