"мученице науки" - шпорцевой лягушке (ксенопус).

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