Элементарная живая система: почему клетка — основа жизни

Евгений Шеваль, доктор биологических наук, старший научный сотрудник НИИ физико-химической биологии имени А.Н. Белозерского МГУ

Вторая половина ХХ века прошла под знаменем биохимии, молекулярной генетики и молекулярной биологии. Люди научились наблюдать за молекулами в искусственных системах. Сейчас мы можем изучать то же самое в живой клетке, и это кардинально изменило представление о том, как она работает. До сих пор остается много всего неизвестного, и это привлекает исследователей.

В последние годы несколько Нобелевских премий дали за методы, которые в значительной степени способствовали расцвету клеточной биологии: за криоэлектронную микроскопию, за микроскопию с высоким разрешением, за флуоресцентные белки, за индуцированные плюрипотентные клетки. Мы находимся в самом разгаре революции в биологии клетки, и это очень волнительно. Новые Нобелевские премии в этой области еще ждут своих лауреатов.

Как устроена клетка

Представление о том, что клетка — это нечто очень стабильное и структурированное, возникает только на основе человеческого восприятия. Ошибочно сравнивать клетку с машиной или механизмом. Любой механизм обязательно кем-то проектируется, моделируется, разрабатывается, у него всегда есть четко выверенная схема, где все на своих местах. Машина не работает без человека: кто-то должен ее собрать, контролировать ее работу, чинить, если что-то пошло не так. Поэтому в природе системы не формируются по заранее заданному плану, и клетка не исключение. Здесь особой стабильности не нужно, и это скорее вредно. И никакого генерального плана строения тоже быть не может.

Часто говорят, что все прописано в ДНК. Действительно, в геноме указан состав всех белков, которые могут быть синтезированы клеткой. Но на этом все и кончается. Нигде не описано, сколько надо того или иного белка, нигде не записано, в каких клетках будут эти белки синтезироваться, а в каких — нет. Представим, что есть документ, в котором указано, что для постройки дома нужно сто кирпичей, десять окон и две батареи. Достаточно ли этого, чтобы построить дом? Конечно нет. Этого достаточно, чтобы собрать груду мусора, но не более того. Как только речь идет о более-менее сложной системе, появляется очень много дополнительной информации: где должны находиться кирпичи, а где окна, в какой последовательности надо собирать части системы и многое другое. В геноме этого как раз нет. Только кирпичи, а вот как собрать дом — об этом ни слова.

Самоорганизация — процесс упорядочения элементов одного уровня в системе за счет внутренних факторов, без внешнего специфического воздействия. Гипотеза об упорядочении в системе за счет ее внутренней динамики высказывалась философом Р. Декартом в пятой части «Рассуждения о методе».

Физики и химики уже давно знакомы с феноменом самоорганизации. При определенных условиях открытые системы — такие, в которые поступает вещество и энергия, — умеют повышать порядок внутри себя. Изолированные системы могут только увеличивать беспорядок (увеличивать энтропию), а поток энергии в открытую систему может локально увеличить внутри нее порядок, уменьшить энтропию. Живая клетка — это открытая система, которая постоянно поглощает энергию Солнца или еще чего-то вкусного, что есть на Земле, и за счет этого уменьшает свою энтропию. Таким образом, принципы, по которым создаются дома, и принципы, по которым создаются живые клетки, совсем разные.

На любом уровне жизни мы сталкиваемся с самоорганизацией. Классический пример самоорганизации в живой природе — это почвенные амебы Dictyostelium discoideum. Они существуют как свободноживущие амебы, но в какой-то момент начинают сползаться и образовывать плодовое тело, поэтому раньше их даже считали родственниками грибов. Этот процесс очень организован: волны маленьких амеб ползут и сливаются друг с другом. А начинается сползание с того, что отдельные амебы начинают вырабатывать и выделять в окружающее пространство специальные сигнальные молекулы.

На самом деле принципы самоорганизации реализуются и в обществе. Кажется, что все прописано в конституции, но все не предусмотришь. Чем больше в обществе самоорганизации, тем оно стабильнее. Почему в современном мире демократические общества существуют дольше, чем авторитарные? Как только кто-то пытается создать жесткую структуру, это дает сбой при малейших изменениях условий. Создать можно только что-то простое, а простое неустойчиво и не умеет изменяться. Самоорганизация позволяет системе реагировать на внешние воздействия гибко.

Как появилась многоклеточность

Даже одноклеточные организмы научились довольно эффективно общаться. У бактерий есть чувство кворума, когда они вместе понимают, что им хорошо. Общение происходит за счет выделения в окружающую среду определенных химических соединений. Сейчас довольно модная тема исследований — биопленки — скопления бактерий, вместе проявляющих свойства, которых нет у одиночных клеток. Часто на такие биопленки не действуют антибиотики, которые легко убивают те же бактерии в культуре. Это, по-видимому, происходит потому, что в биопленках клетки находятся в другом состоянии. В какой-то степени это можно считать подготовкой к многоклеточности.

Чтобы появился многоклеточный организм, клетки должны взаимодействовать постоянно. Значит, нужно создавать межклеточное вещество. Одного гена многоклеточности, конечно же, нет, но существует целый набор генов, которые при совместной работе создают новые качества.

Следующий этап — это дифференцировка. Одни клетки защищают организм от проникновения вредных веществ из окружающего пространства, другие переносят кислород внутри организма, третьи перемещают сам организм. В человеческом теле сотни разных типов клеток, и их продолжают открывать. Но поразительно, что гены в этих клетках одинаковы, различается только их работа.

Разные клетки могут быть и у колониальных организмов. Например, в колониях дрожжей, в центре и на периферии, часто располагаются клетки, которые различаются и морфологически, и физиологически. Причины могут быть разные: одним клеткам хорошо, другим клеткам плохо, где-то кислорода хватает, а где-то нет, и тогда клетки начинают специализироваться. Это еще не многоклеточный организм, но похоже на начало изобретения дифференцировки.

Метилирование ДНК заключается в присоединении метильной группы к цитозину в составе CpG-динуклеотида в позиции С5 цитозинового кольца. Метилирование в промоторной зоне гена, как правило, приводит к его супрессии.

Многоклеточные организмы научились из клеток с одинаковым геномом делать разные клетки. И это тоже абсолютно самоорганизующаяся система, потому что прописать в ДНК, что сначала экспрессируется ген №1, потом ген №2, невозможно. В ходе эмбрионального развития крохотные различия между экспрессией генов в разных клетках постепенно нарастают, способствуя развитию организма, появлению в его составе все более дифференцированных органов и тканей. Это сопровождается изменением генома на уровне своеобразной разметки — эпигенетических меток. Одной из наиболее известных меток является метилирование ДНК — внесение небольшой модификации в состав одного из нуклеотидов. Но перед началом развития нового организма все эти метки стираются, и все начинается с чистого листа.

В чем особенность клеток опухолей

Онкология — это эксперимент, который поставила природа. Опухоль — это клетки, сошедшие с ума. В них все процессы идут беспорядочно: ядерные и цитоплазматические белки меняются местами, могут экспрессироваться совершенно ненужные для данного типа клеток белки, с огромной скоростью накапливаются мутации. Все это происходит из-за активности считаного количества определенных генов — онкогенов. Если опухоль не слишком разогналась, как правило, в ней счетное количество мутаций.

Система поддержания стабильности генома состоит из многих компонентов. Геном может повреждаться разными способами. Хотя в голову первыми приходят ультрафиолет и космические лучи, по-видимому, основная причина мутаций — активность самих клеток. Когда ДНК реплицируется, происходят ошибки. Поддержание стабильности генома — это очень активный процесс, на который тратится много энергии. Опухолевой клетке выгодно эту систему отключить и сломать, чтобы развиваться. Она же борется с организмом, и в этот момент происходит самая настоящая классическая эволюция по Дарвину.

Любая жизнь стремится к тому, чтобы ее стало много: и заяц, и бактерия. В многоклеточном существе клетки находятся под контролем организма, он не дает им спонтанно размножаться. Поэтому когда какая-то клетка успешно ломает систему контроля, это преимущество подхватывается отбором и ведет к формированию опухоли. Чем дольше опухоль развивается, тем больше изменений накапливается.

Одноклеточные организмы все «раковые»: они стремятся размножиться и передать свои гены в следующие поколения. А опухоль — это бунт против многоклеточности. Человеческий организм — огромное множество клеток. Большая часть из них обновляется с безумной скоростью: в кишечнике обновление происходит раз в несколько дней, эритроциты живут четыре месяца. За нашу жизнь через нас проходят триллионы клеток, но все они обречены на смерть, они не передадут свою генетическую информацию дальше. Исключение — гаметы, но не все клетки нашего тела могут быть согласны с таким положением дел. Опухоль стремится сбросить с себя контроль многоклеточного организма и предпочитает действовать самостоятельно.

Разные опухоли ведут себя по-разному. Липома практически никогда не превращается в липосаркому у человека, а вот полипы в желудке — это совсем другое дело. Они быстро перерождаются в рак, поэтому с определенного возраста обязательно нужно проходить диспансеризацию. Если полип появился, его просто удаляют. В этом случае знание о динамике эволюции данного типа опухолей позволило врачам разработать мероприятия, которые дают возможность снизить опасность этого типа опухолей. И это касается многих типов опухолей, которые удается вовремя поймать на ранних этапах эволюции.

Как устроены мембраны

Жизнь — это клетка, и она отделена от неживой природы тончайшими мембранами. Основа мембраны — липидный бислой, в состав которого встраиваются специальные белки. Мембрана не может существовать как слой: ее края термодинамически абсолютно нестабильны, и она всегда должна быть замкнута.

Мембраны очень динамичны на разных уровнях. И молекулы липидов, и белковые молекулы в мембранах движутся — это называют латеральной подвижностью. В зависимости от состава липидов текучесть мембран будет разная. Если преобладают липиды без двойных связей в хвостах, структура будет более жесткой, грубо говоря, как мыло. Если двойные связи есть, то липид будет более жидкий, как масло. В зависимости от того, какая это клетка, в каких условиях она находится, структура мембраны может меняться.

Мембранные белки тоже могут плавать относительно свободно. Вокруг них могут создаваться подвижные «шубки» из липидов, а если движение надо прекратить, специальные клеточные компоненты могут это сделать. Движение мембраны очень легко можно наблюдать в микроскоп. Если покрасить живые лимфоциты антителами к какому-нибудь мембранному белку, то сначала белок будет виден по всей поверхности клетки, затем метка начнет сползаться в дискретные пятнышки, а потом эти пятнышки могут сползтись в одно место. Это связано с тем, что антитела имеют два сайта связывания. Когда две молекулы мембранного белка сталкиваются, они могут оказаться сшитыми антителом, которое провзаимодействовало с этими двумя молекулами. Потом с ними может столкнуться третья молекула и так далее.

Но подвижны не только молекулы в составе мембран. Внутри клетки постоянно происходит круговорот самих мембран. Например, в поджелудочной железе синтезируются ферменты, которые должны выйти в кишечник, чтобы переваривать пищу. Они синтезируются в эндоплазматическом ретикулуме, потом должны попасть в аппарат Гольджи, в котором с ними произойдет множество реакций, а затем они попадут в специальные пузырьки, где будут храниться, пока мы что-нибудь не съедим. Тогда ферменты выбрасываются из клеток и попадают в конечном итоге в просвет кишечника. И весь этот путь ферменты не могут проделать сами — они переносятся только в пузырьках. То есть пузырек должен оторваться от эндоплазматического ретикулума и перенести вещество в аппарат Гольджи.

Активный транспорт — перенос вещества через клеточную мембрану или через слой клеток, протекающий из области низкой концентрации в область высокой, то есть с затратой свободной энергии организма. В большинстве случаев, но не всегда, источником энергии для осуществления активного транспорта служит энергия макроэргических связей АТФ.

Существует множество ситуаций, когда динамику мембран надо ограничить: иногда с разных сторон на одной и той же клетке мембраны ведут себя по-разному. Это характерно для кишечного эпителия: у него есть внешняя поверхность и нижняя (апикальная и базолатеральная поверхности). На апикальной мембране происходит всасывание веществ. Чтобы доставить глюкозу внутрь организма, нужно сначала перенести ее в клетку кишечного эпителия (это активный процесс), а потом из клетки выпустить в организм (это уже пассивный процесс, глюкоза перемещается по градиенту концентрации). Направление у этого процесса должно быть только одним, если мы не хотим покормить проживающих в кишечнике бактерий. Для этого те молекулы, которые переносят глюкозу на апикальной и базолатеральной поверхности, должны быть разными. Соответственно, есть механизм, который направляет одни белки на базолатеральную поверхность, а другие — на апикальную. Также белки не должны перемещаться между этими мембранами, а точнее, между двумя участками одной плазматической мембраны. Для этого существует специальная зона, которая ограничивает подвижность мембранных компонентов, и в этом месте белки уже перемещаться не могут.

Почему клетки разной формы

С начала ХХ века, когда биологи начали все чаще размышлять в терминах физики и химии, предполагалось, что клетка должна быть шариком. Уже было известно, что на поверхности клеток есть что-то плотное, значит, должно быть поверхностное натяжение, значит, должен получиться шарик. А в живых системах это не так.

Николай Константинович Кольцов (1872–1940) — русский биолог, основатель русской советской школы экспериментальной биологии, автор основополагающей идеи матричного синтеза хромосом.

Тогда Николай Кольцов выдвинул довольно простую идею, что должны быть какие-то твердые компоненты, которые образуют каркас и позволяют клеткам принимать разные формы. Сейчас понятно, что это не совсем так. Эти компоненты есть, но они тоже безумно динамичны. Актиновые филаменты отвечают за образование различных выростов на клеточной поверхности. За счет этой динамики клетка может прощупывать пространство, закрепляться, вытягиваться. В зависимости от того, с чем провзаимодействовала клетка, она принимает ту или иную форму. Это особенно характерно для многоклеточного организма: клетки часто растут комплексом, и очень важно, какие соседи вокруг и сколько их. Если клетки растут в один слой и их очень много, они станут столбиками. Если клеток не очень много, они станут кубиками. А могут, наоборот, распластаться в плоский слой. Это нигде в геноме не записано, и гораздо выгоднее пустить все на самотек, а клетки как-нибудь самоорганизуются. В живой природе очень много вероятностных явлений.

Из чего состоит геном

Хотя все знают, что геном человека прочитан и расшифрован, в реальности это касается только той его части, которая кодирует гены. Значительная часть генома образована многочисленными повторяющимися последовательностями, которые никаких белков не кодируют. Часть некодирующих последовательностей живет своей жизнью: они способны перемещаться и размножаться внутри генома. Существовали представления о том, что некодирующие последовательности — это генетический мусор, но сейчас понятно, что это не так. Регуляция экспрессии генов строится в значительной степени за счет разных некодирующих РНК. Другие некодирующие РНК нужны для того, чтобы формировать ядерные структуры, — их называют архитектурными некодирующими РНК.

Некодирующие участки могут быть полезны и сами по себе, так как помогают организовывать трехмерное пространство ядра. Пространственная структура особенно важна для ДНК, потому что в ядре она очень плотно упакована. Бывает, что двум удаленным друг от друга генам необходимо провзаимодействовать для обеспечения нормальной работы.

Большинство генов эукариот имеет прерывистое строение, они содержат кодирующие последовательности — экзоны и некодирующие последовательности — интроны. В зрелой молекуле мРНК присутствуют только экзоны, а интроны вырезаются из первичного транскрипта в процессе сплайсинга.

Размер генома не совсем коррелирует со сложностью организма, хотя у прокариот он меньше, чем у эукариот. В генах эукариот появилась экзон-интронная структура. Такое усложнение необходимо было для того, чтобы создать более крупную и сложную клетку. Но все равно непонятно, зачем некоторым организмам огромные геномы, ведь поддерживать их и реплицировать очень энергозатратно. Такие геномы у большинства сельскохозяйственных растений, а среди животных рекордсмен почему-то тритон.

Что было движущей силой для возникновения ядра, не очень понятно. Согласно одной из гипотез, появление ядра позволило создать большую сложность регуляции процессов синтеза белка для управления более сложной и большой клеткой. У прокариот синтез РНК и синтез белка идет в одном и том же месте практически одновременно. У эукариот РНК синтезируется в ядре, разрезается на куски, потом транспортируется в цитоплазму, и появляется время на то, чтобы урегулировать какие-нибудь процессы. Есть РНК, которые удерживаются в специализированных ядерных структурах и находятся там, пока не понадобятся. Когда придет время, они выходят из ядра, и на них быстро синтезируется белок.

О проекте «Краткая история всего»

«Краткая история всего» — мультимедийный сериал о том, что происходило с миром от Большого взрыва до появления современной цивилизации. Самое важное, что надо знать о Вселенной, Земле, жизни и человечестве, — в хронологическом порядке.

«Краткая история» создана вместе с Издательством Яндекса — программой поддержки просветительских проектов в интернете.

Одним словом, усложнение процессов и путей регуляции дает возможность для создания более сложной клетки. Что первично: усложнение системы или появление новых способов регуляции — непонятно. Если какие-то изменения эволюционно оказывались выгодными, они постепенно накапливались и приводили к формированию тех или иных структур в клетке. Компьютерные модели говорят о том, что, даже если ядро незамкнуто, все равно можно создать градиент белков, которые связываются с ДНК. Градиент — это выгодно и эффективно, потому что тогда много белка есть именно там, где он нужен. Синтезировать очень много белка, чтобы его хватило на всю клетку, неэффективно, поэтому клетки со структурами, похожими на ядра, должны были получать эволюционное преимущество.

Каждому белку свое место

Значительная часть белков постоянно перемещается между ядром и цитоплазмой. Интересный пример — тропонин. Это мышечный белок, необходимый для сокращения. В норме он преимущественно находится в цитоплазме, но при определенных условиях почему-то перемещается в ядро. Такое наблюдается при старении или в опухолях.

Бывает, что один и тот же белок в ядре выполняет одну функцию, а в цитоплазме уже другую. Белков с одной функцией, наверное, в природе не существует. Явно никто этого не проверял, и проверить такое невозможно, но, скорее всего, это утверждение правильное. Все очень связано друг с другом. В шутку говорят, что можно доказать роль любого белка в любом процессе, все зависит только от чувствительности методов, которые мы используем. Все эти связи очень сложные, и в конечном счете любой белок через шесть или восемь «белкопожатий» обязательно повлияет на любой процесс.

Белки активно перемещаются по всей клетке, потому что синтезировать белок в каком-то конкретном месте обычно нельзя. Есть всего два места синтеза белка: либо в цитозоле, либо на мембране, и тогда белок уходит либо в мембрану, либо в просвет эндоплазматического ретикулума; в ядре синтеза все-таки пока не нашли. Жесткая локализация не нужна: белки умеют находить свои места, поскольку они динамичны, им даже не всегда нужен четкий адрес.

Но в некоторых случаях у белков все же есть небольшие участки, в которых записан адрес, — участок белка, который может провзаимодействовать с какой-то структурой в клетке, например с РНК в ядрышках. Взаимодействие динамичное, и, поскольку в ядрышке РНК много, белок с ней взаимодействует и накапливается.

Бывают сигналы ядерной локализации для переноса белка в ядро. Они взаимодействуют со специальными адаптерами, плавающими в цитоплазме. Комплекс «адаптер — белок» узнается ядерными порами и переносится активно внутрь ядра, и транспорт идет только в одном направлении. Такие сигналы можно предсказывать, но достоверность этого пока очень низкая. В половине цитоплазматических белков предсказывается нахождение сигналов ядерной локализации. Скорее всего, большая часть — это ошибка предсказания, но для какой-то части таких белков должен существовать механизм инактивации этого сигнала. Его можно выключить или спрятать внутрь молекулы.

Клетка вынуждена вырабатывать механизмы, чтобы белки не оказывались там, где им не нужно быть, особенно если белок может произвести какой-нибудь ненужный эффект. Например, белок может случайно сыграть роль транскрипционного фактора и сломать какой-нибудь отлаженный процесс. В ходе эволюции такие процессы элиминируются, но возможности сделать абсолютно эффективную систему, к сожалению, нет.

Подвижность белков в клетке зависит от их свойств и того, с чем они взаимодействуют. Гистоны взаимодействуют с ДНК, это взаимодействие достаточно прочное, поэтому они сидят там часами. Есть белки ядерной оболочки — ламины, которые образуют сеть и тоже очень прочно взаимодействуют, поэтому они вообще обмениваются чуть ли не десятками часов. Но это экзотические для клетки варианты. Любая химическая реакция все-таки проходит очень быстро, и белкам не нужно долго задерживаться в одном месте. Они хаотично перемещаются по клетке и сталкиваются со своими мишенями. Представим, как РНК-полимераза синтезирует РНК с какого-то гена. Как ей вернуться в начало гена? Ей придется открепиться, а как только это происходит, она начинает гулять по всей клетке.

На самом деле высокая динамика — это нормально, просто мы пока до конца к этому не привыкли. Когда процесс очень динамичный, на него можно влиять, его можно легко регулировать. А когда система сложная, регуляция необходима. У всех клеток одни и те же гены, но они разные по смыслу. В лабораториях любят вешать схемы каких-нибудь биохимических процессов, которые занимают полстены. Там обычно очень много всяких стрелочек, взаимодействий, и все равно это только ничтожная доля процента от того, что реально происходит в клетке.

Сложные системы намного устойчивее, чем простые. В живом организме все постоянно меняется, но только за счет динамичных процессов можно создать стабильные системы путем самоорганизации. Главное, что только такой способ существования дает возможность эволюционировать, причем эволюция может идти в пределах даже одного организма. Трудно представить эволюцию какого-нибудь кристалла: в одних и тех же условиях кристалл поваренной соли будет формироваться одинаковым образом в любое время — существует жесткая кристаллическая решетка, которая не меняется. А жизнь может и должна меняться. Кристалл можно разрушить, а потом вырастить заново. Жизнь возникла единожды, и если ее сейчас уничтожить, то шансов на повторное появление почти нет, — по крайней мере, на этой планете.

Лактозный оперон –полицистронный оперон бактерий, кодирующий гены метаболизма лактозы. Регуляция экспрессии генов метаболизма лактозы у кишечной палочки была впервые описана в 1961 году учеными Франсуа Жакобом и Жаком Моно. Бактериальная клетка синтезирует ферменты, принимающие участие в метаболизме лактозы, лишь в том случае, когда лактоза присутствует в окружающей среде и клетка испытывает недостаток глюкозы.

Чтобы изучать живую клетку, необходимо иметь возможность наблюдать за процессами в ней на молекулярном уровне. Большинство современных методов клеточной биологии построены на флуоресцентных белках. Но также очень большую роль играют еще две вещи. Прежде всего, это попытки создать в клетке какие-то структуры de novo. То есть можно переместить какой-нибудь клеточный компонент в локальную точку и посмотреть, как будет происходить сборка или разборка комплекса в новом месте.

Локальную точку можно задать, встраивая в геном определенные последовательности, с которыми взаимодействует что-то очень специфическое. Самая простая система была создана на основе бактериального регулятора лак-оператора. Существует лак-оператор, с которым взаимодействует белок лак-репрессор. Соответственно, если в геном в определенную точку встроить несколько лак-операторов, то лак-репрессор туда сможет притащить все что угодно.

Если структура зависит от работы какого-то гена, например собирается на какой-то РНК, можно эту последовательность тоже куда-то утащить и чем-нибудь дополнить, чтобы ее было хорошо видно: к любому гену можно приделать специальную последовательность, с которой будет взаимодействовать специфический белок, а к этому белку можно добавить флуоресцентный белок. Тогда можно увидеть, как и с какой динамикой работает ген.

Второе направление исследований связано с технологиями высокопроизводительного секвенирования. Они позволяют каталогизировать и описывать большие объемы молекул и делать множество предсказаний, а потом проверять их экспериментально. Там, где появляется биоинформатика, появляется и эволюция. Иногда можно понять, как устроен процесс, если знаешь, как он эволюционировал. Можно заметить, что какие-то копромпоненты очень стабильны, а какие-то появились недавно. Это уже задает направление для научного поиска.

Источник: vk.com

Комментарии: