"мученице науки" - шпорцевой лягушке (ксенопус).
advertisement
Кандидат биологических наук Е.В.Киселева, К.Н.Семакова, Институт цитологии и генетики СО РАН, лаборатория морфологии и функции клеточных структур 50-JOQ hnri 30D-450 МКМ 450-КЮ МКМ 6СО ILC0 чкм внеклеточного ервые животные, способные жить не только в воде, но и на суше, —амфибии — появились410 млн. лет назад. К классу амфибий относят­ ся л я г у ш к и , жабы (бесхвостые амфи­ бии), тритоны и саламандры (хвоста­ тые), а также червяги — тропические земноводные, действительно похожие на червей (они так и называются — б е з ­ ногие). «Химия и жизнь» недавно пи­ сала о том, какой вклад в эксперимен­ тальную биологию внесли обыкновен­ ные е в р о п е й с к и е л я г у ш к и . Еще одна мученица науки, родом из Африки, — ш п о р ц е в а я л я г у ш к а , или к с е н о п у с (Xenopus laevis). Не меньше, чем физиология лягуш­ ке, биология развития обязана ксенопусу. Этих животных нетрудно содер­ жать в лабораторных условиях, и они могут производить огромное количе­ ство яйцеклеток вне з а в и с и м о с т и от времени года — д л я этого им делают инъекции гонадотропных гормонов. Зрелые яйцеклетки амфибий (по-гре­ чески ооциты, а по-простому икринки) настолько велики, что их ядра легко выделять вручную (рис. 1). Диаметр яйцеклетки у амфибий обыч­ но составляет 1 - 1 , 5 мм, диаметр ядра около 400 мкм (для сравнения, зрелый ооцит мыши имеет всего 70 мкм в диа­ метре). Крупные размеры обусловлены, в частности, большим количеством пи­ тательных веществ в цитоплазме, кото­ рые необходимы для развития эмбрио­ на—будущего головастика. Если посмотреть на яйцеклетку в элек­ тронный микроскоп, можно увидеть за­ мечательную картину ее внутреннего строения (рис. 2). Сегодня нас в первую очередь интересует оболочка ядра. В ядре, как известно, происходят важнейшие события жизни клетки — ко­ пирование (репликация) ДНК и синтез РНК. По другую сторону ядерной оболочки, в цитоплазме, на матрице РНК рибосомы синтезируют белки. Таким образом, ядерная оболочка как бы разграничиваетдве «технологические oneрации». Но она должна не только раз- 14 1Ю0 1103 мим 1: 0L- 1300 И№ 1 Вот так выглядят икринки - яйцеклетки лягушки при небольшом увеличении, например под лупой (рис.1). В процессе оогенеза объем яйцеклетки увеличивается в сотни раз 2 Ооцит амфибий с прилежащими фолликулярными клетками (ф.к). Слева, на большом увеличении —ультраструктура ооцита, на которой ЭПР эндоплазматический ретикулум, аГ - аппарат Гольджи, м митохондрии, л - липидные капли, кг — кортикальные гранулы 3 Схема обобщенной эукариотической клетки. Mi н : | 'лн'нгн Семь ее основных компартментов - ядро, митохондрии, гладкий эндоплазматический I W * ^ ( F C « I ^ ретикулум (ЭПР), шероховатый ЭПР, пероксисомы, хлоропласты (естественно, i l ^ ^ w t i только в растительных клетках), лизосомы и аппарат Гольджи делять, но и соединять —ведь матрич­ ным РНК, на которых синтезируются белки, надо как-то попасть в цитоплаз­ му из ядра, а для нормальной ж и з н е ­ деятельности ядра необходимо множе­ ство белков, которые могут прийти только из цитоплазмы. Поэтому в обо­ лочке ядра имеются поры. Однако «встречные перевозки» нельзя организовать за счет простой диффу­ з и и . Ключевую роль в обеспечении транспорта молекул между ядром и ци­ топлазмой играют ядерные поровые комплексы — сложные молекулярные машины, каждая из которых имеет бо­ лее 30 индивидуальных компонентов. Ядерный поровый комплекс состоит из центральной части —транспортера, через который и проходят молекулы, а также периферических частей. В сто­ рону цитоплазмы от поры отходят фиб­ риллы. Если же «смотреть» из ядра, периферический отдел образует так называемую бас кет-структуру (от английского basket — к о р з и н а ) (рис. 4). Эндоплазматический ретикулум ЭПР (взглянем еще раз на рис. 2) со- U.lL.M^U — Hnto^-iu стоит из трубочек, пузырьков и плоских цистерн, пронизывающих все внутрикле­ точное пространство —его мембраны в типичном случае составляют более по­ ловины общего количества клеточных мембран. Мембраны так называемого шероховатого ЭПР покрыты рибосома­ ми, которые обеспечивают синтез раз­ личных белков; в гладком ЭПР синтези­ руются липиды. Предполагается, что именно ЭПР выполняет центральную роль в биосинтезе мембран, необходи­ мых для формирования новых клеточных органелл. (Другие важнейшие функции ЭПР —регуляция синтеза секреторных белков и внутриклеточный транспорт ионов Са 2+ , но это отдельная история.) Фибррптрнра 1Ч--К Цлгоппзз PJHLT'I:HH, Ц£НгральЧэ*Р ■rirj.Bn 4 Ядерный поровый комплекс 7 Окончатые мембраны поставляют материал для ядерной оболочки, причем cливаются с ней через пузырьки ЭПР (гладкие серые круги)... Ядерная оболочка и ядерные поровые комплексы: а - срез через ядро, б - по касательной к ядру; ядерные поры - небольшие колечки, выстроенные в линии; в - ядерная оболочка на большом увеличении, пунктиром обозначены баскетструктуры; г, д - слияние пузырьков ЭПР с ядерной оболочкой (головками стрелок обозначены участки формирования новых ядерных паровых комплексов в месте слияния). Оконченные мембраны в цитоплазме растущих ооцитов амфибий: а, б уложенные стопками окончатые мембраны (пороподобные комплексы обозначены стрелками); в - одиночные окончатые мембраны на поперечном срезе; г - пороподобные комплексы окончатых мембран на большом увеличении; д, е - формирование окончатых мембран из пузырьков ЭПР Клетки в организме постоянно обновляются за счет деления. При этом хро­ мосомы удваиваются, а затем все ком­ поненты клетки делятся поровну между дочерними клетками. Для того чтобы хромосомы разделились точно, необходимо полноценное участие многих регуляторных факторов. Поэтому во время деле­ ния изоляция внутриядерного простран­ ства от цитоплазмы прекращена: ядер­ ная оболочка разбирается, а затем собирается вновь. Оболочка ядра не «растворяется» в цитоплазме, а аккуратно «де­ монтируется»: мембрана ядерной оболочки превращается в компоненты эндоплазматического ретикулума, а поры стано­ вятся отдельными белковыми компонен­ тами, которые уходят в глубь клетки. Ядерная оболочка тесно связана с ЭПР, практически продолжается в его мембраны. Естественно возникает вопрос: каково участие ЭПР в формировании новых ядерных оболочек после деления? Когда клетка усиленно делится или быстро растет, времени на то, чтобы синтезировать и доставить все необ­ ходимые компоненты для синтеза но­ вых ядерных оболочек в дочерних клетках, очевидно, не хватает. К примеру, у плодовой мушки дрозофилы в одной клетке эмбриона должны сформиро­ ваться оболочки для 6000 ядер. А в ооцитах амфибий ядро увеличивается в процессе оогенеза в сотни раз. Ясно, что и тут необходим запас мембран и поровых комплексов в цитоплазме для достройки ядерной оболочки. Исследования срезов клеток, прове­ денные с использованием электронно- 8 ...или напрямую ФОТОИНФОРМАЦИЯ го микроскопа, показали, что у актив­ но растущих клеток (рассматривались яйцеклетки, опухолевые и эмбриональные клетки) в цитоплазме присутствуют необычные структуры — окончатые мембраны. Они представляют собой часть ЭПР и состоят из гладких цис­ терн и пороподобных комплексов, морфологически и биохимически сходных с ядерными поровыми комплексами. Однако вопрос о том, какую роль вы­ полняют эти структуры в быстро деля­ щихся или растущих клетках, до сих пор оставался загадкой. Используя элект­ ронно-микроскопические методы, мы выяснили, как же это происходит на самом деле. Окончатые мембраны в ооцитах иногда можно наблюдать вблизи ядерной оболочки. Более пристальное исследование показало, что они могут не только кон­ тактировать с наружной мембраной ядерной оболочки, но и сливаться с ней. Следовательно, именно окончатые мембраны, возникая в активно растущих клетках и участвуя в экстренной достройке ядерной оболочки, играют роль «депо» необходимых белков строительных кирпичиков для ядерных пор. Кстати, при сбое в работе клетки (например, при опухолевых перерождениях) нарушается и механизм фор­ мирования ядерной оболочки, и также появляются окончатые мембраны. Таким образом, становится понятным, откуда же берутся новые поровые комп­ лексы для достройки ядерной оболочки. Входе эволюции были отработаны и запланированы все механизмы, предусмотрены все возможности для выживания клетки в самых экстремальных условиях. Только когда мы разберемся во всех тонких деталях этих удивительных механизмов, мы сможем самостоятельно регулировать жизнедеятельность клетки. 15
