Формирование направления плоскости деления клеток растений
• Направление плоскости клеточного деления определяется до начала митоза кольцом микротрубочек и актиновых филаментов кортекса
• В клетках, содержащих вакуоли, направление плоскости деления также определяется слоями цитоплазмы
Что определяет положение плоскости деления растительной клетки? Как ни удивительно, но не митотические веретено, поскольку плоскость, в которой выстраиваются хромосомы в метафазе, не всегда определяет направление новой перегородки.
Это говорит о том, что механизм, определяющий направление плоскости клеточного деления у растений, сильно отличается от механизма, характерного для клеток млекопитающих. У последних при взаимодействии веретена с клеточным кортексом образуется сократительное кольцо, представляющее собой актомиозиновую структуру, при сжатии которого происходит деление клетки.
В клетках растений положение новой перегородки закладывается до наступления митоза, при образовании специфической структуры — препрофазного кольца. Эта структура образуется в С2-фазе клеточного цикла, когда непосредственно под плазматической мембраной накапливаются микротрубочки, которые располагаются в виде широкой полосы, окружающей клетку.
Эти процессы представлены на рисунке ниже. В этом кольце также собираются актиновые филаменты, которые обеспечивают его сужение до тех пор, пока оно не превратится в хорошо оформленный, плотный пучок микротрубочек, расположенный по периферии клетки. Когда в результате деления образуются две одинаковые клетки, кольцо формируется в середине, а при асимметрическом делении образуется ближе к одному концу клетки.
Наряду с микротрубочками и актиновыми филаментами, которые формируют само препрофазное кольцо, другие структуры радиально отходят от поверхности ядра и соединяются с ним. Таким образом, к моменту, когда кольцо закончило сужаться, вся структура внешне напоминает колесо, в котором обод и спицы состоят из микротрубочек и актина, а ядро образует втулку. Структура кольца также обогащена элементами ЭПР и везикулами аппарата Гольджи, которые, вероятно, связаны с входящими в его состав элементами цитоскелета.
Фотография клетки эпидермиса, стимулированной к делению, сделанная в световом микроскопе.
Ядро переместилось в центр клетки, и начинается деление.
Большая часть клетки занята вакуолями,
и видны пронизывающие ее полоски цитоплазмы, которые соединяют ядро с периферией клетки.
Микротрубочки, входящие в состав препрофазного кольца и спиц, соединяющих его с ядром, на ранней стадии митоза деполимеризуются и разрушаются. Это происходит в тот момент, когда веретено находится в процессе образования, до появления первых признаков формирования новой перегородки.
Когда после митоза образуется новая поперечная стенка, то, несмотря на отсутствие полосы, это происходит точно в той же плоскости, которая была обозначена ранее. Это позволяет предполагать, что, хотя исчезли видимые элементы кольца, какие-то его следы в клеточном кортексе остались. Одна из возможностей заключается в том, что кольцо могло оставить после себя молекулы, которые определяют границы области клеточного кортекса, необходимой для слияния клеточной пластинки с исходной мембраной.
Другая возможность заключается в том, что сохранившиеся на месте кольца молекулы каким-то образом направляют рост новой стенки в направлении от центра клетки. Также кандидатами на роль регуляторов направления роста новой поперечной стенки могут являться актиновые филаменты, поскольку те из них, которые соединяют центр клетки с периферией, на протяжении митоза сохраняются.
Препрофазное кольцо является не единственной структурой, определяющей плоскость направления клеточного деления. Подготовка к делению необходима и для других типов клеток, например имеющих большие вакуоли. Вакуоли могут занимать большую часть объема растительной клетки, и при ее делении возникает проблема. Она заключается в том, что в области, не занятой цитоплазмой, трудно сформировать поперечную стенку. Эта проблема решается за счет существенной перегруппировки в предмитотическом периоде, в результате которой в клетке создается узкая полоса цитоплазмы, проходящая в плоскости будущего деления.
В пределах этой полосы, которая иногда занимает менее 5% объема клетки, образуется митотическое веретено и формируется поперечная стенка.
При делении клетки с большими вакуолями вначале необходимо перемещение ядра. Обычно в интерфазе у клетки с большим количеством вакуолей ядро ограничено тонким слоем кортикальной цитоплазмы и до начала митоза перемещается в центр клетки. Вначале лишь несколько тонких полос цитоплазмы распространяются от ядра через вакуоли и связываются с противоположной стороной клетки. При подготовке к делению число их увеличивается, и ядро перемещается в центр клетки. На рисунке ниже показана клетка, находящаяся на этой стадии.
В полосах цитоплазмы заметно присутствие актиновых филаментов, и, возможно, перемещение ядра происходит с участием актомиозинового комплекса, способного к сокращению.
Как только ядро перемещается в центр, от него по всем направлениям распространяются узкие слои цитоплазмы. На рисунке ниже видно, что по мере приближения деления эти слои сливаются вместе, образуя плоскость цитоплазмы, которая проходит через вакуоль. Эта структура поддерживается с помощью микротрубочек и актиновых филаментов и называется фрагмосома (греч. фрагма — барьер). Фрагмосома образуется одновременно с препрофазным кольцом, и обе структуры располагаются в одной плоскости.
Очевидно, что их образование скоординировано между собой, но каким образом это осуществляется, неизвестно. Не исключено, что определенную роль играют актиновые филаменты и микротрубочки, соединяющие ядро с клеточным кортексом, которые в таких клетках представляют собой более высокоорганизованные элементы цитоскелета, по сравнению с цитоскелетом мелких клеток меристемы.
Не все слои цитоплазмы сливаются вместе с образованием фрагмосомы. Некоторые из них остаются и распространяются от поверхности ядра под прямым углом к плоскости, в которой образовалась фрагмосома. Эти «полярные» слои, соединяющие ядро и клеточный кортекс, располагаются вдоль оси веретена, проходящей от одного полюса к другому. Когда эти слои разрушаются при центрифугировании или при действии веществ, деполимеризующих актин, то это приводит к неправильной ориентировке веретена. Это позволяет предполагать, что слои участвуют в ориентации митотического аппарата относительно других структур деления.
После того как ядро расположилось в центре вакуолизированной клетки,
готовой к делению, видны тяжи цитоплазмы, которые расходятся от ядра по всем направлениям и соединяют его с клеточным кортексом.
При образовании фрагмосомы концы большинства этих тяжей движутся в кортексе и сливаются друг с другом,
образуя поперечную плоскость цитоплазмы. Остается несколько структур цитоплазмы («полярных нитей»),
соединяющих ядро с кортексом по концам клетки. Фрагмосома формируется в той же плоскости, что и препрофазное кольцо.
