ЗАГАДКИ ЯДЕРНЫХ
ПОРОВЫХ КОМПЛЕКСОВ

Изучение структуры клетки на уровне электронной микроскопии зачастую дает неожиданные результаты.

Людмила Юдина, "НВС"

По традиции, в начале нового года разговор о планах на будущее непременно начинают с воспоминания о наиболее значимых событиях года минувшего. И потому я задала далеко не оригинальный вопрос кандидату биологических наук Елене КИСЕЛЕВОЙ, ведущему научному сотруднику Института цитологии и генетики.

— Елена Владимировна, какие события в 2001-м вам запомнились особенно отчетливо?

Ведущий научный сотрудник Елена Киселева

— Я бы назвала ушедший год довольно удачным. Буквально в самые последние его дни получила сообщение из английского научного центра в Кембридже с уведомлением, что мне присудили звание лучшего электронного микроскописта года среди биологов. В ноябре выступила на конференции в Америке с докладом о наших новых научных достижениях в изучении функции и динамики ядерных пор, который вызвал большой интерес. В этом же месяце на обложке солидного иностранного журнала снова были опубликованы снимки внутриклеточных структур, полученные нами с помощью электронного микроскопа.

— Вспоминаю, что уже не раз директор института академик В.Шумный демонстрировал зарубежные научные издания с вашими материалами на обложках.

— Говоря сегодня о значимых результатах (они, естественно, получены не вчера), следует обратиться к дням минувшим, тем событиям, которые произошли десятилетие назад. Первые интересные данные, привлекшие внимание коллег, я получила где-то в начале 90-х годов. Они касались изучения механизмов синтеза белка в клетке. С помощью электронного микроскопа мне впервые удалось сфотографировать внутриклеточные структуры в процессе трансляции-синтеза крупных белков у комара. Эти снимки были опубликованы сначала в журнале Nature, а затем еще в десятке зарубежных книг и учебников. После этого я получила несколько предложений поработать за рубежом...

— Какое же вы приняли?

— Уезжать насовсем мне не хотелось, и я подыскала такой вариант, чтобы устроил и меня и приглашающую сторону. Понимаете, когда отсутствуешь долго, теряешь связь с коллективом, сбиваешься с ритма и т.д. А у нас прекрасная лаборатория морфологии и функций клеточных структур, которая основана моим учителем Нинель Борисовной Христолюбовой еще в 60-е годы. Она состоит из двух тесно сотрудничающих групп. В настоящее время ею руководит доктор биологических наук Николай Борисович Рубцов.

— Вы вместе со старшим научным сотрудником Сергеем Ивановичем Байбородиным возглавляете группу электронных микроскопистов, изучающих функциональную морфологию клетки. Расскажите, пожалуйста, поподробнее о вашей работе.

Инженер Владимир Мельников

— Обе группы в лаборатории изучают структуру клетки. Но разными методами. Группа Николая Борисовича исследует в основном строение хромосом и организацию ядра клеток с помощью световой и флюоресцентной микроскопии, а мы анализируем функцию ядерной оболочки и различных внутриклеточных органелл на уровне электронной микроскопии. Не могу не сказать о замечательном инженере Владимире Андреевиче Мельникове. Главный инструмент наших исследований — электронный микроскоп. У нас есть два высококлассных японских микроскопа, но этим приборам уже около тридцати лет. Предел работы таких микроскопов, согласно инструкции, максимум лет десять. И только благодаря золотым рукам инженера они все еще работают и позволяют получать картинки, порой успешно конкурирующие с теми, что получены в зарубежных лабораториях на высококлассном современном оборудовании.

Российская академия наук уже давно обещает приобрести для нас новый электронный микроскоп. Боюсь, что если мы не получим его в ближайшее время, ни о какой конкуренции говорить уже не придется.

Добавлю, что на базе лаборатории морфологии и функций клеточных структур в конце 2000-го года создан Центр коллективного пользования. В институт приезжают специалисты со всей страны, чтобы поработать на разных типах микроскопов, включая световой, флюоресцентный и просвечивающий электронный.

— Елена Владимировна, давайте вернемся к тому, что вы получили предложение поработать за рубежом...

— Сначала я поехала на два года в Каролинский институт в г.Стокгольме (Швеция), потом поработала короткое время в г.Гейдельберге (Германия), наконец, в г.Манчестере (Англии). По результатам проведенных исследований мы получила три гранта от английского фонда "Вэлкомтраст" (каждый на три года) Они позволяли работать от трех до пяти месяцев за границей, а остальное время — в Новосибирске. Кстати, 2002-й год — время завершения работы по последнему гранту. Благодаря поддержке английского фонда лаборатория закупила оборудования примерно на 70 тысяч долларов. Теперь у нас есть новый ультрамикротом и многие другие необходимые научные приборы, а также приобретено много запасных деталей к электронным микроскопам. К сожалению, купить новый электронный микроскоп на эти деньги нельзя, поскольку это очень дорогой прибор. Следует отметить, что мы получаем также большую помощь от Российского фонда фундаментальных исследований.

— Расскажите о том новом, что удалось сделать.

— Мы проводим интересную совместную работу с институтом раковых исследований им. Патерсона в Манчестере. Помимо изучения рака там занимаются и фундаментальными исследованиями функциональной организации клеток. Это нас объединяет.

Позвольте поподробнее рассказать о наших результатах. Если вы посмотрите на ядро клетки, то увидите, что оно окружено оболочкой, отделяющей внутреннее пространство ядра от цитоплазмы. Через эту оболочку в обоих направлениях активно (с потреблением энергии) и пассивно (за счет диффузии) движутся разные молекулы. Проходят они через специальные маленькие дырочки, которые называются поровыми комплексами. Раньше предполагали, что это относительно просто устроенные полунепроницаемые отверстия. Совместно с англичанами нам удалось продемонстрировать сложную организацию этих структур и высказать идею о прямом участии пор в регуляции транспорта молекул.

— Вы шли по одному пути с английскими коллегами?

— Доказательство высказанной идеи мы реализовывали разными методами и подходами. Англичане изучали строение пор в ядерной оболочке, выделенной из крупных яйцеклеток лягушек. Они использовали для этого высокоразрешающий сканирующий электронный микроскоп. Однако транспорт через поры в зрелых яйцеклетках лягушек идет с низкой активностью, да и молекулы переносятся мелкие.

Мы же предложили посмотреть, как действует пора при интенсивном транспорте гигантских молекул РНК в слюнных железах комара. При этом работали как с просвечивающим микроскопом на срезах клеток, так и со сканирующим электронным микроскопом на изолированных ядрах.

В результате стало очевидным, что ядерная пора, представляющая сложную структуру, которая объединяет около 30 различных компонентов, необыкновенно динамична. Мы впервые увидели и сфотографировали транспортирующую пору и показали, как она регулирует этот процесс, как открываются и закрываются ее каналы, пропуская молекулы из ядра в цитоплазму и обратно. Полученные данные опубликовали в 97-м году. Это была совместная с англичанами статья, поскольку мы использовали их сканирующий микроскоп, но приоритет был наш.

— Как я поняла, такие публикации впоследствии случались не раз?

— За последние два года мы опубликовали пять статей в ведущих иностранных научных изданиях. Электронно-микроскопические картинки из трех статей представлены на обложках этих журналов, что весьма престижно.

И еще об одном интересном достижении. Известно, что внутри каждой клетки (в цитоплазме) есть сложная система толстых и тонких волокон (цитоскелет), которые удерживают ядро в центре клетки в определенном положении и регулируют перемещение внутриклеточных органелл. Ядро также имеет специальный скелет, поддерживающий внутри все хромосомы и другие компоненты. Недавно нам удалось впервые продемонстрировать спиральную структуру этих волокон внутри ядра и цитоплазмы и показать, как они прикрепляются ко многим органеллам, а также предложить идею о механизме действия этих структур в клетке. Данные, разумеется, предварительные.

По нашей теории и цитоскелет, и ядерный скелет очень подвижны и могут растягиваться и сокращаться, регулируя таким образом как локализацию цитоплазматических и внутриядерных органелл, так и многие их биохимические функции. Именно эти результаты я докладывала недавно на конференции в Америке.

— Елена Владимировна, вот мы с вами уже давно беседуем, а я смотрю — две девушки рядом с нами не отрываются от микроскопов.

Студентки НГУ Ксения Симакова и Наталья Дудкина

— О, это очень хорошие девушки — Ксения Симакова и Наташа Дудкина. Они учатся на четвертом курсе НГУ, но каждый день приходят в лабораторию. Электронной микроскопией занимаются также студент Сергей Таланов и аспирантка Наташа Губанова, а Елена Болоболова, например, скоро защищает кандидатскую диссертацию. Кстати, я тоже начинала здесь — сразу после школы, потом работала все годы студенчества. Считай, в Институте цитологии и генетики уже около сорока лет.

— А над чем трудятся студентки?

— Ксения и Наташа Губанова изучают, каким образом собираются ядерные поры. Ведь в митозе (так называется деление клеток), хромосомы удваиваются, компактизуются и делятся, а оболочка ядра разрушается.

Мы предположили, что поры формируются путем последовательной сборки отдельных компонентов (а их, как я уже называла, около 30). Сначала собираются центральные, потом — периферические. Процесс очень сложный. Прежде предполагали здесь совсем иной механизм.

Наташа изучает сборку ядерных пор при делении клеток мушки-дрозофилы, Ксения — в процессе роста неделящейся яйцеклетки у лягушки. Предстоит понять, по одному ли пути у них идет сборка ядерных пор или можно говорить о разных механизмах.

Наташа Дудкина изучает симбиотические бактерии.

Есть такие бактерии, которые не паразитируют на клетках разных организмов, а как бы мирно сосуществуют с ними. Обычно на инородные, попавшие в организм объекты, вырабатываются антитела, которые борются с ними. А есть, повторюсь, бактерии, которые прекрасно ладят с организмом-хозяином (например, та же кишечная палочка у человека). Или другой пример — азотфиксирующие бактерии растений. То есть, симбионт и хозяин как бы "поддерживают" друг друга. Но в некоторых особых случаях симбиотические бактерии вызывают неожиданные неприятные эффекты, а иногда и гибель хозяина.

Так что в данной области есть перспективное для исследователя поле деятельности — выяснить, как взаимодействуют организмы симбионта и хозяина, какова функциональная роль симбионта, можно ли его использовать в биотехнологических исследованиях.

Существует предположение, что некоторые органеллы клетки, такие, как митохондрии, а также хлоропласты растений, произошли от древних бактерий, случайно попавших в клетку.

В принципе, бактерия — это почти такая же клетка, как и человеческая, только без ядерной оболочки. Но если она попадает в организм хозяина, то в процессе эволюции может потерять часть своих функций и приобрести новые для того, чтобы приспособиться к необычным условиям обитания. Это может произойти, например, благодаря тому, что клетка-хозяин поставляет для симбионта многие питательные вещества.

Предполагается, что поскольку некоторые свойства митохондрий и хлоропластов очень близки к бактериальным, возможно, это и есть те самые бактерии, которые попали когда-то внутрь клеток.

В последние два года учеными было установлено, что ряд инфекционных заболеваний, которые развиваются очень быстро, и от которых трудно найти защиту, вызваны тем, что бактерии и вирусы проникают и размножаются внутри некоторых органелл клетки. Если бы, скажем, они просто размножились в цитоплазме, эффект был бы другим. Помимо внеклеточной защиты в виде антител у нас есть специфические клеточные органеллы, способные захватить инородную бактерию и разрушить ее с помощью переваривающих ферментов. Но если бактерии каким-то образом попадут внутрь других органелл, не содержащих такие ферменты, то они как бы спрячутся, замаскируются, и защитные системы клетки их не выявят. А они в это время начнут быстро размножаться, и в результате могут погубить и клетку, и весь организм.

Наташа, в частности, изучает симбиотические бактерии, которые живут на мушке дрозофиле. А точнее в ее эмбрионах. В настоящее время к таким бактериям проявляется большой интерес. Дело тут вот в чем. Если эти бактерии попадают в организм самки, то никаких нарушений не происходит. Но когда бактерии проникают в потомство из организма самца, то мухи гибнут на ранних стадиях развития.

Используя данный эффект, сейчас пытаются бороться с малярией, которая, как известно, переносится комарами. Если заражать самцов такими бактериями, то малярийных комаров можно извести полностью.

— И ваша задача в чем видится?

— Изучить, каким образом бактерии размножаются внутри эмбриона, и какую функцию они выполняют. Также мы хотим исследовать, как бактерии передаются из поколения в поколение. Очень важно узнать, действительно ли древние бактерии превратились в полунезависимые органеллы внутри клетки, попытаться понять механизм этого сложного процесса. С этой точки зрения изучение симбиотических бактерий имеет большое значение. Над этими проблемами мы также работаем в содружестве с иностранными коллегами.

— Желаю вам, Елена Владимировна, и всему вашему коллективу, чтобы 2002-й год был для вас столь же удачным, как и предыдущие!