Строительные исследования
страница - 0
Дормантные формы клеток и споры: кинетическая теория клеточных превращений
Сыроешкин А.В. (livmatter@mail.ru) (1,2), Березинская Т.Л. (1), Долгополова В.А. (3), Ковалева А.А.(3), Бикетов С.Ф. (4), Плетенева Т.В.(3)
(1)Государственный океанографический институт, (2)Учебно-исследовательский центр «Живое вещество», (З)Российский Университет Дружбы Народов, медицинский факультет, (4)ГНЦ "Институт прикладной микробиологии"
Рассмотрены современные представления о некультивируемых и метаболически неактивных формах бактерий и эукариотических клеток. Описаны изменения морфометрических и биохимических параметры при переходах клеток в споровое и дормантное состояния. Проведен обзор маркеров переходов при указанных процессах. На основании кинетики [Варфоломеев С.Д., Калюжный С.В., 1990; Ершов Ю.А., 1997] развития клеточных культур и теории стационарных процессов сформулирована кинетическая теория клеточных превращений. Показано наличие промежуточного состояния при процессе гибели однолеточного модельного организма - инфузории Spirostomum ambigua, переход в который из любой стадии клеточного цикла обратим. Данное промежуточное состояния S. ambigua охарактеризовано с помощью статистического трехмерного морфометрического типирования клеток [Плетенев С.С. и др., 1998, 2000]. Для объяснения нарушения закона стационарных потоков в спорах предложен кинетический механизм осциллирующих споровых форм и мембранных футильных циклов. На основании кинетической теории клеточных превращений объяснены особенности разработки комбинированной химиотерапии при лечении различных инфекционных заболеваний, в частности, туберкулеза.
Введение
Хорошо известно, что клетка может существовать в нескольких морфофункциональных формах, отличающихся другу от друга метаболической. Такие отличия вызваны как чередованием форм в клеточном цикле, так и процессами старения и
гибели, спонтанной или индуцируемой [1]. Характерной особенностью большинства клеточных форм, как эукариот так и прокариот, является наличие детектируемой (по теплопродукции, дыханию или превращению субстрата) метаболической активности, в том числе и при внутриклеточном паразитировании [2]. Однако имеются два типа состояния клеток, для которых отмечена полная блокировка как основных путей катаболизма (например, окисления углеводов [3]), так и путей синтеза специфических факторов (например, факторов вирулентности [4]). Это споры и дормантные формы бактерий и эукариот. Ниже мы приведем краткий обзор, касающийся некультивируемых форм клеток, где будут описаны их известные характеристики. Так как клетка является стационарной системой, то явление спорообразования как бы нарушает закон стационарных потоков. Для объяснение этого противоречия нами предложена кинетическая гипотеза чередования клеточных форм.
Характеристика дормантных и споровых состяний. Основное отличие спор и дормантных форм бактерий заключается в формобразовании: хорошо известно, что у споровых форм резко изменены размеры тогда как дормантные формы имеют меньшие морофометрические отличия от стандартных форм [3]. Некультивируемые клеточнные формы описаны для бактерий, грибов и простейших и представлены двумя основными разровидностями, в значительной степени отличающимися друг от друга по морфологическим и функцирнальным характеристикам. Соответственно, в дальнейшем мы будем различать а) споры как резко морфологически видоизмененные клетки [5] и б) клетки в дормантном состоянии, морфологически сходные с культивируемыми формами, проходящими клеточный цикл, но функционально отличающиеся от последних. Уменьшение линейных размеров некультивируемых форм по сравнению с обычными клетками описано для Campylobacter jejuni [6], Yersenia pseudotuberculosis [5], Bacillus subtillis [7]. Споры, как правило, характеризуются округлой формой, уменьшенным размером клетки, увеличенной плотностью цитоплазмы и увеличенным объемным отношением цитоплазмы к ядру [5]. Клетки в дормантном состоянии, образующиеся, например, у дрожжей при азотном голодании (т. е. клетки, вышедшие из клеточного цикла в состояние G0), сохраняют метаболическую активность, несмотря на присутствие морфологических изменений в ядре и цитоплазме [8]. Такие клетки существенно отличаются от активно делящихся форм по устойчивости к heat-шоку [9]. В условиях недостатка или отсутствия кислорода для клеток Mycobacterium tuberculosis и M. bovis в дормантном состоянии характерна сильно утолщенная клеточная стенка, в особенности ее наружный слой [1 0].
Кроме того, выявляется высокий уровень экспрессии белка, ассоциированного с оболочкой клетки. Этот белок с массой 16 кДа гомологичен а-кристаллину и играет стабилизирующую роль для клеточных структур.
При образовании спор может происходить значительная морфофункциональная перестройка, сопровождающаяся изменением в химическом составе клетки. Так, при споруляции Bacillus subtillis в условиях голодания бактерии делятся на две неравные клетки [7]. Более крупная материнская клетка поглощает меньшую, так называемую предшественницу споры, которая подрастает внутри материнской и, в конце концов, высвобождается сформированная спора. Такие видоизменения обусловлены генетически и зависят от активности сигма-фактора, контролирующего РНК-полимеразную активность. Интересно, что пул мРНК в некультивируемых клеточных формах практически не изменен. что показано как для грибов (спорангиоспоры Mucor racemosus [11]), так и для низших ракообразных (эмбрионы Artemia franciscana [12]). Так как подобное явление характерно для столь различных групп организмов, можно высказать предположение о его универсальности.
Для Mycobacterium smegmatis недавно идентифицирован первый фермент - L-аланин дегидрогеназа, активность которого резко повышается (в три раза) при переходе в дормантное состояния после терминации аэробного роста [13]. Этот фермент общий для M. smegmatis и M. tuberculosis, у последнего он был сначала идентифицирован как характерный 40-кДа антиген. Увеличение специфической активности связано, по-видимому, со стабилизацией соотношения NAD+/NADH в условиях недостатка кислорода как терминального акцептора.
Маркеры перехода в дормантное состояние. Известно, что клетки в дормантном состоянии значительно отличаются от культивируемых форм по своему химическому составу. Так споры Dictiostellium discoideum отличаются высоким содержанием трегалозы (50 мМ), глутамина (73 мМ) и глутамата (20 мМ) [14]. При активации спор концентрация этих компонентов сильно понижается, иногда до полного исчезновения трегалозы, в то время как концентрация и состав свободных метаболитов остаются практически неизменными. Напротив, содержание нуклеотидов в дормантных формах сильно понижено. Корме того, половина молекулы актина споры находится в фосфорилированной форме, что приводит к значительному понижению двигательной активности клеточных органелл и циркуляции гиалоплазмы [1 5]. Таким образом, переход клеток из активного состояния в дормантное и обратно может быть маркирован присутствием характерных компонентов. Так в спорах B. cereus присутствует термоустойчивый кальций-связывающий белок с массой 24 кДа [1 6].
содержание:
[стр.Введение] [стр.1] [стр.2] [стр.3]