Первые попытки объяснить деление клетки делались на живых клетках (точнее, на медленно умирающих), без использования гистологических красителей. К середине 1870-х годов различные исследователи сообщили о том, что короткие стержнеобразные структуры которые Эдуард ван Бенеден назвал bâtonnets[45], или «маленькие палочки», появлялись в потревоженной цитоплазме на месте, где последний раз видели ядро. Но загадки, из чего состояли «маленькие палочки», откуда они появились и что они делали, оставались неразгаданными до тех пор, пока один человек не сел за микроскоп и не посвятил 40 лет тому, чтобы разобраться, что происходило на самом деле.
Держаться за нити
Вальтер Флемминг был одним из немногих по-настоящему симпатичных людей в истории изучения ДНК. Он был любим своими студентами[46] за «сердечность и благожелательность», а бедняками города, ставшего ему родным, за то, что отдавал им четверть зарплаты и учил их детей бесплатно.
Когда 33-летний Флемминг занял пост профессора анатомии в Кильском университете в феврале 1876 года, он возвращался к своим корням в северной Германии. После счастливого детства, проведенного в Заксенберге, изучение медицины заставило его вести кочевой образ жизни, переезжая из Геттингена в Росток через Тюбинген (он на пару лет разминулся там с Фридрихом Мишером) и Берлин. Получив докторскую степень в 1868 году, он работал в Праге, где бескомпромиссные националистически настроенные чешские студенты превратили его жизнь в настоящий ад так что он удалился в захудалый университет имени Кристиана Альбрехта в Киле[47], один из самых маленьких в Германии.
Благодаря большому торговому флоту Киль был процветающим городом, но в нем было немало признаков обеднения. Когда Флемминг приехал, Анатомический институт ютился в некогда величественном, но пришедшем в упадок особняке рядом с центром города. Флеммингу приходилось бороться с хронической нехваткой денег, помещений и трупов для вскрытия не говоря уже о борьбе с администрацией университета, которая пыталась украсть его заработок. Но он совершил великие дела с таким малообещающим материалом и превратил свой институт в один из ведущих мировых центров по изучению жизненных процессов.
Флемминг посвятил оставшуюся часть своей карьеры тщательному анализу мелких деталей деления клетки. Ему способствовали хорошие микроскопы, терпение, достойное святого, способность поймать момент и «превосходные» клетки огненной саламандры. Эта нарядная черно-желтая амфибия, похожая на тритона, примечательна тем, что она ядовита[48] и что у нее большие прозрачные клетки, обрамляющие жабры и мочевой пузырь, в которых ее хромосомы (их всего шесть, а потому их легко отследить) видны в самом выгодном свете. Флемминг начал наблюдать за процессом в неокрашенных тканях и увидел «нити», которые появляются в том месте, где было ядро, когда его очертания растворились. Это соответствовало «маленьким палочкам», о которых уже сообщалось другими исследователями, но последующие детали было трудно различить.
Его огромный скачок вперед заключался в том, что он окрашивал разделяющиеся клетки разными гистологическими красителями. Он первым зафиксировал образцы смертоносным коктейлем из солей металлов и уксусной кислоты («раствор Флемминга», до сих пор используемый сегодня), который позволял надежно заблокировать клеточный механизм. Благодаря красителям предметное стекло микроскопа дало принципиально новый уровень понимания. Застывшие в момент смерти клетки и окрашенные в красный цвет сафранином или в темно-синий гематоксилином, нити теперь выступали поразительно четко. Затем Флемминг реконструировал весь процесс по «моментальным снимкам» нитей, сделанным на разных этапах процесса деления клетки. Чтобы убедиться, что результаты его наблюдений не являются уникальными для саламандр, он также проследил за делением клеток ирисов и морских ежей.
Свои первые несколько лет исследований он описал в трех больших статьях и монументальной книге[49] (1882 год), все они были прекрасно проиллюстрированы его собственными рисунками тщательно отрепетированного танца нитей. Сначала они выглядели как спутанный клубок на месте, где раньше было ядро, затем перестроились в лучистую звезду, которая затем превратилась в плоскую пластину в середине веретенообразной структуры, сформировавшейся от края до края клетки. В этот момент каждая нить продольно разорвалась посередине. Затем разделенные полунити разбились на две группы, которые отправились к противоположным концам веретена; каждая группа собралась в новый моток, вокруг которого сформировалось новое дочернее ядро.
Флемминг ошибочно полагал, что нити образуют единую цепочку, которая разделяется на отдельные куски для деления клетки, но практически все остальное он понял правильно. Он назвал интенсивно окрашивающийся материал нитей хроматином, от греческого «цвет». Этот термин был подхвачен в 1888 году Вильгельмом Вальдейером, который переименовал нити Флемминга в «хромосомы» («окрашенные тельца»)[50]. Полунити, которые порождают хромосомы дочерних клеток, впоследствии назвали хроматидами. Представление Флемминга о нитях сохранилось до сегодняшнего дня. Он назвал процесс митозом (от греческого «нить»), который стал современным термином. Его почти поэтические наименования «клубок» и «звезда» были заменены более прозаическими терминами, но сам процесс митоза в целом соответствует описанному им (Рис. 3.3).
Острый глаз Флемминга подметил и другие важные детали. Он описал «центриоль»[51], такую маленькую, что она может показаться просто игрой света. Центриоль обычно тихо сидит рядом с ядром. Потом, когда ядро начинает таять, она становится поразительно активным маленьким тельцем. Центриоль сама разделяется на две половинки, которые мигрируют к противоположным концам клетки, за каждой из них тянется хвост, как за крошечной кометой. Два хвоста соединяются в середине, образуя веретено, к которому прикрепляются хромосомы для последних па своего танца.
Рис. 3.3. Деление клетки (митоз) с указанием этапов процесса.
Он продолжил изучать образование икринок и сперматозоидов у саламандр и морских ежей и обнаружил, что деление клетки не заканчивается так, как в других тканях. Эти зародышевые клетки проходят стадии митоза точно так же, как клетки жабр и мочевого пузыря но две дочерние клетки потом еще раз подвергаются делению, так что получается четыре клетки, каждая из которых содержит только половину нормального количества хромосом (т. е. три у саламандр). Это наблюдение, сделанное в 1883 году, подтвердило результаты ван Бенедена о том, что сперма и икра лошадиной острицы содержит половину от числа хромосом, имеющихся в клетках других тканей.
Флемминг идеально описал этот процесс[52], но никак не назвал его. Это сделали Дж. Б. Фармер и Дж. Э. Ш. Мур, назвавшие процесс «мейоз»[53] в статье, опубликованной в 1905 году. Окончательное редукционное деление важный этап в подготовке яйцеклеток и сперматозоидов к слиянию, в результате которого получается оплодотворенная яйцеклетка, содержащая полный набор хромосом, при этом от каждого из родителей поступает половина генетического материала.
Notes
1
Роберт Олби, см. Olby 1974, с. xix xxi.
2
Jennings C. From Bosnia to Syria the investigators identifying victims of genocide. Guardian, 10 Nov 2013; Emric A., Cerkez A. Bosnian Mom buries two sons 19 years after massacre. San Diego Union-Tribune, 10 July 2014.
3
Fackenthal J. D., Olopade O. I. Breast cancer risk associated with BRCA1 and BRCA2 in diverse populations. Nature Reviews Cancer 200; 7:93748. Ген BRCA1 кодирует белок, который восстанавливает разрывы ДНК, вызванные неконтролируемым клеточным делением; мутации, подобные этой, препятствуют белку выполнять свою обычную функцию и вызы-вают предрасположенность к раку.
4
Haensch S., Bianucci R., Signoli M. Distinct clones of Yersinia pestis caused the Black Death. PloS Pathog 2010; 6:e1001134. doi: 10.1371/journal.ppat.101134. ДНК чумной бактерии (Yersinia) лучше всего сохраняется в зубах и костях своих жертв.
5
Wang H-L., Yan Z-Y., Jin D-Y. Reanalysis of published DNA sequences from Cretaceous dinosaur egg fossils. Mol Biol Evol 1997; 14:58991.
6
Keller A., Graefen A., Zink A. New insights into the Tyrolean Icemans origin and phenotype as inferred by whole-genome sequencing. Nature Communications 2012; 3:698. У Этци, вероятно, были карие глаза, группа крови O и непереносимость лактозы.
7
Watson & Crick 1953a.
8
Пространные выдержки из писем Мишера приведены в книге Дама (Dahm); оригиналы приведены в книге Miescher, Histochemischen und Physiologischen Arbeiten, том 1 (научная переписка) и том 2 (личная переписка)
9
Dahm, Miescher p. 2756; Buess, p. 2568.
10
Dahm, p. 2769.
11
Dahm, p. 278.
12
Dahm, p. 2768.
13
Buess, p. 256.
14
Dahm, p. 279.
15
Три работы: Miescher 1871; Plosz, P. Über das chemische Verhalten der Kerne der Vogelh und Schlangenblutkörperchen. Там же 4:461462; Hoppe-Seyler F. Über die chemische Zusammensetzung des Eiters. Там же 4:486501.
16
Dahm, p. 281.
17
Молекулярная масса соединения представляет собой сумму масс всех его атомов; если принять относительную массу водорода (H) за 1, атомная масса углерода (C) составляет 12, а кислорода (O) 16. Химическая формула глюкозы (являющейся моносахаридом) C
6
12
6
32662
492388
98245
131196
7500
2340
18
Miescher 1874a.
19
Miescher 1874b.
20
Dahm, p. 275.
21
Miescher F. Über das Leben des Rheinlachses im Süsswasser. Arch Anat Physiol, Anat Abt 1881; 193218.
22
Suter F. Prof. F. Miescher: Persönlichkeit und Lehrer. Helv Phys Pharm Acta 1944; suppl. 2:617.
23
Portugal & Cohen, p. 28.
24
Miescher, Arbeiten, p. 12.
25
Baumann E., Kossel A. Zur Errinnerung an Felix Hoppe-Seyler. Zeitschrift für physiologische Chemie 1895; xxi:1; Anonymous. Obituary Felix Hoppe-Seyler. Brit Med J 1895; 2:6878.
26
Miescher J. F. Die Histochemischen und Physiologischen Arbeiten von Friedrich Miescher, eds His W., Schmiedeberg O., vols 1 and 2. Leipzig: Verlag F.C.W. Vogel, 1897.
27
Buess, p. 257.
28
Buess, p. 258.
29
Olby R., Posner F. An early reference to genetic coding. Nature 1967; 215:5567.
30
Miescher, Arbeiten, p. 116, 122, 127.
31
Карнрик Дж. Протонуклеин и метод его приготовления. Патентное бюро США, заявка 587, 278, зарегистрирована 4 января 1895 года.
32
Summers T. O. Leucocytes and nucleins. J Am Med Ass 1895; 24:9636.
33
Anonymous. Obituary Notice. Robert Brown, Esq. Annals & Magazine of Natural History, Series 3. 1858; 2:802.
34
Из письма Жозе Коррея да Серра Джозефу Бэнксу, цитируется по Mabberly, p. 5960.
35
Mabberly, p. 65.
36
Brown R. A brief account of the microscopical observations on the particles contained in the pollen of plants Edin New Philosoph 1828; 5:35871. Доступно онлайн: sciweb.nybg. org/science2/pdfs/dws/Brownian.pdf. В 1905 году Эйнштейн доказал, что данное явление обусловлено столкновением частиц во взвешенном состоянии с молекулами воды: Einstein A. Über die von der molekularkinetischen Theorie der Wärme geforderte Bewegung von in ruhenden Flüssigkeiten suspendierten Teilchen. Ann Phys 1905; 17:549560.
37
Pearle P., Collett B., Bart K. What Brown saw, and you can too. Am J Physics 2010; 78:127889. Подтверждение того, что через микроскопы Броуна можно было различить броуновское движение.
38
Brown R. Trans Linn Soc London 1833.
39
Некоторые виды орхидей оплодотворяются осами или пчелами, которые спариваются (безуспешно) с напоминающими насекомых элементами передней части цветка.
40
Там же, с. 110.
41
Coleman W. Cell nucleus and inheritance: an historical study. Proc Amer Phil Soc 1965; 109:12838.
42
Haeckel E. Generelle Morphologie der Organismen. Berlin: G. Reimer, 1866, vol. 2, p. 2878.
43
Miescher F., Arbeiten, letter 1897; i:1078.
44
Spalding K., Bhardwaj R. D., Bucholtz B. A. Retrospective birth dating of cells in humans. Cell 2005; 122:13343.
45
Van Beneden.
46
Dröscher A. Flemming, Walther. eLS. Chichester: John Wiley & Sons, March 2015, p. 14. Doi: 10.1002/9780470015902.a0002790.
47
Paweletz N. Walther Flemming: pioneer of mitosis research. Nature Rev Mol Cell Biol 2001; 2:725.
48
Некоторые родственники огненной саламандры еще более опасны; см. De Lisle H. Poisoning from the rough-skinned newt. Herpetology 2010; 13:712. Некий человек проиграл спор о том, что проглатывание одного тритона не может быть смертельным. Не пробуйте это дома.
49
Flemming 1882. См. также Flemming W. Beiträge zur Kentniss der Zelle und ihre Lebensscheinungen, Theil II. Arch für Mikroskop Anatomie 1880; 18:159259; в английском переводе: Flemming W. Contributions to the knowledge of the cell and its vital processes. J Cell Biol 1965; 25:169.
50
Waldeyer W. Über Karyokinese und ihre Beziehungen zu den Befruchtungsvorgängen. Arch Mikrosk Anat 1888; 32:1122.
51
Flemming W. Attraktionsphären und Zentralkörper in Gewebs- und Wanderzellen. Anat Anz 1891; 6:7886.
52
Flemming 1887.
53
Farmer J. B., Moore J. E. S. On the meiotic phase (reduction divisions) in animals and plants. Quart J Microscop Sci 1905; 48: 489557. См. также Hamoir 1992.