книги из ГПНТБ / Ченцов, Ю. С. Ультраструктура клеточного ядра

А К А Д Е М И Я Н А У К С С С Р

Секция химико-технологических и биологических наук

Ю. С. Ченцов, В. Ю.Поляков

УЛЬТРАСТРУКТУРА

КЛЕТОЧНОГО

ЯДРА

И З Д А Т Е Л Ь С Т В О «НАУКА»

М О С К В А 1974

ОТ АВТОРОВ

Надмолекулярная организация разных клеточных компонентов, будь то отдельные цитоплазматические мембранные комплексы, та­ кие, как митохондрии и лизосомы, будь то клеточное ядро, привле­ кает в последнее время внимание все большего числа биологов самых различных специальностей. Значительный вклад в эти исследования вносит электронная микроскопия в сочетании с биохимическим изучением таких структур. Давно устоявшийся термин «ультраструктура», который отражал в свое время элек­ тронномикроскопический, главным образом морфологический, уровень изучения структур клетки, в последнее время получил иное содержание. В понятие ультраструктуры теперь принято включать не только сведения о тонком строении того или иного объекта на уровне морфологии макромолекул, но и химические и метаболические характеристики этого объекта. Такого рода ра­ боты относятся к молекулярной цитологии.

В предлагаемой монографии мы попытались обобщить представ­ ления об организации клеточного ядра и его отдельных компонен­ тов с позиций совокупности данных морфологии и биохимии, т. е. описать ультраструктуру клеточного ядра именно ц ее современ­ ном понимании. Одной из задач было дать описание разных ядерных компонентов в их функциональной динамике и взаимосвязи.

К сожалению, ультраструктура клеточного ядра изучена дале­ ко не достаточно, это относится как к отдельным ядерным компо­ нентам, так и ко всему ядру в целом. Если сейчас можно считать, что наиболее полно исследована и понята ультраструктурная ор­ ганизация ядрышка, то хромосомы практически не изучены, не­ смотря на то, что существует огромная литература по этому во­

просу.

Авторы не ставили перед собой задачу дать полные, исчерпы­ вающие сведения об огромном числе исследований по вопросам ультраструктурной организации клеточного ядра.

В монографии приведены лишь основные сведения, мысли, ги­ потезы по интересующему нас вопросу. В этой работе, кроме из­ ложения данных литературы, предлагается материал, главным об­ разом, по электронной микроскопии ядерных компонентов, полу­ ченный в результате собственных многолетних исследований.

Как может увидеть читатель, иногда этот фактический мате­ риал противоречит выводам других авторов (например, по вопро­

6 От авторов

сам об организации фибрилл хроматина, о матриксе хромосом, о хромонемной структуре хромосом). Нам представляется, что было бы неправильным ограничиваться лишь беспристрастным перечис­ лением различных противоречивых взглядов и аргументов. Гораз­ до важнее попытаться дать анализ тех возможных причин, которые приводят к резким разногласиям по поводу ультраструктурной ор­ ганизации отдельных компонентов ядра. Главное внимание мы уде­ ляли анализу тех работ, которые как по фактическому материалу, так и по его интерпретации соответствовали задаче, поставленной в этой монографии.

Авторы пользуются возможностью выразить искреннюю при­ знательность лицам, помогавшим в подготовке этой книги к печати.

Мы готовы с благодарностью выслушать замечания по всем вопросам, затронутым в монографии.

ВВЕДЕНИЕ

Важность изучения тонкой организации клеточного ядра вполне очевидна. Ядро клетки является той структурой, в которой осуще­ ствляются важнейшие процессы, обусловливающие жизнедеятель­ ность клетки. Именно ядро —вместилище основной массы генети­ ческого материала клетки, и в ядре осуществляются основные про­ цессы, связанные с реализацией той наследственной информации, которая накоплена и структурно закреплена в виде полинуклеотидных цепей ДНК.

Во всех клетках эукариот этот генетический материал ДНК представлен в виде сложных дезоксирибонуклеопротеидных комплексов, образующих главные в функциональном отноше­ нии структуры в ядре — хромосомы. Именно на хромосомах в яд­ рах осуществляется целая группа процессов, связанных с основ­ ной функцией ДНК: передача генетической информации от ДНК к белку с помощью синтеза информационных РНК; обеспечение собственно механизмов белкового синтеза через синтез трансфер­ ных РНК и рибосом; регуляция этих синтетических процессов; редупликация ДНК и ее распределение в дочерние клетки при клеточном делении. Большая часть этих процессов осуществляется в ядре на стадии интерфазы. Каждая из перечисленных функций ДНК реализуется с помощью собственных специальных механиз­ мов.

Если вспомнить, что большинство этих процессов (кроме рас­ пределения редуплицированной ДНК при делении клетки) может идти в ядре одновременно, то надо полагать, что их осуществление должно происходить только при строгой структурной организации всех основных компонентов ядра. Такая организация должна обес­ печить не только разделение и совмещение синтетических процес­ сов в пространстве и времени, но и обеспечивать возможность быст­ рых переходов от одной функции к другой. Такая сложная струк­ тура должна, кроме того, обладать (и обладает, как мы знаем) еще способностью резко менять свое состояние, чтобы в компактной форме распределиться между дочерними клетками во время ми­ тоза. Вероятно, преемственность хромосомных структур в ряду поколений обеспечивается не только тем, что остаются структурно

и в митозе имеют одинаковую пространственную организацию, различающуюся лишь плотностью укладки ее элементов.

Все приведенные выше представления являются результатом успехов современной молекулярной биологии. Сейчас достаточно подробно изучены элементарные синтетические процессы в клетке, такие как синтез ДНК, РНК, белков и т. д. Параллельно успехам биохимии и молекулярной биологии важные результаты достигну­ ты в отношении структурного морфологического анализа различ­ ных компонентов клетки. Эти успехи были обеспечены внедрением в цитологический анализ новых методов исследования, таких как ауторадиография, цитофотометрия, гистохимия и электронная мик­ роскопия. Метод электронной микроскопии открыл новую страни­ цу в биологии, так как позволил изучать морфологию клеточных компонентов уже на уровне высоких электронно-оптических раз­ решений, позволяющих анализировать макромолекулярные струк­ туры. Электронная микроскопия дала целый арсенал новых сведе­ ний о структуре таких компонентов клетки, как митохондрии, лизосомы, мембранные системы эндоплазматического ретикулума, рибосомы и т. д. Поэтому понятны большие надежды цитологов, ко­ торые они возлагали на метод электронной микроскопии при изуче­ нии структуры ядра и митотических хромосом. К сожалению, эти надежды в полной мере не оправдались. Вклад электронной микро­ скопии в изучение структуры ядра и хромосом оказался неизме­ римо ниже того, что дал этот метод для изучения структуры цито­ плазмы. Наши представления о структурной организации даже элементарных компонентов ядра и о структуре хромосом чрезвы­ чайно скудны и противоречивы. Разрыв между успехами в биохи­ мическом изучении процессов биосинтеза ДНК и РНК, с одной сто­ роны, и чрезвычайно медленным прогрессом в исследовании тонкой организации клеточного ядра, с другой, объясняется многими при­ чинами. Одна из главных причин та, что современные методы эле­ ктронной микроскопии не позволяют изучать ядро в целостной со­ вокупности составляющих его элементов.

Действительно, изучая отдельные ультратонкие срезы ядер в электронном микроскопе, мы можем исследовать лишь плоские се­ чения, составляющие только 0,005—0,0025 часть общего объема ядра. Метод исследования ультратонких срезов принес большие успехи в изучении мелких, компактных и упорядоченных компонен­ тов клетки. Для ядра же характерно преобладание длинных, тон­ ких, спутанных фибриллярных структур, которые на ультратонких срезах будут иметь вид беспорядочно разбросанных коротких от­ резков, и по таким картинам воссоздать полную взаимосвязь этих элементов друг с другом практически невозможно. Малая эффек­ тивность электронной микроскопии в исследовании структуры хро­ мосом в ядре и во время митоза обусловливается трудностями ис­ следования достаточно крупного объекта, имеющего сложную трех­ мерную организацию, в которой как будто отсутствуют признаки упорядоченности ее элементов.

Дж. Уотсон (1967) так обрисовывает состояние вопроса о моле­ кулярной организации хромосом: «Вплоть до настоящего времени электронная микроскопия мало что дала для изучения структуры хромосомы у высших организмов. Это особенно брасается в глаза при сопоставлении с успехами, достигнутыми в исследовании тон­ кой структуры мышцы и нервов. Неудачи объясняются непоавиль- ной формой не только растянутых (интерфазных), но даже и уплот­ ненных (метафазных) хромосом. На молекулярном уровне различ­ ные белки мышцы собраны в тонкие параллельные пучки волокон. В противоположность этому расположение хромосом в клетке со­ вершенно неправильно: на тонком срезе невозможно проследить даже контур хромосомы (интерфазной — Ю. Ч., В. П.), не говоря уж о деталях ее молекулярной структуры». Хромосома, по опреде­ лению Г. Риса (Ris, 1957), слишком мала для детального анализа с помощью светового микроскопа и слишком велика и плотна для изучения в электронном микроскопе. На выделенных целых хромо­ сомах нельзя выявить все детали из-за наложения проекций разных уровней и можно наблюдать лишь характер формы или же тонкую структуру в ограниченных участках. Исследование ультратонких срезов ядер и хромосом ограничивается характеристикой отдель­ ных элементов без возможности получить объемное представление о структуре.

Это затруднительное положение в изучении ультраструктуры ядра, в первую очередь, хромосом, все же, как нам представляется, разрешимо. Решение общей задачи о структурной организации хро­ мосомного аппарата клеточного ядра возможно только путем соче­ тания многих методов. И действительно, большой вклад в изучение структуры ядра внесли данные авторадиографии, световой микро­ скопии, биохимии и биофизики. Однако необходимо отметить, что все же на сегодняшний день представления об общей организации ядра и хромосом чрезвычайно противоречивы. По нашему мнению, противоречивость данных объясняется тем, что хромосомный ма­ териал представляет собой лабильный и неустойчивый материал, легко меняющий свою макромолекулярную организацию в зависи­ мости от условий эксперимента. Легкость артефактных изменений хромосомного материала — еще одна из причин, дающих противо­ речивые наблюдения. Такая ситуация создает благоприятную поч­ ву для появления всевозможных вольных, а порой даже фантасти­ ческих представлений о структуре хромосом.

Существует еще одна причина затруднений в изучении тонкой организации хромосомных структур — это предвзятость пред­ ставлений. Любой исследователь, использующий различные мето­ ды цитологического анализа, в том числе и электронную микроско­ пию, и имеющий дело главным образом с морфологическими дан­ ными, не может и не должен обходиться без сведений о структуре хромосом из смежных областей пауки, таких как генетика, бпохи-

ставлений или просто некритическое использование данных об объ­ екте исследования, полученных в смежных областях науки, часто накладывают определенный отпечаток на трактовку собственных наблюдений. В этом нет ничего необычного, потому что появление новых идей в биохимии или генетике значительно влияет на то, как цитолог начинает видеть, понимать и объяснять те морфологи­ ческие особенности хромосом, которые выявляются в электронном микроскопе. Погоня за новейшими достижениями часто приводит к забвению фактов, полученных в старых работах, в которых глав ­ ным оружием исследования были микроскоп и отточенная техника цитологического анализа. Фундаментальные исследования старых цитологов, таких как Э. Вильсон, Ф. Вейдовский, Б. Кауфман, Л. Гейтлер, П. Данжар, Н. Кольцов, С. Навашин и многих других, дали массу верных наблюдений и представлений, часть из которых сейчас или забыта или не принимается во внимание.

В настоящее время принято различать в ядре следующие основные компоненты: хромосомный материал, ядрышко, ядерная оболочка, ядерный сок (кариоплазма). В функциональном отноше­ нии все эти компоненты резко различны между собой, так же как резко различна их ультраструктура. Однако, несмотря на структур­ ные и функциональные различия, все они связаны в единую си­ стему, где ведущая роль принадлежит хромосомному материалу. Современный уровень знаний подтверждает концепцию о непре­ рывности хромосом как генетических структур в клеточном цикле (Уотсон, 1967). Поэтому, говоря о хромосомах или хромосомном материале вообще, мы имеем в виду, что хромосомы в клетках на­ ходятся в двух функциональных и морфологических состояниях. В интерфазном ядре хромосомы осуществляют основную генети­ ческую функцию, определяя синтез РНК и редуплицируясь, а во время митоза и мейоза они осуществляют другую функцию, а именно, функцию перераспределения генетического материала между дочерними клетками. Поэтому, так сказать, «макроструктурная» организация хромосом в этих двух функциональных состоя­ ниях будет различной: в интерфазном ядре это рыхлые, большей частью деконденсированные структуры хроматина, а при митозе это компактные образования, которые собственно и называют митотическими хромосомами. Хромосомы в этих двух состояниях обладают одновременно и структурной общностью, которая за­