Хаусман, Хюльсман, Радек - Протистология (2010 г

Кариоплазма содержит хроматин, который имеет тонкофибриллярную структуру и один или несколько элект­ ронно-плотных агрегатов — ядрышек (рис. 296). Ядрышки являются центра­ ми синтеза рибосомных субъединиц. Они отсутствуют в микронуклеусах инфузорий и в ядрах некоторых гамет.

Степень конденсации хроматина в интерфазе различна у разных протис­ тов. Компактный, плотно упакованный хроматин, заполняющий все ядро, ха­ рактерен для ядер микрогамет боль­ шинства Apicomplexa и микронуклеусов цилиат. У эвгленовых хроматин интер­ фазного ядра формирует плотные па­ лочковидные скопления, похожие на митотические хромосомы. У ряда гипермастигид (например, Barbulanympha, Trichonympha) хромосомы видны постоянно, они прикреплены кинетохорами к внутренней стороне ядерной оболочки. У большинства динофлагеллят ядра мелкие и в них постоянно при­ сутствуют конденсированные хромосо­ мы, которые принципиально отличают­ ся от хромосом всех других протистов способом упаковки хроматина. Предпо­ лагается, что каждая хромосома динофлагеллат состоит из длинной кольцевой молекулы ДНК, уложенной в суперспи­ раль. По этому признаку ядро динофлагеллат разительно отличается от всех остальных эукариотических ядер, и ему дано собственное название — динокарион. Уникальные черты организации динокариона считаются вторично при­ обретенными.

Как и у многоклеточных, ядерная ДНК протистов обычно ассоциирована с гистонами и, таким образом, органи­ зована в хроматин. Все пять гистонов, известные для многоклеточных, обна­ ружены в макронуклеусе Tetrahymena. Их аминокислотные последовательнос­ ти на определенных участках отличны от таковых многоклеточных. Интерес­ но, что транскрипционно пассивное ядро — микронуклеус — по составу гистонов существенно отличается от макронуклеуса. Ядра большинства динофлагеллат лишены гистонов, но всетаки содержат немного основных бел­ ков.

Жизненные циклы протистов мно­ гообразны: гаплофазный цикл с зиготической редукцией (характерен для Volvocida, динофлагеллат, гипермастигид и оксимонад, Apicomplexa), дишюфазный

сгаметической редукцией (например,

Actinophrys, Noctiluca) и гетерофазный

счередованием диплоидной и гаплоид­ ной фаз (фораминиферы). Поэтому у них широко представлены гаплоидные и диплоидные ядра, а также немало и полиплоидных, которые отличаются большими размерами.

Микронуклеусы всех изученных цилиат диплоидны1, а плоидность мак­ ронуклеуса обычно высока (за исклю­ чением кариореликтид с квазидиплоид­ ным макронуклеусом — см. гл. 2). Со­ держание ДНК в макронуклеусе Tetra­ hymena thermophila в 10-20 раз больше, чем в микронуклеусе. Макронуклеус гипотрих содержит только 5% всего ге-

нома микронуклеуса. Большее количе­ ство ДНК в макронуклеусе объясняет­ ся тем, что немногие оставшиеся гены представлены огромным количеством копий. ДНК макронуклеуса гипотрих представлена миллионами коротких линейных фрагментов размером в ген. Число копий каждого фрагмента прямо пропорционально размерам клетки.

Роль микронуклеуса и макронуклеуса в жизненном цикле цилиат

Экспериментальные исследования привели к широко распространенному мнению, что микронуклеус не участву­ ет в поддержании и регуляции клеточ­ ных функций, а отвечает только за хранение и рекомбинацию генетичес­ кого материала. Это подтверждается существованием видов без микронук­ леусов. Однако эксперименты по пере­ саживанию ядер, особенно на Parame­ cium и гипотрихах, показывают, что микронуклеусы все-таки выполняют и другие функции. У Paramecium с экс­ периментально удаленными микронук­ леусами в следующем поколении осо­ бей развивается ненормальный рото­ вой аппарат. Поэтому можно предпо­ ложить, что микронуклеус участвует в формировании ротового аппарата (т.е. в стоматогенезе). После нескольких циклов бесполого размножения рото­ вой аппарат формируется уже без на­ рушений, то есть макронуклеус бе­ рет на себя эту функцию утраченного микронуклеуса.

Преобразования ядра в ходе жизненного цикла

Клеточный цикл эукариотной клет­ ки традиционно делится на несколько четких стадий (см. рис. 321). В интер­ фазе, которая включает стадию репли­ кации ДНК (S-фазу) и две промежуточ­ ные фазы G, и G2, клетка непрерывно растет. В М-фазе происходит распреде­ ление хромосом по дочерним ядрам (митоз) и деление клетки (цитокинез).

Репликация генетического материала

Синтез ДНК может идти на разных стадиях жизненного цикла. У много­ ядерных гомокариотных протистов реп­ ликация генетического материала и митоз идут независимо в каждом ядре и не связаны непосредственно с циклом деления клетки. У цилиат с нескольки­ ми микронуклеусами последние также вступают в S-фазу независимо друг от друга и от макронуклеуса.

В макронуклеусах гипотрих синтез ДНК и гистонов идет синхронно в од­ ной или двух особых зонах (рис. 299). Преобразование хроматина, отчетливо видное на микрофотографиях, начина­ ется в определенных зонах вблизи ядер­ ной оболочки. Затем эти зоны сливают­ ся в так называемую репликационную полоску, которая движется через весь макронуклеус, вызывая по ходу удвое­ ние ДНК и гистонов. Непосредственно перед началом деления ядра репликационная полоска исчезает. В макронуклеу-

сах других цилиат синтез ДНК на уров­ не ультраструктуры не выявляется.

Ми т оз

Впротивоположность высшим эукариотам, у которых форма деления ядра варьирует лишь незначительно, у протистов обнаружены существенно различающиеся типы митоза (рис. 300). Они различаются судьбой ядерной обо­ лочки, а также положением, симметри­ ей и строением веретена деления и цен­ тров его организации.

При открытом митозе (как у много­ клеточных организмов) ядерная оболоч­ ка полностью разрушается, а при закры­ том митозе, наоборот, оболочка ядра сохраняется на всех его стадиях. При полузакрытом митозе ядерная оболочка

разрушается только на определенных участках. В ортомитозе аппарат верете­ на имеет осевую симметрию, тогда как при плевромитозе оси полуверетен не совпадают.

Характерный для многоклеточных животных открытый ортомитоз обнару­ жен у многих протистов: хризомонад, криптомонад, гаптомонад, празиномонад, пединеллид, акантамеб, лабиринтул, некоторых грегарин (например, Monocystis) и некоторых Ешпуха. При полузакрытом ортомитозе центры орга­ низации микротрубочек веретена (ЦОМТы) развиваются на одном полю­ се снаружи ядра и в профазе расходят­ ся к противоположным его полюсам. После этого ядерная оболочка прорыва­ ется на полюсах и микротрубочки от ЦОМТов входят в ядро, формируя аппа-

рат веретена. Такой тип митоза описан для хлоромонад (особенно Volvocida) и рафидомонад, некоторых крупных амеб

(Amoeba proteus), хоанофлагеллат

(Monosiga ovata), грегарин (например, Deplauxis) и некоторых солнечников (например, Actinophrys). При закрытом ортомитозе аксиально-симметричное веретено развивается внутри ядерной оболочки. Этот тип митоза обнаружен у трипаносоматид, раковинных амеб

{Euglypha, Arcella), вампиреллид (на­ пример, Arachnula, Lateromyxa, Vampyrella) и в микронуклеусах инфузорий. У трипаносоматид формируются два неза­ висимых полуверетена. При этом у од­ них видов (например, Trypanosoma cruzi) они располагаются вдоль одной оси (ортомитоз), а у других (например, Т. raiae) лежат под углом друг к другу,

как в плевромитозе. Поэтому митоз трипаносоматид можно считать проме­ жуточным между закрытым ортомитозом и закрытым плевромитозом.

При полузакрытом плевромитозе ЦОМТы располагаются вне ядерной оболочки, которая перфорируется, ког­ да микротрубочки полуверетен прохо­ дят в ядро. Этот тип митоза типичен для Apicomplexa. На стадии множе­ ственного деления (шизогонии) после очередного митоза веретено сохраняет­ ся, а хромосомы остаются прикреплен­ ными к его микротрубочкам до тех пор, пока не закончатся все другие митозы. Такой механизм препятствует случайно­ му распределению хромосом во вре­ менно полиплоидном ядре. Закрытые плевромитозы идут у фораминифер, радиолярий, оксимонад, некоторых пра-

зиномонад, кинетопластид, микроспо­ ридий, гаплоспоридий и многих грибов. ЦОМТы микротрубочек веретена закла­ дываются в ядерной оболочке поблизо­ сти друг от друга и затем расходятся в противоположные стороны за счет раз­ растания между ними ядерной оболоч­ ки или каким-то образом перемещают­ ся в ней.

У трихомонад, гипермастигид и динофлагеллат организующие центры ве­ ретена расположены снаружи ядер­ ной оболочки; веретено также развива­ ется вне ядра, либо сбоку от него (трихомонады, гипермастигиды), либо внутри пронизывающих его каналов (динофлагеллаты).

На рис. 300а показан динокарион с пронизывающим его каналом. Стенка канала сформирована обычной ядерной оболочкой. Микротрубочки берут нача­ ло от центросом, расположенных снару­ жи от ядра. И полюсные, и кинетохорные микротрубочки проходят по кана­ лу. Последние присоединяются к ядер­ ной оболочке. В тех же точках к ядерной оболочке изнутри прикрепля­ ются хромосомы. Рис. 3006 иллюстри­ рует сходную картину. Микротрубочки отходят от центросом, которые у парабазалий называются аттрактосферами, и присоединяются снаружи к ядерной оболочке, однако здесь нет пронизыва­ ющих ядро каналов.

Новая оболочка дочерних ядер со­ бирается, как правило, из частей или фрагментов старой, однако в ряде слу­ чаев (например, Actinophrys, микронук­ леус некоторых инфузорий) она появля­

ется под оболочкой материнского ядра еще до того, как последняя дегради­ рует.

Большое разнообразие типов деле­ ния ядра позволяет предположить, что их становление произошло в процессе эволюции протистов. Предковые черты могут сохраняться в современных так­ сонах наряду с примитивными и про­ двинутыми признаками. При делении прокариот хромосомы прикрепляются к плазматической мембране и разделяют­ ся благодаря росту мембраны между точками прикрепления. Внешне это на­ поминает митоз динофлагеллат (диномитоз), поэтому ряд авторов считает диномитоз примитивным. Однако моле- кулярно-биологические исследования показывают, что динофлагеллаты пред­ ставляют собой эволюционно продви­ нутую группу. Диномитоз существенно отличается от деления прокариот по многих параметрам, в частности, учас­ тием микротрубочек. Эволюционная последовательность разных типов ми­ тоза у протистов еще неизвестна1.

Деление макронуклеуса инфузорий

Макронуклеус инфузорий (исклю­ чая кариореликтид) делится во время цитокинеза. Обычно он мигрирует в область разделения клеток еще до фор­ мирования борозды деления, затем вы­ тягивается продольно, располагаясь в обеих будущих дочерних клетках, и пе­ решнуровывается в процессе цитокине­ за. Его половинки разделяются непос-

редственно перед отделением дочерних клеток друг от друга. В течение всего этого процесса оболочка ядра сохраня­ ется.

В процессах миграции, удлинения и формирования новых ядер участвуют внутриядерные и цитоплазматические микрофиламенты и микротрубочки. Эксперименты на Stentor показали, что расположение макронуклеуса и его уд­ линение контролируется кортикальны­ ми элементами. По-видимому, это спра­ ведливо и для других цилиат (напри­ мер, Bursaria, Paramecium), макронук­ леусы которых прикрепляются к кортексу клетки.

Деление макронуклеуса инфузорий часто называют амитозом, поскольку отсутствуют хромосомы и типичный аппарат веретена. С другой стороны, маловероятно, что генетический мате­ риал между дочерними клетками рас­ пределяется случайно. Разветвленные или сегментированные ядра обычно конденсируются перед делением в еди­ ную компактную массу; то же происхо­ дит и с набором мелких макронуклеу­ сов, как, например, у Urostyla grandis. Более того, генетический материал иногда перемешивается внутри ядра. Так, у Homalozoon было замечено вра­ щение содержимого макронуклеуса пе­ ред делением клетки. Внутриядерные микротрубочки в макронуклеусах Ргоtocruzia и других инфузорий, по-види­ мому, участвуют в разделении элемен­ тов, соответствующих хромосомам. Возникающие в составе ДНК различия между дочерними ядрами нивелируют­ ся либо избирательным синтезом, либо избирательным удалением генетическо­ го материала.

М е й оз

Мейоз большинства эукариот состо­ ит из двух последовательных делений ядра, которые сопровождаются клеточ­ ными делениями. Если хромосомы в интерфазе деспирализованы, они кон­ денсируются во время пролонгирован­ ной профазы I первого мейотического деления. Предварительно удвоенные гомологи конъюгируют, образуя бива­ ленты, связанные синаптонемальными комплексами (рис. 301). Реципрокный обмен гомологичными участками ДНК между несестринскими хроматидами (генетическая рекомбинация) осуществ­ ляется в процессе кроссинговера. В метафазе I биваленты выстраиваются по экватору веретена, затем гомологич­ ные хромосомы разделяются и движут­ ся к противоположным полюсам клет­ ки (анафаза I). Материнские и отцовс­ кие гомологи случайно распределяются между дочерними ядрами, а количество хромосом уменьшается вдвое. Второе мейотическое деление соответствует митозу. В результате мейотических де­ лений из каждого диплоидного ядра получается четыре генетически различ­ ных гаплоидных ядра.

У большинства протистов мейоз соответствует этой общей схеме. Одна­ ко у многих из них особенности мейоза на ультраструктурном уровне еще неизвестны. Синаптонемальные комп­ лексы, свидетельствующие о том, что мейоз является двухступенчатым, на­ блюдались во многих таксонах: у аме­ боидных протистов (Arcella, Lateromyxa gallica), микроспоридий (Amblyospora), Myxozoa (Aurantiactinomyxon), динофлагеллат (Prorocentrum), инфузорий,

фораминифер, Chlamydomonas, Labyrinthula и Actinophrys. Считается, что у споровиков (Coccidea, Haemosporida и Piroplasmida) мейоз также двухступен­ чатый, хотя иногда он идет без кроссинговера.

Так называемый одноступенчатый мейоз (с одним делением ядра) был описан у жгутиконосцев из кишечника таракана Cryptocercus. При этом типе мейоза гомологичные хромосомы конъюгируют, по-видимому, без предвари­ тельного удвоения, между ними не на­ блюдаются хиазмы и кроссинговер. Та­ ким образом, уровень рекомбинации при одноступенчатом мейозе значительно ниже, чем при двухступенчатом. Мейоз

с одним делением ядра, по всей вероят­ ности, имеется только у жгутиконосцев, обитающих в Cryptocercus. Есть подо­ зрение, что определенную роль в станов­ лении этого типа мейоза сыграл гормон линьки таракана (эгдизон).

Развитие макронуклеуса

уинфузорий

Геном макронуклеуса развивается из генома микронуклеуса. Новые мак­ ронуклеусы инфузорий (за исключени­ ем кариореликтид) формируются толь­ ко после конъюгации. Процесс диффе­ ренциации генома макронуклеуса очень сложен и еще не до конца понятен.

босомных РНК в макронуклеусе — это отдельные короткие молекулы, пред­ ставленные большим количеством ко­ пий.

Экстенсивная репликация ДНК в макронуклеарном зачатке приводит к развитию гигантских хромосом, напо­ минающих политенные хромосомы на­ секомых. Это отмечено у большинства стиготрих (например, Stylonychia) и ги­ потрих (например, Euplotes), а также у некоторых представителей других групп (например, Chilodonella cuculus, Loxophyllum meleagris, Nyctotherus cordiformis). У Stylonychia политенизацию претерпевают лишь немногие из хромосом микронуклеуса, тогда как другие деградируют. Политенные хро­ мосомы распадаются на фрагменты, (рис. 302). Во время развития макро­ нуклеуса разрушается большая часть ДНК, в том числе повторяющиеся пос­ ледовательности и специфичные микронуклеарные гены. В результате в за­ чатке макронуклеуса Stylonychia lemnae остается только около 2% всех генов микронуклеуса. Они представлены от­ дельными мелкими фрагментами ДНК (один фрагмент — один ген), рассеян­ ными в макронуклеусе.

Такие инфузории, как Paramecium, Tetrahymena, гетеротрихи и Litostomatea, не формируют политенных хромо­ сом. Однако и у них наблюдается вре­ менное падение содержания ДНК при развитии макронуклеуса. Например, у Tetrahymena во многих участках гено­ ма элиминируется часть нуклеотидов. Реорганизация ДНК у Paramecium, повидимому, не сводится к простому уменьшению размеров хромосом, так как из уникального набора хромосом

микронуклеуса появляются различные, но близкие друг другу по нуклеотидным последовательностям субхромосомы макронуклеуса. Показано, что фрагмен­ тация хромосом у Paramecium (как и у других цилиат) связана с вырезанием участков ДНК, однако размеры удаляе­ мых участков, похоже, различаются в разных копиях субхромосом. Так же как и у гипотрих, степень редукции генома при развитии макронуклеуса здесь пря­ мо пропорциональна размеру генома микронуклеуса: чем меньше геном мик­ ронуклеуса, тем меньше степень его редукции при созревании макронукле­ уса. Например, у Paramecium aurelia

микронуклеарный геном 270-320 млн п.н. редуцирован до 46-80 млн п.н. в макронуклеусе; у P. bursaria геном мик­ ронуклеуса 3500 млн п.н. в макронук­ леусе редуцирован до 17 млн п.н.

Половой процесс

вжизненном цикле протистов

Половой процесс заключается, глав­ ным образом, в слиянии двух гаплоид­ ных гаметических ядер, образовавших­ ся в результате мейоза, и формировании диплоидной зиготы. Он не обнаружен у эвгленовых, хоанофлагеллат, трихомонад, шизопиренид и некоторых других протистов. Неизвестно, первично отсут­ ствует у них половой процесс, или ут­ рачен в эволюции, или просто половые стадии еще не найдены.

У многих протистов гаметические ядра формируются в специальных дифференцированных половых клет­ ках, или гаметах. Если половая дифференцировка проявляется уже в роди-

тельских клетках, такие клетки назы­ ваются гамонтами. Гаметы могут быть морфологически одинаковы (изогаметы) или различны (анизогаметы). Оп­ лодотворение неподвижной яйцеклет­ ки подвижной мужской гаметой назы­ вается оогамией. Следует различать слияние гамет (гаметогамию) и слия­ ние гамонтов (гамонтогамию). Слия­ ние гаметических ядер, сформирован­ ных одной родительской клеткой, на­ зывается автогамией.

В жизненном цикле многих проти­ стов происходит чередование вегетатив­ ного и полового размножения. При гомофазном чередовании поколений тип размножения меняется, а число хромо­ сом остается неизменным. Это харак­ терно, например, для Apicomplexa (см. рис. 84). Смена поколений у многих Apicomplexa связана со сменой хозяев. Для фораминифер характерно гетерофазное чередование поколений, по­ скольку мейоз происходит в середине жизненного цикла.

У некоторых колониальных проти­ стов вегетативные и генеративные клет­ ки могут существовать вместе. Этот тип клеточной дифференциации можно на­ блюдать, например, у Eudorina и Volvox (см. рис. 172), а также у некоторых ци­ лиат (например, Zoothamnium alternans;

см. рис. 315а).

Гаплоидные протисты, например вольвоксовые, хризомонады, большин­ ство динофлагеллат, некоторые гипермастигиды, оксимонады и Apicomplexa, образуют гаметы непосредственно из вегетативных клеток или после их би­ нарных делений. У Chlamydomonas формируются двужгутиковые изогаметы, которые несут на поверхности жгу­

тиков видоспецифичные и специфич­ ные для типа спаривания гликопротеины. Эти гликопротеины вызывают аг­ глютинацию жгутиков у совместимых (+/-) клеток. Клетки объединяются в пары, соединяясь друг с другом при помощи небольшой папиллы. После слияния клеток зигота развивается в толстостенную покоящуюся стадию, в которой идет мейоз с последующим формированием гаплоидных вегетатив­ ных клеток.

Более крупные колониальные Volvocida (Eudorina, Volvox) оогамны. По­ ловое размножение у Volvox carteri инициируется так называемым белкоминдуктором (гликопротеин 30 кД), ко­ торый синтезируется в ответ на повы­ шение температуры окружающей сре­ ды. Он эффективен в очень низких концентрациях, около 6х10~,7М. Поэто­ му количество индуктора, выделяемое одной колонией, бывает достаточным для того, чтобы все колонии в конкрет­ ном водоеме начали готовиться к поло­ вому процессу. В присутствии полово­ го индуктора гонидии приступают к своего рода эмбриогенезу. Гаплоидная вегетативная клетка дает начало либо множеству микрогамет, либо одной не­ подвижной макрогамете. У некоторых видов Volvox оба типа гамет созревают в одной колонии (например, Volvox globator); у других в этом участвуют раз­ ные колонии одного клона (например, Volvox aureus) или колонии разных кло­ нов (например, Volvox perglobator).

Первое деление зиготы сопровождает­ ся мейозом, а дальнейшие митотические деления ведут к формированию ко­ лоний, состоящих из гаплоидных веге­ тативных клеток.