Клеточная дифференцировка у прокариот

Сохранить в закладки
4069
6
Сохранить в закладки

Вирусолог Андрей Летаров о клеточной теории, паттерне экспрессии генов и цианобактериях

Клеточное строение большинства живых организмов — это одно из основополагающих положений современной биологии, одна из ее главных парадигм, которая появилась в конце XVIII века с изобретением микроскопов. Это было связано с работами Левенгука и других ученых, впечатленных сообщениями и письмами этого исследователя. Левенгук, в сущности, и открыл бактериальный мир.

Дальше была создана клеточная теория. Ее авторами считаются Шлейден и Шванн, большое влияние на нее оказал немецкий физиолог Рудольф Вирхов. Теория достаточно скоро установила, что клетки высших организмов — растений, людей, животных — отличаются друг от друга. Это совершенно очевидно. Любой человек, более-менее знакомый хотя бы со школьной биологией, понимает, что лимфоцит совершенно не похож на нейрон. И можно было бы создавать некое определение, которое описывало бы терминологию в большей или меньшей степени подробности. Так и поступали в XIX веке или в начале XX века.

Сейчас мы остановимся на более простом определении. Дифференцированные клетки — это клетки какого-то организма, которые выполняют разные функции и при этом имеют различающиеся паттерны экспрессии генов.

Давайте я поясню последнюю непонятную фразу. Паттерн экспрессии генов — это отличие в статусе (включенный и выключенный) и в степени работы, то есть интенсивности синтеза РНК и соответствующих белков тех или иных генов этого организма. Разумеется, внимательный слушатель сразу заметит, что любые две клетки различаются по экспрессии генов. Именно поэтому здесь стоит важное слово «паттерн», модель. То есть имеются в виду некоторые достаточно существенные и характерные отличия, которые свойственны всем клеткам типа А или клеткам типа Б. Все люди тоже достаточно вариабельны, но мы обычно очень четко различаем мужчин и женщин по внешнему виду и крайне редко ошибаемся. Даже по голосу мы можем их различить. Примерно в том же понимании мы говорим о паттернах экспрессии генов.

Долгое время считалось, что бактерии — это исключительно одноклеточные организмы или клетки у них более-менее одинаковы и независимы. Но оказалось, что это на самом деле не совсем так. Это удивительное явление формирования клеток разного типа для разных функций свойственно и бактериям. Сравнительно недавно мы стали об этом говорить как о настоящей дифференцировке клеток. Среди примеров дифференцированных клеток мы можем привести клетки, которые различаются на разных стадиях жизненного цикла того или иного микроорганизма и выполняют какую-то функцию. Одни колонизируют какие-то поверхности, другие клетки расселяются, третьи нужны для переживания неблагоприятных условий. Но формально организм при этом остается более или менее одноклеточным — если хотите, двуклеточным. А бывают ситуации, когда бактерии действительно формируют значительно более сложную структуру, которую можно назвать настоящими многоклеточными или временно многоклеточными организмами. Приведу несколько примеров таких ситуаций.

Клетки, которые остаются более-менее одноклеточными, но у них различаются паттерны экспрессии. Есть явление, долгое время забытое, оно было открыто в 1944 году, вскоре после введения в клиническую практику пенициллина, английским микробиологом-полковником Биггером. Это феномен клеток-персистеров. Сейчас не очень принято говорить о персистерах как о дифференцированных клетках, но в соответствии с определением, которое мы дали, это действительно они. Потому что в популяциях самых разных микроорганизмов — кишечной палочки, золотистого стафилококка и других бактерий — с не очень высокой частотой возникают отдельные клетки, которые замирают, в них почти останавливаются все синтезы макромолекул. Там есть очень небольшой уровень экспрессии специальных генов. Они некоторое время лежат спокойно, а потом активируются, и это происходит случайным путем, по закону радиоактивного распада.

Интересное свойство этих клеток состоит в том, что они нечувствительны к действию большинства антибиотиков. Это не мутанты, которые стали генетически невосприимчивы. Если мы подействуем антибиотиком на жидкую культуру бактерий, а потом посеем их на среду без антибиотика, чтобы они могли себя там чувствовать спокойно, вырастут колонии. Скорее всего, большая часть колонии, которую мы потом отсеем, окажется столь же чувствительна к антибиотику, как было вначале. Если так сделать несколько раз, мы рано или поздно мутантов тоже как-нибудь уберем. И эти клетки выжили в присутствие антибиотика значительно дольше, чем большинство их генетически идентичных сородичей, потому что большая часть антибиотиков действует таким образом, что они нарушают, извращают какие-то метаболические пути клетки, что приводит к гибели. А если у клетки нет активного метаболизма, ничего с ней не будет. Поэтому они могут перенести временную экспозицию к ядам, к такого рода условиям, которые не убивают клетки физически непосредственно, но, нарушая их метаболизм, приводят к тяжелым последствиям. С этим связаны многочисленные проблемы, связанные с терапией бактериальных инфекций.

Приведу другой пример. Например, у многих бактерий есть покоящиеся формы. Зачастую они изучены не очень хорошо. Лучше всего изучены цисты у азотобактеров — это клетки, которые образуют дополнительные оболочки. У них понижается содержание воды, и они начинают достаточно хорошо переносить неблагоприятные условия. Чтобы образовать из себя такую клетку, молекулярные механизмы должны выработать определенные решения, и с какого-то момента должен запуститься фактически необратимый процесс, когда клетка инкапсулируется. Но образование цисты — это деятельность, которая обеспечивается самой клеткой, то есть она как бы закрывается изнутри. Они могут переносить высушивание, они хранятся значительно лучше, чем вегетативные клетки, активно делящиеся, и выживают в неблагоприятных условиях.

Есть интересный пример клеточной дифференциации у цианобактерий. Наверное, многие люди встречались с цветением воды, когда она становится зеленого или иногда синеватого цвета. Раньше именно из-за этого оттенка их называли сине-зелеными водорослями. До сих пор некоторые ботаники по традиции занимаются цианобактериями, хотя на самом деле это истинные бактерии, прокариоты. Когда-то они изобрели оксигенный фотосинтез (фотосинтез с выделением кислорода), который изменил лицо нашей планеты. Это была первая глобальная экологическая катастрофа. Но дело даже сейчас не в этом.

Многие цианобактерии живут в пресной воде. И в этой воде, например в лужах после дождя, может быть достаточно немного источников азота. Откуда брать азот в дистиллированной воде, которая падает с неба? Когда цианобактерии испытывают голодание, они переключаются на фиксацию молекулярного азота, то есть умеют взять азот из атмосферы и восстановить его с помощью аналога водорода, который связан с неким переносчиком над H. Восстановить его, получив аммоний, и этот аммоний включается в состав аминокислот сразу же. Таким образом, они фиксируют азот из воздуха и могут обеспечить построение своих клеток.

Проблема состоит в том, что цианобактерии сами выделяют кислород при фотосинтезе. А нитрогеназа — фермент, свойственный очень многим бактериям из совершенно разных групп, очень древний по происхождению и ввиду своей древности не доведенный почему-то эволюцией до ума. А может быть, это связано с принципиальными химическими ограничениями. Но этот фермент очень энергозависимый. Ему нужно довольно много АТФ, ему нужен условный восстановительный эквивалент — водород. Главное, что он очень чувствителен к кислороду, к тому же низкоспецифичный. И поэтому фиксировать азот непосредственно в той же клетке, где работают фотосинтетические системы, выделяющие кислород, абсолютно невозможно.

Чтобы справиться с этой проблемой, клетки цианобактерий, образуют нити, достаточно длинные трихомы, десятки клеток, объединенных одна за другой. Причем они не просто сцеплены поверхностью, они на самом деле объединены функционально. У них есть две мембраны, и этот промежуток между двумя мембранами (периплазматическое пространство) оказывается условно общим для всех клеток, во всяком случае для нескольких соседних. Чтобы обеспечить этот трихом азотом, цианобактерия решает, что клетка должна стать особенной. Она превращается в так называемую гетероцисту. Она отращивает две дополнительные оболочки, разбирает одну из фотосистем, так называемую фотосистему-2, которая делает кислород, и переключает в циклический режим фотосистему-1. Так она изолируется от кислорода. Эта клетка в терминах медиков является терминально дифференцированной, то есть она делиться больше никогда не будет. Она какое-то время работает, а потом умирает. Но зато она кормит азотом соседние клетки, а соседние клетки подкармливают ее органическим веществом, чтобы она получала энергию, окисляя органическое вещество.

При этом существует специальный механизм, который говорит соседним клеткам, что им в гетероцисты превращаться не нужно. Для этого есть белки, которые расщепляются с выделением небольшого пептида. Этот пептид диффундирует по трихому в соседние клетки, и там он связывается белком, активатором специальных генов, которые нужны для того, чтобы начать превращаться в гетероцисту, и не дает ему выполнять свою функцию. Поэтому клетка, которая приняла мужественное решение стать гетероцистой, говорит всем окружающим, что им этого делать больше не надо. Если эти белки выбить мутациями, то такие цианобактерии нормально растут в среде, где мы искусственно добавляем азот. Но если мы пересадим их на безазотистую среду, где включается сигнал недостатка азота и запуск гетероцист, то они просто умирают, потому что становятся гетероцистами все сразу. То есть такой чрезмерный альтруизм оказывается совершенно непригодным для жизнедеятельности этих бактерий.

Последняя история — это миксобактерии. Этот объект давно и активно изучают. Это такие замечательные твари, палочки, которые живут хищничеством. Ведут они себя, как волчья стая. Они ползают по поверхности. У них есть два различных механизма движения. Один называется S-motility (от слова social), они двигаются таким образом только друг относительно друга. И другой — A от слова adventurous, с помощью этой подвижности они уходят навстречу приключениям.

Стая миксобактерий находит колонию каких-то других бактерий, например кишечной палочки, и атакует их, выделяя ферменты, чтобы лизировать их и съесть соответствующие органические вещества. Но когда еда кончается, бактерии начинают активно двигаться. Если их вырастить в большом количестве, мы можем увидеть волны, бегущие по этой культуре цианобактерий. И в итоге они собираются в большую кучу. Иногда эта куча выглядит как шарик на стебельке, иногда как несколько шариков. Есть достаточно красивые и сложные конструкции. Они называются плодовые тела. Внутри плодового тела клетки чувствуют очень большую интенсивность сигнализации. То есть там есть несколько разных типов сигналов. Одни сигналы — это химические молекулы, которые диффундируют и проникают обратно. Другие — это молекулы, которые содержатся на поверхности, C-сигналы, и, когда клетки сталкиваются своими полюсами, они это чувствуют и начинают координированно двигаться, а потом переключать экспрессию генов.

Клетки, которые оказались в середине плодового тела, включают программу дифференцировки в споры. Споры — это не эндоспоры, как у бацилл, а они похожи на цисты. Устойчивые к разным вредным воздействиям клетки, которые могут дождаться возникновения еды. Значит, клетки, которые ближе к поверхности, становятся палочками, и они чем-то напоминают клетки-персистеры. Они замирают и ждут: вдруг еда появится быстрее, чем будет целесообразно стать спорой. Оставшиеся примерно 60% клеток совершают запрограммированное самоубийство, уходят в апоптоз, лизируются, обеспечивая своим органическим веществом энергию, для того чтобы завершить процесс дифференцировки клеток, который обеспечит выживание этой замечательной популяции.

Над материалом работали

icon-checkmark Показать расшифровку

Читайте также

Внеси свой вклад в дело просвещения!
visa
master-card
illustration