INTERACTION OF PRO- AND EUKARYOTES AND THE PROBLEMS OF TISSUE BIOLOGY

Full Text

Проблемы симбиотических отношений различных организмов широко обсуждаются биологами начиная с середины XIX в. Тем не менее, даже само понятие «симбиоз» трактуется исследователями по-разному. Одни из них относят к симбиозу все взаимоотношения видов, включая паразитизм, другие - считают симбиозом только взаимовыгодные для обоих видов взаимоотношения [33, 55, 56, 61]. В конце 60-x годов XIX в. известным отечественным биологом А. С. Фаминцыным на основании изучения лишайников (представляющих собой симбиоз гриба и водоросли) была выдвинута концепция о происхождении организмов в ходе эволюции в результате симбиоза видов. Термин «симбиогенез» для обозначения этой концепции в 1909 г. предложил К. С. Мережковский [9, 46]. Впоследствии А. С. Фаминцын высказал предположение о симбиогенезе как одном из ведущих факторов эволюции [41] и предпринял попытку теоретически и экспериментально обосновать роль симбиогенеза в эволюционном процессе. Симбиоз неродственных организмов является одним из наиболее эффективных отражений их адаптации к использованию трофических ресурсов среды [5, 20, 25-29, 33, 34, 36-38, 42, 55, 64]. Проведённые в последние десятилетия молекулярные исследования симбиотических взаимодействий клеточных элементов (и организмов) различного генеза утвердили представление о том, что клеточный и внутриклеточный симбиоз могут определять ряд структурно-функциональных (на уровне генома) перестроек клеток организма [20, 28, 40]. С открытием плазмид и их способности переносить фрагменты ДНК из одной клеточной структуры в другую, из одного организма в другой была показана естественная возможность интеграции геномного материала различных клеток в ходе их симбиотических взаимодействий. Выявлено, что патогенные микроорганизмы, в частности, вирусы, играют важную роль в популяционной динамике и поддержании генетического полиморфизма своих хозяев [28, 61]. Анализ различных симбиотических взаимоотношений про-и эукариот показал, что они могли быть одним из факторов, которые ещё на ранних этапах эволюции биологических систем в значительной степени определяли ход эволюции многоклеточных организмов [20, 58]. В процессе своего исторического развития симбиозы претерпели быструю прогрессивную эволюцию, которая привела к становлению новых типов организации, расширивших адаптивные возможности партнёров. Эти эволюционные новации наиболее отчетливо выражены при взаимовыгодном (мутуалистическом) взаимодействии организмов. В этом случае коэволюционные процессы могут приводить к необратимым структурно-функциональным и генетическим изменениям партнёров, которые претерпевают интегративную эволюцию, следуя по пути «факультативные симбиозы→экологически облигатные симбиозы→генетически облигатные симбиозы→новые организмы» [25, 59]. С использованием методов электронной микроскопии были изучены явления продолжительного существования прокариот в клетках многих эукариот. Длительное их внутриклеточное персистирование было описано на примере представителей различных классов беспозвоночных и позвоночных [5, 11, 12, 33, 54, 63]. Было выявлено [11, 20, 54, 63], что в бактериях, входящих в состав кишечной симбионтной микрофлоры у ряда животных, имеются эндосимбионты (спирохеты), локализованные в вакуолях эндоплазматической сети этих бактерий. Обнаружено, что спирохеты вступают в различные виды симбионтных отношений, т. е. в данном случае имеет место наличие симбионтов первого и второго порядка. Обнаружено также, что размножение этих эндосимбионтов второго порядка синхронизировано с размножением эндосимбионтов первого порядка [20]. Выявлены факты проникновения симбионтных прокариотических организмов в гаметы эукариот на стадии их формирования [11, 20]. Показана зависимость процессов репродукции клетки-хозяина от наличия в ней эндосимбионтов. Например, характерный для инфузорий сложный половой цикл никогда не наблюдается у тех, которые лишены эндосимбионтов, причём его не удается индуцировать [20, 57]. В последние десятилетия обнаружены уникальные тесные симбиотические взаимоотношения между организмом погонофор и некоторых хемосинтетических бактерий. Установлено, что клетки тела погонофор (животных, живущих на дне океана на глубинах 3-10 км в области рифтовых разломов, где много геотермальных источников) содержат огромное количество бактерий, которые способны синтезировать органические вещества из неорганических [22]. Погонофоры живут в условиях повышенного содержания сероводорода в воде (за счёт его выхода из трещин в океаническом дне) [14]. При этом он переносится кровеносной системой погонофор к бактериям, которые осуществляют хемосинтез, образуют органические вещества для нужд как внутриклеточных (для питания клеток), так и всего организма погонофор. В этой связи надо отметить, что у погонофор пищеварительная система имеется только в эмбриогенезе, у взрослых особей она редуцируется (после инфицирования организма бактериями), и их питание осуществляется только за счёт веществ, синтезированных автотрофными бактериями-симбионтами [22]. В связи с тем, что при этом образуется много биомассы (10- 15 кг/ м2), исследователи иногда по отношению к погонофорам употребляют термин «автотрофные животные». Надо отметить, что погонофоры - это не какие-то микроскопические существа, некоторые особи достигают длины 1-1,5 м, а толщины - от нескольких миллиметров до 5-10 см [16, 22]. Вместе с тем, недостаточно исследованы морфофункциональные характеристики различных тканей с позиций симбиотических взаимодействий про-и эукариот. Практически нет работ, которые были бы посвящены анализу тканей тех живых организмов, существование которых невозможно без внутриклеточного симбиоза клеток их организма с микроорганизмами (как, например, это имеет место у некоторых насекомых или погонофор). Следует отметить, что погонофоры (новый тип животных) были открыты, когда представления о системе тканей животных уже давно сформировались. Их открыл в середине XX в. выдающийся отечественный зоолог и морфолог Артемий Васильевич Иванов (1906-1992). За открытие и описание погонофор [16] он в 1961 г. был удостоен Ленинской премии. В этой связи существенное значение имеют такие аспекты биологии, как адаптация тканей, их структурно-функциональная реорганизация, физиологическая и репаративная регенерация, механизмы симбионтных отношений про-и эукариот в тканевых структурах и др. На большие адаптивные возможности тканей симбиотической системы «многоклеточный организм - бактерии» указывают возможности существовать в условиях высокой температуры, колоссального давления, причём в химически агрессивной среде. Адаптивные возможности бактерий значительны, их эволюционная история составляет около 4 млрд лет. При этом в симбионтной системе «многоклеточный организм - бактерии» возрастают и адаптивные возможности тканей многоклеточного организма. Интерес к проблеме симбиоза про-и эукариот увеличивается ещё и потому, что в последние десятилетия становится всё более очевидным, что не только высшие организмы, но и одноклеточные способны к тем или иным формам коллективных взаимодействий (социальное поведение), обмену информацией (коммуникация), к формированию более или менее целостных ассоциаций из многих индивидов (биосоциальных или просто социальных систем) [1, 21]. Несмотря на критическое отношение ряда биологов к симбиогенезу, как одному из ведущих факторов эволюции, в XX и XXI вв. концепция симбиогенеза находила много сторонников [20, 25-27, 31]. К настоящему времени общепризнанными являются факты происхождения внутриклеточных органелл - митохондрий и хлоропластов от прокариотических симбионтов [32, 58, 61]. Эта концепция указывает также и на возможный вклад длительной персистенции микроорганизмов в процессы эволюции различных таксономических групп эукариотических многоклеточных организмов. Высшие организмы в большинстве своём не персистентны. Они появляются, достигают максимума численности в определённую эпоху и затем вымирают, а бактерии действительно персистентны. Доказательством этого утверждения является то, что на протяжении 3,5 млрд лет их морфологическая эволюция выражена слабо [14]. В этой связи следует отметить, что существующие определения тканей [3, 6, 10, 48] не полностью подходят для тканей некоторых животных, существование которых невозможно без эндосимбионтов. По существу ткани таких животных организмов являются симбиотическими системами и при формулировании определения понятия «ткань» необходимо учитывать, что это система взаимодействий про-и эукариот. К числу важнейших проблем симбиоза относится проблема внутриклеточной персистентности микроорганизмов в эукариотических клетках. Она важна как при выяснении причин возникновения и развития различных инфекционных патологических процессов в организме животных и человека, так и при разработке способов борьбы с этими инфекциями и выработке мер их профилактики. Общеизвестно, что взаимодействия с болезнетворными бактериями, вызывая инфекционные заболевания, производят селекцию более устойчивых организмов. Этот природный процесс - один из наиболее мощных факторов, имеющих прямое отношение к естественному отбору, на котором зиждется эволюционное развитие живой материи от момента её зарождения до настоящего времени [30]. Что же касается длительной персистенции непатогенных микроорганизмов в эукариотических клетках млекопитающих, то до последней трети XX в. сохранялось представление о невозможности их длительного внутриклеточного эндосимбиотического взаимодействия. В упрощённом виде такое представление можно изложить в виде выражения «внутренняя среда организма стерильна», т. е. не содержит микроорганизмов. К настоящему времени доказаны факты длительной персистенции патогенных и условнопатогенных микроорганизмов внутри эукариотических клеток [5, 12, 15, 33, 38]. В последние десятилетия обнаружено, что число видов микроорганизмов, которые населяют организм человека и животных, исчисляется сотнями, и роль многих из них до конца не выяснена. Имеются также работы, в которых указано на существенную роль микробиоты в иммунологической защите организма [13, 15, 17, 60]. Есть исследования, показывающие нарушение органов иммуногенеза у гнотобионтных животных [43-45, 51, 52]. Накапливаются данные, указывающие на то, что микроорганизмы, составляющие основу естественных микробиоценозов организма человека и животных, также обладают набором биологических свойств, позволяющим им осуществлять внутриклеточную персистенцию в эукариотических клетках [8, 18, 33, 50]. Так, А. А. Стадниковым и соавт. [35-38] были установлены факты длительной сохранности ряда патогенных и условно-патогенных микроорганизмов в эпителиальных, соединительнотканных и гладких мышечных клетках слизистых оболочек органов дыхания и пищеварения [34-38]. При этом длительная внутриклеточная персистенция микроорганизмов отмечалась на фоне отсутствия отчетливо выраженных ультраструктурных повреждений ядерных и цитоплазматических компартментов эукариотических клеток. Морфологическими эквивалентами адаптивных преобразований в эукариотических клетках, находившихся в условиях внутриклеточного взаимодействия с прокариотами, являлись повышение доли эухроматиновых структур в ядре, числа поровых комплексов в ядерной оболочке, возрастание площади, занимаемой структурами эндоплазматической сети и комплексом Гольджи, увеличение размеров митохондрий и значительное повышение (в 2-3 раза) численности свободных рибосом. Основными компартментами эукариотических клеток, в которых отмечалось расположение морфологически сохранных микроорганизмов, были расширенные тубулярные и везикулярные структуры эндоплазматической сети. Сходные ультраструктурные преобразования эукариотических клеток в процессе их эндосимбиотических взаимодействий с клетками макроорганизмов показаны и в ряде других работ [8, 18, 50]. Вероятно, в случае персистенции микроорганизмов в системе эндосом реализуются молекулярно-генетические механизмы, которые сходны с механизмами процессов персистенции различных прокариот на мембранных структурах клетки-хозяина. Так, Н. А. Зигангирова и соавт. [15] показали некоторые аспекты молекулярногенетических перестроек Mycoplasma pneumoniae (являющихся факультативными либо строгими анаэробами) в процессе персистенции этих патогенных микоплазм на поверхности мембран альвеолоцитов и в межмембранных пространствах (в межальвеолярных перегородках). К настоящему времени обнаружено, что благодаря внутригеномным рекомбинационным преобразованиям микроорганизмы приобрели способность к изменчивости своих свойств, обеспечивающих противостояние защитным реакциям макроорганизма. В серии фундаментальных работ по выяснению персистентных свойств патогенных микроорганизмов были открыты ряд ранее неизвестных их свойств, позволяющих длительно существовать в организме хозяина. К таким свойствам относятся: антилизоцимная, антиинтерфероновая, антикомплиментарная, антикарнозиновая, антилактоферриновая активность и некоторые другие [5, 8]. Известно, например, что патогенность Shigella flexneri основана на их способности проникать в эукариотические клетки и использовать белки цитоскелета клетки-хозяина для построения микрофиламентных структур и распространения между клетками. При этом блокирование одного механизма, обеспечивавшего персистенцию, приводит к быстрому появлению совершенно нового механизма. Так, Е. С. Божокина и И. В. Матвеев [4] показали, что у Shigella flexneri даже экспериментальное (с помощью препаратов нитрофуранового ряда) уничтожение кластера «вирулентных» генов, ответственных за проникновение этих бактерий в эукариотические клетки, не нарушает этой способности, в этом случае она обеспечивается активацией бактериальных протеаз. Повышенный интерес к изучению взаимодействий про-и эукариот способствовал созданию ряда экспериментальных моделей, позволяющих воссоздавать взаимодействия про-и эукариот, в том числе и в условиях культур клеток и тканей. К таким моделям относится, например, способ длительного культивирования персистентноинфицированных микроорганизмами (хламидиями С. psittaci) эукариотических клеток (почки сайги) в перевиваемой линии клеток [17]. Имеются данные, показывающие, что патогенные микроорганизмы могут стимулировать обменные процессы в клетках [13, 19], и подобные взаимоотношения свидетельствуют в пользу того, что в этих случаях имеют место типичные симбиотические отношения. В последние годы разработаны методические приёмы и подходы, позволяющие подойти к расшифровке вопросов, касающихся регуляторных механизмов, обеспечивающих процессы длительных симбиотических взаимодействий про-и эукариотических клеток в условиях целостного многоклеточного организма. Выявлено, что в процессе длительных эндосимбиотических отношений как макро-, так и микроорганизмами выработаны адаптационные механизмы, обеспечивающие динамическое равновесие в системе «эукариотическая клетка - прокариотическая клетка» [5, 7, 33, 37, 38, 47, 49]. Характеризуя взаимоотношения макро-и микроорганизмов на примере слизистой оболочки ротовой полости человека, В. Л. Быков [6] указывает, что ее структура и функция отражают длительную эволюционную адаптацию к этим микроорганизмам и могут быть поняты только с учётом характера взаимодействий между её тканями (в первую очередь, эпителием) и микрофлорой. Он указывает также, что колонизируя слизистую оболочку, резидентная микрофлора оказывает на неё постоянное воздействие, не вызывая развития патологических процессов. Более того, подчёркивает, что эта флора играет защитную роль, поддерживая активность барьерных механизмов и иммунной системы и препятствуя (прямо и косвенно) колонизации слизистой оболочки патогенными видами микробов [7]. Механизмы регуляции функций симбионтных прокариот с помощью гормонов макроорганизма (организма хозяина) описаны для некоторых случаев симбиоза прокариот в организме насекомых. Например, показано влияние гормонов линьки экдизонов (стероидных гормонов, стимулирующих линьку и метаморфоз) насекомого-хозяина (термита) на репродукцию симбионтных прокариотических организмов, расщепляющих целлюлозу в кишечнике термитов [53]. Одним из важных факторов, обеспечивающих оптимальные условия для взаимодействия прокариот с клетками и тканями эукариот (в условиях целостного организма млекопитающих), являются нонапептиды передней гипоталамической области [33-38, 60, 62]. В последние десятилетия было выявлено, что нейрогормоны ядер этой области оказывают на клетки организма позвоночных [23, 24, 33-36] широкий спектр биологических действий, которые в совокупности можно определить как охранительно-тормозные и адаптивные. Приведённые А. А. Стадниковым [33, 34] данные убедительно демонстрируют адаптогенное и модулирующее влияние нонапептидов крупноклеточных ядер передней гипоталамической области на процессы эндоцитосимбиотических взаимодействий про-и эукариот в условиях целостного организма млекопитающих. Анализ проявлений феномена «укрытия» бактериальных клеток в системе «эндосомы - пластинчатый комплекс Гольджи» эукариотических клеток [33-38] позволил с новых позиций оценить механизмы взаимодействий про-и эукариотических клеток в целостном организме млекопитающих. Сопоставление фактов внутриклеточной персистенции бактерий с морфофункциональными изменениями в нейронах крупноклеточных ядер гипоталамуса позволяет утверждать, что молекулярно-генетические и ультраструктурные повреждения нейросекреторных клеток нонапептидергических центров гипоталамуса являются важными факторами, обеспечивающими персистентный потенциал микроорганизмов. А. А. Стадниковым сформулирована концепция о роли и значимости гипоталамических нонапептидов как модуляторов межклеточных взаимодействий в регуляции процессов взаимодействий про-и эукариот в целостном организме млекопитающих, показано их значение в обеспечении долговременной (структурной) адаптации и компенсации нарушенных функций, экономии материальных ресурсов эукариотических клеток, осуществляющих симбиоз с прокариотами [33, 34]. Гипоталамические нонапептиды (вазопрессин, окситоцин) имеют длительную эволюционную историю. Они существуют у всех позвоночных (эволюционная история которых насчитывает сотни миллионов лет) и многих беспозвоночных. Возможно, что эти нонапептиды выполняли адаптогенную роль для клеток эукариот при их взаимодействиях с прокариотами на ранних этапах эволюции. Если учесть известные сведения, что секреция экдизонов регулируется пептидными гормонами, вырабатываемыми в нейросекреторных клетках мозга насекомых [2], то тогда можно высказать мнение о роли нейропептидов как универсальных факторов регуляции взаимоотношений про-и эукариотических клеток в организме как беспозвоночных, так и позвоночных. Очевидно, многоклеточные эукариотические организмы следует представлять в качестве сложных клеточных и тканевых систем симбиотических взаимодействий про-и эукариотических клеток, причём в этой системе существенное значение принадлежит как про-, так и эукариотическим клеткам. Одним из важнейших значений эндоцитосимбиоза непатогенных бактерий в клетках эукариот, как указывал Б. В. Громов [11, 12], является увеличение биоразнообразия, так как в результате тесного взаимодействия двух (про-и эукариотических) организмов образуется, по существу, новый организм с новыми свойствами. Таким образом, на основе изучения фактов длительной персистенции патогенных микроорганизмов внутри эукариотических клеток различных тканей животных и растений [5, 20, 25, 26, 33] в последние годы накопился материал, свидетельствующий о наличии у микроорганизмов, входящих в состав естественных микробиоценозов организма человека и животных, набора биологических свойств, обеспечивающих их внутриклеточный симбиоз в эукариотических клетках млекопитающих. Формируется представление о симбиозе как особой интегративной стратегии адаптации, принципиально отличающейся от стратегий индивидуальных адаптаций. В эндоцитосимбиотических системах между микроорганизмами и клеткой-хозяином описаны различные способы взаимодействий (нейтралистические, мутуалистические, антагонистические и др.). Показаны явления стимуляции обменных процессов в эукариотических клетках патогенными микроорганизмами, выступающими в этом случае в качестве симбионтов по типу мутуализма [13, 19]. Показано также, что бактерии, совмещающие способность к внутриклеточному симбиозу и автономному существованию, обладают экотипическим полиморфизмом (стабильное сосуществование симбиотических и асимбиотических форм). Симбиотические взаимоотношения микроорганизмов с эукариотами могут являться одним из факторов изменения генома эукариотических клеток и с этих позиций быть одним из механизмов, определяющим эволюцию многоклеточных организмов. Полученные в последние десятилетия доказательства того, что многие формы патологии человека демонстрируют черты патоморфоза [39], могут служить также и доказательством проявления микроэволюционных процессов в системе «макроорганизм (организм хозяина) - микроорганизм». Хотя некоторые стороны симбиотических взаимодействий про-и эукариот в системе клеток и тканей различных организмов к настоящему времени уже описаны, однако, анализ имеющихся данных по этой проблеме свидетельствует о том, что механизмы взаимоотношений микроорганизмов с тканями эукариотических организмов чрезвычайно сложны и на пути их расшифровки сделаны только первые шаги.

About the authors

N. N. Shevliuk

Orenburg State Medical University

Department of Histology, Cytology and Embryology

A. A. Stadnikov

Orenburg State Medical University

Email: orgma@esoo.ru
Department of Histology, Cytology and Embryology

References

Supplementary files