После образования самой первой клетки все её потомки появлялись на свет в результате клеточного деления. Простая и вроде как общеизвестная, довольно скучная фраза. Но перечитай ее еще раз, вдумайся в нее, попытайся представить вот эту цепочку клеточных делений, протянувшихся через миллиарды лет от единственной предковой клетки к КАЖДОЙ клетке каждого живущего сейчас на Земле существа. И через них — к каждой клетке каждого еще не появившегося человека и к каждой архее-метаногену в его кишечнике, к каждой клетке каждой бабочки и к каждой амебе.. Запомни это возникающее изумление — это одно из восприятий, являющихся показателем того, что ты не просто зазубриваешь информацию, или забиваешь скуку, листая книжку, а получаешь удовольствие от узнавания нового или осознания давно известного, но от этого не менее удивительного.
Прочитав эту главу, ты сможешь не только восхищаться тем, что клетки делятся, но и иметь самое общее представление о том, как это происходит и что в результате может получиться. И если ты думаешь, что ничего тут особенно увлекательного или неожиданного нет, «ну была одна клетка, а стало две», то тебя ждет несколько сюрпризов. Про то, что такое ДНК, гены и хромосомы и как эти понятия соотносятся друг с другом — в главе для чайников.
Самые первые клетки конечно же именно так и делились: из одной клетки получалось две новые, почти полностью похожие. Слово «почти» едва заметно, при этом оно обозначает ту самую клеточную изменчивость, без которой все так и застопорилось бы на самой первой клетке. Земля наводнялась бы ее точными копиями ровно до того момента, пока условия жизни не стали бы непригодными для таких организмов, и они бы романтично умерли в один день:).. ну может в один месяц, но суть от этого не меняется. Очевидно, что этого не произошло (иначе тебя бы тут не сидело), а значит первые клетки отвечали двум необходимым условиям для успешных организмов:
1. Дочерние клетки должны унаследовать свойства материнской.
Почему вообще возникло такое условие? Да потому, что материнская клетка не просто выживала, а была довольно успешной: она смогла накопить достаточно ресурсов, чтобы удвоить свое содержимое и разделиться, образовав жизнеспособные клетки. Такие свойства лучше перенять, чем потерять.
2. В дочерних клетках должны возникать небольшие изменения.
Эти изменения, или мутации, возникают спонтанно, в произвольных местах наследственной информации клетки просто потому, что так устроены механизмы ее копирования: они работают с огромной точностью, но тем не менее иногда ошибаются. Для клетки мутация может быть полезной, нейтральной или вредной — как повезет. Потомков оставят наиболее приспособленные, а наименее приспособленные умрут, освобождая им место. Если взглянуть на это с высоты вороньего полета, то есть с точки зрения популяции родственных клеток, то там постоянно появляются и активно размножаются более крупные, или более быстрые, или успешнее усваивающие питательные вещества. На уровне популяции и происходит эволюция таких простых существ: от менее удобно устроившихся до берущих от жизни по максимуму. От гоняющейся за вкусными молекулами бактерии до рыбы-удильщика, которому добыча сама плывет в рот, принимая его нависающий над зубастой пастью фонарик за вкусную еду и сама становясь обедом. И все это — результат тех самых почти неуловимых изменений при клеточном делении.
С помощью такого деления одной клетки на две, почти одинаковые, образовались твои внутренние органы и кровеносные сосуды, кожа и мозг — в общем, почти весь организм. Про то, какие части твоего тела образуются иначе, расскажу позже. А сейчас давай разбираться с этим видом деления.
Если рассматривать делящиеся клетки в световой микроскоп, то становится заметна цикличность этого процесса. Сначала клетка выглядит так, как будто ничего не происходит. Никаких шевелений, появления новых структур, ну разве что в размере она увеличивается. В ней выделяется только ядро, заполненное почти однородной массой (на эту первую клетку показывает своим хвостом крыс на картинке). Зато потом начинается экшн: та масса, которая заполняла ядро, вдруг стягивается в несколько полосок, образуя хромосомы. Потом оболочка ядра исчезает, хромосомы, пометавшись немного по клетке, выстраиваются в линию вдоль экватора, условно делящего клетку на две части. А потом вдруг эта цепочка разделяется на две группы хромосом, каждая из которых подтягивается в свой «угол» клетки. Затем в середине клетки возникает перетяжка — как будто кто-то стянул воздушный шарик по центру ниткой и затягивает ее. Перетяжка истончается и исчезает, и вместо одной клетки обнаруживаются две новые, в которых уже сформировалось ядро вокруг хромосом. Хромосомы распушаются, и дочерние клетки выглядят так же, как материнская в начале цикла. Круг замкнулся. Весь этот экшн называется митоз, а в остальное время клетка либо жила своей жизнью, либо готовилась к митозу. Таким образом делятся только эукариотические (то есть имеющие ядро) клетки, у бактерий все немного иначе. Но процесс подготовки к митозу у них не сильно отличается от эукариот, а именно на нем мы и сосредоточимся в этой главе. А сам митоз описан в следующей главе цитологической линии.
На фото справа ты видишь как раз начало растаскивания хромосом и его завершение: синие мочалки — это хромосомы, а красные нити — это части клеточного скелета: микротрубочки. Именно они прикрепляются к хромосомам и тянут их в разные стороны. Удивительно, насколько синхронно действуют все участники этого процесса, и насколько все это зрелищно. Но все необходимое для этого готовится во время тех самых «скучных» фаз клеточного цикла, в которых на первый взгляд ничего не происходит. С использованием современных методов подглядывания за клетками, ученые довольно точно выяснили, чем они занимаются перед тем, как разделиться. В результате наблюдений составили схему клеточного цикла, который разделился на четыре фазы:
Уже понятно, что клетки не делятся постоянно, им еще и жить когда-то нужно, производить всякие полезные для себя молекулы, обмениваться сигналами с соседними клетками и так далее. Такая спокойная жизнь клетки на схеме клеточного цикла обозначена как G1 фаза (от английского gap — промежуток). В нее попадают дочерние клетки сразу же после деления, и с нее же начинается новый клеточный цикл.
Но совсем не каждая клетка, получившаяся в результате деления, собирается в свою очередь делиться. Зависит от многих факторов:
? если это одноклеточное (какая-нибудь бактерия, архея или инфузория), то оно приложит все силы, чтобы когда-нибудь разделиться. Потому что для одноклеточных это основной способ размножения
? у многоклеточных обычно все гораздо интереснее, в том числе и способ размножения клеток. Начинают свою жизнь они с одной клетки, которая делится бесчисленное количество раз именно с помощью механизма митоза, пока не получится готовый организм. После этого почти все клетки этого организма деление прекращают и просто живут: производят разные продукты, обмениваются ими и затем в своё время каждая из них тихо умирает, запустив процесс апоптоза (запрограммированной гибели клетки, при которой она аккуратно разбирает сама себя на составные части, которые с удовольствием поглощаются ее соседями и пускаются на их собственные нужды). Когда клетка прекращает делиться и продолжает просто жить, говорят, что она вошла в фазу G0. И только небольшие группы клеток сохраняют способность делиться, производя (опять же митотически) все новые и новые клетки взамен покончивших с собой. Эти делящиеся клетки называют стволовыми, и они немного отличаются от обычных клеток тела — и по внешнему виду, и по функциям. Стволовые клетки не участвуют активно в жизни организма, не выделяют какие-то полезные для него вещества, не выводят из него вредные, не передают сигналов и так далее. Они сидят как пчелиные матки на своём троне. Их цель — сохранять свою ДНК неповрежденной в течение многих лет жизни организма, чтобы через 10 — 20 — 50 — 100 — 150 — … лет, создавая новые клетки тела, они передавали им именно ту последовательность ДНК, которая была у зиготы, с которой и начался этот организм.
Весь этот массив клеток (находящиеся в состоянии G0 и стволовые, пополняющие их популяцию) составляет тело живого существа. Поэтому они называются соматическими. А другая группа клеток, которая будет использована организмом для размножения, называется половыми, и про их особенности деления будет другая глава.
Но вернемся к клетке, находящейся в фазе G1. Как именно она определяет, что пришла пора ей перейти в фазу S и начать копирование генома? На данный момент предполагают, что тут работают несколько факторов. Давай вернемся на один шаг назад и рассмотрим ту материнскую клетку, которая разделилась, образовав эту самую клетку в фазе G1, которую мы сейчас рассматриваем. Когда материнская клетка делилась, там производились протеины с непроизносимым названием Cdc6p. Их особенность такая, что клетка строит их именно во время деления, а потом эти протеины распределяются по дочерним клеткам. Так что та дочерняя клетка, которую мы сейчас рассматриваем, получила свою порцию Cdc6p от материнской делящейся клетки, после чего вошла в фазу G1. А у находящихся в этой фазе клеток протеины Cdc6p рассаживаются на те места ДНК, где потом должна будет начаться их репликация, то есть копирование генома. Клетка живет, занимается своими делами, а они сидят на ДНК. И пока они там сидят, репликация ДНК начаться не может.
А вот в конце фазы G1 протеины Cdc6p отваливаются от нитей ДНК и дают возможность клетке перейти в фазу S, копируя геном. Это отвечает на вопрос «почему геном не копируется в G1-фазе», но не дает ответа на то, как именно происходит вот этот переход от G1 к S-фазе. Почему вдруг протеины Cdc6p снимаются со своих мест? Пока неизвестно. Понятно только, что тут не обошлось без сложнейших каскадов клеточных регуляторных процессов. Каскад — это когда один протеин активирует второй, второй присоединяется к третьему, этот составной протеин подавляет четвертый, который до этого сидел спокойно на цепи ДНК, а из-за подавленности.. то есть из-за подавления его активности отцепился и наконец дал возможность другому, уже пятому протеину туда присоединиться и запустить ее считывание. Такие «каскадные протеины», управляющие сменой фаз клеточного цикла назвали циклинами, и некоторые из них уже даже определили (то есть нашли конкретный протеин, дали ему название) и установили их роль в этом процессе, но все равно знания об этом механизме еще очень разрозненные и туманные. Подождем.
Еще один вопрос — как так получается, что клетка копирует геном только один раз? Вот отвалились эти «заглушки» Cdc6p с точек начала репликации, начала там копироваться ДНК, и что помешает тем ферментам, которые ее копируют, сесть на точку начала репликации во второй раз и сделать еще одну копию хотя бы небольшого участка? А ведь ни одной лишней копии ни одного куска ДНК не должно оказаться в клетке, потому что это было бы очень вредной мутацией, а таких мутаций при делении надо избегать. Иногда, и у некоторых клеток, они конечно же приходятся кстати, но в подавляющем большинстве случаев такие мутации при копировании приводят к нежелательным последствиям, вплоть до появления раковой клетки.
Предполагают вот такой путь предтовращения создания лишних кусков ДНК: протеин Cdc6p не один там сидит в местах начала репликации, а является частью состоящего из многих протеинов предрепликационного комплекса (предРК). Когда репликация начинается, отцеплениеCdc6p запускает репликацию и уплывают, а предРК превращается в пострепликационный комплекс (постРК). ПостРК копирование генома запустить не может. Сесть обратно на свое место Cdc6p тоже не может, и новые предРК без них не могут образоваться. Поэтому можно сказать, что именно процесс деления материнской клетки позволяет дочерней клетке скопировать свой геном для следующего деления, причем скопировать только один раз.
Итак, клетка перешла в S-фазу, а значит в ней началось копирование наследственной информации, то есть удвоение всех хромосом. Здесь может возникнуть путаница из-за того, что мы знаем, что в каждой клетке нашего тела уже содержится двойной набор хромосом. Почему тогда необходимо копировать еще раз и так уже удвоенный комплект генов? Потому, что находящиеся в клетке два набора хромосом немного отличаются друг от друга, ведь они достались от разных родителей. Так что обе хромосомы номер 1 будут скопированы, и обе хромосомы номер 10, и так далее. В конце фазы S в клетке будет целых четыре набора хромосом.
Как именно копируется ДНК? Главную роль тут играет принцип комплементарности, по которому одна нить ДНК соединяется с другой в закрученную спираль, которая и является молекулой для хранения наследственной информации. Этот принцип заключается в том, что нуклеотиды, составляющие ДНК, не могут спариваться как попало: аденин (А) может соединиться только с тимином (Т), а гуанин (G) — с цитозином (С). На картинке слева видно строение этой спирали и то, как нуклеотиды соединяются в пары.
Чтобы эту двойную спираль скопировать, для начала клеточные механизмы оттаскивают две составляющие ее молекулы друг от друга — так, чтобы разъединились те водородные связи между нуклеотидами, которые обозначены на картинке сверху пунктирными линиями. К каждой из получившихся одиноких молекул достраивают новую, причем эта новая будет на 100% совпадать с одной из молекул изначальной, материнской цепи, потому что если сначала, на первой стадии, к Т пристроили А, то затем, на второй стадии, к А пристроится снова Т. А значит, получившиеся двойные спирали будут идентичны исходной. В каждую из новых спиралей входит одна цепь ДНК, которая принадлежала исходной (материнской) молекуле, и одна новопостроенная цепь. Такой вид копирования называют полуконсервативным, чтобы подчеркнуть что в дочерней спирали одна нить из пары принадлежала когда-то материнской спирали.
Если во время копирования ДНК обнаруживается ее разрыв, то клетка пытается его исправить, что неудивительно. А удивительно то, что на время починки разрыва клетка приостанавливает копирование во всех точках, где оно происходит. Если взять все молекулы ДНК из любой клетки твоего тела, аккуратно расправить и сложить носом к хвосту, то получится очень тонкая цепочка длиной почти два метра. Когда все это смотано так, чтобы аккуратно поместиться в ядро диаметром в несколько миллионных долей метра, задача «проверь, не порвалась ли она где-то» немного усложняется, правда? Тем не менее клетки с ней отлично справляются: например, клетки дрожжей при повреждении генома переставали делиться, зависая на середине этого процесса. То есть в них существует сигнальная система, запускающаяся при обнаружении разрыва ДНК.
Конечно же, ученые активно занимаются поиском действующих лиц этой системы. Пока обнаружили, что существуют особые протеины, которые связываются только с разорванной ДНК. Когда они находят разрыв и присоединяются к нему, это запускает каскад сигнальных реакций наподобие того, что я описывала выше. Когда сигнал доходит до того места, где копируется ДНК, копирование замедляется или останавливается. Если повреждение в ДНК получилось исправить, то копирование восстанавливается. А вот если не получилось, то… то все зависит от того, что это за клетка.
У многоклеточных организмов в этом случае по клетке передается совсем другой сигнал, и вместо копирования происходит клеточное харакири, то есть апоптоз. Потому что для многоклеточного гораздо выгоднее потерять единственную соматическую клетку с поврежденной ДНК, чем позволить ей существовать и тем более делиться. Ведь во время копирования поврежденного генома в разы увеличивается вероятность мутаций, так что из такой клетки может развиться опухоль, из-за которой погибнет весь организм. А вот бактериальные клетки с серьезно поврежденным геномом чаще всего харакири не совершают. Потому что.. ну понятно почему:) — она одна, ей терять нечего. Вместо этого клетка идет на рискованный шаг: в месте повреждения молекула ДНК достраивается как попало, так что возникает серьезная мутация. Если клетка в итоге окажется жизнеспособной, то она будет продолжать размножаться как ни в чем не бывало. Если нет.. ну, она сделала все, что смогла. В очень редких случаях такая мутировавшая клетка может получить преимущества перед немутантными бактериями и размножиться безмерно, вытеснив предыдущий вариант своих родственников. В общем, вопрос везения.
Да, я не ошиблась — копирование ДНК может начаться не в одной точке генома, а в нескольких. Чем сложнее организм и чем больше молекул ДНК требуется для записи его наследственной информации, тем больше таких точек начала репликации, или ориджинов (калька с английского origin ). Это и понятно: если на все наши два метра ДНК будет всего 46 точек начала репликации (по количеству хромосом), то сколько же времени займет их копирование? У бактерий с компактным геномом, имеющих одну кольцевую хромосому, и ориджин один. А у человека их около ста тысяч! В этой главе описания копирования ДНК не будет, потому что для такого сложного процесса нужны отдельные главы, и не одна. Здесь самая общая информация о репликации ДНК, а здесь уже подробности. Просто для впечатлений и для того, чтобы всякие ориджины запоминались лучше — схема того, чем отличается репликация кольцевой бактериальной хромосомы от линейной (такой длинной колбасы с двумя концами, которые как раз содержатся в нашем геноме):
Когда ДНК скопирована, клетка переходит в G2-фазу. Тут происходит активное копирование содержимого клетки: самое из этого процесса заметное — это увеличение количества митохондрий (или хлоропластов) и дублирование центриолей. Что такое митохондрии, ты наверняка хотя бы смутно представляешь, если дочитала до этой главы: это «энергетические станции» клетки, которые отвечают за переработку питательных веществ и запасание энергии в виде молекул АТФ. Эти молекулы АТФ клетка может в любой момент разрушить так, чтобы энергия выделилась и совершила какую-нибудь полезную клеточную работу. Хлоропласты ты наверняка себе примерно представляешь — такие зеленые штуки, с помощью которых растения строят разные органические молекулы из углекислого газа, воды, минералов и солнечного света. А потом приходит корова, съедает все что получилось, и эти молекулы начинают жить в ней, используются для построения клеток ее тела. Так что корова в конечном счете — тоже из углекислого газа, воды, минералов и солнечного света:). Ну и хватит про эти органеллы, для них есть (или будут) отдельные главы «Живомордности».
А вот на центриолях стоит остановиться немного подробнее, потому что это важная штука, использующаяся при делении клетки. Выглядит она очень загадочно, немного инопланетно даже: два составленных из тонких трубочек цилиндра, непонятно зачем болтающихся в клетке. Точнее, это непонятно во всех фазах клеточного цикла, кроме митоза — той фазы, в которой хорошо подготовленная во время предыдущих фаз клетка именно делится. Так что предназначение центриолей пока останется загадкой, но это ненадолго, ведь эта глава почти закончена, а в следующей будет подробно описан как раз процесс митоза. А пока можешь просто поразглядывать эти штуки, которые есть только в клетках животных: растения, грибы и бактерии обходятся без них.
Всякие наполняющие клетку молекулы (например, те, которые используются для создания мембран) в фазе G2 тоже начинают активно производиться, ведь ими нужно будет наполнить уже не одну клетку, а две. И создается запас энергии для митоза — когда нужно будет делиться, будет не до производства АТФ. Так что клетка активнее поглощает питательные вещества во время этой фазы.
И последнее про фазу G2: прежде чем она завершится, клетка проверяет количество находящейся в ней ДНК. Перед митозом геном должен быть полностью скопирован, причем только один раз, никаких лишних кусков. И вся эта масса молекул должна быть неповрежденной.
Итак,
1. В клеточном цикле с митотическим делением участвуют только эукариотические клетки. Бактерии и археи делятся немного иначе, хотя процесс подготовки к делению у них похож на тот, которым пользуются все остальные.
2. Клетка при подготовке к делению удваивает свое содержимое и проходит несколько контрольных точек, где проверяется целостность ДНК. Если проверка не пройдена, то деления не будет. Кроме этого механизма, обеспечивающего точность копирования делящейся клетки, есть и другие: например, тот, который следит, чтобы ни один кусок ДНК не был скопирован дважды.
3. Если ДНК оказалась повреждена, то клетка пытается исправить проблему. В случае, когда это не удается, эукариотическая клетка запускает апоптоз и погибает.