Центросома — клітинний концертмейстер

Про авторів

Рустем Едуардович Узбеков, доктор біологічних наук, старший науковий співробітник групи «Клітинний цикл» відділу електронної мікроскопії Науково-дослідного інституту фізико-хімічної біології ім. О.М. Білозерського Московського державного університету ім. М.В. Ломоносова. Область наукових інтересів — центросома і білки, що входять до її складу, зокрема — їх регуляторна різних стадіях клітинкового циклу.

Ірина Борисівна Алієва, доктор біологічних наук, старший науковий співробітник того ж відділу. Займається дослідженням будови і функцій центросоми і асоційованих з нею структур, а також з’ясуванням ролі центросоми в організації системи цитоплазматичних мікротрубочок і цитоскелета клітини.

Вона з тих, у кого закохуються з першого погляду, кому зберігають вірність все життя і кого не зрозуміти до кінця. Ця так і не розгадана за 130 років досліджень таємниця прихована в центросомі — крихітній точці в геометричному центрі клітини, куди радіально сходяться мікротрубочки (своєрідні рейки для внутрішньоклітинного транспорту).

Центросому порівнюють з посмішкою Мони Лізи, називають мерехтливою зірочкою, центром цитоплазматичного всесвіту, клітинним концертмейстером і, нарешті, центральною загадкою клітинної біології. Навряд чи знайдеться в живій клітці інша структура, яку дослідники наділили такою кількістю романтичних епітетів; і це не дивно! Одного погляду в електронний мікроскоп достатньо, щоб зауважити, як сильно центросома виділяється на тлі інших клітинних структур. Особливий інтерес будь-якого спостерігача викликають головні компоненти цієї складно організованої органели — центріолі, що за формою нагадують фрагмент античної колони.

Однак перші дослідники процесу клітинного поділу B. Флеммінг, O. Гертвіг і Е. ван Бенеден, які майже одночасно описали центросому в середині 70-х років XIX ст., побачили лише темні гранули в обох полюсах мітотичного веретену (рис. 1). Та інакше й бути не могло, адже розмір цієї органели знаходиться на межі роздільної здатності світлового мікроскопа. У зв’язку з цим в клітинах спочатку були описані дві симетрично розташовані структури, що мали вигляд «променевого сяйва», — центросфери. Гранули у фокусах кожної центросфери спочатку були названі полярними корпускулами.

Ріс. 1. Такий побачили центросому в 1887 році її першовідкривачі: центросома в полюсах мітотичного веретену, за описом Т. Бовері (ліворуч), і центросому в інтерфазній клітці, по Е. ван Бенедену

У 1887 р. ван Бенеден разом з А. Нейтом і незалежно від них Т. Бовері, встановили, що полярні корпускули повністю не зникають після ділення клітини (мітозу). Вони зберігаються протягом усього часу між послідовними поділами (цей період життя клітини тепер називається інтерфазою) і при цьому часто розташовуються поблизу геометричного центру клітини. Ван Бенеден запропонував перейменувати полярні корпускули на центральні корпускули, або центральні тільця, а Бовері — на центросому, він же пізніше запропонував і термін «центріоль» [1].

Поряд з центросомами, також наприкінці XIX ст., були описані органели, що лежать біля основи спеціалізованих клітинних утворень — ресничок і джгутиків; ці органели отримали назву кінетосом, або базальних телець [2, 3]. Автори, Л. Хеннегі і М. Легоссек, спостерігали взаємний перехід базальних телець і центросом і в 1898 р. висунули гіпотезу про гомологію цих клітинних органел, яка згодом отримала експериментальне підтвердження (рис. 2).

Рис, 2. Формування полюсів веретена ділення з базальних телець у сперматоцитах Bombyx mori

З моменту відкриття центросоми основна увага дослідників була прикута до її ролі в організації клітинного ділення. Після того як Р.Вірхов в 1855 р. сформулював знаменитий постулат: «Omnis cell.2006 e cell.2006» («Кожна клітина від клітини»), дослідники другої половини XIX ст. у загальних рисах описали картину клітинного ділення [4]. Принциповим для розуміння механізму передачі спадкових властивостей від клітини до клітини було з’ясування ролі хромосом. Однак хромосоми самі по собі виглядали пасивними учасниками подій мітозу, що дозволило одному з класиків клітинної біології, Д. Мезія, порівняти їх роль з роллю небіжчика на похороні — все відбувається заради нього, але сам він ніякої активної участі в загальній дії не бере. Дійсно, при спостереженні мітозу в світловий мікроскоп дослідники бачили, як якісь нитки захоплюють хромосоми за їх центральні ділянки і тягнуть в протилежні сторони клітини. Ці нитки були названі нитками веретена (пізніше — мікротрубочками), а структура, якими утворюється, веретеном ділення, оскільки вона мала відповідну форму (рис. 2). Виявилося, що нитки веретена тягнуть хромосоми не довільно, а в напрямку строго певних ділянок цитоплазми — полюсів мітотичного веретену, а у фокусі кожного веретена і розташовується головна героїня нашого оповідання — центросома!

Хоча центросома з часу її відкриття постійно перебувала в центрі уваги біологів, вона і понад століття потому залишалася, за висловом відомого шотландського вченого Д. Вітлі, центральною загадкою клітинної біології [5]. Яким же чином ця ледь відмінна (що займає не більше 0.1% від загального обсягу клітини) органела може виконувати настільки важливу для життєдіяльності клітини і організму в цілому функцію як рівномірний розподіл по дочірніх клітинах генетичного матеріалу хромосом? Біологи початку ХХ ст. передбачали, що центросома, незважаючи на малі розміри, влаштована не так просто, як здається на перший погляд; вони сподівалися з часом розшифрувати її структуру і тим самим отримати ключ до розуміння її функцій. Дійсність, як це часто трапляється, перевершила всі, навіть найсміливіші, припущення першовідкривачів.

Найпривабливіша

Прорив у дослідженні будови центросоми стався після появи в середині XX ст. нового методу дослідження — електронної мікроскопії. Використання електронного пучка замість світлового променя традиційного мікроскопа неймовірно розширило можливості морфологічного аналізу надзвичайно дрібних за величиною об’єктів.

Примітно, що перше таке дослідження центріолів, виконане С.Селбі, виявилося невдалим [6]. Хоча на окремих мікрофотографіях мітотичних клітин видно косі зрізи центріолів, автор не змогла їх ідентифікувати, а за центріолі прийняла осміофільні гранули поблизу мітотичних полюсів. І ось тут дуже до речі виявилася вже згадана гомологія центріолів і базальних телець, оскільки перші описи ультраструктури центріолярних циліндрів були зроблені саме на об’єктах, що мають джгутики і ріснички — на клітинах ресничного епітелію і на сперматозоїдах [7, 8]. Відразу після цього була описана і ультраструктура мітотичних та інтерфазних центріолів [9, 10].

Рис, 3. Ультраструктура центросоми в інтерфазній клітині ссавців на послідовних серійних зрізах [19]. Масштабний відрізок 0,1 мкмТут

і далі мікрофотографії авторів

До теперішнього часу ультраструктура центріолів і асоційованих з ними структур детально досліджена. З’ясувалося, що до складу центросоми входить пара центріолів, оточених перицентріолярним матеріалом (рис. 3). Центріолі в парі не однакові, одна них (зріла, або материнська), на відміну від другої (незрілої, або дочірньої), несе на собі додаткові структури (рис. 3, 4). Виявилося, що дозрівання центріолі займає більше одного клітинного циклу; протягом першого циклу циліндр, що формується, званий у цей час відсотковою кількістю, доростає до нормального розміру (див. рис. 3, 4).

Рис, 4. Спрощена схема будови центросоми в інтерфазних клітинах ссавців у середині S-фази клітинного циклу [19]

Довжина центріолярних циліндрів становить 0.3-0.5 мкм, діаметр близько 0.2 мкм, при цьому стінки їх складаються з дев’яти симетрично розташованих тяжких [7], кожен з яких складений з трьох латерально пов’язаних один з одним мікротрубочок (внутрішньої — А, середньої — B і зовнішньої — С), званих разом триплетом [11].

Центріолярний циліндр — полярна структура. Оскільки в базовому тільці кінець циліндра, від якого росте ресничка, звернений до зовнішньої поверхні клітини, він був названий дистальним, а протилежний кінець, звернений всередину клітини, — проксимальним. У центріолях придатки та перицентріолярні сателіти розташовуються ближче до дистального кінця, і від нього ж може рости первинна ресничка (рис. 5). У той же час відсоток (центріоль, що знову формується) завжди утворюється ближче до проксимального кінця (див. рис. 4). Саме тут, на проксимальному кінці, розташовується структура, характерна тільки для молодих (незрілих) центріолів, — так звана «вісь зі спицями», або «візкове колесо» (див. рис. 4).

Рис, 5. Ультраструктура первинної реснички зникнених корінців у інтерфазній клітині ссавців [20]. © Elsevier Ltd, 2003. Масштабний відрізок 0,2 мкм

Триплети мікротрубочок лежать під кутом до радіусу центріолярного циліндра, причому закручені вони в центріолях всіх досліджених об’єктів однаково — проти годинникової стрілки, якщо дивитися на центріоль з проксимального кінця.

Мікротрубочки (також полярні біополімери) у складі центріолярних триплетів завжди орієнтовані однаково — їх мінус кінець знаходиться на проксимальному кінці центріолярного циліндра, а плюс кінець — на дистальному.

З поверхнею материнської центріолі пов’язані структури двох типів. По-перше, це перицентріолярні сателіти (утворення, що нагадують за формою фішку дитячої гри), що складаються з конічної ніжки довжиною близько 0.1 мкм, на вершині якої знаходиться округла головка (див. рис. 4). Число їх варіює в нормі від однієї до чотирьох на центріоль, але може досягати дев’яти і більше, або вони зовсім відсутні в клітинах деяких типів. З головками перицентріолярних сателітів часто пов’язані мікротрубочки, що відходять від центросоми, причому від сателітів їх може відходити значно більше, ніж від стінки центріолі. Перицентріолярні сателіти — структури, характерні виключно для інтерфазної центросоми. За кілька годин до мітозу вони зникають, і їх матеріал включається до складу так званого мітотичного гало — аморфної тонкофібрилярної структури діаметром близько 1 мкм, що оточує центросому в мітозі.

Другий тип виростів на поверхні центріолярних циліндрів — придатки, вони розташовані на дистальному кінці кожного триплета, а тому їх кількість завжди дорівнює дев’яти (див. рис. 4). На відміну від перицентріолярних сателітів, придатки не зникають при переході клітини з інтерфази в мітоз, і за їх наявністю завжди можна визначити більш зрілу материнську центріоль.

У материнської центріолі є ще одна особливість: вона здатна формувати рудиментарну (первинну) ресничку — структуру, яка виступає над поверхнею клітини подібно до ресниці над оком (див. рис. 5). Первинні реснички з’являються в клітинах незабаром після завершення ділення і зникають перед мітозом або на самому його початку. З центріолами, що формують первинну ресничку, часто асоціюються зникнені корінці (див. рис. 5). Назвали їх за передбачуваною функцією — спочатку вважалося, що вони заякоривають ресничку, подібно до коріння дерева. Але вичорчені корінці можуть спостерігатися і у відсутності реснички [12].

Будова інтерфазної центросоми поступово змінюється залежно від стадії клітинного циклу. Наприкінці інтерфази або в профазі мітозу дві пари центріолів починають розходитися і формують два рівнозначних центри полімерізації мікротрубочок — профазні зірки, при цьому інтерфазні мікротрубочки повністю руйнуються. Кожен полюс веретена в мітозі містить дві взаємно перпендикулярних центріолі — диплосому (рис. 6). Материнську центріоль легко відрізнити від дочірньої, оскільки вона має два вільних кінця і оточена мітотичним гало.

Рис. 6. Ультраструктура центросоми в мітотичній клітині ссавців. Верхнє фото: загальний вид мітотичного веретену; нижнє фото: збільшене зображення диплосоми нижнього лівого полюса веретена. Масштабний відрізок 0,2 мкм

У всіх ти, душечко, вбраннях хороша!

За біохімічним складом центросома виявилася мультибілковим комплексом. Першими, природно, були охарактеризовані білки, що становлять основу триплетів центріолярних циліндрів — ­ — і лід-тубуліни, а згодом сімейство поповнилося ще п’ятьма білками — ­ -, ­ -, лід-і ­ тубуліни. Відсутність будь-якого з них більшою або меншою мірою призводить до порушення структури і функцій центросоми.

До теперішнього часу охарактеризовано вже більше сотні асоційованих з центросомою білків. Оскільки важко дати єдину універсальну класифікацію всіх цих білків, існує кілька варіантів їх систематизації залежно від обраного параметра. За локалізацією в центросомі розрізняють білки, що безпосередньо входять до складу центріолів (як вже згадані тубуліни), і білки асоційованих структур і перицентріолярного матеріалу (наприклад, перицентрин). За тривалістю перебування в центросомі білки поділяють на постійно присутні і з’являються в ній тільки в специфічні моменти клітинного циклу. За функціями виділяють кілька груп центросомальних білків: структурні, білки-мотори, регулятори (в першу чергу кінази і фосфатази), а також білки, пов’язані з нуклеацією мікротрубочок (утворенням затравки, з якої починається їх зростання) і утриманням мікротрубочок на центросомі.

Рис, 7. Центросома, оточена комплексом Гольджі. На ультратонкому зрізі розташовується одна центріоль з пари. Масштабний відрізок 0,2 мкм

Білки-мотори, асоційовані з мікротрубочками, беруть участь у формуванні мітотичного веретену і здійснюють спрямований транспорт уздовж мікротрубочок інтерфазної мережі. При цьому мікротрубочки виступають як своєрідні рейки, за якими органели і білкові комплекси переміщуються в обох напрямках — відцентрово (від центру клітини до периферії) за участю білків суперсімейства кінезинів, і центрипетально (від периферії клітини до центру) за участю білків суперсімейства дінеїнів. Необхідно зазначити, що центросома часто тісно пов’язана з комплексом Гольджі (рис. 7), що забезпечує доставку білків, що дозрівають в ньому, по відходять від центросоми мікротрубочок у всі частини клітини (рис. 8). Регуляторні білки клітинного циклу представлені різноманітними за функціями кіназами (які здійснюють специфічне фосфорилювання інших білків) — наприклад, кіназами CDK1 (p34cdc2), що керують ходом мітозу, або кіназами сімейств Polo, Aurora, NIMA та ін. Білки — компоненти комплексу нуклеації мікротрубочок — також численні, деякі з них високо консервативні (тобто зустрічаються у всіх груп еукаріот), інші видоспецифічні. Таким чином, не дивно, що при такому різноманітному білковому складі центросома виконує в клітці різноманітні функції, частина яких і до теперішнього часу повністю не досліджена.

Рис, 8. Схема, що ілюструє роботу апарату Гольджі. Транспорт у напрямку до апарату Гольджі здійснює моторний білок дінеїн, доставку дозрілих в апараті Гольджі білків по відходять від центросоми мікротрубочок всі частини клітини здійснює моторний білок кінезин

На всі руки майстриня

Згадаймо, що ще першовідкривачі центросоми пов’язували її роль у клітці з функціонуванням мітотичного веретену, а значить і з мікротрубочками. Подальші дослідження показали, що на центріолі, дійсно, відбувається освіта (полімерізація) мікротрубочок (рис. 9), і довгий час вважали, що саме в цьому основна функція центросоми. Згодом виявилося, що таке уявлення значною мірою обмежене, і праві були ті дослідники, які вже на початку XX ст. зрозуміли, що ця органела відіграє в клітці абсолютно особливу роль. Однак розберемося з функціями центросоми по порядку.

Рис. 9. Центросома і система мікротрубочок у профазній, метафазній та інтерфазній клітинах. Світлова мікроскопія. Потрійне імунофлуоресцентне фарбування виявляє мікротрубочки (червоний колір), центросому (зелений колір) і ДНК (синій колір). Розташування центросом показане стрілками. Масштабні відрізки 5 мкм (верхні фото) і 10 мкм

Центросома як центр організації мікротрубочок. Це уявлення про центросом остаточно оформилося до другої половини ХХ ст. Як було зазначено в огляді К. Фултон, центросома може організовувати мікротрубочки чотирма різними способами: утворює процентріолі, формує мікротрубочки мітотичного веретену, організовує радіальну систему інтерфазних мікротрубочок, ініціює зростання первинної реснички [13]. Дозрівання центріолі — це і є не що інше, як набуття здатності до полімеризації мікротрубочок [14]. Цікаво простежити послідовні стадії, проходячи які центріоль знаходить цю здатність.

Як ми вже згадували, остаточне дозрівання центріолі займає більше одного клітинного циклу. Процентріолі (дві на клітку, по одній на кожну вже існуючу центріоль) з’являються в кінці початкової (G₁) фази клітинного циклу і ростуть протягом двох наступних за нею фаз — синтетичної (S) і передмітотичної (G₂). У цьому першому для себе клітинному циклі молоді процентріолі не беруть участі в нуклеації мікротрубочок. Основну роль у формуванні їхньої інтерфазної системи відіграє найстаріша з чотирьох центріолів у клітці — «мати» для однієї з процентріолів і «бабуся» для іншої процентріолі, що формується поблизу другої за віком центріолі в клітці (див. рис. 4).

Далі, на початку мітозу, в процесі формування профазних зірок, центрами нуклеації стають два мітотичних гало, в середині яких розташовуються диплосоми — структури, що складаються з орієнтованих перпендикулярно один одному двох центріолів, по одній старій і по одній новоутвореній (ті самі темні гранули, наявність яких виявили дослідники XIX ст.). Після закінчення мітозу дочірня центріоль опиняється у знову сформованій клітці в парі з материнською, від якої вже невідлична за розмірами. Дочірня центріоль все ще (на початку G1-фази другого в своєму житті клітинного циклу) не стала центром організації інтерфазних мікротрубочок і як і раніше не може утворювати первинну ресничку (на це теж здатна поки тільки її «мати»).

Однак у цей час молода дочірня центріоль вперше відокремлюється від материнської, і рівно через один цикл після виникнення (наприкінці G1-фази другого у своєму житті клітинного циклу) вперше виступає центром організації мікротрубочок, формуючи нову процентріоль.

У зв’язку з цим якнайкраще підходить висловлене ще в 1961 р. Д.Мезія припущення: «… коли відбувається черговий поділ, підготовка до наступного поділу вже почалася». Більш того, можна сказати, що в клітці з закладкою процентріолів почалася підготовка не тільки до найближчого, але і наступного за ним поділу.

При завершенні другого клітинного циклу (в профазі мітозу) ця центріоль вже може організовувати мікротрубочки другим способом — формувати один з полюсів веретена ділення. Одночасно на центріолі з’являється ценексин. І тільки проживши в клітці майже два повних цикли, ця центріоль стає, нарешті, «старшою» в клітці, центром організації інтерфазних мікротрубочок і здатна формувати первинну ресничку.

Описаний нами складний процес протікає за участю численних центросомальних білків, багато з яких тільки чекають свого дослідника. Проте вже зрозуміло, що функції деяких досліджених білків є життєво важливими. Так, на початку інтерфази на материнській центріолі формуються перицентріолярні сателіти. У складі цих органел виявлено білок лід-тубулін, за відсутності якого порушується структура центріолярного циліндра — відбувається втрата мікротрубочки «С» і центріолі містять лише дуплети мікротрубочок. Без білка центрина неможливо подвоєння центріолів. А білок протеїнкіназа Аврора А, що з’являється в складі центросоми в другій половині інтерфази, відповідає за регуляцію розбіжності центросом (що відбувається за участю клітинного білка-мотора Eg5) — майбутніх полюсів веретена ділення.

Ми навели лише кілька прикладів, але і цього достатньо, щоб зрозуміти, наскільки значиму роль може грати один-єдиний білок в нормальному протіканні, тонкої регуляції і філігранно точному виконанні кінцевого результату таких складних процесів, в основі яких лежить нуклеація мікротрубочок.

Нуклеююча і заякориваюча функції — дві окремі активності центросоми. Згідно з даними останніх років, центросома відповідальна не тільки за нуклеацію мікротрубочок, але і за їх заякорювання (тобто закріплення і утримання на центросомі), причому обидві функції контролюються різними білковими комплексами (лід-тубуліновим і нінеїновим відповідно) [15]. У клітинах культури тканини обидва комплекси розташовані в одній локальній області — на центросомі, і це визначає радіальність існуючої в них системи мікротрубочок. У високодиференційованих клітин комплекси можуть бути зосереджені в різних ділянках клітини, що визначає специфічну організацію системи мікротрубочок в цілому. Наприклад, в епітеліальних клітинах, що вистилають орган рівноваги (кортіїв орган), поряд з розходяться від центросоми короткими мікротрубочками існує безліч довгих, орієнтованих уздовж довгої осі клітини. Очевидно, що для формування такої системи мікротрубочок необхідно, щоб заякориваючий комплекс розташовувався на краю клітини. Мабуть, зародившись на центросомі, короткі мікротрубочки переміщуються в напрямку клітинної мембрани, звідки доростають до протилежного кінця клітини. Така спеціалізована система мікротрубочок забезпечує не тільки ефективний розподіл мембранних компонентів і переміщення везикул, але і виконання головної спеціальної функції цих клітин — передачу механічних вібрацій.

Які молекулярні механізми призводять до реорганізації радіальної системи мікротрубочок у поздовжньо орієнтовану, до кінця незрозуміло. Однак з наведеного прикладу випливає, що радіальна організація мережі мікротрубочок не універсальна, а центросома не завжди виконує роль основною структурою, відповідальною за просторову організацію цитоплазматичної мережі мікротрубочок.

Центросома — регуляторний центр клітини. Для цього твердження є багато підстав, про деякі з них ми вже говорили, але існують й інші. Центросома зазвичай розташовується в геометричному центрі клітини, в безпосередній близькості від апарату Гольджі, від неї на периферію клітини радіально розходяться мікротрубочки — своєрідні клітинні «рейки», по яких транспортні молекули переміщують різні «вантажі», а зростаюча від активної центріолі первинна ресничка виконує в клітці сенсорну функцію. Вважається, що ресничка — елемент шляху, що транслює позаклітинний сигнал на центросому і комплекс Гольджі з метою ефективної секреції нових синтезованих речовин позаклітинного матриксу. Реснічка виконує роль антени; на її поверхні розташовуються різноманітні специфічні молекулярні комплекси — рецептори для зовнішніх сигналів. Наприклад, поліцистин-2 на поверхні ресничок клітин ниркового епітелію бере участь у формуванні кальцієвих каналів та ініціації сигналу, що контролює клітинну проліферацію і диференціацію. Одночасно в цих клітинах ресничка виконують і механосенсорну функцію. Рецептори на мембрані реснички можуть бути видоспецифічними — наприклад, реснички нейрона мають характерні рецептори для соматостатину і серотоніну.

Таким чином, центросома виявляється центральним «вузлом» у механізмі сигнальної трансдукції: від первинної реснички центросому отримує позаклітинний сигнал, залежно від якого «регулює» транспортні процеси, здійснювані за системою пов’язаних з нею мікротрубочок.

Центросома — структурна частина механізму, що управляє динамічною морфологією клітини в цілому. Жива клітина має певну, характерну для даного типу форму. Форма ця не постійна, вона здатна динамічно змінюватися. Постійність форми клітини підтримує цитоскелет, і він же забезпечує її зміни при різних фізіологічних і патологічних станах. Особливо значні зміни відбуваються при русі клітини — складно скоординованому процесі, в який безпосередньо залучені зростаючі від центросоми мікротрубочки. При русі мікротрубочки взаємодіють з актиновим філаментами і клітинними контактами, регулюють натягнення клітини, а зміни їх динаміки викликають зміну швидкості руху. Виконання цих функцій безпосередньо пов’язане з просторовою організацією системи мікротру