Три случая из биографии клетки



В этой статье будет рассказано о трех типах клеток - клеток, совершенно различных по своему назначению ,и по виду животных, которым они принадлежат. Во-первых, это растущие яйцеклетки лягушки - ооциты, во-вторых, клетки слюнных желез личинок дрозофилы и, в-третьих, клетки соединительной ткани мыши - фибробласты, выращиваемые в искусственных условиях. Такой причудливый выбор не должен удивлять. В биологии принято «искать под фонарем», то есть там, где лучше видно. Это означает, что для каждого биологического явления стараются отыскать такую систему, или, как, чаще говорят, модель - вид животного или растения, тип клеток, способ наблюдения,- где это явление наиболее доступно изучению. На этих трех моделях мы рассмотрим изменения, которые происходят в генах, но, как мы увидим, совершенно различным образом.
Однако цель статьи не в том, чтобы рассказать об этих клетках или их генах, хотя каждая модель по-своему интересна и заслуживает отдельного разговора. На этих моделях хочется показать три самостоятельных и очень важных биологических явления, в которых проявляются общие свойства жизни. Эти явления - развитие, приспособление и эволюция. Показать их внешнее сходство и глубокие действительные различия важно потому, что их нередко смешивают, причем не только те, кто просто интересуется биологией, но и те, кто ею серьезно занимается. И от этого возникают недоразумения теоретического плана. Споры ведутся о вещах, о которых спорить бессмысленно. Автор статьи уверен, что и. широкому читателю, которому часто приходится слышать о дискуссиях по поводу эволюционной теории, следует знать некоторые азы, ныне установленные биологической наукой. Многое из того, что сегодня в науке считается очевидным, еще совсем недавно было и спорным, и туманным.
Итак, некоторые известные события в совершенно не известном большинству молекулярном обличье - крупным планом.

Развитие, или Как ядро растущей яйцеклетки выходит из трудного положения
Икринки лягушек очень велики - до двух-трех. миллиметров в диаметре. Они почти в сто тысяч раз больше тех клеток, из которых развиваются. Такое развитие, или дифферен-цировка яйца, длится долго: у африканской лягушки, сейчас обычной во многих лабораториях, - ксенопуса - несколько месяцев, а у наших лягушек из-за долгих зимних спячек - два-три года. Основную массу яйца составляет желток, который .синтезируется в печени и через кровь поступает в растущий ооцит. Но во время роста яйца в нем создается запас и собственных белков и молекул РНК, в десятки тысяч раз больший, чем в обычной клетке. Большую часть этих РНК составляют рибосомные РНК (рРНК), входящие в состав рибосом, на которых образуются все клеточные белки.
Проблема состоит в том, что в растущем яйце синтез всех РНК происходит, как и в любой клетке, в одном ядре, которое содержит те же два набора хромосом. Но задача перед таким ядром стоит более сложная - насинтезировать рРНК во много десятков тысяч раз больше, чем в обычной клетке. Если бы этот процесс происходил обычным путем, накопление рРНК длилось бы около ста лет, а в действительности он занимает несколько месяцев.
Как же это достигается? В самом начале роста яйца в его ядре происходит особый процесс, который получил название «амплификация» (умножение) рибосомных генов. Вопреки, казалось бы, незыблемым правилам, согласно которым удвоение хромосом или синтез ДНК происходит по всей длине хромосомы, в ядрах яиц удваивается только небольшой участок хромосомы, содержащей рибосомные гены. Удвоение (репликация) ДНК происходит несколько раз, а кроме того, и сами отрезки ДНК начинают удваиваться самостоятельно. Так, за короткое время, в ядре маленького ооцита создается около тысячи или даже несколько тысяч р-генов. Все они начинают синтезировать рРНК, и большое их число позволяет накопить то его количество, которое необходимо для образования большого яйца лягушки и ранних стадий развития зародыша.
Сейчас умножение генов обнаружено еще в нескольких случаях. Но этот способ усиления работы генов остается в известном смысле экзотическим.
Тем не менее мы видим, что, по. крайней мере в некоторых случаях, начинает, действовать особый механизм, который может вызывать избирательное умножение лишь небольшого участка хромосомы. Созданный в ходе миллионов лет эволюции, механизм действует только в совершенно определенных клетках и на определенной стадии их развития. И затрагивает он только определенные гены. Естественно, что действует этот механизм во всех таких клетках, в нашем случае во всех ранних ооцитах лягушки. Это пример изменений в генах, которые закономерно происходят, в ходе развития организма и мало зависят от внешних условий.

Приспособление, или Как клетки защищаются от случайного перегрева
Только два класса животных - птицы и млекопитающие - способны поддерживать свою температуру в очень узких границах и поэтому меньше зависят от температуры окружающей среды. Все же остальные животные стараются избегать неблагоприятных условий и достигают этого, греясь на солнце, уходя в тень, мигрируя на север или на юг, и т. д. Однако от опасности перегрева не всегда можно спастись бегством.
Оказалось, что в клетках многих, а может быть и всех, животных есть специальный генетический механизм такой защиты. При перегреве включаются особые гены теплового шока и синтезируются специальные белки (их часто называют по-английски: гены и белки «хит-шока»). Лучше всего они изучены у личинок дрозофилы, где в. ядрах клеток слюнных желез находятся гигантские хромосомы, состоящие из тысячи параллельно идущих нитей ДНК- Такие хромосомы называют политенными (многонитчатыми). Под обычным микроскопом, в этих хромосомах можно увидеть особенно активные гены и определить их точное положение. Активные гены в политенных хромосомах выглядят как вздутия, которые называют пуфами.
Если личинку дрозофилы перенести из нормальных двадцати пяти градусов в предельно высокие для нее температуры тридцать четыре - тридцать семь градусов, то уже через одну минуту в ядрах ее клеток начинаются важные изменения. На политенных хромосомах видно, как появляются шесть - девять новых пуфов, в то время как старые пуфы (гены, активные при нормальной температуре) начинают уменьшаться и скоро выключаются совсем. На новых пуфах синтезируются новые «хит-шоковые» РНК, а на них в цитоплазме образуются особые «хит-шоковые» белки. Синтез старых «до хит-шоковых» белков прекращается.
В этой модели все интересно и многое еще непонятно. Главное, не ясно, что делают «хит-шоковые» белки и каким образом они защищают клетки от высокой температуры. Такие же белки при перегреве начинают синтезироваться и во всех других тканях личинки, хотя до этого в разных тканях производились различные белки. У других организмов при перегреве также образуются их «хит-шоковые» белки, которые у разных видов оказываются довольно похожими - от бактерий и до млекопитающих.
Нам важно здесь заметить, что есть механизм, управляющий действием генов иначе, чем в яйцах лягушки. Различия состоят не только в том, что при перегреве происходит лишь переключение с одних активных генов на другие. Отличия «хит-шока» в том, что он наступает не всегда, не на определенной стадии развития и не только в определенных клетках. Но все же это случается достаточно часто для того, чтобы в эволюции выработался специальный механизм защиты от перегрева. Судя по тому, что защитные белки сходны у очень широкого круга организмов, возникли они в эволюции очень давно, сотни миллионов лет назад.
Первая.и вторая модели имеют и общее. Оно состоит в том, что в обоих случаях клетки не встречаются ни с чем для себя новым и неожиданным. Амплификация р-генов происходит всегда, когда клетки достигают стадии ранних ооцитов, а «хит-шок» наступает всегда, когда повышается температура. Очевидно, что естественный отбор сохранил только организмы, способные к этим процессам. Лягушки, у которых не было амплификации в ооцитах, не оставляли потомства, а организмы, не способные к включению генов «хит-шока», погибали при первом же случайном, но достаточно частом перегреве.

Эволюция, или Как клетки приобретают устойчивость к ядам
Клетки в культуре тканей могут размножаться в подходящей питательной среде часто бесконечно. Для этого они должны пройти «трансформацию» - приобрести некоторые свойства опухолевых клеток. Линии таких клеток, или клоны, культивируются во многих лабораториях, передаются из страны в страну, и каждая линия сохраняет свои характерные свойства: скорость деления (обычно раз в сутки или около того), пищевые потребности и т. д. Если в среду для культивирования добавить то или иное токсичное вещество, судьба клеток зависит от его дозы. При малых дозах клетки замедляют деление, при больших часть из них погибает, при еще больших погибают все.
Однако оказалось, что в ряде случаев клетки в культуре можно «приучить» к ядам, хотя устойчивыми оказываются одна или несколько клеток из очень большого множества. В качестве такого яда американский ученый Шимке выбрал метотрексат - противораковый препарат, особенно сильно действующий на быстро делящиеся клетки. Механизм действия метотрексата известен - это ингибитор (подавитель) работы фермента, с длинным названием - дегидрофолатредуктаза (сокращенно - ДГФР), который необходим для синтеза нуклеиновых кислот.
Если, в культуру клеток постепенно добавлять метотрексат в такой концентрации, которая приводит к гибели около 99 процентов клеток, то через несколько недель выживаемость повысится. Дозу ингибитора теперь можно увеличить, и опять через несколько клеточных поколений клетки «научаются» выдерживать и повышенную дозу. Так, шаг за шагом, через, несколько месяцев можно получить линию клеток, которая нормально себя чувствует и размножается в таких высоких концентрациях метотрексата, при которых клетки исходного клана погибают быстро и все, без исключения. Обнаружили и механизмы такой устойчивости. Клон выживших клеток синтезировал в сотни и тысячи раз, больше фермента ДГФР, на который действует метотрексат. И, подавление активности этого фермента даже в тысячу раз сохраняло еще достаточную его работоспособность для нормального синтеза нуклеиновых кислот и размножения клеток.
Аналогичные результаты получили в нашей стране Б. П. Копнин и А. В. Гудков. В качестве повреждающего агента они использовали вещество с совсем другим механизмом действия - колхицин. Этот препарат, получаемый из некоторых растений, в клетках животных вызывает разрушение основы клеточного «скелета» - микротрубочек, которые, в частности, необходимы при клеточном делении. Обычные клетки, если их поместить, в среду, содержащую колхицин, останавливаются в средине митоза и не могут разделиться. Однако, если клетки, чувствительные к колхицину, культивировать сначала в небольших концентрациях, которые затем постепенно повышать, то через три-четыре месяца (более ста клеточных поколений) возникнет новая линия, способная нормально делиться в таких концентрациях колхицина, которые в 500-800 раз выше тех, что блокируют деление обычных клеток.
Механизм такой устойчивости был также изучен. Он оказался совсем иным, чем устойчивость к метотрексату. Клетки становятся устойчивыми к колхицину потому, что он в них почти не проникает. Одновременно клетки приобретают устойчивость, точнее непроницаемость, и к целому ряду других токсических веществ, плохо растворимых в воде. У таких клеток, очевидно, изменяются свойства клеточных мембран, а сами эти свойства зависят от особого белка. Если в обычных клетках такого белка очень мало, то в колхицин-устойчивых клетках его в сотни раз больше.
Как же «приспосабливаются» клетки к метотрексату, колхицину или другим повреждающим агентам? Выяснилось, что у них увеличивается число генов, влияющих на невосприимчивость ядов. И тут можно различать два этапа. Сначала, по-видимому, участки хромосом, содержащие необходимые для защиты гены, избирательно удваиваются, и отделяются от хромосомы. Это напоминает, во всяком случае внешне.то, как умножаются гены рРНК в яйцах лягушки. В устойчивых клетках образуется множество мелких кусочков хромосом, которые во время деления клетки остаются не связанными и распределяются между дочерними клетками довольно случайно. Но потом, на втором этапе «приспособления» клеток к токсическому веществу, эти внехромосомные фрагменты встраиваются в хромосому, причем на одном конце определенной хромосомы, и образуют участок, состоящий из множества повторяющихся генов.
Весь этот процесс был также назван «амплификацией». Формально это правильно, так как число генов в итоге действительно умножается во много раз. Но вместе с тем в таком наименовании есть и нарушение правил научной терминологии. Мы знаем, что термин «амплификация генов» уже занят и относится к эпизодам развития организма. Казалось бы, беда невелика - и здесь и там речь идет об увеличении числа одинаковых генов. Более того, сам механизм этого процесса поначалу похож. Но в том-то и дело, что одинаковые названия вольно или невольно создают впечатление, что речь идет об одном и том же биологическом явлении. А явления эти совершенно различны, и путать их непростительно. Подобная путаница создает ложные представления о куда более серьезных биологических проблемах, чем изменения генов в ооцитах или в клеточных культурах.
Все дело в том, что «амплификация» генов в клетках, «приспосабливающихся» к метот-рексату или к колхицину,- совсем не дифферен-цировка и даже не приспособление. (Оттого это слово в предыдущем разделе заключалось в кавычки.) Данный процесс отличается от того, что происходит в ооцитах, и от тех действительно приспособительных процессов, которые идут при перегревании клеток. Различия состоят в том, что амплификация, или включение генов «хит-шока», происходит во всех клетках одного типа или при одних условиях. Это означает, что ооциты, или клетки дрозофилы, заранее (в эволюции) запрограммированы к подобным изменениям в генах. А устойчивыми к метотрексату или колхицину становятся лишь очень немногие клетки. Частота такого преобразования не превышает одну клетку на сто тысяч или даже на миллион. Лишь преимущественное размножение этих одиночных клеток позволяет им через несколько поколений заменить собой всю линию.
Никакой программы возникновения устойчивости не существует. Уже сама редкость процесса говорит о его случайности. Но самое главное в том, что он происходит не в ответ на метотрексат или колхицин, а совершенно независимо от них. В других клетках происходят случайные увеличения числа совсем других районов хромосом, несущих другие гены. Но в присутствии метотрексата остаются живыми и размножаются только те очень немногие клетки, в которых случайно оказались в увеличенном количестве именно гены ДГФР.
При небольшой концентрации токсического вещества даже небольшое увеличение числа «полезных» генов (в два - десять раз) уже позволяет именно этим клеткам размножиться и вытеснить все остальные, лишенные даже этих небольших преимуществ. Случайные процессы изменения числа генов продолжаются и в этой новой культуре. Большинство из них не имеет отношения к «полезным» генам. В ряде случаев число «полезных» генов даже уменьшается. Но в некоторых клетках - доля их опять-таки не превышает одной стотысячной - случайно происходит дальнейшее увеличение числа «нужных» генов. И если концентрация метотрексата возросла, то выживут, размножатся и вытеснят все другие клетки потомки этих немногих, обладающие большим числом генов ДГФР.
Так, в течение десятков и сотен поколений, происходит последовательный отбор и постепенное все большее увеличение числа генов, повышающих устойчивость по отношению к фактору отбора. То, что изменения в количестве соответствующих генов вызывает не сам метотрексат или колхицин, не удивительно. Удивительно было бы обратное. Ведь клетки (и мыши, из которых их исходно получили) никогда не встречались с метотрексатом - веществом, искусственно синтезированным человеком. Никакого механизма для защиты от него клетки исходно не имели. Как же они могли бы его целенаправленно приобрести? Ведь для этого необходимо, чтобы молекулы метотрексата тем или иным путем отыскали на двойной спирали ДНК именно тот ее участок (ген), который кодирует именно ДГФР, и заставили бы его избирательно реплицироваться. Но химические свойства метотрексата не таковы, чтобы взаимодействовать с ДНК.
Можно, конечно, придумать и другие схемы. Но все они должны быть основаны на том, что клетка или уже подготовлена к действию яда, или сама «умеет» находить наилучшее решение. Считать, что клетка заранее готова ко всем возможным внешним воздействиям, нельзя. Но еще труднее представить, чтобы клетка «сознательно» находила правильное решение.
Приблизительно таким же образом обстоит дело и с колхицином. Мыши с ним тоже никогда не встречались. Но вот сирийский хомячок, из тканей которого также получают культуру клеток, в природе питается растениями, в которых колхицин содержится. И его клетки, с самого начала, оказываются значительно более устойчивыми к колхицину, чем клетки мыши.
На бактериях, у которых так же нетрудно вырастить клоны устойчивые, например к антибиотикам, было прямо показано, что эта устойчивость возникает не в ответ на антибиотик. Речь идет об известных опытах Ледерберга, когда испытывались тысячи небольших колоний бактерий, каждая из которых была выращена из одной клетки. Колонии эти делили на две, и одна из двух половин испытывалась на устойчивость к антибиотику. Очень немногие из них оказались такими. Но в этом случае устойчивой всегда оказывалась и вторая половина колонии, которая с антибиотиком не соприкасалась. Следовательно, мутация устойчивости возникла в той одной клетке, из которой была выращена именно данная колония, и возникла эта мутация до того, как на колонию подействовал антибиотик. Антибиотик только позволил эту мутацию выявить.
Но почему все-таки происходит увеличение числа тех или других генов, хотя бы редкое и случайное? Точно это пока неясно. Но известно, что гены способны к редким выделениям из состава хромосом, размножению вне их и встраиванию в другие хромосомы. Это происходит потому, что клетки содержат ферменты, необходимые для таких процессов. Эти ферменты необходимы клетке для нормального удвоения ДНК и для починки ее случайных повреждений. Возможно, что избирательное умножение и выделение участков ДНК связано с редкими ошибками ферментов. Возможно также, что в этом принимают участие вирусы, ДНК которых способна встраиваться и выделяться из хромосомной ДНК. Для этого вирусы используют все те же клеточные ферменты.
А может быть, редкое удвоение отдельных участков хромосом и их встраивание в другие места - не такой уж вредный признак, а в принципе даже необходим для эволюции. Речь идет, конечно, не о пользе для клеточной культуры, ситуации, целиком искусственной и созданной человеком. Но и в обычной эволюции перенес генов и увеличение их числа встречаются до статочно часто.


Какие же выводы?

Итак, на примере трех типов клеток и ситуаций мы рассмотрели модели трех видов процессов, нормально происходящих в живой природе. Первый из них - клеточная дифференцировка. Для создания такой важной клетки, какой является яйцо,- а это, без сомнения, самая важная клетка любого многоклеточного организма - создаются такие сложные и нечасто встречающиеся процессы, как амплификация генов рРНК. Для осуществления этих процессов в ооцитах функционирует особый, созданный в эволюции механизм.
В случае реакции клеток на перегрев мы также имеем дело с механизмом, созданным в эволюции. Это механизм приспособления клеток к возможным экстремальным ситуациям, наступающим, однако, достаточно часто, чтобы в эволюции «имело бы смысл» заводить специальный ожидающий механизм, который может и не потребоваться. Подобных механизмов приспособления в каждом организме имеется множество. Например, способность к загару является приспособлением на случай действия обжигающих солнечных лучей. У людей с белой кожей он включается всякий раз, когда они длительное время находятся на солнце. Но часть населения нашей планеты живет или долго жила в условиях, когда яркое солнце светит почти каждый день. В таких условиях темную окраску кожи оказалось целесообразнее не создавать каждый раз заново, а как бы перевести ее из разряда приспособлений в разряд дифференцировок. Поэтому кожа темнеет еще в эмбриональном развитии, и маленькие негритята рождаются такими же черными, как и их родители.
И, наконец, третья модель - это модель эволюции. На быстро делящихся клетках ее легче наблюдать, чем на целых организмах. В обсуждаемых здесь случаях фигурирует только один из множества возможных механизмов эволюционного процесса - посредством увеличения числа генов. Наряду с ним есть и другие - например, изменение в структуре отдельных генов и, соответственно, белков. Но во всех случаях в эволюционных процессах действуют свои, особые законы - новое в эволюции всегда возникает как наследственное, и не приспособительно, а случайно, наряду с другими такими же случайными изменениями. Однако естественный отбор создает преимущества для размножения организмов, несущих наследственные изменения, которые в данных условиях оказались полезными. Ни клетки, ни целый организм не могут «придумать» себе новое полезное изменение, да еще и сделать его наследственным. Таких механизмов в клетках просто не существует. Различать дифференцировку, приспособление и эволюционный процесс важно, чтобы избежать неверного понимания природы животного и, в частности, не приписывать ей свойств, которыми она не обладает. Она не обладает способностью «сознательно создавать» новые приспособления, но они могут возникать в процессе эволюции. Способность к эволюции - за счет отбора случайных наследственных изменений - это такое же непременное свойство жизни, как способность к развитию отдельного организма и способность организма адаптироваться к внешним условиям.