Клетка единая, но делимая (стр. 1 из 2)

Ю.М. ВАСИЛЬЕВ, д.м.н., профессор, член-корреспондент РАН, Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

Общеизвестно, что каждая клетка содержит сложный набор структур, например покрытые мембранами «пузырьковые» органеллы (митохондрии, цистерны эндоплазматического ретикулума, лизосомы, жировые гранулы, секреторные гранулы, пигментные гранулы у специализированных пигментных клеток и т.д.), рибосомы, центросомы и, наконец, ядро. Ни одна из этих структур не располагается в клетке где попало. Напротив, все время поддерживается правильное взаимное расположение этих структур. Особенно легко наблюдать за таким взаимным расположением структур в культуре клеток, где каждая тканевая клетка, например фибробласт или эпителиоцит, приобретает форму уплощенной пластинки, прикрепленной к плоскому прозрачному дну, – так называемой подложке (стеклу или пластику). Поэтому за живыми клетками и их крупными органеллами в такой культуре легко наблюдать при помощи микроскопа, соединенного с видеокамерой. У таких культуральных клеток ядро обычно располагается приблизительно в центре, а рядом с ним образуется зона так называемой эндоплазмы, где скапливается большинство пузырьковых органелл. Здесь же чаще всего располагаются центросомы, от которых радиально расходятся к наружным краям клетки микротрубочки (рис. 1).

Рис. 1. Схема опыта с микрохирургическим выделением безъядерного фрагмента цитоплазмы из целой клетки. В таком фрагменте восстанавливаются радиальная система микротрубочек и центральное расположение органелл

Кнаружи от эндоплазмы располагается тонкая пластинка цитоплазмы (ламелла), где пузырьковые органеллы встречаются редко. Основные компоненты ламеллы – это видимые лишь при специальных окрасках элементы цитоскелета: упомянутые уже микротрубочки и располагающийся под мембраной кортикальный слой микрофиламентов.

Вблизи наружных краев ламеллы на нижней поверхности клетки располагаются фокальные адгезии – сложные, построенные из нескольких белков бляшки, прикрепляющие клетку к поверхности подложки. У движущихся клеток при видеосъемке на некоторых участках края ламеллы непрерывно образуются выросты – псевдоподии, прикрепляющиеся к подложке и сокращающиеся, При помощи таких псевдоподий клетки ползают по подложке.

Клеточные фрагменты самоорганизуются в мини-клетки

Упорядоченное взаимное расположение клеточных структур создается и поддерживается самой живой цитоплазмой, способностью этой цитоплазмы к самоорганизации. Действительно, даже малые фрагменты цитоплазмы, отделенные от остальной клетки, способны восстанавливать подобное взаимное расположение сохранившихся структур (рис. 1).

Отрежем от периферии культуральной клетки под микроскопом микроножом небольшой кусочек цитоплазмы, составляющий лишь 3–5% клеточной массы. Через короткое время такой безъядерный фрагмент самоорганизуется: в центральной его части скапливаются пузырьковые органеллы, образуя эндоплазму, а на периферии формируются тонкие ламеллы, прикрепленные по краям к подложке фокальными адгезиями. По краю ламеллы часто возникают псевдоподии, и при их помощи фрагмент может ползать по подложке. Старый центр организации микротрубочек – центросома – обычно не попадает во фрагмент, и сохранившиеся в нем периферические куски микротрубочек расположены вначале почти параллельно друг другу, однако вскоре эти микротрубочки реорганизуются в единую радиальную систему, у них возникает подобие центра, из которого микротрубочки расходятся во все стороны к краям фрагмента. Разумеется, такие фрагменты, в отличие от целых клеток, погибают обычно через 1–2 суток: ведь у них нет ядра и потому невозможен синтез новых информационных РНК, следовательно, быстро тормозится синтез белков, необходимых для роста и просто замещения разрушающихся со временем белковых молекул. Тем не менее способность фрагментов к самоорганизации в мини-клетки и движениям в течение отведенного им короткого срока жизни замечательна.

Многоядерные клетки-гиганты тоже самоорганизуются

Фантазия Дж.Свифта создала лилипутов – людей, нормально организованных, несмотря на миниатюрные размеры. Ясно, что затем почти неизбежно должен был появиться рассказ о великанах, нормально организованных, несмотря на резко увеличенные размеры. Сходным образом логика требует, чтобы за рассказом о самоорганизации клеточных фрагментов следовал рассказ о противоположных системах – гигантских клетках, размеры которых резко превышают нормальные.

Рис. 2. Схема опыта со слиянием нескольких одноядерных клеток. В образовавшейся многоядерной клетке ядра и органеллы собираются в единой центральной части, а несколько систем микротрубочек реорганизуются в единую радиальную систему

Действительно, такие клетки существуют и самоорганизуются. Многоядерные гиганты в культуре можно получить двумя способами. Первый способ – слить несколько обычных одноядерных клеток в одну (рис. 2), применив специальные агенты, например полиэтиленгликоль или белки некоторых вирусов. Эти агенты способны превратить две контактирующие друг с другом мембраны соседних клеток в одну. В результате таких повторных слияний получается большая многоядерная клетка. Механизмы подобного слияния мембран довольно сложны, и мы их рассматривать не будем. Второй способ получения гигантов – блокада цитокинеза, последней стадии клеточного деления: разделения цитоплазмы двух дочерних клеток после расхождения хромосом. Как известно, цитокинез – результат образования под мембраной клетки между двумя дочерними ядрами сократимого кольца из актиновых микрофиламентов и миозиновых молекул, такое кольцо постепенно сжимается, разделяя две клетки. Функцию сократимого кольца и разделение клеток можно блокировать цитохалазином – веществом, специфически нарушающим формирование микрофиламентов. Цитохалазин нарушает только цитокинез, но не предшествующие стадии деления, поэтому в среде с цитохалазином клетка становится двуядерной. Если блокирование цитохалазином повторять в нескольких циклах деления, то можно получить клетки с 4, 8 и большим числом ядер.

Гигантские клетки, полученные обоими способами, могут жить в культуре долго – многие дни и недели. Для нас важно то, что уже вскоре после образования клетки реорганизуются в единую структуру. Чаще всего такие клетки имеют дисковидную форму, но иногда могут вытягиваться и двигаться. Их ядра обычно собираются в единую группу, занимающую центр клетки, а вокруг них скапливаются везикулярные органеллы, образующие эндоплазму. Вокруг эндоплазмы располагается тонкая ламелла. Как и в одноядерных клетках, на краю гигантов постоянно образуются и сокращаются псевдоподии, а на нижней поверхности ламеллы вблизи края формируются фокальные адгезии, прикрепляющие клетку к дну культуры.

Таким образом, в двух различных системах, в небольших фрагментах, отделенных от клетки, и в многоядерных гигантах, полученных слиянием нескольких клеток или блокадой их деления, цитоплазма способна самоорганизовываться в структуру, принципиально сходную со структурой нормальной клетки.

Механизмы самоорганизации цитоплазмы связаны с цитоскелетом

Каковы механизмы удивительной способности клеточной цитоплазмы к самоорганизации? Точно ответить на этот вопрос мы пока не можем, но некоторые соображения могут быть высказаны. Самоорганизация происходит даже в безъядерных клеточных фрагментах, следовательно, ядро для нее не нужно. Как мы видели, важнейшей частью самоорганизации являются перемещения цитоплазматических органелл, образующих эндоплазму в центральной части фрагмента или гиганта, туда же в гигантских клетках перемещаются и ядра. Естественно предположить, что за эти движения ответственны те же структуры, что и за все другие движения в клетке: фибриллы цитоскелета с прикрепленными к ним и органеллам моторными молекулами.

Один из конкретных механизмов такого рода связан с микротрубочками. Напомню еще раз, что в целой клетке микротрубочки растут радиально из центросомы, расположенной около ядра, при этом каждая микротрубочка имеет два конца: центральный минус-конец и периферический плюс-конец. Хотя в отрезанном фрагменте центра нет, микротрубочки в нем перераспределяются, образуя радиальную систему с плюс-концами в центре фрагмента и минус-концами на периферии (см. рис. 1). Механизм этого перераспределения был недавно проанализирован Родионовым и Бориси. Эти исследователи приготовили фрагменты из пигментных клеток (меланоцитов) кожи черных аквариумных рыбок. Дело в том, что эти клетки содержат в цитоплазме множество черных пигментных гранул, за движениями которых легко наблюдать в культуре. Во фрагментах цитоплазмы таких клеток пигментные гранулы при самоорганизации скапливались в центре, а микротрубочки расходились радиально из центра на периферию. В нормальной клетке различные органеллы, в том числе пигментные гранулы, двигаются при помощи специальных связанных с микротрубочками моторных молекул, динеинов и кинезинов. При этом динеины двигают органеллы к минус-концу микротрубочки, а кинезины – к плюс-концу. Оказалось, что, применив специальный ингибитор, угнетающий действие динеина, можно подавить самоорганизацию микротрубочек и гранул во фрагменте. Ингибиторы кинезинов оказались неэффективными. Таким образом, перемещение гранул и минус-концов микротрубочек в центр фрагмента оказалось результатом их перемещений, осуществляемых при помощи динеина (рис. 3). Эта работа Родионова и Бориси доказала реальное существование по крайней мере одного зависимого от цитоскелета механизма самоорганизации. Однако известно, что элементы самоорганизации во фрагментах могут сохраняться даже после деполимеризации микротрубочек. Поэтому весьма вероятно, что существуют и другие механизмы, зависимые от других цитоскелетных структур – микрофиламентов.