Molekuljarnaja Biologija Kletki v2
.pdf
431
Рис. 13-35. Эта электронная микрофотография показывает, что протеинкиназа, кодируемая онкогеном v-src вируса саркомы Рауса, прикреплена к внутренней поверхности плазматической мембраны; как полагают, белок src, образующийся под действием белка c-src, по-
видимому, находится там же, но его труднее обнаружить, так как он обычно присутствует в очень малых количествах. Локализация белка src была определена на этом препарате по его реакции со специфическими антителами, к которым были присоединены электроноплотные частицы ферритина. {С любезного разрешения Ira Pastan; M. С. Willingham, G. Jay, I. Pastan, Cell 18: 125-134, 1979. Copyright Cell Press.)
торы для EGF и M-CSF (рис. 13-34). Другое небольшое семейство сходных протоонкогенов, гены c-ras, кодирует белки, которые связывают и гидролизуют GTP и, возможно, отдаленно родственны G-белкам, участвующим в передаче многих типов сигналов (разд. 12.3.11). Действие мутантных генов ras, обусловливающих трансформацию клеток, связано с повышенными концентрациями или повышенной эффективностью внутриклеточных медиаторов инозитолтрифосфата и диацилглицерола, и они делают клетку сверхчувствительной к некоторым факторам роста; эти факторы, как полагают, индуцируют выработку упомянутых медиаторов. Гены, гомологичные ras, имеются у почкующихся дрожжей, где они участвуют в регуляции цикла клеточного деления в зависимости от количества питательных веществ в среде.
Нормальный ответ животной клетки на стимуляцию факторами роста включает и многие другие внутриклеточные эффекты, в том числе изменения в рН, в концентрациях Са2+ и циклического AMP, в фосфорилировании белков, в транскрипции генов, в процессинге и распаде мРНК, в белковом синтезе и в цитоскелете. Многие из этих изменений происходят за несколько секунд, для других требуются часы. Большинство белковых продуктов протоонкогенов, участвующих в этой сложной сети управляющих систем, пока еще плохо поддаются классификации. Некоторые из них, например упоминавшиеся выше рецепторы для фактора роста, являются тирозин-специфическими протеин-киназами, связанными с мембраной. Другие, например продукт гена cdc/28 у дрожжей, - это серин/треонин-специфические протеинкиназы, содержащиеся в цитоплазме. Третью категорию составляют белки, находящиеся главным образом в ядре (см, рис. 13-34); один из них, белок c-jun, был идентифицирован как регулятор транскрипции АР-1 (разд. 10.2.8, табл. ЮЛ); он может комбинироваться с другим членом того же семейства - белком c-fos, образуя с ним комплекс, связывающийся с ДНК.
Другой белок ядерной группы, соответствующий протоонкогену с-тус, видимо, может служить показателем того, находится ли клетка в пролиферативном состоянии: в быстро делящихся клетках белок с-тус присутствует в постоянной низкой концентрации на протяжении всего цикла, но как только клетка переходит в состояние покоя G0, он исчезает. Когда в среду с покоящимися клетками добавляют факторы роста, концентрация белка с-тус резко возрастает, достигая пика за несколько часов, а затем падает до более низкого ненулевого уровня. В отличие от с- тус подавляющее большинство других белков в клетке почти не изменяют своей концентрации при переходе из пролиферативного состояния в стадию покоя или обратно.
13.4.6. Влияние онкогенов на регуляцию клеточного деления тесно связано с воздействием на адгезию клеток [32,
33]
Одним из наиболее интенсивно изучаемых протоонкогенов является c-src, соответствующий онкогену v-src вируса саркомы Рауса. Он принадлежит к небольшому семейству гомологичных протоонкогенов и кодирует белок src - тирозин-специфическую протеинкиназу с мол. массой 60000 (поэтому иначе ее называют P60src), которая содержит ковалентно связанную жирную кислоту, прикрепляющую ее к внутренней стороне плазматической мембраны (разд. 8.2.3). В своей онкогенной форме эта киназа сверхактивна, и для того, чтобы она могла вызывать трансформацию клетки, необходимо ее прикрепление к мембране (рис. 13-35). Эксперименты с антителами показывают, что
432
Рис. 13-36. Белок src присутствует во многих участках клетки, но особенно концентрируется, видимо. в фокальных контактах и других местах прикрепления клетки к внеклеточному матриксу. А. Иммуно-флуоресцентная фотография, выявляющая распределение белка src по
связыванию src-специфических антител. Б. Вид той же клетки при использовании метода оптической интерференции, выявляющего места плотного прикрепления клетки к субстрату (темные участки). Распределение светлых пятен белка src на фото А соответствует распределению темных пятен прикрепления на фото Б (указано стрелками). Эти фотографии показывают распределение вирусного белка src в клетке, трансформированной вирусом саркомы Рауса. По-видимому, белок src, синтезируемый в нормальной клетке, распределяется сходным образом, но его труднее выявить,
так как он присутствует в меньших количествах. (L. R. Rohrschneider, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 77: 3514-3518, 1980.)
белок src концентрируется в фокальных контактах, т. е. в местах, где клетка прикреплена к субстрату при помощи соединений с матриксом, в которых участвуют внутриклеточные актиновые филаменты (рис. 13-36). По-видимому, белок src играет роль в прикреплении актина к мембране, поскольку активация термочувствительной разновидности белка v-src (путем понижения температуры) сразу же приводит к увеличению складчатости мембраны (в результате движения ламеллоподий при участии актина; см. разд. 11.2.11), а также к ослаблению клеточной адгезии, включающему разрушение фокальных контактов, так что клетка округляется (см. рис. 13-30). Наблюдаемое изменение адгезии объясняют по меньшей мере двумя независимыми воздействиями белка src. Первое из них состоит в том, что активная киназа v-src фосфорилирует остаток тирозина в находящемся внутри клетки «хвостe» рецептора фибронектина (разд. 11.2.8). Исследования in vitro позволяют предполагать, что это фосфорилирование уменьшает сродство рецептора как к талину (внутри клетки), так и к фибронектину (вне клетки). Кроме того, клетки, трансформированные v-src, выделяют большое количество протеолитического фермента, называемого активатором плазминогена. Это название связано с его способностью активировать другой протеолитический фермент, плазмин, путем расщепления предшественника - плазминогена; однако активатор плазминогена способен и непосредственно разрушать другие белки. Очевидно, и при прямом, и при косвенном воздействии он помогает клетке ослаблять ее прикрепление и мигрировать во внеклеточном матриксе. Когда в культуральную среду добавляют моноклональное антитело к активатору плазминогена, клетки становятся более адгезивными и проявляют тенденцию распластываться на субстрате. Таким образом, чрезмерная активность тирозинкиназы v-srct видимо, ослабляет клеточную адгезию двумя способами: она фосфорилирует рецепторы фибронектина (и другие трансмембранные молекулы из группы интегринов, участвующие в прикреплении клеток к матриксу - см. разд. 14.1.3) и вызывает секрецию протеинкиназы, которая разрушает фибронектин (и другие молекулы матрикса).
Какое отношение могут иметь эти факты к регуляции роста клеток? Если покоящийся фибробласт обработать PDGF, это сразу же вызовет складчатую деформацию и фокальные контакты клеток изменят свою структуру за несколько минут: из этих контактов ненадолго исчезнет винкулин, и прикреплявшиеся здесь пучки актиновых филаментов будут временно разрушены. Таким образом, в стимулируемой к делению покоящейся клетке PDGF вызывает много изменений того же типа, что возникают и под действием v-src. В самом деле, среди немедленных изменений, вызываемых PDGF, отмечается и усиленное фосфорилирование белка c-src, которое, повышая киназную активность src, могло
433
Рис. 13-37. Умозрительная модель, поясняющая, как могли бы происходить быстрые изменения клеточной адгезии при стимуляции клеток к делению фактором PDGF. Связывание PDGF с его рецептором приводит (пока не известным путем) к фосфорилированию белка c-src. В
результате эта протеинкиназа, связанная с плазматической мембраной, активируется и в свою очередь фосфорилирует тирозиновые остатки соседних трансмембранных белков клеточной адгезии, в том числе рецептор фибронектина. Это приводит к тому, что фокальные контакты и другие участки клеточной адгезии частично разрушаются и связанные с ними актиновые филаменты теряют связь с мембраной. Частично эта модель основана на наблюдениях над клетками, трансформированными вирусом саркомы Рауса, которые содержат постоянно активный
модифицированный белок src (v-src). Тирозин-протеинкиназы, кодируемые двумя другими протоонкогенами семейства src - c-abl и c- yes,- могли бы действовать таким же образом, как белок c-src в описанном выше механизме. Однако такими ферментами обычно фосфорилируется
много белков, и не ясно, какие из них играют решающую роль в контроле клеточного деления. Некоторые важные мишени могут быть представлены в клетке одной или несколькими копиями (этого слишком мало для определения их обычными биохимическими методами), и у разных клеток мишени могут быть различными. Кроме того, трудно установить причинные взаимосвязи в сложной сети взаимодействующих компонентов, где многие факторы могут действовать параллельно и один и тот же эффект может достигаться разными способами.
бы прямо объяснить это сходство эффектов (рис. 13-37). С этой точки зрения трансформация клеток онкогеном v-src (и многими другими онкогенами с подобным же действием) - это как бы преувеличенный эффект нормального механизма стимуляции роста, который включает и ослабление клеточной адгезии. Опасность онкогенов для организма заключается в том, что в отличие от PDGF, стимулирующего клетку лишь кратковременно, белки, подобные v-src, стремятся необратимо вывести клетку из состояния G0 и таким образом удерживать ее в пролиферативном состоянии.
13.4.7. Связь между клеточной пролиферацией и клеточной адгезией пока еще непонятна [33]
Наше обсуждение контроля нормальной пролиферации клеток позвоночных приводит к парадоксу. С одной стороны, ясно: чтобы выйти из состояния G0 и начать делиться, нормальные клетки должны формировать адгезивные контакты с субстратом (адгезия между клетками и матриксом). Это наводит на мысль, что трансмембранные белки, связывающие клетки с внеклеточным матриксом (включая рецептор фибронектина и другие белки группы интегринов), создают некий
434
внутриклеточный сигнал, который облегчает деление клеток, находящихся в соответствующем состоянии. С другой же стороны, адгезия сама по себе еще не достаточна для запуска деления - необходимы еще факторы роста. Парадокс здесь в том, что факторы роста, по-видимому, частично действуют так, что временно ослабляют адгезию, от которой зависит пролиферация нормальных клеток (рис. 13-37). Такое действие заставляет вспомнить о втором наблюдении: во многих случаях недолгая обработка остановленных в росте нормальных клеток протеолитическим ферментом (например, трипсином), приводящая к потере прикрепленными клетками контакта с субстратом и к их округлению, дает еще побочный эффект - запуск одного цикла деления. Видимо, пролиферация клеток кратковременно стимулируется как внеклеточными протеазами, непосредственно ослабляющими адгезию между клетками и матриксом в результате переваривания адгезионных внеклеточных белков, так и факторами роста, которые нарушают эту адгезию косвенно, воздействуя на фокальные контакты через внутриклеточные медиаторы.
Исследования на раковых клетках усиливают этот парадокс. Большинство таких клеток, в том числе и трансформированные хорошо изученными онкогенами, представленными на рис. 13-34, отличаются от их нормальных двойников тем, что для деления им не нужно прикрепляться к субстрату. Поскольку такая независимость от прикрепления дает возможность трансформированным клеткам расти в новых условиях, где нормальные контакты клеток между собой и с матриксом установить нельзя (разд. 13.3.6), можно предполагать, что она явилась результатом естественного отбора клеток, формирующих опухоли. Но почему многие раковые клетки не просто делятся независимо от прикрепления, но не прикрепляются прочно к внеклеточному матриксу даже тогда, когда такая возможность существует? Намек на ответ следует из наблюдений над трансформированными клетками, которые искусственно заставляют прикрепиться к культуральной чашке. Как отмечалось выше, фибробласты куриного эмбриона, трансформированные с помощью v-src, выделяют в больших количествах активатор плазминогена, который ослабляет их прикрепление к чашке. Если такие клетки растут в присутствии антитела, блокирующего активность этой протеазы, то они более прочно прикрепляются к чашке и в то же время становятся более подверженными нормальному социальному контролю клеточного деления: вместо образования многослойной структуры они проявляют тенденцию прекращать деление при взаимном контакте. Таким образом, прочное сцепление с внеклеточным матриксом, видимо, тормозит рост этих трансформированных клеток.
Рис. 13-38. Общая природа сигналов социального контроля, воздействующих на нормальные и трансформированные клетки. В обоих случаях различные факторы роста (обозначенные здесь цифрами 1, 2 и 3) действуют совместно, «поднимая» клетку из G0 в пролиферативное состояние. Поскольку трансформированная клетка поддерживается в положении, близком к границе перехода (цветная линия), она может часто стимулироваться к пролиферации только одним фактором роста (или очень низкой концентрацией смеси факторов роста). Однако, как отмечалось в
тексте, есть существенная разница в эффекте прикрепления (обозначенном как А) между этими двумя типами клеток: для пролиферации нормальных клеток прикрепление необходимо, тогда как у трансформированных клеток оно скорее тормозит пролиферацию.
435
Рис. 13-39. Гипотетическая схема, объясняющая наблюдаемую зависимость пролиферации нормальных и трансформированных клеток от адгезии между клетками и матриксом. Главное внимание уделяется двум типам молекул: 1) цитоплазматическому белку, который служит внутриклеточным сигналом к делению, и 2) трансмембранному линкерному белку, который может связываться как с цитоплазматической
сигнальной молекулой по одну сторону клеточной мембраны, так и с внеклеточным матриксом по другую сторону. Это связывание - кооперативный процесс, так что сигнальные молекулы, связавшиеся с линкерным белком внутри клетки, стабилизируют трансмембранную структуру и способствуют ее связыванию с внеклеточным матриксом; и наоборот, связывание с внеклеточным матриксом способствует связыванию сигнальных молекул с линкерным белком внутри клетки. Чтобы клетка получила сигнал к делению, сигнальные молекулы должны быть несвязанными в цитоплазме и находиться в активной конформации, в которой они менее прочно связываются с линкерным белком. Предполагается, что сигнальные молекулы активируются при их фосфорилировании, которое происходит благодаря киназной активности линкерного белка.
Когда прикрепленную клетку стимулируют факторы роста (А), включается киназная активность; сигнальные молекулы фосфорилируются и отсоединяются от линкерных белков, что служит для клетки сигналом к делению и ослаблению адгезии. Нормальные клетки в суспензии (Б) не делятся при воздействии факторов роста потому, что очень мало сигнальных молекул внутри клетки связывается с линкерными белками, которые могли бы их фосфорилировать. Трансформированные клетки (В) отличаются пониженной адгезивностью и могут делиться даже в суспензии, так как в их регуляторной системе имеется «шунт», благодаря которому сигнальные молекулы всегда находятся в фосфорилировашюм
состоянии.
Различные условия, необходимые для роста нормальных и трансформированных клеток, и противоположное влияние на них адгезии к клеточному матриксу (рис. 13-38) могут иметь логическое объяснение. Сложная структура, формирующаяся в фокальном контакте между клеткой и субстратом, в каком-то отношении, вероятно, играет очень важную роль в возникновении внутриклеточных сигналов, регулирующих деление клеток. Наблюдаемые явления можно было бы объяснить, предположив, что для нормального запуска деления необходимы три шага: 1) прикрепление клетки к матриксу при участии упорядоченного комплекса цитоскелетных белков, образующегося внутри клетки (разд. 11.2.8); 2) активация этого комплекса, как правило, одним или несколькими факторами роста для создания сигнала к делению; и 3) частичное
436
разрушение контактов клетки с матриксом, как этап, необходимый для подачи такого сигнала. Для трансформированной клетки первый шаг становится ненужным, и разъединенные внутриклеточные компоненты контактов с матриксом будут необходимы и достаточны для возникновения сигнала к пролиферации. Гипотетическая модель такого механизма регуляции роста представлена на рис. 13-39.
13.4.8. Позиционные сигналы и автономные клеточные программы контролируют деление клеток в растущем организме [20, 34]
Эксперименты, проведенные в упрощенных искусственных условиях клеточной культуры, дают нам многое из того, что мы знаем о молекулярных механизмах, контролирующих рост и деление клеток у многоклеточных животных. Пока эта работа, однако, выявила только некоторые из основных «болтов и гаек» значительно более сложной системы социального контроля, которая должна действовать в интактном организме для регулирования пролиферации каждой группы клеток в соответствии с ее пространственным положением и предшествующим ходом развития.
Обсуждая проблему клеточного старения, мы высказали мысль, что клетками часто управляют долговременные внутриклеточные программы, поэтому текущее пролиферативное поведение клетки зависит от предыстории воздействия определенных факторов за много клеточных поколений до этого (разд. 13.3.10). Хотя взаимоотношения между долговременными и кратковременными механизмами контроля все еще остаются загадкой, по-видимому, в тех и других участвует много одинаковых молекул, в том числе факторов роста и продуктов протоонкогенов. В процессе эмбрионального развития программы деления клеток могут быть удивительно сложными и четкими. Это ярко продемонстрировано, например, на нематоде Caenorhabditis elegans, оплодотворенное яйцо которой делится так, что производит в точности 959 ядер соматических клеток взрослого животного; уже начато изучение некоторых генных продуктов, участвующих в реализации этой программы (разд. 16.3.3).
Однако не следует предполагать, что рост зародыша регулируется простым подсчетом клеточных делений. Это стало ясно, например, при сравнении тритонов разной плоидности. Клетки пентаплоидного тритона примерно в пять раз крупнее клеток гаплоидного, но благодаря тому, что их в каждой ткани в пять раз меньше, чем у гаплоида, размеры
Рис. 13-40. Вверху изображены типичные срезы почечных канальцев аксолотлей разной плоидности. У пентаплоидных аксолотлей клетки крупнее, чем у гаплоидных, однако сами животные и их органы имеют одинаковые размеры, так как каждая ткань пентаплоидного животного состоит из меньшего числа клеток. Это указывает на то, что размеры клеток регулируются каким-то механизмом, в основе которого лежит учет размеров и расстояний, а не числа делений или числа клеток. [G. Frankhauser, In: Analysis of Development (В. H. Willier, P. A. Weiss, V.
Hamburger, eds.), pp. 126-150. Philadelphia, Saunders, 1955.]
437
Рис. 13-41. Микрофотографии срезов мозга гаплоидного и тетраплоидного аксолотлей (см. также рис. 13-40). А. Поперечный срез заднего мозга гаплоидного аксолотля. Б. Соответствующий срез мозга тетраплоидного аксолотля; видно, что уменьшенное число клеток компенсируется увеличением их размеров. (G. Frankhauser, Int. Rev. Cytol. 1: 165-193, 1952.)
тела и органов у обоих животных практически одинаковы (рис. 13-40 и 13-41). Очевидно, у позвоночных механизмы контроля клеточного деления, регулирующие размеры тела, основаны на измерении длин, а не на простом подсчете числа клеток или циклов деления. Такие механизмы нуждаются в сложном позиционном контроле, в котором важную роль могли бы играть диффундирующие факторы роста.
Позиционный контроль клеточного деления может работать с удивительной специфичностью. Когда часть эпителия ножки одного таракана пересаживают на гомологичный участок другому, она «вживляется» без заметного деления клеток. Однако если ее трансплантировать в негомологичное место, то и клетки трансплантата, и соседние клетки хозяина начинают делиться, а затем дифференцируются с образованием таких клеток, которые в норме лежали бы между участком, откуда был взят трансплантат, и участком, куда он был пересажен (разд. 16.4.9). Молекулярная основа такого поведения совершенно не известна.
Вообще деление клеток в процессе эмбрионального развития регулируется при совместном участии как автономных клеточных программ, так и межклеточных взаимодействий, но важность каждого из этих факторов меняется от вида к виду и от одной части тела к другой. В зрелых тканях клеточное деление тоже регулируется сложной сетью различных механизмов: при заживлении глубокой кожной раны у позвоночных, чтобы возместить потерю ткани, должны регенерировать в надлежащих количествах около 12 типов клеток, начиная с фибробластов и кончая шванновскими клетками. Кроме того, в системе социального контроля существует избыточность с многочисленными ограничителями, действующими параллельно так, чтобы утрата одного контролирующего компонента в одной клетке (обычно это результат соматической мутации) не повредила целому организму вследствие появления огромного клона интенсивно делящихся клеток. Исследования в области рака показывают, что в данной клеточной линии должно произойти от четырех до шести мутаций, прежде чем она даст начало злокачественной опухоли (разд. 21.1.4).
Изучение молекулярных деталей тщательно отлаженных механизмов социального контроля, позволяющих развиться и существовать во взрослом организме такому органу, как почка, видимо, потребует работы нескольких поколений клеточных биологов. Теперь, однако, стали доступными такие мощные средства, как антитела, блокирующие специфические факторы роста или рецепторы, и получение трансгенных животных, у которых вырабатываются сигнальные молекулы, несвойственные определенным типам клеток (разд. 5.6.10). Благодаря таким новым подходам задача, хотя и труднейшая, уже не кажется неразрешимой.
Заключение
Аномальные клетки, не повинующиеся социальным сдерживающим факторам, пролиферируют с образованием опухолей в организме; они также появляются при трансформации в культуре клеток. Хотя это часто приводит к гибели всего организма, как индивидуальные клетки они получают селективное преимущество, и поэтому их легко выделять. Трансформация клетки часто сопровождается мутацией или сверхэкспрессией специфических онкогенов, во многих случаях выявленных благодаря их наличию в РНК опухолевых вирусов (ретровирусов). Нормальные гомологи таких вирусных онкогенов в здоровых клетках, называемые протоонкогенами, по-видимому, кодируют ключевые ком-
438
поненты нормальной системы социального контроля клеточного деления. Некоторые протоонкогены кодируют факторы роста, другие - рецепторы для этих факторов или внутриклеточные регуляторные белки, участвующие и клеточной адгезии, а третьи — белки, помогающие передавать сигналы клеточного деления в ядро клетки. Чтобы клетка превратилась в раковую, в ней должны подвергнуться изменению многие гены социального контроля, что указывает на избыточность сложных регуляторных систем, влияющих на клеточную пролиферацию в тканях.
13-29
13.5. Механика клеточного деления [35]
В этом последнем разделе мы будем говорить о событиях в фазе М - кульминации клеточного цикла. В этот сравнительно короткий период хромосомы конденсируются, а содержимое родительской клетки, удвоившееся благодаря синтетической активности в предшествующей интерфазе, распределяется между двумя дочерними клетками (рис. 13-42).
По-видимому, на молекулярном уровне фаза М инициируется каскадом фосфорилирования белков, запускаемым при появлении М- стимулирующего фактора (MPF), и заканчивается при дефосфорилировании, которое возвращает белки в их интерфазное состояние (разд. 13.2.5). В свою очередь фосфорилирование белков в течение М-фазы, вероятно, ответственно за многие морфологические изменения, сопровождающие митоз, в том числе и за конденсацию хромосом, разрушение ядерной оболочки и изменения цитоскелета, описанные ниже. Первое хорошо видимое проявление наступающей фазы М состоит в постепенном уплотнении дисперсного интерфазного хроматина в нитевидные хромосомы. Эта конденсация хромосом необходима для их последующего упорядоченного расхождения в дочерние клетки и сопровождается фосфорилированием многочисленных молекул гистона Н1, имеющихся в клетке (до шести фосфатных групп на одну молекулу HI). Поскольку гистон HI присутствует в количестве примерно одной молекулы на нуклеосому и известно, что он участвует в упаковке нуклеосом (разд. 13.2.5), то его фосфорилирование киназой MPF (разд. 9.1.12) в начале фазы М должно быть главной причиной конденсации хромосом. Такое молекулярное объяснение, пока еще гипотетическое, показывает, на каком уровне в конечном счете должен описываться весь клеточный цикл.
Кто-то сказал, что хромосомы в митозе напоминают покойника на похоронах: они дают повод для действий, но не принимают в них активного участия. Активная роль принадлежит двум особым цитоскелетным структурам, которые временно образуются в М-фазе. Первым появляется двухполюсное митотическое веретено, состоящее из микротрубочек и связанных с ними белков. Сначала оно выстраивает реплицированные хромосомы в плоскости деления клетки; затем каждая хромосома разделяется на две дочерние, которые разводятся нитями веретена к противоположным сторонам клетки. Вторая цитоскелетная структура, необходимая в М-фазе животных клеток, - это сократимое кольцо из актиновых и миозиновых филаментов, появляющееся чуть позже под плазматической мембраной. Это кольцо втягивает мембрану внутрь, разделяя клетку на две, и тем самым обеспечивает, что каждая дочерняя клетка получит не только один полный набор хромосом, но и половину содержимого цитоплазмы и органелл родительской клетки. Эти две цитоскелетные структуры содержат разные наборы белков и в некоторых специализированных клетках могут формироваться независимо друг от друга. Однако их образование обычно тесно скоординировано,
Рис. 13-42. М-фаза клеточного цикла начинается после фазы G2 и заканчивается к началу фазы G1 следующего цикла. Она состоит из пяти стадий деления ядра (митоза) и деления цитоплазмы (цитокинеза).
439
так что разделение цитоплазмы (цитокинез) происходит сразу же после окончания деления ядра (митоза)', последнее относится и к растительным клеткам, хотя, как мы увидим, их жесткие стенки требуют иного механизма цитокинеза.
В сделанном только что описании речь шла об зукариотических клетках. Клетки бактерий не содержат ни актиновых филаментов, ни микротрубочек; в них обычно имеется только одна хромосома, и после ее репликации две копии распределяются между дочерними клетками с помощью механизма, который связан с прикреплением хромосомы к плазматической мембране бактерии (см. разд. 13.5.18). Сложный митотический аппарат, вероятно, стал необходим лишь с появлением клеток, содержавших гораздо большее количество ДНК в нескольких отдельных хромосомах. Главное назначение этого аппарата - точно распределять реплицированные хромосомы между двумя дочерними клетками. Точность такого распределения была исследована на дрожжевых клетках, и оказалось, что одна ошибка приходится примерно на 105 клеточных делений.
13.5.1. М-фазу традиционно подразделяют на шесть стадий [35]
Основная стратегия деления клеток у зукариотических организмов удивительно постоянна. Первые пять стадий фазы М составляет митоз, шестой является цитокинез. Эти шесть стадий образуют динамическую последовательность, сложность и красоту которой трудно оценить по описаниям или по серии статических изображений. Описание митоза основано на наблюдениях двоякого рода: на результатах световой микроскопии живой клетки (нередко в сочетании с микрокиносъемкой) и на данных световой и электронной микроскопии фиксированных и окрашенных клеток. Различные стадии клеточного деления кратко описаны на схеме 13-1. Пять стадий митоза - профаза, прометафаза, метафаза, анафаза и телофаза - осуществляются в строго определенном порядке; цитокинез начинается во время анафазы и продолжается до конца митотического цикла (рис. 13-43). Световые микрофотографии деления типичной животной и типичной растительной клеток приведены на рис. 13-
44и 13-45 соответственно.
Вживотном и растительном царствах встречаются бесчисленные вариации всех стадий деления, обобщенно представленных на схеме 13-
1.Мы будем упоминать некоторые из этих вариаций при более близком ознакомлении с механизмами деления клетки, так как они могут помочь нам понять действие разных частей митотического аппарата млекопитающих.
13.5.2. Образование митотического веретена в М-фазе клетки сопровождается разительными изменениями динамических свойств микротрубочек [36]
Из гл. 11 мы знаем, что главным центром организации микротрубочек у большинства животных клеток служит центросома - скопление аморфного материала, окружающее пару центриолей (разд. 11.4.4). Во время интерфазы материал центросомы инициирует рост микротрубочек, который направлен к периметру клетки, в то время как их начальные участки (минус-концы) остаются связанными с центросомой. Это интерфазное скопление микротрубочек, расходящихся от центросомы, представляет собой динамичную, непрерывно меняющуюся структуру, в которой отдельные микротрубочки все время возникают и распадаются. Новые микротрубочки растут путем пристраивания молекул тубулина к плюс-концам; спорадически и, по-видимому, случайно индивидуальные микротрубочки становятся нестабильными и подвергаются быст-
440
Рис. 13-43. Временной ход митоза и цитокинеза, типичный для клетки млекопитающего. Точные цифры для разных клеток различны. Обратите внимание, что цитокинез начинается еще до окончания митоза. Началом профазы (и, следовательно, фазы М в целом) считают тот момент
клеточного цикла, когда впервые становятся видимыми конденсированные хромосомы; это несколько произвольный критерий, так как степень конденсации хромосом постепенно увеличивается уже в поздней фазе G2.
Рис. 13-44. На этих световых микрофотографиях культивируемых клеток сумчатого (клеток РІК) показан ход митоза в животной клетке. Микротрубочки видны благодаря окрашиванию антителами с золотом; хроматин окрашен толуидиновым синим. Главные события митоза на
уровне световой микроскопии известны уже более 100 лет. В интерфазе центросома, содержащая пару центриолей, служит центром интерфазного скопления микротрубочек. В ранней профазе единственная центросома содержит две пары центриолей (на снимке не видны); в поздней профазе центросома делится, в результате чего образовавшиеся звезды отходят друг от друга. В прометафазе разрушается ядерная оболочка, и это позволяет микротрубочкам веретена взаимодействовать с хромосомами. В метафазе уже ясно видна двухполюсная структура веретена и все хромосомы выстраиваются в его экваториальной области. В ранней анафазе все хроматиды одновременно разделяются и под действием нитей веретена начинают двигаться к полюсам. В течение поздней анафазы полюса веретена все дальше отходят друг от друга, еще более раздвигая две группы хроматид. В телофазе формируются дочерние ядра, и в поздней телофазе почти полностью завершается цитокинез; между дочерними клетками сохраняется остаточное тельце. (Фотографии любезно предоставлены М. de Brabander.)