Строение клетки протистов

4.5. ЯДРО И МИТОТИЧЕСКИЙ АППАРАТ

дорослями (рис. 4.75), а хлоропласты криптофитов – в результате симбиоза похожего на Goniomonas криптофита и красной водоросли.

Эти примеры показывают, что и другие пластиды с 3 и 4 мембранами могли появиться в результате симбиоза гетеротрофных протистов и фотосинтезирующих водорослей (рис. 4.75). При этом предполагается, что у водорослей без нуклеоморфа в х лоропласте редукционные процессы зашли дальше, чем у криптомонад и хлорарахниофитов и привели к полной утрате ядра и редукции перипластидного пространства.

Полный цикл приобретения и дальнейшей утраты пластид, по-видимому, имел место у криптофитовых. Среди них есть пер - вично бесцветные формы (Goniomonas), фототрофные организмы с хлоропластами (Cryptomonas) и вторично бесцветные формы (Chilomonas), которые содержат в перинуклеарном пространстве лейкопласт, не способный к фотосинтезу.

4.5. Ядро и митотический аппарат

Клеточные ядра протистов имеют типичную для ядер эукариот структуру. Вместе с тем, они значительно различаются по форме и количеству в клетке. Способы деления ядер протист ов гораздо многообразнее, чем у многоклеточных животных и ра с- тений. В пределах протистов происходило, вероятно, станов ление мейоза и полового процесса, что нашло отражение в суще - ственных различиях этих процессов у разных групп.

4.5.1. Число и размеры ядер

Большинство протистов обладают одним клеточным ядром. У большинства микроспоридий, а также у многих грибов и некоторых мастигамеб клетка содержит два ядра (диплокарион , или дикарион). Некоторые солнечники, крупные свободноживущие амебы, миксомицеты – многоядерны. Размеры и форма ядер варьируют в самых широких пределах, так же, как их морфология и соотношение структурных компонентов ядра. Наиболее мелкие ядра (у пироплазмид, лейшманий, микронукле-

251

ГЛАВА 4. СТРОЕНИЕ КЛЕТКИ ПРОТИСТОВ

усы некоторых инфузорий) имеют диаметр 1–3 мкм. Крупные сферические ядра некоторых полицистин достигают в диаме т- ре 400 мкм и даже 1 мм. Форма ядер большинства простейших приближается к сферической, но иногда может принимать самые причудливые формы. Это относится преимущественно к бо - гатым хроматином вегетативным ядрам инфузорий.

4.5.2.Структурные компоненты ядер

Óпротистов они те же, что и в других эукариотических клетках (рис. 4.76). Ядерная оболочка состоит из двух мембран и имеет поры, число которых у разных видов варьирует в широких п ределах, но особенно велико у тех ядер, которые обладают высо кой функциональной активностью. Снаружи ядерная оболочка об ыч- но покрыта рибосомами, но к ней могут примыкать дополнительные слои, располагающиеся как снаружи, так и под оболоч- кой со стороны кариолимфы. В частности, у многих свободноживущих амеб к внутренней стороне ядерной оболо ч- ки прилегает так называемый фиброзный, или сотовый, слой, имеющий ячеистое строение и значительно превосходящий я дерную оболочку по толщине. У Sticholonche этот слой достигает зна- чительной толщины, образуя так называемую нуклеотеку. Фибриллярный материал нуклеотеки откладывается, по-видимом у,

ñвнутренней стороны ядра. Определенные сайты на наружной мембране оболочки могут служить ЦОМТами аксонем у актинофриидных солнечников, пединеллид и некоторых полицист ин. Наружная мембрана может усиливаться фибриллярным материалом у некоторых рафидофитовых, гипермастигин, фораминифер и голых амеб. Помимо фибриллярного материала к поверхности ядра может прилегать гранулярный слой, который дополняется еще слоем мелких пузырьков, как у раковинной амебы Hyalosphenia. Многие фораминиферы имеют ядра с прилегающим снаружи слоем мелко вакуолизированной цитоплазмы, образующей так называемый экзонуклеарный вакуом.

Некоторое представление о многообразии ядер дает рисуно к 4.77, на котором изображены только неполиплоидные интерфазные ядра различных протистов, как они видны в световой

252

4.5. ЯДРО И МИТОТИЧЕСКИЙ АППАРАТ

микроскоп. В перинуклеарном пространстве у многих водоро с- лей располагаются хлоропласты или лейкопласты, а у некото - рых видов протистов обнаружены также симбиотические бак - терии.

Обязательным компонентом всех ядер протистов является хроматин, представляющий ДНК в комплексе с основными белками. Ультраструктурный анализ показывает, что он состоит из линейно расположенных глобулярных телец - нуклеосом (включающих как ДНК, так и гистоны). Упаковка нити ДНК в ядре показана на рисунке 4.78. Кроме хроматина хромосомной природы, в ядре может находиться внехромосомный хроматин , возникающий в результате повторного удвоения (амплификации) некоторых генов. Такой внехромосомный хроматин может входить в состав ядрышек вместе с РНК.

Распределение хроматина в интерфазных ядрах у простейших носит различный характер. Подчас происходит сильная деспирализация и деконденсация хроматина. В других случа - ях деконденсация охватывает часть хроматина. В некоторых интерфазных ядрах хроматин, наоборот, очень сильно конденсирован и представляет собой сплошную массу, как в головках спермиев многоклеточных животных.

Рис. 4.76. Схема строения интерфазного ядра эукариотной клетки. (По: Заварзин и др., 1992.)

1 – поверхностный аппарат ядра, 2 – наружная и 3 – внутренняя мембраны, разделенные перинуклеарным пространством, 4 – плотная пластинка, 5 – поровый комплекс, 6 – рибосомы, 7 – гетерохроматин, 8 – эухроматин, 9 – ядрышко, 10 – околоядрышковый гетерохроматин.

253

ГЛАВА 4. СТРОЕНИЕ КЛЕТКИ ПРОТИСТОВ

Рис. 4.77. Многообразие интерфазных неполиплоидных ядер протистов. (По: Raikov, 1982.)

1 – Trichomonas muris, 2500x; 2 – Amoeba sphaeronucleolus, 1500x; 3 – макрогамета Aggregata eberthi, 1000x; 4 – Amoeba crystalligera, 1500x; 5 – Amoeba terricola, 1500x; 6 – Endamoeba blattae, 1500õ; 7 – Euglypha sp., 1000x; 8 – Actinosphaerium eichorni, 1450x; 9 – Duboscquella aspida, 1200x; 10 – Euglena sp., 1200x; 11 – Holomastigotoides psammotermitidis, 1500x; 12 – микронуклеус Paramecium caudatum, 1500x; 13 – микронуклеус

P. aurelia, 1500x.

Ядрышки, которых может быть в ядре одно или несколько, а иногда и очень много, в основном состоят из рибонуклеопро - теинов – предшественников рибосом. Электронная микроско - пия показывает, что ядрышки образованы из двух структурных компонентов – гранулярного и фибриллярного. Фибриллы диа - метром 5–10 нм обычно локализованы в центральных частях

254

4.5. ЯДРО И МИТОТИЧЕСКИЙ АППАРАТ

Рис. 4.78. Модель упаковки хроматина в ядре эукариотной клетки. (По разным авторам.)

А – двойная спираль ДНК, Б – нуклеосомная нить (ДНК «намотана» на нуклеосомы (нс), состоящие из гистонов), В – хроматиновая фибрилла – следующий уровень упаковки нуклеосомной нити, Г – участок деспирализованного хромат ина (эухроматин), Д – участок спирализованного хроматина (гетерохроматин), Е – метафазная хромосома.

ядрышка. Во многих ядрышках у протистов описаны включе- ния хроматина, которые иногда, но не всегда, морфологическ и

255

ГЛАВА 4. СТРОЕНИЕ КЛЕТКИ ПРОТИСТОВ

связаны с определенными хромосомами. Это – ядрышковые организаторы, образующиеся в результате амплификации рибосомальных генов.

В ядрах простейших в большем или меньшем количестве присутствует ядерный сок (кариолимфа). В нем могут быть также мельчайшие гранулы разной природы, часть которых является, вероятно, субъединицами рибосом. Встречаются также па - ракристаллические или фибриллярные белковые образовани я, а также особые спиральные структуры (у крупных амеб), содержащие, по-видимому, РНК.

Наиболее существенные отклонения от описанной структуры ядра отмечены только для динофитовых. Хроматин ядра ди - нофитовых (динокариона) лишен гистонов или сильно ими обеднен, поэтому у них отсутствует нуклеосомная организа ция хроматина. ДНК динофитовых укладывается особым образом. Кольцевые хроматиновые нити, из которых состоят хромосомы, уложены в виде восьмерок (рис. 4.79), и на ультратонких срезах выглядят совершенно иначе, чем хроматин остальных эукариот. Сама хроматиновая нить состоит из спирально упакованной молекулы ДНК, не связанной с белками.

Этот тип организации интерфазного ядра долгое время счи- тали мезокарионом – промежуточным между прокариотическим и собственно эукариотическим, а отсутствие гистонов с чи- талось первичным признаком. В настоящее время общепринят а точка зрения, что у динофитовых произошла утрата гистонов в процессе эволюции.

Рис. 4.79. Схема строения хромосомы динокариона. (По: Райков, 1978.)

хн – хроматиновая нить, хс – контуры хромосомы.

256

4.5. ЯДРО И МИТОТИЧЕСКИЙ АППАРАТ

4.5.3. Гетероморфизм ядер

Подавляющее большинство многоядерных протистов содержит в клетке одинаковые (гомоморфные) ядра. Лишь инфузории, миксоспоридии, некоторые фораминиферы, а также акантарии обладают двумя сортами ядер к клетке и обычно н а- зываются гетероморфными. Ядра различаются морфологичес - ки и функционально. У инфузорий эта их особенность называется ядерным дуализмом. Обычно клетка содержит макронуклеус (Ма) и микронуклеус (Ми). Макронуклеус – крупное ядро нередко весьма причудливой формы – является соматическим ядром и определяет фенотип особи. В нем часто наблюдается амплификация генов и ярко выражена экспрессия генома. Микронуклеус – небольшое ядро с компактным хр о- матином – является генеративным ядром, хранящим наследственную информацию в диплоидном состоянии и почти лишенным экспрессии генов. Ма некоторых высокоорганизованных инфузорий (гипотрихи) может содержать всего 5% генома Ми. Он состоит только из функционирующих генов, но тиражированных миллионами копий. Это связано с большими размерами клетки инфузорий, т.к. количество копий в Ма, как и его размеры, обычно пропорционально размерам особи.

Дифференцировка ядер на генеративные и соматические характерна для всех изученных миксоспоридий. Часто она происходит после второго или третьего деления ядра амебоидн ого зародыша и приводит в конечном итоге к образованию дифференцированных клеток многоклеточного организма.

Гетерокариоз фораминифер отмечен только на некоторых стадиях их жизненного цикла (агамонты). Он менее изучен, че м у инфузорий, и характерен только для эволюционно продвину - тых видов.

У акантарий дифференцировка ядер на соматические и генеративные происходит перед инцистированием. И те и други е формируются из одного полиплоидного ядра, от которого сна - чала отпочковываются соматические ядра, а оставшееся вто рич- ное ядро дает начало генеративным ядрам, количество котор ых в результате многократных делений достигает сотен на клетку.

257

ГЛАВА 4. СТРОЕНИЕ КЛЕТКИ ПРОТИСТОВ

Гетерокариотическое состояние следует отличать от нали чия в клетках некоторых протистов разнокачественных геномо в, принадлежащих разным видам. Так, некоторые динофитовые содержат в цитоплазме ядра симбиотических эукариот, которые отличаются по составу генома и организации хроматина . Проблема взаимодействия различных геномов в клетке прот и- стов очень сложна и необычайно интересна. В некоторых гру п- пах протистов, например у криптофитовых, насчитывается до 4 различных геномов в одной клетке (ядерный, пластидный, митохондриальный и геном нуклеоморфа). Их даже образно называют клетками-химерами.

4.5.4. Митоз

Основной формой деления ядра простейших, как и всех эукариотических организмов, является митоз. Главная черта мит о- за – закономерное расхождение в дочерние ядра двух копий каждой реплицированной хромосомы (хроматиды) – хорошо известна. Этот важнейший биологический процесс обеспечи вает преемственность и непрерывность наследственной информа - ции. Хотя общая схема и сущность митоза едины для всех эукариот, в деталях этот процесс может протекать по-разному. Поведение и судьба участвующих в митозе компонентов – ядерной оболочки, центриолей, ахроматинового аппарата клетки – варьируют у протистов в широких пределах. Здесь как бы осущест - влялись разные попытки реализации митоза, из которых лишь немногие были заимствованы наземными растениями, настоя - щими грибами и животными.

Классификация типов митоза у протистов предпринималась неоднократно. По мере накопления знаний она становилась в се более дифференцированной. Особенное значение для углубл е- ния представлений о многообразии форм митоза имела электронная микроскопия, которая позволила раскрыть ряд ране е неизвестных фактов.

В настоящей книге мы принимаем классификацию И.Б.Райкова (Raikov, 1982, 1994), которая, в свою очередь, представляет собою дальнейшее усовершенствование классификации ,

258

4.5. ЯДРО И МИТОТИЧЕСКИЙ АППАРАТ

предложенной ранее А.Холландом (Hollande, 1972). И.Б.Райков выделяет следующие 6 форм митоза, хорошо отличающихся друг от друга на стадии метафазы (рис. 4.80):

Открытый митоз

1.Открытый ортомитоз (эумитоз)

Полузакрытый митоз

2.Полузакрытый ортомитоз

3.Полузакрытый плевромитоз (парамитоз)

Закрытый митоз с внутренним веретеном

4.Внутриядерный плевромитоз

5.Внутриядерный ортомитоз

Закрытый митоз с внеядерным веретеном

6. Внеядерный плевромитоз При открытом митозе, в отличие от закрытого, разрушается

ядерная оболочка, а хромосомы оказываются свободно лежащими в цитоплазме. Закрытым митозом именуют такие его фор - мы, при которых ядерная оболочка сохраняется в течение вс его процесса. При ортомитозе в метафазе хромосомы становятся по экватору веретена, образуя метафазную экваториальную пластинку. При плевромитозе экваториальная пластинка, как пр а- вило, не образуется и ахроматиновое веретено представлен о двумя полуверетенами, расположенными под углом друг к другу вне или внутри ядра, в результате чего вся фигура деления приобретает асимметричный (радиально несимметричный) харак - тер. Различные сочетания указанных черт и образуют 6 категорий митоза (рис. 4.80), которые определяются по митотическим фигурам.

Строение центров организации микротрубочек (ЦОМТ) митотического веретена также весьма разнообразно. При откр ы- тых и полузакрытых митозах ими чаще всего являются центри - оли, каждая из которых представлена парой кинетосом. Иног да кинетосомы присутствуют в клетке наряду с центриолями (у некоторых зеленых водорослей). ЦОМТы могут быть представлены фибриллярными корешками (ризопласты у хлорофитовых и хризофитовых, или атрактофоры у гипермастигин) или образованным тубулином аморфным материалом, из которого формируются микротрубочки веретена деления ядра.

259

ГЛАВА 4. СТРОЕНИЕ КЛЕТКИ ПРОТИСТОВ

Прямые линии внутри или вне ядра – микротрубочки веретена деления. Центрами организации микротрубочек митотическ ого веретена при полузакрытом ортомитозе могут быть как кинетосомы, так и иные структуры.

При закрытом типе митоза ЦОМТы представлены электрон- но-плотными бляшками на наружной и внутренней мембране ядра. Часто они имеют характерное трехслойное строение (к ак у микроспоридий и дрожжей). В ядрах кинетопластид и воротничковых жгутиконосцев внутриядерные ЦОМТы не выражены морфологически. У этих протистов микротрубочки верете на деления образуются в ядре и растут от кинетохоров по напр авлению к ядерной мембране.

Открытый ортомитоз

Этот класический «метазойный» тип митоза характерен для многих протистов. Он отмечен для грегарин, у которых ЦОМТы могут быть представлены как центриолями, так и аморфным

260