В механизме деления клетки крылся малозаметный подвох

Строение клетки, ее внутреннее наполнение и функционирование отдельных органелл давно перешли из тайн в разряд избитых истин. Так, видимо, думали микробиологи, которые вплотную занялись управляющими клеткой молекулярными механизмами. Однако, как показали последние исследования, ученые зря перепрыгнули фундаментальную ступень и перестали обращать внимание на часть клетки, которая участвует в распределении генетического материала при ее делении.

Полтора века в забвении

В 1898 году Монтгомери (Montgomery TH) на примере икры голожаберных моллюсков (Nudibranchia) описал малозаметную внутриядерную органеллу -- микроядрышко (nucleolinus). Его работы стали продолжением цитологических исследований, которые еще в 1857 году начал Жан Луи Родольф Агассис (Agassiz L).

И Агассис, и Монтгомери обратили внимание, что незаметная и, как позднее выяснилось, РНК-содержащая органелла организует клеточное деление. Монтгомери предположил, что «крошка-организатор» может быть микроорганизмом, который попал в ядерное заключение. Причем загадочный «микроорганизм» явно не был вредоносным, потому как на его месте появлялась центросома -- участок цитоплазмы, вокруг которого «кучкуются» микротрубочки.

После немногочисленных исследований из-за чрезвычайно малых размеров и нестабильной структуры микроядрышко снова выпало из поля зрения ученых. В 70-х годах XX века биологи разработали новый метод, с помощью которого можно было изучать отдельные структуры нуклеопротеинового комплекса. Эти работы позволили ученым с большей уверенность предполагать, что микроядрышко организует деление клетки. Причем биологи отыскали микроядрышки не только в половых железах у моллюсков, но и во многих клетках млекопитающих.

Однако микроядрышки в итоге так и не привлекли особого внимания ученых -- оказалось, изучать их слишком сложно. Во-первых, эти РНК-содержащие органеллы очень маленькие. Во-вторых, они еще и нестабильные. То есть они то появляются, то исчезают и поймать их не так-то уж и просто. За прошедшие полтора века биологи так и не выяснили, как же все-таки работает эта незаметная органелла. Все представления об «органе клеточного размножения» гипотетические и требуют экспериментальных доказательств.

«Ученые ничего не знают о микроядрышках, кроме того, что они состоят из РНК и не содержат измеримого количества ДНК», -- пишет Мари Анна Аллиегро (Marry Anne Alliegro) в PNAS.

После забвения

Мари Анна Аллиегро (Mary Anne Alliegro), Джонатан Генри (Jonathan J. Henry) и Марк Аллиегро (Mark C. Alliegro) из Университета Иллинойса (University of Illinois) исследовали непримечательную органеллу. Для этого они подобрали уникальный маркер и заставили невидимку засветиться под микроскопом.

В эксперименте ученые использовали ооциты (предшественники яйцеклеток) двустворчатого моллюска Spisula solidissima (песчаная ракушка). Они наблюдали за тем, как происходит мейоз (деление ооцита, в результате которого появляется полноценная яйцеклетка). Чтобы понять, насколько важна роль микроядрышка в этом процессе, ученые удалили исследуемые органеллы в клетках экспериментальной группы.

Известно, что соматические клетки размножаются несколько иным способом (с помощью митоза), поэтому ученые проследили и за развитием одноклеточной оплодотворенной яйцеклетки (зиготы). Естествоиспытатели не случайно выбрали для наблюдений зиготу -- это достаточно крупная клетка (за которой удобно наблюдать), способная к быстрому многократному делению. Контрольную группу зигот они оставили нетронутыми, а в экспериментальной удалили микроядрышки.

Результаты исследования появились в статье Rediscovery of the nucleolinus, a dynamic RNA-rich organelle associated with the nucleolus, spindle, and centrosomes в PNAS.

Деление...

Исследователи выделили из половых желез песчаной ракушки ооциты, которые находились в начальной стадии мейоза (профаза I). В этот период в клетке происходят значимые изменения -- один предшественник с полным набором хромосом готовится к перерождению в яйцеклетку, для чего уменьшает хромосомный комплект. Уменьшение хромосомного набора имеет важное биологическое значение -- таким способом сохраняется генетическая стабильность вида.

Профаза I начинается с того, что хромосомы конденсируются и приобретают привычный Х-образный вид. Похожие друг на друга носители генетического материала (гомологичные хромосомы) сближаются и начинают обмениваться некоторыми схожими участками. Ядерная оболочка, которая до начала деления отделяла генетический материал от содержимого клетки, постепенно растворяется.

К окончанию профазы I хромосомы, подобно солдатам на плацу, выстаиваются в две шеренги. После «построения» происходит не менее ответственное внутриклеточное событие -- формируется система (веретено деления), которая распределяет «служивых» по частям. Благодаря усилиям микротрубочек, составляющих веретено, хромосомы расходятся к полюсам. Из более или менее поровну поделенного генетического материала и содержимого клетки образуются следующие прародители половых клеток, которые только «дозревают».

... без микроядрышек

Если веретено деления по каким-либо причинам неправильно сработает, то сформированные предшественники станут неполноценными -- с неправильным набором хромосом. Учитывая, что это будущие яйцеклетки, несложно догадаться, что особь следующего поколения либо не родится, либо всю жизнь будет страдать от неизлечимых генетических недугов.

Ученые выяснили, что нестабильное микроядрышко присутствует в клетке в виде дискретной структуры всего лишь несколько минут -- когда «солдаты» выстраиваются в шеренги (то есть сразу после растворения ядерной оболочки). После исчезновения микроядрышка на его месте образуется центросома, а микротрубочки собираются вокруг нее и образуют веретено деления.

С помощью лазера исследователи провели микрохирургическую операцию и удалили микроядрышки. В результате такого вмешательства ооцит оказался «стерильным». Из него так и не образовались нормальные яйцеклетки, так как микротрубочки не смогли построить веретено деления. А хромосомы, соответственно, не разошлись к полюсам. Полученные результаты подтверждают гипотезу, согласно которой нестабильные РНК-содержащие органеллы организуют процесс деления клетки, а именно обеспечивают расхождение хромосом по полюсам.

В аналогичном эксперименте с зиготами ученые пришли к выводу, что митоз без микроядрышек тоже не происходит. То есть деление клеток без нестабильной РНК-содержащей органеллы в принципе невозможно.

Загадочная органелла

С помощью ультразвука и сахарозы исследователи разрушили микроядрышки и извлекли их из клетки. Затем биологи провели РНК-анализ микроядрышек и пришли к выводу, что они не модифицированные составные части ядерного аппарата, а вполне самостоятельные органеллы. Исследователи не нашли сходств между микроядрышковой и рибосомной молекулами РНК. Более того, уникальная нуклеиновая кислота кодировала 184 аминокислоты, которые исследователи пока не нашли в ооцитах изучаемых моллюсков.

Исследователи уверены, что незаметная органелла выполняет очень важные функции. Ученые надеются, что научное сообщество проявит больший интерес к малоизученной части клетки, так как открытый механизм способен значительно повлиять на развитие клеточной биологии и медицины. «Надеемся, что наши результаты возродят интерес ученых к этой неизученной и загадочной органелле», -- пишут экспериментаторы в PNAS.