Микротрубочки — полые структуры, состоящие из тубулина, имеются, по существу, во всех эукариотических клетках. Обычно они «растут» из центриолей или других менее заметных центров-организаторов, исчезают и вновь появляются на определенных стадиях развития клетки. Для прокариот характерно отсутствие тубулиновых микротрубочек.
Диаметр микротрубочек 24 нм; они образованы спирально уложенными субъединицами, состоящими из димеров тубулина, 13 субъединиц на виток. Микротрубочки из всех изученных источников в химическом отношении удивительно сходны: они состоят из двух близко родственных белков, α и β-тубулина, каждый из которых имеет мол. массу 55000-60000. Эти два тубулина часто обнаруживаются в комплексе с динеином, Mg2+— чувствительной АТРазой. Тубулины нередко бывают ассоциированы также с другими, хуже охарактеризованными высокомолекулярными белками, так называемыми БАМ (белки, ассоциированные с микротрубочками). Существует поразительная физиологическая гомология между системами микротрубочек у организмов, принадлежащих к весьма отдаленным таксонам. Микротрубочки обычно чувствительны к изменениям температуры и давления. Так, при высоком гидростатическом давлении они имеют тенденцию растворяться, а при восстановлении нормального давления могут образовываться снова. Как правило, микротрубочки наиболее стабильны при 37°С и растворяются примерно при 4°С. Они чувствительны к концентрации ионов кальция и к некоторым химическим соединениям, таким как алкалоид колхицин. Не все эти свойства наблюдаются у всех микротрубочек, но в результате интенсивного исследования обнаружено много гомологий.
Микротрубочки и образуемые ими структуры чувствительны к следующим циклическим соединениям, каждое из которых содержит по меньшей мере один метоксизамещенный атом углерода: к колхицину, колцемиду, винбластину, винкристину, гризеофульвину, мелатонину, мейтанзину, подофиллотоксину и многим их производным. Эти препараты, так же как некоторые карбаматы, нокодазол и другие вещества, ингибируют полимеризацию белка микротрубочек. Показано, что колхицин и транквилизатор хлорпромазин непосредственно присоединяются к тубулину. Чувствительность систем микротрубочек к физическим факторам и химическим препаратам сильно варьирует в зависимости от концентрации последних, вида организма, стадии его развития и многих других факторов, но, как правило, эти агенты вызывают растворение митотического веретена и прекращают движение хромосом, не действуя на сами хромосомы. Упомянутые выше вещества даже в очень малых концентрациях могут влиять и на другие клеточные функции, связанные с микротрубочками (например, на питание и поддержание структурной асимметрии у солнечников). Бактерии размножаются прямым делением; в нем не участвуют микротрубочки, и оно не чувствительно к действующим на них агентам. Как полагают, ДНК у прокариот распределяется между дочерними клетками благодаря тому, что она прикреплена к растущей мембране. У делящихся бактерий никогда не наблюдались ни центриоли, ни митотическое веретено, ни микротрубочки, ни какие-либо формы центров, организующих микротрубочки.
Первоначальное использование микротрубочек в ундулиподиях и их последующая эволюция в составе митотического аппарата преадаптировали их для выполнения многих функций у протоктистов, животных, растений и грибов. Чувствительность полимеризации тубулина к ингибиторам была использована для выяснения роли микротрубочек в жизни эукариотической клетки. Микротрубочки, чувствительные к колхицину, образуются у протестов, когда они вытягивают аксоподии для захвата пищи. Микротрубочки фактически образуют «весла», которыми гребут похожие на галеры радиолярии Sticholonche; они участвуют в регенерации полиплоидного ядра у ресничных инфузорий и в формировании «зубастой» глоточной корзинки у Nassula-инфузории, которая «пережевывает» нитчатые цианобактерии. Микротрубочки поддерживают «ножки» инфузорий, ползающих по листьям растений; ряды микротрубочек образуют щупальца хищных сосущих инфузорий. «Рты» других протоктистов, такие как мембранеллы разноресничных инфузорий, состоят из пучков ундулиподий.
У животных микротрубочки являются важными компонентами нервной системы: они образуют дендриты и аксоны нейронов и принимают участие в аксонном транспорте. Один из самых удивительных примеров использования модифицированных ресничек, состоящих из микротрубочек — это сенсорные клетки млекопитающих. Вкусовые и обонятельные рецепторы, органы равновесия, механорецепторы насекомых-все они содержат видоизмененные ундулиподии с микротрубочками. Изучение анатомии и функционирования этих сенсорных систем привело к микротубулярной теории преобразования стимулов (Дж. Атема). Согласно этой теории, различные сенсорные стимулы вызывают конформационные изменения в белке микротрубочек, которые передаются от начала последних (на периферии сенсорной клетки) к их основанию и трансформируются в нервные импульсы.
Неспособность тубулина полимеризоваться с образованием микротрубочек, связанная с недостатком гормона щитовидной железы, который на ранних стадиях развития стимулирует эту полимеризацию, может лежать в основе явлений кретинизма (J. Nunez, личное сообщение). Микротрубочки составляют часть внутриклеточной транспортной системы как у позвоночных, так и у беспозвоночных. У симбиотической гидры микротрубочки участвуют в транспорте поглощенных водорослей от проксимальной (обращенной в гастроваскулярную полость) стороны пищеварительных клеток к их дистальной стороне; это обеспечивает наилучший доступ света к новым хлореллам-симбионтам. У грибов микротрубочки, вероятно, принимают участие в миграции ядер-процессе, поддерживающем дикариотическое состояние. У бобовых гербицид трифлюралин, ингибитор образования микротрубочек, сильно замедляет формирование азотфиксирующей симбиотической ассоциации, влияя на морфогенез растительных клеток, в котором участвуют микротрубочки.
В общем микротрубочки и их активность необходимы для выполнения по крайней мере следующих основных функций: движения хромосом при митозе, формирования асимметричной клеточной структуры, внутриклеточного транспорта, движения ундулиподий и внутриклеточной передачи информации. Они играют важнейшую роль в жизни эукариотической клетки.
Генетическое поведение микротрубочек, изученное главным образом на инфузориях, загадочно. Большинство инфузорий имеет толстый поверхностный кортекс, который состоит из видоспецифических стабильных структур, образованных микротрубочками, мембранами и филаментами. Эти структуры кортекса толщиной от одного до нескольких микрометров настолько сложны и специфичны, что можно проводить генетические эксперименты по скрещиванию стабильных кортикальных вариантов. В литературе по кортикальной генетике инфузорий накопилось немало неожиданных фактов. Твердо установлена независимость кортикальной наследственности от ядерной. Особенно интересны работы, проведенные на Paramecium aurelia. При конъюгации, спаривании инфузорий, когда происходит обмен ядрами без слияния цитоплазмы, идентичные ядра могут попадать в разное цитоплазматическое окружение.
Некоторые кортикальные признаки перелаются только тем родителем, от которого наследуется цитоплазма. Генетические детерминанты кортикальной наследственности инфузорий находятся не в цитозоле и не в митохондриях, а в самом кортексе. У одной и той же клетки и, видимо, под контролем одного и того же ядра могут быть ундулиподии двух типов: 9 + 0 и 9 + — 2. У экспериментально энуклеированных гипермастигот происходит рост групп ундулиподиальных поясов, число ундулиподий увеличивается и в процессе гаметогенеза образуются митотические веретена. Микротубулярные структуры можно разрушить облучением или химическими агентами, действующими на нуклеиновые кислоты, и они никогда не восстанавливаются при участии одних только ядерных генов. Эти факты подкрепляют представление о генетической автономии системы ундулиподии — митотический аппарат.
Известно, что реплицирующиеся структуры всегда содержат нуклеиновую кислоту; репродукция центров, организующих микротрубочки ундулиподий и других компонентов микротубулярной системы, вероятно, тоже контролируется нуклеиновой кислотой, даже если не находится под прямым ядерным контролем. Центры — организаторы микротрубочек, судя по их виду и окрашиваемости, состоят из белка; возможно, что в них есть и нуклеиновые кислоты.
Центриоли и кинетосомы образуются либо из предсуществующих структур типа 9 + 0, либо из центров-организаторов с менее определенным строением. Хотя первоначально было описано «деление» кинетосом, теперь установлено, что они не претерпевают деления как такового. Они являются продуктами сложного процесса, детали которого варьируют в зависимости от вида организма и стадии жизненного цикла. Центриоли могут формироваться из мелких аморфных предшественников, которые развиваются в процентриоли, большей частью непосредственно связанные с предсуществующими зрелыми кинетосомами или центриолями. На одну исходную кинетосому может приходиться от 1 до 250 и более совместно созревающих процентриолей или прокинетосом; их бывает много в так называемых блефаропластах в сперматоцитах растений. В электронном микроскопе процентриоли до того, как они приобретают типичную девятилучевую симметрию, выглядят как гранулярно-фибриллярные образования; их можно рассматривать как центры-организаторы микротрубочек. У самих процентриолей может вовсе не быть морфологически различимых микротубулярных предшественников. Таким образом, отсутствие центриолей отнюдь не означает отсутствия генетического потенциала для их построения. Некоторые жгутиковые амебы, такие как Naegleria и Tetramitus, не имеют на амебоидных стадиях каких бы то ни было кинетосом, но сохраняют генетический потенциал для формирования кинетосом, ундулиподий и других родственных структур. Если популяцию клеток Naegleria встряхивать в среде, не содержащей питательных веществ, например в дистиллированной воде, то происходит быстрое формирование кинетосом, из которых развиваются ундулиподии. Таким образом, у некоторых организмов генетические детерминанты ундулиподий могут дедифференцироваться до элементов, неразличимых в электронном микроскопе.
У большинства животных и растений у каждой хромосомы имеется дифференцированный участок — кинетохор (центромера, место прикрепления нитей веретена). Только интенсивное исследование подходящих объектов, таких как некоторые протисты из кишечника термитов, изученные Кливлэндом, позволило понять взаимоотношения между кинетохором и остальной частью митотического веретена. Кливлэнд пришел к выводу, что в плане онтогенеза и филогенеза кинетохоры составляют часть митотического аппарата и системы ундулиподий, а не часть хромосомной системы, в которую они обычно включены. Он показал, что у симбионтов термитов под действием кислорода происходит селективное разрушение хроматина, но на пучках микротрубочек тем не менее образуются кинетохоры.
В клетках, обработанных кислородом, кинетохоры «растаскивались» веретеном даже при отсутствии хромосом, к которым они прикрепляются в нормальных клетках. Таким образом, Кливлэнду удалось отделить рост веретена, деление кинетохоров и само деление клетки от репликации хромосом. Он также показал, что хроматин не принимает прямого участия в контроле функций веретена: скорее «число митотических веретен всегда зависит от числа центриолей, и часто, когда в этих мультицентриолярных клетках хромосомы имеют возможность выбора, они движутся вдоль периферических, а не центральных веретен».
Поскольку под центриолью Кливлэнд понимал ростральный участок, функционирующий как митотический центр, а не истинную центриоль типа 9 + 0, его точка зрения была уязвима для критики. Суть его утверждения состояла в том, что только растущие нити веретена (как теперь известно, это микротрубочки, растущие от структур, прикрепленных к пучкам ундулиподий) определяют расхождение хромосом в дочерние клетки. Сам хроматин, хотя он и может скручиваться и раскручиваться, конденсироваться и разрыхляться, не способен к внутриклеточному движению; хромосомы, таким образом, не ответственны за свой собственный переход в дочерние клетки. Передвижение хромосом у растений, животных, грибов и многих протистов всецело осуществляют структуры, связанные с ундулиподиальной системой. Так, например, Кливлэнд писал:
«…Кислород в концентрации 70-80% разрушает все хромосомы жгутиконосца-гипермастиготы Trichonympha, если обработка производится на ранних стадиях гаметогенеза, когда хромосомы находятся в процессе удвоения. При такой обработке утрата хромосом не ведет к повреждению цитоплазмы и ее органелл. В результате функционирования центриолей образуются ахроматическая фигура [веретено и другие части митотического аппарата], жгутики [ундулиподии] и парабазальные тельца [тельца Гольджи]. Затем цитоплазма делится с образованием двух безъядерных гамет, которые проходят некоторые стадии цитоплазматической дифференцировки, характерной для мужских и женских гамет Trichonympha».
С другой стороны, наблюдения Кливлэнда над двуядерной клеткой, содержавшей пять центриолей, показали, что «…без центриолей не образуется ахроматической фигуры [веретена] и не происходит движения хромосом к полюсам, приводящего к формированию дочерних ядер. Хромосомы репродуцируются, а ядра — нет. Для репродукции ядра нужно, чтобы в клетке было не меньше двух центриолей и они находились достаточно близко к ядру».
Таким образом, Кливлэнду была ясна ведущая роль веретена и системы ундулиподий в сегрегации хроматина, но, к сожалению, он редко сообщал о своих открытиях современникам в четкой форме.
Функция кинетохоров состоит в прикреплении хромосом к митотическому веретену. Многие цитогенетические исследования показали, что хромосомы, лишенные кинетохоров, будучи неспособны прикрепиться к нитям веретена, просто не попадают на полюса делящейся клетки и потому не включаются в дочерние ядра. При движении хромосом к полюсам кинетохоры всегда находятся впереди. У некоторых аномальных хромосом бывает два кинетохора, которые стремятся направиться к противоположным полюсам; такие дицентрические хромосомы обычно разрываются, и каждый фрагмент со своим кинетохором включается в одно из дочерних ядер.
Хотя детали этих процессов чрезвычайно разнообразны, функция центриолей, кинетохоров, а также центров, организующих микротрубочки, и их производных в процессе митоза состоит в распределении хромосом между дочерними клетками. Митотическое веретено может, кроме того, использоваться для распределения митохондрий и пластид. Наличие единственной большой митохондрии может быть причиной удивительного явления, наблюдаемого у трипаносом, например у Trypanoplasma. При каждом клеточном делении здесь образуется второе веретено более или менее обычного вида; структура, из которой оно растет, расположена в основании ундулиподии (эти клетки имеют одну ундулиподию на переднем конце). Деление этой структуры («Blepharoplastteilung») происходит одновременно с делением обычного веретена, участвующего в делении ядра, и столь же хорошо заметно. Таким образом, у этих протистов, по-видимому, формируется второй митотический аппарат, прикрепленный или по крайней мере точно направленный к ундулиподии. Кинетопласт, или блефаропласт, — единственная длинная митохондрия, содержащая большое количество повторяющихся последовательностей ДНК, тоже ориентирована в направлении ундулиподии.
У другой трипаносомы, Leishmania, кинетопласт делится синхронно с каждым делением ядра и остальной клетки. Дж. Кьюзел выделил этот кинетопласт — вероятно, самую большую из известных одиночных митохондрий. В градиенте плотности хлористого цезия была обнаружена сателлитная полоса ДНК, связанной с кинетопластом, что согласуется с сообщениями о включении меченого тимидина в ДНК кинетопласта. Дифференциация этой единственной специализированной митохондрии приходится на ту часть жизненного цикла, в которой происходит окислительное фосфорилирование. Вероятно, второе веретено возникло как механизм, обеспечивающий регулярное распределение материала кинетопласта между дочерними клетками. С помощью акрифлавина можно получить штаммы Leishmania, лишенные кинетопласта; по-видимому, это вещество избирательно ингибирует синтез его ДНК. Клетки, обработанные акрифлавином, вначале проходили несколько делений, при которых ДНК кинетопласта распределялась поровну, но затем происходило деление, при котором одна из дочерних клеток получала всю эту ДНК, а другая не получала ее вовсе (становилась дискинетопластной). Из этих данных Л. Симпсон заключил, что акрифлавин влияет и на синтез кинетопластной ДНК, и на ее распределение между дочерними кинетопластами.
Ни один из известных организмов не имеет структур, промежуточных между ундулиподиями и бактериальными жгутиками. Пропасть между прокариотами, не содержащими центров-организаторов микротрубочек и их продуктов, и эукариотами, которые всегда их имеют, требует эволюционного объяснения. У некоторых эукариот. например у красных водорослей, ундулиподии отсутствуют на всех стадиях жизненного цикла, хотя у них есть оплодотворение и мейоз. Многие биологи предполагали, что среди всех эукариот красные водоросли — наиболее близкие родственники цианобактерий. Согласно этой точке зрения, красные водоросли примитивны в том смысле, что в процессе их эволюции никогда не возникала компартментализация. ведущая к образованию ундулиподий.
Хотя из этих наблюдений был сделан вывод, что красные водоросли произошли от предков, обладавших ундулиподиями, низкое качество электронных микрофотографий не позволяет считать эти данные однозначными. Однако на митотических полюсах в клетках красных водорослей были обнаружены сложные центры-организаторы, состоящие из кольца микротрубочек, и это заставляет думать, что предками Rhodophyta действительно были организмы, передвигавшиеся ранее помощью ундулиподий. Может быть, они пожертвовали жгутиками ради развития полового процесса? Во всяком случае у красных водорослей имеются митохондрии и микротубулярные структуры, гомологичные таковым других эукариот. Их высокоразвитая половая система, безусловно, весьма прогрессивна: это никак не промежуточное звено между делением прокариот, не имеющих микротрубочек, и митозом и мейозом эукариот, обладающих ими. Гat же тогда промежуточное звено? Откуда произошли ундулиподии?
Если бы центриоли, кинетохоры и митотическое веретено образовались как эписомы из ядра, то они, вероятно, были бы более чувствительны к факторам, влияющим на ядро, чем к воздействиям, повреждающим ундулиподии, однако фактически наблюдается как раз обратное. Центриоли, звезды, веретёна, кинетохоры и кинетосомы — все эти органеллы по своему составу, поведению и развитию родственны микротубулярно-ундулиподиальной системе, а не системе хроматина.
Важное различие между митозом и распределением генофора прокариот при делении состоит в количестве ДНК, которое необходимо передать дочерним клеткам. Если бы ДНК прикреплялась к автореплицирующейся внутриклеточной органелле, копии которой были бы способны к сегрегации при клеточном делении, такой механизм обеспечил бы равное распределение больших количеств генетического материала независимо от содержащейся в нем информации. Гипотеза, развиваемая здесь, состоит в том, что прикрепленные к клеткам симбиотические микробы — спирохеты — предоставили свою реплицирующуюся нуклеиновую кислоту для репродукции мест своего прикрепления, и последние эволюционировали затем в кинетосомы, а сами клетки спирохет в ундулиподии. Эта гипотеза при всей ее кажущейся экстравагантности совместима с тем принципом, что эволюция оппортунистична (т. е. пользуется уже имеющимися возможностями), а не телеологична.
Представление о симбиотическом происхождении ундулиподий помогает объяснить ряд необычных фактов, например прямую морфологическую связь между митозом, аксоподиями и ундулиподиями у протестов. Существование тубулиновых микротрубочек, вариации в числе, но не в размерах ундулиподий и отсутствие каких-либо организмов, которые могли бы быть промежуточным звеном между прокариотами и эукариотами в эволюции подвижности и клеточного деления, все это совместимо с гипотезой о симбиотическом происхождении ундулиподий. Согласно этой гипотезе, геном прокариотического организма, ставшего первой ундулиподией, превратился в нуклеопротеид центра-организатора микротрубочек. Если признать гомологию между ундулиподиями и митотическим аппаратом (которую признает большинство биологов) и принять гипотезу о том, что митоз выработался путем прогрессивной дифференциации поверхностных симбионтов (с чем большинство биологов не согласно), то можно построить грубую схему филогении протоктистов. Эта схема основана на представлении о том, что эволюция митоза определила главные пути дифференциации клеточной структуры и жизненных циклов.
Источник: Л. Маргелис. Роль симбиоза в эволюции клетки. Пер. В.Б. Касинова, Е.В. Кунина. Под ред. Б.М. Медникова. Издательство «Мир». Москва. 1963