Цитоскелетный механизм митоза

Дробление является результатом двух координированных процессов. Первый из этих процессов — кариокинез (митотическое деление ядра). Механическим аппаратом этого деления является митотическое веретено с его микротрубочками, состоящими из тубулина (белка того же типа, что и белок, образующий жгутик спермия). Второй процесс - цитокинез.

Гилберт С. Биология развития: В 3-х т. Т. I: Пер. с англ. — М.: Мир, 1993. — 228 с.

_____ ДРОБЛЕНИЕ: СОЗДАНИЕ МНОГОКЛЕТОЧНОСТИ 103

или деление клетки. Механическим аппаратом цитокинеза является сократимое кольцо микрофиламентов, состоящих из актина (белка того же типа, что и белки, осуществляющие удлинение микроворсинок и акросомного выроста спермия). В табл. 3.2 сравниваются эти два процесса. Взаимоотношение и координация между ними схематически представлены на рис. 3.41. На нем изображено яйцо морского ежа на стадии первого деления дробления. Митотическое веретено и сократимое кольцо расположены перпендикулярно друг другу, и веретено находится внутри сократимого кольца. Борозда дробления в дальнейшем разделяет плоскость митоза, создавая при этом два генетически равноценных бластомера.

Микрофиламенты актина встречаются в кортикальном слое яйца в большем количестве, чем в центральной цитоплазме. С помощью электронного микроскопа можно видеть, что микрофиламенты образуют в кортикальном слое хорошо различимое кольцо толщиной 0, 1 мкм (рис. 3.42). Сократимое кольцо существует только во время деления и простирается на 8—10 мкм по направлению к центру яйца. Именно оно ответственно за разделение зиготы на бластомеры, поскольку, если его разрушить, цитокинез останавливается. Шредер (Schroeder, 1973) предложил модель дробления, согласно которой сократимое кольцо разделяет яйцо подобно «внутриклеточному ремешку, затягивающему кошелек», сокращаясь по мере продвижения процесса деления. Результатом этого сокращения кольца микрофиламентов является образование борозды дробления.

Обычно кариокинез и цитокинез координированы между собой, но в некоторых естественных или экспериментальных условиях они оказываются разъединенными. Было обнаружено (Harvey, 1936), что яйца морского ежа после хирургического удаления ядра могут продолжать делиться вплоть до образования бластулоподобной структуры. (По-видимому, в них со временем истощаются мРНК и белки, запасенные в оогенезе, и дальнейшее развитие

Рис. 3.41. Роль микротрубочек и микрофиламентов в клеточном делении. В представленной здесь телофазной клетке микротрубочки притягивают хромосомы к центриолям, тогда как в результате сокращения микрофиламентов происходит перешнуровывание цитоплазмы.	Рис. 3.42. Кортикальное кольцо микрофиламентов (отмечено стрелкой) вокруг борозды второго деления дробления у Brachydanio rerio. (Из Beams. Kessel. 1976; фотография с любезного разрешения авторов.)

Гилберт С. Биология развития: В 3-х т. Т. I: Пер. с англ. — М.: Мир, 1993. — 228 с.

104 ________ ГЛАВА 3________________ _________________________________________________

становится невозможным без нового процесса транскрипции.) Точно так же кариокинез может происходить при отсутствии клеточных делений. Мы уже говорили о яйцах насекомых, в которых ядра делятся многократно, прежде чем произойдет разделение цитоплазмы на отдельные клетки. Такой же результат может быть получен при обработке зародышей цитохалазином В. Это вещество препятствует образованию микрофиламентами сократимого кольца. Если цитохалазин В добавляют к морской воде до того, как в зиготе морского ежа сформировалось сократимое кольцо, то борозды дробления не возникает. Если добавить его после закладки борозды дробления, то существующее сократимое кольцо дезорганизуется и деление останавливается (Schroeder, 1972). Однако деление ядра при этом не нарушается. Показано (Lillie, 1902; Whiltaker, 1979), что при блокировании дробления деления ядер и экспрессия синтезируемых в них регуляторных продуктов продолжаются в положенное время.

Один из наиболее захватывающих нерешенных вопросов, связанных с дроблением зародыша, — это вопрос о том, каким образом достигается координация между цито- и кариокинезом. Механизм такой координации в деталях еще не выяснен, однако существуют три группы данных в пользу того, что локализация борозд дробления определяется положением звезд митотического веретена. Эти звезды (рис. 3.43) образованы «лучами» микротрубочек, отходящими от полюсов митотического веретена к периферии клетки. Одним из указаний на то, что звезды могут контролировать локализацию борозд дробления, является зависимость числа закладывающихся борозд от числа имеющихся звезд. Дробление протекает нормально только в том случае, если яйцо содержит две звезды. Если поблизости от периферии клетки звезды отсутствуют, то борозды дробления не возникают. Если вызвать исчезновение звезд (добавляя эфир к морской воде, в которой развиваются зародыши морского ежа), то дробление прекращается (Wilson, 1901); когда зародышей затем переносили в нормальную морскую воду, звезды появлялись вновь и дробление продолжалось. При полиспермном оплодотворении яйца могут образоваться три или четыре звезды. Если возникли три звезды, то появляются три эквидистантные борозды, а при четырех звездах возникают четыре борозды дробления (см. рис. 2.21). Таким образом представляется, что звезды являются sine qua non (непременным условием) дробления.

Вторая группа данных, свидетельствующих в пользу существования зависимости между наличием звезд и образованием борозд дробления, получена в опытах, в которых направление деления изменяется в результате сдавливания яйца. Пфлюгер (Pflü ger, 1884) обнаружил, что если зиготы лягушки слегка сдавить между двумя стеклянными пластинками, то направление борозд трех первых делений будет перпендикулярным плоскости пластинок. То же самое наблюдали Дриш и Морган (см. Morgan. 1927) на зародышах морского ежа; в опытах обоих авторов плоскость третьего деления дробления (в норме параллельная экватору ооцита) была смещена на 90^о.

Эти и другие эксперименты показали, что сдавливание вызывает вытягивание яйца в плоскости пластинки и что митотические веретена ориентируются по длинной оси клетки. Борозды дробления всегда перпендикулярны веретену, так что, изменяя положение митотического веретена, экспериментатор может изменить локализацию борозды дробления.

Раппапорт (Rappaport. 1961) расширил экспери-

Рис. 3.43. Микротрубочки, идущие от митотических полюсов через цитоплазму к кортикальному слою клетки при первом делении дробления яйца морского ежа. Рисунок А сделан почти на 100 лет ранее, чем фотография, представленная на Б. (А— изWilson, 1896; Б - из White et al., 1987.)

Гилберт С. Биология развития: В 3-х т. Т. I: Пер. с англ. — М.: Мир, 1993. — 228 с.

_______________ ДРОБЛЕНИЕ: СОЗДАНИЕ МНОГОКЛЕТОЧНОСТИ 105

Рис. 3.44. Возникновение дополнительной борозды дробления при перемещении звезд А, Б. Прерывая распространение борозды дробления с помощью стеклянного шарика, создают клетку подковообразной формы. При следующем делении (В, Г) воз никает дополнительная борозда дробления, хотя она и не служит плоскостью разделения хромосом. (Из Rappaport, 1961; фотографии с любезного разрешения R. Rappaport.)

менты такого типа, смещая митотические веретена на периферию клеток. В опыте, представленном на рис. 3.44. для этого был использован стеклянный шарик. Образовавшаяся борозда дробления распространялась только до шарика и не переходила на другую его сторону. В результате возникала двухъядерная клетка подковообразной формы. При следующем делении между четырьмя звездами сформировались два веретена, однако возникали три борозды дробления! Каждый конец подковы имел свое собственное митотическое веретено, и там, как и следовало ожидать, закладывалась борозда, но, кроме того, между двумя звездами в средней части подковы возникала третья борозда дробления (рис. 3.44. В). Это ясно показывает, что если две звезды располагаются достаточно близко друг к другу, то их взаимодействие приводит к образованию борозды дробления даже в отсутствие митотического верете-

Гилберт С. Биология развития: В 3-х т. Т. I: Пер. с англ. — М.: Мир, 1993. — 228 с.

106 ГЛАВА 3

Рис. 3.45. Образование новых мембран при первом делении дробления яйца Xenopus. A. С ранее существовавшей мембраной связаны пигментные гранулы. Новая мембрана выглядит светлой, поскольку с ней не связаны такие гранулы. В. Радиоавтограф белков плазматической мембраны в области борозды первого деления дробления. Белки на поверхности яйца до начала деления были маркированы радиоактивной меткой. Видны светлые пятна в областях, содержащих белки, которые до деления находились на поверхности зиготы. (А - из de Laat. Bluemink. 1974; Б - из Byers. Armstrong. 1986; фотографии с любезного разрешения авторов.)

на между ними. Здесь мы видим также, что клеточное деление может происходить без разделения ядра, если только имеются звезды.