موت الخلايا  cell death

تموت الخلايا عند تعرضها للمواد القاتلة وفشل محاولتها لتجنب تأثيرها، وكذلك تموت الخلايا تحت ظروف اخرى لا علاقة لها بوجود المواد القاتلة مثل الزحام او حدوث ضرر في موادها الوراثية لا يمكن اصلاحه ولا يمكن توريثه الى احياء جديدة. كما ان الخلايا حقيقية النواة تموت بشكل طبيعي بعد عدد محدد من الانقسامات التي تؤدي الى موت الخلايا قسرا او طواعية. وعملية الموت عملية معقدة وتشترك فيها عدة جينات وعوامل ولا يمكن ان تؤدي الى موت كل الخلايا وذلك للحفاظ على النوع.

موت الخلايا بدائية النواة:

 في أغلب الأحيان يكون موت الخلايا بدائية النواة والمتمثلة بالبكتريا عملية مرتبة ومبرمجة ضمن ظاهرة موت الخلايا المبرمج Programmed cell death والذي يشابه ظاهرة الاستماتة Apoptosis في الخلايا حقيقية النواة، ويلعب الموت المبرمج دورا مهما على مستوى حياة الخلية الواحدة وعلى مستوى حياة المجموع ومنها :

•        تحلل الخلية الام بعد عملية التبوغ.

•        تحلل الخلايا الخضرية عند تكوين الأجسام الثمرية   في Myxobacteria اطلاق DNA في المكورات المسبحية التي تتحلل ذاتيا وتستعمل موادها الوراثية للتحول في بيئتها الطبيعية.

•        تخليص المجتمعات من الخلايا المصابة وخاصة عند الاصابة بالعاثيات للحد من انتشار الاصابة.

•        امكانية توفير المواد الغذائية للخلايا من موت خلايا اخرى عند حصول المجاعات.

ومن الملاحظ ان الموت المبرمج للخلايا البكتيرية ترافقه عملية التحلل الذاتي والتي تعني الهضم الذاتي للجدران الخلوية بواسطة Peptidoglycan hydrolases والتي يسمى بعضها المحللات الذاتية Autolysins ، ومن المعروف ان عمليات تفكيك الببتيدوكلايكان تكون ضرورية اثناء بناء الجدران الخلوية وبذلك تكون بعض المحللات الذاتية وفعالياتها هي جزء من فعاليات النمو الطبيعي. ومن الجدير بالذكر ان هناك انواعا من الموت تحصل للخلايا ولكن ليس بالضرورة ان تكون مرتبطة بالتحلل الذاتي.

ومن المعروف  فان الخلايا البكتيرية في الطبيعة تعيش وتموت في مجتمعات معقدة ولذلك فهي تشابه الاحياء متعددة الخلايا وضمن هذه المجتمعات تتغير فعالياتها الحيوية مثل الاستجابة لافراز الفرمونات عند الزحام للتحفيز عن التعبير عن جينات ملائمة للحماية، او عند وجود مركبات الاوكسجين الفعالة (ROS) Reactive oxygen species التي تحث تجمع خلايا E. coli وهذا التصرف يؤدي الى حماية الخلايا، اضافة الى ان البكتريا توجد ضمن نظام محاك بدقة وهي الأغشية الحيوية، كل هذه الاوضاع يمكن ان تجعل الموت المبرمج للخلايا هو فائدة للمجتمع الذي توجد فيه. فمثلا عند تعرض الخلايا لعوامل تدمير مثل المواد السامة، فان الخلايا ستعطي موادها الغذائية للخلايا المجاورة بدلا من سحب الاغذية من الخلايا الاخرى في محاولات لا جدوى منها في اصلاح نفسها اضافة الى ان الموت المبرمج للخلايا ذات DNA المتضرر سيؤدي الى خفض الطفرات الى معدلات واطئة.

ولكن وأمام هذه الفوائد للموت المبرمج فان المجموع لابد انه يحافظ على جزء صغير من الخلايا لغرض استمرار النوع. فمثلا عند انتشار مادة قاتلة للخلايا مثل المضادات الحيوية او غيرها فهي يمكن ان تقضي على كل الخلايا ان كان تركيزها عاليا، ولكن هذا غير ما يمثله الواقع اذ تظهر هناك خلايا مثابرة وهذه ليست طفرات وذلك :

1-      انها تكون حساسة للمادة القاتلة للخلايا الطبيعية.

2-      الخلايا الناتجة منها تكون حساسة مثل الخلايا الطبيعية.

ولكن هذه الخلايا المثابرة يكون الموت المبرمج قد تعطل فيها وهي المسئولة عن بقاء النوع البكتيري، وتعد المثابرات ذات أهمية خاصة لصفة البقاء غير الطبيعية في الأغشية الحيوية، ويكون معدل ظهور المثابرات في بكتريا العنقوديات ^6-10 عند حضنها لمدة طويلة مع تراكيز قاتلة من المواد الكيماوية او المضادات الحيوية. لذلك فان وجود المثابرات تعني الاختيار بالنسبة للخلايا اما الموت او الحياة بالنسبة للمجموع البكتيري، وذلك لان معظم الخلايا تموت. وظاهرة وجود الخلايا المثابرة توجد في العديد من الانواع البكتيرية خاصة التي تتعرض الى عوامل قاتلة.

وفي الخلايا يتم تنظيم مسالة بقاء جزء من المجتمع حيا، اي عملية ظهور الخلايا المثابرة وراثيا وفي E. coli توجد جينات تؤثر في نشؤ الخلايا المثابرة وهي (High persistence) hip والتغيير في هذا الموضع يمكن ان يؤدي الى معدل بقاء 1000 مرة مقارنة بالنمط الطبيعي ضد مجاعة الثايمين، وتكون مقاومة لعدد من المضادات التي تستهدف بقاء DNA ومكائنه مثل DNA gyrase , و DNA topoisomerase وكذلك تحمي الخلايا التي حصلت فيها طفرات في أنظمة انتاج بروتينات الصدمة الحرارية Hsps من القتل بدرجات حرارية عالية.

ان الطفرات التي تحصل في المواقع  hip يمكن ان تزيد من اعداد المثابرات 100 % في حالة مقاومة الحرارة وهذا يشير الى ان هذه الخلايا هي ليست خلايا سابتة ولا تمثل مرحلة ركود للخلايا اثناء دورة الخلية. ان معدل وجد الخلايا المثابرة يعتمد على وجود مستوى معين لعدد من الجزيئات المنظمة، وتشترك ظاهرة الموت المبرمج مع مسارات خلوية اخرى مثل مسارات اصلاح DNA وكذلك مسارات تخليق بروتينات الصدمة الحرارية التي يمكن ان تغلق مسار الموت المبرمج. ومن الجدير بالذكر ان الجينات المسئولة عن الموت المبرمج تجمع عادة في اوبرون واحد يشكل برنامجا ملائما لتحديد مصير الخلية. فمثلا في البكتريا St. pneumonia فان الجين المسئول عن تحلل الخلايا lytA يقع في الاوبرون الذي يضم recA المسئول عن عملية التأشب المتجانس مع DNA القادم الى الخلايا lytA و recA يتم حثهم بتحسس الزحام الذي يؤدي الى تجمع الفرمونات البيبتيدتية عند ارتفاع كثافة الخلايا.

ان المجموع البكتيري يعاني من موت اعداد كبيرة ليس فقط عند التعرض لظروف خارجية، ولكن يمكن ان يستحث الموت المبرمج عند وصول المزروع الى طور الاستقرار ودخول طور الموت، وفي E. coli  يبقى حوالي 1% من الخلايا حيا ويمكن ان تبقى لعدة ايام، والخلايا في هذه المرحلة يحصل لها تحول كامل وتظهر فيها طفرات سريعة النمو في الايام 4-5 ايام بعد الدخول الى طور الاستقرار واستمرار حضنها يؤدي الى تجمع الطفرات فيها وتسمى هذه الطفرات مغتنمة الفرص (GASP) Growth advantage stationary phase mutants، اذ تحصل طفرات ترافقها تغيرات كبيرة مثل نقصان فعالية وكمية الكاتيليز الذي استحث في طور الاستقرار، وغياب الانزيم يؤدي الى ظهور Mutators  مما يؤدي الى زيادة الطفرات الاضافية وطغيان هذه الطفرات سريعة النمو يؤدي الى موت المجموع وهي طفرات أنانية Egoists وهي من المخاطر على المجموع البكتيري الذي يعاني افراده من الموت المبرمج تحت الظروف القاسية وكي يتغلب المجموع البكتيري على مثل هذه الطفرات الأنانية يجري عمليات الإصلاح ويقلل من معدل حدوثها، اضافة الى ان مثل هذه الطفرات السريعة النمو والتي يمكن ان تتغلب وتطغى سوف تكون حاوية على مسارات موت نشطة ولذلك تكون معرضة للقتل. والحقيقة ان هذه الطفرات هي التي تشكل الخطر على المجتمع البكتيري وليس الجوع والتنافس، ان المجاميع البكتيرية تتصرف بشكل جماعي للتخلص من الخلايا الطافرة ويلغي نشوئها في المجموع البكتيري، او يؤخره على الاقل. والحصيلة ان الخلايا في طور الاستقرار تصبح محتملة للعديد من العوامل القاتلة من المضادات الحيوية وغيرها من المواد والذي يمكن ان يحاكي وضعها في البيئة عند وجودها مع أحياء منتجة للمضادات الحيوية او غيرها من المواد.

وتقوم المجتمعات البكتيرية بعمليات تنظيم اخرى معتمدة على تعداد الخلايا في الوحدة الحجمية، فعندما يصبح تعداد الخلايا عاليا بحيث يشكل خطرا على المجموع وربما غزوها من قبل الطفرات الأنانية المذكورة اعلاه فانها تفعل آلية تحسس الزحام لتؤدي الى تحلل الخلايا وهذه الآلية تمنع عملية الانتحار (Suicide) في الخلايا، فمثلا عند وصول تعداد الخلايا الى 810 يحصل فيها اختزال عددي بالتحليل الذاتي ولكن بمعدل طفرات واطئ جدا ^7-10 / خلية / جيل وذلك بتنشيط Proofreading DNA repair وهذا يعني ان المجموع البكتيري يدخل طور الاستقرار وهو يكاد يخلو من الطفرات مغتنمة الفرص، كما ان عملية التحلل الكبير يساعد في تبادل DNA الذي يكون بمثابة وظيفة ثانوية لعملية التحلل الذاتي ويؤدي الى بناء حاجز امام حدوث عمليات الانتحار.

الجينات القاتلة الخاصة

وتشارك بعض الجينات في موت الخلايا نتيجة لوجود بعض البلازميدات التي تحمل جينات خاصة لانتاج السموم واخرى مضادة للسم وذلك كآلية للحفاظ على البلازميد واهم الامثلة عليها وجود البلازميد F في E. coli .فالبلازميد يحوي على جين ccd B الذي يؤدي الى موت الخلايا بتأثيره على الانزيم DNA gyrase اما الجين ccdA الواقع في الاوبرون نفسه فهو يشفر لمضاد السم. والبروتين ccdA يتحلل بالبروتيز lon ولذلك فالخلايا البنوية اذا لم تستلم نسخة متكاملة من البلازميد فان الخلايا ستقتل بتأثير السم ccdB . وتوجد جينات مشابه على كروموسوم الخلية. كما ان بعض العاثيات الاولية يمكن ان تقود الخلايا الى الانتحار، اذ ان العاثي الاولي الموجود في الكروموسوم يمكن ان يعبر عن الجينات السامة لقتل الخلايا عند دخول عاثي اخر الى الخلية، اي انها تمثل عملية تنافس للجزيئات DNA التطفل مستخدمين الخلية المضيفة ساحة للتنافس.

اما الموت المبرمج في الاركيا فلا يعرف عنه الا القليل، وتشير الدراسات الى وجود أنواع من الجينات الخاصة Toxin – antitoxin العاملة في مسار الانتحار.

موت الخلايا حقيقية النواة

تموت الخلايا حقيقية النواة في الاحياء الراقية مثل الحيوانات او الاحياء المجهرية حقيقية النواة وذلك لأغراض منها :

•        التخلص من الخلايا في اثناء عمليات التطور.

•        التخلص من الخلايا المعطوبة.

ويحصل موت الخلايا ضمن ظاهرة الاستماتة، ومن العوامل المؤدية للاستماتة

•        تحول الخلايا السرطاني.

•        الاصابات الميكروبية.

•        وجود العوامل المميتة مثل الحرارة، المطفرات، المؤكسدات، السموم الكيماوية وغيرها.

وحدوث ضرر للخلايا يتم التحسس به بواسطة مستلمات تؤدي الى تنشيط مسارات نقل اشارات الاستماتة التي تلتقي عند Caspase proteases.

والاستماتة هي موت الخلية المبرمج اذ تقوم الخلايا بتدمير نفسها وهي غير عملية النخر Necrosis التي تتضمن قتل الخلايا من الخارج بفعل المواد الكيماوية او السموم وتؤدي الى انفجار الخلايا مطلقة مكوناتها الى الخارج. اما الخلايا المستميتة فتنكمش ويتم ابتلاعها من قبل الخلايا الابتلاعية Phagocytes، وعند ترحيل موادها النووية على الهلام يظهر سلم الأجسام النووية Nucleosomal ladder نظراً لتحطم DNA الى قطع صغيرة.

تنظم الاستماتة بإشارات وجينات معينة والطفرات في هذه الجينات تكون مهمة في اظهار الامراض، وفي الخلايا الحيوانية يعمل الجين bcl – 2 في غلق مسار الاستماتة، ولذلك فان بعض الخلايا السرطانية تنتج كميات كبيرة منه وتصبح مقاومة لإشارات الجسم التي تحفز موت الخلايا. اما الجين box فهو يعد من محفزات الاستماتة الفعالة، ولذلك يعد جين مثبطا للأورام وعند حصول طفرات فيه ينمو الورم لان مسار الاستماتة يكون قد توقف ، واحد اساليب معالجة السرطانات هو جعل الخلايا قادرة على تدمير نفسها مرة ثانية.

الموت المبرمج في الخمائر : هنالك تشابه في الموت المبرمج في خلايا الاحياء المجهرية حقيقية النواة وحيدات الخلايا وحالة الاستماتة في الاحياء متعددة الخلايا. تموت خميرة S. cerevisiae عند تعرضها لجرع مميتة من بيروكسيد الهيدروجين بشكل مشابه للخلايا في الاحياء متعددة الخلايا والتي تشمل :

•        تكاثف الكروماتين عند الأغشية الخلوية.

•        زيادة نضوحيه الأغشية الخلوية.

•        تجزؤ DNA.

وعند معاملة خلايا الخميرة بمركب Cyclohexidine الذي يمنع تخليق البروتينات يؤدي الى حماية الخلايا من تأثير البيروكسيد المميت ويمنع ظهور صفات الاستماتة وهو مشابه لتأثير الكلورومفينكول في البكتريا اذ ان منع تخليق البروتين يؤدي الى حماية الخلايا من تأثير البنسيلين.

ويعتقد انه في خلايا الخميرة تستخدم استماتة التضحية Altruistic apoptosis الذي يؤدي الى التخلص من الخلايا المتضررة والتي استمرارها ستكون في حالة تنافس مع الخلايا السليمة على المواد الغذائية.

وتختلف خلايا الخمائر الحيوانية بعدم احتوائها على بروتينات خاصة بالاستماتة ففي الخلايا الحيوانية توجد بروتينات قبل الاستماتة Proapoptotic proteins مثل Bak , Ced-4 التي تسبب موت الخلايا فانها تؤدي الى ظهور الصفات الشكلية للاستماتة عند التعبير عنها في الخمائر، كما ان موت الخميرة S. cerevisiae ببيروكسيد الهيدروجين يمكن احباطه بالبروتين Bcl – 2 من الإنسان، اذ ان bcl-2 يثبط مركبات الاوكسجين الفعالة ROS والمركبات الاخيرة تعد من المواد الحاثة والمحفزة للمركبات الوسطية التي تعطي الاشارات العاملة في مسار الاستماتة في الأحياء متعددة الخلايا ويمكن ان تلعب دورا مشابها في خلايا الخمائر طورت آليات ايجاد الخلايا المثابرة وكذلك آليات لجعل معدل الطفرات المغتنمة الفرص التي تجعل مجموع خلايا الخميرة تحت الخطر في حدود واطئة جدا.

ومن جهة ثانية فان حدوث الطفرات في الخميرة S. cerevisiae يؤدي الى حدوث ضرر في عملية الفسفرة التأكسدية الخاصة بإنتاج الطاقة في المايتوكوندريا وتكون بمعدل 1% من الخلايا النامية على السكريات، وهذه الطفرات تكون مميتة للخلايا، في حين ان الطفرات في كروموسومات الخلايا يكون مستواها اوطأ وتعد عملية الموت المبرمج للخمائر وسيلة فعالة للتخلص من الخلايا الهرمة، اذ ان الخلايا بعد حصول علمية التبرعم من 24 – 31 مرة تصبح غير قادرة على التكاثر وهو ما يعرف بمحدودية هايفلك Hayflic limit . والجينات المسئولة عن اطلاق مظاهر الشيخوخة قد تؤدي الى زيادة او نقصان الانقسامات، ولكن هذه تعتمد على ان خلايا الخمائر تكون مزودة ببرنامج للموت من خلال وجود ساعة جزيئية حيوية تسيطر على تجمع عوامل الشيخوخة التي تسود في الخلايا القديمة ولذلك تتعرض الخلايا القديمة لعملية الموت المبرمج كي يتم منع ظهور الطفرات الأنانية او مغتنمة الفرص التي تكون خطرة على مجتمع الخلايا. وربما يكون موت الخلايا الهرمة ناتجا من تجمع الاخطاء فيها.

الابتدائيات : وهي الاخرى تسعى للتخلص من الخلايا غير الصالحة فمثلا في Tetrahymena يتم التخلص من الخلايا القديمة بشكل مشابه لعملية الاستماتة في الخلايا الحيوانية، اذ يحدث تكثف وتجزء DNA وقد وجد ان انزيم الكوثرة RNAP يلعب دورا مهما في الموت المبرمج للخلايا.

ومن العودة الى علاقة الاحياء مع بعضها والتي يفترض ان البكتريا هي أجداد للميتوكوندريا الموجودة في حقيقيات النواة ولكن يلاحظ في الوقت الحاضر وجود اختلافات جوهرية بين البكتريا والمايتوكوندريا ربما ناتجة عن طول الاقامة في الخلايا حقيقية النواة والذي نتج عنه الاختلافات في مسارات عديدة ومنها الاستماتة في حقيقية النواة والموت المبرمج في البكتريا. ففي المايتوكوندريا تقوم ROS بتنشيط وفتح قنوات ناضجة في الأغشية وتكون بشكل مؤقت Permeability (PTP) transition pores في الغشاء الداخلي للمايتوكوندريا التي تؤدي الى انتفاخها وانفجارها واطلاق محتوياتها الى السايتوبلازم ومنها الانزيمات الداخلية لها، وبعض الانزيمات المنطلقة تحفز الانزيمات الهاضمة Procaspases والتي تحفز العامل Aif – 1 الذي يذهب مباشرة الى النواة ويحفز عملية تجزئة DNA .اما البروتينات المضادة للاستماتة Anti-apoptotic مثل Bax و Proapoptotic مثل Bcl-2  وهي بروتينات مايتوكوندرية فانها تحور بفعالية PTP وعند انطلاق بروتينات الاستماتة تدمر المايتوكوندريا ومثل هذا غير موجود في البكتريا التي تمتلك عدة قنوات دائمة في اغشيتها والتي تساهم عند حصول تغيير في الضغط التنافذي، اذ تفتح وتخرج المواد الذائبة وتريح الخلايا من الضغط التنافذي.

ولذلك يعتقد ان القنوات الموجودة في أغشية البكتريا لها دور في عملية الموت المبرمج، وعند البحث في مكتبات الجينومات Genome libraries وجد ان العديد من بروتينات الاستماتة في الخلايا حقيقية النواة مشابه لما موجود في بدائية النواة، ولكن دون وجود معلومات وظيفية تجريبية لا يمكن الجزم بمشاركة بروتينات الاستماتة هذه في الموت المبرمج في البكتريا.

ومما تقدم يظهر ان دراسة الموت المبرمج للخلايا تحفز اعادة النظر في العديد من الأمور المتعلقة بحياة البكتريا مثل آلية القتل بالمضادات ومعدل الطفرات والموت والبقاء عند طور الاستقرار وطبيعة الخلايا المثابرة وضرورتها للحفاظ على النوع وكذلك طبيعة الحياة في الأغشية الحيوية.

كما ان معرفة آليات نقل اشارات الموت تكون وسيلة مشجعة لتطوير أدوية تنشط مسارات الموت المبرمج والتخلص من الممرضات بالمضادات الحيوية خاصة في الخلايا بطيئة النمو والخلايا في الأغشية الحيوية التي تجعل الخلايا متحملة وتولد المثابرات وتجعل الاصابات بها لا تستجيب للمعالجة بالمضادات الميكروبية التي هي قيد الاستعمال. وهذه المشاكل تشكل تحديا لعمليات التنقية الحيوية ومحركها الاساسي وهو الهندسة الوراثية في المستقبل.

المصادر

الخفاجي , زهرة محمود (2008) . التقنية الحيوية الميكروبية (توجهات جزيئية ) . معهد الهندسة الوراثية والتقنية الحيوية . جامعة بغداد .