Биогенез ретикулоплазмы (аппарата Гольджи).
Вопреки сомнениям, высказанным множеством авторов за длительный период разработки вопроса о функциях аппарата Гольджи, идея о его сегрегационной роли в клетке, обоснованная впервые Д. Н. Насоновым, в настоящее время может считаться выдержавшей испытание на современном техническом уровне исследования клетки.
Сегрегационная, или отделительная, функция клетки — такая же неотъемлемая характеристика клеточной организации как ассимиляционная, диссимиляционная, моторная и генеративная функции, без которых жизнь неосуществима. И если в настоящее время можно считать бесспорной структурную связь ассимиляционной (синтетической) функции с рибосомным (эргастоплаз-матическим) аппаратом, энергетической (диссимиляционной) функции с митохондриями, генеративной функции с хромосомным и ядрышковым аппаратами, то роль аппарата Гольджи как в освобождении клетки от конечных продуктов метаболизма, так и в аккумуляции секреторных продуктов, подлежащих выведению из клетки, представляется совершенно очевидной. В клетке просто нет других структурных компонентов, кроме комплексов Гольджи, которые могли бы осуществить сегрегационную функцию. Характерная упаковка элементарных компонентов комплекса Гольджи — в виде стопки блюдец — как нельзя более соответствует способу осуществления сегрегационной функции — очевидно, путем дифференциальной фильтрации, завершающейся накоплением конечного продукта в ампулах и цистернах комплексов Гольджи. Этот способ функционирования, естественно, должен быть связан с интенсивным изнашиванием мембранных структур комплексов Гольджи, особенно в связи с тем, что конечные продукты метаболизма, в частности метаболизма азота, действуют разрушительно на протоплазму. Вот почему вопрос о способе обновления субстрата комплексов Гольджи приобретает весьма существенное значение.
Слабость разработки этого вопроса в литературе объясняется прежде всего тем, что мембраны комплексов Гольджи очень часто проявляют тенденцию к слиянию с другими мембранными системами клетки, особенно с мембранами так называемого гладкого эндоплазматического ретикулума, составляя иногда с ним неразрывное целое. Отсюда п распространенное убеждение о развитии комплексов Гольджи за счет эндоплазматической сети. Однако убедительных данных по взаимопревращению мембран Гольджи в мембраны фагосом, пиносом и эндоплазматической сети в литературе нет. Крайне заманчиво было бы представить комплексы Гольджи продуктом деления исходного элемента, имеющего форму одиночной цистерны. Такие данные в литературе весьма немногочисленны и не вполне убедительны.
В старой литературе неоднократно описывались картины равномерного распределения вещества Гольджи с помощью диктиосом по дочерним клеткам при митотическом делении.
Этот феномен получил название диктиокинеза. Две формы воспроизведения элементов аппарата Гольджи — путем деления цистерн и межцистернального вещества, а также путем обособления комплекса молодых элементов от комплекса старых описывает на электронно-микроскопических картинах Уэйли. Эти данные представляют интерес в том отношении, что путем обособления новообразующихся цистерн выявляется наличие межцистернального вещества (матрикса ретикулосом, по нашей терминологии) , которое подвергается делению посредством двойной но-вообразующейся мембраны. Деление телец Гольджи описано в ооцитах Rana pipiens. Мало данных и о формировании комплексов Гольджи за счет самосборки из везикулярных блоков.
Схема возможных способов воспроизведения элементов аппарата Гольджи
Слева — редупликация комплекса путем деления цистерн (или пластинок), справа путем обособления части цистерн (пластинок) и последующего новообразования цистерн (пластинок) [по Clower, Juniper, 1968]
В литературе по электронной микроскопии растительной клетки имеются попытки показать закладку комплексов Гольджи в виде концентрических ламеллярных систем, каждый сфероидальный элемент которой в ходе развития как бы раскрывается и приобретает характерную блюдцеобразную форму [Фрей-Вислинг, Мюлеталер, 1968]. Разработано несколько схем репродукции телец Гольджи путем деления и новообразования. Более интересны данные растительной электронной микроскопии, относящиеся к развитию аппарата Гольджи из ядра [Фрей-Вислинг, 1976]. Впервые, по-видимому, Мур и Мак-Элир [Moore, McAlear, 1963] описали формирование телец Гольджи из ядерной оболочки в покрове апотеция дискомицета Neobulgaria. Вполне убедительная картина формирования телец Гольджи за счет внешней карио- мембраны обнаружена у некоторых видов Xanthophyceae.
В дальнейшем формирование элементов комплекса Гольджи в непосредственной связи с ядерной мембраной отмечалось некоторыми авторами и в животной клетке.
Наиболее правдоподобное описание развития элементов аппарата Гольджи за счет ядерной мембраны дано в работе Штанг-Фосса [Stang-Voss, 1970], выполненной на том же объекте (сперматида земляного червя), в котором Штанг-Фосс и Штаубезанд [Stang-Voss, Staubesand, 1970] описали ядерное происхождение митохондрий. Этот объект в начале дифференцировки лишен как митохондрий, так и элементов Гольджи. Развитие аппарата Гольджи, прослеженное автором по стадиям дифференцировки сперматиды, начинается с образования пузырьков в ядерной мембране, где, очевидно, происходит ее разрастание, и далее переходит в формирование выростов, сохраняющих связь с ядерной мембраной. Отделяющаяся от ядерной мембраны первая пластинка комплекса Гольджи располагается параллельно ядерной поверхности и отодвигается от ядра следующей отщепляющейся пластинкой, начиная формировать по периферии характерные пузырьки комплекса Гольджи. Сходную, но, пожалуй, еще более демонстративную картину формирования комплекса Гольджи за счет ядерной мембраны обнаружила в клетках печени новорожденного крысенка сотрудница нашей лаборатории М. М. Калашникова.
Резюмируя все, что известно к настоящему времени о морфотенезе аппарата Гольджи (ретикулоплазмы, по нашей терминологии) , приходится констатировать, что этот вопрос далек от своего решения. В комплексах Гольджи не удалось обнаружить достаточно убедительных фигур деления. Разрастания цистерн Гольджи и особенно характерное отщепление пузырьков по периферии пластинок в комплексах Гольджи носят явно функциональный характер и хотя и служат общему увеличению мембранной массы, но едва ли могут быть сопоставлены с размножением. Так же сомнительны и процессы самосборки комплексов Гольджи за счет везикулярных или пластинчатых блоков. Вот почему, пожалуй, наиболее вероятным представляется вариант развития элементов ретикулоплазмы за счет ядра, как это представляется на электронных микрофотографиях Штанг-Фосса, Массальски и Лидейла и М. М. Калашниковой. Единственное возражение, которое можно привести против этого варианта, заключается в том, что редкость феномена находится в явном несоответствии с объемом ретикулоплазмы. Чтобы поддерживать число комплексов Гольджи, характерное для каждой: клетки, ядро должно проявлять более высокую герминативную активность, нежели это удается констатировать на обычных электронно-микроскопических препаратах. Впрочем, никто еще не занимался подсчетом числа комплексов Гольджи в клетке в связи с необходимой скоростью их формирования на протяжении жизненного цикла клетки. С другой стороны, в пользу ядерного происхождения аппарата Гольджи можно привести некоторые косвенные соображения.
По нашей схеме эволюционного происхождения клетки ядро сложилось как генеративный орган — аппарат размножения клетки — и как герминативный орган — механизм пополнения цитоплазматических органелл.
Наряду с ядерным источником формирования цитоплазматические органеллы сохраняют способность к саморепродукции — путем деления и самосборки, причем уровень этой способности находится в прямой зависимости от гомологической близости к предковым формам. Митохондрии и пластиды, сохранившие наибольшее сходство с бактериями, проявляют и наиболее развитую способность к саморепродукции в цитоплазме. Эргастосомы, благодаря наличию рибосом, обладают высокой способностью к самосборке и репродукции путем разрастания. Что же касается ретикулосом, то эти органеллы сохранили от бактериальной организации только мембраны и матрикс, свободный от нуклеиновых кислот. Вот почему ретикулосомы утратили способность к саморепродукции путем самосборки или деления в цитоплазме. Вероятнее всего, весь аппарат ретикулоплазмы возникает путем трансформации ядерных образований — ядерной мембраны и ядерного матрикса.
Второе косвенное доказательство ядерного происхождения ретикулоплазмы заключается в некоторых признаках функционального сходства между ядерной мембраной и мембранами ретикулоплазмы. Как перинуклеарное пространство, так и полости цистерн ретикулоплазмы — это сегрегационные пути, куда поступают конечные продукты метаболизма клетки и продукты, подлежащие выведению из клетки. Ядро составляет слишком объемистую часть клетки, чтобы обойтись без сегрегационного аппарата. Наряду с другими функциями ядерная мембрана выполняет и эту работу [Калашникова, Студитский, 1976]. Вот почему она может служить источником формирования мембран и цистерн ретикулоплазмы. Во второй части книги этот вопрос освещен более детально.
При разработке проблемы происхождения (онтогенеза) мембранных конструкций клетки можно исходить только из двух гипотез: предложенной Робертсоном гипотезы о филогенетическом развитии всех внутриклеточных мембран путем впячиваний и разрастаний плазмолеммы бактериоидного предка или выдвинутой мной гипотезы филогенетического развития клеточной структуры путем комплексирования клона бактериоидных протоклеток с сохранением контактирующих плазмолемм в виде двойных внутриклеточных мембран, а также везикулярных компонентов клетки. Все промежуточные гипотезы, изображающие развитие одной внутриклеточной мембраны за счет другой, например цитоплазматических мембран за счет ядерной или ядерной за счет цитоплазматических, лишены эволюционно-морфологического значения, так как не объясняют главного — первичного возникновения внутриклеточных мембран.
Согласно разрабатываемой в этой книге гипотезе, ядро представляет собой не только генеративный орган клетки, обеспечивающий с помощью хромосом деление клетки, но и герминативный орган клетки, участвующий в воспроизводстве не только хромосом, но и ядрышек и трех основных систем цитоплазматических органелл.
Эргастоплазма представляет собой рабочий блок сложного рибосомно-нуклеолярно-мембранного аппарата, онтогенез которого включает формирование эргастосом путем разрастания и отщепления от ядра участка ядерной мембраны вместе с ее рибосомным комплексом, разрастание и, возможно, деление эргастосом в цитоплазме, а также самосборку эргастосом за счет рибосом и везикулярных компонентов, возникающих из строительных блоков, которые поступают в цитоплазму из ядра.
Митохондрии, сохранившие наибольшее сходство со своими бактериальными предками по строению и химической природе, могут размножаться путем деления, но, возможно, обладают также свойством репродукции путем самосборки за счет гранулярного и везикулярного строительных блоков, поставляемых ядром.
Мембранная система аппарата Гольджи, или ретикулоплазмы, по нашей терминологии, в самой малой степени сохранила свойство саморепродукции в цитоплазме в виду утраты рибосомного аппарата и нуклеиновых кислот. Есть основания полагать, что комплексы Гольджи возникают в онтогенезе путем отшнуровывания от ядерной мембраны.
Онтогенез мембранных систем цитоплазмы убедительно подтверждает идею о герминативной функции ядра в развитии цитоплазматических органелл.
