Полчаса митоза

С помощью лазерного пинцета российские ученые открыли детали одного из самых загадочных процессов жизни - деления клетки

На экране появляется нечто, похожее на большое блюдце с шевелящимися червячками. Какое-то время они беспорядочно толкутся, но вдруг как по команде начинают выстраиваться ровно посредине "блюдца". Несколько мгновений этот живой диаметр подрагивает, как вдруг невидимые ножницы разрезают его вдоль, и "червячки" синхронно разбегаются к двум "полюсам" по краям "блюдца". Примерно такую же картинку, возможно менее четкую, наблюдал более трехсот лет назад голландский галантерейщик, а по совместительству - страстный любитель шлифовки линз и основоположник микроскопии Антони ван Левенгук. Сейчас же ее показывает в компьютере профессор кафедры биофизики физфака МГУ, директор центра теоретических проблем фармакологии РАН и завлаб Гематологического научного центра РАМН Фазли Атауллаханов. Это кадры из небольшого фильма о митозе - делении клетки, - снятого с помощью светового микроскопа американскими учеными. Блюдце - клетка, а червячки - хромосомы. И эта завораживающая картина до сих пор является для ученых загадкой, несмотря на то что митоз изучают очень давно.

Современная биология многое знает о клетке, ученым известны практически все ее составляющие. Движение вглубь клетки оказывалось возможным благодаря постоянному совершенствованию техники: светового микроскопа, рентгеноструктурного анализа, электронного, а затем и атомно-силового микроскопа. Изучение клетки необходимо и для поиска наиболее эффективных путей вмешательства в клеточные процессы. Ведь любая болезнь - это сбой в работе клеток. Но полученные ранее знания не давали полного представления о механизмах процессов, происходящих в клетке. Совершенно новые возможности у исследователей появились лишь несколько лет назад, когда был создан инструмент, который называют лазерной ловушкой или лазерным пинцетом. Сейчас в мире несколько десятков научных групп с помощью этого инструмента проводят опыты по реконструкции внутриклеточных процессов. Одна из таких групп - под руководством Фазли Атауллаханова - первой выявила некоторые важнейшие детали механизма деления клетки.

Фокус с ножницами

Первым, как отмечают историки, клетку увидел Роберт Гук в 1663 году. Но его приспособление из пары линз давало 30-кратное увеличение, поэтому он мог видеть в изучаемых срезах пробки лишь нечто похожее на соты, которые он назвал клетками. Прибор Левенгука увеличивал уже в 300 раз - и голландец видел клетки крови, сперматозоиды и бактерии, названные им маленькими зверьками. Он вполне мог первым наблюдать и за тем, как делится клетка. В первой половине XIX века М. Шлейден и Т. Шванн, обобщив накопленные к тому времени знания, создали клеточную теорию, гласившую, что клетки - это структурная и функциональная основа всех живых организмов.

Чуть позже немецкий ученый Р. Вирхов сделал еще одно важное заключение: любая клетка получается из клетки в результате клеточного деления. В середине XX века Дж. Уотсон и Ф. Крик с помощью методов биохимии и рентгеноструктурного анализа открыли структуру ДНК. До этого никто не связывал хромосомы, видимые глазом в световой микроскоп, с наследственной информацией. После открытия Уотсона и Крика стало ясно: ДНК упаковывается в хромосомы и должна быть воспроизведена в точности в дочерних клетках при делении. Для этого в клетке перед делением удваиваются все ее элементы.

"Казалось бы, клетка могла бы делиться гораздо проще, чем она делится, - рассуждает Фазли Атауллаханов. - Нужно сначала все удвоить, а потом поделить. И даже если она не поровну поделит, к примеру, рибосомы (молекулярные машинки для создания белков), то у дочерних клеток будет все необходимое, чтобы доделать нужное или убрать лишнее. Если бы не хромосомы. Их поделить нужно деликатно. Представьте, что у вас в кучку свалены два собрания сочинений Льва Толстого. Вам нужно не просто разделить их количественно, когда в одну сторону могут попасть два одиннадцатых тома, а на два полноценных собрания сочинений. Точно так же в две дочерние клетки должна попасть не просто половина всех удвоенных хромосом, а два идентичных набора хромосом, только так будет корректно сохраняться наследственная информация. Именно для этого природа придумала красивейший механизм деления, который длится около получаса".

Когда клетка готовится к митозу, исчезает ядерная оболочка, и нити ДНК, находящиеся в ядре, начинают упаковываться в 46 (у человека) хромосом. Затем в клетке удваиваются все ее элементы, в том числе и хромосомы. Две идентичные хромосомы оказываются соединенными только в одном месте, при этом их "плечи" чуть расходятся. В следующей фазе происходит деление хромосом, для чего природа использует специальный инструмент - веретено деления, которое растаскивает сестринские хромосомы к разным полюсам. Далее вокруг них образуются ядерные оболочки, а материнскую клетку делит мембранная перетяжка. Так получаются две дочерние клетки - каждая со своим набором хромосом.

Митоз можно наблюдать в обычный световой микроскоп. Клетка размером в несколько десятков микрон и хромосомы в 1,5–2 микрона видны, но нельзя рассмотреть более мелкие структуры, например веретено деления. Поэтому процесс деления в микроскопе завораживает, как чудесный фокус с невидимыми ножницами. Увидеть веретено деления удалось только в шестидесятые годы - с помощью электронного микроскопа, позволяющего разглядывать объекты наноразмеров. Но если с помощью светового микроскопа наблюдать можно живую клетку, то электронная микроскопия этого не позволяла. Для изучения клетки в этом случае ее нужно заморозить, нарезать тончайшими слоями и лишь потом рассматривать. В 70–80?е годы возможности электронной микроскопии расширились. Исследователи тогда стали применять методы генной инженерии - модифицировали гены, цепляя к ним "кусочки" с флуоресцентными красками, чтобы синтезированные белки светились - один синим, другой зеленым, третий красным. По этим разноцветным картинкам можно было наблюдать их взаимное расположение и предполагать, как происходят различные внутриклеточные процессы.

Трубочки, колечки и висюльки

Как только в электронный микроскоп хорошенько рассмотрели веретено деления, бросились изучать, как же оно работает. Выяснили, что в фазе митоза два полюса деления, которые до того находились примерно в центре клетки, расходятся по ее противоположным краям, и из них начинают расти навстречу друг другу микротрубочки.

Изучение микротрубочки с помощью электронного микроскопа и рентгеноструктурного анализа показало, что растет она примерно так, как строится кирпичная труба. Кирпичики из белка под названием тубулин складываются один на другой в тринадцать стержней, которые и формируют стенки "трубы" диаметром 25 нанометров. Растущие микротрубочки натыкаются на хромосомную пару с двух сторон, но цепляются к хромосоме только та трубочка, которая попадает в определенное место. "У пары сестринских хромосом в том месте, где они связаны, ученые рассмотрели густую "шерсть" из гибких белковых комплексов, которые мы в своей лаборатории называем "висюльками", - рассказывает Катя Грищук, член группы Атауллаханова и сотрудница лаборатории Ричарда Макинтоша в Университете Колорадо в США. - Эти белки открыли всего два года назад ученые из Калифорнии Ян Чизман и Аршад Десай. Они же показали, что этот довольно длинный белковый комплекс может цепляться за трубочку".

Микротрубочки натягивают пару хромосом и находятся в таком состоянии некоторое время, пока все хромосомные пары не будут натянуты другими попавшими куда надо трубочками. За этим следят специальные белки - они выключаются, когда последняя пара сестринских хромосом будет заякорена с двух сторон и натянута. Это сигнал к действию для невидимых ножниц - фермента, который аккуратно разрежет пару хромосом в месте их соединения. В этот момент микротрубочки начинают тянуть хромосомы к полюсам веретена. Как они это делают, удалось выяснить благодаря еще нескольким открытиям. Эксперименты показали, что напряжение в микротрубочке приводит к тому, что после разрезания пары хромосом все тринадцать стержней трубочки начинают выгибаться наружу. Кончики этих стержней отваливаются, и трубочка укорачивается. "Это, конечно, озадачивало ученых, - говорит Фазли Атауллаханов. - Нужно было найти объяснение, как при этом не теряется хромосома".

Когда ученые из Стэнфорда Д. Друбин и Дж. Барнс выделили белки, из которых в их опытах собиралось колечко на микротрубочке, исследователи митоза страшно обрадовались. Сложилась вполне логичная гипотеза: микротрубочка не просто утыкается в хромосому - на ней образуется кольцо, к кольцу цепляется "висюлька". После разрезания концы трубочки выгибаются и давят на кольцо. Оно под давлением начинает съезжать по трубочке и тащить за собой хромосому. Но это были лишь теоретические построения, проверить которые не позволяли ни микроскопы, ни биохимические методы, ни рентгеноструктурный анализ. Пока не появился лазерный пинцет.

Шарик прикинулся хромосомой

В середине восьмидесятых А. Эшкин показал, что сильно сфокусированный лазерный луч способен втягивать в себя небольшие объекты вблизи точки фокусировки. Сила его невелика - всего лишь пиконьютоны, но она способна передвигать объекты микро- и наноразмеров. Разумеется, это явление немедленно начали эксплуатировать биофизики, изучающие клеточные и молекулярные механизмы. Они сразу поняли, что с помощью этого метода можно реконструировать процессы, в которых принимают участие наноструктуры. И конечно же, процессы митоза.

В принципе построить простейшую лазерную ловушку не так уж сложно - нужно запустить лазерный луч в световой микроскоп и сфокусировать его. Но для сложных опытов нужны были и более сложные дорогостоящие установки. Такие приборы нигде не продаются, их строят под конкретные задачи.

"Мои предложения построить такую установку в России вызывали лишь недоумение и смех, - рассказывает Атауллаханов, - поэтому я лет пять назад поехал в Америку". Поехал в лабораторию Дика Макинтоша, где работала его аспирантка Катя Грищук. "У Макинтоша была простейшая лазерная ловушка. Сам он десятки лет занимался митозом, но его исследования затормозились из-за того, что эта ловушка не годилась для сложных экспериментов, - рассказывает Катя. - И тут помог Фазли и его команда. Они усовершенствовали прибор". Вместе с Макинтошем они получили грант американского Центра здоровья (финансирующего многие проекты в сфере биологии и медицины), а затем - грант американо-российского фонда CRDF. С того времени группа Атауллаханова работает в Колорадо вахтенным методом.

Теперь установка в лаборатории Макинтоша могла гордо именоваться пинцетом, потому что была способна производить ювелирные действия. Она к тому же стала не только манипулятором, но и точным измерителем действий нанообъектов. Первый же опыт, который поставили с этой установкой, оказался удачным. Эксперимент должен был ответить на вопрос - а микротрубочка ли двигает хромосому? Ведь были и другие гипотезы. Мол, двигают так называемые моторные белки, а микротрубочки служат лишь рельсами. "По иронии судьбы Макинтош тоже поначалу придерживался этой гипотезы, - говорит Фазли Атауллаханов, - но в наших совместных экспериментах убедился, что это не так. К тому же Катя попутно поставила эксперимент с дрожжевой клеткой, из которой были изъяты все моторные белки, и клетка делилась без них". Ученые вырастили в специальных условиях микротрубочку. Ее конец зафиксировали, сделав своеобразную "крышку", чтобы трубочка самопроизвольно не разгибалась. К трубочке "пришили" маленький шарик (аналог хромосомы). Лазерный пинцет срезал "крышку", и микротрубочка начинала разгибаться и дергать шарик.

Следующая серия экспериментов была посвящена более сложному вопросу: может ли трубочка не просто дергать, а тащить за собой объект? Теперь в опыте участвует трубочка с кольцом и пришитым к нему шариком (лазерный пинцет манипулирует именно им). Белки для кольца прислал выделивший их Друбин, в лаборатории которого такой экспериментальной техникой не владели. "Друбин у себя в лаборатории показывал в опыте, что из белков собирается кольцо. В живой клетке таких колец еще никто не видел, - рассказывает Фазли. - Мы тоже дали кольцу собраться из белков, пришили к нему шарик и посадили кольцо на трубочку. Опять срезали крышку, стержни кольца стали разгибаться, давить на него, и кольцо поехало вниз вместе с шариком. Причем сила давления всех стержней на кольцо была уже в пять раз большей, чем в эксперименте просто с трубочкой и шариком, где на шарик действовали один-два стержня".

Чтобы полностью смоделировать реальный процесс митоза, нужно было к шарику прицепить "висюльку", "висюльку" - к кольцу, а кольцо посадить на трубочку. Тут-то Чизман и подкинул в лабораторию Макинтоша белки-"висюльки". И сейчас группа Фазли Атауллаханова и сотрудники лаборатории Макинтоша ставят новые эксперименты. Они хотят увидеть, как будет работать эта конструкция. Еще один вариант эксперимента - сможет ли работать конструкция без кольца, если зацепить "висюльку" с шариком прямо на трубочку. Есть и такая гипотеза. Работа пока не закончена.

России нужен свой пинцет

Наши ученые очень рады, что они первыми в мире поставили такие опыты. "Это огромный прогресс" - говорит Катя Грищук. Но ее восторг, вероятно, могут понять лишь ученые. Нам-то, казалось бы, что с того. Катя терпеливо объясняет: "Мы - представители фундаментальной науки и находимся на переднем фронте исследований. Наша задача понять принципы, что значит работать правильно или неправильно. И не сразу ученый может сказать, как это поможет народному хозяйству. Этого сразу не смогли сделать даже первооткрыватели электричества. Но я точно знаю, что открытие принципов работы клетки пусть не сразу но начнет работать. В первую очередь на медицину - на диагностику и лечение".

Фундаментальные знания о механизмах митоза уже, по словам Атауллаханова, предлагают путь конструирования новых противораковых препаратов. Известно, что рак - это неконтролируемое деление клеток. Это деление можно остановить, к примеру, блокируя синтез копии ДНК или работу микротрубочки. Есть противораковые препараты, которые действуют на микротрубку (не дают ей разгибаться) и тем самым блокируют митоз. Но микротрубки есть не только в делящихся клетках. Они есть в неделящихся нейронах, и там они выполняют другую функцию, а вот колец там нет. Противораковый препарат негативно воздействует на трубочки нейронов. Но если сконструировать лекарство, которое будет действовать не на трубку, а на кольцо и тем самым блокировать митоз, считает Фазли, это поможет сохранить мозги и нервы от побочных явлений. Группа Атауллаханова сейчас пробует подбирать конструкции молекул для препаратов.

"Было бы гораздо лучше, если бы все работы мы могли выполнять дома", - говорит Атауллаханов. Сейчас же он и его коллеги вынуждены разрываться, как хромосомы, между разными частями света.

Фазли Атауллаханов - из тех ученых, которых почти целиком занимают научные задачи. Он не умеет "входить в кабинеты", что-то просить и на чем-то настаивать. И все же, когда правительство объявило о широкомасштабной программе, посвященной нанотехнологиям, заставил себя написать несколько писем с предложениями в соответствующие инстанции. Ответа пока не получил. "Меня обескураживает то, с какой бойкостью все схватились за эту тему, - говорит он. - Все кинулись в нанотехнологии. Но ошибочно пытаться затащить в нанотехнологии все, что имеет наноразмеры. Во всем мире это просто новая отрасль, а отнюдь не всенародный проект".

Его смешат громкие рассуждения о том, что вот-вот мы настроим нанороботов, которые побегут по нашим сосудам и будут там лечить наши болезни. "А как господа собираются строить нанороботы, - спрашивает он. - Есть ли у них инструменты? В России вот пока нет ни одного лазерного пинцета". Атауллаханов считает, что такая установка нужна. Это, во-первых, поможет подняться фундаментальной биологии, а во-вторых, манипулировать любыми объектами наноразмеров не только для теории, но и для тех же нанороботов или новых лекарственных препаратов.

Галина Костина

*****

Атауллаханов Фазли
http://www.fazly.ru/

День рождения 1946-04-23

Образование
1969 диплом физика МГУ им. Ломоносова, Физический факультет, кафедра биофизики
1974 к.ф.-м.н., Институт Теоретической и экспериментальной биофизики АН СССР, Пущино, Московская обл.
1984 д.б.н., Институт Теоретической и экспериментальной биофизики АН СССР, Пущино, Московская обл.

Работа
1969-1970 лаборант, Институт Теоретической и экспериментальной биофизики АН СССР, Пущино, Московская обл.
1970-1974 аспирант, Институт Теоретической и экспериментальной биофизики АН СССР, Пущино, Московская обл.
1975-1979 м.н.с., Институт Биологических испытаний природных соединений, Купавна, Моск. область
1975-наст.вр. действительный член Российского биохимического общества
1979-1982 с.н.с., Институт Биологических испытаний природных соединений, Купавна, Моск. область
1982-1984 заведующий лабораторией, Институт Биологических испытаний природных соединений, Купавна, Моск. область
1984-наст.вр. приглашенный лектор, МГУ им. Ломоносова, Москва
1985-1987 с.н.с., Институт иммунологии, Москва
1988-1989 с.н.с., Институт Биологических испытаний природных соединений, Купавна, Моск. область
1989-наст.вр. заведующий лабораторией, Гематологический Научный центр РАМН, Москва
1989-наст.вр. член редакционного совета журнала "Биологические мембраны", Москва
1990-наст.вр. член ученого совета, Гематологический Научный центр РАМН, Москва
1994-наст.вр. член ученого совета, Институт Теоретической и экспериментальной биофизики АН СССР, Пущино, Московская обл.
1995-наст.вр. профессор, МГУ им. Ломоносова, Москва
1996-наст.вр. академик РАЕН
1997-наст.вр. член Биофизического общества, США
1997-наст.вр. член ученого совета, Институт Химической Биофизики, Москва

Научные интересы
Теория метаболического контроля, математическое моделирование метаболизма, биофизика сложных систем, нелинейная динамика и структурообразование.

Список публикаций
Дата Журнал Название статьи Авторы
2005-11-17 Nature. Force production by disassembling microtubules. Grishchuk E.L., Molodtsov Maxim, Ataullakhanov F.I., McIntosh J.R.
2003-09-26 Phys Rev Lett. Unstable trigger waves induce various intricate dynamic regimes in a reaction-diffusion system of blood clotting. Lobanova E.S., Ataullakhanov F.I.
2005-10-31 Pathophysiol Haemost Thromb. Towards virtual coagulation. Ataullakhanov F.I., Panteleev M.A.
2004-08-26 Phys Rev Lett. Running pulses of complex shape in a reaction-diffusion model. Lobanova E.S., Ataullakhanov F.I.
2005-01-01 Pathophysiol Haemost Thromb. Mathematical modeling and computer simulation in blood coagulation. Ataullakhanov F.I., Panteleev M.A.
2005-01-01 Pathophysiol Haemost Thromb. Good mathematical practice: simulation of the hemostatic-thrombotic mechanism, a powerful tool but one that must be used with circumspection. Hemker H.C., Ataullakhanov F.I.
2006-11-07 J Theor Biol. Mathematical model of mitochondrial ionic homeostasis: Three modes of Ca(2+) transport. Pokhilko A.V., Ataullakhanov F.I., Holmuhamedov E.L.
2006-01-01 FEBS J. Factor VIIIa regulates substrate delivery to the intrinsic factor X-activating complex. Panteleev M.A., Ananyeva N.M., Greco N.J., Ataullakhanov F.I., Saenko E.L.
2005-02-18 Biophys J. A molecular-mechanical model of the microtubule. Molodtsov Maxim, Ermakova Elena, Shnol Emmanuil, Grishchuk E.L., McIntosh J.R., Ataullakhanov F.I.
2005-03-14 Proc Natl Acad Sci U S A. Force production by depolymerizing microtubules: a theoretical study. Molodtsov Maxim, Grishchuk E.L., Efremov A.K., McIntosh J.R., Ataullakhanov F.I.
2005-09-25 Biochim Biophys Acta. Analysis of pathological defects in methionine metabolism using a simple mathematical model. Prudova A, Martinov M.V., Vitvitsky V.M., Ataullakhanov F.I., Banerjee R.
2000-12-01 Bioelectrochemistry. Anion permeability and erythrocyte swelling. Vitvitsky V.M., Frolova E.V., Martinov M.V., Komarova S.V., Ataullakhanov F.I.
2000-06-21 J Theor Biol. A substrate switch: a new mode of regulation in the methionine metabolic pathway. Martinov M.V., Vitvitsky V.M., Mosharov E.V., Banerjee R., Ataullakhanov F.I.
2000-03-06 Biochim Biophys Acta. Deficiencies of glycolytic enzymes as a possible cause of hemolytic anemia. Martinov M.V., Plotnikov A.G., Vitvitsky V.M., Ataullakhanov F.I.
1999-08-30 Biophys Chem. Volume stabilization in human erythrocytes: combined effects of Ca2+-dependent potassium channels and adenylate metabolism. Martinov M.V., Vitvitsky V.M., Ataullakhanov F.I.
2007-03-01 Thromb Haemost. Platelet microparticle membranes have 50- to 100-fold higher specific procoagulant activity than activated platelets. Sinauridze E.I., Kireev DA, Popenko NY, Pichugin AV, Panteleev M.A., Krymskaya OV, Ataullakhanov F.I.
2006-03-01 Biophys J. Spatial propagation and localization of blood coagulation are regulated by intrinsic and protein C pathways, respectively. Panteleev M.A., Ovanesov MV, Kireev DA, Shibeko A.M., Sinauridze E.I., Ananyeva N.M., Butylin A.A., Saenko E.L., Ataullakhanov F.I.
2000-11-30 J Thromb Haemost. Two subpopulations of thrombin-activated platelets differ in their binding of the components of the intrinsic factor X-activating complex. Panteleev M.A., Ananyeva N.M., Greco N.J., Ataullakhanov F.I., Saenko E.L.
2000-11-07 J Thromb Haemost. Initiation and propagation of coagulation from tissue factor-bearing cell monolayers to plasma: initiator cells do not regulate spatial growth rate. Ovanesov MV, Ananyeva N.M., Panteleev M.A., Ataullakhanov F.I., Saenko E.L.
2004-08-01 Biochem J. Kinetics of Factor X activation by the membrane-bound complex of Factor IXa and Factor VIIIa. Panteleev M.A., Saenko E.L., Ananyeva N.M., Ataullakhanov F.I.
2000-10-17 Eur J Biochem. Tissue factor pathway inhibitor: a possible mechanism of action. Panteleev M.A., Zarnitsina VI, Ataullakhanov F.I.
2004-02-01 Биофизика От неравновесной термодинамики к нелинейной динамике Лобанова Е.С., Бутылин А.А., Атауллаханов Ф.И.