Онтогенез и филогения-ядрышек. Акцессорные ядра в ооцитах перепончатокрылых
Самой выразительной формой комплексной активности рибосомно-ядрышкового аппарата следует считать формирование так называемых акцессорных ядер растущих ооцитов перепончатокрылых. Этот процесс заключается в отщеплении от ядра фрагментов, напоминающих ядро формой, структурой (с ядрышкоподобным образованием в центре), наличием оболочки и даже способностью к размножению путем деления и фрагментации, открываемых на микроскопических препаратах. Деление или фрагментация акцессорных ядер сопровождается гантеле образным делением или фрагментацией центральных ядрышко подобных телец.
Развитие акцессорных ядер в ооцитах перепончатокрылых было обнаружено и описано в начале текущего столетия. В книге Вильсона [1936] приводится довольно большая литература, относящаяся к этому вопросу. Сам факт наличия пузырьковидных телец, сходных с ядрами, в цитоплазме ооцитов перепончатокрылых не вызывает никаких сомнений, равно как и судьба этих образований — исчезновение в ходе дальнейшего развития яйца. Сомнения и недоумения вызывает природа и способ образования акцессорных ядер.
Если бы речь шла о соматических клетках, отделение от ядер ядроподобных фрагментов едва ли привлекло бы внимание исследователей. Процессы дифференцировки нередко сопровождаются глубокими нарушениями типичной структуры ядер (стоит вспомнить превращения ядер при дифференцировке гранулоцитов).
Однако образование акцессорных ядер осуществляется в половых клетках, несущих в своем ядре, по современным воззрениям, точно измеренный запас информации, в которой запрограммировано развитие целого организма. Вот почему вынос из ядра путем почкования или фрагментации какой-то части ядерной конструкции создает большие затруднения для генной теории развития.
Размножение ядрышек путем деления.
Последовательные фазы деления ядрышек в ядрах ооцнтов травяного краба (А, Б: Ценкер, гематоксилин, X 900) и в ядрах трансплантированной мышцы лягушки (В: формалин, серебрение по Бильшовскому — Гросс, X 900) тия, хотя подобные процессы в другой форме, как мы увидим ниже, имеют довольно широкое распространение. Несоответствие этого факта общепринятым схемам генной детерминации развития продолжает смущать цитологов. Можно насчитать не более десятка работ, в которых процесс развития акцессорных ядер у перепончатокрылых обследован на современном уровне с применением гистохимической и электронно-микроскопической техники.
Гистохимически в центральных ядрышкоподобных тельцах акцессорных ядер обнаружена РНК. Что же касается ДНК, то она, по-видимому, в акцессорных ядрах отсутствует. На электронных микрофотографиях выявлено следующее: мембрана акцессорных ядер двойная, как типичная ядерная мембрана, хотя наличие ядерных пор еще точно не установлено. Центральное ядрышко — подобное тельце имеет плотную мелкозернистую структуру, сходную со структурой ядрышкового матрикса. Остальное содержимое — неясной природы. Обнаружены признаки отделения акцессорных ядер от основного ядра путем почкования. Таким образом, ядерную природу и ядерное происхождение акцессорных ядер можно считать подтвержденными на ультраструктурном уровне.
Каково же функциональное и эволюционно-морфологическое значение этого удивительного процесса?
Наблюдения над развитием акцессорных ядер у матки пчелы [Студитский, 1973] позволяют сделать предварительный вывод о том, что этот процесс по своей природе аналогичен (или даже гомологичен) всем описанным в ооцитах различных животных процессам выхода ядрышкового материала в ооплазму. Ооцит пчелы достигает в период роста огромных размеров, обеспечиваемых, очевидно, интенсивным синтезом белка, а также не менее интенсивным желткообразованием, т. е. также специфическим белковым синтезом. Базофилия ооплазмы свидетельствует о богатстве рибосомами, на которых в соответствии с общепринятыми схемами должен осуществляться синтез белков. Специфические органеллы, связанные с синтезом белков, в виде желточных ядер или структурированных желточных телец, в ооплазме этого объекта при светооптическом исследовании не обнаруживаются. Таким образом, вся масса рибосом ооплазмы обеспечивается, по-видимому, активностью акцессорных ядер.
Ядрышковый аппарат основного ядра растущего ооцита включает центральное ядрышко, имеющее форму тутовой ягоды, и периферические мелкие ядрышки, примыкающие к ядерной мембране. Форма тутовой ягоды, очевидно, определяется тем, что центральное ядрышко размножается путем почкования. Периферические ядрышки можно рассматривать как продукт почкования, подлежащий выщеплению из ядра в составе акцессорных ядер. Об этом процессе можно судить по гирлянде маленьких, светлых, пузырьковидных акцессорных ядер с маленьким ядрышком в центре, располагающихся вокруг главного ядра (Рисунок. Развитие акцессорных ядер в ооцитах матки пчелы). Как происходит обособление акцессорного ядра от главного, по светооптической картине сказать трудно.
Развитие акцессорных ядер в ооцитах матки пчелы.
Самый ваяшый в эволюционно-морфологическом смысле феномен, относящийся к развитию акцессорных ядер, заключается в том, что эти образования подвергаются сложным превращениям, свидетельствующим об их высокой пластической и метаболической активности. Акцессорные ядра передвигаются в ооплазме, постепенно расселяясь по всей ооплазме, особенно в периферических ее частях, растут, достигая довольно крупных размеров, размножаются путем деления или почкования, приобретают сложную структуру, включающую центрально расположенное тельце типа ядрышка, нитевидные конструкции, напоминающие хромосомы, и зернышки базофильного вещества вроде хроматина. Между тем гистохимически в акцессорных ядрах удается выявить только РНК (в «ядрышке» и глыбках «хроматина») и белковый (лихтгрюн-позитивный) компонент. В главном ядре фельген-позитивность обнаруживается только в зернах вокруг ядрышка и мелкой зернистости по периферии ядра. Акцессорные ядра фельген-негативны.
Судьба акцессорных ядер, как, впрочем, и главного ядра, неясна. Ооциты, залегающие у выхода в яйцевод, забиты резко базофильными желточными зернами, между которыми при обычной технике окраски не просматриваются какие-либо ядерные структуры.
Данные, полученные совместно с М. М. Калашниковой и Н. И. Деминой по гистохимии и электронной микроскопии акцессорных ядер в ооцитах муравьев, позволяют утверждать, что. развитие этих образований свидетельствует о специфической комплексной форме активности рибосомно-ядрышкового аппарата. Ооцит объекта, подвергнутого электронно-микроскопическому обследованию (муравей Lasius niger), характеризуется интенсивным околоядерным формированием добавочных ядер. Главное ядро имеет типичное для ооцитов пузырьковидное строение с очень большим ядрышком. При гистохимическом обследовании вокруг ядрышка главного ядра обнаруживается фельген-позитивный материал. Ядрышко фельген-негативно, пи-ронинофильно. На электронных микрофотографиях в ядрышке обнаруживается периферическая зона чрезвычайно высокой электронной плотности гранулярного строения. В некоторых участках к периферической уплотненной гранулярной зоне примыкают сфероидальные тельца такого же строения и плотности, окруженные более грубой зернистостью. Содержимое ядрышка выполнено рибосомоподобными, рыхло расположенными зернами, образующими неправильной формы скопления.
Фазы размножения (путем почкования) акцессорных ядер ооцита пчелы в ооплазме. Цепи ер, Рего, X 400
Ооцит муравья Lasius niger. Основное ядро с полостями акцессорных ядер. Ценнер. гематоксилин. Микропрепараты II. И. Деминой
Ооцит муравья Lasius niger.
Общий вид основного ядра, окруженного акцессорными ядрами. Я — ядро; Ядш — ядрышко; ЯМ — ядерная мембрана; АкЯ — акцессорные ядра. Электронная микрофотография М. М. Калашниковой
Ядерная мембрана основного ядра типичного строения, с множеством утолщений, напоминающих уложенную складками мембрану. Внешняя мембрана густо покрыта рибосомами. Кариоплазма содержит рыхлую зернистость, менее плотную, чем в ядрышке.
Акцессорные ядра, располагающиеся в виде розетки вокруг основного ядра, одеты двойной мембраной типичного ядерного строения, также густо покрытой рибосомами. Содержимое акцессорных ядер включает центральное тельце гранулярной структуры, по плотности сходное с плотными тельцами ядрышка основного ядра, и рыхлую зернистость, близкую по плотности к зернистости кариоплазмы. На препаратах легко обнаруживаются следы отделения акцессорных ядер от основных в виде обращенных друг к другу клювовидных выпячиваний оболочек.
На некоторых препаратах хорошо видно рибосомное строение содержимого ядрышка (нуклеолоплазмы) и кариоплазмы основного ядра и содержимого акцессорных ядер.
Цитоплазма чрезвычайно богата рибосомами, рассеянными свободно и в виде скоплений (полисом). В некоторых акцессорных ядрах видны перерывы мембран, напоминающие ядерные поры. Здесь также видны скопления рибосом.
Описанные электронно-микроскопические картины строения ядерного аппарата ооцитов этого вида муравьев не оставляют никаких сомнений в том, что акцессорные ядра представляют собой продукты отделения фрагментов основного ядра путем почкования. Складчатые утолщения ядерных мембран, вероятно, обеспечивают их растягивание, с помощью которого формируются почки акцессорных ядер. Учитывая размеры площадей основного ядра сравнительно с площадями срезов акцессорных ядер, следует полагать, что представления старых авторов о росте акцессорных ядер соответствуют действительности. Что же касается эволюционно-морфологического значения этого процесса, то оно заслуживает специального обсуждения.
Прежде всего необходимо понять, какой части ядерной конструкции соответствуют акцессорные ядра. Несмотря на внешнее сходство с основными ядрами по наличию типичной ядерной мембраны, кариоплазмы и ядрышка, акцессорные ядра далеки от полного подобия с основными ядрами прежде всего по отсутствию фельген-позитивного материала, который открывается в основных ядрах. Если ДНК и имеется в кариоплазме или в яд-
Стрелками показаны следы отделения акцессорного ядра от основного ядра (складки на ядерной оболочке) и клювовидные выросты ядерных оболочек, обращенные друг к другу. Электронная микрофотография М. М. Калашниковой. Обозначения те же, что на 15 рышках акцессорных ядер, то в ничтожных количествах. Затем можно отметить, что зернистость кариоплазмы акцессорных ядер по электронной плотности ближе к содержимому ядрышек (нуклеолоплазме), чем к кариоплазме. Таким образом, акцессорные ядра представляют собой структуру, относящуюся к рибосомно-ядрышковому аппарату клетки. Подобно тому как при росте ооцитов с хромосомами -— ламповыми щетками ядро выбрасывает в цитоплазму рибосомный материал в виде готовых рибосомно-ядрышковых конструкций или диспергированных рибосом, из которых в цитоплазме строятся рибосомно-ядрышковые конструкции (цитонуклеолы), в ооцитах перепончатокрылых осуществляется рекапитуляция древнейшего процесса конструирования рибосомно-ядрышкового аппарата в виде отдельных ядрышковых приборов, одетых ядерной мембраной. Есть все основания считать акцессорные ядра гомологами бактериоидных предков, рекапитулирующими наиболее древнюю форму их организации. Акцессорное ядро — это подобие бактериоидного предка, вновь приобретшего утраченную индивидуальную мембрану, лишившегося нуклеоида и обогатившегося ядрышковой конструкцией рибосомного аппарата.
Рисунок. Ультраструктура основного ядра и акцессорных ядер ооцита муравья Lasius niger.
Стрелками показаны следы отделения акцессорного ядра от основного ядра (складки на ядерной оболочке) и клювовидные выросты ядерных оболочек, обращенные друг к другу. Электронная микрофотография М. М. Калашниковой.
Я — ядро; Ядш — ядрышко; ЯМ — ядерная мембрана; АкЯ — акцессорные ядра.
Развитие рибосомно-ядрышковых конструкций в виде акцессорных ядер в ооцитах перепончатокрылых позволяет утверждать, что в филогенезе клетки мог быть этап, когда герминативная функция ядра заключалась не только в репродукции хромосом — органелл, используемых в основном в составе ядерного аппарата, но и в репродукции рибосомно-ядрышковых структур, предназначаемых для пополнения цитоплазматического блока рибосомно-ядерного аппарата. Все другие формы развития рибосомных комплексов в цитоплазме, включая формирование двойных мембран эргастоплазмы, представляют собой в сущности упрощенные варианты сборки рибосомно-ядрышковых конструкций в цитоплазме. При сборке эргастоплазматических пузырьков и двойных мембран клетка использует материал, посылаемый ядрышком в цитоплазму, включая липопротеиновые белки, из которых конструируются эргастоплазматические мембраны. Акцессорные ядра — это цитоилазматические блоки рибосомно-ядрышкового аппарата, репродуцируемые клеткой из компонентов ядерных конструкций. Они имеют вид ядерных блоков, подобных кариомерам, возникающим за счет индивидуальных хромосом, одеваемых ядерной мембраной. Вот почему уместно дать им наименование нуклеолокариомеры или нуклеоломеры. Цитонуклеолы, обнаруженные мной в цитоплазме ооцитов северной креветки, родственны нуклеоломерам по природе и происхождению, отличаясь от них способом развития и общей конструкцией, в которой отсутствует мембрана.
Своеобразный вариант цитонуклеол обнаружен в цитоплазме яйца морского ежа Афцелиусом.
Этот вариант, названный Афцелиусом «тяжелыми тельцами», на электронных микрофотографиях представляет собой массу гранул диаметром в 150 (очевидно, рибосом), окруженную двухконтурной оболочкой, сходной с ядерной. К числу специализированных форм цитонуклеол можно отнести все виды концентрических напластований двойных шероховатых мембран эргастоплазмы, характерных для некоторых железистых клеток, например гигантских клеток слюнных желез личинок двукрылых и ооцитов. За этими формами цитонуклеол можно сохранить предложенное мной наименование эргастосферы.
Особым вариантом рибосомно-ядрышкового комплекса типа цитонуклеол, но размещенного в ядре, является так называемый элиминационный хроматин в ооцитах некоторых насекомых.
