О.И. Епифанова - Лекции о клеточном цикле

ГЛАВА 1. ДЕЛЕНИЕ КЛЕТКИ И ПОНЯТИЕ О КЛЕТОЧНОМ ЦИКЛЕ Предмет изучения Предлагаемая книга содержит материалы курса лекций «Клеточный цикл», которые были прочитаны в 1990-1996 гг. на кафедре цитологии биологического факультета МГУ. Что такое клеточный цикл? Разумеется это не самостоятельная научная дисциплина и не конкретная область знания. Правильнее всего будет сказать, что в контексте данной книги понятие «клеточный цикл» включает в себя систему представлений о том, что побуждает клетки к самовоспроизведению и как осуществляется контроль этого процесса в организме. По ходу изложения будут раскрыты эти явления и прослежена вся история развития учения о клеточном цикле, от его первоначального описания до наших дней.

История эта изобиловала драматическими событиями, и даже само существование клеточного цикла еще сравнительно недавно ставилось под сомнение. Тем более замечательно, что сейчас наметился в буквальном смгясле слова прорыв наших знаний в этой области, когда удалось установить общность молекулярных механизмов размножения клеток у всех эукариотов — от дрожжей до человека, и теперь известно, какие это молекулы и как они взаимодействуют. Нам предстоит оценить современное состояние вопроса и наметить основные направления его изучения.

Случилось так, что мне и тем, кто трудился со мной на протяжении более чем тридцати лет, довелось непосредственно участвовать в развитии тех или иных положений о клеточном цикле. Мы изучали клеточный цикл прежде всего как экспериментаторы, и, хотя в процессе исследований нами было разработано немало методических приемов, их описание не войдет в настоящий курс.

Этим методам посвящены специальные руководства, где каждый может почерпнуть необходимые сведения. Не будут рассматриваться детально также и многие принципиально важные проблемы клеточной биологии, связанные с прохождением клетками цикла, но имеющие самостоятельное значение (такие, как механизмы митоза, участие в этом процессе различных клеточных компонентов, механизм инициации синтеза и редупликации ДНК и др.). Каждый из этих вопросов может служить предметом отдельного курса, Основная цель книги, как уже было отмечено, — попытаться проанализировать, что именно заставляет клетки делиться н как регулируется этот процесс.

Но не менее важна и другая сторона вопроса: почему клетки иногда прекращают на длительное время свое размножение, какие силы удерживают их в этом состоянии и что служит причиной их возврата к пролиферации? Понимание этих процессов совершенно необходимо для проникновения в такие фундаментальные направления биологии, как дифференцировка клеток, их нормальное функционирование, старение, гибель и злокачественное перерождение. Эти проблемы также явятся предметом рассмотрения в предстоящих лекциях.

Таким образом, в центре внимания будут, главным образом, общие принципы регуляции размножения клеток в живой природе, хотя речь пойдет преимущественно о животных клетках. В учение о клеточном цикле внесли свой вклад многие замечательные исследователи, О тех, кого уже нет в живых, будет рассказано подробнее. Учение это, как мы увидим, необычайно динамично, оно все время находится в процессе формирования, и то, что бьио открытием вчера, сегодня уже становится историей.

Поскольку это история продолжающихся открытий, изложение будет носить в основном хронологический характер. Мы начнем с изложения некоторых вопросов биологии клеточного деления, истории открытия клеточного цикла и подходов к его изучению. Биологический смысл деления клеток .Пожалуй, с наибольшим лаконизмом охарактеризовал сущность процесса клеточного деления современник этого открытия Эдмунд Вильсон, сказавший, что «от клеточного деления зависят не только явления наследственности, но и сама непрерывность жизни». При этом он несомненно развивал известный принцип Вирхова о непрерывности развития клеток при помощи деления. Несмотря на колоссальный прогресс знаний в области цитологии и генетики, к этому положению мало что можно добавить, и биологи последующих поколений обычно лишь перефразировали формулировку Вильсона. Образно выражаясь, деление обеспечивает «биологическое бессмертие» клеток путем непрерывного обновления цитоплазмы.

Поддержание жизни клетки требует в свою очередь полного и безошибочного воспроизведения ее организации, то есть всех структур и прежде всего генетического материала, заключенного в ядре. Равномерное же распределение наследственного материала между двумя дочерними (сестринскими) клетками обеспечивается митозом, представляющим собой сложный процесс структурных преобразований и перемещений внутриклеточных компонентов, завершающийся делением клетки. История открытия митоза Как нередко бывает с великими открытиями, истинный смысл клеточного деления был постигнут лишь много лет спустя после того, как это явление впервые описали французские ученые Прево и Дюма, наблюдавшие дробление яиц у животных. Их исследование было опубликовано в 1824 году в трех выпусках трудов по изучению естественных наук.

В то время во Франции научные работы печатались в журналах как романы, с ремаркой «продолжение следует». Удивительное ощущение возникает, когда держишь в руках эти маленькие томики в сафьяновых или атласных переплетах, так непохожие на современные периодические издания и скорее напоминающие поэтические сборники. Прево и Дюма описали процесс деления клеток с большой точностью, и не их вина в том, что открытие митоза не было по достоинству оценено современниками. Историки естествознания обычно упрекают в этом авторов клеточной теории Шлейдена и Шванна (1838-! 839), допускавших свободное образование клеток из окружающей их плазмы (бластемы).

Как же могло случиться, что два крупнейших микроскописта и естествоиспытателя своего времени, создавшие теорию, не менее значимую для биологии, чем эволюционное учение Дарвина, пришли к столь ошибочному заключению? Здесь следует немного подробнее остановиться на личности Шлейдена. В противоположность Шванну, который отличался уравновешенным характером и был настолько осторожен в своих высказываниях, что на каждую публикацию испрашивал разрешения епископа, Шлейден, напротив, снискал репутацию человека сумасбродного и необузданного, с непредсказуемым поведением. Будучи успешно практикующим адвокатом, он неожиданно разочаровался в выбранной профессии и в состоянии тяжелой депрессии пытался пустить себе пулю в лоб, лишь по счастливой случайности отделавшись шрамом. Выздоровев, он обратился сначала к медицине, а затем к ботанике и, проучившись в общей сложности еще тринадцать лет, был наконец аттестован как биолог.

Таким образом, к началу работы над клеткой Шлейдену исполнилось уже тридцать пять лет. Однако это нисколько не отразилось на его темпераменте. Именно «неистовый тевтон», как окрестили Шлейдена коллеги, был постоянным возмутителем спокойствия для Шванна, побуждая его к решению задач, порождаемых своей безудержной фантазией. К сожалению, будучи тщательным и объективным наблюдателем, Шлейден допускал порой слишком вольную интерпретацию описываемых фактов, что и привело, в частности, к ошибочному взгляду на возникновение клеток из бластемы, окружающей ядро, которое, в свою очередь, формируется, якобы, вокруг ядрышка.

Авторитет создателей клеточной теории был так велик, что немедленно нашлись исследователи, «подтвердившие» это наблюдение, и результаты опытов Прево и Дюма подверглись забвению. Впрочем Шлейден всего лишь десять с небольшим лет был занят всерьез изучением клетки. Увлекшись в 1848 году революционными событиями во Франции, он надолго оставил всякую научную деятельность, а последние годы жизни посвятил преподаванию антропологии и написанию лирических эссе (подробнее о Шлейдене и Ш ванне см. Ггапйе, 1988). Так или иначе, открытие митоза отделяет от опытов Прево и Дюма целое пятидесятилетие. Во второй половине семидесятых годов прошлого столетия последовала серия классических работ Страсбургера и его учеников, описавших отдельные фазы деления клетки; Флемминга, открывшего различные типы деления ядра; Вальдейера, охарактеризовавшего хромосомы, и других исследователей.