Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Общая биология. Материалы к изучению курса
.pdf
Общая биология
Клеточная гибель (апоптоз, некроз)
У многоклеточных организмов — животных, растений и
грибов — генетически заложена программа гибели клеток.
Формообразовательные процессы в онтогенезе, позитивная и
негативная селекция Т- и В-лимфоцитов у животных, гиперчувствительный ответ растений на вторжение патогена, осенний листопад — это примеры программируемой клеточной
смерти (ПКС). ПКС способствует сохранению порядка
и нор-
мального функционирования биологической системы, очищая
ее от невостребованных, больных, закончивших свой жизненный цикл или появившихся в результате мутаций потенциально опасных клеток. Седьмого октября 2002 г. Нобелевский
комитет по физиологии и медицине в Каролинском институте
Стокгольма объявил о присуждении премии С. Бреннеру,
X.P. Xopвицу и Дж. Салстону «за открытие
в области генети-
ческой регуляции развития органов и запрограммированной
смерти клетки». Уже давно было очевидно, что онтогенез невозможен без ликвидации отдельных клеток, участков тканей
и даже целых органов, возникающих на определенных этапах
индивидуального развития, чтобы затем исчезнуть при формировании взрослого организма. Неясно было лишь, происходит такая ликвидация
посредством фагоцитоза или каким-то
другим, пока не известным путем.
Свои эксперименты ученые проводили на нематоде
Caenorhabditis elegans. Этот объект обладал огромными преимуществами: очень малой длиной (около 1 мм), прозрачностью, короткой жизнью (около двух недель). Поэтому было
несложно проследить судьбу каждой из составляющих ее
959 клеток (от оплодотворенной яйцеклетки вплоть до
взрос-
лой особи). С. Бреннер использовал мутаген (метилэтансульфонат) и получил мутации, останавливающие развитие отдельных этапов онтогенеза; идентифицировал гены, ответственные за них.
Дж. Салстон обратил внимание на то, что взрослая нематода должна была бы состоять из 1090 клеток, а не из 959, то
90
6. Размножение и гибель клеток
есть 131 клетка погибает в ходе онтогенеза, встав на путь запрограммированной клеточной смерти (апоптоза). Дж. Салстон идентифицировал первый ген клеточного самоубийства
nuc-1, небходимый для деградации ДНК в умирающей клетке.
В те же 70-е гг. Хорвиц продолжил исследование Бреннера, он
открыл гены ced-3 и ced-4, необходимые для клеточного самоубийства. Впоследствии Хорвиц описал
также ген ced-9,
удерживающий клетку от апоптоза, пока не пришло время, и
нашел соответствующие гены у высших животных и человека.
Существует два различных вида клеточной смерти у животных — апоптоз и некроз (рис. 11). Апоптоз — это генетически запрограммированная клеточная гибель, которая приводит к разборке и удалению клеток. Морфологическими признаками этого
активного процесса являются изменения клеточной мембраны (отшнуровывание мембранных пузырьков),
распад клеточного ядра, уплотнение хроматина и фрагментация ДНК. Такие клетки распознаются макрофагами и быстро
элиминируются — так организм избегает воспалительного
процесса.
Апоптоз
2
Некроз
3
1
4
Рис. 11. Клеточная гибель
5
91
Общая биология
Существует две альтернативные точки зрения на генетический контроль апоптоза. Согласно первой из них апоптоз
представляет собой вариант реализации генетических программ пролиферации и дифференцировки клетки. Об этом, в
частности, свидетельствует участие в апоптозе серинтреониновой киназы, фактора транскрипции NF-kB, протоонкогена cmyc и других регуляторов клеточного цикла. Согласно другой
концепции апоптоз имеет
собственную генетическую про-
грамму и механизм ее реализации.
Некроз отличается от апоптоза тем, что он развивается в
результате повреждения клеточной мембраны химическими
агентами или физическими факторами. Такая смерть постигает клетку, когда Т-киллер своевременно не распорядился
судьбой инфицированной клетки, направив ее на путь апоптоза. Вирус или иной паразит,
размножившись в клетке, разрушает ее: клетка лизируется, ее содержимое изливается наружу,
в межклеточное пространство. Некоторые внутриклеточные
паразиты, включая простейшее Toxoplasma gondii (возбудитель токсоплазмоза), способны к подавлению апоптоза. Новое
поколение паразитов устремляется в соседние клетки, нанося
все больший и больший ущерб организму. Начинается воспалительный процесс, исходом которого может быть как
выздо-
ровление, так и гибель организма.
Некротическую гибель могут вызывать физические или
химические повреждения, например обморожение или ожог,
органические растворители, гипоксия, отравление, гипотонический шок и др. Наличие или отсутствие воспаления у животных используется как признак, позволяющий отличить
апоптоз от некроза. Некроз характеризуется разрывом цитоплазматической и внутриклеточных мембран,
что приводит к
разрушению органелл, высвобождению лизосомальных ферментов и выходу содержимого цитоплазмы в межклеточное
пространство. При апоптозе сохраняется целостность мембран, органеллы выглядят морфологически интактными, а
продукты дробления клетки, апоптозные тельца (или везикулы) представляют собой отдельные фрагменты, окруженные
92
6. Размножение и гибель клеток
мембраной. Большинство ученых сходятся во мнении, что
апоптоз наступает в результате энзиматического распада хроматина в ядре клетки, при этом эндонуклеазы клетки начинают разрезать молекулу ДНК с образованием моно- и олигомеров. Нуклеазной атаке подвергаются не только эухроматиновые, но и спирализованные уплотненные гетерохроматиновые участки ядра. Для того чтобы
запустить этот процесс,
клетка должна произвести ферменты — нуклеазы, а для этого,
в свою очередь, в клетке происходит усиление процессов
транскрипции (биосинтез РНК) и трансляции (биосинтез белка). Имеются данные, что ингибиторы белкового синтеза —
циклогексамид и пуромицин — предотвращают энзиматический распад хроматина и могут предотвратить или отсрочить
процесс апоптоза.
На даный
момент известно несколько путей апоптоза. Вопервых, это путь энзиматического переваривания межнуклеосомных пространств и нарезание фрагментов размером в
200 нуклеотидов, во-вторых, это гетерохроматизация хроматина без разрезания ДНК. По этим представлениям в основе
надхромосомной организации ядер у эукариот лежит общее
периферическое распределение интерфазных хромосом вблизи
от ядерной мембраны с
прикреплением к ней участков хромосом, несущих гетерохроматиновые блоки. Места прикрепления, как правило, связаны с особой функциональной активностью тех или иных участков генома. Ассоциированная с мембраной ДНК имеет более высокий уровень повторяющихся
последовательностей, чем основная часть ядерной ДНК. Как
оказалось, в результате апоптоза в первую очередь страдает
именно эта часть молекулы ДНК, примыкающая к ядерной
мембране.
Мало известно о механизме ПКС у растений. В сравнении
с естественными индукторами ПКС химические и физические
воздействия методически более привлекательны, поскольку
вызывают синхронный апоптоз с высоким выходом погибших
клеток, что облегчает последующий анализ результатов. Так,
апоптоз у растений можно вызвать обработкой CN
—
, менадио-
ном, тепловым воздействием. Показано, что NaCN и менадион
93
Общая биология
вызывают разрушение ядер в эпидермальных и устьичных
клетках листьев гороха. Устьичные клетки значительно устойчивее к CN
—
, чем эпидермальные. Свет ускоряет CN.-индуци-
рованное разрушение ядер в устьичных клетках. Эффект света
незначителен на эпидермальных клетках, которые, в отличие
от устьичных клеток, не содержат хлоропластов. Эти данные
могут указывать на возможное участие хлоропластов в CN
индуцированной гибели устьичных клеток. Антиоксиданты
(ионол и витамин Е) тормозят CN
ние ядер в эпидермальных клетках. Витамин Е в значительной
степени снимает эффект воздействия CN
ки. Предполагается, что CN
—
-индуцированное разруше-
—
—
, ингибируя каталазу и перокси-
на устьичные клет-
—
дазы, индуцирует апоптоз. Подобно митохондриям, играющим
важную роль в апоптозе животных, возможно участие хлоропластов и в апоптозе растений. Таким образом, имеющиеся
данные свидетельствуют об общности механизмов ПКС у животных и растений.
Апоптозы и старение
Известный американский ученый Л. Хейфлик впервые доказал, что
естественная продолжительность жизни человека
обусловлена числом митозов, которое могут совершить клетки
данного организма. Он брал кусочки кожи от эмбриона, новорожденного и взрослого человека, разбивал их на отдельные
клетки и культивировал в специальной питательной среде.
Оказалось, что клетки эмбриона могут совершить около 50 делений, а затем в них наблюдаются все признаки
апоптотической смерти. У взрослого человека клетки могли совершить
уже не 50, а гораздо меньше делений — в зависимости от возраста обследуемого пациента. Впоследствии было показано,
что механизм старческого апоптоза запускается и находится в
ядре. В настоящее время для объяснения молекулярно-генетических механизмов старения организма предложено три гипотезы.
Первая гипотеза
развита в трудах профессора Ж. Медве-
дева, а также Л. Орджелом из Института им. Солка в США.
-
94
6. Размножение и гибель клеток
5
Эти исследователи считают, что старение — это процесс накопления ошибок в процессах транскрипции и трансляции и в
возникновении ферментов с дефектным функционированием.
При этом механизмы репарации не могут справиться со всевозрастающим количеством дефектов.
Согласно второй гипотезе, предложенной также Ж. Мед-
ведевым, 0,4
% информации, содержащейся в ДНК клеточного
ядра, используется клеткой постоянно на протяжении ее жизни. Кроме того, многие гены в молекуле ДНК повторяются,
делая генетическую информацию в высокой степени избыточной. Ж. Медведев предположил, что повторяющиеся последовательности обычно репрессированы, но в случае значительного повреждения активного гена он заменяется одним
из
идентичных резервных генов. Избыточность ДНК может, следовательно, служить гарантией против внутренне присущей
подверженности системы случайным молекулярным повреждениям. Однако постепенно весь резерв генов будет исчерпан,
и тогда начинают возникать патофизиологические изменения,
которые приведут к гибели клетки. Таким образом, чем больше избыточной ДНК, тем больше продолжительность жизни
данного вида
.
Третья гипотеза постулирует, что возрастные изменения
представляют собой продолжение нормальных генетических
сигналов, регулирующих развитие животного от момента его
зачатия до полового созревания. Возможно, есть «гены старения», которые замедляют или даже закрывают биохимические
пути один за другим и ведут к предсказуемым возрастным изменениям. При этом снижаются функциональные возможности
клеток. Старение организма — это по существу старение и
апоптоз ключевых клеток, гибель которых способна повлиять
на физиологию всего организма.
9
6
7. ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАННИХ СТАДИЙ
ОНТОГЕНЕЗА У РАСТЕНИЙ И ЖИВОТНЫХ
В понимании сущности онтогенеза в XVIII веке противоборствовали концепции преформации, сводившей индивидуальное развитие к росту, и эпигенеза, согласно которому онтогенез — процесс развития новообразований из бесструктурных зачатков. В 1828 г. К. фон Бэр, сопоставляя стадии развития зародышей разных
видов и классов хордовых, сформули-
ровал следующие положения закона зародышевого сходства.
1. Общие признаки любой крупной группы животных по-
являются у зародыша раньше, чем частные признаки.
2. После формирования самых общих признаков появляются частные — и так до появления особых индивидуальных
признаков, свойственных данной группе.
3. Зародыш любого вида животных по мере
развития ста-
новится все менее похожим на эмбрионы других видов и не
проходит через поздние стадии их развития.
4. Зародыш высокоорганизованного вида может обладать
сходством с зародышем более примитивного вида, но никогда
не бывает похож на взрослую форму этого вида.
Закон зародышевого сходства, сформулированный в этих
четырех положениях, часто истолковывают неверно
. Этот закон просто утверждает, что некоторые стадии развития высокоорганизованных форм обладают явным сходством с некоторыми стадиями развития нижестоящих на эволюционной лестнице форм. Предполагается, что это сходство можно объяснить происхождением от общего предка. По-видимому, в длительной истории жизни на Земле среда играла главную роль
отборе зародышей и взрослых организмов, наиболее приспо-
в
9
7. Ранние стадии онтогенеза у растений и животных
7
собленных для выживания. Узкие рамки, создаваемые средой
в отношении возможных колебаний температуры, влажности и
снабжения кислородом, сокращали разнообразие форм, приводя их к относительно общему типу. В результате возникло
то сходство строения, которое лежит в основе закона К. Бэра,
если речь идет о зародышевых стадиях. Разумеется, у ныне
существующих форм в
процессе зародышевого развития проявляются особенности, соответствующие времени, месту и
способам размножения данного вида.
Онтогенез (онтогения) — индивидуальное развитие осо-
би, вся совокупность ее преобразований от зарождения до
конца жизни. Термин «онтогенез» введен Э. Геккелем (1866).
Биогенетический закон Геккеля — Мюллера — закон, согласно
которому онтогенез есть краткое и быстрое повторение филогенеза (в
закономерно измененном и сокращенном виде), в
ходе которого индивидуальное развитие служит источником
новых направлений эволюции, а она отражается на онтогенезе. В ходе онтогенеза происходят рост, дифференцировка и
интеграция частей развивающегося организма. Повторение
структур, биохимических и физиологических признаков, характерных для предков, в эмбриогенезе потомков, называют
рекапитуляцией. Генетическая основа рекапитуляций
заключена в единстве механизмов генетического контроля развития,
сохраняющемся на базе общих генов регуляции онтогенеза,
которые достаются родственным группам организмов от общих предков.
Онтогенез — развитие отдельной особи — предваряет филогенез, то есть развитие группы, потому что мутации обычно
возникают в половых клетках до оплодотворения. Изменения
в эмбрионе естественно предшествуют изменениям
взрослой
особи, имеющим эволюционное значение, а часто и вызывают
их. Новая особь закладывается в момент оплодотворения, а зародышевое развитие только подготавливает ее к превратностям взрослого существования и созданию будущих зародышей. Со времени работ К. Бэра утвердилось понимание онтогенеза как процесса преформированного эпигенеза. Согласно
9
Общая биология
современным представлениям в клетке, с которой начинается
онтогенез, заложена определенная программа дальнейшего
развития организма в виде кода наследственной информации.
В ходе онтогенеза эта программа реализуется в процессах
взаимодействия между ядром и цитоплазмой в каждой клетке
зародыша, между разными его клетками и между клеточными
комплексами. Наследственный аппарат, кодируя синтез специфических белковых
молекул, определяет лишь общее направление морфогенетических процессов, конкретное осуществление которых в большей или меньшей степени (но в пределах наследственно закрепленной нормы реакции) зависит от
воздействия внешних условий. У разных групп организмов
степень жесткости наследственной программы онтогенеза и
возможности ее регуляции варьируют в широких пределах.
Важную роль в
регуляции онтогенеза животных организмов
играют нервная и эндокринная системы. Наиболее сложен онтогенез многоклеточных животных, размножающихся половым способом. В их онтогенезе выделяют следующие основные периоды (этапы): предзародышевый (про-эмбриональный), включающий развитие половых клеток (гаметогенез) и
оплодотворение; зародышевый (эмбриональный) — до выхода
организма из зародышевых оболочек; послезародышевый (постэмбриональный) — до
достижения половой зрелости; взрос-
лое состояние, включая последующее старение.
Выделяют три типа онтогенеза животных:
1) личиночный — после раннего выхода из лицевых оболочек организм некоторое время живет в форме личинки, существенно отличающейся от взрослой формы; в конце личиночной стадии у ряда групп происходит метаморфоз;
2) яйцекладный — зародыш длительное время
развивается
внутри яйца, личиночная стадия отсутствует;
3) внутриутробный — оплодотворенные яйца задерживаются в яйцеводах матери, при этом может возникать связь тканей зародыша и материнского организма с помощью плаценты.
Традиционно онтогенез изучала эмбриология, из которой
выделилась биология развития. Собственно эмбриология изучает лишь предзародышевый и зародышевый периоды.
98
7. Ранние стадии онтогенеза у растений и животных
Чередование поколений в онтогенезе растений
У растений, размножающихся половым путем, онтогенез
начинается с развития оплодотворенной яйцеклетки. Характерная особенность онтогенеза растений — чередование бесполого и полового поколений.
Спорофит — это бесполое поколение, или этап жизненного цикла растения от зиготы до образования спор. Спорофит
образует спорангий со спорами. Высшие растения всегда
имеют диплоидный спорофит, у низших растений спорофит
может быть диплоидным и гаплоидным. Редукционное деление (мейоз) ядер у высших растений происходит при образовании спор в спорангии, поэтому споры гаплоидны. Все высшие зеленые растения, за исключением моховидных, — спорофиты.
Гаметофит образуется из прорастающей споры и являет-
ся гаплоидной фазой
растения. В жизненном цикле цветковых
растений преобладает спорофит (само растение), тогда как
мужские и женские гаметофиты сильно редуцированы. Гаметофит продуцирует гаметы либо в обычных вегетативных
клетках таллома (некоторые водоросли), либо в специализированных органах полового размножения — гаметангиях, оогониях и антеридиях (низшие растения), архегониях и антеридиях (высшие растения, за
исключением цветковых). Строение
гаметофитов разнообразно, что связано с различными типами
смены поколений в разных группах растений. При изоморфной смене поколений у водорослей (ульва, диктиота, эктокарпус) гаметофит представлен самостоятельно живущей особью
данного вида, внешне не отличающейся от диплоидной особи
— спорофита. При гетероморфном жизненном цикле (ламинариевые водоросли) гаметофит имеет
вид микроскопических
нитчатых, слабо ветвящихся талломов и резко отличается от
крупного спорофита. У высших растений, имеющих всегда гетероморфную смену поколений, гаметофит только у мхов может быть представлен листостебельным растением (сфагнум,
кукушкин лён). У всех остальных представителей спорофит-
99
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]