Локализация хромосом в интерфазном ядре.

⇐ ПредыдущаяСтр 2 из 11Следующая ⇒

Интерфаза - рабочая фаза клеточного ядра, то время когда хромосомы функционируют, на этой фазе хромосомы большей своей частью деконденсируются, теряют компактное строение. Степень деконденсации может иметь разные масштабы и зависит не только от объема функциональной нагрузки (синтез РНК и ДНК), но и от конституции самой хромосомы. Наименее подвержены деконденсации постоянно метаболически неактивные участки структурного гетерохроматина. Т.е. в интерфазном ядре растянутые и как бы набухшие хромосомы занимают отдельные зоны.

Часть хроматинового материала часто располагается по периферии ядра. При электронно-микроскопических исследованиях хорошо виден непосредственный контакт хроматинового материала с внутренней ядерной оболочкой. Обычно такой периферический хроматин представляет собой слой конденсированного хроматина (толщина слоя 0.1 мкм - несколько мкм). Слой конденсированного около мембранного хроматина располагается в непосредственной близости к внутренней ядерной мембране и отсутствует в зоне ядерных пор. Этот контакт не является простой пассивной пространственной связью, а определяется структурным взаимодействием между хроматином и ядерной оболочкой. На границе между мембраной и слоем хроматина выявляется специфическая структура, которая вероятно ответственна за связь периферического хроматина с ядерной оболочкой. Этот слой из тесно расположенных гранул величиной 25-30 нм, Обладающих большей электронной плотностью, чем фибриллы хроматина, гранулы погружены в слой аморфного вещества более низкой плотности. К ним подходит или непосредственно в них переходит хромосомные фибриллы. Одна из функций гранулярного слоя периферического слоя хроматина - это фиксирование фибрилл ДНП на ядерной внутренней мембране. Некоторые исследователи считают, что слой периферического хроматина играет важную роль в репликации все ядерной ДНК. Основанием для такого предположения послужили представления о связи хромосом бактерий с их плазматической мембраной. Кроме периферического слоя хроматина. С ядерной оболочкой находится в контакте специфические участки хромосом, такие, как половые хромосомы, околоце6нтромерные участки гетерохроматина, теломерные хромоцентры, гетерохроматин, ассоциированный с ядрышком, и др. Все эти участки хорошо выявляются при дифференциальных окрасках на гетерохроматин. Периферический хроматин менее активен в отношении синтеза ДНК. Все приведенные выше данные о преимущественной связи с ядерной оболочкой гетерохроматиновых участков показывают на ведущую роль этой связи в пространственной ориентации интерфазной хромосомы внутри ядра. Можно представит себе следующую модель организации интерфазного ядра: развернутая хромосома в интерфазе заякорена на ядерной оболочка с помощью гетерохроматических участков (теломерный гетерохроматин, околоядрышковый гетерохроматин, вставочные зоны гетерохроматина) так, что ее расположение становится фиксированным в пространстве ядра, часто повторяя телофазную ориентацию, и занимает в нем определенный объем. Кроме компактных участков конститутивного гетерохроматина встречается большое число конденсированных участков эухроматина.

При редупликации ДНК происходит уменьшение числа зон конденсированного хроматина, которое вновь возрастает в постсинтетическом периоде, что можно связать с переходом клеток к делению. Было замечено, что многие конденсированные участки хроматина, хромоцентры, могут включать метку Н³-тимидина, т.е. реплицироваться без деконденсации. Оказалось, что инактивированная Х хромосома в клетках женщин реплицируется в конденсированном состоянии.

Чем больше зона диффузного хроматина, тем выше в ядрах синтез РНК. По мере специализации клеток и по мере падения в них синтеза РНК, происходит увеличение доли конденсированного хроматина. При этом начинает резко выделяться периферический хроматин, появляются хромоцентры внутри ядра.

Кроме хроматиновых участков в ядрах выделяют перихроматиновые фибриллы, перихроматиновые гранулы и интерхроматиновые гранулы. Эти три основные формы рибонуклеопротеидных частиц встречаются практически во всех активных ядрах. Рибонуклеопротеидная их природа доказывается тем, что эти структуры разрушаются ферментом РНКазой или совместно РНКазой и протеолитическими ферментами. Перихроматиновые фибриллы обнаруживаются по периферии участков конденсированного хроматина (околомембранного или любого другого). Толщина около 3-5 нм, часто образует рыхлую неправильную сеть. Этот компонент ядра сильно изменяется при стимуляции синтеза РНК. Некоторые исследователи считают, что такие фибриллы могут представлять новосинтезированную ДНК-подобную РНК. Диаметр перихроматиновых гранул около 45 нм, они окружены светлым ореолом. Они встречаются только на периферии конденсированного хроматина, в диффузном хроматине их нет. Считается, что между этими гранулами и перихроматиновыми фибриллами существует структурная связь. При больших увеличениях внутри гранул можно видеть тонкие извитые фибриллы 3-5 нм толщиной. Крупные перихроматиновые гранулы встречаются в специфических, активных в отношении синтеза РНК, участках политенных хромосом, в пуффах. Некоторые исследователи предполагают, что такие рибонуклеопротеидные гранулы могут представлять собой информосомы, рибонуклеопротеидные частицы, содержащие иРНК. Интерхроматиновые гранулы - третий тип РНК содержащих структур. Размер 20-25 нм. Они всегда группируются в форме скоплений между участками хроматина. Эти гранулы не стандартны по величине и переплетены тонкими фибриллами, Образуя фигуры в виде четок или сети. Функция не ясна.

Полиплоидия и политения, их значение.

Количество ДНК в ядре эукариотической клетки зависит от плоидности. Полиплоидия – это кратное гаплоидному(1n) количесву увеличения ДНК и соответственно хромосом на ядро.

Ядерный белковый матрикс.

Общий состав ядерного матрикса.

Мы уже познакомились с тем, что в интерфазном ядре развернутые хромосомы располагаются не хаотично, а строго упорядоченно. Такая организация хромосомы в трехмерном пространстве ядра необходима не только для того, чтобы при митозе происходили сегрегация хромосом и их обособление от соседей, но и для упорядочения процессов репликации и транскрипции хроматина. Можно предполагать, что для осуществления этих задач должна существовать какая-то каркасная внутриядерная система, которая может служить объединяющей основой для всех ядерных компонентов – хроматина, ядрыщка, ядерной оболочки. Такой структурой является белковый ядерный остов, или матрикс. Необходимо сразу же оговориться, что ядерный матрикс не имеет четкой морфологической структуры: он выявляется как отдельный морфологический гетерогенный компонент при экстракции из ядер практически всех участков хроматина, основной массы РНК и липопротеидов ядерной оболочки. От ядра, которое не теряет при этом своей общей морфологии, оставаясь сферической структурой, остается как бы каркас, остов, иногда называемый еще «ядерным скелетом». Впервые компоненты ядерного матрикса были выделены и охарактеризованы в начале 60-х годов. В 70-ых годах был предложен термин «ядерный матрикс» для обозначения остаточных структур ядра, которые могут быть получены в результате последовательных экстракций ядер различными растворами. Он состоит на 98% из негистоновых белков, в него, кроме того. входят 0, 1% ДНК, 1, 2% РНК, 1, 1% фосфолипидов. Ядерный матрикс состоит, по крайней мере, из трех морфологических компонентов: периферического белкового сетчатого (фиброзного) слоя – ламины), внутреннего, или интерхроматинового, матрикса и «остаточного» ядрышка. Ламина представляет собой тонкий фиброзный слой, подстилающий внутреннюю мембрану ядерной оболочки. В ее состав входят так же комплексы ядерных пор, которые как бы вмурованы в фиброзный слой. Часто эту часть ядерного матрикса называют фракцией «поровый комплекс – ламина» (РСL). В интактных клетках и ядрах ламина большей частью морфологически не выявляется, так как к ней тесно прилегает слой периферического хроматина. Лишь иногда ее удается наблюдать в виде относительно толстого (10 – 20 нм) фиброзного слоя, располагающегося между внутренней мембраной ядерной оболочки и периферическим слоем хроматина. Структурная роль ламины очень велика: она образует сплошной фиброзный белковый слой по периферии ядра, достаточный для поддержания морфологической целостности ядра. Внутриядерный матрикс морфологически выявляется также после экстракции хроматина. Он представлен рыхлой фиброзной сетью, располагающейся между участками хроматина. Часто в состав этой губчатой сети входят различные гранулы РНП природы. Наконец, третий компонент ядерного матрикса – остаточное ядрышко – плотная структура, повторяющая по своей форме ядрышко, также состоит из плотно уложенных фибрилл. Морфологическая выраженность всех трех компонентов ядерного матрикса, как и их количество во фракциях, зависит от целого ряда условий обработки ядер. Компоненты ядерного матрикса – это не застывшие жесткие структуры, они динамически подвижны и могут меняться в зависимости не только от условий их выделения, но и от функциональных особенностей нативных ядер. Основной компонент остаточных структур ядра – белок, содержание которого может колебаться от 98 до 88%. Белковый состав ядерного матрикса из разных клеток довольно близок. Для него характерны три белка фиброзного слоя, называемые ламинами. Кроме этих основных полипептидов в матриксе присутствует большое количество минорных компонентов с молекулярным весом от 11 – 13 до 200 тыс. Ламины представлены тремя белками: А, В, С. Ламины А и С близки друг к другу иммунологически и по пептидному составу. Ламин В отличается от них тем, что он более прочно связывается с интегральными белками ядерной мембраны. Он остается в связи с мембранами даже во время митоза, тогда как ламины А и С освобождается при разрушении фиброзного слоя и диффузно распределяются по клетке. Ламины А и С близки по своему аминокислотному составу промежуточным микрофиламентам (виментиновым и цитокератиновым) и являются изоформами этих белков. Часто фракция выделенных ядер, а также препараты ядерного матрикса содержат значительные количества промежуточных филаментов, которые остаются связанными с периферией, ядра даже после удаления ядерных мембран. В отличие от промежуточных филаментов ламины при полимеризации не образуют нитчатых структур, а организуются в сети с ортогональным типом укладки молекул. Такие сплошные решетчатые участки подстилают внутреннюю мембрану ядерной оболочки. Они могут разбираться при фосфорилировании ламинов и вновь полимеризоваться при их дефосфорилировании, что обеспечивает динамичность как этого слоя, так и всей яде ной оболочки. Молекулярная характеристика белков внутриядерного матрикса детально не разработана. Показано, что в его состав входит ряд белков, принимающих участие в доменной организации ДНК интерфазного ядра при создании розетковидной, хромомерной формы упаковки хроматина. Предположение относительно того, что элементы внутреннего матрикса представляют собой сердцевины розеточных структур хромомеров, подтверждается практической однородностью полипептидного состава матрикса интерфазных ядер (за исключением белков ламины) и остаточных структур метафазных хромосом (осевые структуры и «скэффолд»). В обоих случаях эти белки отвечают за поддержание петлевой организации ДНК.

ДНК ядерного белкового матрикса

Участки ДНК могут быть расположены во всех трех компонентах ядерного матрикса. Были обнаружены две размерные группы фрагментов ДНК в составе ядерного матрикса. В первую группу входили высокомолекулярные фрагменты размером около 10 тыс. н. п., они составляли всего 0, 02% от исходного количества ДНК. Их число составляло примерно 100 на гаплоидный набор хромосом, т. е. существует всего 2 – 3 участка прикрепления ДНК к ядерному матриксу на хромосому, Фрагменты были обогащены сателлитной ДНК и связаны с ламиной. Функциональное значение этих участков может состоять в обеспечении фиксированного положения хромосом в ядре с помощью закрепления их определенных участков (центромер, теломер) на ламине. Вторая группа фрагментов, связанных с матриксом, состоит из небольших участков ДНК (120 – 140 н. п, ), гетерогенных по последовательностям. Они встречаются между участками ДНК длиной около 50 тыс. н. п., представляющих собой, вероятно, петли основной массы хроматина. Функциональное значение второй группы этих коротких участков ДНК может заключаться в том, что они ассоциированы с белками, лежащими в сердцевинах розеткоподобных структур хроматина или в основании развернутых петель ДНК хроматина при его активации. При изучении кинетики гидролиза вновь синтезируемой ДНК нуклеазами было обнаружено, что ядерный матрикс связан с репликацией ДНК. Большая часть ДНК, содержащая радиоактивную метку, связана с матриксом: свыше 70% новосинтезированной ДНК было локализовано в зоне внутреннего ядерного матрикса. Это наблюдение давало основание считать, что на ядерном матриксе происходят инициация и собстйенно репликация ДНК. Фракция ДНК, ассоциированная с ядерным матриксом, оказалась обогащенной репликативными вилками. В составе ядерного матрикса обнаружена ДНК-полимераза а – основной фермент репликаций ДНК. Кроме него с ядерным матриксом связаны и другие ферменты репликативного комплекса (реплисомы): ДНК-праймаза, ДНК-лигаза, ДНК-топоизомераза II. В состав ядерного матрикса входит около 1% РНК, включающей в себя как гетерогенную высокомолекулярную РНК, так и рибосомную РНК, и РНК ядерных малых РНП. На возможность связи элементов матрикса с процессами транскрипции указывали данные о том, что при коротком мечении матрикс обогащался быстро меченной гетерогенной РНК. Было обнаружено, что в состав белков внутреннего ядерного матрикса входит РНК-полимераза II, ответственная за синтез информационных РНК. С ядерным матриксом клеток яйцеводов кур оказалась связанной большая часть (95%) новосинтезированных пре-мРНК овальбумина и пре-рРНК. Эти наблюдения привели к заключению, что ядерный матрикс может выполнить структурную роль в синтезе, процессинге и транспорте РНК в ядре. С ядерным матриксом связаны собственно транскрибируюшиеся гены. Транскрипционные комплексы закреплены на ядерном матриксе, а сама транскрипция осуществляется одновременно с перемещением матричнои ДНК относительно закрепленных транскрипционных комплексов, содержащих РНК- полимеразу II. Кроме тРНК и ее предшественников в составе ядерного белкового матрикса обнаруживаются малые ядерные рибонуклеопротеиды (мяРНП), которые участвуют в созревании информационных РНК, в процессе сплайсинга. Эти РНК-содержащие частицы, иногда называемые сплайсосомами, собраны в группы, или кластеры, связанные с белками ядерного матрикса. Элементы ядерного матрикса могут прямо участвовать в регуляции транскрипции. Поведение белков ядерного матрикса во время митоза изучено еше далеко не достаточно. О судьбе ламины при митозе уже было сказано: ее компоненты разбираются, частично пееходя в цитоплазму, частично (ламин В) оставаясь в связи с мембранами.

Строение ядрышка.

Ядрышко – это производное хромосомы, один из ее локусов, активно функционирующий в интерфазе. Ядрышко клетки является местом образования рибосомных: РНК и рибосом, на которых происходит синтез полипептидных цепей. У прокариотических клеток образование рибосом не связано с обособлением специального локуса в виде ядрышка, но, несмотря на отсутствие ядрышек у этих клеток, сам процесс синтеза рибосом во многом сходен.

Данные гистохимии и авторадиографии

В ядрышках содержатся белки нескольких типов: кислые фосфопротеиды и основные белки негистоновой природы. Концентрация РНК в ядрышке может быть в 2 – 8 раз выше, чем в ядре, и в 1 – 3 раза выше, чем в цитоплазме. Ядрышковая РНК является предшественником цитоплазматической РНК. Так как от 70 до 90% цитоплазматической РНК является рибосомной, то ядрышко является местом синтеза рибосомной РНК (рРНК).

РНК ядрышек

На цистроне рибосомного гена первоначально синтезируется гигантская молекула – предшественник с коэффициентом седиментации 45 S (мол. вес 4, 5 • 10⁶), которая затем расщепляется на две части, дающие начало 18S и 28 S рРНК. При этом около половины первоначально синтезированной молекулы уничтожается. Из ядрышек выделены гетерогенные рибонуклеопротеидные частицы с различными коэффициентами седиментации от 40 S до 80 S и выше, что представляют собой рибонуклеопротеиды – предшественники рибосомных субъединиц. Начиная с 45 S РНК, белок ассоциирует с рРНК, при этом образуются сначала тяжелые предшественники рибосом (около 80 S и 90 S), а потом уже и субъединицы рибосом (60 S и 40 S).

ДНК ядрышек

Содержание ДНК в выделенных ядрышках составляет 5 – 12% от сухого веса и 6 – 17% от всей ДНК ядра. ДНК ядрышкового организатора – это та самая ДНК, на которой происходит синтез ядрышковой, т. е. рибосомной РНК. На основе анализа насыщения ДНК при гибридизации с рРНК в этой работе делается также вывод о том, что цистроны, отвечающие за синтез рРНК, располагаются компактно и, возможно, представлены в виде полицистронного участка, входящего в состав ядрышкового организатора. В ядрышке на ДНК вторичной перетяжки локализованы многочисленные одинаковые гены для синтеза рРНК. Синтез же идет путем образования огромного предшественника и дальнейшего его превращения (созревания) в более короткие молекулы РНК для большой и малой субъединиц рибосом.

Ультраструктура ядрышек

Отмечена волокнистая или сетчатая структура ядрышек, заключенная в более или менее плотную диффузную массу. Были предложены названия для этих частей: волокнистая часть – нуклеолонема и диффузная, гомогенная часть – аморфное вещество, или аморфная часть. Оба эти участка ядрышка Фельген-отрицательны. У некоторых клеток отдельные нити нуклеолонем сливаются и ядрышки могут быть совершенно однородными. Основные структурные компоненты ядрышка – плотные гранулы диаметром около 150 А и тонкие фибриллы толщиной 40 – 80 А. Во многих случаях фибриллярный компонент собран в плотную центральную зону (сердцевина), лишенную гранул, а гранулы занимают периферическую зону ядрышка. Между гранулами в этой зоне всегда наблюдаются рыхло расположенные фибриллы толщиной 40 – 80 А. В ряде случаев в этой гранулярной зоне не наблюдается никакой дополнительной структуризации. Но часто эта зона представлена обособленными нитчатыми структурами толщиной около 1500 – 2000 А, состоящими из гранулы и рыхло расположенных фибрилл. В данном случае эти нитчатые гранулярные периферические компоненты ядрышка соответствуют нуклеолонеме, а центральная фибриллярная часть – аморфной части. Фибриллярная часть ядрышка также не всегда собрана в компактную центральную зону.

Строение ядрышка при различной функциональной нагрузке

Ультраструктура ядрышек зависит от активности синтеза РНК: при высоком уровне синтеза рРНК в ядрышке выявляется большое число гранул, при прекращении синтеза количество гранул падает, ядрышки превращаются в плотные фибриллярные тельца.

⇐ Предыдущая 123 4 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒