Хаусман К., Хюльсман H., Радек Р. Протистология

Подождите немного. Документ загружается.

368 Избранные главы общей протистологии

Рис. 320. Схема почкования сукторий Ерпе-

lota (а) и Tachyblaston (б), ма — макронук-

леус, ми — микронуклеус (по Грелю).

осевую зону цитоплазмы, в которую

заходит лопасть макронуклеуса (см.

рис. 129). В особом кинетосомальном

поле формирующейся почки идет реп-

ликация кинетосом, которые дают нача-

ло цилиатуре бродяжки.

Множественное деление

Множественное деление быстро

дает большое количество клеток. Оно

часто встречается у паразитов, которые,

наводняя хозяина инфекционным нача-

лом, подавляют его иммунную реакцию.

У кокцидий (например, Eimeria, см.

рис. 89) и других представителей Api-

complexa и агамное размножение, и

формирование гамет идет путем шизо-

гонии. После нескольких митотических

делений ядра клетка разделяется на со-

ответствующее число дочерних особей.

Характер развития дочерних клеток ва-

рьирует у разных родов. У Eimeria ядра

мигрируют к периферии клетки (см.

рис. 3036, д); спорозоиты (или мерозо-

иты) отделяются по периферии всей

клетки в результате процесса, напоми-

нающего почкование (см. рис. 90); в

центре клетки сохраняется остаточное

тело. В других родах (например, Sarco-

cystis) спорозоиты развиваются во внут-

ренней зоне цитоплазмы родительской

клетки.

У крупных многоядерных протис-

тов, таких как Pelomyxa, бинарное де-

ление клетки идет независимо от деле-

ния ядер; количество ядер увеличивает-

ся постепенно по мере роста клетки.

У фораминифер агамонт путем шизого-

нии (сопряженной с мейозом) произво-

дит гамонтов (см. рис. 162).

В жизненном цикле инфузорий

Astomatia и Apostomatia (см. рис. 314)

присутствует способ размножения, из-

вестный как палинтомия. Клетка пре-

терпевает серию поперечных делений

без фазы роста. В результате неполно-

го разделения дочерних клеток форми-

руется цепочка особей. Представители

некоторых родов (например, Radioph-

rya) отшнуровывают небольшие участ-

ки клетки (см. рис. 146); другие разде-

ляются на субъединицы одинакового

размера (например, Haptophrya). Па-

линтомия у Foettingeria идет внутри

цисты размножения.

Контроль клеточного

цикла

Морфогенез у протистов тесно свя-

зан с клеточным циклом. Установлено,

что важнейшие этапы эукариотного

клеточного цикла — репликация ДНК.

митоз, цитокинез — запускаются систе-

мой контроля клеточного цикла (рис.

321). Регуляция осуществляется в осо-

бых контрольных точках. Например,

клетке не разрешается вступать в митоз

до тех пор, пока ядерная ДНК не реп-

лицирована полностью.

Морфогенез и размножение 369

Основу системы контроля составля-

ют два семейства белков: одно — это

циклины, которые синтезируются, раз-

рушаются и вновь синтезируются в хо-

де клеточного цикла, другое — циклин-

зависимые протеинкиназы (cyclin-de-

pendent protein kinases, Cdk). Циклин

образует комплекс с Cdk и таким обра-

зом активирует протеинкиназу для фос-

форилирования определенных белков.

Нормальный клеточный цикл регулиру-

ют по меньшей мере два комплекса:

один работает в контрольной точке

поздней 0,-фазы перед самой S-фазой,

другой — в поздней G

перед М-фазой

(рис.

321).

Общий принцип таков: митотичес-

кий циклин синтезируется и постепен-

но накапливается в фазе G

Он свя-

зывается с Cdk, формируя так называе-

мый активирующий фактор М-фазы

(M-phase promoting factor, MPF), кото-

рый запускает ряд процессов, приводя-

щих клетку в состояние готовности к

митозу. Разрушение митотического цик-

лина инактивирует MPF, давая возмож-

ность клетке выйти из митоза. Сборка

подобного комплекса из Cdk и G,-UHK-

лина, по-видимому, запускает цепь со-

бытий, ведущих к репликации ДНК.

Система контроля клеточного цик-

ла наиболее детально изучена у дрож-

жей. Исследования животных и расти-

тельных клеток показали, что основной

механизм универсален. Однако у дрож-

жей клеточный цикл, по-видимому, уп-

равляется единственной Cdk, которая

соединяется с различными циклинами

в разных точках клеточного цикла, тог-

да как в растительных и животных клет-

ках, вероятно, действуют несколько пар

Cdk-циклин.

Рис. 321. Схема стандартного клеточного

цикла эукариот: две основные контрольные

точки (обозначены заштрихованными круж-

ками) регулируют вступление в фазу синте-

за ДНК (S) или в митоз (М). Комплексы цик-

лин-зависимых протеинкиназ (Cdk) и цик-

лина запускают последующие процессы

цикла. G, и G

— промежуточные фазы.

Есть данные, что последняя схема

регуляции реализуется и у цилиат. Тем

не менее, молекулы и механизмы, уча-

ствующие в регуляции клеточного цик-

ла протистов, по-видимому, довольно

разнообразны, а изучение их только

начинается.

Деление Tetrahymena можно син-

хронизировать при помощи теплового

шока. Показано, что он разрушает не-

устойчивый к нагреванию белок, кото-

рый накапливается перед М-фазой и,

по-видимому, необходим для перехода

клетки к митозу. Белок исчезает после

митоза и поэтому предполагается, что

это циклин.

Экстракты цитоплазмы инфузорий

Tetrahymena pyriformis, Т. thermophila и

Paramecium caudatum при введении в

370 Избранные главы общей протистологии

ооциты амфибий вновь запускают у них

мейоз. Этот фактор, возобновляющий

мейоз (meiosis-reinitiating factor, MRIF),

отличается от MPF. активирующего

М-фазу. Последний не был обнаружен

у Tetrahymena и Paramecium. У Tetra-

hymena MRIF представлен термола-

бильным Са

-чувствительным раство-

римым белком. Он присутствует в мей-

отической и митотической стадиях,

но также встречается в клетках и на

стадии роста.

Многие гены, кодирующие белки

семейства Cdk, были найдены у цили-

ат (Tetrahymena thermophyla, Parame-

cium tetraurelia), у жгутиковой водорос-

ли Dunaliella tertiolecta, у Dictyostelium

discoideum и Plasmodium falciparum.

Три различные Cdk, которые действуют

в разные периоды клеточного цикла,

обнаружены у Paramecium.

Получены данные о наличии у

протистов циклина. Опубликовано не-

сколько сиквенсов (в основном комп-

лементарной ДНК), которые, вероятно,

кодируют циклины. Эти последова-

тельности найдены у трипаносоматид

(Leishmania mexicana, Trypanosoma

brucei), инфузорий (Paramecium tetrau-

relia, Stylonychia lemnae, Tetrahymena

thermophila и др.), динофлагеллат (Pro-

rocentrum minimum, Alexandrium tama-

rense), Dunaliella tertiolecta, Physarum

polycephalum и Dictyostelium discoi-

deum. У инфузории Eufolliculina uhligi

был идентифицирован трофонт-специ-

фичный транскрипт, который, вероятно,

кодирует и Cdk, и циклиноподобную

молекулу. Гомолог циклина В у ди-

нофлагеллаты Cryptothecodinium cohnii

не разу не находили в ядре, но обна-

ружили в цитоплазме. При митозе он

связан с 3-тубулином митотического

веретена.

Формирование

паттернов у цилиат

Инфузории имеют сложный рису-

нок (паттерн) кортикальных субъеди-

ниц с точным местоположением рото-

вого аппарата, сократительной вакуоли

и цитопрокта. У клетки есть передне-

задняя полярность и асимметрия пра-

вой и левой сторон. Асимметрия про-

является не только на уровне клетки в

целом, но и на уровне кортикальной

субъединицы. Кортикальная субъедини-

ца представляет собой кинетиду, т.е.

одну или две кинетосомы с отходящи-

ми корешками (см. рис. 102). Так как

кинетиды специфически окрашиваются

методом импрегнации серебром или

методом иммунофлюоресценции (см.

рис. 105), их развитие и взаимное рас-

положение легко проследить с помо-

щью светового микроскопа. При изуче-

нии принципов и механизмов форми-

рования паттерна в качестве модельных

объектов используют представителей

родов Stentor, Paramecium, Tetrahymena

и некоторых гипотрих. Картина разви-

тия орального аппарата (стоматогенеза)

дает ценную информацию о филогене-

тических связях внутри цилиат. По-

скольку стадии стоматогенеза испыты-

вали независимое давление отбора,

сравнительное изучение формирования

паттернов может быть полезно для со-

здания естественной системы цилиат.

Ниже представлены лишь немногие

примеры формирования паттерна у ин-

фузорий.

Морфогенез и размножение 371

Регенерация,

реорганизация и деление

Клетка изфузории, как правило,

способна восстановить эксперимен-

тально удаленные части. Однако полно-

ценной, способной расти и размножать-

ся особью станет лишь тот фрагмент,

который содержит хотя бы кусочек мак-

ронуклеуса.

Как и многоклеточные организмы,

инфузории значительно различаются по

их регенерационной способности. На-

пример, Stentor даже из маленьких

фрагментов воссоздает свою нормаль-

ную морфологию в одном поколении

(хотя клетка получается меньшего раз-

мера), а у Paramecium удаленные струк-

туры восстановятся полностью лишь

через несколько клеточных делений.

Вероятно, у Stentor и Tetrahymena мор-

фогенез регулируется в масштабе всей

клетки, а у Paramecium — локально.

Оральные структуры регулярно ре-

генерируют и без экспериментального

вмешательства, деградируя перед деле-

нием клетки и позднее восстанавлива-

ясь у дочерних особей в процессе сто-

матогенеза. Это явление называется

физиологической регенерацией или ре-

организацией. Оно наиболее выражено

у разноресничных инфузорий, в частно-

сти Stentor, и, вероятно, связано с про-

исходящими при делении клетки ядер-

ными перестройками (консолидация

макронуклеуса и последующее восста-

новление его четковидной формы, ми-

тоз микронуклеусов). Цель физиологи-

ческой регенерации — вероятно, заме-

на поврежденных частей ротового аппа-

рата или приведение размеров ротового

аппарата в соответствие с измененны-

ми размерами клетки (например, в ре-

зультате уменьшения клетки после го-

лодания).

Деление клетки сопровождается

серией морфогенетических событий.

С одной стороны, идут процессы дегра-

дации, к примеру, частичная или полная

разборка ротового аппарата. С дру-

гой — осуществляются сборка и разме-

щение в клетке новых органелл и их

комплексов. Происходит удвоение со-

матических кинетид и соответствующая

реорганизация цитоскелета.

Судьба элементов цитоскелета (на-

пример, кинетодесмальных фибрилл)

при делении Paramecium детально про-

слежена при помощи иммунофлюорес-

центной микроскопии. Уже известно, из

каких зон родительской клетки проис-

ходят определенные элементы кортекса

дочерних клеток (рис. 322). Морфогене-

тические процессы (в частности, удвое-

ние кинетосом) у Paramecium начина-

ются в районе ротового аппарата роди-

тельской особи и в районе будущей

борозды деления, а затем распространя-

ются по всему кортексу. Предполагает-

ся, что этот порядок регулируется вол-

нами морфогенетических сигналов в

кортексе. У делящихся парамеций обна-

ружена пробегающая по клетке волна

фосфорилирования корешков ресничек,

которая предшествует разборке этих

корешков. Эти морфогенетические сиг-

налы по-разному воспринимаются в

разных участках кортекса, и поэтому

судьба субъединиц кортекса зависит от

их локализации в клетке.

У брюхоресничных инфузорий ци-

лиатура обновляется в ходе всех морфо-

генетических процессов: деления, реге-

нерации, реорганизации,эксцистирова-

372 Избранные главы общей протистологии

Рис. 322. Схема наследования определенных зон соматического кортекса (показаны раз-

ной штриховкой) при делении Paramecium (а); эти зоны трансформируются во время де-

ления клетки и по-разному распределяются между дочерними клетками после деления

(б): зоны спереди от клеточного меридиана сохраняются в протере, расположенные сза-

ди—в описте. В передней (точечная штриховка) и задней (горизонтальная штриховка)

областях кортекс не изменяется в процессе деления (по Ифтоду).

ния. Кортикальный паттерн воспроизво-

дится даже в тех случаях, когда проис-

ходит полная разборка инфрацилиатуры

в ходе морфогенеза, как это имеет мес-

то у Oxytricha. Так, пройдя инцисти-

рование и эксцистирование, клетка со-

храняет индивидуальные особенности

строения кортекса, в частности, абер-

рантное удвоение кинет. До сих пор не

выяснено, как при отсутствии какой-

либо структурной разметки клетка вос-

станавливает индивидуальный рисунок

кортекса. Последние иммуноцитохими-

ческие исследования Paraurostyla weis-

sei показали, что материал невыяснен-

ной природы, связанный в интерфазе с

кинетосомами, выстраивается, высту-

пая в качестве «направляющих» морфо-

генеза. Эти направляющие, по-видимо-

му, участвуют в сопровождении клеточ-

ных компонентов к месту сборки и слу-

жат «лесами» для восстановления пат-

терна органелл.

И регенерация, и реорганизация, и

деление клетки — варианты морфоге-

неза, которые не всегда удается четко

разграничить. У Stentor и других гете-

ротрих регенерация ротового аппарата

иногда приводит к делению особи. У

гетеротрих же начавшееся деление

клетки может закончиться ее реоргани-

зацией, если с момента предыдущего

деления прошло мало времени. В ходе

морфогенетических процессов проли-

ферация кинетосом в большинстве слу-

чаев сопровождается ядерными пере-

стройками: митозами микронуклеусов,

конденсацией и деконденсацией четко-

видного макронуклеуса. Эти наблюде-

ния позволяют предположить, что су-

ществует единая система сигналов для

регенерации, реорганизации и клеточ-

Морфогенез и размножение 373

ного деления. Одна из современных

версий механизма такова: активация

циклин-зависимой протеинкиназы за-

пускает морфогенетическую перестрой-

ку цитоскелета и ядерного аппарата.

Стоматогенез

Инфузории со сложной оральной

цилиатурой обычно не восстанавлива-

ют ротовой аппарат путем замены ста-

рых частей новыми. Поэтому и деление

клетки, и повреждение оральных струк-

тур вызывает формирование всего рото-

вого аппарата заново особым способом,

который называется стоматогенезом.

Первый этап стоматогенеза — обра-

зование новых кинетосом в особой зоне

кортекса. Вместе они составляют ораль-

ный примордиум (зачаток будущей ро-

товой цилиатуры). Затем синтезируют-

ся все компоненты будущего ротового

аппарата, после чего они выстраивают-

ся в строгом порядке, характерном для

вида. Происхождение кинетосом зачат-

ка и ход стоматогенеза различны в раз-

ных группах цилиат. Наиболее прими-

тивными считаются инфузории с рото-

вой цилиатурой, похожей на соматичес-

кую. Такие инфузории выстраивают

ротовой зачаток из фрагментов опреде-

ленных соматических кинет. Этот тип

формирования зачатка называется тело-

кинетальным и характерен для инфузо-

рий, объединяемых по этому признаку

в Kinetofragminophorea. В одних случа-

ях фрагменты кинет непосредственно

трансформируются в ротовую цилиату-

ру задней дочерней клетки (Colpoda), в

других трансформация наступает после

их сложного вращения и перемещения

(Trithigmostoma; рис. 323а). Трансфор-

мация включает также изменения в

структуре и положении кинетид. Напри-

мер, у Trithigmostoma одиночные сома-

тические кинетосомы становятся пар-

ными, то есть монокинетиды становят-

ся дикинетидами (рис. 324). У Colpoda

вся ротовая цилиатура возникает из

фрагментов соматических кинет, а у

Furgasonia из них формируется только

левая адоральная цилиатура (рис. 325а);

правая же адоральная цилиатура возни-

кает из кинетосом родительской паро-

ральной цилиатуры, которая расщепля-

ется в ходе стоматогенеза при делении

клетки.

У Paramecium вся ротовая цилиату-

ра происходит из пароральных кинето-

сом родительской клетки. Следователь-

но, элементы нового ротового аппарата

развиваются внутри старого. Такой тип

развития называется буккокинеталь-

ным. При разделении двух оральных

полей и их перемещении к месту окон-

чательной локализации в дочерних

клетках происходят очень сложные сме-

щения и вращения кинетид.

В стоматогенезе Tetrahymena ба-

зальные тельца одной соматической

кинеты (к1) приступают к размноже-

нию и поначалу собираются неупорядо-

ченно в так называемое анархическое

поле; позднее они выстраиваются в оп-

ределенном порядке и в конечном ито-

ге формируют мембранеллы (рис. 3236,

3256). Сходный паттерн развития на-

блюдается у гипотрих (например, Рага-

urostyla; рис. 325в) и гетеротрих (Sten-

tor). Однако у этих инфузорий анархи-

ческое поле формируют несколько сто-

матогенных кинет (у гетеротрих) или

цирры (у гипотрих). И пароральная, и

адоральная цилиатура возникает из

374 Избранные главы общей протистологии

Рис. 323. Схема стоматогенеза при делении клетки инфузорий: а — телокинетальное фор-

мирование зачатка цитостома у Trithigmostoma steini; б — паракинетальное формирова-

ние зачатка цитостома у Tetrahymena. опр — оральный примордиум, ра — ротовой аппа-

рат (а — из: Hofmann and Bardele: Europ. J. Protistol. 23 [1987] 2).

анархического поля и имеет, таким об-

разом, соматическое происхождение.

Этот тип формирования ротового зачат-

ка называется паракинетальным.

Новая кинетосома формируется в

большинстве случаев у основания пред-

существующей. У некоторых инфузо-

рий оральные кинетосомы возникают

вне видимой связи с соматической или

оральной цилиатурой — это апокине-

тальное формирование ротового зачат-

ка. Инцистированная клетка Oxytricha

fallax не содержит кинетосом, но эксци-

стированная клетка несет реснички, то

есть кинетосомы здесь формируются de

novo.

Новая кинетосома возникает в виде

короткого цилиндра из неполных трип-

летов, расположенного перпендикуляр-

но к так называемой родительской ки-

нетосоме. Созревшая кинетосома при-

крепляется к плазматической мембране,

где может дать ресничку (рис. 324). За-

тем отрастают фибриллярные и микро-

трубочковые корешки. Кинетосомы за-

чатка ротовой цилиатуры дают начало

монокинетидам, дикинетидам или по-

ликинетидам в зависимости от вида

инфузории и от того, в каком участке

примордиума они расположены (рис.

324, 325). Во время сборки адоральных

мембранелл Tetrahymena и Paraurosv.

Морфогенез и размножение 375

Рис. 324. Схема развития оральных кинетид из соматических у Trithigmostoma steini (а —

поперечные срезы, б — продольные срезы тех же кинетосом): 1 — соматическая моноки-

нетида; 2-4 — формирование дочерних кинетосом (дк) и деградация соматических рес-

ничек (ср); 5 — рост оральных ресничек (ор); 6 — оральная дикинетида. Связанные с ки-

нетосомами структуры изменяются на каждом этапе, кф — кинетодесмальная фибрилла,

пмт — постцилиарные микротрубочки, пм — парасомальный мешочек, скмт — субкине-

тальные микротрубочки, тмт — трансверсальные микротрубочки, тф — трансверсальные

фибриллы, эм — электронно-плотный материал (из: Hofmann and Bardele: Europ. J.

Protistol. 23 [1987] 2).

сначала возникают двухрядные промем-

бранеллы. Последующие циклы проли-

ферации кинетосом (один у гетеротрих,

два у гипотрих) обеспечивают дефини-

тивное количество ресничных рядов в

мембранелле (рис.

325в).

Сам цитостом,

где собственно и формируются пище-

вые вакуоли, развивается на заключи-

тельном этапе стоматогенеза, когда

оральный аппарат уже занял свое окон-

чательное положение в клетке.

Стоматогенез инфузорий — это не-

прерывная череда событий, скоордини-

рованных во времени и пространстве.

Контроль этого процесса осуществляют

генетические механизмы, а также мор-

фогенетические поля, как действующие

в масштабе всей клетки, так и возника-

ющие локально при взаимодействии с

соседними структурами.

Например, у Stentor в формирова-

нии паттерна цилиатуры участвуют,

376 Избранные главы общей протистологии

ооооо

Рис. 325. Примеры развития адоральной цилиатуры: а — Furgasonia blochmanni; б — Tetra-

hymena thermophila; в — Paraurostyla weissei. Кружки с крестиком обозначают безреснич-

ные кинетосомы, квадратиками обозначены вновь сформированные кинетосомы. кф —

кинетодесмальная фибрилла, пмт — постцилиарные микротрубочки, тмт — трансверсаль-

ные микротрубочки (из: Eisler: Europ. J. Protistol. 24 [1989] 181).

судя по всему, морфогенетические гра-

диенты. Продольные ряды ресничек

тесно сближены на вентральной сторо-

не, но если двигаться вокруг клетки по

часовой стрелке (при взгляде со сторо-

ны адорального поля), расстояние меж-

ду ними постепенно увеличивается, и,

наконец, после полного оборота, наибо-

лее широко расставленные ряды при-

мыкают к наиболее сближенным рядам

(рис. 326). Эта так называемая зона кон-

траста всегда является местом форми-

рования примордиума, даже если ее

пересадить в другую часть клетки или

создать новую путем микрохирургиче-

ской операции. Экспериментальное пе-

реворачивание зоны контраста дает зер-

кально отображенный ротовой аппарат

(рис. 326в). В дополнение к круговому

градиенту у Stentor имеется базально-

Морфогенез и размножение 377

по ао

ао по

Рис. 326. Иллюстрация механизма, определяющего положение стоматогенной зоны (за-

штрихована) у Stentor. а — схема клетки, показывающая расположение соматических и

оральных кинет. Все кинеты (к) спроецированы на переднюю поверхность клетки, чтобы

показать частоту соматических кинет (оа — оральный аппарат). Оральный зачаток раз-

вивается в той зоне, где частота соматических кинет меняется наиболее контрастно

( /+++). б, в — задняя часть орального примордиума во время формирования глотки;

б — распределение пароральных (по) и адоральных (ао) органелл и направление биения

ресничек (стрелка) в норме; в — после экспериментального пересаживания зоны контра-

ста (перевернута зеркально) (по нескольким авторам).

апикальный градиент. Предполагается,

что ножка стентора активирует форми-

рование органелл заглатывания — вес-

тибулума и цитостома; ее влияние по-

степенно ослабевает к переднему полю-

су клетки. Ротовой же аппарат, располо-

женный на апексе клетки, напротив,

ингибирует стоматогенез. Эффект по-

давления ослабевает по мере того, как

клетка растет и отношение оральной

зоны к соматической становится мень-

ше. Стоматогенез инициируется, когда

отношение соматической зоны к ораль-

ной достигает критической величины

(что ведет к реорганизации или деле-

нию) или при экспериментальном уда-

лении ротового аппарата (что приводит

к регенерации).

На основании анализа формирова-

ния паттерна у различных видов и ро-

дов инфузорий были сформулированы

две гипотезы. Первая основана на кон-

цепции позиционной информации: в

соответствии с ней, поверхность клет-

ки инфузории как бы несет цилиндри-

ческую систему координат, заданную