Клеточное ядро: от прозрачного пузырька, увиденного Робертом Броуном, до сложной системы клеточных компьютеров с сотнями тысяч генов-процессоров

КЛЕТОЧНОЕ ЯДРО: ОТ ПРОЗРАЧНОГО ПУЗЫРЬКА, УВИДЕННОГО РОБЕРТОМ БРОУНОМ, ДО СЛОЖНОЙ СИСТЕМЫ КЛЕТОЧНЫХ КОМПЬЮТЕРОВ С СОТНЯМИ ТЫСЯЧ ГЕНОВ-ПРОЦЕССОРОВ Мосолов А.Н.

Однажды туманным утром 1830 года ботаник Р. Броун, в то время известный как физик, открывший броуновское движение, пригласил заглянуть в микроскоп, пока неизвестного Ч. Дарвина. Склонившись над окуляром, Дарвин спросил: «Роберт, а что я должен здесь увидеть?» — А об этом, сэр, Вы прочтете в моих письмах Королевскому обществу, — заявил крайне осторожный Броун. Конечно, это было клеточное ядро.

С тех пор, вот уже 175 лет не прекращается гигантская гонка по выяснению структурно-функциональной организации клеточного ядра! Я лично включился в эту гонку совершенно случайно в мае 1965 г. Будучи тогда еще микробиологом и вирусологом. В те давние годы я постоянно имел дело с живыми клетками человека и млекопитающих в культуре. Уже тогда понял, что реальная картина строения клеточного ядра ничего общего не имеет с общепринятыми представлениями официальной науки, полученными на основе изучения убитого и разрушенного ядра, а также раздавленных хромосом.

В основу наших теоретических построений был взят крылатый афоризм микробиолога, лауреата нобелевской премии Жака Моно: «Что верно для бактерии — верно для слона». И на его основе был построен эволюционный путь от прокариотной до эукариотической клетки (Рис. 1).

C точки зрения нашей эволюционной схемы, получается, что название прокариоты (доядерные) ошибочно. Для сохранения эволюционной правды их необходимо назвать протокариоты (первичноядерные), поскольку жизнь клетки не может осуществляться без наследственной программы. Если мы принимаем идею, что бактерия — «клетка-ядро», то легко завершаем старинную концепцию симбиогенеза тем, что, наконец, определяем главную загадку концепции — откуда в клетке взялось клеточное ядро. Это одна из бывших бактерий! Казалось бы мелочь? Но на самом деле эта «незначительная» поправка выводит многие ранее неразрешимые проблемы кариологии из векового тупика.

Рис. 1. Схема происхождения клеточных мембран, построенная на основе динамической мембранной модели.

Прежде всего, удалось восстановить прямую эволюционную связь между структурами бактерий и клетками высших организмов. Не только человек и обезьяна имеют общих предков, как показал еще Ч. Дарвин, но даже бактерия и человек, если углубится в эволюционную историю, также имеют родственные структуры. Последующие годы показали, что данный подход оказался продуктивным. (Мосолов А.Н. 1968; 1970; 1971; 1973; 1978; 1980; 2005).

Вместе с тем основная масса исследователей продолжали работать на основе прежних представлений. Особенно ярко тупиковое представление старых подходов проявилось в фиаско по расшифровки генетической программы человека, о чем я предупреждал задолго до всеобщего конфуза (Мосолов А.Н., 1980; 1993).Это была «расшифровка того, не зная чего». Во всей этой истории меня всегда удивляло то обстоятельство, что безоговорочную поддержку в моих исканиях я всегда получал от генетиков старой школы. Таких как Р. Л. Берг, Н.В. Тимофеев-Ресовский и, конечно, академик Н. П. Дубинин. Больше всего поражала всегда отрицательная позиция молодых молекулярных генетиков. За что они и поплатились в гонке по «расшифровке генома человека». Главным итогом исследовательского бума расшифровщиков стало понимание, что, наконец, тихо завершилась эпоха-наива молекулярной биологии. Молекулярным «алхимикам» вновь не удалось открыть формулу «эликсира жизни». И это не случайно. Оказалось, кроме химического языка, необходимо понять более сложный язык, который использует в своей деятельности генетический аппарат каждой клетки и всего организма эукариотов. Для его изучения гомогенизатор и центрифуга противопоказаны. Впрочем, как и многочисленные другие убийственные для клетки методы. Молекулярные генетики-дешифровальщики провалились в собственную яму непонимания проблемы.

Необходим переход от изучения первобытного «языка жестов» генов прокариотов на структурно-функциональный язык биологических полей клетки и организма. Эта проблема требует новых биофизических и биотопологических подходов в понимании динамической структурно-функциональной организации главной системы одноклеточных и многоклеточных эукариотов, каковым является их генетический аппарат, организованный в виде клеточного ядра. Такова главная современная проблема кариологии.

Создание эукариотных организмов резко усложнило задачи эволюции. Прежде всего, требовалось увеличение линейных размеров наследственной программы на несколько порядков. Это привело к колоссальным трудностям, в смысле, компактизации носителя наследственной программы при условии наличия надежных механизмов процессинга и безошибочной сегрегации копий генома в бесконечной череде поколений эукариотических клеток. Достаточно напомнить, что на каждое клеточное ядро современного организма, имеющее диаметр всего ~ 10 мкм, приходится ~ 2 метров ДНК, организованной в несколько десятков хромосом. И все это удваивается с каждым клеточным делением! Таковы грандиозные топологические задачи ставшие перед Природой на пути от прокариотов к эукариотам. Каким же образом эти проблемы решала Природа?

Рис. 2. Схема функциональной организации генетического аппарата и взаимодействия его механизмов в различных состояниях клеточного ядра.

Прежде всего, рассмотрим принципиальную схему генетического аппарата, входящего в каждое клеточное ядро. Обычно считают, что это лишь ДНК в комплексе с ядерными белками, пребывающая в виде компактного гетерохроматина и свободного эухроматина. Но ДНК лишь носитель информации. Для её реализации клеточное ядро должно обладать рядом безотказных механизмов. В зависимости от того, какие механизмы работают, ядро принимает три общеизвестных состояния: интерфаза, митоз и мейоз (Рис. 2).

Самой сложной проблемой кариологии является топологическая проблема безупречно точного и безотказного процесса сегрегации копий генетического аппарата в митозе и мейозе. Её мы тоже решали с позиции прямой эволюционной связи между бактериальной клеткой-ядром и ядром эукариотической клетки. Отличие между ними лишь в том, что бактерия имеет всего несколько репликонов-процессоров, укрепленных на экваторе сегрегации клеточной мембраны. А в ядре эукариотной клетки их много — от нескольких тысяч, до нескольких сотен тысяч. Они также смонтированы на внутренней ядерной мембране. Оказалось, что ядро имеет полярную, многоступенчатую тороидальную организацию, где само ядро, а также метафазная группа хромосом есть торы высшего порядка (Рис. 3).

Рис. 3. Полярная модель интерфазного ядра (генетический аппарат в состоянии физиологической активности).

Тела хромосом (хр.) занимают на внутренней ядерной мембране меридеанное положение. Все их кинетохоры направлены к одному полюсу, образуя центромерное кольцо (ц. к.). Таким образом, генетический аппарат в интерфазном ядре имеет полярную и асимметричную ориентацию.

Теоретически мы предсказали наличие в составе метафазных хромосом новой структуры — центромерного кольца, ведущего свое эволюционное происхождение от экватора сегрегации бактериальной клетки. Сейчас экспериментально это доказано не только в нашей лаборатории, но и многими исследователями в разных странах. Таким образом, никакого «высокоинтеллектуального» таинственного танца хромосом не существует. Просто хромосомы — кассеты с информацией, разносятся по будущим дочерним ядрам как пакеты с почтой. Не более того. Фактически именно центромерное кольцо, обьединяющее все хромосомы набора в единую функциональную систему, позволяет осуществлять точное распределение комплектов генов по дочерним клеткам.(Рис. 4)

КОМПАРТМЕНТНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ЯДРЫШКА мембрана генетический ядро клеточный Общепринятые представления о ядрышке состоят в том, что ядрышко оценивается как специфический активный район хромосомы, организующий продукцию рибосом в интерфазном ядре. Однако в последующие годы появились новые экспериментальные факты, свидетельствующие, что роль ядрышка не ограничивается указанными функциями. [Харрис, 1973]. Прежде всего, возникло предположение, что ядрышко может играть ключевую роль в транспорте веществ при ядерно-цитоплазматических взаимоотношениях. По-видимому, именно с этой функцией ядрышка связан тот факт, что в эволюции клетки ядрышко появляется в тот момент, когда у мезокариотных и эукариотных клеток происходит разобщение генетического аппарата и белоксинтезирующей системы — возникновение полости ядра и полости цитоплазмы [Мосолов, 1973].

Рис. 4. Динамическая пространственная модель митоза (левая колонка а-г) и соответствующие ей микроснимки митоза в живых клетках (правая колонка).

а — профаза б — метафаза в — анафаза г — телофаза В данном разделе статьи приводятся результаты прижизненного наблюдения ядрышка, сопровождавшегося цейтрафферной микрокиносъемкой и применением мягкого гипотонического воздействия. Показано наличие в составе ядрышка компартментов (отсеков) мембранной природы и периодического сокращения ядрышка с околоминутным и околочасовым циклами.

Как уже отмечалось, около двух третей сухой массы клеток составляют мембраны. Давно показано, что цитоплазматические мембраны организованны в сложную компартментную систему, подразделяющую цитоплазму на функциональные отсеки со специфическими ферментными комплексами. Можно думать, что оперативность командного центра клетки — ядра в определенной мере также обеспечивается компартментностью: наличием канализованных внутриядерных и ядерно-цитоплазматических потоков информации. Из современных представлений о том, что любая биохимическая машина имеет мембранный компонент в своей структуре, логически вытекает возможность существования внутриядерных мембранных отсеков.

Рис. 5. Действие гипотонической обработки на ядрышко в изолированном ядре.

Общеизвестно, что ядрышко — наиболее активный район хромосомы. Наши исходные теоретические позиции основаны на представлениях о связи генетического аппарата с ядерной мембраной. Они позволили рассматривать ядрышко как часть мембранной системы механизма декодирования, входящего в состав генетического аппарата. Предполагалось, что ядрышко представляет собой участок ядерной оболочки, погруженный в полость ядра.

Из классических опытов на эритроцитах известно, что замкнутые мембранные полости чувствительны к анизотоничности среды. Предположение о наличие мембранных полостей в ядрышке определило выбор одного из основных методов данного раздела работы — воздействие растворов разной ионной силы на клетки и изолированные ядра при изучении предполагаемой компартментной организации ядрышка.

Результаты экспериментов по гипотонической обработке ядрышка (Рис. 5−7) подтвердили наши идеи о его сложной поликомпартментной организации. На рис. 7 дана схема структурно-функциональных изменений в ядрышке в течение жизненного цикла клетки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Как один миг пролетели сорок лет с тех пор, когда я, к счастью для себя, увлекся исследованиями клеточного ядра. Данная статья есть беглое воспоминание о проделанной исследовательской работе и жарких дискуссиях с коллегами в разных городах и странах. Результаты исследований в нашей лаборатории я, для экономии места, изложил в виде схем и моделей. Для желающих глубже познакомится с фактическим материалом, даны ссылки на наши основные статьи. Для пытливых молодых исследователей специально привожу рис. 8, на котором приведены результаты исследования живых клеток. Они свидетельствуют о том, что в период митоза в клетке возникает мощное акустическое поле. Это явление ждет своих исследователей. Молодые, дерзайте!

Рис. 6. Естественные циклические изменения строения ядрышка, связанного с его периодическими сокращениями в живой клетке.

Представленные в данной статье теоретические разработки и результаты экспериментальных исследований ещё весьма далеки от того, чтобы частично решить проблему структурной и функциональной организации генетического аппарата. Однако они показывают ряд возможных направлений для успешного решения этой сложной и важной задачи. Важность ее, по нашему мнению, состоит в том, что без расшифровки пространственно-временной организации генетического аппарата невозможно решить главную задачу современной биологии — раскрыть действительные механизмы реализации наследственной программы при развитии из одной клетки сложного многоклеточного организма в трехмерном пространстве.

Вполне естественно, что общепринятые подходы в изучении генома эукариотов, которые не претерпели существенных изменений за последние два десятилетия и которые связаны с нарушением естественной пространственной организации компонентов генетического аппарата, не позволят в ближайшее время значительно продвинутся вперед.

Существуют сотни различных моделей хромосомы, которые свидетельствуют лишь о том, что главная тайна хромосом эукариотов еще не раскрыта. По нашему мнению, ключ к решению проблемы состоит в том, что вообще никакой общей модели хромосомы быть не может, поскольку хромосома — одна из деталей единой, цельной, и сложной системы под названием «генетический аппарат». Следовательно, наши усилия следует направить на создание общей модели генетического аппарата клетки, функционирующего во времени и в пространстве клеточного ядра.

Общепринятым является мнение, что наследственная программа закодирована только в виде одномерной линейной записи на ДНК путем чередования нуклеотидов. Наши исследования пространственной организации генетического аппарата, а также ряд других данных позволяют предположить, что значительная доля наследственной программы многоклеточного организма, связанная с его онтогенезом, может быть закодирована в двухмерном и трехмерном пространстве. Иными словами, информация ряда генов, ответственных за органогенез, может быть связана с уникальной укладкой и распределением ДНК на поверхности внутренней ядерной мембраны и в объеме ядра.

Рис. 7. Схема естественных структурно-функциональных изменений в ядрышке в течении жизненного цикла клетки.

Косвенным свидетельством в пользу данной точки зрения является отмеченный еще в начале 20-ого века русским цитологом А. Максимовым факт, каждая ткань имеет клеточные ядра с характерным рисунком хроматина. Он писал: «Ядро — герб ткани» .

В прошедшие годы главной нашей заботой была пропаганда среди медицинских рабоников и студентов новых методов диагностики, основанных на изучении клеточного ядра в норме и при ряде патологических состояний. Эти методы весьма перспективны, поскольку клеточные ядра первыми реагируют на патологический процесс в органах и тканях. Однако наши предложения, как правило не находили должного внимания, даже у специалистов, поскольку требовали особых приборов и навыков.

Рис. 8. Динамика изменений поверхности клеток в культуре в митозе:

а) в интерфазе поверхность клеток гладкая;

б) в профазе-метафазе вся поверхность округлившейся клетки покрыта микроворсинками;

в) в анафазе микроворсинки начинают исчезать;

г) край клетки в метафазе под электронным микроскопом: микроворсинки подобны протуберанцам на поверхности солнца.

Я надеюсь, что в новом столетии исследователи клеточного ядра, как теоретики, так и практики разработают более простые надежные и доступные методы кариодиагностики. Это позволит кариологии занять достойное место не только в биологии, но и в практической медицине. С развитием теории общей патологии это становится жизненно необходимым, поскольку любой патологический процесс обязательно затрагивает клеточное ядро.

Со времен Р. Вирхова и до наших дней понятие об органах и тканях организма трансформировалось от простой суммы клеток в представление о сложном интегративном взаимодействии клеточных сообществ. В последнее время мысль идет дальше, и мы все более убеждаемся в том, что физиология организма, которая обеспечивается физиологией его соматических клеток, по сути своей есть интегративное функционирование клеточных ядер, т. е. многочисленных копий генетического аппарата организма.

Используя компьютерную терминологию, можно сказать, что каждое клеточное ядро представляет собой мощную вычислительную систему, состоящую из сотен тысяч процессоров, имеющих хранимую и вводимую программы. Пора отказаться от наивных и безграмотных попыток «расшифровки генетического кода человека», поскольку генетический код един для всех на планете земля, от бактерий до человека и был расшифрован ещё в начале 60-х годов ушедшего века. Что касается наследственной программы человека, то и здесь не стоит торопиться с попытками понять «расшифрованное». Пока известен лишь химический язык генов. На этом поприще нас также ожидают сюрпризы или даже конфузы в виде находок «лишних генов», «генетического мусора» и даже в виде обнаружения «гена пристрастия к пиву» или «гена политической лживости» .

Данная статья не случайно начинается с моего посвящения трем великим русским генетикам, творчество которых проходило в советский период. Начиная с 20-х годов, и почти до завершения двадцатого века. Если бы не их безупречное научное чутье в оценке результатов наших начальных исследований и не постоянная моральная поддержка, я бы, точно, не смог преодолеть все дремучие препоны официальной науки.

ЛИТЕРАТУРА

Мосолов А. Н. — Генетика, 1968, 4, 12, с.135

Мосолов А.Н. — Цитология, 1972, 15, 5, с. 541

Мосолов А.Н. — В. кн.: Труды 4 Межд. биофизич. конгресса. М.: Наука, 1972а, с. 89.

Мосолов А.Н. — Докл. АН СССР, 1973, 212, 2, с. 483.

Мосолов А.Н. — В кн.: Раковая клетка. Рига: Зинатне, 1973, с. 18.

Мосолов А.Н. — В кн.: Тез. докл. 14 Междунар. генетич. конгресса. М.: Наука, 1978 с 387.

Харрис Г. — В кн.: Ядро и цитоплазма. М.: Мир, 1973.

Мосолов А.Н. — В кн.: «Успехи современной генетики» вып.9, 1980, М. Наука стр.183

Мосолов А.Н. — В кн.: «Эрвин Бауэр и теоретическая биология», Пущино, 1993, стр101.

Мосолов А.Н. — Труды международного совещ.: «Происхождение и эволюция биосферы», Новосибирск, 2005 г. стр118.