Ю.М. ВАСИЛЬЕВ, д.м.н., профессор, член-корреспондентРАН, 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 специализированныхпигментных клеток и т.д.), рибосомы, центросомы и, наконец, ядро. Ни одна изэтих структур не располагается в клетке где попало. Напротив, все времяподдерживается правильное взаимное расположение этих структур. Особенно легконаблюдать за таким взаимным расположением структур в культуре клеток, гдекаждая тканевая клетка, например фибробласт или эпителиоцит, приобретает формууплощенной пластинки, прикрепленной к плоскому прозрачному дну, – такназываемой подложке (стеклу или пластику). Поэтому за живыми клетками и ихкрупными органеллами в такой культуре легко наблюдать при помощи микроскопа, соединенногос видеокамерой. У таких культуральных клеток ядро обычно располагаетсяприблизительно в центре, а рядом с ним образуется зона так называемой эндоплазмы,где скапливается большинство пузырьковых органелл. Здесь же чаще всегорасполагаются центросомы, от которых радиально расходятся к наружным краямклетки микротрубочки (рис. 1).
/>
Рис.1. Схема опыта с микрохирургическим выделением безъядерного фрагмента цитоплазмыиз целой клетки. В таком фрагменте восстанавливаются радиальная системамикротрубочек и центральное расположение органелл
Кнаружиот эндоплазмы располагается тонкая пластинка цитоплазмы (ламелла), гдепузырьковые органеллы встречаются редко. Основные компоненты ламеллы – этовидимые лишь при специальных окрасках элементы цитоскелета: упомянутые ужемикротрубочки и располагающийся под мембраной кортикальный слоймикрофиламентов.
Вблизинаружных краев ламеллы на нижней поверхности клетки располагаются фокальныеадгезии – сложные, построенные из нескольких белков бляшки, прикрепляющиеклетку к поверхности подложки. У движущихся клеток при видеосъемке на некоторыхучастках края ламеллы непрерывно образуются выросты – псевдоподии, прикрепляющиесяк подложке и сокращающиеся, При помощи таких псевдоподий клетки ползают поподложке.
Клеточные фрагменты самоорганизуются в мини-клетки
Упорядоченноевзаимное расположение клеточных структур создается и поддерживается самой живойцитоплазмой, способностью этой цитоплазмы к самоорганизации. Действительно, дажемалые фрагменты цитоплазмы, отделенные от остальной клетки, способнывосстанавливать подобное взаимное расположение сохранившихся структур (рис. 1).
Отрежемот периферии культуральной клетки под микроскопом микроножом небольшой кусочекцитоплазмы, составляющий лишь 3–5% клеточной массы. Через короткое время такойбезъядерный фрагмент самоорганизуется: в центральной его части скапливаютсяпузырьковые органеллы, образуя эндоплазму, а на периферии формируются тонкиеламеллы, прикрепленные по краям к подложке фокальными адгезиями. По краюламеллы часто возникают псевдоподии, и при их помощи фрагмент может ползать поподложке. Старый центр организации микротрубочек – центросома – обычно непопадает во фрагмент, и сохранившиеся в нем периферические куски микротрубочекрасположены вначале почти параллельно друг другу, однако вскоре этимикротрубочки реорганизуются в единую радиальную систему, у них возникаетподобие центра, из которого микротрубочки расходятся во все стороны к краямфрагмента. Разумеется, такие фрагменты, в отличие от целых клеток, погибаютобычно через 1–2 суток: ведь у них нет ядра и потому невозможен синтез новыхинформационных РНК, следовательно, быстро тормозится синтез белков, необходимыхдля роста и просто замещения разрушающихся со временем белковых молекул. Тем неменее способность фрагментов к самоорганизации в мини-клетки и движениям втечение отведенного им короткого срока жизни замечательна.
Многоядерные клетки-гиганты тоже самоорганизуются
ФантазияДж.Свифта создала лилипутов – людей, нормально организованных, несмотря наминиатюрные размеры. Ясно, что затем почти неизбежно должен был появитьсярассказ о великанах, нормально организованных, несмотря на резко увеличенныеразмеры. Сходным образом логика требует, чтобы за рассказом о самоорганизацииклеточных фрагментов следовал рассказ о противоположных системах – гигантскихклетках, размеры которых резко превышают нормальные.
/>
Рис.2. Схема опыта со слиянием нескольких одноядерных клеток. В образовавшейсямногоядерной клетке ядра и органеллы собираются в единой центральной части, анесколько систем микротрубочек реорганизуются в единую радиальную систему
Действительно,такие клетки существуют и самоорганизуются. Многоядерные гиганты в культуреможно получить двумя способами. Первый способ – слить несколько обычныходноядерных клеток в одну (рис. 2), применив специальные агенты, напримерполиэтиленгликоль или белки некоторых вирусов. Эти агенты способны превратитьдве контактирующие друг с другом мембраны соседних клеток в одну. В результатетаких повторных слияний получается большая многоядерная клетка. Механизмыподобного слияния мембран довольно сложны, и мы их рассматривать не будем.Второй способ получения гигантов – блокада цитокинеза, последней стадииклеточного деления: разделения цитоплазмы двух дочерних клеток послерасхождения хромосом. Как известно, цитокинез – результат образования подмембраной клетки между двумя дочерними ядрами сократимого кольца из актиновыхмикрофиламентов и миозиновых молекул, такое кольцо постепенно сжимается, разделяядве клетки. Функцию сократимого кольца и разделение клеток можно блокироватьцитохалазином – веществом, специфически нарушающим формированиемикрофиламентов. Цитохалазин нарушает только цитокинез, но не предшествующиестадии деления, поэтому в среде с цитохалазином клетка становится двуядерной.Если блокирование цитохалазином повторять в нескольких циклах деления, то можнополучить клетки с 4, 8 и большим числом ядер.
Гигантскиеклетки, полученные обоими способами, могут жить в культуре долго – многие дни инедели. Для нас важно то, что уже вскоре после образования клеткиреорганизуются в единую структуру. Чаще всего такие клетки имеют дисковиднуюформу, но иногда могут вытягиваться и двигаться. Их ядра обычно собираются вединую группу, занимающую центр клетки, а вокруг них скапливаются везикулярныеорганеллы, образующие эндоплазму. Вокруг эндоплазмы располагается тонкаяламелла. Как и в одноядерных клетках, на краю гигантов постоянно образуются исокращаются псевдоподии, а на нижней поверхности ламеллы вблизи краяформируются фокальные адгезии, прикрепляющие клетку к дну культуры.
Такимобразом, в двух различных системах, в небольших фрагментах, отделенных отклетки, и в многоядерных гигантах, полученных слиянием нескольких клеток илиблокадой их деления, цитоплазма способна самоорганизовываться в структуру, принципиальносходную со структурой нормальной клетки.
Механизмы самоорганизации цитоплазмы связаны сцитоскелетом
Каковымеханизмы удивительной способности клеточной цитоплазмы к самоорганизации?Точно ответить на этот вопрос мы пока не можем, но некоторые соображения могутбыть высказаны. Самоорганизация происходит даже в безъядерных клеточныхфрагментах, следовательно, ядро для нее не нужно. Как мы видели, важнейшейчастью самоорганизации являются перемещения цитоплазматических органелл, образующихэндоплазму в центральной части фрагмента или гиганта, туда же в гигантскихклетках перемещаются и ядра. Естественно предположить, что за эти движенияответственны те же структуры, что и за все другие движения в клетке: фибриллыцитоскелета с прикрепленными к ним и органеллам моторными молекулами.
Одиниз конкретных механизмов такого рода связан с микротрубочками. Напомню еще раз,что в целой клетке микротрубочки растут радиально из центросомы, расположеннойоколо ядра, при этом каждая микротрубочка имеет два конца: центральныйминус-конец и периферический плюс-конец. Хотя в отрезанном фрагменте центра нет,микротрубочки в нем перераспределяются, образуя радиальную систему сплюс-концами в центре фрагмента и минус-концами на периферии (см. рис. 1).Механизм этого перераспределения был недавно проанализирован Родионовым иБориси. Эти исследователи приготовили фрагменты из пигментных клеток(меланоцитов) кожи черных аквариумных рыбок. Дело в том, что эти клеткисодержат в цитоплазме множество черных пигментных гранул, за движениями которыхлегко наблюдать в культуре. Во фрагментах цитоплазмы таких клеток пигментныегранулы при самоорганизации скапливались в центре, а микротрубочки расходилисьрадиально из центра на периферию. В нормальной клетке различные органеллы, втом числе пигментные гранулы, двигаются при помощи специальных связанных смикротрубочками моторных молекул, динеинов и кинезинов. При этом динеиныдвигают органеллы к минус-концу микротрубочки, а кинезины – к плюс-концу.Оказалось, что, применив специальный ингибитор, угнетающий действие динеина, можноподавить самоорганизацию микротрубочек и гранул во фрагменте. Ингибиторыкинезинов оказались неэффективными. Таким образом, перемещение гранул иминус-концов микротрубочек в центр фрагмента оказалось результатом ихперемещений, осуществляемых при помощи динеина (рис. 3). Эта работа Родионова иБориси доказала реальное существование по крайней мере одного зависимого отцитоскелета механизма самоорганизации. Однако известно, что элементысамоорганизации во фрагментах могут сохраняться даже после деполимеризациимикротрубочек. Поэтому весьма вероятно, что существуют и другие механизмы, зависимыеот других цитоскелетных структур – микрофиламентов.
/>
Рис.3. Упрощенная схема возможного механизма самоорганизации микротрубочек иорганелл во фрагменте цитоплазмы, основанная на данных Родионова и Бориси.Слева – две микротрубочки, соединенные с разными участками одной органеллы(кружок). Предполагается, что присоединение осуществляется через посредствоспециального белка – динеина, способного двигать органеллы вдоль микротрубочекот плюс-конца к минус-концу. Справа – вызываемые динеином взаимные перемещениямикротрубочек и органеллы привели к тому, что эта органелла образовала подобиецентра, от которого отходят в противоположные стороны две микротрубочки.Ориентированные плюс-концами к периферии
Поднаружной мембраной каждой клетки расположен сократимый кортикальный слойактиновых микрофиламентов; у клеток, прикрепленных к дну культуры, этот слойрастянут. Можно сравнить кортекс с растянутой резиновой лентой, стремящейсясократиться к своему центру. Очевидно, если разрезать эту ленту на фрагменты, каждыйиз фрагментов будет сокращаться к своему новому центру. Наоборот, еслинесколько кусков ленты склеить друг с другом, то объединенная лента будетсокращаться по направлению к новому единому центру. Сходным образом кортексклеток и фрагментов во всех ситуациях натянут относительно центра. Натяжениебудет ориентировать микрофиламенты кортекса: представьте себе сетку, которуюкто-то растянул, все нити в ней станут ориентироваться относительно направлениюнатяжения. Ориентировка микрофиламентов может направлять зависимые от этихмикрофиламентов движения органелл к центру. Этот довольно простой механизм покаостается гипотетическим. У нас нет пока прямых данных, подтверждающих его рольв самоорганизации. Изучение механизмов самоорганизации лишь начинается.
Гигантские клетки и клеточные фрагменты в нашем организме
Былобы удивительно, если бы замечательная способность цитоплазмы к самоорганизациине использовалась клетками в организме для различных физиологических целей. Идействительно, в нашем организме многие клетки способны проделыватьсамостоятельно те же реорганизации, которые мы вызываем искусственно вкультуре: соединяться друг с другом в гигантские многоядерные клетки и, наоборот,отделять от себя безъядерные цитоплазматические фрагменты, которые способнысамоорганизоваться и выполнять важные физиологические функции.
Примерамимногоядерных клеток могут служить миофибриллы поперечнополосатых мышц, образующиесяпутем слияния одноядерных миобластов. По всей вероятности, здесь благодарягигантским размерам ускоряется и синхронизуется реакция мышечной клетки нанервный сигнал, вызывающий ее сокращение: такой сигнал распространяется оченьбыстро от нервного окончания (синапса) по всей единой мембране, окружающеймногоядерную клетку.
Ещеодин тип многоядерных клеток – гигантские клетки инородных тел. Такие клеткиобразуются под кожей или в других тканях из одноядерных клеток – макрофагов, –прилипших к поверхности инородного тела, застрявшего в этих тканях, напримерпули или иглы. Макрофаги безуспешно пытаются фагоцитировать инородное тело.Смысл слияния в гиганты заключается, по-видимому, в том, чтобы увеличитьфагоцитирующую поверхность. Вероятно, по сходным причинам в костной тканистановятся многоядерными особые клетки (остеокласты), которые разрушаютизлишнее костное вещество.
Тромбоцитыкрови – самый интересный и важный пример образования отделенных от клетокцитоплазматических фрагментов, способных к самоорганизации. Тромбоциты играютцентральную роль в свертывании крови, образовании тромбов – сгустков, закрывающихпросвет разорвавшегося кровеносного сосуда и останавливающих кровотечение изэтого сосуда. Патологическое тромбообразование – основа самых распространенныхсердечно-сосудистых заболеваний, в особенности инфарктов и инсультов.Неактивированные тромбоциты, циркулирующие в крови человека, представляют собойнебольшие безъядерные образования (рис. 4), покрытые мембраной и содержащие вцитоплазме много неполимеризованного актина, а также гранул разного состава.При действии химических веществ, связывающихся с рецепторами на наружнойстороне их мембраны, например коллагена, тромбоциты активируются. Такаяактивация – начальный этап свертывания крови. На поверхности активированноготромбоцита выпячиваются многочисленные псевдоподии. У тромбоцитов, так же как иу больших ядерных клеток, молекулярной основой образования псевдоподий являетсяполимеризация актиновых микрофиламентов из растворимого актина. Кмикрофиламентам присоединяются миозин и другие молекулы. В результатепсевдоподии, как и у больших клеток, становятся сократимыми, способнымиприкрепляться к различным поверхностям, например к коллагеновым волокнам (см.рис. 4).
/>
Рис.4. Тромбоциты человека, находящиеся на разных стадиях активации.
Вцентре – тромбоцит, выпустивший много псевдоподий и уплощившийся приприкреплении к твердой поверхности. Рядом – еще неактивировавшийся дисковидныйтромбоцит без псевдоподий. По периферии – тромбоциты с единичными псевдоподиями(самая начальная стадия активации). Сканирующая электронная микрофотография
Тромбоцитраспластывается на таких поверхностях и может даже перемещаться по ним нанебольшие расстояния. Гранулы, собранные в центральной части цитоплазмыактивированного тромбоцита, сливаются с наружной мембраной и секретируют своесодержимое в среду (кровь или тканевую жидкость). При этом активные вещества, вышедшиеиз таких гранул, действуют на белки крови, стимулируя дальнейшеетромбообразование. Через несколько часов активированный тромбоцит, подобноклеточным фрагментам в культуре, погибает. «Родителями» тромбоцитов, циркулирующихв крови, являются особые многоядерные клетки костного мозга – мегакариоциты. Наповерхности мегакариоцита образуются длинные отростки, от которых отщепляютсяцитоплазматические фрагменты, попадающие затем в кровь. Мы еще не знаем точномеханизма отделения и упаковки таких фрагментов.
Такимобразом, тромбоциты можно рассматривать как фрагменты цитоплазмы, естественнообразующиеся из структур противоположного типа – гигантских клеток. Этифрагменты могут длительно сохраняться в крови в упакованном виде, но принеобходимости могут однократно активироваться и самоорганизоваться, а затем, выполнивсвою функцию, активировав свертывание, погибать.
Заключение
Способностьк самоорганизации – важнейшее свойство цитоплазмы. Эта способность являетсяосновой распределения компонентов в каждой клетке, а также используется ворганизме для специальных целей – образования многоядерных клеток и естественноотделяющихся фрагментов, таких, как тромбоциты. Возможно, что механизмсамоорганизации используется и в тех случаях, когда в клетке выделяются(сегрегируются) особые участки, способные к относительно самостоятельнымдвижениям, но остающиеся связанными с остальной клеткой. Пример такого участка– пластинка цитоплазмы, образующаяся на конце растущего отростка нервной клетки,так называемый конус роста. Конус роста непрерывно выбрасывает на краяхпсевдоподии и движется относительно самостоятельно в нужном направлении, тащаза собой весь прикрепленный к нему сзади отросток. Интересно, что если отрезатьконус роста от остального отростка, то он продолжает в течение некотороговремени ползать самостоятельно, т.е. ведет себя как самоорганизованный фрагментцитоплазмы.
Недавнонаша группа исследователей показала, что, обрабатывая большую дисковиднуюмногоядерную клетку эпителия особым белком, выделяемым в организме некоторымитканями (так называемым рассеивающим фактором), можно вызвать разделение этойклетки на несколько самостоятельно ползающих участков, связанных друг с другомшнурами цитоплазмы, не способными активно двигаться (рис. 5).
/>
Рис.5. Схема, основанная на данных Александровой и др. Многоядерная эпителиальнаяклетка (вверху) под воздействием специального белка (так называемогорассеивающего фактора) разделяется на несколько пластинчатых участков(ламеллопластов), соединенных друг с другом узкими шнурами цитоплазмы(кабелями). Каждый ламеллопласт содержит свою центросому сотходящими от нее микротрубочкамии свои органеллы. Каждый ламеллопласт способен выпускать псевдоподии идвигаться, волоча за собой присоединенный кабель. Ядра есть в некоторых, но нево всех ламеллопластах
Этотфеномен – еще один пример частичной сегрегации цитоплазмы на самоорганизующиесяучастки. Такая сегрегация является, вероятно, важным способом морфологическихпревращений клеток в организме. Конкретные пути таких превращений – интереснаятема для будущих исследований.
Хотямногое в механизмах самоорганизации остается еще непонятным, очевидно, что ихосновой является динамика цитоскелета, в особенности микротрубочек имикрофиламентов. Эта динамическая архитектура клетки уникальна. Ничегоподобного в архитектурных конструкциях, создаваемых человеком, нет. Трудно себепредставить отделенный от целого здания фрагмент, самостоятельнореорганизующийся в «мини-дом». Между тем цитоплазма легко выполняет такиепреобразования.
Список литературы
1.Васильев Ю.М. Клетка как архитектурное чудо.Ч. 1. Живые нити // СоросовскийОбразовательный Журнал, 1996, №2. С. 36–43.
2.Васильев Ю.М. Клетка как архитектурное чудо. Ч. 2. Цитоскелет, способныйчувствовать и помнить // Там же, № 4. С. 4–10.
3.Васильев Ю.М. Социальное поведение нормальных клеток и антисоциальное поведениеопухолевых клеток. Ч. 2. Клетки строят ткань // Там же, 1997, № 5. С. 20-25.
4.Зубаиров Д.М. Как свертывается кровь // Соросовский Образовательный Журнал, 1997.№ 3. С. 46–52.
5. Rodionov V.I., Borisy G.G. Self-centring Activity of Cytoplasm //Nature, 1997. Vol. 386. P. 170.
6. Alexandrova A.Y., Dugina V.B., Ivanova O.Y. et al. Scatter FactorInduces Segregation of Multicellular Cells into Several Discrete Motile Domains// Cell Motility and Cytoskeleton, 1998. Vol. 39. P. 147-158.
Дляподготовки данной работы были использованы материалы с сайта bio.1september.ru