Все клетки возникают в результате деления. В процессе митоза, когда хромосомы удваиваются, и разделяются при помощи митотического аппарата, каждая клетка получает полный комплект наследственных «инструкций».
Благодаря размножению клеток жизнь ухитряется обвести вокруг пальца время. При наилучших условиях продолжительность жизни отдельных клеток измеряется днями, неделями, месяцами, самое большое — десятилетиями; и еще до конца отпущенного срока, по мере того как идет время, живое начинает стареть. Однако благодаря размножению клеток время можно повернуть вспять и притом с двойным выигрышем — вместо одной клетки получить две.
Каждая клетка начинает свое индивидуальное существование, будучи наделена всеми задатками своих родителей, и в какой-то момент прекращает это существование, превратившись в две дочерние клетки, которым она передает по наследству все эти задатки в целости и сохранности. Эти дочерние клетки проделывают то же самое, и так может продолжаться до бесконечности — клетка оказывается бессмертной.
Мы займемся здесь идеальным случаем бесконечного размножения клеток, дающих последовательные поколения идентичных особей; однако необходимо заметить, что в живом мире бессмертие не обязательно бывает связано с таким однообразием. В организмах, состоящих из большого числа клеток, некоторые клетки приобретают весьма своеобразные черты и особенности и обслуживают те специальные клетки — зародышевые клетки, на которых лежит обязанность обеспечить непрерывность передачи наследственных задатков из поколения в поколение. Подобные дифференцированные клетки обычно перестают размножаться и поэтому обречены на старение. Кроме того, при размножении клеток происходят иногда и ошибки; эволюция закрепляет эти ошибки — мутации, — и они входят в историю развития организма.
В общей форме цикл размножения клетки заключается в удвоении всех ее составных частей, после чего происходит деление, в процессе которого эти составные части распределяются между дочерними клетками. Самая важная часть этого процесса — воспроизведение тех молекул, в которых заключена генетическая информация, поскольку именно эта часть ответственна за сохранение характера и потенциальных возможностей клеток каждого данного типа. Установление того факта, что самовоспроизводящаяся молекула дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) служит фактором генетической непрерывности, одно из наиболее значительных и решающих достижений современной науки.
Однако описание размножения клеток и организмов нельзя свести к одному лишь удвоению молекул, хотя оно и регулируется этим удвоением. Попробуйте представить себе жирафу, размножающуюся путем расщепления: каждая молекула жирафы должна была бы удвоиться, а получившиеся при этом молекулы распределиться между двумя новыми жирафами — процесс, мягко выражаясь, весьма несуразный. При обычном же способе размножения жирафа производит яйцеклетку, которая способна обеспечить развитие другой жирафы… (Мы опускаем здесь самца, функция которого сводится к тому, чтобы внести в это дело некоторое разнообразие.) Создание новой жирафы связано с размножением клеток, которое также происходит по определенной схеме. Лишь небольшое число молекул, из которых самыми важными являются находящиеся в клеточном ядре гены, способно к подлинному самоудвоению. Эти молекулы не только воспроизводятся, но, кроме того, и регулируют, в каждом поколении наново, создание и «сборку» остальных материалов и структур, образующих клетку.
В подобном способе размножения (характерном для всех клеток животных и растений и для некоторых одноклеточных организмов) особо важное значение имеет то обстоятельство, что генетический материал упакован в нескольких хромосомах. Наблюдать поведение этих хромосом довольно просто, и смысл совершающихся при этом событий также достаточно ясен. В промежутке между двумя клеточными делениями — во время так называемой интерфазы — генетический материал находится в ядре, но в виде очень тонких и сильно растянутых нитей. В обычном микроскопе отдельные хромосомы в этот период неразличимы; не исследованы они достаточно строго и при помощи электронного микроскопа. Продолжительность интерфазы у клеток животных и растений колеблется от 10 до 20 часов.
В течение периода деления, занимающего около одного часа (конечно, с весьма большими отклонениями в обе стороны), генетический аппарат проходит через ряд сложных, но весьма четко различимых изменений. Хромосомы уплотняются в весьма компактные тельца. Ядерная оболочка в большинстве случаев распадается. Хромосомы превращаются в часть митотического аппарата — структуры, определяющей упорядоченность процесса митоза. В масштабе клетки митотический аппарат представляет собой крупное образование. В нем имеются полюсы, к которым стремятся хромосомы, а его экватор устанавливает плоскость, по которой происходит деление клетки. При помощи митотического аппарата хромосомы выстраиваются в определенном порядке. Сначала они перемещаются к экватору. Затем сестринские хромосомы (получившиеся в результате удвоения каждой хромосомы на более ранней стадии) расходятся и направляются к противоположным полюсам. При этом клетка делится по экватору митотического аппарата и получаются две дочерние клетки; каждая из дочерних клеток снабжена полным набором копий всех хромосом, полученных родительской клеткой при делении, в результате которого она возникла.
Затем происходит развертывание хромосом каждой дочерней клетки. Вокруг них образуется новая ядерная оболочка, и как только ее образование закончится, хромосомы оказываются готовы вновь начать всю ту цепь процессов, которая закончится превращением каждой из них в хромосомы двух новых дочерних клеток, причем точно таким же путем, каким возникли они сами.
Согласно идеализированной схеме цикла размножения животной или растительной клетки, клетка делится на две половинки, после чего каждая дочерняя клетка удваивается в размерах (редко выходя за пределы массы, которой достигала родительская клетка в момент деления), а затем делится. Деление создает условия для роста; рост завершается делением. Поэтому было вполне логично допустить, что существует причинная связь между делением и ростом до некоторой критической массы. К сожалению, нам приходится отказаться от этого допущения, поскольку углубленные исследования показали, что клетка может начать деление и не удвоив свою массу. Итак, остается предположить, что некоторые явления, происходящие в период между делениями, можно рассматривать как специфическую подготовку к этому процессу. Проделав эту подготовку, клетка может начать делиться, если даже в ней не произошло обычного удвоения других составных частей. В таком случае, рассматривая деление, мы не вправе ограничиться периодом, когда клетка действительно делится, поскольку возможно, что некоторые важнейшие события происходят в ней заранее. В чем же состоит подготовка к делению?
Теперь нам хорошо известно, что в животных и растительных клетках подлинное удвоение генетического материала — воспроизведение ДНК — происходит только в период между двумя делениями. Это легко показать экспериментально: популяции клеток в течение короткого времени дается какое-нибудь вещество (обычно тимидин), меченное радиоактивными изотопами, которое включается во вновь образующуюся ДНК. Вновь синтезированную ДНК можно обнаружить только в ядрах клеток, находящихся в интерфазе, но не в делящихся клетках. Дальнейшее совершенствование этих экспериментов позволило установить, что синтез ДНК занимает лишь часть периода между делениями.
Если данной клетке не суждено дальнейшее деление (это касается клеток многих специализированных тканей, например, мышечной и мозговой), то синтез ДНК не начинается. Начавшись же, этот синтез, как правило, доходит до конца; иными словами, первоначальное количество ДНК удваивается. Менее строго выполняется другое правило: если клетка предпринимает синтез ДНК, то это приводит не только к удвоению количества ДНК, но обычно и к делению клетки. Г. Куастлер и Ф. Шерман, изучая клетки кишечника крысы, показали, что каждая клетка в течение первых нескольких часов после деления делает выбор: либо она начинает синтез ДНК и в таком случае будет вновь делиться, либо она избирает карьеру дифференцированной клетки и это означает, что она уже больше никогда не разделится. Механизм, регулирующий этот «выбор», еще не выяснен. Это весьма прискорбно, поскольку этот механизм, несомненно, играет одну из первых ролей в поддержании равновесия между клеточным делением и дифференцировкой, а, следовательно, и в тех нарушениях этого равновесия, которые приводят к злокачественному росту.
Воспроизведение хромосом приводит лишь к образованию клетки с двойным набором хромосом. Для того чтобы получилось две клетки, эти хромосомы должны расположиться по экватору, лежащему между двумя полюсами, после чего сестринские хромосомы расходятся к противоположным полюсам. У многих, возможно даже у всех, клеток полюсы, предначертывающие перемещение хромосом, — не абстракция, а вполне реальные, и притом весьма интересные, физические частицы. Более того, перемещение хромосом зависит от существования вполне определенных физических связей между хромосомами и этими частицами.
В животных клетках, где всегда можно обнаружить такие частицы, их сначала весьма удачно назвали полярными тельцами, однако обычно их называют центриолями. В первое время асе наши знания о центриолях сводились к тому, что они представляют собой мелкие округлые тельца, которые можно выявить соответствующими методами окрашивания. Исследование их внутренней структуры стало возможным только после появления электронного микроскопа. В 1956 г. В. Бернар и Э. де Харвен описали центриоли делящейся клетки как цилиндрические тельца длиной 0,3—0,5 микрона и около 0,15 микрона в диаметре, стенки которых состоят из тонких, параллельно расположенных структур, имеющих вид трубочек. Эти же частицы могут, по-видимому, выполнять и другие функции, а не только служить полюсами при митозе; например, тельца, лежащие у основания ресничек и жгутиков, имеют в основном такое же строение.
Следует сознаться, что в растительных клетках центриоли найдены не были. Тем не менее, поскольку в растительных клетках встречаются все нормальные и аномальные проявления митоза, которые можно объяснить на основании всего того, что нам известно о центриолях животных клеток, некоторые цитологи считают, что подобные частицы будут обнаружены и у растений.
Итак, одна из предпосылок деления, по крайней мере в животных клетках, заключается в появлении центриолей. Наиболее важная черта появления центриолей состоит в том, что оно представляет собой процесс размножения: центриоли — постоянные структуры, способные к самовоспроизведению. Центриоли обычно представляют собой парное образование, причем две центриоли, принадлежащие к одной паре, обычно располагаются под прямым углом друг к другу. Клетка наследует одну из этих пар и затем воспроизводит другую пару.
Сроки и последовательность происходящих при этом событий нам до некоторой степени известны. Эксперименты, проведенные в нашей лаборатории в Калифорнийском университете, показали, что меркаптоэтанол (этиловый спирт, в котором один атом кислорода замещен серой) блокирует митоз, если воздействовать им на клетки до того, как хромосомы расположатся вдоль экватора и начнут перемещаться. Если блокировать митоз в течение достаточно длительного времени, а затем снять воздействие, то каждая клетка разделится уже не на две, а на четыре клетки. Наблюдая за процессами, происходящими в таких блокированных клетках, можно заметить, что каждый полюс расщепляется надвое, в результате чего образуется четыре полюса и клетка делится на четыре части. Когда четыре дочерние клетки пытаются начать деление, это им сначала не удается, так как их митотический аппарат имеет лишь один полюс. (Они выходят из положения, проделав еще один цикл размножения центриолей, после чего становятся способными к нормальному делению.) Проще всего объяснить эти эксперименты следующим образом. В норме полюсы митотического аппарата представляют собой парные образования: два реально представленных в клетке полюса потенциально содержат четыре полюса. При задержке деления с помощью меркаптоэтанола две единицы, имеющиеся на каждом полюсе, разделяются; четыре потенциальных полюса превращаются в реальные полюсы деления на четыре клетки.
Эти эксперименты свидетельствуют также о том, что меркаптоэтанол не подавляет расхождения существующих центриолей, а блокирует образование новых. Используя эти сведения, нам удалось подтвердить распространенное мнение, что удвоение центриолей происходит задолго до начала деления. Мы предположили, что если деление на четыре клетки, происходящее после воздействия меркаптоэтанолом, означает наличие четырех потенциальных полюсов, то, воздействовав меркаптоэтанолом раньше, до удвоения центриолей, мы получим деление лишь на две клетки. Так оно и оказалось. Производя эксперименты по строго продуманной схеме, мы сумели установить, на какой именно стадии два потенциальных полюса превращаются в четыре. Было установлено, что решающее событие в создании новых центриолей происходит задолго до данного деления, а именно на протяжении последнего периода предшествующего деления.
На основании этих экспериментов мы приходим к выводу, что парность центриолей связана со способом размножения, который можно назвать созидательным. В молекулярном масштабе центриоль представляет собой крупное трехмерное тело; трудно представить себе, чтобы такое тело создавало свою точную копию, подобно тому как это делает нить ДНК. Однако возможно, что первый шаг состоит в воспроизведении какой-то одной молекулы, которая содержит всю информацию, необходимую для построения новой центриоли, точно так же как первый шаг в размножении сложного вируса — это воспроизведение молекулы нуклеиновой кислоты, которая затем собирает вокруг себя все остальные структуры, необходимые для создания зрелой вирусной частицы. Коль скоро между зарождением новой центриоли и завершением ее развития должно пройти некоторое время, парность этого образования можно считать отображением сосуществования в ней двух поколений. А это вызвало предположение, что если бы мы могли наблюдать образование новых центриолей, то мы, вероятно, увидели бы вполне развитые центриоли и растущие подле них центриоли нового поколения. Именно это и наблюдал Дж. Голл. Интересно отметить, что размножение центриоли происходит путем отпочковывания дочерней частицы от материнской; но что совсем удивительно, так это то, что новая частица всегда вырастает под прямым углом к старой.
Закончив размножение, центриоли расходятся в разные стороны. Их расхождение создает в клетке поляризацию, необходимую для митоза. Как только мы установили местоположение полюсов, мы можем сказать, куда направятся хромосомы и по какой плоскости произойдет разделение клетки. В клетках некоторых животных центриоли расходятся задолго до деления; в других же клетках расхождение происходит внезапно, как раз перед началом митотического перемещения хромосом. Внешне расхождение центриолей напоминает отталкивание: полярные частицы расходятся в разные стороны по прямой линии. Измерения, произведенные Э. Тэйлором, показали, что в клетках тритона это движение происходит с постоянной скоростью, равной примерно 1 микрону в минуту. Сравнение с отталкиванием не следует понимать буквально. Точнее было бы сказать, что полюсы разводятся в разные стороны растущими нитями, которые продолжают соединять полюсы и которые все вместе носят название веретена. Морфология веретена описана достаточно точно, однако до сих пор не установлено, каким образом в результате роста веретена возникает реальное движение центриолей.
План митоза в основных чертах ясен. Необходимая точность обеспечивается весьма своеобразным биологическим путем. Происходит точное удвоение центриолей, и продукты этого удвоения расходятся, образуя два полюса — не больше и не меньше. Происходит точное воспроизведение хромосом, и сестринские хромосомы переносятся к сестринским полюсам. Все остальное — дело сложной молекулярной механики, которую мы только-только начинаем постигать.
Поскольку во время акта митоза совершается некоторая работа, он требует также затраты определенного количества энергии. Результаты экспериментов наводят на мысль, что необходимая для деления энергия накапливается заранее. В период подготовки клетки к делению можно задержать деление, лишив клетку кислорода или вызвав отравление окислительных ферментов окисью углерода. Однако это возможно лишь до известного момента — примерно до того, как хромосомы начнут уплотняться; после же этого никаким подавлением окислительных процессов нельзя остановить деление. М. Сванн пришел к выводу, что в число мероприятий, подготовляющих деление, входит наполнение «энергетического резервуара», способного удовлетворить все требования митоза. Установление химической природы этого энергетического резервуара — одна из важных проблем, связанных с изучением клеточного деления.
Как только заканчивается эта подготовка на молекулярном уровне, клетка обычно может вступить в митоз. Требуется ли еще какой-то специальный толчок или же роль такого толчка выполняет последний из ряда процессов синтеза, участвующих в подготовке к делению, — этого мы пока не знаем; так или иначе, нам неизвестны случаи, когда клетки застревали бы на пороге деления.
Если сущность митоза заключается в перемещении сестринских хромосом к сестринским полюсам, то неизбежно возникает проблема установления связей между хромосомами и полюсами. Однако установлению этих связей предшествует коренная перестройка всей структуры клетки — профаза, представляющая собой стадию мобилизации к действию.
Хромосомы уплотняются в видимые под микроскопом нити. Предполагается, что это уплотнение достигается за счет свертывания хромосомных нитей в компактные спирали, после чего они свертываются в спираль второго порядка. Именно этот план строения — спираль, свернутая спиралью, — столь часто встречается в исследованиях на молекулярном уровне. Хотя внутренние механизмы спирализации второго порядка неизвестны, ее значение достаточно ясно. В результате этого процесса клубок длинных и тонких нитей превращается в плотные образования, которые легко перемещаются, не запутываясь. Если всю ДНК, содержащуюся в ядре клетки человека, вытянуть в одну тонкую нить, то длина этой нити достигнет 10 миллионов микронов, т. е. 1 метра. Упакованная же в хромосомы ДНК умещается в два набора по 46 хромосом, причем длина каждой хромосомы составляет всего несколько микронов.
У многих клеток к концу периода, в течение которого хромосомы свертываются в спираль, ядерные оболочки разрушаются. Легко понять, что смысл этого разрушения состоит в устранении преграды, лежащей на пути хромосом к полюсам; труднее объяснить те случаи, когда оболочка сохраняется.
В это же время начинается «сборка» митотического аппарата. Мы уже описывали образование полюсов. Они определяют «станцию назначения» хромосом. Между полюсами и вокруг ядра нередко можно различить скопление материала, пока еще весьма рыхлое, из которого впоследствии возникнет митотический аппарат. В чисто описательном плане мы вправе утверждать, что вещества, из которых строится митотический аппарат, первоначально бывают разбросаны по всей клетке, а затем собираются и организуются под влиянием центриолей; однако мы ничего не знаем о том, каким образом это происходит. При наблюдении за клетками некоторых типов создается впечатление, что материал будущего митотического аппарата собирается в ядре.
Только теперь, т. е. после того как образовались четко выраженные хромосомы, установлены полюсы деления и скомпоновался материал, необходимый для построения митотического аппарата, все это может вступить в действие. Хромосомы подпадают под регулирующее влияние полюсов и начинают перемещаться. Мы описываем этот кульминационный момент так бегло лишь потому, что знаем о нем слишком мало; на самом же деле в нем заключена самая сокровенная тайна митоза.
Для правильного выполнения всех маневров, происходящих во время митоза, необходимо неукоснительное соблюдение следующего правила: все хромосомы должны собраться у полюсов, однако две сестринские хромосомы ни в коем случае не должны очутиться у одного полюса. Наблюдения над митозом заставляют предполагать, что между центриолями и хромосомами образуются физические связи; мы будет называть их нитями, не уточняя их свойств. Кроме того, необходимо упомянуть об особом тельце центромере или кинетохоре; он служит точкой присоединения хромосомы к нити, связывающей ее с соответствующим полюсом. Местоположение кинетохора на каждой хромосоме постоянно: нередко мы говорим, что хромосома имеет форму V или J, поскольку во время митоза она ведет себя так, как будто ее тащат на нити, прикрепленной к ее середине или к одному из ее концов. Это ясно показывает, что кинетохор — та часть хромосомы, которая принимает активное участие в митозе; остальная же часть хромосомы пассивно следует за ним. Однако мы не располагаем подробными сведениями об этом интересном тельце.
Движение хромосом после установления полюсов делится на два этапа. Сначала спаренные сестринские хромосомы располагаются по экваториальной пластинке, определяемой полюсами, затем они разделяются и расходятся к полюсам. Все это очень напоминает кукольный театр, в котором актеры дергают кукол за ниточки (хотя, конечно, аналогия эта чисто поверхностная). Сестринские хромосомы, которые еще не разошлись и, таким образом, связаны с обоими полюсами, располагаются на экваториальной пластинке (т. е. образуют метафазу) под влиянием натяжения равной силы, исходящего от обоих полюсов. Когда эти спаренные хромосомы расходятся, то под влиянием того же натяжения они направляются к двум противоположным полюсам.
Разделение сестринских хромосом и их перемещение к полюсам — анафазное перемещение — за последние годы было подробнейшим образом изучено благодаря развитию микроскопии, методов киносъемки, усовершенствованию изучения под микроскопом живых клеток и, главное, большому терпению исследователей. Путь, проделываемый хромосомами, в масштабах клетки довольно велик — от 5 до 25 микронов. Скорость перемещения равна примерно 1 микрону в минуту. Хромосомы перемещаются по прямым линиям и обычно сходятся у полюсов. Нередко по мере приближения хромосом к полюсам сами полюсы еще более расходятся, увлекая за собой хромосомы. Обычно, хотя и не всегда, движение хромосом к полюсам предшествует дальнейшему расхождению полюсов. У изумленного наблюдателя создается впечатление, что сначала хромосомы притягиваются к полюсам, а затем расходящиеся полюсы тянут их за собой. Это впечатление усиливается формой перемещающихся хромосом: очень часто они принимают именно такую форму, какой мы могли бы ожидать для любого гибкого тела, протаскиваемого сквозь жидкую среду за нитку, привязанную к одной ого точке.
Многое из того, что здесь говорилось, носит характер простого описания; тем не менее из всего этого можно сделать некоторые выводы. Намечается довольно определенная схема, лежащая в основе деления весьма разнообразных клеток и обеспечивающая условия, необходимые для соответствующего распределения генетического материала. Значение каждой структуры и каждой стадии в их взаимосвязи со всеми остальными довольно ясно, и последствия любого отклонения можно предсказать заранее. Описание не всегда сводится к «простому описанию». И все же оно оказывается «простым описанием» в свете задач современной биологии, стремящейся к тому, чтобы объяснить на молекулярном (а также субмолекулярном и супрамолекулярном) уровне именно те биологические процессы, которые, подобно передаче наследственных признаков или митозу, уже достаточно хорошо изучены в биологическом отношении.
Изучение митоза на молекулярном уровне — далеко не безнадежная проблема, поскольку происходящие при этом сложные процессы воплощены в определенном структурном образовании — митотическом аппарате, который можно рассматривать как специальное орудие для осуществления митоза. Мы можем подойти к изучению физики и химии митоза, исследуя процесс формирования, структуру и изменения митотического аппарата, но при этом не следует забывать, что митоз — это функция, в которой участвует вся клетка.
Рассмотрим вполне сформировавшийся митотический аппарат на решающей стадии митоза — в метафазе, когда хромосомы выстроились вдоль экватора, но еще не начали перемещаться к полюсам. В обычный микроскоп можно видеть хромосомы, лежащие на веретене — образовании, расположенном между полюсами; считается, что веретено состоит из нитей, соединяющих полюсы друг с другом, нитей, присоединяющих хромосомы к полюсам, и: из матрикса довольно неопределенной природы. В животных клетках полюсы окружены радиальными образованиями, которые были удачно названы звездами. Митотическое веретено разные исследователи представляли себе как гель, как определенное образование несколько большей «жесткости» или как рыхлое переплетение макромолекул, имеющих форму цепи или же сложенного «гармошкой» листа. Как показали Дж. Карлсон и другие, митотическое веретено можно с помощью микроманипулятора передвигать по клетке. Нередко веретено выглядит прозрачным на более мутном фоне. Это заставляет предполагать, что при образовании веретена крупные цитоплазматические частицы, например, митохондрии, вытесняются в другие участки клетки; такое предположение подтверждается данными электронной микроскопии. Поляризационный микроскоп позволяет обнаружить, что молекулярные компоненты веретена ориентированы вдоль оси, соединяющей противоположные полюсы; это соответствует представлению о «нитях», соединяющих полюсы друг с другом и с хромосомами. Последние достижения электронной микроскопии — в частности успехи в изготовлении препаратов фиксированных клеток для изучения в электронном микроскопе — дают дальнейшие доказательства справедливости такого представления. На изображениях, полученных К. Портером, а также Бернаром и де Харвеном, можно различить тонкие прямые нити, обычно двойные, а иногда соединенные в пучки, которые тянутся от кинетохора к участкам близ центриолей. Эти нити иногда описывают как трубочки диаметром около 150 ангстремов. Однако подобное описание касается только картин, получаемых в электронном микроскопе, и вовсе не означает, что мы действительно имеем дело с полыми трубочками. Это и есть те нити, которые укорачиваются при перемещении хромосом к полюсам и вытягиваются при расхождении полюсов в противоположные стороны. Мы склонны приписывать им важное значение в перемещении хромосом. Однако в целом картина остается, к сожалению, очень неполной.
Совершенно очевидно, что анализ митоза на молекулярном уровне не может быть осуществлен до тех пор, пока мы не узнаем кое-что о молекулах, из которых построен митотический аппарат. Наиболее прямой путь получения таких сведений состоит в том, чтобы выделить митотический аппарат из делящихся клеток. Для этого необходимо располагать большим количеством делящихся клеток, что вполне возможно. Морские организмы, например, морские ежи, откладывают множество яиц. Если такие яйца оплодотворить в лаборатории, смешав их со сперматозоидами, то они начинают синхронно делиться. При этом в распоряжении экспериментатора оказывается так много делящихся клеток, что количество их можно измерять в граммах.
Однако митотический аппарат — трудноуловимое образование. Поскольку он формируется только на время деления, исчезая после завершения этого процесса, он не представляет собой постоянного органа клетки. Пытаясь выделить митотический аппарат, мы тут же сталкиваемся с его химической неустойчивостью: при самых различных условиях выделения он попросту исчезает. В 1952 г. К. Дану и автору настоящей статьи удалось выделить митотический аппарат. С самого начала не вызывало сомнений, что невозможно выделить митотический аппарат, не нанеся ему при этом химических повреждений; все наши поиски более совершенных методов были направлены на то, чтобы постараться свести эти повреждения к минимуму.
Мы старались понять, почему структура, сохраняющая свою форму и целостность в клетке, оказавшись вне клетки, становится совершенно бесформенной. Напрашивался вывод, что внутренняя среда клетки обеспечивает определенные условия, предохраняющие митотический аппарат от деформации. На основании данных о том, что дисульфидные связи играют важную роль в поддержании целостности митотического аппарата в клетке, я путем довольно сложных рассуждений пришел к заключению, что такую защитную функцию сможет выполнить соединение, содержащее дисульфидные связи. Была сделана попытка использовать с этой целью дитиодигликоль (HOCH2CH2S — SCH2CH2OH). Дж. Митчисон и автор установили, что добавление дитиодигликоля к среде из сахарозы или
декстрозы дает возможность сохранить стабильность митотического аппарата; для того чтобы в такой среде выделять митотические аппараты, достаточно было просто разрушить клетки. Дальнейшую очистку выделенных аппаратов производили, отмывая их в той же самой среде. В нашей текущей работе, проводимой в Калифорнийском университете, мы в большинстве случаев пользуемся именно этим методом выделения. Что же нам удалось выяснить, изучая такие изолированные митотические аппараты в течение 8 лет? Читатель, который надеется узнать, каким образом перемещаются хромосомы, может не утруждать себя дальнейшим чтением этой статьи. Нам удалось кое-что узнать относительно типа молекул, имеющихся в этом аппарате, и их взаимного расположения; вероятно, до тех пор пока мы будем изучать изолированные части клетки, мы и не сможем рассчитывать на большее.
Митотический аппарат содержит большое количество белка. Дж. Росланский и автор установили, что в нем заключено около 10% всего белка, содержащегося в дробящемся яйце морского ежа. Синтезируется ли этот белок во время деления или же он образуется в клетке заранее, а во время деления происходит только «сборка» отдельных элементов митотического аппарата? Г. Вент попытался исследовать эту проблему иммунологическим методом; он решил выяснить, содержат ли выделенные митотические аппараты какие-либо белки (обнаруживаемые по их антигенным свойствам), которых не было в клетке до деления. До сих пор таких антигенов обнаружить не удалось, и это позволяет нам считать, что синтез белков, образующих митотический аппарат, должен предшествовать делению. Для того чтобы стало возможным деление, клетка должна обеспечить наличие этих молекул.
А. Циммерман тщательно изучил белки митотического аппарата. Картина оказалась удивительно простой: судя по этим данным, все белки, входящие в состав изолированных митотических аппаратов, принадлежат к одному-единственному типу. Однако, разумеется, в митотическом аппарате должны присутствовать (в меньших количествах) также и многие другие белки.
В митотическом аппарате содержится также рибонуклеиновая кислота (РНК), причем большая часть этой РНК, по-видимому, соединена с белком преобладающего типа. Функция ее остается загадочной. РНК обычно связана с синтезом белка, однако митотический аппарат, по-видимому, не синтезирует белка. Возможно, что РНК, содержащаяся в митотическом аппарате, имеет отношение к «сборке» всей этой структуры, а не только составляющих ее молекул. Очень соблазнительно предположить, что генетическая информация необходима не только для формирования отдельных «строительных блоков», но и для построения из этих блоков клеточных структур.
Наши недавние исследования показали, что митотический аппарат содержит также значительные количества липидов — жировых молекул, играющих большую роль в структурах других типов, например, в наружных и внутренних мембранных системах клетки, в митохондриях и т. п. Возможно, что множество пузырьков, мембран и трубчатых структур, которые видны на электронных микрофотографиях митотического аппарата, отражает именно это присутствие липидов.
В своих первых экспериментах мы руководствовались гипотезой, согласно которой отдельные молекулы в митотическом аппарате связаны между собой дисульфидными мостиками — химическими связями, соединяющими атомы серы двух соседних белковых молекул. Мы предполагали, что «сборка» митотического аппарата сводится к образованию таких мостиков. Однако в результате последующих работ, в частности исследований лаборатории Дана в Токио, оказалось, что главная роль принадлежит не дисульфидным мостикам, т. е. не полностью окисленным дисульфидным связям (подобным тем, которые образуются в таких стабильных структурах, как волос или вулканизированный каучук), а связям несколько иного типа, в которых, однако, также участвуют серосодержащие группы. Используя метод, основанный на специфическом соединении одного окрашенного вещества с сульфгидрильной группой (— SH-группа) белков, Дан и один из его учеников, Н. Кавамура, сумели показать, что «сборка» митотического аппарата заключается в накапливании в районе центриолей белков, особенно богатых сульфгидрильными группами; в период анафазы, когда хромосомы перемещаются к полюсам, эти сульфгидрильные группы исчезают и появляются вновь лишь при следующем делении. Нам очень хотелось бы установить связь между этим накоплением белков, богатых сульфгидрильными группами, и «сборкой» митотического аппарата, а также выяснить, не связано ли исчезновение этих групп (происходящее, возможно, в результате окисления) с химическими процессами, обусловливающими перемещение хромосом. Мы испытываем танталовы муки, располагая столь многочисленными доказательствами важной роли серосодержащих групп в митозе и не имея никакого представления о том, в чем же состоит эта роль.
Химические процессы, связанные с движением биологических систем, в последнее время непрестанно интригуют биологов. Наибольшее распространение получила мысль о том, что это движение каким-то образом обусловливается реакцией двигательной системы с аденозинтрифосфатом (АТФ) и отщеплением от АТФ фосфатных групп. Считается, что все белки, участвующие в движении, — а не только белки, содержащиеся в мышечной ткани,— взаимодействуют с АТФ и вызывают его расщепление. Однако при выделении митотического аппарата из клетки старыми методами не удавалось получить материал, способный к такому взаимодействию. Используя новую среду из сахарозы с добавлением дитиодигликоля, Р. Айверсон, Р. Чаффи и я выделили из митотических аппаратов активный фермент, расщепляющий АТФ. Проведенные до сих пор исследования подтверждают предположение, что белки митотического аппарата, подобно сократительным белкам мышцы, взаимодействуют с АТФ и расщепляют его.
Наше стремление к установлению единства может толкнуть нас еще на один шаг. Мы можем задать себе вопрос: а не представляет ли собой митотический аппарат систему сократительных волокон — миниатюрную мышцу? Нити, соединяющие между собой хромосомы и полюсы, а также нити, идущие от одного полюса к другому, давно уже были обнаружены на препаратах мертвых клеток при наблюдении в обычный, а позднее и в электронный микроскоп; однако до тех пор пока эти нити не удалось увидеть в живой делящейся клетке, их можно было считать артефактами, связанными с изготовлением препаратов. Теперь, после наблюдений над живыми клетками, которые произвел Ш. Инуэ при помощи специально сконструированного им для этой цели поляризационного микроскопа, не остается сомнений, что нити митотического аппарата действительно существуют.
Однако на грубом представлении о системе сократительных нитей далеко не уедешь. Нити, соединяющие хромосомы с полюсами, укорачиваются до ничтожной части своей первоначальной длины, а может быть, и настолько, что попросту исчезают. Нити, соединяющие между собой разные полюсы, удлиняются иногда весьма значительно. По мере укорочения или удлинения нити не становятся ни толще, ни тоньше; не становятся они при этом и менее прямыми. Нити, видные при помощи электронного микроскопа, по-видимому, сохраняют прежний диаметр, хотя они становятся короче или длиннее. Невольно возникает вопрос, не представляет ли собой «сокращение» нитей митотического аппарата укорочение, вызванное удалением каких-то молекул, а удлинение — рост в одном измерении, т. е. добавление молекул. Необходимо выяснить, не может ли удаление или добавление молекул происходить таким образом, чтобы нити могли при этом тянуть за собой некоторую массу или, напротив, толкать ее перед собой. При помощи модели, предложенной Инуэ, можно попытаться объяснить и самый процесс роста. Он считает, что молекулярные элементы митотического аппарата могут находиться в двух состояниях: упорядоченном (волокнистом) и неупорядоченном. Переход из одного состояния в другое определяется смещением некоторого равновесия, и относительное количество материала, находящегося в упорядоченном состоянии, изменяется в соответствии с условиями в клетке в целом.
Как только хромосомы разделились на две группы, начинается образование двух интерфазных ядер, т. е. возникновение ядерной оболочки и тонких вытянутых хромосом. Сведения, которыми мы располагаем относительно восстановления ядер, очень немногочисленны. Так, на основании электронно-микроскопических наблюдений создается впечатление, что ядерные оболочки не возникают совершенно заново, а образуются из фрагментов мембранного материала, имеющихся в клетке.
Наиболее интересное событие в клеточном делении, которое можно наблюдать даже под лупой, это перетягивание животной клетки пополам или же появление в растительной клетке как бы из ничего перегородки между двумя ядрами, только что закончившими митоз. Для объяснения этих явлений предлагали самые хитроумные теории; высказывалось, например, предположение, что поверхность клетки образует по экватору сократительное кольцо или что поверхность клетки разрастается и вдавливается вдоль экватора.
Удовлетворительная теория должна объяснить, каким образом полюсы митотического аппарата определяют заложение новой клеточной оболочки у экватора независимо от того, происходит ли это в результате втягивания уже имеющейся оболочки или же образования перегородки внутри клетки. Как показал недавно К. Кавамура, смещение митотического аппарата в сторону или поворот его на 90° влечет за собой соответствующий сдвиг плоскости деления. Между тем в завершении акта деления митотический аппарат непосредственного участия не принимает. И. Хирамото удалось удалить митотический аппарат из дробящихся яиц морского ежа, буквально высосав его из клетки при помощи очень тонкой пипетки, управляемой микроманипулятором. Если митотический аппарат удаляли за некоторое время до начала деления тела клетки, то дробления не происходило. Если же его удаляли непосредственно перед делением, в момент расхождения хромосом к полюсам, то дробление шло своим чередом. В свою очередь деятельность митотического аппарата не зависит от хромосом. Об этом свидетельствуют результаты различных экспериментов по удалению хромосом, после которого митотический аппарат продолжал все свои превращения.
Рассказ о митозе и клеточном делении звучит скорее в духе либретто какой-нибудь итальянской оперы, нежели как страница из Эвклида. Размножение клетки не есть некий определенный, единый процесс, и его нельзя описать некоторым уравнением. Сущность его состоит в удвоении всех потенциальных возможностей клетки — создании удвоенности. Удвоенность состоит не только в увеличении количества вдвое, но также в обеспечении возможности разделения на две самостоятельные единицы. Как мы убедились выше, удвоение всех молекул происходит задолго до митоза, и только после этого из материала одной клетки образуются две клетки.
Биологическое увеличение в своей основе представляет собой процесс, масштабы которого ограничиваются удвоением. Степень роста каждой отдельной клетки имеет известные пределы. Предел роста, по-видимому, связан с тем, что одно ядро может управлять лишь ограниченной массой живого вещества. Это ограничение не вызывается исчерпанием потенциальных возможностей клетки к росту: если после достижения клеткой ее максимальных размеров ампутировать часть клеточного материала, то клетка вновь начнет расти до этого максимума, но не больше. Количество генетического материала растительной или животной клетки (измеряемое количеством содержащейся в ней ДНК) может увеличиться лишь вдвое, причем дальнейшее увеличение возможно лишь после того, как хромосомы пройдут цикл митоза. При повреждении митотического аппарата химическими веществами, например, колхицином, расщепившиеся хромосомы не расходятся, а продолжают оставаться в одном ядре. Образующаяся при этом «полиплоидная» клетка может расти до размеров, пропорциональных числу наборов хромосом, которые она содержит. Если митоз протекает нормально, но клеточного деления не происходит, то образуется клетка с двумя ядрами, которая может достигать размеров, вдвое больших по сравнению с нормой. Если весь цикл деления протекает нормально, то каждая из дочерних клеток может расти до достижения размеров родительских клеток.
Автор: Д. Мэзия