Введение к работе
Актуальность проблемы. Способность клеток изменять направление своего движения относительно внешнего стимула является одной из отличительных особенностей многих подвижных клеток и одноклеточных организмов на различных стадиях их развития. Направленное движение клеток в ответ на действие внешнего сигнала в литературе определяют как поведение клеток (Parkinson, 1975; 1977; Diehn et al., 1977; Macnab, 1978; Kung, Saimi, 1982; Hinrichsen, 1993).
В последние годы предпринимаются многочисленные попытки изучения механизмов регуляции поведенческих реакций как отдельных клеток, так и одноклеточных организмов. Поведение является наиболее сложной формой жизнедеятельности организма и в самом общем виде представляет собой формируемый организмом отклик на сигналы, поступившие к нему из окружающей среды (Гаазе-Рапонорт, Поспелов, 1987). Успехи генетики и молекулярной биологии, одними из основных объектов которых являются одноклеточные организмы, привели к выявлению весьма своеобразных и совершенных молекулярных механизмов, лежащих в основе взаимодействия клетки с окружающей средой и последующей ориентированной относительно внешнего раздражителя двигательной реакции — поведенческой реакции. Поведенческие реакции часто называют таксисами ( Adler, 1975; Maier, 1993).
Одноклеточным организмам свойственны такие поведенческие реакции, как хемотаксис, фототаксис, аэротаксис, гравитаксис, термотаксис, вискозотаксис н магпитотаксис. Выявлены взаимосвязи регуляции поведенческих реакций отдельных клеток с такими фундаментальными процессами, как транспорт и трансформация энергии, межклеточная сигнализация при половом размножении, морфогенез и регуляция жизненного цикла. У одноклеточных зеленых водорослей, которые являются объектом нашего изучения, также была описана способность к поведению (Bean, 1977; Feinleib, 1978; Hader, 1988; Kreimer, 1994).
Вместе с тем, к началу нашей работы в литературе обсуждались преимущественно евстозависимые поведенческие реакции одноклеточных зеленых водорослей, и практически отсутствовали какие-либо сведения, которые позволили бы достоверно судить о способности подвижных клеток этой группы организмов к другим типам поведения и, прежде всего, к хемосенсорному поведению.
О важности хемосепсорного поведения свидетельствует широкая распространенность этого явления среди организмов: бактерий, простейших, некоторых грибов и водорослей. Установлено, что способность к хемотаксису лежит в основе направленного движения гранулоцитов, макрофагов и лимфоцитов крови животных и человека (Кипа et al., 1995; Taub et al., 1995). Однако структурно-функциональная и молекулярная организация системы хемотаксиса сравнительно подробно изучена только у бактерий, клеточного мпксомицета Dictyostelium di-scoideum и простейших родов Paramecium и Tetrahymena. В связи с этим, изучение поведенческих реакций фототрофных эукариот может представлять не только самостоятельный научный интерес, но и позволит судить об эволюции сенсорных систем, контролирующих направленное движение у организмов различного уровня организации. С целью расширения, углубления и детализации исследований механизмов, регулирующих поведенческие реакции, необходимо привлечение новых модельных объектов.
Цели и задачи исследования. Целью настоящей работы являлось комплексное исследование поведенческих реакций одноклеточных зеленых водорослей, а также выявление возможных механизмов копт-роля направленного движения в ответ на сигналы различной природы. Задачи работы были связаны с решением принципиальных вопросов, ранее не освещенных в литературе. В частности, предполагалось экспериментально исследовать и теоретически проанализировать:
-
Разнообразие типов поведенческих реакций у одноклеточных зеленых водорослей.
-
Возможные механизмы ориентации вегетативных клеток и гамет в ответ на хемосенсорные сигналы.
-
Особенности механизмов, передающих хемосенсорные сигналы к жгутиковому аппарату.
-
Общие этапы в управлении движением в ответ на действие сигналов различной природы.
-
Локализацию генов хламидомонады, контролирующих поведенческие реакции в ответ на химические стимулы.
-
Эволюционные тенденции формирования механизмов контроля поведенческих реакций жгутиковых фототрофных одноклеточных эукариот и других подвижных организмов.
Научная нопизна работы. Получен фактический материал, показывающий, что одноклеточные зеленые водоросли обнаруживают не только фото-, но и хсмосенсорное поведение относительно химических сигналов органической природы. Впервые для растительных клеток выявлен тип поведенческой реакции, при которой происходит межклеточная сигнализация в ходе жизненного цикла и которая не связана с половым размножением. Описаны различные механизмы изменения направления движения при хемотаксисе одноклеточных зеленых водорослей, что свидетельствует о существовании различных путей формирования механизмов поведенческих реакций даже у близкородственных организмов. Установлено, что механизмы контроля направления движения при хемотаксисе те же, что и в случае фототаксиса, причем клетка способна осуществлять интеграцию фото- и хемосигналов. Предложена схема взаимодействия сенсорных сигналов п клетках Chlamydomonas. Разработан метод отбора хемотактических мутантов. Впервые для эукариотических нодророслей получены мутанты с нарушенным хемосенсорпым поведением. Показано, что у Chlamydomonas reinhardtii хемотаксис контролируется рядом ядерных генов. Впервые установлено существование поведенческих реакции, связанных не с регуляцией направленного движения, а с регуляцией адгезии подвижных клеток. Таким образом, обнаружен второй (кроме контроля направленного движения) тин поведения у зеленых водорослей.
Научная и практическая значимость. Работа является первым комплексным исследованием поведенческих реакций у эукариотических водорослей. Получены новые данные о различных типах поведенческих реакций у одноклеточных зеленых водорослей, а таюке исследованы механизмы ориентации клеток в ответ на сигналы различной природы. Создана коллекция поведенческих мутантов Chlamydomonas reinhardtii, которая может быть использована для изучения молекулярио-гепетических основ движения и поведения. Данные и методические разработки, представленные в работе, используются в учебном процессе на биолого-почвенном факультете Санкт-Петербургского государственного университета.
Апробация работы. Результаты исследований и основные положения диссертации доложены и обсуждены на следующих научных конференциях: I Всесоюзной конференции «Актуальные проблемы современной альгологии» (Киев, 1987), VIII съезде ВБО (Алма-Ата, 1988), II съезде ВОФР (Москва, 1992), III съезде ВОФР (Санкт-
Петербург, 1993), VI Международной конференции по клеточной и молскулярноіі биологии хламидомонады (Гранлибакксн, США, 1994), конференции «Автотрофные микроорганизмы» (Москва, 1996), VII Международной конференции по клеточной и молекулярной биологии хламидомонады (Регенсбург, Германия, 1996), I Европейском фикологическом конгрессе (Кельн, Германия, 1996), III Международном симпозиуме «Физико-химические основы физиологии растений и биотехнология» (Москва, 1997), VI Международном фикологическом конгрессе (Лейден, Нидерланды, 1997), III Международном конгрессе по биологии и систематике зеленых водорослей (Смолсиице, Словакия, 1997).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 30 работ.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 7 глав, включающих результаты, обсуждение, обзор литературы и методы исследования, заключения, выводов, списка цитируемой литературы и приложения. Работа изложена на 228 страницах машинописного текста, содержит 39 таблиц, 42 рисунка, список литературы включает 369 наименований.