麻省理工學院細胞凋亡專家 H. Robert Horvitz 給出了簡短的回應
“簡而言之,關於為什麼會發生程式性細胞死亡的問題應細分為兩個相關的問題:為什麼會產生透過程式性細胞死亡而死的細胞?以及為什麼這些細胞會死亡而不是存活?”
“第一個問題的答案取決於所考慮的細胞。例如,有些細胞是過量產生的,只有那些功能正常的細胞才能存活(就像神經系統的某些部分發生的那樣)。在某些情況下,產生所需細胞的機制也偶然地產生不需要的細胞(就像免疫系統中發生的那樣)。還有一些死亡的細胞是需要的,但只是短暫地需要。”
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“細胞死亡要麼是因為它們有害,要麼是因為殺死它們比維持它們消耗的能量更少。目前,程式性細胞死亡——正如基於細胞凋亡的形態學和涉及特定蛋白切割酶家族的生物化學所描述的那樣——已被證明僅發生在動物身上,儘管細菌、真菌和植物仍有可能使用類似的過程來消除不需要的細胞。”
冷泉港實驗室高階研究員 Michael Hengartner 對這個問題進行了更廣泛的調查
“讓我們從問題的第一個部分開始:為什麼會發生程式性細胞死亡?有幾個原因:它可以清除不需要的、礙事的或可能對生物體其他部分有害的細胞。”
“不需要的細胞可能從未有過功能。在其他情況下,它們可能已經失去了功能,或者它們可能已經競爭並輸給了其他細胞。在某些生物體中,尤其是低等物種,有些細胞在出生後很快就會死亡。沒有明確的理由說明它們曾經存在過。這些細胞可能是進化遺蹟,過去很有用,但不再有任何有價值的功能。對於失去功能的細胞的一個例子,請考慮蝌蚪尾巴中的細胞,當動物發育成青蛙時,這些細胞變得多餘。”
“細胞競爭的一個例子發生在發育中的人腦中。大腦產生的神經元比我們需要的要多得多,可能是因為身體不知道需要多少神經元,而且將像大腦這樣複雜的結構連線在一起並非易事。例如,許多神經元將無法到達它們的目標——它們的軸突可能會走錯方向或過早終止。這些未能建立適當連線的迷路者將會死亡。死亡在這裡充當了一種內建的糾錯機制。”
“更普遍地說,構建像人類這樣複雜的生物體就像創作一個精美的雕塑。細胞分裂形成粘土,而細胞死亡將粘土雕刻成所需的形狀。考慮一下人手,它最初是槳狀結構。手指在槳中發育,但隨後手指之間組織中的細胞必須死亡,才能形成合適的手。”
“細胞死亡最令人著迷的原因之一是清除危險細胞,即那些可能對生物體其他部分有害的細胞。人們可能會說,細胞為了更大的利益而自殺。它們可能是會變成癌細胞的突變體——因此細胞凋亡在癌症的形成(或不形成)中非常重要。此外,免疫系統的細胞之間會發生陽性和陰性選擇。識別‘自身’的細胞(即那些會攻擊生物體自身細胞的細胞)在此過程中被指示死亡。最後,被病毒感染的細胞有時可以識別感染並在病毒有時間複製和傳播到其他細胞之前殺死自己。”
“程式性細胞死亡,就生物體有意誘導的自殺意義而言,肯定發生在多細胞植物和真菌中;它是否透過與後生動物(多細胞動物)中發現的相同分子機制發生仍有待確定。細胞死亡在植物中很常見,尤其是在高等植物中。樹木中的木質部透過它將水輸送到葉子,它由死細胞留下的空間組成。當落葉樹在秋天落葉時,細胞死亡非常明顯。(順便說一句,這就是‘細胞凋亡’這個名字的由來:它是希臘語,意思是樹葉從樹上掉落,以及禿頂男人掉頭髮——順便說一句,人們也認為這與細胞凋亡有關!)植物細胞不能移動,因此植物使用燒燬技術來應對感染:受感染區域的所有細胞都可能殺死自己以阻止疾病的蔓延。”
“單細胞生物中是否存在程式性細胞死亡?答案陷入了細胞選擇死亡和被迫死亡之間的語義問題。但在單細胞生物中發現了一些形式的程式性死亡,包括細菌。母細胞在孢子形成過程中的死亡,即孢子的產生過程,可以被認為是一種程式性細胞死亡。某些寄生蟲,如錐蟲(引起瘧疾),會改變形態以逃避宿主的免疫反應;未能進行改變的落後者將以一種細胞利他主義的方式死去。”
“另一個平行的例子發生在粘菌中,如盤基網柄菌,一種介於單細胞和多細胞生物之間的物種。這些動物一生中的大部分時間都以單細胞變形蟲的形式度過。但是,當飢餓時,細胞聚集並融合成一個單一的‘蛞蝓’,它遷移並最終形成一個真菌狀結構,由一個莖組成,頂部是一個孢子球。孢子分散開來尋找更適宜的環境。莖細胞不繁殖,所以在某種意義上它們犧牲了自己。在大多數單細胞生物(尤其是細菌)中,尚不清楚細胞死亡是否遵循與高等生物中發生的細胞凋亡相同的模式或生物分子機制。”
“一種非常不尋常的細胞死亡形式發生在被某些質粒病毒感染的細胞中,這些病毒指示宿主細胞產生兩種化學物質:一種長效毒素和一種不穩定的解毒劑。在複製過程中,約 1% 的細胞會丟失 DNA 中的寄生質粒;子細胞仍然含有毒素,但無法再製造解毒劑,因此它們會死亡。這是一個罕見的細胞謀殺而非自殺的例子。”