Все мы отлично знаем из школьных учебников, что в клеточном ядре хранится генетическая информация. Эту органеллу сравнивают то с библиотекой, то с мозгом, то с главным компьютерным центром. Но у нее могут быть и другие функции. Нариман Баттулин, канд. биол. наук, зав. лабораторией генетики развития ИЦИГ СО РАН, подобрал целый ряд примеров, когда клеточное ядро используется буквально как микроскоп для забивания гвоздей, и рассказал о них на лекции в клубе «Арт П.А.Б.» в новосибирском Академгородке, прошедшей в рамках «Ночи научных историй».
Ландшафт мозга
Кору головного мозга покрывает множество бороздок и извилин. Их количество у каждого из нас индивидуально. Но в среднем только треть площади коры приходится на поверхность, остальные 2/3 — на складки. До недавнего времени механизм появления этих складок в процессе эмбрионального развития известен не был. Это и понятно: следить за развитием мозга у млекопитающих, которые развиваются внутриутробно, совсем не просто. Поэтому изучить вопрос смогли только с появлением новых технологий выращивания тканей in vitro. В такой ситуации за развитием тех же тканей мозга следить можно в режиме 24/7. Выяснилось, что складки и выпуклости появляются на поверхности образца на одиннадцатый день. Эти процессы аналогичны тем, которые приводят к появлению складок, делящих мозг на правое и левое полушарие и разделяющих его на отделы.
При этом было обнаружено, что бóльшую часть времени ядра клеток находятся у поверхности, но непосредственно перед делением они опускаются вниз [1]. Затем вверх поднимается уже два ядра. В чем смысл?
«Ядро — это самая большая и самая твердая органелла клетки, на нее приходится 10% клеточного объема, — объясняет Нариман Баттулин. — Поэтому ядра, собранные у наружной поверхности, создают избыточное давление. Разница в давлении верхнего и нижнего слоя вполне естественно приводит к неустойчивостям, поверхность время от времени загибается и приводит к появлению складок и тех самых бороздок. По сути дела, в клетках коры головного мозга самая ценная органелла используется как поршень!»
Извилины мозга образуются уже иначе. Но принцип формирования остается прежним: зоны повышенного и пониженного давления формируются за счет миграции целых нейронов (слой клеток в мозге становится слишком толстым, чтобы на давление могло повлиять движение ядер).
Недавно был описан ген LIS1, кодирующий моторный белок, мутация в котором как раз и приводит к отсутствию складок и бороздок. Ген, как выяснилось, кодирует белок, обеспечивающий движение ядер в созревающей коре головного мозга.
ДНК — токсичная сеть для бактерий
Есть случаи, когда твердость и массу ядра можно рассматривать скорее как недостаток, а не преимущество. Например, в клетках крови. Расплачиваясь за теплокровность, мы вынуждены терять огромное количество энергии на поддержание постоянной температуры. Ради высокого метаболизма нам нужно хорошо снабжать наши тела кислородом. Для этого у нас есть большая сеть капилляров, позволяющая крови проникать во все органы тела. Большое твердое ядро, конечно, мешает прохождению клеток крови в тончайшие капилляры. Эритроциты пошли по радикальному пути: они отказались от ядер вообще! В процессе созревания эритроцита мы можем наблюдать постепенное уменьшение размеров ядра. Но на последних стадиях созревания в оболочке ядра эритроцита образуется отверстие, из которого, как из тюбика, выдавливаются гистоны (ядерные белки).
«Забавно, конечно, что до того, как выкинуть ядро, эритроцит достаточно долго трудится над его уменьшением, просто копируя свой эволюционный путь», — замечает Баттулин.
Конечно, эритроциты — это не единственные клетки крови, которые вынуждены мигрировать через узкие капилляры. Совсем другое решение проблемы с большой и твердой органеллой нашли нейтрофилы. Они первыми приходят к месту поражения или очагу инфекции и должны быть способны пройти не просто по любому капилляру, но и между клеток поверхности капилляра, чтобы выйти в ткань.
«Можно было бы, наверное, в воспитательных целях сказать, что это нейтрофил курильщика, но так выглядят ядра нейтрофилов практически всех позвоночных, — шутит лектор, демонстрируя нам ядро странной формы и с изрезанными краями. — Просто ядро этих клеток состоит как бы из отдельных долек. Оно может изгибаться, менять форму. В результате нейтрофил способен пройти не просто по капиллярам и между клетками стенок капилляров, но даже сквозь клетку!»
Почему же нейтрофил не отказался от своего ядра, как это сделали эритроциты?
«Вопрос актуальный. Я вам больше скажу, в ядре зрелого нейтрофила фактически нет активности генов! Но оказалось, что ядро для нейтрофила — это отличное оружие, больше всего похожее на сеть гладиаторов!» — рассказывает Нариман.
При контакте с инородным телом, например бактерией, нейтрофил запускает процесс деконденсации хроматина: по сути дела, расплетает хроматин, плотно упакованный в хромосомы. Хроматин выходит из ядра в цитоплазму, где кроме гистонов на него наклеиваются гранулы с антимикробными веществами. Выброс хроматина в цитоплазму приводит к взрыву всей клетки и к тому, что на бактерию выбрасывается «токсичная сеть» [2].
Илл. из статьи Sollberger G.
Долгое время считалось, что гистон — это белок, который в первую очередь участвует в упаковке нитей ДНК и других ядерных процессах. Впервые об антибактериальных свойствах гистонов заговорили еще в 1958 году. На сегодняшний день известно, что гистоны активно используются против бактерий и грибков не только позвоночными. Подобные механизмы защиты от инфекционных болезней описаны у мидий, актиний и крабов. Более того, в 2016 году использование ДНК как токсичной сети, а гистонов как противомикробных гранул было описано у амеб Dictyostelium. Это существо может быть одноклеточным и жить как обычная амеба: передвигаться, размножаться и питаться бактериями. Но в неблагоприятных условиях (после голодания) отдельные амебы объединяются в новый многоклеточный организм, внутри которого клетки не просто сосуществуют, но и дифференцируются. Часть клеток берет на себя функции иммунной системы и при необходимости защищает весь организм сетью из хроматина. Правда, Dictyostelium [3] использует не ядерную ДНК, а митохондриальную.
Похоже, подобный метод защиты используют и растения: пограничные клетки корня, возможно, тоже могут выкидывать ДНК. При обработке кончиков корней ДНК-азой заражение растений микрофлорой выросло с 6% до почти 100%!
Но у подобного защитного механизма есть и свои недостатки. Когда нейтрофилы активно выбрасывают ДНК в кровяное русло, организм может начать вырабатывать антитела на хроматин. А это уже системная красная волчанка.
Защита слизью
У бесчелюстных рыб миксин ядро тоже играет немаловажную роль в защите организма. Но уже в совсем ином качестве. При нападении хищников миксины выделяют огромное количество слизи: удержать жертву становится фактически невозможно — хищник давится слизью, она забивает его жабры и мешает удержать миксину. Так что слизь довольно эффективное средство защиты.
В продукции слизи участвуют два типа клеток: те, что производят непосредственно слизь, и те, что продуцируют длинные белковые нити (своеобразную арматуру, делающую слизь более вязкой). Клетка второго типа, по сути дела, представляет собой клетку с плотно упакованной нитью внутри. При попадании в воду белковая нить стремительно расправляется.
Самое удивительное, что наматывается эта белковая нить вокруг ядра. Сначала образуется первый слой белковой нити, затем ядро уменьшается в размерах (компактизуется) и вокруг него образуется следующий слой и т. д. При этом у таких клеток меняется сама структура ядра: более плотный гетерохроматин уходит в центр ядра, а более рыхлый эухроматин оказывается снаружи [4].
Светодиод внутри глаза
Ночные животные тоже используют инвертированное ядро — для улучшения зрения. Все мы помним, что в глазах млекопитающих есть два типа рецепторов: палочки и колбочки. Палочки более чувствительны, а колбочки обеспечивают цветное зрение. Естественно, у ночных животных, действующих в условиях недостатка света, палочек больше. При этом свет, чтобы достигнуть фоторецепторов, должен пройти через значительный слой ядер глии — биполярных промежуточных клеток. Для того чтобы минимизировать потери света, ядра палочек тоже инвертированы. Собрав в центре гетерохроматин, а по краям более рыхлый эухроматин, палочки превращаются в микролинзы [5].
«Кроме того, палочки расположены друг за другом так, что формируют некое подобие светодиода, — комментирует генетик. — Я нашел исследование 1950-х годов, в рамках которого похожую линзу нашли в фоторецепторах тупайи [6], только сделана она была не из ядра, а из гигантской митохондрии!»
* * *
Слушатели были в восторге от лекции. Вот несколько ярких отзывов: «Это просто взрыв мозга! Оказывается, я почти ничего не знал о ядрах и о том, как работают нейтрофилы. Шикарный научный триллер!»; «Жалко, что в зале не было видно учителей биологии. В учебниках результаты этих исследований появятся не скоро. Радуюсь, что некоторые родители водят на такие лекции своих детей».
Юлия Черная
- Karzbrun E. et al. Human Brain Organoids on a Chip Reveal the Physics of Folding // Nat Phys. 2018 May. 14(5). P. 515–522. DOI: 10.1038/s41567–018–0046–7
- Sollberger G., Tilley D. O., Zychlinsky A. Neutrophil Extracellular Traps: The Biology of Chromatin Externalization // Dev Cell. 2018 Mar 12. 44(4). P. 542–553. DOI: 10.1016/j.devcel.2018.01.019
- Zhang X., Zhuchenko O., Kuspa A., Soldati T. Social amoebae trap and kill bacteria by casting DNA nets // Nat Commun. 2016 Mar 1. 7:10938. DOI: 10.1038/ncomms10938. PMID: 26927887
- Winegard T. et al. Coiling and maturation of a high-performance fibre in hagfish slime gland thread cells // Nat Commun. 2014 Apr 4. 5:3534. DOI: 10.1038/ncomms4534
- Solovei I. et al. Nuclear architecture of rod photoreceptor cells adapts to vision in mammalian evolution // Cell. 2009 Apr 17. 137(2). P. 356–68. DOI: 10.1016/j.cell.2009.01.052
- Samorajski T., Ordy J. M., Keefe J. R. Structural organization of the retina in the tree shrew (Tupaia glis) // J Cell Biol. 1966 Mar. 28(3). P. 489–504.