​Всегда ли использование сложной системы или конструкции не для предназначенной цели является глупостью в стиле «забивания гвоздей микроскопом»? Свой ответ на этот вопрос предложил ведущий научный сотрудник лаборатории генетики развития ФИЦ ИЦиГ СО РАН, к.б.н. Нариман Баттулин.

А происходило это в формате очередной публичной лекции (об этом проекте, организатором которого много лет выступает профессор НГУ, заведующий лабораторией рекомбинационного и сегрегационного анализа ИЦиГ, д.б.н. Павел Бородин мы неоднократно рассказывали).

Ну а поскольку лектор – ученый-генетик, то и примеры он взял «из жизни» клетки, которая содержит немало сложных (и, казалось бы, узконаправленных) органоидов. Например, ядро клетки. Классическое определение его предназначения – выступать хранилищем ДНК, которая, в свою очередь, содержит в себе необходимую генетическую информацию об организме. Там в ядре происходит транскрипция этой информации и обеспечивается ее передача следующему поколению клеток.

– Все это правда, но иногда ядро и ДНК используются совсем для других целей, - подчеркнул Нариман Баттулин.

Первый пример, который он привел, связан с формированием мозга, точнее отдельных его элементов, таких, как поверхность коры. Происходит это, преимущественно, на стадии эмбрионального развития (начиная с первой борозды, разделяющей мозг на правое и левое полушарие). Ученые попробовали выяснить, какой механизм управляет этим процессом.

Главной проблемой было «заглянуть внутрь» мозга формирующегося эмбриона. Для этого использовали церебральные органоиды (в СМИ получившие известность как «мини-мозги»), с помощью которых ученым удается имитировать развитие мозговой ткани человека вне организма. В результате, удалось увидеть, как в ходе формирования мозговой ткани, ядра ее клеток начинают… мигрировать: сосредотачиваются у границы органоида, периодически ненадолго возвращаясь к центру для деления. А поскольку ядра имеют достаточно большую жесткость, клетки таким образом создают избыточное давление в верхней части органоида (соответствующей коре головного мозга у обычного эмбриона). Это давление и становится источником для развития на поверхности бороздок.

– Фактически, клетка использует ядро как некий молоток для деформации поверхности ткани –, подытожил докладчик. – Поэтому на этой стадии для клетки важна жесткость ядра, а вовсе не ДНК, которую оно содержит.

Важно, что эти процессы происходят только на ранних этапах, когда формируются границы отделов мозга. Извилины на коре возникают иначе, мозг к тому времени достигает относительно больших размеров и отдельные клетки уже не в состоянии оказать необходимое давление на поверхность. Оно обеспечивается схожими процессами, но уже за счет миграций целых нейронов.

Иногда нормальный ход этих процессов нарушается в результате мутаций (которые не только замедляют скорость миграций ядер, но и делают сами клетки мягче). Данная аномалия на языке медицинских терминов называется лиссэнцефалией. В зависимости, от степени мутации, речь может идти как о частичном отсутствии извилин или их некачественном развитии, так и о полном их отсутствии (агирия). Более легкой разновидностью также является пахигирия, которая отличается наличием нескольких плоских широких извилин и неглубоких борозд. Результат – рождение ребенка с достаточно серьезными патологиями, с которыми, на сегодня, медицина справиться не в состоянии. Так что, значение этой, «неспецифической» функции ядер клеток головного мозга сложно переоценить.

Следующий «кейс», использованный докладчиком, был связан с эритроцитами. Для них, в отличие от нейронов, большие размеры и жесткость ядер совсем не так полезны, особенно, когда клетке надо «протиснуться» через какое-нибудь узкое место (что часто бывает с мигрирующими типами клеток).

Эволюция решала эту задачу по-разному. Например, у рептилий эритроциты намного больше, чем у млекопитающих. Связано это различие с тем, что мы (млекопитающие) являемся теплокровными. Это дает массу удобств, но за них надо «платить», в том числе высоким потреблением кислорода в тканях организма, доставкой которого занимаются эритроциты. Доставка осуществляется по системе капилляров, которые у млекопитающих стали очень развитыми и тонкими – отсюда и уменьшение размера эритроцитов. А что же с большим и жестким ядром? А его в наших эритроцитах нет, что и обеспечивает их высокую «проходимость». Иначе говоря, для клетки в данном случае вторичные свойства ядра (размер и жесткость) оказались критичнее, и она «жертвует» им вместе с генетической информацией, в нем содержащейся.

Но еще интереснее тот факт, что не все клетки крови пошли путем отказа от ядра. Например, нейтрофилы – один из подвидов лейкоцитов. Это клетки иммунной системы, чье нормальное время жизни составляет около шести часов и за это время они находят источник угрозы (место инвазии бактерий в организм и т.п.), мигрируют туда, доставляя в себе белки для борьбы с инфекцией. А еще они обладают ядром весьма специфической формы – оно разделено на несколько частей. Вызвано это тем, что им надо не просто пройти до конца капилляра, но и «протиснуться» дальше непосредственно в ткань (для клетки с большим и жестким ядром – задача фактически невыполнимая).

– Возникает вопрос, а не проще ли было нейтрофилам тоже избавиться от ядра, вместо того, чтобы модифицировать его в сложные составные конструкции, - продолжил лектор.

Оказывается, нет. Хоть ядро нейтрофилов практически не имеет транскрипционной активности, оно им необходимо. В качестве, основного оружия борьбы с инфекцией: ферменты, которыми он, буквально, напичкан связываются с хроматинами ядра и выбрасываются наружу. То есть, молекула ДНК используется как компонент противомикробного препарата, сеть, с помощью которой инфицированный участок накрывается белками иммунной системы. Так достигается их максимальная концентрация в нужном месте. Сейчас этот механизм защиты организма с помощью внеклеточной ловушки из хроматина очень активно исследуется.

Причем, обладают им не только нейтрофилы, схожий механизм реакции на бактериальное заражение организма были обнаружены у беспозвоночных, растений и даже у одноклеточных организмов, в колониях т.н. социальных амеб – диктиостелиум, способных на определенных стадиях объединяться в многоклеточные плодовые тела сложного строения. И на этой стадии внутри колонии-организма возникает некоторая дифференциация между клетками, некоторые из которых обладают фагоцитарные способ, правда, не геномной, а митохондриальной. Что является важным механизмом выживания колонии.

Есть у этой системы защиты и свои «минусы» (что стало одной из причин повышенного интереса к ней со стороны ученых): если у человека процесс выброса ДНК для защиты организма идет очень активно, то это может вызывать появление антител на хроматин (вещество, из которого она состоит). А это уже ведет к развитию системной красной волчанки – серьезного заболевания с кучей неприятных последствий.

Впрочем, и этим негенетические функции ядра и содержащейся в нем ДНК не исчерпаны, что было показано третьим примером. Он был связан с обитателями Мирового океана, принадлежащими к семейству миксинов (бесчелюстных). Выглядят они не очень привлекательно, да еще и покрыты большим количеством слизи, которая является для них основным средством защиты от внешних врагов, и они могут довольно быстро производить ее в больших количествах. А еще слизь слизь помогает им проникать в самые труднодоступные места на морском дне, а также в тела уже разложившейся рыбы – источник питания миксин.

Но в данном случае более интересным является не применение слизи, а ее производство, осуществляемое с помощью специальных желез на коже этих животных. Одни их клети производят собственно слизь, а другие – длинные белковые нити, которые служат ей некоторым каркасом (препятствующим быстрому смыванию водой с кожи и придающим необходимые свойства). Главная задача у таких клеток – правильно «упаковать» эту нить внутри себя, чтобы она не запуталась в процессе выбрасывания наружу (длина нити намного порядков превосходит размеры самой клетки. Недавно ученым удалось выяснить, каким образом обеспечивается правильность укладывания нити внутри клетки.

Самые первые витки образуются вокруг ядра. Затем оно начинает уменьшаться в объеме и последующие витки располагаются опять на ядре, но не поверх первых, а внутри них. Так ядро служит «веретеном», вокруг которого нить укладывается правильным образом, само оно при этом постоянно уменьшается. И одновременно происходит инверсия ядра – самый плотный хроматин, обычно расположенный на поверхности, теперь, наоборот, сосредотачивается в его центре. Еще один пример нетипичного использования клеткой одной из самых главных своих частей.

Этими примерами тема, заявленная в лекции, конечно, не исчерпывается. Но и их более, чем достаточно, чтобы показать – жизнедеятельность клетки намного сложнее схемы, обычно представленной в учебниках биологии. В этой области нас несомненно ждет еще немало удивительных открытий, и ряд стоящих проблем имеет не только фундаментальное значение, но и вполне себе прикладной аспект, связанный, в том числе, с рядом серьезных патологий и заболеваний.

Сергей Исаев

Источники

Микроскопом по гвоздю
Академгородок (academcity.org), 12/03/2019

Похожие новости

  • 26/08/2016

    Ученые СО РАН отвечают на вопросы о безопасности питания

    ​Какие вопросы безопасности питания на сегодняшний день наиболее актуальны? Как повлияет на развитие пищевой отрасли в России законопроект о запрете ГМО? В преддверии Международного симпозиума "Генетика и геномика растений для продовольственной безопасности" корреспонденты "НВС" поговорили об этом с руководителем Исследовательского центра продовольственной безопасности ЭФ НГУ, старшим научным сотрудником Института экономики и организации промышленного производства СО РАН, кандидатом экономических наук Юлией Сергеевной Отмаховой и главным научным сотрудником Центра, заведующей сектором Федерального исследовательского центра Институт цитологии и генетики СО РАН доктором биологических наук Еленой Константиновной Хлесткиной.
    2953
  • 02/03/2016

    Сибирские генетики - о хлебе насущном

    ​В условиях нарастающего кризиса «хлебная тема» закономерно выходит на первый план.  Насколько зависит наша страна от импортных поставок зерновых, какой хлеб мы покупаем в магазинах, как может повлиять на ситуацию отечественная наука? В этих непростых вопросах нам помогли разобраться наши ученые: Елена Хлесткина, доктор биологических наук, профессор РАН, зав.
    1716
  • 29/06/2016

    Кровоизлияние в мозг - не приговор

    ​Каждый шестой человек с геморрагическим инсультом – кровоизлиянием в мозг, вызванным разрывом сосудов, умирает в машине скорой помощи. Риск кровоизлияния, приводящего к летальному исходу или тяжелым неврологическим последствиям, остается высоким даже после успешной операции на сосудах.
    3135
  • 06/12/2018

    Самоеды оказались чужими друг другу

    ​Вопреки близости языков и образа жизни, у северных народов из самодийской семьи, также называемых самоедами — разные предки. Ученые из Новосибирского государственного университета, Института цитологии и генетики Сибирского отделения РАН и их зарубежные коллеги проанализировали генетические различия между 15 сибирскими популяциями, говорящими на самодийских языках.
    471
  • 17/05/2018

    Аспирант ИЦИГ СО РАН стал победителем молодежного медиафорума в Санкт-Петербурге

    Александр Злобин победил в студенческом медиафоруме ScienceMedia. Форум проводился в третий раз, а число участников растет с каждым годом. Победу на ScienceMedia Александру Злобину принесло интервью для студенческого радио НГУ с директором по маркетингу KBK Group LLC Леонидом Тарановым, посвященное теме криптовалют.
    524
  • 20/06/2018

    Возможные перспективы Академгородка 2.0

    ​Ведущие ученые СО РАН продолжили обсуждение проектов развития научной инфраструктуры Новосибирского научного центра. Новосибирский институт органической химии им. Н.Н. Ворожцова СО РАН выступил инициатором проекта «Сибирский центр малотоннажной химии».
    840
  • 29/12/2017

    Биолог, психолог и востоковед рассказали о символе 2018 года

    Какая порода самая древняя? Почему собаки могут есть овсянку? Почему в Китае слагали легенды об этих животных и зачем вообще люди заводят собак? Ответы на эти вопросы ищите в материале ниже. Собака — родственник человека.
    1134
  • 26/11/2018

    Бездействующие лекарственные препараты: найти и выбросить

    Валерьянка известна многим людям как популярное успокоительное средство. Настойка эхинацеи — в качестве иммуностимулятора для борьбы с часто повторяющимися простудами. Глицин рекомендуется принимать школьникам в период интенсивных умственных нагрузок.
    1422
  • 02/01/2019

    Юбилей академика Николая Петровича Гончарова

    ​Николай Петрович Гончаров родился 2 января 1959 года в г. Тулуне Иркутской области. В 1981 году окончил биологическое отделение факультета естественных наук Новосибирского государственного университета.
    956
  • 12/02/2019

    Академику Владимиру Шумному исполняется 85 лет

    ​Владимир Константинович Шумный родился 12 февраля 1934 года в селе Ховмы Борзянского района Черниговской области. В 1958 году окончил Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова по специальности «ботаника».
    328