Клетка как архитектурное чудо
выпячивание псевдоподии. Если концентрация активирующих веществ с разных
сторон клетки различна, то на одном конце клетки будет образовываться и
прикрепляться к подложке больше псевдоподий, чем на другом. Контакт с
другой клеткой может действовать противоположно химиотаксису: если какой-
то участок активного края фибробласта касается поверхности другой клетки,
то образование псевдоподий в этом месте края немедленно прекращается;
происходит «контактное торможение» или «контактный паралич» этого
участка.
Механизмы такого паралича еще неясны, но его биологический смысл
очевиден: благодаря параличу клетка не заползает на другую клетку, но
коснувшись ее, поворачивает туда, где есть свободная поверхность
подложки. Двигаясь, клетки соблюдают взаимную вежливость. Третий внешний
фактор, меняющий распределение псевдоподий – различная адгезивность
(«липкость») разных участков поверхности подложки. Например, посадим
клетку не на широкое плоское стекло, а на узкий стеклянный цилиндр,
диаметр которого (30 микрометров) лишь немногим больше диаметра самой
клетки. Тогда фибробласт начинает выбрасывать псевдоподии во все
стороны. Но лишь те псевдоподии, которые выброшены вдоль, а не поперек
цилиндра, смогут коснуться свободной поверхности стекла и прикрепиться к
ней; псевдоподии, выброшенные поперек стекла, такой подложки не найдут, и
клетка втянет их обратно.
Таким образом, под влиянием внешних факторов у клетки возникает
первичная поляризация образования и прикрепления псевдоподий. Однако
такая поляризация часто очень неустойчива. Чтобы направленно двигаться,
клетка должна запомнить и стабилизировать эффект внешних факторов. Эта
стабилизация выражается в том, что клетка совсем перестает выбрасывать
псевдоподии в тех направлениях, где их прикрепление было менее удачно, и
начинает их выбрасывать более эффективно только в наиболее удачных
направлениях, например, вдоль цилиндра или ближе к источнику
химиотаксического вещества.
III. Клетка единая,
но делимая
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. 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 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.
Действительно, такие клетки существуют и самоорганизуются.
Многоядерные гиганты в культуре можно получить двумя способами. Первый
способ – слить несколько обычных одноядерных клеток в одну, 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. 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. 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
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 многоядерных гигантах, полученных слиянием
нескольких клеток или блокадой их деления, цитоплазма способна
самоорганизоваться 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. 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. 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.
Механизм этого перераспределения был недавно проанализирован Радионовым 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