Текст книги "Цитология"

Глава 4. Ядро эукариотической клетки

Строение и функции ядра

Ядро – это наиболее крупная структура эукариотической клетки; обычно расположено в центральной части животной клетки или сдвинуто к периферии центральной вакуолью в растительной клетке. Впервые ядро было выявлено Р. Броуном в 1833 г. в клетках орхидей под световым микроскопом. Длительное время функция ядра оставалась невыясненной, и только в конце XIX в., когда было описано, как ведет себя ядро в процессах деления клетки, стала проясняться основная функция ядра. Постепенно появились свидетельства того, что в ядре сконцентрирована генетическая, наследственная информация клетки, которую переносят хромосомы в процессе деления. Экспериментальные доказательства о формообразующей роли ядра были получены только ближе к середине XX в.

Не все эукариотические клетки имеют ядро. Известно несколько видов клеток как растений, так и животных с конечным этапом дифференцировки, которые утрачивают ядро по мере приобретения узкой специализации. Такие клетки не могут делиться. Примером безъядерных клеток могут служить клетки хрусталика глаза и эритроциты млекопитающих. И те, и другие являются носителями преимущественно одного типа белка. В эритроцитах накапливается гемоглобин, обеспечивающий газообмен, а в клетках хрусталика – кристаллин, благодаря чему сохраняется его прозрачность. У цветковых растений безъядерными клетками являются проводящие элементы флоэмы – ситовидные трубки. Они состоят из тяжей удлиненных клеток, соединенных друг с другом. Каждая клетка имеет перфорации на концах в клеточной оболочке. Через перфорации проходят тяжи цитоплазмы из одной клетки в другую, за счет чего образуется единая система проведения веществ. Ядро утрачивается в процессе созревания ситовидных трубок.

Помимо одноядерных и безъядерных эукариотических клеток известны двуядерные и многоядерные клетки в многоклеточных организмах. Примером могут служить клетки печени, до 20 % которых имеют два ядра. Двуядерная клетка образуется из одноядерной в том случае, если после деления ядра отсутствует деление цитоплазмы. Многоядерные поперечно-полосатые мышечные клетки образуются за счет слияния клеток предшественников – миобластов в процессе дифференцировки мышечной ткани. Такая структура называется мышечным волокном. Оно имеет форму цилиндра с заостренными концами. Диаметр цилиндра около 0,1 мм, а длина может достигать нескольких миллиметров.

Морфология интерфазного ядра и его функции. Структурная организация ядра сходна во всех клетках. Одно из первых структурных описаний ядра интерфазной неделящейся клетки было сделано в конце XIX в. немецким биологом В. Флемингом (рис. 4.1). Он описал в ядрах клеток печени хроматиновые гранулы. Эти структуры хорошо окрашиваются основными красителями, в частности гематоксилином. Сейчас хорошо известно, что эти глыбки являются составной частью хроматина – главного вещества ядра, в состав которого входят молекулы ДНК и определенный набор белков. Основная масса белков хроматина представлена гистонами, которые образуют электростатические связи с остатками фосфорной кислоты в молекуле ДНК.

Рис. 4.1. Структура ядра клеток печени при увеличении 90×15 (рисунок В. Флеминга). 1 – ядро; 2 – нити и глыбки хроматина; 3 – ядрышко; 4 – ядерная оболочка; 5 – кариоплазма; 6 – ядра клеток, выстилающих синусоиды (по Хэм, Кормак, 1982).

Помимо глыбок хроматина под световым микроскопом в ядре можно обнаружить более крупные структуры – ядрышки. Количество ядрышек в соседних клетках одной ткани может различаться, так как небольшие ядрышки могут сливаться, образуя более крупную структуру. В ядрышке образуются малая и большая субъединицы рибосом, участвующие впоследствии в биосинтезе белка в цитоплазме, хотя окончательное дозревание структур рибосом происходит уже в цитоплазме.

Ядро имеет четко очерченную границу, что связано со сложной структурой ядерной оболочки.

Жидкая фаза ядра называется кариоплазмой, она всегда остается светлой на препаратах как для световой, так и для электронной микроскопии. Через кариоплазму проходит поток метаболитов, белков, разнообразных РНК в комплексе с белками.

Под электронным микроскопом структура ядра выявляется более детально (рис. 4.2). Прежде всего, обращают на себя внимание электронно-плотные участки, которые соответствуют гранулам хроматина. Чаще они расположены по периферии ядра, но в виде небольших структур выявляются и в центральной части. Форма электронно-плотных участков неправильная, размеры могут сильно варьировать в одном и том же ядре. Это конденсированный хроматин. Он содержит суперспирализованные участки длинных молекул ДНК. В конденсированном хроматине не происходит транскрипция, т. е. не образуются молекулы РНК, следовательно, в данных структурах гены находятся в неактивном состоянии, не работают. У этих структур есть и другое обозначение – генетики называют такой суперспирализованный хроматин гетерохроматином.

Между участками гетерохроматина расположены более светлые зоны ядра. Но они не являются гомогенными и не соответствуют кариоплазме. В светлых участках наблюдается зернистость с большей или меньшей концентрацией зерен. Это зоны диффузного хроматина, в котором расположены участки молекул ДНК, упакованные по сравнению с конденсированным хроматином более рыхло с помощью белков. Диффузный хроматин интерфазного ядра содержит активные гены, с которых идет транскрипция с образованием молекул РНК. Чем бо́льшую площадь занимает в ядре диффузный хроматин, тем более активно работает ядро и тем более активно в цитоплазме этих клеток происходит биосинтез белка. Диффузный, или диспергированный, хроматин имеет и другое название – генетики называют его эухроматином.

Рис. 4.2. Структура ядра клеток печени под электронным микроскопом, ×14 000. 1 – конденсированный хроматин по периферии ядра; 2 – в центральной части ядра и 3 – около ядрышка; 4 – ядерные поры; 5, 6 – зоны диффузного хроматина (по Хэм, Кормак, 1982).

В интерфазном ядре в хроматине происходит не только транскрипция. В S-периоде клеточного цикла каждая молекула ДНК должна удвоиться в процессе репликации. Без этого невозможно образование двух иденитичных дочерних клеток из одной материнской. Следовательно, репликация должна происходить и в гетерохроматине, и в эухроматине. Но в гетерохроматине процесс репликации начинается позже, идет медленно и заканчивается гораздо позднее, чем в эухроматине. Вспомним, что продолжительность репликации в эукариотических клетках 9–12 часов.

Помимо участков конденсированного и диффузного хроматина на электронно-микроскопических фотографиях выявляется ядрышко как более электронно-плотная сложная структура, часто имеющая неправильную форму. В ядрышке в результате транскрипции на особых участках ДНК, называемых районами ядрышковых организаторов, образуются рибосомные РНК, которые взаимодействуют с белками, поступившими из цитоплазмы, с образованием двух разных субъединиц рибосом: малой и большой.

Ядерная оболочка при хорошем разрешении электронного микроскопа имеет сложную морфологию. Она состоит из двух мембран, разделенных заполненным жидкостью пространством. Это перинуклеарное пространство. Наружная мембрана ядерной оболочки всегда несет прикрепленные к ней рибосомы. Она может делать выросты в сторону цитоплазмы и соединяться с цистернами эндоплазматической сети. Внутренняя мембрана гладкая, выростов не имеет. В некоторых местах ядерной оболочки наружная и внутренняя мембраны сливаются вместе с образованием пор. Поры ядерной оболочки имеют сложную белковую структуру, организованную однотипно у всех эукариот. Они служат для обмена крупными молекулами и сложными молекулярными комплексами между ядром и цитоплазмой. Низкомолекулярные соединения и ионы транспортируются через мембраны. Через ядерные поры из ядра в цитоплазму выходят продукты транскрипции, прошедшие в ядре стадию созревания: тРНК, мРНК в комплексе с белками, не совсем зрелые субъединицы рибосом. Для нормальной работы ядра требуется большое количество разнообразных ядерных белков: белки хроматина и рибосом, ферменты транскрипции и репликации и т. д. Все ядерные белки синтезируются в цитоплазме и поступают в ядро через ядерные поры.

В сложной структуре ядерных пор насчитывается более 100 разнообразных белков, принимающих участие в распознавании транспортируемых молекул по специальным маркерам – меткам, а также в осуществлении самого процесса транспорта с достаточно большой скоростью (до 100 молекул в минуту) с затратой энергии в виде молекул АТФ и ГТФ. Структуру порового комплекса изображают обычно в виде фигуры, напоминающей баскетбольную корзину, имеющую в поперечном сечении восьмиугольник. Максимальный диаметр этой структуры около 12 нм, что значительно меньше размеров большой субъединицы рибосом. Следовательно, диаметр транспортного канала может меняться под действием определенных факторов, обеспечивающих активный транспорт.

Количество ядерных пор может достигать нескольких тысяч и зависит от активности ядра. По мере снижения активности количество пор уменьшается. Известны дифференцированные клетки, в ядерной оболочке которых отсутствуют поровые комплексы. Примером может служить зрелый сперматозоид.

Таким образом, ядро интерфазной клетки выполняет следующие функции:

1. Хранение генетической информации в составе молекул ДНК в хроматине.

2. Реализация генетической информации в процессе транскрипции в эухроматине, что связано с образованием мРНК и тРНК, а также рРНК в районе ядрышкового организатора и сборкой субъединиц рибосом.

3. Перенос субъединиц рибосом, мРНК в комплексе с белками и тРНК в цитоплазму для биосинтеза белка.

4. Репликация (удвоение генетической информации) в S-периоде клеточного цикла в эухроматине и гетерохроматине, что необходимо для деления клетки.

Вопросы

1. Приведите примеры безъядерных эукариотических клеток. С чем связана утрата ядра?

2. Перечислите структуры ядра, выявляемые световым микроскопом.

3. Перечислите структуры ядра, выявляемые электронным микроскопом.

4. Какие процессы происходят в структурах интерфазного ядра?

5. Что такое эухроматин и гетерохроматин?

6. Опишите структуру ядерной оболочки и ядерных пор.

7. В чем значение ядерных пор?

8. Перечислите основные функции ядра.

Хроматин

Хроматин – это основной ядерный материал, который состоит из разрыхленных, раскрученных, деспирализованных хромосом. По химическому составу это сложный высокомолекулярный комплекс, главным компонентом которого являются молекулы ДНК и белки хроматина.

Хроматин можно выделить из интерфазных ядер, помещая их в водные растворы низкой ионной силы. В таких условиях ядра будут насасывать воду и разрушаться, и набухший хроматин окажется в растворе. Под электронном микроскопом он выявляется в виде толстых нитей диаметром около 30 нм. Отдельные участки фибрилл хроматина сильно скручены, что соответствует гетерохроматину. Другие участки хроматина содержат более рыхло упакованные нити, что соответствует эухроматину.

Нити хроматина диаметром 10–30 нм – это и есть основная структура хроматина, хроматиновая фибрилла, представляющая собой дезоксирибонуклеопротеид, который состоит из ДНК, прочно связанной с белками гистонами.

Фибриллы хроматина могут раскручиваться и представлять собой более тонкие образования, или наоборот, дополнительно компактизироваться (уплотняться), формируя более сложную упаковку. В процессе образования хроматина происходит правильная постепенная многоэтапная упаковка длинных молекул ДНК.

Вопросы

1. Как связаны понятия хроматин и хромосомы?

2. Что такое фибрилла хроматина?

Упаковка ДНК в хроматине

Молекулы ДНК в эукариотических клетках очень велики. Так, длина молекул ДНК, выделенных из клеток человека, достигает нескольких сантиметров. Принято считать, что каждая хроматида эукариотической хромосомы содержит одну-единственную непрерывную молекулу ДНК в виде двойной спирали. Учитывая видовое количество хромосом у млекопитающих, можно сказать, что в среднем у них на интерфазное ядро приходится около 2 метров ДНК, находящейся в сферическом ядре диаметром менее 10 мкм. При этом в ядре должен сохраняться определенный порядок расположения молекул ДНК, чтобы обеспечить их упорядоченное функционирование.

Молекулы ДНК ядер эукариотических клеток всегда находятся в комплексе с белками в составе хроматина, который образуется из хромосом после окончания деления ядер в результате сложного процесса их раскручивания (деспирализации).

На долю белков приходится около 60 % сухого веса хроматина. Обычно их разделяют на две группы: гистоны и негистоновые белки. Именно гистоны, характерные только для эукариотических клеток, осуществляют первые этапы упаковки ДНК, очень схожие у большинства изученных объектов. На долю гистонов приходится до 70 % всех белков хроматина. Их взаимодействие с ДНК происходит за счет ионных связей и не зависит от последовательности нуклеотидов в составе молекулы ДНК. Гистоны не отличаются большим разнообразием. Это глобулярные белки, представленные 5–7 типами молекул. Наиболее известны следующие классы гистонов: Н1, Н2А, Н2В, Н3 и Н4, отличающиеся по размеру молекул и составу аминокислот в них. Их базовые свойства определяются относительно высоким содержанием основных аминокислот: лизина и аргинина, в составе молекул которых имеются дополнительные положительно заряженные NH-группы. Положительные заряды на аминогруппах указанных аминокислот обеспечивают электростатическую связь гистонов с отрицательными зарядами на фосфатных группах ДНК. Из всех ядерных белков гистоны изучены наиболее хорошо. Их молекулярная масса относительно невелика (максимальная – у гистона Н3, 153 тыс. дальтон), в их состав входит 100–140 аминокислот, среди которых нет триптофана. Практически у всех эукариот они обладают сходными свойствами и подразделяются на одни и те же классы. Из всех исследованных белков эти наиболее консервативны: их аминокислотные последовательности близки даже у отдаленных видов. Исключение составляют гистоны Н1, для которых характерны значительные межвидовые и межтканевые вариации. В процессе жизнедеятельности клеток гистоны могут подвергаться посттрансляционным модификациям, что изменяет их свойства и способность связываться с ДНК. Гистоны синтезируются в цитоплазме, переносятся в ядро и связываются с ДНК во время ее репликации в S-периоде клеточного цикла. Включившиеся в хроматин гистоны очень стабильны и имеют низкую скорость обмена.

Присутствие гистонов во всех эукариотических клетках, их сходство даже у очень отдаленных видов, обязательное присутствие в составе хромосом и хроматина, все это свидетельствует о чрезвычайно важной роли этих белков в жизнедеятельности клеток.

Важным событием в изучении упаковки ДНК в составе хроматина стало открытие нуклеосом – частиц, с помощью которых происходит первый этап процесса упаковки ДНК в хроматине. Сердцевина нуклеосомы всегда консервативна, содержит восемь молекул: по две молекулы гистонов фракций Н4, Н3, Н2А, Н2В. Молекулы гистонов объединяются, образуя элипсообразную структуру – гистоновый кор, сердцевину нуклеосомы. По поверхности сердцевины располагается участок ДНК из 146 нуклеотидных пар, образующий 1,75 оборота вокруг сердцевины. Длинная молекула ДНК взаимодействует с множеством гистоновых ко́ров одновременно, образуя структуру, напоминающую нитку бус – нуклеосомную нить. Между нуклеосомами расположены небольшие участки ДНК, называемые линкерными, которые остаются несвязанными (рис. 4.3.2). У разных объектов линкерный участок может варьировать по размеру от 8 до 114 нуклеотидных пар. Рассчитано, что на весь гаплоидный геном человека (3́10⁹ пар оснований) приходится 1,5́10⁷ нуклеосом. Нуклеосомы способны к самосборке при наличии в растворе определенных соотношений ДНК и гистонов. Первый уровень компактизации ДНК называется нуклеосомным, он укорачивает ДНК в 6–7 раз.

В следующий этап упаковки нуклеосомная структура хроматина вовлекается с помощью гистона Н1, который связывается с линкерной частью ДНК и поверхностью нуклеосомы. Благодаря сложному взаимодействию всех компонентов возникает упорядоченная структура спирального типа, которую часто называют соленоидом (рис. 4.3.3 б). Эта структура повышает компактность ДНК еще в 40 раз. Поскольку соленоидная структура имеет сниженную способность связываться с белками, обеспечивающими транскрипцию, то считается, что этот уровень компактизации ДНК может играть роль фактора, инактивирующего гены. Некоторые авторы рассматривают соленоидную структуру как один из возможных вариантов упаковки хроматина с помощью гистона Н1, однако полагают вероятным существование и других вариантов.

Рис. 4.3. Этапы упаковки ДНК в хроматине. 1 – нуклеосома, участок молекулы ДНК, 146 пар нуклеотидов, и гистоновый кор; 2 – нуклеосомная нить, указаны нуклеосома и линкерный свободный участок молекулы ДНК; 3 – образование фибриллы хроматина: сближение нуклеосом с помощью гистона Н1 (а), образование фибриллы хроматина за счет упаковки предыдущей структуры в виде соленоида (б); 4 – укладка фибриллы хроматина петлями, в основании каждой петли находится негистоновый белок; 5 – образование гетерохроматина.

Более высокие уровни компактизации ДНК в хроматине связаны с негистоновыми белками, на долю которых приходится около 20 % всех белков хроматина. Эту сборную группу белков отличает широкий спектр свойств и функций. Всего фракция негистоновых белков объединяет около 450 индивидуальных белков, свойства и конкретные функции которых еще не достаточно изучены. Выяснено, что некоторые из них специфично связываются с определенными участками ДНК, в результате чего фибриллы хроматина образуют петли, в основании которых расположены негистоновые белки. Таким образом, более высокие уровни упаковки ДНК в составе хроматина обеспечиваются не спирализацией нитей хроматина, а образованием поперечной петлистой структуры вдоль хромосомы (рис. 4.3.4).

На всех указанных этапах компактизации ДНК хроматин представлен в активной форме, в нем происходит транскрипция, синтез всех типов молекул РНК. Такой хроматин называют эухроматином, или диффузным хроматином. Дальнейшая упаковка хроматина ведет к переходу его в неактивное состояние с образованием гетерохроматина, или конденсированного хроматина. Этот процесс связан со спирализацией групп петель и образованием из фибрилл хроматина розеткоподобных структур, которые обладают оптической и электронной плотностью и называются хромомерами (рис. 4.3.5). Предполагается, что вдоль хромосомы расположено большое количество хромомер, соединенных между собой в единую структуру участками хроматина с нуклеосомной или соленоидной упаковкой ДНК. Каждая пара гомологичных хромосом имеет свой хромомерный рисунок, который можно выявить с помощью специальных методов окрашивания при условии спирализации хроматина и преобразования его в состояние хромосом. Несколько хромомер, объединенных вместе, образуют глыбку хроматина, которая хорошо видна на срезах как в световом, так и в электронном микроскопе.

Петельно-розеточная структура хроматина обеспечивает не только упаковку ДНК, но и организует функциональные единицы хромосом, поскольку в своих основаниях петли ДНК связаны с негистоновыми белками, в состав которых могут входить ферменты репликации, обеспечивающие удвоение ДНК, и ферменты транскрипции, благодаря которым происходит синтез всех типов РНК.

Участки ДНК, упакованные в виде гетерохроматина, могут иметь двоякую природу. Различают два типа гетерохроматина: факультативный и конститутивный (структурный). Факультативный гетерохроматин представляет собой участки генома, временно инактивированные в тех или иных клетках. Примером такого хроматина служит половой гетерохроматин инактивированной Х-хромосомы в соматических клетках женщин. У женщин в соматических клетках две одинаковые половые Х-хромосомы, у мужчин – одна половая хромосома Х, а другая – Y. Известно, что Х-хромосомы содержат не только гены, отвечающие за развитие половых признаков, но и обычные соматические гены, контролирующие выполнение разнообразных функций организма, например гены Х-хромосомы контролируют процесс свертывания крови. Х-хромосомы функционируют в соматических клетках мужчин и женщин. У женщин в клетках две Х-хромосомы, одна из них работает в виде активного хроматина, тогда как другая переходит в неактивное состояние с образованием большой глыбки гетерохроматина. Такой гетерохроматин, который наблюдается во всех соматических клетках женщин и представляет одну из двух инактивированных хромосом, и называется половым хроматином. В клетках половой системы в женском организме работают одновременно две Х-хромосомы, и половой хроматин отсутствует.

Другой вид гетерохроматина – структурный, или конститутивный, гетерохроматин представлен небольшими участками в ряде районов хромосом, содержащими многократно повторяющиеся последовательности нуклеотидов, выполняющие, вероятно, структурные или регуляторные функции. Конститутивный гетерохроматин не содержит генов. Он присутствует во всех клетках, в каждой хромосоме, постоянно находится в неактивном состоянии. Таким образом, суперспирализация всего хроматина ядра приводит к образованию хромосом, что сопровождается угасанием синтетических процессов в нем. Образование хромосом из хроматина можно наблюдать в профазе митоза.

Значение поэтапной упаковки длинных молекул ДНК в хроматине двоякое. Во-первых, поэтапная упаковка обеспечивает упорядоченное укорачивание молекул ДНК в десятки тысяч раз, что позволяет разместить их в небольшом ядре так, чтобы каждая молекула заняла свое, строго определенное место. Во-вторых, упаковка ДНК в хроматине служит одной из форм регуляции активности генов. Чем более плотно упакован хроматин, тем менее активны гены, находящиеся в нем.

Вопросы

1. Каков химический состав хроматина?

2. Расскажите об этапах упаковки ДНК в хроматине.

3. Какие этапы упаковки ДНК связаны с образованием диффузного хроматина?

4. Что такое гетерохроматин? Какие два вида гетерохроматина вы знаете?

5. Приведите пример факультативного гетерохроматина.

6. В чем значение упаковки ДНК в хроматине?