1 год назад
Нету коментариев
  1. Введение

В наше время биолог, говоря о генетической информа­ции, имеет в виду упорядоченную последовательность нуклеотидов в ДНК. Говоря о передаче информации, он, по-видимому, думает о механизме, посредством которого инструкции, зашифрованные в нуклеотидной последова­тельности ДНК, переносятся в другие части клетки. Когда же он говорит о выражении генетической информации, то обычно имеет в виду механизмы, с помощью которых био­логический смысл определенной последовательности нук­леотидов ДНК начинает проявляться в некоторых особен­ностях поведения клетки. Мне кажется, что нам пока очень мало известно о способах передачи информации от генов к соответствующим участкам цитоплазмы и еще меньше о механизмах, определяющих, будет ли реализова­на данная информация и когда именно. Мы, разумеется, знаем, что последовательность нуклеотидов ДНК транс­крибируется в гомологичную последовательность нуклео­тидов РНК и что эта РНК служит матрицей для синтеза соответствующей аминокислотной последовательности. Выяснив столь важную вещь, мы могли бы преисполнить­ся самодовольства, как некий еж из сказки [1], но нельзя закрывать глаза на тот факт, что мы не знаем почти ника­ких деталей этого процесса и что с помощью наших смут­ных представлений не удается удовлетворительно объяс­нить многие важнейшие свойства живых клеток. По край­ней мере для эукариотических клеток нам не известно:

  1. Как и насколько точно регулируется транскрипция ДНК?
  2. Есть ли какая-то определенная последовательность считывания генов, и если да, то чем она определяется?
  3. Зависит ли количество какого-либо белка, синтези­руемого клеткой, от числа РНК-копий соответствующего гена?
  4. Имеются ли различия в числе молекул РНК, считы­ваемых с разных генов, и если да, то чем эти различия определяются?
  5. Есть ли какая-нибудь связь между временем считывания гена и временем синтеза соответствующего белка?
  6. В какой форме РНК, несущаягенетическую инфор­мацию, переходит в цитоплазму и как происходит регуля­ция этого процесса?
  7. Существуют ли большие различия в продолжитель­ности жизни различных матричных РНК в цитоплазме, и если да, то чем они определяются?
  8. В какой мере скорость инициации или подавления синтеза белка связана с продолжительностью жизни его матричной РНК?
  9. Каким образом происходит включение и выключение синтеза какого-либо специфичного белка на соответствую­щей матричной РНК?
  10. Изменяется ли скорость синтеза белка на различ­ных матрицах, и если да, то чем это обусловлено?

Когда я говорил, что мы не располагаем ответами на подобные вопросы, я вовсе не хотел сказать, что никто и не пытался на них ответить. Просто, по моему мнению, нет еще достаточно веских данных, которые позволили бы с уверенностью утверждать, что решающие доказательст­ва уже получены. Но анализируя имеющиеся данные, я не могу избавиться от мысли, что одни ответы гораздо боль­ше соответствуют действительности, чем другие. И в сущ­ности эта книга посвящена обсуждению доказательств, свидетельствующих в пользу одной определенной точки зрения.

  1. Что дало изучение энуклеированных клеток

В 1926 году Иоахим Хаммерлинг (первое время в со­трудничестве со своим учителем Максом Гартманом) на­чал серию опытов по изучению гигантской одноклеточной водоросли Acetabularia из класса Dasycladaceae. Это расте­ние, достигающее 3—5 см в длину, имеет единственное яд­ро, которое находится в кончике одного из ризоидов, расположенных у основания стволика. Гигантская клетка ацетабулярии вырастает из крошечной зиготы: сперва образуется стволик с ризоидами у основания, а затем зон­тик, форма которого характерна для каждого вида (фото I, А и Б). Ядро из этой клетки можно удалить, просто отре­зав ризоид, в котором оно находится; кроме того, ядро без особого труда можно пересадить из одной клетки в другую. Воспользовавшись этими особенностями ацетабулярии, Хаммерлинг провел простые опыты, прояснившие некото­рые важные аспекты ядерно-плазменных отношений. Ран­ние исследования Хаммерлинга носили чисто описатель­ный характер [2, 3], однако примерно последние десять лет подобные эксперименты многократно ставили ученики Хаммерлинга и другие исследователи, применяя куда более сложные методы современной биохимии [4]. В некотором от­ношении опыты на ацетабулярии представляют собой са­мый тонкий анализ ядерно-плазменных отношений, прово­дившийся когда-либо. Я вовсе не собираюсь преуменьшать огромную ценность работ, проведенных в последние годы на Escherichia coli и других микроорганизмах. Эти опыты сыг­рали чрезвычайно большую роль в расширении круга гене­тических методов п повышении их разрешающей способно­сти, однако для решения некоторых важных вопросов данные, полученные на микроорганизмах, оказываются неубедительными, чего нельзя сказать о результатах ис­следований, проведенных на ацетабулярии. Я думаю, до­статочно даже краткого перечня основных наблюдений, полученных при изучении ацетабулярии, чтобы сразу оце­нить их выдающееся значение.

Клетка Acetabularia mediterrania

Клетка Acetabularia mediterrania

  1. Форма зонтика характерна для каждого вида и определяется генами, находящимися в ядре клетки: если перенести ядро одного вида ацетабулярии в цитоплазму другого вида, то оно вызовет образование зонтика именно той формы, которая характерна для вида-донора [5—7].
  2. Образование зонтика — это сложный морфогенетиче­ский процесс, включающий общий синтез белка [8], син­тез специфичных ферментов [9—12] и специфичных поли­сахаридов [13]. Полисахариды, входящие в состав стенок зонтика, отличаются от полисахаридов, входящих в состав других участков клеточной стенки [13, 14], и когда проис­ходит образование зонтика, синтезируются не только ха­рактерные для него полисахариды, но также и ферменты, необходимые для синтеза этих полисахаридов [11, 12]. Кроме того, рост зонтика сопровождается изменением скорости синтеза некоторых других ферментов [9, 10], хо­тя их роль в морфогенезе неизвестна. Таким образом, об­разование зонтика — это типичный пример клеточной дифференцировки, при которой происходит тонкая регуля­ция синтеза специфичных белков.
  3. Вполне нормальный видоспецифичный зонтик спо­собен образоватьсяdenovo через много недель после уда­ления ядра из клетки [2, 4]. Регулируемый синтез специфичных ферментов, сопровождающий рост зонтика в при­сутствии ядра, может происходить и без ядра [9—12] (фиг. 1, 2), хотя известно, что именно ядерная ДНК конт­ролирует синтез по крайней мере двух ферментов, участ­вующих в образовании полисахаридов зонтика [15].
  4. Вся информация, необходимая для развития зонти­ка, передается из ядра в цитоплазму заранее — задолго до того, как начинается образование зонтика. Энуклеация очень молодых растенийAcetabulariacliftonii часто при­водит к чрезвычайно раннему развитию зонтика [16]. Уда­ляя ядро у клеток этого вида, можно вызвать образование зонтика на 70 дней раньше, чем он обычно образуется у интактных растений [17]. Преждевременное появление зонтика можно вызвать также и у других видов ацетабуля­рии, воздействуя на них определенными растительными гормонами в соответствующих концентрациях. Причем в энуклеированных клетках гормоны индуцируют не только раннее образование самого зонтика, но также и синтез необходимых для этого ферментов [18, 19]. Ясно, что ин­формация, нужная для образования зонтика, поступает в цитоплазму за много дней до ее реализации.
  5. Эта информация, по-видимому,содержится в цитоплаз­ме не проявляясь. Образование зонтика уAcetabularia cre­nulata можно подавить, если выращивать клетки при не­достаточной освещенности. В таких условиях клетки про­должают расти и образуют очень длинные стволики без зонтиков. Если затем из стволиков удалить ядра и уве­личить освещенность, то на удлиненных стволиках возник­нут нормальные зонтики. Следовательно, в цитоплазме имелась необходимая для этого информация, но она не могла быть реализована в условиях недостаточной осве­щенности [4].
  6. Информация для развития зонтика чрезвычайно устойчива. Энуклеированные стволики в течение многих недель можно содержать в условиях, когда подавлено раз­витие зонтика, но даже после этого на таких стволиках, если их поместить в благоприятные условия, будут обра­зовываться зонтики [4].
Активность трех фосфатаз с оптимумами рН

Активность трех фосфатаз с оптимумами рН

Активность трех фосфатаз с оптимумами рН

Активность трех фосфатаз с оптимумами рН

Хотя ни одно из сделанных наблюдений не касается непосредственно обмена РНК в клетке ацетабулярии, тем не менее эти наблюдения дают нам очень ценные сведения о поведении молекул РНК, которые переносят генетиче­скую информацию в цитоплазму. Молекулы РНК, содер­жащие информацию для образования зонтика, обладают необычайной способностью сохраняться в цитоплазме в течение длительного времени после удаления ядра. Не­смотря на то что после энуклеации в клетке уже нет пер­воначального источника этих молекул, в ней все же ока­зывается достаточно РНК, чтобы обеспечить себя всей информацией, необходимой для образования нормального зонтика, и эта информация даже в лимитирующих услови­ях культивирования сохраняется в течение многих не­дель. В цитоплазме ацетабулярии так же, как и в цито­плазме других организмов, содержатся активные рибону­клеазы [20]; поэтому один из основных выводов, который вытекает из этих опытов, состоит в том, что в цитоплазме информационная РНК находится в чрезвычайно устойчи­вой к действию рибонуклеаз форме или же защищена от них каким-то иным способом: возможно, что сама РНК или рибонуклеазы заключены в какие-то цитоплазматиче­ские структуры.

Такой вывод может встретить два формальных возра­жения. Первое, что в цитоплазме ацетабулярии имеется ДНК [21] и что РНК, содержащая информацию для обра­зования зонтика, синтезируется на цитоплазматической ДНК постоянно или по мере надобности [22]. Поскольку речь идет о двух хорошо изученных формах ДНК (ДНК митохондрий и ДНК хлоропластов), это возражение мож­но отбросить. Из опытов по пересадке ядер нам известно, что специфичная форма зонтика определяется ядром клет­ки, а не хлоропластами и не митохондриями. И мы знаем также, что, когда начинается образование зонтика, возра­стает содержание по крайней мере двух ферментов, уча­ствующих в синтезе полисахаридов клеточной стенки, хо­тя синтез этих ферментов контролируется не цитоплазмой, а ядром клетки [15]. Если матрицы для них синтезируются на цитоплазматической ДНК, то эта ДНК должна быть копией ядерной. Это означает, что в некоторых случаях информация от ядра к цитоплазме передается в виде ДНК, а не РНК и что инструкции для синтеза по крайней мере некоторых белков заключены одновременно и в ядерной, и в цитоплазматической ДНК. Такая гипотеза неприемле­ма по самым разным причинам. Например, непонятно, по­чему именно те ферменты, которые участвуют в синтезе полисахаридов зонтика, контролируются и ядерной, и ци­топлазматической ДНК. Если же это явление распростра­нено более широко, то приходится предположить, что и в ядре, и в цитоплазме имеются многочисленные копии ге­нов; но при этом оказывается бессмысленной большая часть форм генетического анализа, что не соответствует действительности (В настоящее время представляется вероятным, что в энуклеированных клетках (и особенно в яйцах) могут сохраняться копии ядерных генов, возникающие благодаря их амплификации (Brown D. D., Blacker AW., J. Molec. Biol., 63, 75, 1972). Не исклю­чено, что синтез ДНК-копий ядерных генов может происходить даже в отсутствие ядра: есть основания предполагать, что в про­цессе амплификации участвует обратная транскриптаза, осуществ­ляющая перекодирование РНК в ДНК-форму (Fieq A., Bracket J., Proc. Natn. Acad. Sci., U.S.A., 68, 2774, 1971; Brown R. D., Tocchini-Valentini G. P., Proc. Natn. Acad. Sci., U.S.A., 69, 1746, 1972). Такой переход информации из ядра в цитоплазму, если он происходит в каждом поколении заново, не будет сказываться на результатах генетического анализа, поскольку этот переход не затрагивает ме­ханизм наследования самих генов. — Прим. ред.), а кроме того, такое предположение не подтверждают биохимические исследования. И, помимо всего, доказано, что инструкции, определяющие некоторые частные признаки, содержатся в цитоплазматической ДНК. Это, например, установлено для хлоропластов, где с помощью генетического анализа были выявлены немен­делирующие, или цитоплазматические, формы наследова­ния [23]. Однако опыты по пересадке ядер у ацетабулярии, напротив, показали, что признаки зонтика прямо и непо­средственно определяются ядром.

Можно, конечно, предложить какие-то умозрительные схемы, чтобы обойти эти трудности, но пока нет достаточ­но серьезных доказательств того, что информация для образования зонтика ацетабулярии заключена в цитоплаз­матической ДНК.

Другая возможность состоит в том, что сохранение информации в энуклеированной клетке обеспечивается репликацией в цитоплазме соответствующей РНК. Если бы матричные РНК копировались в цитоплазме, то информа­ция могла бы сохраняться длительное время независимо от продолжительности жизни матриц. Предположение, что нормальные матричные РНК могут реплицироваться в ци­топлазме, было высказано давно, но и теперь оно все еще не доказано. Несомненно, однако, что даже после удале­ния ядра в цитоплазме может все же синтезироваться РНК [24, 25]. И в самом деле, большая часть РНК ацетабулярии синтезируется в цитоплазме [26], причем этот синтез проис­ходит не только в хлоропластах и митохондриях, но и вне этих органоидов [26, 27]. Однако принято считать, что вся синтезируемая в цитоплазме РНК считывается с цитоплаз­матической ДНК. Эта точка зрения подтверждается тем фактом, что до сих пор в цитоплазме клеток высших орга­низмов не нашли ферментов, необходимых для репликации РНК. Во всяком случае, независимо от того, с чем связано сохранение информации — с репликацией РНК в цито­плазме или просто с большей продолжительностью жизни молекул РНК, ясно, что эта информация пополняется не за счет постоянной синтетической активности ядра.

Второй важный вывод, который вытекает из опытов с ацетабулярией, состоит в том, что истинное выражение ин­формации, т. е. синтез специфичных белков и полисахари­дов и сам процесс морфогенеза, определяется событиями, происходящими не в ядре, а в цитоплазме. Очевидно, меж­ду временем выхода информации из ядра в цитоплазму и временем ее реализации нет жесткой связи. Матричные РНК для ферментов, принимающих участие в формирова­нии зонтика, могут быть переданы в цитоплазму заранее — за несколько недель до того, как эти ферменты будут син­тезированы в ощутимых количествах. В энуклеированной клетке образование зонтика и все сопутствующие процессы регуляции синтеза ферментов можно вызвать преждевре­менно или значительно задержать, просто изменив условия окружающей среды. Отсюда, по-видимому, неизбежно вы­текает, что реализация генетической информации проис­ходит при участии цитоплазматических регуляторных механизмов, которые инициируют, регулируют и подавля­ют синтез белков на уже готовых матрицах.

Опыты, проведенные на ацетабулярии, несколько про­яснили два имеющих непосредственное отношение друг к другу вопроса: существуют ли различия в продолжи­тельности жизни разных матричных РНК и насколько тес­но эти различия (если они есть) связаны с регуляцией синтеза белков? Хотя до сих пор в энуклеированных клет­ках ацетабулярии изучали поведение всего лишь нескольких специфичных ферментов, тем не менее нельзя забывать, что эти безъядерные клетки способны не только к морфоге­незу, но также к росту и регенерации. Небольшая часть стволика с растущим кончиком, но без ядра может при соответствующих условиях вновь образовать и стволик, и зонтик [2]. В результате получается совершенно нормальная клетка ацетабулярии, не имеющая, правда, ядра. Рост энуклеированной клетки в этих условиях никак не может представлять собой нерегулируемый процесс, поскольку он приводит к образованию клетки, вполне нормальной как с морфологической, так и с физиологической точек зрения: в такой клетке имеются все цитоплазматические структуры и она нормально функционирует.

Конечно, не исключена возможность, что какие-то мат­ричные РНК, продукты которых еще не исследованы, быстро распадаются, но вся информация, необходимая для развития совершенно нормальной ацетабулярии, несомнен­но, присутствует в клетке в течение многих недель после удаления ядра. Вряд ли можно объяснить прекращение не­которых процессов на определенных стадиях развития, например прекращение роста стволика в то время, когда образуется зонтик, тем, что к этому моменту исчерпы­вается фонд соответствующих матриц: спустя долгое время после прекращения роста стволика удается вновь вызвать его рост, изменив определенным образом культуральные условия. Поэтому кажется маловероятным, что генетиче­ская информация в цитоплазме ацетабулярии обладает раз­ной стабильностью. При благоприятных культуральных условиях продолжительность жизни большинства этих информационных молекул, по-видимому, измеряется по меньшей мере неделями. Конечно, можно ожидать, что в пределах этого промежутка времени продолжительность жизни разных матричных РНК будет несколько различать­ся, но вряд ли эти различия играют сколько-нибудь замет­ную роль в регуляции синтеза громадного большинства цитоплазматических белков, которые образуются в процес­се развития.

Несомненно, что информация для синтеза специфичных белков может присутствовать в цитоплазме клетки не про­являясь. Это предполагает существование регуляторных цитоплазматических механизмов, которые подавляют син­тез ферментов, не разрушая при этом матрицы для них. Короче говоря, изучение ацетабулярии показало нам, что рост и морфогенез, включающие контролируемый синтез многих ферментов и многих других белков, регулируются механизмами, действующими в цитоплазме, а не путем по­очередной транскрипции генов.

  1. Другие энуклеированные клетки

Рассмотрим теперь, в какой мере можно считать аце-табулярию представителем клеток всех высших животных и растений. Сразу видно, что в некоторых отношениях она представляет собой исключение: во-первых, она имеет раз­меры, гигантские для одиночной одноядерной клетки, а во-вторых, насколько мне известно, среди изученных клеток ни одна не способна после удаления ядра выживать столь долго или с такими незначительными нарушениями фи­зиологических функций. Однако при более внимательном изучении ацетабулярии, вероятно, окажется, что эти осо­бенности не представляют собой какие-то основные свой­ства, отличающие ее от других клеток.

Несмотря на гигантский размер, у ацетабулярии в тече­ние всего жизненного цикла имеется лишь одно ядро, кото­рое начинает делиться только на очень поздней стадии развития водоросли. Ядро растет в течение многих недель, пока растет сама клетка, и достигает громадных размеров, но продолжает оставаться единственным до созревания зонтика. Лишь после этого оно образует дочерние ядра, из которых путем последовательных делений возникают в конце концов ядра 7—15 тыс. гамет [4]. Следовательно, только рост ядра, не сопровождающийся делением, отлича­ет ацетабулярию от других ценоцитных организмов, кото­рые также представляют собой одиночные гигантские клетки, но содержат много ядер, делящихся по мере роста клетки. В других отношениях ацетабулярия — типичная фотосинтезирующая морская водоросль, и можно сказать заранее, что было бы в высшей степени странно, если бы выяснилось, что физиологические процессы у ацетабулярии регулируются особыми механизмами, принципиально ины­ми, чем у других морских водорослей.

Какие же результаты удалось получить при удалении ядер из других клеток и подтверждают ли эти результаты выводы, сделанные при изучении ацетабулярии или про­тиворечат им? Число случаев, которые имеются в нашем распоряжении, ограниченно, так как удаление ядер у боль­шинства других клеток технически сложнее, чем у ацета­булярии. Сразу же приходится признать, что ни одна из изученных к настоящему времени энуклеированных клеток не способна к такой полной регенерации и дифферен­цировке, как ацетабулярия. Однако, в каком бы аспекте мы ни исследовали влияние энуклеации на поведение раз­ных клеток, можно ясно увидеть, что различия между этими клетками и ацетабулярией скорее в степени проявле­ния тех или иных признаков, чем в принципиальных осо­бенностях биологической организации.

Клетки водоросли Spyrogyra могут жить после эну­клеации более двух месяцев. Они растут без ядра, образу­ют новую цитоплазму, содержащую специфичные цито-плазматические органоиды, синтезируют белки и выпол­няют все другие нормальные физиологические функции [28]. Специальных исследований, подтверждающих, что энуклеированная цитоплазма спирогиры может регулиро­вать синтез специфичных ферментов, пока еще не проводи­ли, но трудно себе представить, что это не так, поскольку спирогира, как и ацетабулярия, способна к упорядоченно­му росту и функционированию.

Энуклеированное яйцо морского ежа Arbacia после сти­муляции к партеногенезу может многократно делиться и при подходящих условиях образует бластулу, на которой иногда возникают функционирующие реснички [29]. В этом случае оказалось, что соответствующая стимуляция вызывает в покоящейся цитоплазме волну белкового син­теза, подобную той, которую в нормальном яйце вызывает оплодотворение [30]. Это еще раз показывает, что инфор­мация для синтеза белков поступает в яйцо несколько раньше, чем происходит ее реализация, и что сама цито­плазма содержит регуляторные механизмы, необходимые для запуска этого синтеза. Синтез белка в яйцах лягушки можно вызвать введением гормонов гипофиза. Индукция синтеза происходит и в яйцах, у которых предварительно удаляли ядра, причем скорость синтеза белка в ядерных и безъядерных клетках в течение многих часов остается одинаковой [31].

Энуклеированные яйца лягушки [32], безъядерные по­лярные лопасти яиц Ilyanassa obsoleta [33] и безъядерные половинки яиц моллюска Triton [34] способны в течение долгого времени синтезировать белок. Энуклеированная клетка инфузории Stentor может частично дифференциро­ваться, причем у нее даже возникает ротовое отверстие, которое, однако, формируется не полностью. В таких клет­ках образуются вакуоли и даже в течение 3—4 дней про­текают нормальные физиологические процессы [35]. Клет­ка стентора, из которой непосредственно перед делением удалили ядро, может разделиться с образованием новых дочерних клеток. В этом случае также не проводились биохимические исследования, но само поведение энуклеированных клеток не оставляет сомнений в том, что и здесь, очевидно, происходит цитоплазматическая регуляция син­теза белка. У простейшего Peranema trichophorum жгутик может регенерировать в отсутствие ядра [36]. Безъядерные фрагменты перевиваемых клеток человека выживают in vitro до четырех дней [37]. Эти фрагменты способны пе­редвигаться, у них происходит пиноцитоз и включение аминокислот в белки [38]. Энуклеированные фрагменты меланобластов (предшественников пигментных клеток), выделенные из развивающегося нервного гребня зароды­шей хвостатых амфибий, также долго живут in vitro и мо­гут морфологически дифференцироваться, принимая ти­пичную для зрелых пигментных клеток древовидную форму [39]. В таких фрагментах образуются даже гранулы пигмента.

Амебы после энуклеации перестают питаться, и синте­тическая активность их цитоплазмы постепенно угасает. Тем не менее синтез белка в них продолжается еще много часов, о чем свидетельствует включение меченых амино­кислот [40]. И наконец, ретикулоциты синтезируют гемо­глобин в течение нескольких дней после удаления из них ядра, причем синтез глобиновой части молекулы опреде­ляется наличием гема [41].

Данные, полученные при исследовании энуклеирован­ных клеток (за исключением данных по ацетабулярии), пока еще очень отрывочны; однако накоплено достаточно фактов, хорошо согласующихся с представлением о том, что матрицы для синтеза специфичных белков сохраняют­ся в цитоплазме в течение долгого времени после удале­ния ядра и что синтез белков на этих матрицах контроли­руется, следовательно, механизмами, которые действуют в самой цитоплазме.

  1. АктиномицинD

С тех пор как стали применять антибиотик актиноми­цин D, появилась возможность значительно расширить круг работ в этом направлении. При высоких концентра­циях актиномицин D связывается с клеточной ДНК и препятствует считыванию с нее РНК. Поэтому его исполь­зуют, когда хотят произвести своего рода «физиологиче­скую энуклеацию» (хотя этот термин, пожалуй, излишне упрощает действие антибиотика). Следует особо отметить, что актиномицин D чрезвычайно токсичен и при концент­рациях, полностью подавляющих транскрипцию ДНК, вызывает быструю гибель большинства клеток. Так что, если высокие дозы актиномицина D подавляют ту или иную физиологическую функцию или какой-либо синтети­ческий процесс, это еще не значит, что исследуемая функ­ция или исследуемый процесс непосредственно и очень тесно связаны с транскрипцией ДНК. Показано, что акти­номицин D вызывает серьезные вторичные эффекты, при­чем гибель клеток обусловлена многими процессами, при­чины которых только косвенно связаны с прекращением транскрипции ДНК. По этим же причинам нельзя делать никаких заключений о скорости распада матриц для син­теза какого-либо белка, основываясь лишь на изменении скорости синтеза этого белка, которое вызывает актиноми­цин D. Синтез белков может замедлиться и прекратиться по причинам, не имеющим ничего общего с гибелью мат­риц. Это не чисто умозрительное соображение: для одного типа клеток показано, что синтез белка, прекращенный актиномицином D, можно полностью восстановить, доба­вив в культуру глюкозу [42]. Более того, теперь ясно, что высокие дозы актиномицина D могут вызывать быстрое разрушение всех видов клеточной РНК [43], поэтому делать какие-либо выводы о естественной продолжительности жизни матриц, исходя из опытов с актиномицином D, крайне рискованно.

Вместе с тем, если какая-то отдельная физиологиче­ская функция длительное время сохраняется в присутствии высоких концентраций актиномицина D, то можно сказать, что эта функция не зависит непосредственно от транскрип­ции ДНК. Если синтез какого-нибудь белка продолжается и после того, как актиномицин D подавил практически весь синтез РНК, очевидно, можно заключить, что матри­цы для синтеза этого белка стабильны, так как их не нуж­но постоянно заменять новыми. И если в присутствии антибиотика сохраняется способность к регуляции синтеза этого белка, то, по-видимому, можно прийти к выводу, что регуляция эта цитоплазматическая, т. е. что она происхо­дит не на уровне транскрипции ДНК. Таким образом, в опытах с использованием актиномицина D можно доверять только положительным результатам, когда функция сохра­няется в отсутствие синтеза РНК, тогда как отрицательные результаты •— подавление функции — нельзя интерпрети­ровать без дополнительных данных.

С тех пор как несколько лет назад стали применять актиномицин D, проведено столько исследований, что было бы трудно дать полный перечень случаев, когда синтез белка индуцировался в присутствии высоких доз этого вещества, а также случаев, когда в присутствии актиноми­цина Dпродолжался синтез белка и сохранялась способ­ность к его регулированию. Ниже приведены наиболее убедительные примеры, которые привлекли мое внимание: синтез белка, вызванный оплодотворением, в яйцах мор­ского ежа [44,45] и деление этих яиц до стадии 16 клеток с дифференцировкой анимальной и вегетативной областей [46]; синтез белка в яйцах морской звезды после оплодотво­рения и до образования бластулы, а также образование гаструлы, если антибиотик вводили после того, как у бла­стулы появились реснички [47]; синтез ферментов трега­лозо-6-фосфатсинтетазы, уридиндифосфатглюкозопирофо­сфорилазы и уридиндифосфатгалактозополисахарид-тран­сферазы при развитии слизевика Dictyostelium [48 — 50]; синтез серин-дегидразы в печени млекопитающих [51, 52]; индукция синтеза апоферритина в печени млекопитаю­щих введением в организм железа [53]; дифференцировка миобластов амфибий в мышечные клетки, содержащие исчерченные миофибриллы [54]; синтез белка в клетках сердца крысы in vitro [55]; индукция диэтилстилбэстролом синтеза специфичного фосфопротеида плазмы у молодых петушков [56]; синтез глутаминсинтетазы в развивающейся сетчатке куриного зародыша [57]; синтез белков хрустали­ка у млекопитающих [58, 59]; стимуляция гормонами роста синтеза белка в изолированной диафрагме крысы [60]; снижение кортикостероидами скорости синтеза белка в печени адреналэктомированных крыс [61]; стимуляция инсулином белкового синтеза в изолированной диафрагме и мышце сердца крысы [62, 63]; рост гребня у цыплят под действием андрогенов [64]; синтез тиреоглобулина в щито­видной железе [65]; дифференцировка [66] и образование амилазы [67] в развивающейся поджелудочной железе зародыша мыши; синтез специфичного фермента «кокона­зы» в специализированных железах шелкопряда [68]; ин­дукция синтеза гемоглобина в тканях куриного зародыша in vitro [69]; синтез антител при вторичном иммунном отве­те организма [70, 71].

Поскольку с помощью актиномицина D полностью по­давить транскрипцию ДНК очень трудно, результаты, полученные при использовании этого препарата, оказыва­ются менее убедительными, чем результаты, полученные после непосредственного удаления ядра: всегда есть подо­зрение, что матрицы для синтеза исследуемого белка про­должают образовываться и входят в ту небольшую фрак­цию РНК, синтез которой происходит в присутствии антибиотика. Это возражение вряд ли стоит принимать во внимание в тех случаях, когда измеряется синтез белка в целом, но его невозможно обойти, если изучают синтез какого-либо одного определенного белка. Более того, нельзя забывать, что белок может накапливаться не только в ре­зультате увеличения скорости синтеза, но и в результате уменьшения скорости его распада [72, 73]. Трудно поверить, что синтез всех перечисленных выше белков, относящихся к самым различным классам и исследованных у очень широкого круга объектов (а здесь было упомянуто еще далеко не все, что известно), обусловлен активностью не­большой группы генов, устойчивых к действию актиноми­цина D; следует также отметить, что в некоторых из этих случаев накопление белка нельзя объяснить замедлением его распада.

Поэтому, очевидно, обоснован вывод, что клетки живот­ных и растений (как простейших, так и многоклеточных) в общем подчиняются тем же закономерностям, которые были выявлены при изучении ацетабулярии. Время тран­скрипции и время трансляции данного гена не связаны между собой непосредственно. Матрицы для синтеза белка поступают в цитоплазму в форме, в общем устойчивой к разрушению внутри клетки, и сохраняются в ней длитель­ное время после удаления ядра. Инициация, регуляция и репрессия синтеза белка на этих в высшей степени ста­бильных матрицах производится цитоплазматическими ме­ханизмами, которые могут успешно функционировать и в отсутствие ядра.

А теперь нам необходимо выяснить, в какой мере этим общим закономерностям подчиняются микроорганизмы.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

  1. BerlinI., The hedgehog and the fox, Weidenfeld and Nicolson, London, 1953.
  2. Hammerling J.,Regenerationsversuche an kernhaltigen und kernlosen Zellteilen von Acetabularia Wettsteinii, Biol. Zbl., 54, 650 (1934).
  3. Hammerling J.,Ober formbildende Substanzen bei Acetabularia mediterranea, ihre raumliche und zeitliche Verteilung und ihre Herkunft, Wilhelm Roux Arch. Entw Mech. Org., 131, 1 (1934).
  4. Hammerling J.,Nucleo-cytoplasmic interactions in Acetabula­ria and other cells, A. Rev. PI. Physiol., 14, 65 (1963).
  5. Hammerling J.,Nucleo-cytoplasmic relationship in the develop­ment of Acetabularia, Int. Rev. Cytol., 2, 475 (1953).
  6. Werz G., Zur Frage der Herkunft und Verteilung cytoplasmatischer Ribonucleinsaure und ihrer Beziehungen zu „morphogenetischen Substanzen,,bei Acetabularia mediterranea, Z. Naturf., 16b, 126 (1961).
  7. Zetsche K.,Die Aktivitat implantierter Zellkerne von Acetabula­ria bei aufgehobener Photosynthese, Naturwissenschaften, 17, 404 (1962).
  8. Hammerling J., Clauss H., Keck K., Richter G., Werz G.,Growth and protein synthesis in nucleated and enucleated cells, Expl. Cell Res. Suppl., 6, 210 (1958).
  9. SpencerТ., Harris H., Regulation of enzyme synthesis in an enucleate cell, Biochem. J., 91, 282 (1964).
  10. Triplett E. L., Steens-Lievens A., Baltus E.,Rates of synthe­sis of acid phosphatases in nucleate and enucleate Acetabularia fragments, Expl Cell Res., 38, 366 (1965).
  11. Zetsche K.,Obertragung und Realisierung genetischer Informa­tion bei der Morphogenese von Acetabularia, Ber. dt. bot. Ges., 78, 87 (1965).
  12. Zetsche K.,Regulation der’UDP-Glucose 4-Epimerase Synthese in kernhaltigen und kernlosen Acetabularien, Biochim. biophys. Acta, 124, 332 (1966).
  13. Werz G.,Vergleichende Zellmembrananalysen bei verschiedenen Dasycladaceen, Planta, 60, 322 (1963).
  14. ZetscheК., Unterschiedliche Zusammensetzung von Stiel- und Hutzellwand bei Acetabularia mediterranean Planta, 76, 326 (1967).
  15. Zetsche K.,Regulation der UDPG-Pyrophosphorylase — Aktivitat in Acetabularia. I. Morphogenese und UDPG-Pyrophosphorylase-Synthese in kernhaltigen und kernlosen Zellen, Z. Naturf., 23b, 369 (1968).
  16. Werz G.,Determination and realization of morphogenesis in Acetabularia, Brookhaven Symp. Biol., No. 18, 185 (1965).
  17. Hammerling J., Zetsche K.,Zeitliche Steuerung der Formbil-dung von Acetabularia, Umschau, 15, 489 (1966).
  18. Zetsche K.,Der Einfluss von Kinetin und Gibberellin auf die Morphogenese kernhaltiger und kernloser Acetabularien, Planta, 59, 624 (1963).
  19. SpengerТ., Effect of kinetin on the phosphataso enzymes of Acetabularia, Nature, Lond., 217, 62 (1968).
  20. Schweiger H.G.,Ribonuclease-Aktivitat in Acetabularia, Plan­ta, 68, 247 (1966).
  21. Gibor A., Izawa M.,The DNA content of the chloroplasts of Acetabularia. Proc. natn. Acad. Sci. USA, 50. 1164 (1963).
  22. Schweiger H.G., Berger S.,DNA-dependent RNA synthesis in chloroplasts of Acetabularia. Biochim. biophys. Acta, 87, 533 (1964).
  23. Sager R.,On the evolution of genetic systems. Evolving genes and proteins (Eds. V. Bryson and H. J. Vogel), p. 591, Academic Press, New York (1965).
  24. Schweiger H.-G., Bremer H. J.,Nachweis cytoplasmatischer Ribonukleinsauresynthese in kernlosen Acetabularien, Expl. Cell Res., 20, 617 (1960).
  25. Schweiger H. G., Bremer H. J.,Cytoplasmatische RNS-synthese in kernlosen Acetabularien. Biochim. biophys. Acta, 51, 50 (1961).
  26. Schweiger H.-G., Dillard W. L., Gibor A., Berger S.,RNA-Synthesis in Acetabularia, Protoplasma, 64, 1 (1967).
  27. Janowski M., Bonotto S., Boloukhere M.,Ribosomes of Ace­tabularia mediterranea, Biochim. biophys. Acta, 174, 525 (1969).
  28. Hammerling J., Spirogyraund Acetabularia (Ein Vergleich ihrer Fahigkeiten nach Entfernung des Kernes), Biol. Zbl., 78, 703 (1959).
  29. HarveyE. В., A comparison of the development of nucleate and non-nucleate eggs of Arbacia punctulata, Biol. Bull. mar. biol. Lab., Woods Hole, 79, 166 (1940).
  30. Bracket J., Ficq A., Tenger R.,Ammo acid incorporation into proteins of nucleate and anucleate fragments of sea urchin eggs: effect of parthenogenetic activation, Expl Cell Res., 32, 168 (1963).
  31. Ecker R. E., Smith L. D., Subtelny S.,Kinetics of protein synthesis in enucleate frog oocytes, Science, N. Y., 160, 1115 (1968).
  32. Smith L. D., Ecker R. E.,Protein synthesis in enucleated eggs of Rana pipiens, Science, N. Y., 150, 777 (1965).
  33. ClementАС, Tyler A., Protein-synthesizing activity of the anucleate polar lobe of the mud snail Ilyanassa obsoleta. Scien­ce, N. Y., 158, 1457 (1967).
  34. Tiedemann H., Tiedemannff., Einbau von 14CO2 in gefurchte und ungefurchte Eihälften und in verschiedene Entwicklungssta­dien von Triton, Naturwissenschaften, 41, 535 (1954).
  35. Tartar V.,The biology of Stentor, p. 297, Pergamon Press, Oxford, 1961.
  36. Tamm S. L.,The effect of enucleation of flagellar regeneration in the protozoon Peranema trichophorum, J. Cell Sei., 4, 171 (1969).
  37. Goldstein L., Cailleau R.,Crocker ТТ., Nuclearcytoplasmic relationships in human cells in tissue culture, Expl Cell Res., 19, 332 (1960).
  38. Goldstein L., Micou J., CrockerТТ., Nuclearcytoplasmic relationships in human cells in tissue culture, Biochim. biophys. Acta, 45, 82 (1960).
  39. WildeС. E., The differentiation of vertebrate pigment cells, Adv. Morphogenesis. I, 287 (1961).
  40. Mazia D.,Prescott D. M., The role of the nucleus in protein synthesis in Amoeba, Biochim. biophys. Acta, 17, 23 (1955).
  41. Bruns G. P.,London I. H., The effect of hemin on the syn­thesis of globin, Biochem. biophys. Res. Commun., 18, 236 (1965).
  42. HonigG. R., Rabinowitz M., Actinomycin D: inhibition of protein synthesis unrelated to effect on template RNA synthesis, Science, N. Y., 149, 1504 (1965).
  43. Wiesner R., Acs G., Reich E., Shafiq A.,Degradation of ribonucleic acid in mouse fibroblasts treated with actinomycin, J. Cell Biol., 27, 47 (1965).
  44. Gross P. R., Cousineau G. H.,Effects of actinomycin D on macromolecule synthesis and early development in sea urchin eggs, Biochem. biophys. Res. Commun., 10, 321 (1963).
  45. Gross P. R., Malkin L. I., Moyer W. A.,Templates for the first proteins of embryonic development, Proc. natn. Acad. Sei. U. S . A., 51, 407 (1964).
  46. Giudice G.,Hörstadius S., Effect of actinomycin D on the seg­regation of animal and vegetal potentialities in the sea urchin egg., Expl Cell Res., 39, 117 (1965).
  47. Barros C, Hand G. S., Monroy A.,Control of gastrulation in the starfish Asterias forbesii, Expl Cell Res., 43, 167 (1966).
  48. Sussman M., Sussman R. R.,The regulatory program for UDP galactose polysaccharide transferase activity during slime mold cytodifferentiation: requirement for specific synthesis of ribonucleic acid, Biochim. biophys. Acta, 108, 463 (1965).
  49. Roth R., Ashworth J. M., Sussman M.,Periods of genetic transcription required for the Synthesis of three enzymes during cellular slime mold development, Proc. natn. Acad. Sei. U. S. A., 59, 1235 (1968).
  50. Newell P. C, Sussman M.,Uridine diphosphate glucose pyrophosphorylase in Dictyostelium discoideum. Stability and developmental fate, J. biol. Chem., 244, 2990 (1969).
  51. Pitot H.С., Peraino С, Lamar СКеппап A. L., Templa­te stability of some enzymes in rat liver and hepatoma, Proc. natn. Acad. Sei. U. S. A., 54, 845 (1965).
  52. Jost J.P., Khairallah E. A., Pitot H. C,Studies on the indu­ction and repression of enzymes in rat liver. V. Regulation of the rate of synthesis and degradation of serine dehydratase by dietary amino acids and glucose, J. biol. Chem., 243, 3057 (1968).
  53. Drysdale J. W., Munro H. N.,Failure of actinomycin D to prevent induction of liver apoferritin after iron administration, Biochim. biophys. Acta, 103, 185 (1965).
  54. Duprat A.-M., Zalta J.-P., Beetschen J.-C,Action de l’acti­nomycine D sur la differenciation de divers types de cellules embryonnaires de l’amphibien Pleurodeles waltlii en culture in vitro, Expl Cell Res., 43, 358 (1966).
  55. McGarl R. L., Shaler R. C,The effects of actinomycin D on protein synthesis and beating in cultured rat heart cells, J. Cell Biol., 40, 850 (1969).
  56. Greengard O., Gordon M., Smith M. A., Acs G., Studies on the mechanism of diethylstilbestrol-induced formation of phos-phoprotein in male chickens, J. biol. Chem., 239, 2079 (1964).
  57. Kirk D. L.,The role of RNA synthesis in the production of glutamine synthetase by developing chick neural retina, Proc. natn. Acad. Sei. U. S. A., 54, 1345 (1965).
  58. Papaconstantinou J., Stewart J. A., Koehn P. V.,A locali­zed stimulation of lens protein synthesis by actinomycin D, Bio­chim. biophys. Acta, 114, 428 (1966).
  59. Spector A., Kinoshita J. H.,The effect of actinomycin D and puromycin upon RNA and protein metabolism in calf lens, Bio­chim. biophys. Acta, 95, 561 (1965).
  60. MartinТ. E., Young F. G., An in vitro action of human growth hormone in the presence of actinomycin D, Nature, Lond., 208, 684 (1965).
  61. BreuerСВ., Davis F. F., Limited action of actinomycin D on protein synthesis in adrenalectomized rats, Biochem. biophys. Res. Commun., 14, 215 (1964).
  62. WoolI. G., Moyer A. N., Effect of actinomycin and insulin on the metabolism of isolated rat diaphragm, Biochim. Biophys. Acta, 91, 248 (1964).
  63. WoolI. G., Cavicchi P., Insulin regulation of protein synthe­sis by muscle ribosomes: effect of the hormone on translation of messenger RNA for a regulatory protein, Proc. natn. Acad. Sei. U. S. A., 56, 991 (1966).
  64. Talwar G. P., Modi S., Rao K. N.,DNA-dependent synthe­sis of RNA is not implicated in growth response of chick comb to androgens, Science, N. Y., 150, 1315 (1965).
  65. Seed R. W., GoldbergI. H., Biosynthesis of thyroglobulin, J. biol. Chem., 240, 764 (1965).
  66. Wessells N. K., Wilt F. H.,Action of actinomycin D on exocrine pancreas cell differentiation, J. molec. Biol., 13, 767 (1965).
  67. Rutter W. J., Wessells N. K.,Grobstein C, Control of spe­cific synthesis in the developing pancreas, J. natn. Cancer Inst. Monograph, 13, p. 51 (1964).
  68. Kafatos F. C, Reich J.,Stability of differentiationspecific and nonspecific messenger RNA in insect cells, Proc. natn. Acad. Sei. U. S. A., 60, 1458 (1968).
  69. WiltF. H., Regulation of the initiation of chick embryo hemo­globin synthesis, J. molec. Biol., 12, 331 (1965).
  70. Smiley J. D., Heard J. G., Ziff M.,Effect of actinomycin on RNA synthesis and antibody formation in the anamnestic respon­se in vitro, J. exp. Med., 119, 881 (1964).
  71. GellerВ. D., Spiers R. S., Failure of actinomycin D to inhibit antitoxin production to a challenging injection of antigen, Proc. Soc. exp. Biol. Med., 117, 782 (1964).
  72. Schimke R.Т., The importance of both synthesis and degrada­tion in the control of arginase levels in rat liver, J. biol. Chem. 239, 3808 (1964).
  73. Schimke R.Т., Sweeney E. W., Berlin СМ., An analysis of the kinetics of rat liver tryptophan pyrrolase induction: the si­gnificance of both enzyme synthesis and degradation, Biochem. biophys. Res. Commun., 15, 214 (1964).