Цитоплазма яйца лягушки самопроизвольно подразделяется на отсеки, напоминающие клетки

Рис. 1. Развитие шпорцевой лягушки Xenopus laevis — классического модельного объекта эмбриологических исследований. Изображения с сайтов en.wikimedia.org и mun.ca

Эксперименты с экстрактами яиц шпорцевой лягушки Xenopus laevis показали, что цитоплазма яйца способна самопроизвольно подразделяться на многочисленные отсеки, напоминающие клетки, хотя и не окруженные клеточными мембранами. Такая самоорганизация, основанная на формировании упорядоченных комплексов тубулиновых микротрубочек, происходит даже в отсутствие ДНК, клеточных ядер и центросом. Если же в экстракт добавить ядра и центросомы сперматозоидов, то отсеки начинают еще и делиться — почти как настоящие клетки раннего эмбриона. Исследование показало, что цитоплазма яйца содержит важную негенетическую информацию о структуре и поведении эмбриональных клеток.

«Фарш невозможно провернуть назад, и мясо из котлет не восстановишь» — гласит народная мудрость. Вопреки ожиданиям, основанным на повседневном опыте и здравом смысле, некоторые живые системы всё-таки умеют «проворачиваться назад» и восстанавливаться из фарша. Например, губки и некоторые книдарии успешно самособираются из отдельных клеток после того, как животное протёрли через тонкое сито (см.: А. Кириллова, Ю. Краус, А. Марков. Удивительная способность к регенерации книдарий: 100 лет исследований).

Но в этом случае всё-таки сохраняется целостность клеток. Клетки выделяют сигнальные вещества и реагируют на химические и механические сигналы, приходящие от других клеток, что и обеспечивает самоорганизацию клеточной массы в нечто более или менее упорядоченное.

Способна ли хоть частично восстановить свою структуру «провернутая в фарш» клетка? Биологи из Стэнфордского университета Сяньжуй Чэн (Xianrui Cheng) и Джеймс Феррелл (James E. Ferrell) показали в опытах на экстрактах яиц шпорцевой лягушки Xenopus laevis (рис. 1), что и это тоже возможно.

Экстракты получают из целых яиц путем центрифугирования с последующим отделением фракции «чистой» цитоплазмы от всего остального — в первую очередь от желтка, липидов и хроматина. Такие экстракты используются в разнообразных исследованиях в области биохимии и цитологии. Ранее уже было замечено, что если в такой экстракт добавить центросомы, то в исходно бесструктурной цитоплазме начинаются процессы самоорганизации, связанные с образованием вокруг центросом «звездочек» (asters, рис. 2) из микротрубочек (P. A. Nguyen et al., 2014. Spatial organization of cytokinesis signaling reconstituted in a cell-free system).

Рис. 2. «Звездочки» из микротрубочек, самопроизвольно формирующиеся в экстракте из яиц шпорцевой лягушки. Изображение с сайта web.stanford.edu

Чэн и Феррелл детально исследовали этот процесс. Оказалось, что гомогенизированная цитоплазма с добавлением ядер и центросом, выделенных из сперматозоидов (это одна из стандартных манипуляций с такими экстрактами, используемая при различных исследованиях), довольно быстро — примерно за 30 минут — подразделяется на аккуратные отсеки (компартменты) диаметром 300–400 мкм. Внешне отсеки напоминают клетки (рис. 3). Ядра при этом мигрируют и в итоге оказываются в центре компартментов (иногда по одному, иногда по несколько сразу), но начальное расположение ядер не влияет на то, где именно сформируются границы отсеков. Самоорганизация не связана с экспрессией генов и синтезом белка, потому что в экстракты добавлялся циклогексимид — вещество, блокирующее синтез белка.

Рис. 3. Самопроизвольное формирование клеткоподобных структур в гомогенизированной цитоплазме лягушачьих яиц. A, B — приготовление экстрактов и препаратов для микроскопирования. Яйца центрифугируются, затем фракция цитоплазмы отделяется от всего остального, тщательно перемешивается и помещается между двумя стеклами в виде слоя толщиной 120 мкм. В экстракт могут быть добавлены различные красители, выделенные из сперматозоидов ядра и центросомы, а также ингибиторы различных биохимических процессов, в том числе циклогексимид — вещество, блокирующее синтез белка (чтобы экспрессия генов не могла влиять на последующие события); C — последовательные этапы формирования компартментов; D — структура компартментов. Зеленым покрашен тубулин (T), красным — митохондрии (M, второй снизу ряд фотографий) или эндоплазматический ретикулум (E, нижний ряд фотографий), голубым — ядра (N). Изображение из обсуждаемой статьи в Science

Расположение ядер, митохондрий, эндоплазматического ретикулума и тубулиновых микротрубочек в компартментах примерно такое же, как в интерфазных (то есть не делящихся в данный момент) клетках лягушачьего эмбриона. Однако, в отличие от настоящих клеток, компартменты не окружены липидными мембранами. Их обособленность определяется организацией микротрубочек, к которым прикрепляются органеллы. Границы между компартментами — это области, в которых практически нет ни микротрубочек, ни органелл. На самом деле компартменты больше похожи не на клетки, а на структурные элементы синцития (так называемые «энергиды»), вроде тех, из которых состоит бластодерма на ранних стадиях развития дрозофилы.

Логично предположить, что самоорганизация происходит благодаря добавленным в экстракт ядрам и центросомам сперматозоидов. Но, как ни странно, это не подтвердилось. Экстракты, в которые не добавлялись компоненты спермы, подразделились на примерно такие же компартменты. Правда, у них на это ушло чуть больше времени. Эксперименты с разным количеством добавляемых ядер сперматозоидов (и связанных с ними центросом) показали, что те компартменты, в центре которых оказалось ядро, оформляются быстрее и в итоге получаются более крупными (рис. 4). Слишком большое количество ядер может нарушить процесс самоорганизации, так что четких компартментов в итоге не получается (рис. 4, слева).

Рис. 4. Структурирование цитоплазмы зависит от количества добавленных ядер: слева направо их число уменьшается от 800 до 0 ядер на микролитр цитоплазмы. Компартменты с ядрами получаются более крупными. Микротрубочки показаны зеленым, эндоплазматический ретикулум — красным, ядра — голубым. График справа показывает размеры компартментов в зависимости от количества добавленных ядер. Изображение из обсуждаемой статьи в Science

Как показали дальнейшие эксперименты, обязательным условием формирования компартментов является способность тубулина полимеризоваться в микротрубочки. При добавлении ингибитора полимеризации тубулина (нокодазола) компартменты перестают формироваться. Такой же эффект дает добавление фермента апиразы, гидролизующего АТФ. Это значит, что АТФ тоже необходима для самоорганизации.

В стандартный экстракт яиц Xenopus, с которым работали ученые, добавляется ингибитор полимеризации актина (цитохалазин B). Следовательно, актиновые филаменты не нужны для формирования компартментов. Когда авторы попробовали не добавлять это вещество, в компартментах стали образовываться актиновые филаменты. Они концентрировались на периферии компартментов и начинали сокращаться. В результате компартменты немного сжимались, а просветы между ними расширялись (здесь можно вспомнить о роли сократимых актомиозиновых структур в морфогенезе, см.: Колонии нового вида воротничковых жгутиконосцев в темноте выворачиваются наизнанку, «Элементы», 22.10.2019).

Первоочередная задача, стоящая перед оплодотворенным яйцом лягушки — дробление, то есть серия клеточных делений, в промежутках между которыми клетки не растут, так что в итоге получается эмбрион из примерно 4000 клеток, по объему не превышающий исходную яйцеклетку (cleavage, см. рис. 1). Способны ли компартменты, образующиеся в экстракте яиц, к делению? Как ни удивительно, оказалось, что способны. Для этого в экстракт нужно добавить центросомы и ядра сперматозоидов и не добавлять упоминавшийся выше циклогексимид — ингибитор белкового синтеза. В этом случае компартменты, едва сформировавшись, приступают к делению, похожему на нормальный митоз — с образованием митотического веретена (для этого как раз и нужны центросомы) и даже с аккуратным расхождением дочерних ядер по дочерним компартментам (рис. 5).

Рис. 5. Деление компартментов, напоминающее митотические деления клеток на ранних стадиях эмбрионального развития. Зеленым покрашен тубулин (T), красным — эндоплазматический ретикулум (E). На фотографиях нижнего ряда красным покрашены интерфазные (неделящиеся) ядра. Видно, что каждый дочерний компартмент получает по ядру, как при настоящем митозе. Изображение из обсуждаемой статьи в Science

Полученные результаты важны для синтетической биологии, поскольку открывают новые горизонты перед учеными, работающими над созданием искусственных клеток. Кроме того, работа наглядно показала, что компоненты цитоплазмы яйца содержат важную негенетическую информацию о структуре и поведении клеток развивающегося эмбриона. Пока неясно, в какой мере эти выводы приложимы к каким-то другим клеткам помимо лягушачьих яиц.

Источник: Xianrui Cheng and James E. Ferrell Jr. Spontaneous emergence of cell-like organization in Xenopus egg extracts // Science. 2019. V. 366. P. 631–637. DOI: 10.1126/science.aav7793.

См. также:
Нужны ли эмбрионам гены?, «Элементы», 08.05.2007.

Александр Марков