Плотный, эластичный и абсолютно прозрачный хрусталик глаза – настоящее чудо природы. Его малейшее потемнение превращает зрительный мир человека в хаотическое скопище вспышек, теней и искаженных образов. Причем когда его клетки приобретают даже легкую окраску, мы перестаем различать оттенки цветов.

Прозрачность хрусталика обусловлена его структурой и необычной программой развития. Клетки сформировавшегося хрусталика имеют высокоупорядоченное расположение, ограничивающее рассеяние света (рисунок справа и снимки в правом верхнем углу). В процессе развития клетки освобождаются от непрозрачного материала (внизу справа), инициируя программу саморазрушения. Они растворяют свои внутренние структуры, но в последний момент воздерживаются от самоубийства.



Слои клеток в хрусталике у коровы располагаются параллельно (вверху). В каждом слое соседние клетки подогнаны друг к другу, как кусочки мозаики (внизу): между ними, когда хрусталик изменяет свою форму при фокусировании лучей, не образуются зазоры. Характер расположения слоев и смыкания в них клеток позволяет свету проходить через границы между клетками, не подвергаясь рассеянию.

РАЗВИТИЕ ХРУСТАЛИКА

Хрусталик начинает развиваться на самых ранних стадиях жизни зародыша, когда стволовые клетки, образующие стенку сферического пузырька, удлиняются и заполняют его полость (вверху слева). Образовавшаяся капсула (ядро) хрусталика обрастает снаружи многочисленными дополнительными слоями дифференцировавшихся стволовых клеток (вверху). Поначалу клетки содержат все типичные органеллы – ядро, митохондрии, эндоплазматический ретикулюм и т.д. Затем они разрушают свои структуры, сохраняя лишь наружную мембрану и густой раствор белков кристаллинов внутри. Эта едва живая материя имеет однородный коэффициент преломления, а значит, не рассеивает свет.На фотографиях показаны развивающийся (внизу слева) и почти зрелый (вверху справа) хрусталики мыши. По мере разрастания хрусталика старые клетки оказываются все дальше от его поверхности, а их ядра (выделены красным цветом) перемещаются вниз и в конце концов разрушаются.Ядро в клетке развивающегося хрусталика погибает в течение нескольких дней (справа). Ядерная мембрана и ДНК исчезают одновременно.

Просвечивающие части тела есть у многих животных (вспомним хотя бы крылья насекомых), но абсолютно кристальные ткани встречаются в природе крайне редко. У человека прозрачна и роговица, но эта оболочка глаза – не ткань, а скорее тонкий студенистый пласт белков и сахаров. Хрусталик же состоит из 1000 слоев прозрачных живых клеток.

Прозрачность – весьма необычное свойство живой ткани. Клетки содержат такие внутренние структуры (органеллы), как ядро, где хранится ДНК, митохондрии, вырабатывающие энергию, аппарат Гольджи и эндоплазматический ретикулюм, участвующие в синтезе белков и липидов. Каждая структура имеет свой коэффициент преломления, а области, где он изменяется, выглядят непрозрачными.Кроме того, некоторые клетки поглощают свет определенных длин волн и, таким образом, приобретают окраску. Характерный алый цвет придает эритроцитам крови гем в молекуле гемоглобина. Поскольку наши органы и мышцы наполнены кровью, они выглядят окрашенными в различные оттенки красного. И, наконец, многие клетки (особенно кожи и волос) содержат меланины – пигменты, чей цвет варьирует от красного до черного.

В хрусталике нет ни меланинов, ни крови. Хрящ тоже их не содержит, однако он лишь бесцветен – в лучшем случае полупрозрачен. Это связано с тем, что практически во всех тканях клетки и волокна ориентированы друг относительно друга под различными углами и поэтому рассеивают свет. Хрусталик состоит из клеток только одного типа, и расположены они в строго определенном порядке.Если клетки хрусталика не снабжаются кровью и лишены органелл, можно ли их считать живыми? Ответ зависит от того, какое определение дать понятию «жизнь». На Земле обитают мириады мелких

КАРИЕ, ГОЛУБЫЕ И КРАСНЫЕ Зная механизмы фокусировки света глазом (см. рисунок внизу), можно объяснить, почему на фотографиях наши глаза иногда выглядят карими, голубыми или красными. Свет проникает в глаз через узкое отверстие в радужной оболочке – зрачок. Расположенный позади него хрусталик фокусирует лучи на сетчатке. Часть попавшего на радужку света отражается. Чем короче длина световых волн, тем сильнее они отражаются поверхностью, поэтому голубой свет рассеивается сильнее красного, что и определяет естественный голубой цвет радужки.Радужка с большим количеством меланина поглощает много света и выглядит коричневой, а с меньшим количеством этих пигментных молекул приобретает светло-коричневую или зеленую окраску, а с незначительным количеством пигмента – голубую.Зрачок кажется черным, потому что богатый меланином слой клеток позади сетчатки поглощает все остатки света, проникшего через сетчатку. Это не дает свету отражаться от дна глаза и повторно воздействовать на фоторецепторы сетчатки, что могло бы искажать зрение.Организм альбиносов не способен вырабатывать меланин. Их пигментный эпителий сетчатки поглощает очень мало света, вот почему на ярком солнце альбиносы становятся почти слепыми. Свет, отраженный дном глаза, возвращается к зрачку и радужке, освещая кровеносные сосуды и придавая им красную или розовую окраску. То же наблюдается и при фотосъемке со вспышкой.

животных, лишенных крови. Это касается и человеческого хряща, однако все биологи безоговорочно относят его к жизнеспособной ткани. Если живой считать клетку, обладающую метаболизмом, то и клетки хрусталика живые. Они лишены митохондрий, вырабатывающих энергию, однако в самых наружных слоях хрусталика диффундируют молекулы питательных и некоторых других веществ, которые затем медленно проникают и во внутренние его части.

В молодых клетках хрусталика, возникающих у плода из стволовых клеток, присутствуют органеллы, но на ранних стадиях развития организма они разрушаются. Остается лишь цитоплазма, состоящая из необычайно густого раствора особых белков – кристаллинов. Хрусталик неспроста называют иногда биологическим кристаллом: его клетки имеют высокоупорядоченное расположение. Каждая из них содержит крупные молекулы кристаллинов, образующих комплексы с окружающими их компонентами цитоплазмы. Такая структура делает цитоплазму оптически гомогенной средой. Коэффициент преломления в хрусталике везде одинаков.КатарактаПосле запрограммированной гибели органелл клетки хрусталика остаются живыми, однако вместе с ядром они лишаются всех генетических программ. В отличие от клеток других тканей, они полностью теряют способность к восстановлению, что делает хрусталик очень уязвимым. Так, например, сильное обезвоживание может вызвать слипание кристаллинов, что приведет всего за несколько недель к разрушению клеток и их превращению в бесформенную массу – катаракту. Коэффициенты преломления образовавшегося пятнышка и остальной части хрусталика отличаются, и в поле зрения человека возникает мутное пятно.

Мелкие повреждения могут накапливаться в хрусталике и при отсутствии обезвоживания. У многих людей катаракта развивается в результате регулярного воздей-ствия высоко реактивных молекул (например, свободных радикалов), ультрафиолетового излучения или многолетнего повышения уровня сахара в крови вследствие диабета.

Первые упоминания об операциях по удалению помутненных хрусталиков относятся к 1800-м гг. до н.э. и содержатся в своде законов вавилонского царя Хаммурапи. Древнеегипетские тексты, а также средневековые европейские и исламские рукописи описывают операции по отсечению хрусталика от ресничной мышцы глаза и внедрению его в стекловидное тело – густую прозрачную жидкость в задней части глазного яблока. Хотя процедура и снимала с глаза пелену, он утрачивал способность фокусировать лучи света на сетчатке. В результате после операции пациенты могли видеть только размытые очертания предметов, как если бы они смотрели под водой.В XVII–XVIII вв. были изобретены специальные очки, компенсировавшие ослабление зрения, но современные искусственные хрусталики сделали их ненужными. Только в США ежегодно проводится более 1 млн. операций по удалению катаракты. Сегодня процедура занимает не более 45 минут и завершается успехом в 100% случаев.

Однако стареющий хрусталик подвержен не только развитию катаракты – с возрастом он желтеет. В нем постепенно накапливаются белки, поглощающие синий и зеленый свет и не пропускающие лучи к сетчатке. Лишь красный, желтый и коричневый свет достигают цели, что значительно меняет зрительное восприятие человеком окружающего мира.

Запрограммированное самоубийствоВ последние годы исследователи не только научились возвращать хрусталику утраченные функции, но и задумались над тем, как можно предотвратить его возрастное разрушение. Они обнаружили, что процесс, связанный с уничтожением молодыми клетками хрусталика своих органелл, дает им прекрасную возможность справиться с некоторыми опасными болезнями.Клетки хрусталика, возникающие из стволовых клеток, на ранних стадиях развития зародыша содержат органеллы. В ходе дифференцировки они их уничтожают, благодаря чему и становятся прозрачными. В других клетках даже небольшое повреждение ДНК чревато необратимым процессом апоптоза, т.е. запрограммированной гибелью. Высвобождающиеся в клетке деструктивные белки кромсают ее ДНК на части, а прекращающие работу митохондрии лишают клетку источника энергии. Она распадается на части и бесследно растворяется. Как правило, поврежденные клетки совершают самоубийство, чтобы освободить место новым здоровым – иначе орган перестает функционировать. В некоторых случаях поврежденные клетки самоуничтожаются, чтобы не переродиться

Образование катаракты. Каждый год жертвами катаракты становятся миллионы людей. Клетки хрусталика содержат густой раствор крупных белков кристаллинов (а). По мере того как в их молекулах накапливаются повреждения, вызванные ультрафиолетовым излучением, окислением или обезвоживанием, они утрачивают свою исходную структуру и превращаются в длинных «червячков» (b). Такие молекулы могут слипаться друг с другом, образуя плотную массу переплетенных нитей (с). Клубок поглощает проникающий в глаз свет, порождая в поле зрения человека мутное пятно (см. фотографию). Повышенный уровень денатурированных белков был обнаружен в головном мозгу людей, страдающих болезнями Альцгеймера и Паркинсона, что навело ученых на мысль о сходной природе катаракты и нейродегенеративных заболеваний.

в раковые. Клетки хрусталика тоже разрушают свое ядро и все остальные органеллы, однако они прекращают этот процесс как раз перед самым его завершением, сохраняя наружную мембрану, внутренний цитоскелет из белков и густую плазму (см. врезку на стр. 54 и 55).

Способность клеток приостанавливать самоубийство стала для ученых полной неожиданностью. Они всегда рассматривали апоптоз как безостановочный процесс. А значит, в клетках хрусталика имеется некий механизм, позволяющий им разрушать лишь определенную часть своих структур. Несколько лет назад я вместе с другими специалистами предположил, что этот механизм включает преднамеренную блокировку клетками процесса саморазрушения. Было показано, что во время дифференцировки клеток хрусталика одни органеллы (например, ядро и митохондрии) подвергаются точно такой же деструкции, что и во время полного апоптоза зрелых клеток, а другие (например, цитоскелет) – остаются совершенно интактными. Мы допустили, что клетки хрусталика используют клеточную гибель не для самоуничтожения, а для осуществления дифференцировки.Данный факт привел нас к следующему заключению: механизм, контролирующий апоптоз, мог бы менять течение болезней, характеризующихся «массовым самоубий-ством» клеток, например, нейродегенеративных заболеваний. Для этого необходимо выяснить, какие сигналы прекращают процесс клеточного саморазрушения.

Согласно теории инициации апоптоза, предложенной Стивеном Басснеттом (Steven Bassnett) из Вашингтонского университета, по мере того как уже существующие клетки хрусталика обрастают все новыми и оказываются все дальше от его поверхности, количество достигающего их кислорода уменьшается. Когда его концентрация падает ниже порогового уровня, целостность митохондрий, функционирование которых напрямую зависит от доступности кислорода, оказывается под угрозой. Почувствовав такую опасность, клетка начинает высвобождать факторы, способ-ствующие апоптозу. Правильность теории отчасти подтверждается известным фактом, что поврежденные митохондрии способны инициировать апоптоз в зрелых клетках человека. Получив серьезное повреждение, клетка может разблокировать механизмы гибели и приступить к саморазрушению.Басснетт указывает еще на одну возможную причину апоптоза: выработка молочной кислоты, образующейся при расщеплении глюкозы в дифференцированных клетках хрусталика. Зрелые клетки в центре хрусталика лишены митохондрий и вырабатывают энергию, превращая глюкозу в молочную кислоту. В хрусталике, таким образом, образуется градиент концентрации молочной кислоты, а также градиент рН. Инициатором апоптоза могут быть оба фактора.

Внимание ученых привлекли и некоторые другие триггеры клеточной гибели. Майкл Райд (Michel Wride) из Кардиффского университета в Уэльсе и Эсмонд Сандерз (Esmond Sanders) из Университета провинции Альберта в Канаде показали, что разрушению клеток хрусталика способствует фактор некроза опухоли. Он является сигнальным белком (цитокином) и может выступать в роли мощного инициатора апоптоза здоровых и некоторых раковых клеток. Однако неизвестно, как цитокин работает в хрусталике.Автору статьи и другим исследователям удалось выяснить некоторые механизмы, приостанавливающие саморазрушение клеток хрусталика. Изучая хрусталики человека, крысы и мыши, мы обнаружили, что в клетках, еще не успевших уничтожить свои органеллы, образуется белок галектин-3, способный связываться с другими молекулами. Когда клеточные органеллы начинают разрушаться, синтез галектина-3 снижается. Такой образец активности вполне мог бы контролировать процесс апоптоза, но о том, какие факторы отключают этот белок, мы не имеем пока ни малейшего представления. Изучать галектин-3 мы начали потому, что он принимает участие в различных биологических процессах, связанных с пролиферацией, апоптозом и дифференцировкой клеток других тканей.Недавно Сого Нишимото (Sogo Nishimoto) из Университета г. Осака (Япония) идентифицировал ДНК-азу (фермент, расщепляющий ДНК), участвующую в разрушении ДНК в клетках хрусталика. Лабораторные мыши, у которых ДНК-аза отсутствует, появляются на свет с катарактой. Кроме того, при дифференцировке в клетках хрусталиков грызунов не происходит разрушения ядер, в то время как апоптоз клеток всех других тканей протекает нормально.

Многообещающая рыбкаНе исключено, что загадку хрусталика поможет разгадать маленькая аквариумная рыбка данио рерио, словно специально созданная природой для изучения эмбрионального развития животных. Зародыши данио состоят из очень небольшого числа клеток, и на ранних стадиях развития они настолько прозрачны, что ученые могут наблюдать за формированием их внутренних органов воочию. Большинство органов развивается невероятно быстро – всего через 48 часов после выметывания икры. На третий день из икринки вылупляется малек, тут же начинающий активно плавать в воде.

Мутантных рыбок интенсивно изучают многочисленные группы исследователей во всем мире. Сотрудники лаборатории нобелевского лауреата Нюсслайн-Фольхарда (Nusslein-Volhard) из Института Макса Планка обнаружили рыб, чьи хрусталики состояли из клеток с интактными органеллами, и рыб с абсолютно мертвыми клетками хрусталика. У некоторых мутантов была выявлена катаракта, ничем не отличавшаяся от человеческих.Ученые надеются, что изучение данио рерио поможет получить новые сведения о факторах, запускающих и останавливающих апоптоз. Такая информация могла бы углубить наши представления не только о механизмах развития катаракты, но и о природе нейродегенеративных заболеваний человека.