МИТОЗ И СБОРКА

Митоз — это, возможно, самая сложная загадка для тех, кто изучает пространственную организацию эукариотических клеток. За период всего в несколько минут в клетке происходит существенная реорганизация хромосомного материала и перемещение его в определенные точки внутриклеточного пространства. Скорость протекания митоза, его точность и, наконец, его важность в жизни клетки — все это привлекает к нему внимание исследователей. И те же самые черты митоза обусловливают, вероятно, трудность его изучения. У разных клеток митоз может принимать различные формы: разными могут быть скорость разделения хромосом, число и характер распределения микротрубочек, внутриклеточное расположение митотического веретена. Однако разумнее всего будет для начала предположить, что фундаментальные механизмы митоза если и не универсальны, то по крайней мере широко распространены. В самом деле, трудности изучения митоза достаточно велики и без того, чтобы останавливаться на многочисленных его особенностях у различных клеток.

В процессе митоза в клетке обычно происходит существенная перегруппировка ее элементов. Клетки в культуре могут округляться, почти полностью терять контакт с субстратом, лишаться волокон натяжения. Утрата волокон натяжения не является, по-видимому, результатом изменения фосфорилирования винкулина. Во время митоза перестройке подвергается также система промежуточных филаментов. В некоторых клетках виментиновые филаменты формируют во время митоза структуру, окружающую ядерный материал; это сопровождается нередко усилением фосфорилирования виментина. Степень фосфорилированности виментина вновь снижается через 30 мин после начала распластывания клетки. По-другому происходит перестройка клеток, содержащих цитокератины. В некоторых из таких клеток цитокератины образуют тонкие протофиламенты или агрегаты, ассоциированные с цитоскелетом. В телофазе цитокератины вновь формируют пучки фила-ментов. Клетки по меньшей мере одного типа перестраивают аналогичным образом свои виментиновые филаменты. Таким образом, характер перестройки промежуточных филаментов зависит от типа клетки.

Самая сильная перестройка системы микротрубочек происходит в тех клетках, которые округляются в митозе. Развитая система микротрубочек разрушается в них, и вместо нее образуется состоящее из микротрубочек веретено деления. Веретено осуществляет разделение хромосом; объяснить его пространственную организацию и механические свойства с точки зрения биохимии крайне трудно.

В профазе хромосомы конденсируются и вовлекаются в скачкообразное движение в области между двумя центриолями и ассоциированным с ними материалом. Скачкообразное движение хромосом сопровождается аналогичным движением других частиц. Микротрубочки растут от полюсов митоза и имеют одинаковую полярность: с полюсами ассрциирован их медленно растущий конец, тогда как быстро растущий конец располагается дистально. Микротрубочки контактируют с кинетохорами хромосом. Лишь после того, как кинетохоры вступают в контакт с микротрубочками, идущими от обоих полюсов, хромосомы прекращают скачкообразное движение и становятся неподвижными. После фиксации таким способом положения всех хромосом из них образуется метафазная пластинка в экваториальной плоскости веретена. В это время другие частицы, присутствующие в данном районе, продолжают скачкообразное движение. Сразу после разделения сестринских хроматид начинаются два типа движения: 1) хромосомы приближаются к полюсам (анафаза А); 2) полюсы веретена удаляются друг от друга (анафаза В). Простой и ясной связи между этими формами анафазного движения нет; их регуляция осуществляется, вероятно, независимо. Анафазное движение продолжается до тех пор, пока хромосомы не достигнут полюсов; затем хромосомы собираются вместе и начинается формирование ядра.

Механика этого процесса остается загадочной. Скачкообразное движение хромосом в профазе не может осуществляться микротрубочками, которые в это время еще не контактируют с хромосомами. Более вероятно то, что скачкообразное движение хромосом опосредуется ядерным матриксом. Стабилизация в метафазе указывает, очевидно, на существование в это время равновесия действующих сил, т. е. что противоположные полюсы веретена оказывают одинаковое механическое воздействие на каждую отдельную хромосому. Интересно, что если с помощью облучения лазером нарушить связь метафазной хромосомы с одним из полюсов, она немедленно начнет двигаться к другому полюсу, к которому она по-прежнему прикреплена. Предлагаемые модели хромосомного движения в анафазе должны как минимум давать объяснение, во-первых, способности хромосом оставаться неподвижными в ожидании анафазы и, во-вторых, одинаковой полярности микротрубочек в полу-веретене. Описанные результаты были получены сравнительно недавно, их объяснение представляет основную трудность для ряда ранних теорий анафазного движения. Простейшая модель, согласующаяся с этими результатами, предполагает, что механохимическим элементом, функционирующим в анафазе, является кинетохор, перемещающийся вдоль микротрубочек.

Некоторые из ранее предложенных моделей могут быть с большей или меньшей определенностью отвергнуты из-за того, что митотическое веретено не чувствительно ни к цитохалазину, ни к антимиозиновым антителам, ни к препаратам, избирательно действующим на актин. В настоящее время с большей или меньшей степенью уверенности можно отклонить также все модели, постулирующие антипараллельную ориентацию микротрубочек в веретене.

Многие процессы, происходящие во время митоза, требуют энергии. Ингибиторы метаболизма останавливают скачкообразное движение в прометафазе. Расхождение полюсов веретена явно зависит от источников энергии как in vivo, так и in vitro. Сообщалось о том, что движение хромосом к полюсам в препарате лизированных клеток не требует энергии, но, возможно, движение в таком препарате осуществлялось лишь эластическими элементами, судя по тому что оно было более медленным, чем в живых клетках. Роль в веретене элементов цитоскелета, отличных от микротрубочек, в настоящее время только начинает осознаваться. Характер расположения небольших фибриллярных элементов веретена указывает на возможность их участия в хромосомном движении.

Форма клетки зависит от находящихся в данный момент в полимеризованном состоянии элементов цитоскелета. Существуют два экспериментальных подхода к исследованию сборки интерфазного цитоскелета, но каждый из них имеет свои ограничения. Один состоит в том, что в клетки вводится путем микроинъекции флуоресцентно меченный белок, способный участвовать в сборке цитоскелетных структур in vitro. Внутриклеточная локализация этого белка изучается затем с помощью световой микроскопии. Структуры, идентифицированные таким образом, почти никогда не бывают артефактом, поскольку они выявляются также методом иммунофлуоресценции. Метод микроинъекций страдает некоторыми недостатками. С его помощью можно идентифицировать только такие цитоскелетные структуры, у которых происходит обмен мономерами с растворимой фазой. Стабильные структуры, у которых не происходит заметного обмена в течение нескольких часов, таким методом выявить нельзя. Метод микроинъекций не позволяет также различить процессы сборки и обмена. После инъекции сначала видна диффузная флуоресценция, которая затем локализуется в определенных точках; такая картина равно согласуется и с предположением о том, что происходит сборка структур, способных к обмену, и с предположением о том, что инъецированный белок связывается с ограниченным числом связывающих участков. Различать эти возможности позволяет изучение кинетики процесса. Еще один недостаток рассматриваемого метода состоит в том, что на флуоресцентной картине размеры структур кажутся увеличенными по сравнению с действительными. Относительно результатов, получаемых данным методом, заметим также следующее: 1) выявляемые им структуры, как правило, не являются артефактом; 2) скорость, с которой выявляются структуры в опыте, отличается от скорости их формирования в клетке; 3) в некоторых случаях наблюдаемая картина зависит от типа клеток; 4) определенное для микротрубочек направление сборки согласуется с тем фактом, что их быстро растущий конец является дистальным; 5) наиболее подвижная форма актина, которую можно обнаружить в клетках этим методом, имеет большие размеры, чем актиновые мономеры, что указывает на отсутствие в клетке (или присутствие очень небольшого количества) свободного G-актина (указанная форма может представлять собой олигомеры актина или актин, ассоциированный со специфическими белками).

Другой метод, обладающий соответственно иными недостатками, состоит в мечении клеток in vivo метионином и последующем изучении белков с помощью радиоавтографии или биохимически. Значительная доля меченых цитоскелетных белков обнаруживается в составе цитоскелета в районе полирибосом; со временем расположение этих белков меняется, при условии что продолжается белковый синтез. В крупных и симметричных клетках белки перемещаются в виде волны в направлении к центру аналогично медленному транспорту в аксоне. С помощью мечения цитоскелета in vitro показано, что многие из белков связываются с ним нечувствительным к пуромицину образом еще до полного завершения трансляции. Поскольку при применении этого метода клетки экстрагируют в течение нескольких минут, те цитоскелетные белки, обмен которых происходит быстрее, не будут обнаруживаться в соответствующих цитоскелетных структурах.

Похожие материалы:

Цитоскелет и экспрессия генов

Трансформация клеток

Цитоскелет клетки

Химия белков


   
© Медицинские науки. Перепечатка материалов сайта без действующей обратной ссылки запрещена!