Структурная организация и функции ядрышка. Ядро клетки: функции и структура Образование ядрышка

Ядрышко – сферическое образование (1-5 мкм в диаметре), присутствующее практически во всех живых клетках эукариотических организмов. В ядре видно одно или несколько обычно округлой формы телец сильно преломляющих свет, – это ядрышко, или нуклеола (nucleolus). Ядрышко хорошо воспринимает основные красители и располагается среди хроматина. Базофилия ядрышка определяется тем, что ядрышки богаты РНК. Ядрышко – самая плотная структура ядра – является производным хромосомы, одним из ее локусов с наиболее высокой концентрацией и активностью синтеза РНК в интерфазе. Образование ядрышек и их число связаны с активностью и числом определенных участков хромосом - ядрышковых организаторов, которые расположены большей частью в зонах вторичных перетяжек, оно не является самостоятельной структурой или органеллой. У человека такие участки есть в 13-й, 14-й, 15-й, 21-й и 22-й парах хромосом.

Функция ядрышек – синтез рРНК и образование субъединиц рибосом.

Ядрышко неоднородно по своему строению: в световом микроскопе можно видеть его тонковолокнистую организацию. В электронном микроскопе выявляются два основных компонента: гранулярный и фибриллярный. Диаметр гранул около 15-20нм, толщина фибрилл - 6-8нм. Гранулы представляют собой созревающие субъединицы рибосом.

Гранулярный компонент локализуется в периферической части ядрышка и представляет собой скопление субъединиц рибосом.

Фибриллярный компонент локализуется в центральной части ядрышка и представляет собой нити рибонуклеопротеида предшественников рибосом.

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

Схему участия ядрышек в синтезе цитоплазматических белков можно представить следующим образом:

Рисунок? – СХЕМА СИНТЕЗА РИБОСОМ В КЛЕТКАХ ЭУКАРИОТ

Схема синтеза рибосом в клетках эукариот.
1. Синтез мРНК рибосомных белков РНК полимеразой II. 2. Экспорт мРНК из ядра. 3. Узнавание мРНК рибосомой и 4. синтез рибосомных белков. 5. Синтез предшественника рРНК (45S - предшественник) РНК полимеразой I. 6. Синтез 5S pРНК РНК полимеразой III. 7. Сборка большой рибонуклеопротеидной частицы, включающей 45S-предшественник, импортированные из цитоплазмы рибосомные белки, а также специальные ядрышковые белки и РНК, принимающие участие в созревании рибосомных субчастиц. 8. Присоединение 5S рРНК, нарезание предшественника и отделение малой рибосомной субчастицы. 9. Дозревание большой субчастицы, высвобождение ядрышковых белков и РНК. 10. Выход рибосомных субчастиц из ядра. 11. Вовлечение их в трансляцию.

Микрофотографии ядрышка (по данным электронной микроскопии)

Рисунок? – Электронная микрофотография ядра с ядрышком

1- Фибриллярный компонент; 2- гранулярный компонент; 3- околоядрышковый гетерохроматин; 4-кариоплазма; 5- ядерная мембрана.

Рисунок? – РНК в цитоплазме и ядрышках клеток подчелюстной железы.

Окраска по Браше, Х400

1 – цитоплазма; 2 – ядрышки. Обе эти структуры богаты РНК (главным образом, за счет рРНК - свободной или в составе рибосом) и потому при окраске по Браше красятся в малиновый цвет.

ЯДРЫШКО (nucleolus) - составная часть ядра клетки, представляющая собой оптически плотное, сильно преломляющее свет тельце. В современной цитологии (см.) ядрышко признается местом синтеза и накопления всех рибосомных РНК (рРНК), кроме 5S-PHK (см. Рибосомы).

Ядрышко впервые описано в 1838- 1839 годы М. Шлейденом в растительных и Т. Шванном - в животных клетках.

Число ядрышек, их размеры и форма варьируют в зависимости от вида клеток. Наиболее часто встречаются ядрышки сферической формы. Ядрышка способны сливаться друг с другом, поэтому в ядре могут присутствовать либо несколько мелких ядрышек, либо одно крупное, либо несколько ядрышек разной величины. В клетках с низким уровнем синтеза белка ядрышки невелики или не выявляются. Активизация синтеза белков сопряжена с увеличением общего объема ядрышек. Во многих случаях общий объем ядрышек также коррелирует с числом хромосомных наборов клетки (см. Хромосомный набор).

Ядрышко не имеет оболочки и окружено слоем конденсированного хроматина (см.) - так называемого околоядрышкового, или перинуклеолярного, гетерохроматина. С помощью цитохимических методов в ядрышках выявляют РНК и белки, кислые и основные. Белки ядрышка включают ферменты, участвующие в синтезе рибосомных РНК. При окраске препаратов ядрышка, как правило, прокрашиваются основным красителем. В яйцеклетках некоторых червей, моллюсков и членистоногих встречаются сложные ядрышки (амфинуклеолы), состоящие из двух частей, одна из которых окрашивается основным красителем, другая (белковое тельце) - кислым. При прекращении синтеза рРНК в начале митоза (см.) ядрышка исчезают (исключение составляют ядрышко некоторых простейших), а при восстановлении синтеза рРНК в телофазе митоза формируются вновь на участках хромосом (см.), называемых организаторами ядрышка. В клетках человека организаторы ядрышка локализованы в области вторичных перетяжек коротких плеч хромосом 13, 14, 15, 21 и 22. При активном синтезе белка клеткой организаторы ядрышка обычно редуплицируются, и количество их достигает нескольких сотен копий. В ооцитах животных (например, амфибий) такие копии могут отрываться от хромосом и формировать множественные краевые ядрышки яйцеклеток.

Организаторы ядрышка состоят из повторяющихся блоков транскрибируемых последовательностей ДНК, включающих гены 5,8S-PHK, 28S-РНК и 18S-pPHK, разделенные двумя некодирующими рРНК участками. Транскрибируемые последовательности ДНК чередуются с нет-ранскрибируемыми последовательностями (спейсерами). Синтез рРНК, или транскрипция (см.), осуществляется специальным ферментом - РНК-полимеразой I. Первоначально синтезируются гигантские молекулы 45S-PHK; в ходе созревания (процессинга) из этих молекул с помощью специальных ферментов образуются все три вида рРНК; этот процесс протекает в несколько этапов. Избыточные, не входящие в состав рРНК участки 45S-PHK распадаются в ядре, а зрелые рРНК транспортируются в цитоплазму, где молекулы 5,8S-рРНК и 28S-pPHK вместе с синтезированной в ядре вне ядрышка молекулой 5S-pPHK и дополнительными белками формируют большую единицу рибосомы, а молекула 18S-pPHK входит в состав ее малой субъединицы. Согласно современным представлениям рР НК и их предшественники на всех этапах процессинга присутствуют в ядре в виде комплексов с белками - рибонуклеопротеидов. Присоединение белков к молекуле 45 S-РНК происходит по мере ее синтеза, так что к моменту завершения синтеза молекула уже представляет собой рибонуклеопротеид.

Ультраструктура ядрышка отражает последовательные этапы синтеза рРНК на матрицах организаторов ядрышка. На электронограммах в ядрышках различают фибриллярный компонент (нуклеолонему), гранулярный компонент и аморфный матрикс (рис.). Нуклеолонема представляет собой нитчатую структуру толщиной 150- 200 нм; она состоит из гранул диаметром около 15 нм и рыхло расположенных фибрилл толщиной 4-8 нм. На срезах нуклеолонемы видны относительно светлые участки - так назывыаемые фибриллярные центры. Предполагают, что эти центры образованы нетранскрибируемыми областями ДНК организаторов ядрышка, находящимися в комплексе с аргенто-фильными белками. Фибриллярные центры окружены петлями транскрибируемых цепей ДНК с синтезирующимися на них рибонуклеопротеидами 45S-PHK. Видимо, последние и выявляются на электронограммах в виде фибрилл.

Гранулярный компонент ядрышка содержит гранулы рибонуклеопротеидов, представляющие собой различные продукты процессинга рРНК. Среди них иногда удается различить темные гранулы рибонуклеопротеидного предшественника 28S-pPHK (32S-pPHK) и более светлые зерна, содержащие зрелую 28S-pPHK. Аморфный матрикс ядрышка практически не отличается от ядерного сока (см. Ядро клетки).

Таким образом, ядрышко представляет собой динамичную, постоянно обновляющуюся структуру. Это зона ядра клетки, где синтезируются и созревают рРНК и откуда они транспортируются в цитоплазму.

Пути выхода рибонуклеопротеидов из ядрышка в цитоплазму изучены недостаточно. Считают, что они проходят через поросомы ядерной оболочки (см. Ядро клетки) или через участки ее локального разрушения. Связи ядрышка с оболочкой ядра в клетках разных типов осуществляются как в виде непосредственных контактов, так и с помощью каналов, образующихся вследствие инвагинации оболочки ядра. Через подобные связи происходит также обмен веществ между ядрышками и цитоплазмой.

При патологических процессах отмечают разнообразные изменения ядрышек. Так, при малигнизации клеток наблюдается увеличение числа и размеров ядрышек, при выраженных дистрофических процессах в клетке - так называемая сегрегация ядрышек. При сегрегации происходит перераспределение гранулярного и фибриллярного компонентов. При выраженной сегрегации ядрышек нуклеолонема может исчезать, а в гранулярном компоненте образуются темная и светлая зоны - так называемые шапочки, или кэпы. Эти структурные изменения отражают нарушения синтеза, процесса созревания и внутриядрышкового транспорта рРНК.

Библиогр.: Заварзин А. А. и Харазова А. Д. Основы общей цитологии, с. 183, Д., 1982; Ченцов Ю. С. Общая цитология, М., 1984; Ченцов Ю. С. и Поляков В. Ю, Ультраструктура клеточного ядра, с. 50, М., 1974; В о u t e i 1 1 e М. a. D и-puy-Go in А. М. 3-dimensional analysis of the interphase nucleus, Biol. Cell, v. 45, p. 455, 1982; Busch H. a. Smetana K. The nucleolus, N. Y.- L., 1970; Hadjiolov A. A. The nucleolus and ribosome biogenesis, Wien - N. Y., 1985, bibliogr.

Ядрышко (nucleolus, plasmosome) - плотное образование, выявляемое в интерфазных ядрах эукариотических клеток, которое формируется на определенных локусах хромосом (ядрышковым организатором). Ядрышко - производное хромосомы, один из ее локусов, активно функционирующий в интерфазе. В клетке обычно содержится 1-2 Я., иногда - более 2. Основная функция Я. - синтез рибосом; в нем содержатся факторы, участвующие в транскрипции рибосомных генов, процессинге пре-рРНК и сборке прерибосомных частиц. Некоторые белки Я. полифункциональны и участвуют в ряде иных процессов в клетке, таких как апоптоз , регуляция клеточного цикла и др.

Ядрышко - высокоорганизованная структура внутри ядра. В составе ядрышка выявляются большие петли ДНК, содержащие гены pPНК , которые с необычайно высокой скоростью транскрибируются РНК-полимеразой I . Эти петли носят название -"ядрышковые организаторы ".

В отличие от цитоплазматических оргнанелл ядрышко не имеет мембраны, которое окружало бы его содержимое. Похоже, что оно образовано недозрелыми предшественниками рибосом, специфически связанными друг с другом неизвестным образом. ( рис. ядрышко) Размер ядрышка отражает степень его функциональной активности, которая широко варьирует в различных клетках и может изменяться в индивидуальной клетке.

В ядрышке происходят транскрипция рибосомных генов, процессинг предшественников рРНК и сборка прерибосомных частиц из рибосомных белков и рРНК. Механизмы формирования ядрышка не ясны. В соответствии с одной из гипотез, ядрышко рассматривают как нуклеопротеиновый комплекс, спонтанно появляющийся в результате объединения регуляторных белково-нуклеиновых комплексов, возникающих на повторяющихся последовательностях рДНК во время их транскрипции. Действительно, гены рРНК человека организованы в виде 250 тандемно повторяющихся последовательностей длиной в 44 т.п.о. каждая, которые вместе с ассоциированными с ними белками формируют сердцевину ядрышка. Оно заполняется другими компонентами во время процессинга рРНК и сборки рибосомных субчастиц.

Морфологически в ядрышке различают три основные зоны: фибриллярный центр , окруженный плотной фибриллярной и гранулярной областями .

На электронной микрофотографии ядрышка можно различить эти три дискретные зоны:

1) слабоокрашенный компенент, содержащий ДНК из области ядрышкового организатора хромосомы,

2) плотный фибриллярый компонент, состоящий из множества тонких (5 нм) рибонуклепротеиновых фибрилл, представляющих собой РНК-транскрипты и

3) гранулярный компонент, в состав которого входят частицы диаметром 15 нм, представляющие наиболее зрелые предшественники рибосомных частиц.

С помощью специфических антител и гибридизационных зондов было установлено, что в фибриллярном центре ядрышка локализованы гены рРНК , РНК-полимераза I , транскрипционный фактор UBF и топоизомераза I . Полагают, что фибриллярный центр ядрышка является местом сборки регуляторных нуклеопротеиновых комплексов, необходимых для транскрипции генов рРНК. Плотный фибриллярный компонент, окружающий центр ядрышка, представлен растущими цепями предшественников рРНК и ассоциированными с ними белками, участвующими в процессинге. В гранулярной области ядрышка обнаруживают зрелые 28S и 18S рРНК, частично процессированные РНК, а также продукты сборки рибосомных субчастиц. Интермедиаты сборки рибосом представлены частицами диаметром 15-20 нм. Перенос прерибосомных субчастиц к цитоплазме, по-видимому, обеспечивают специфические белки, которые перемещаются от ядрышка к оболочке ядра. Благодаря иерархии в структурно-функциональной организации ядрышка в виде отдельных морфологически различимых компартментов его часто используют в качестве модели функциональной компартментализации синтеза мРНК, ее процессинга и экспорта в цитоплазму.

Наблюдаемая "высокоупорядоченная" пространственная структура ядрышка может быть просто следствием функционирования большого числа генов рРНК, организованных в тандемные повторы, что сопровождается накоплением транскриптов РНК-полимеразы I и продуктов их процессинга в окрестностях активно работающих генов. Структура ядрышка является динамической, а его пространственное расположение и структурные особенности зависят от внутриядерной локализации и уровня активности соответствующих генов рРНК.

Даже геном дрожжей содержит ~200 тандемно повторяющихся генов рРНК. При этом не все гены одинаковы в функциональном отношении: транскрибируется лишь половина последовательностей рДНК, а в их воспроизводстве задействовано лишь ~20% имеющихся областей начала репликации. Перенос генов в область рДНК часто сопровождается их репрессией, что, как полагают, является следствием функционирования механизма подавления гомологичной рекомбинации в участках генома, содержащих тандемные повторы. Мутационное нарушение этого механизма сопровождается образованием сотен внехромосомных кольцевых рДНК, которые неравномерно распределяются между дочерними клетками во время митоза. Накопление материнскими клетками внехромосомных рДНК приводит к уменьшению способности клеток делиться. Этот феномен был назван " старением клеток" (cellular aging) . Кроме того, ядрышко может регулировать вхождение клеток в мейоз, а также активность фосфатазы Cdc 14 , контролирующей прохождение телофазы митоза. Получены данные, что повторяющиеся последовательности рДНК ядрышка служат местом сборки регуляторного белкового комплекса RENT (regulator of nucleolar silencing and telophase exit) , в состав которого входит фосфатаза и три других белка, которые и обеспечивают регуляторные функции ядрышка.

45S-транскрипты рРНК сначала образуют крупные комплексы, связываясь с большим количеством различных белков, импортируемых из цитоплазмы, где синтезируются все клеточные белки. Большая часть из 70 различных полипептидных цепей, формирующих рибосому, а также 5S-рРНК включаются именно на этой стадии.

Для правильного протекания процесса сборки необходимы и иные молекулы. Например, в ядрышке присутствуют и другие белки, связывающиеся с РНК, а также определенные маленькие рибонуклепротеиновые частицы (включая U3-snRNP), которые, как полагают, катализируют сборку рибосом. Эти компоненты остаются в ядрышке, а субъединицы рибосом в готовом виде транспортируются в цитоплазму. Особенно заметным компонентом ядрышка является нуклеолин , хорошо изученный белок, который присутствует в больших количествах и, по-видимому, связывается только с транскриптами рибосомной РНК. Нуклеолин особым образом окрашивается серебром. Такое окрашивание характеризует и все ядрышко в целом.

Во время процессинга 45S-РНК этот гигантский рибонуклеопротеиновый комплекс постепенно теряет часть белков и последовательностей РНК и затем специфически расщепляется, образуя самостоятельные предшественники большой и малой рибосомных субъединиц.

Через 30 мин после введения радиоактивной метки первые зрелые малые субъединицы рибосом, содержащие меченую 18S-рРНК, выходят из ядрышка и появляются в цитоплазме.

Сборка больших рибосомных субъединиц, содержащих 28S-РНК, 5,8S-РНК и 5S-РНК, требует несколько больше времени (около 1 ч), поэтому в ядрышке накапливается гораздо больше недостроенных больших субъединиц, чем малых.

Заключительные стадии созревания рибосом осуществляются только после выхода рибосомных субъединиц из ядра в цитоплазму. Этим достигается изоляция функционирующих рибосом от незрелых ядерных транскриптов.

Имеются данные, указывающие на участие ядрышка в регуляции клеточного цикла.

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.

В ядрышках содержатся белки нескольких типов:

• кислые фосфопротеиды,
• 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 делается 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.

Волокнистая часть – нуклеолонема, диффузная, гомогенная часть – аморфное вещество, или аморфная часть. Оба эти участка ядрышка отрицательны. У некоторых клеток отдельные нити нуклеолонем сливаются и ядрышки могут быть совершенно однородными.

Основные структурные компоненты ядрышка :

• плотные гранулы диаметром около 150 А,
• 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. Фибриллярная часть ядрышка не всегда собрана в компактную центральную зону.

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.