Те́льце Каха́ля (ТК) ( англ. Cajal body, CB ) — образование в ядре клетки , присутствующее у некоторых ядерных организмов . Типичный размер телец Кахаля составляет 1—2 мкм, и в одной клетке может содержаться от 0 до 10 ТК . Клетки многих типов не имеют ТК, но ТК имеются в ядрах нейронов и раковых клеток . Основная функция телец Кахаля заключается в процессинге малых ядерных и малых ядрышковых РНК , а также сборке рибонуклеопротеиновых комплексов .

Для телец Кахаля характерно наличие маркерного белка коилина и ( англ. small Cajal RNAs ; scaРНК); помимо коилина, важнейшую роль в поддержании структурной целостности телец Кахаля играет белок выживания моторных нейронов (SMN) . В тельцах Кахаля в высоких концентрациях содержатся ( англ. small nuclear ribonucleoproteins, мяРНП ) и другие факторы процессинга РНК , свидетельствующие о том, что тельца Кахаля служат местами сборки и/или посттранскрипционной модификации сплайсирующего аппарата ядра. Кроме того, ТК участвуют в процессинге мРНК гистонов и удлинении теломер . ТК существуют в течение всей интерфазы , однако исчезают в митозе . Биогенез телец Кахаля проявляет свойства самоорганизующейся структуры .

История изучения

Тельце Кахаля впервые было описано Сантьяго Рамоном-и-Кахалем — испанским нейроанатомом , который в 1906 году получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине совместно с Камилло Гольджи за исследования клеточного строения нервной системы . В 1903 году, используя технику импрегнации серебра , Кахаль обнаружил маленькое округлое тельце, которое встречалось в ядрах разных нервных клеток . Он назвал его вспомогательным тельцем ( исп. cuerpo accessorio ). В ходе своих морфологических исследований Кахалю удалось наблюдать сплайсирующие крапинки ( англ. splicing specles ), ядрышко и ядерную мембрану . Те тельца, которые Кахаль назвал cuerpo accessorio , были независимо описаны у самых разных организмов : млекопитающих , земноводных , насекомых и растений . Им были даны самые разнообразные названия: смотанные тельца ( англ. coiled bodies ) в клетках мыши , крысы и человека , эндотельца ( нем. Binnenkörper ) у насекомых, связанные с ядрышками тельца у растений. Порядок в это множество названий привнесло открытие белка коилина в смотанных тельцах клеток HeLa . Антитела против коилина послужили хорошими маркерами смотанных телец в клетках позвоночных и даже связанных с ядрышками телец в клетках гороха посевного ( Pisum sativum ). Теперь стало ясно, что гомологичные ядерные субкомпартменты , содержащие коилин, имеются у самых разных эукариот. Чтобы подтвердить эту общность и привести терминологию к единому образцу, для ядерных телец, содержащих коилин, было предложено название «тельца Кахаля» . В 2002 году тельца Кахаля были впервые изолированы из живых клеток (клеток HeLa) .

Компоненты

Тельца Кахаля являются местами модификации малых ядерных РНК (мяРНК) и малых ядрышковых РНК (мякРНК), кроме того, в них происходит сборка и часть жизненного цикла РНП . Для телец Кахаля характерно присутствие белка коилина, малых ядерных рибонуклеопротеинов (мяРНП), малых ядрышковых рибонуклеопротеинов (мякРНП), теломеразных РНП и факторов сборки и созревания РНП, а также комплексов, образованных (SMN). Integrator, который осуществляет процессинг 3'-концов мяРНК и поддерживает целостность ТК, также может быть компонентом ТК .

Коилин

После открытия коилина в клетках HeLa этот белок быстро стал характерным маркером для телец Кахаля в клетках млекопитающих. У человека и мыши коилин имеет примерно одинаковый размер (62,6 кДа и 62,3 кДа соответственно), и между их аминокислотными последовательностями наблюдается высокая степень сходства. У лягушки Xenopus коилин слегка меньше (59,6 кДа), а его аминокислотная последовательность значительно отличается от таковой у двух белков млекопитающих. Вне позвоночных определить гомологов коилина по последовательности аминокислот чрезвычайно трудно. Бесспорные ортологи коилина были описаны у Arabidopsis и Drosophila , однако пока у нематоды Caenorhabditis elegans , дрожжей Saccharomyces cerevisiae и других важных модельных организмов , не относящихся к позвоночным, ортологов коилина обнаружено не было .

Несмотря на удобство использования коилина в качестве маркера телец Кахаля, о самом коилине как белке известно немного: в частности, до сих пор нет сведений, какие биохимические функции он может выполнять в тельце Кахаля. Коилин связывается с белком выживания моторных нейронов (SMN) и с различными белками групп Sm и , поэтому он может участвовать в сборке или модификации мяРНП. У мышей, арабидопсиса и дрозофилы были найдены строгие доказательства того, что коилин необходим для формирования ТК. У данио-рерио нокаут гена коилина при помощи морфолино , приводящий к утрате ТК и беспорядочному рассеянию мяРНП по ядру, вызывает остановку развития при переходе от стадии 15 сомитов к стадии 16 сомитов, вероятно, из-за нарушения правильного вырезания интронов и сниженного образования нормальных зрелых мРНК. Интересно, что этот эффект может быть уменьшен путём добавления зрелых человеческих мяРНП, но не только мяРНК или мяРНП, подтверждая, что у данио-рерио для правильной сборки мяРНП необходим коилин и, вероятно, тельце Кахаля . Нокаут гена коилина у мыши приводит к полулетальному фенотипу (50 % зародышей погибает на стадии внутриутробного развития). Некоторые гомозиготы умирают на стадии эмбрионов , а те из них, которые всё же доживают до взрослого возраста, имеют значительные проблемы с фертильностью и плодовитостью . Выращенные в культуре клетки , полученные от таких нокаутных мышей , не имеют типичных ТК. Вместо этого у них наблюдаются три типа «остаточных» телец, каждое из которых содержит часть компонентов телец Кахаля. У Arabidopsis мутант no cajal body 1 (ncb-1) имеет замену единственного основания в гене коилина, хотя непонятно, действительно ли он совершенно лишён коилина. Гомозиготы ncb-1 полностью жизнеспособны, однако с помощью антител к другим компонентам ТК (U2B и фибрилларин ) ТК у них не обнаруживаются при помощи электронной микроскопии . У дрозофилы два различных мутанта по коилину полностью жизнеспособны в гомозиготном состоянии. В клетках нулевых по коилину мух методами или ТК не выявляются. Таким образом, у этих трёх изученных организмов коилин необходим для нормального формирования ТК, однако ни коилин, ни нормальные ТК не являются необходимыми для жизнеспособности .

Изменения в уровне экспрессии коилина связаны с изменениями содержания нескольких некодирующих РНК , в частности, мяРНК , рРНК , транскрибируемых , и . Кроме того, коилин способен связываться с различными некодирующими РНК, такими как предшественник рРНК 47/45S, мяРНК U2 и РНК-компонент теломеразы. Коилин обладает РНКазной активностью, которая особенно важна для процессинга 3'-конца мяРНК U2 РНК-компонента теломеразы. Таким образом, коилин способен оказывать влияние на транскрипцию и/или процессинг многих важных некодирующих РНК в клетке .

Несмотря на то, что коилин многие годы используется в качестве маркера телец Кахаля, а также ту критическую роль, которую он играет в поддержании их структурной целостности, установлено, что коилин также встречается в других особых ядерных тельцах — тельцах гистоновых локусов ( англ. histone locus bodies, HLB ) .

Малые ядерные рибонуклеопротеины (мяРНП)

После того как тельца Кахаля были выявлены методом иммуноокрашивания антителами против коилина, появилась простая методика использования других антител и in situ -гибридизации для создания каталога типичных компонентов ТК. Вскоре стало понятно, что ТК содержат множество белков и РНК , участвующих в процессинге РНК, в частности, сплайсинге малых ядерных РНК (мяРНК, англ. snRNA ) (U1, U2, U4, U5 и U6). Так как собственно сплайсинг в тельцах Кахаля не происходит, было выдвинуто предложение, что ТК может играть некоторую роль в сборке или модификации сплайсирующих мяРНП. Биогенез сплайсирующих мяРНП — сложный процесс, включающий как ядерные, так и цитоплазматические этапы. Вкратце, транскрипция мяРНК происходит в ядре, вслед за чем они экспортируются в цитоплазму. В цитоплазме монометилгуанозиновый кэп на 5'-конце становится триметилированным , и каждая мяРНК упаковывается в комплекс из семи консервативных белков группы Sm. Наконец, собранные мяРНП возвращаются в ядро. Поскольку мяРНК, встречающиеся в тельцах Кахаля, связаны с белками Sm и имеют триметилгуанозиновый кэп, считают, что они уже вернулись в ядро из цитоплазмы. Это подтверждается кинетическими исследованиями, показывающими, что только что поступившие в ядро мяРНП сначала отправляются в ТК, после чего появляются в крапинках (кластерах гранул интерхроматина ) и, наконец, попадают на хромосомы , где, собственно, и происходит сплайсинг. Модификация специфических нуклеотидов мяРНП, вероятно, происходит в ТК. Менее понятно, в какой степени сборка аппарата сплайсинга происходит в ТК. Предполагается, что ТК участвуют в осуществлении последних стадий образования U2 мяРНП, и, возможно, сборка / - три-мяРНП происходит также в ТК. Также были представлены доказательства, что мяРНП рециркулируют через ТК. Очень может быть, что сплайсирующие мяРНП проходят из ТК в крапинки на пути к местам синтеза РНК и сплайсинга на хромосомах. Однако степень того, насколько отдельные мяРНП организованы в комплексы более высокого порядка в крапинках, неизвестна. Недавние исследования, проведённые на ооцитах земноводных, показали, что мяРНП могут рекрутироваться к хромосомам типа ламповых щёток независимо от сборки в зрелые сплайсосомы . Если это верно для всех клеток, то тельца Кахаля могут выполнять лишь ограниченную роль в сборке мяРНП в комплексы более высокого порядка .

Малые РНК телец Кахаля (scaРНК)

Мощным шагом вперёд в понимании функций телец Кахаля стало открытие малых РНК телец Кахаля (scaРНК). ScaРНК находятся в близком родстве с малыми ядрышковыми РНК (мякРНК, англ. snoRNA ) как по структуре, так и по функциям. Для обеих групп РНК характерно наличие особых мотивов — так называемых бокса C/D и бокса Н/АСА, и обе эти группы принимают участие в посттранскрипционной модификации других РНК. Бокс С/D мякРНК направляет присоединение 2'-O- метильных групп к специфическим остаткам рибозы в рРНК, в то время как бокс Н/АСА опосредует превращение специфических уридинов в псевдоуридин . Фибрилларин функционирует как , а дискерин/NAP57/CBF5 — как псевдоуридинсинтаза; каждый из этих белков взаимодействует с тремя дополнительными белками, образуя активный фермент. ^{[ источник не указан 168 дней ]} ScaРНК осуществляют схожие реакции с малыми ядерными РНК (мяРНК) и отвечают за их метилирование и псевдоуридилирование . Первая открытая и наиболее хорошо изученная РНК класса scaРНК — U85. Эта необычная направляющая РНК ( англ. guide RNA ) опосредует две модификации: 2'-O-метилирование С45 и псевдоуридилирование U46 в человеческой мяРНК U5. Эксперименты по фракционированию клеток и in situ -гибридизации показали, что scaРНК U85 локализуется исключительно в ТК клеток HeLa и Drosophila . Локализация этой РНК отличается от локализации её субстрата — мяРНК U5, которая также в больших количествах содержится в ТК, но, помимо этого, подобно другим мяРНК, широко распространена по всему ядру. Локализация U85 и других scaРНК отличается от локализации большинства направляющих РНК, содержащих боксы С/D и Н/АСА, которые концентрируются в ядрышке. Показано, что локализация РНК в ТК в клетках позвоночных зависит от наличия короткой консенсусной последовательности , названной САВ-боксом. Родственный, но несколько отличающийся мотив был описан в scaРНК Drosophila . САВ-бокс scaРНК и человека, и дрозофилы связывается с консервативным белком WRAP53 (также известным как белок , TCAB1 и WDR79) , который необходим для локализации этих РНК в тельцах Кахаля .

Специфическая локализация scaРНК в тельце Кахаля подтверждает, что метилирование и псевдоуридилирование мяРНК происходят в ТК после доставки собранных мяРНП в ядро. Эта гипотеза надёжно подтверждается экспериментами с культурой клеток, показывающими, что искусственные субстраты scaРНК модифицировались тогда, когда вводились в ТК, а не в ядрышко. Эта гипотеза также хорошо согласуется с хорошо известной концентрацией фибрилларина в ТК. В то же время маловероятно, что модификация мяРНК ограничена ТК, потому что лишённые коилина мухи, у которых отсутствовали ТК, тем не менее, имели нормальные уровни scaРНК, и все их мяРНК были модифицированы правильно. Представляется вероятным, что scaРНК и другие компоненты ТК в норме существуют в нуклеоплазме в виде , которые слишком малы, чтобы быть по отдельности различимыми в обычный световой микроскоп . Коилин необходим для сборки этих комплексов в тельца Кахаля, различимые методами световой микроскопии, однако сборка этих телец не является необходимым условием для функционирования этих комплексов, по крайней мере, для scaРНК-зависимой модификации сплайсирующих мяРНК . Возможно, что ТК выполняет роль локальной концентрации реагентов, необходимых для процессинга мяРНК, и тем самым повышает его эффективность. Если в силу метаболических особенностей клетки какая-либо стадия созревания мяРНП в ТК становится (как, например, в случае эмбриогенеза данио-рерио, описанном выше), то клетки, лишённые коилина и, следовательно, ТК, оказываются нежизнеспособными .

Особой scaРНК, представляющей исключительный интерес, является РНК-компонент теломеразы — фермента , ответственного за поддержания постоянной длины теломер в клетках эукариот. Присутствие теломеразной РНК в ТК было показано методом in situ -гибридизации в линиях человеческих раковых клеток, однако в нераковых клетках её уровни в ТК были низкими или неопределимыми. Теломеразная РНК имеет мотив бокс Н/АСА и САВ-бокс. В ТК раковых клеток человека накапливается также . В ТК локализуются и другие компоненты теломеразного комплекса — белки , , , NOP10, WRAP53 . WRAP53, который связывается с другими scaРНК, является частью холофермента человеческой теломеразы и необходим для синтеза теломер в клетках HeLa (в его отсутствие плюрипотентные клетки были неспособны удлинять свои теломеры ). Возможно, коилин участвует в процессинге теломеразной РНК .

GEMS и белок SMN

Исключительно интересным компонентом телец Кахаля является белок выживания моторных нейронов ( англ. survival motor neuron protein, SMN ). Когда внутриклеточную локализацию SMN впервые изучали методом иммунофлуоресценции , белок был виден по всей цитоплазме, а также в ядерном тельце, по размеру схожем с тельцем Кахаля, однако отличном от ТК. По этой причине открытое тельце получило название «близнец тельца Кахаля» ( англ. Gemini of the CB, GEMS ). По случайному совпадению, линия клеток HeLa, на которой были описаны GEMS, необычна: в человеческих клетках других линий, в том числе различных штаммах HeLa, в первичных нейронах, а также в клетках дрозофилы SMN локализуется там же, где и коилин в ТК. По этой причине в общем случае SMN может рассматриваться как важный компонент ТК, а не как маркер отдельного ядерного тельца .

Вероятнее всего, SMN совместно с коилином принимает участие в поддержании структурной целостности ТК. Показано, что SMN принимает участие в распознавании и разрешении R-петель в ходе терминации транскрипции , поэтому ТК, возможно, участвуют в регуляции транскрипции .

В 2017 году было показано, что SMN является мишенью ацетилтрансферазы CREBBP . В клетках человека этот фермент SMN по остатку лизина 119 (К119), вызывая выход белка в цитоплазму и расформирование ТК, а также уменьшение накопления мяРНП в ядерных спеклах . В мутантных клетках, у которых остаток лизина 119 в SMN заменён на аргинин , не подвергающийся ацетилированию, напротив, стимулируется образование ТК, а также новой категории телец промиелоцитной лейкемии (PML-телец), обогащённых SMN .

Как и следует из названия, у млекопитающих SMN необходим для правильного функционирования моторных нейронов , особенно для расположенных в спинном мозге . У мышей и дрозофилы нулевые мутации в единственной копии гена smn летальны. В случае человека дело обстоит несколько иначе, потому что у человека имеются две копии гена, одна из которых имеет изменённый сайт сплайсинга, приводящий к неэффективному процессингу транскрипта. Не забираясь в глубь довольно непростой генетики человеческого гена smn , можно сказать, что мутации в этом гене часто приводят к развитию состояния, известного как спинальная мышечная атрофия (SMA). SMA имеет место у примерно 1 из 6000 новорождённых и приводит к ранней смерти .

Биохимические исследования показали, что в клетках позвоночных SMN находится в макромолекулярном комплексе, известном как ассемблисома ( англ. assemblysome ). Этот комплекс состоит из самого SMN, семи геминов и нескольких других факторов. Этот комплекс функционирует в цитоплазме как шаперон , принимающий участие в сборке комплекса из сплайсирующих мяРНК с семичленным кольцом из белков Sm. SMN сопровождает собранные мяРНП на их обратном пути в ядро и облегчает ядерный импорт белков Sm , однако неизвестно, имеет ли SMN специфические функции в ядре .

Экспрессия человеческого SMN, меченного зелёным флуоресцентным белком , в клетках почкующихся дрожжей показала специфическую локализацию этого белка в небольшой структуре внутри ядрышка, которую авторы исследования назвали ядрышковым тельцем ( англ. nucleolar body ). Некоторые этапы созревания мякРНК U3 также протекают в этом тельце. Связь с ядрышком, накопление SMN, созревание U3 — всё это свидетельствует в пользу того, что ядрышковое тельце дрожжей эквивалентно тельцу Кахаля более сложных эукариот .

Другие белки телец Кахаля

Белок (также известный как TCAB1 или WDR79), подобно SMN, обнаруживается в цитоплазме и ТК. Впервые этот белок был идентифицирован как белок, связывающийся с мотивом CAB в некоторых , а также , и обеспечивающий локализацию этих РНК в ТК. Снижение уровня WRAP53 в клетке при помощи РНК-интерференции приводит к разрушению ТК и перемещению коилина в ядрышко , поэтому WRAP53 играет важную роль в поддержании структурной целостности ТК. Кроме того, WRAP53 задействован в биогенезе scaРНК .

CRM1 обнаруживается в нуклеоплазме и ТК. Он входит в состав комплекса, который переносит новосинтезированные малые ядерные РНК из ядра в цитоплазму, в которой проходит ряд этапов созревания этих РНК. По пути к цитоплазме этот комплекс, вероятнее всего, проходит через ТК. CRM1 также участвует в доставке малых ядрышковых рибонуклеопротеинов (мякРНП) в ядрышко, которые, как и мяРНП, в ходе своего созревания проходят через ТК. Ингибирование работы CRM1 приводит к нарушениям в структуре и динамике ТК .

DAXX функционирует как транскрипционный корепрессор . Этот белок выявляется в цитоплазме и ядре, а именно, в PML-тельцах. Было также продемонстрировано, что DAXX может находиться в ТК, причём его локализация в ТК зависит от стадии клеточного цикла , достигая максимума в ранней и средней S-фазе . В этот же период клеточного цикла в ТК наблюдается повышенная концентрация обратной транскриптазы , входящей в состав теломеразы ( ), когда в ТК происходит сборка холофермента теломеразы, поэтому в ТК DAXX может стимулировать сборку теломеразы путём взаимодействия с её субъединицами , а также перемещение теломеразы к теломерам .

( англ. Dyskerin ) обнаруживается в ядрышке и ТК. Дискерин включается в состав теломеразного комплекса на ранних стадиях его формирования, а также входит в состав некоторых мякРНП и scaРНП. Было показано, что дискерин взаимодействует с коилином и SMN, поэтому его включение в состав теломеразного комплекса и РНП может регулироваться взаимодействием с другими белками ТК .

известен как белок, взаимодействующий с коилином, причём как увеличение, так и сокращение экспрессии этого белка приводит к нарушениям в структуре и составе ТК. Нехватка Fam118B также сказывается на темпах сплайсинга и приводит к подавлению пролиферации клеток .

Фибрилларин известен как белок-маркер плотного фибриллярного компонента ядрышек. Он также выявляется в ТК и входит в состав некоторых мякРНП и scaРНП. Фибрилларин непосредственно взаимодействует с scaРНК и мяРНК и функционирует как , метилирующая мяРНК и рРНК . GAR- домен (домен, обогащённый глицином и аргинином) фибрилларина, кроме того, взаимодействует с SMN .

, подобно фибрилларину, локализуется в ядрышке и ТК. Этот белок участвует в биогенезе теломеразы и присутствует в зрелом теломеразном РНП. Кроме того, он входит в состав ряда мякРНП и scaРНП. GAR1 взаимодействует с SMN при помощи одного из двух своих GAR-доменов, один из которых находится на N-конце , а другой — на С-конце белка .

Nopp140 в большом количестве встречается в ядрышке и ТК и играет важную роль в образовании рибосом . Он образует комплекс с дискерином, который также выявляется в ядрышке и ТК. Кроме того, он взаимодействует с коилином, а также мякРНП и scaРНП, поэтому, возможно, Nopp140 выступает как шаперон мякРНП, обеспечивая связь между ядрышком и ТК. Возможно, что Nopp140 также принимает участие в биогенезе scaРНП в ТК. Имеются свидетельства, что функционирование Nopp140 в ТК зависит от SMN .

PA28γ — это хорошо изученный активатор протеасом . В условиях стресса, например, при облучении ультрафиолетом , ТК разрушаются и PA28γ колокализуется с коилином. Однако в клетках в нормальном состоянии PA28γ не обнаруживается в ТК и хаотично разбросан по нуклеоплазме. Сверхэкспрессия PA28γ приводит к разборке ТК, поэтому этот белок, вероятно, участвует в поддержании целостности ТК .

, как и CRM1, участвует в экспорте сплайсосомной мяРНК и локализуется в ТК и нуклеоплазме. PHAX взаимодействует с кэпом на 5'-конце мяРНК и формирует комплекс экспорта, в который также входит CRM1. Некоторое время комплекс находится в ТК, а затем выходит в цитоплазму. Уменьшение уровня PHAX в результате РНК-интерференции разрушает ТК, показывая, что биогенез мяРНП необходим для поддержания структуры ТК .

— это фактор сборки мяРНП, который взаимодействует с и накапливается в ТК. Предполагается, что этот белок в комплексе с SART3 принимает участие в этапе сборки сплайсосомы, который происходит в ТК. Помимо этого, SART3 взаимодействует с коилином и необходим для индукции образования в ТК в , имеющих мало ТК, а также накопления незрелых мяРНП с коилином в ТК .

SmD1 — коровый компонент мяРНП. В ходе созревания мяРНП SmD1 в составе этих комплексов попадает в ТК, где взаимодействует с коилином и SMN .

Обратная транскриптаза теломеразы (TERT) также обнаруживается в ТК, так как именно там происходит сборка холофермента теломеразы .

Триметилгуанозинсинтаза I ( ), как и SMN, обнаруживается в цитоплазме и ТК. TGS1 непосредственно взаимодействует с SMN и в цитоплазме формирует кэп сплайсосомных мяРНК. В ТК функционирует укороченная изоформа TGS1, которая образует кэп мякРНК .

(также известный как hCaf1z) обнаруживается в ядре и ТК. Этот белок участвует в подавлении клеточного роста, влияя на уровень в клетке белка p21 — ингибитора циклинзависимых киназ . Он также образует комплекс с белком hCcr4d, который также выявляется в ТК, и этот комплекс обладает деаденилирующей активностью. TOE1 взаимодействует и с коилином, и с SMN, причём сокращение уровня TOE1 приводит к разрушению ТК, замедлению сплайсинга пре- мРНК и подавлению пролиферации клеток. В ТК TOE1, вероятно, участвует в процессинге различных РНК .

USPL1 — недавно идентифицированный компонент ТК, который необходим для формирования нормальных ТК. Снижение уровня этого белка в клетке приводит к сокращению транскрипции мяРНК, замедлению сборки мяРНП и сплайсинга пре-мРНК. Вероятно, USPL1 играет важную роль в транскрипции генов мяРНК РНК-полимеразой II .

Связь телец Кахаля и специфических локусов

Поскольку ядрышки связаны со специфическими локусами на хромосомах, возникает справедливый вопрос: а не существует ли подобных ассоциаций у телец Кахаля и других ядерных органелл. В случае ТК пока не существует никаких доказательств того, что транскрипция происходит в самом тельце, а потому нет никаких оснований полагать, что ТК, как ядрышки, соответствуют активным генным локусам. Тем не менее, ТК могут формироваться на специфических локусах или перемещаться туда, выступая в качестве переносчика необходимых для этих локусов факторов. Наличие подобных связей подтверждается тем фактом, что ТК в культуре клеток позвоночных демонстрируют предпочтительную ассоциацию с генными локусами, кодирующими мяРНК. В этих клетках ТК связаны с кластерами генов не только , и U4, но и с локусами минорных мяРНК и U12. Было высказано предположение, что мяРНК в ТК каким-то образом осуществляют регуляцию транскрипции мяРНК в этих локусах по типу обратной связи . Какова бы ни была причина этой ассоциации, связь между ТК и локусами мяРНК динамична и зависит от транскрипции, как было показано в ходе недавнего экспериментального анализа. Отрезок индуцибельных генов мяРНК U2 был введён в культуру клеток вместе с флуоресцентно-меченым коилином. До тех пор, пока отрезок U2 был транскрипционно неактивен, между ним и ТК не существовало никакой особой связи. Однако при индукции транскрипции отрезок U2 переместился очень близко к ТК и в конце концов достиг физического контакта с ним. Это заметное перемещение было нарушено у доминантного отрицательного мутанта по , что подтверждает роль ядерного актина в перемещении хромосомных локусов в ответ на активацию транскрипции .

Другая особая связь существует между тельцем Кахаля и теломерами. В течение большей части клеточного цикла теломеразная РНК отмечается только в ТК. Кроме того, было установлено, что в ходе S-фазы ТК образуют временные связи с теломерами. Эти результаты подтверждают существование специфических взаимодействий между ТК и теломерами в ходе удлинения теломер. Функциональное значение этого явления ещё предстоит определить .

Тельце Кахаля и ядрышко

Тельца Кахаля тесно связаны друг с другом физически. Согласно первоначальным ультраструктурным данным, ТК может быть полностью слитым с ядрышком, отпочковываться от него или же совершенно свободно лежать в нуклеоплазме. Использование белков, слитых с зелёным флуоресцентным белком , показало, что ТК могут отпочковываться друг от друга или сливаться друг с другом, но никогда не сливаться с ядрышком. Тем не менее, во многих клетках ТК выявляются в непосредственной близости от ядрышек. Позднее, однако, внутри ядрышек были выявлены структуры, содержащие белки, которые также обнаруживаются в ТК (например, CRM1). Эти тельца получили название внутриядрышковых телец ( англ. intranucleolar bodies ). Они содержат мало коилина и на ультраструктурном уровне непохожи на типичные ТК, поэтому вряд ли являются внутриядрышковыми ТК. На тесную связь ТК и ядрышек указывает биохимическая общность: многие ядрышковые белки, такие как фибрилларин, нуклеолин , Nopp140 и NAP57, выявляются в ТК, как ассоциированных с ядрышком, так и свободно расположенных в нуклеоплазме. Многие резидентные белки ТК, в свою очередь, перемещаясь по ядру, проходят сквозь ядрышки, а многие ядрышковые РНК подобным образом проходят через ТК. Кроме того, в ядрышках многих клеток накапливается коилин. Всё это свидетельствует о тесной структурно-функциональной связи ТК и ядрышка .

Тельца Кахаля и ответ на стресс

Установлено, что вирусные инфекции , воздействие ультрафиолета , ионизирующего излучения , а также обработка цисплатином и этопозидом — агентами, повреждающими ДНК , — разными путями нарушают работу телец Кахаля. Например, ультрафиолет и аденовирусная инфекция запускают образование коилин-содержащих микрофокусов. Интересно, что для повреждения ТК под действием ультрафиолета необходима субъединица активатора протеасомы PA28γ, которая, хотя и не попадает в ТК, влияет на формирование ТК через взаимодействие с коилином, содержащимся в нуклеоплазме. При герпесвирусной инфекции, напротив, коилиновые микрофокусы не образуются, а коилин переносится к повреждённым центромерам в ходе процесса, получившего название интерфазного ответа на повреждение центромер ( англ. interphase centromere damage response (iCDR) ). Под действием ионизирующего излучения, а также цисплатина или этопозида ТК разрушаются, и коилин релокализуется в ядрышке. Детальные механизмы действия этих агентов на ТК ещё не установлены, однако эти данные говорят о том, что ТК могут участвовать в путях ответа на стресс .

Некоторые данные о механизмах участия ТК в ответах на стресс были получены при изучении коилина. Оказалось, что коилин обусловливает ответ клетки на действие цисплатина и регулирует связывание РНК-полимеразы I с промоторами генов рРНК. Связывание коилина с некоторыми некодирующими РНК изменялось под действием цисплатина или этопозида. Таким образом, экспериментальные данные свидетельствуют в пользу того, что ТК (в частности, коилин) принимают участие в путях ответа на стресс, которые регулируют биогенез РНП, а также транскрипцию и процессинг рРНК .

Известно, что некоторые другие условия могут влиять на ТК. Факторы внешней среды (например, температура ), изменения, связанные с развитием (например, организация ядра в клетках зародыша и взрослого организма), болезненное состояние (такое как трансформация нормальной клетки в раковую) оказывают влияние на ТК. Интересно, что локальное силовое воздействие на поверхность клетки посредством интегринов вызывает нарушения в связывании некоторых белков с ТК (в частности, нарушается связывание коилина в SMN) .

Формирование и регуляция

Установлено, что ингибиторы транскрипции, трансляции , ядерного экспорта, киназной и фосфатазной активности вызывают разборку телец Кахаля и/или перемещение коилина в другие места. Кроме того, ТК, будучи динамическим ядерным тельцем, разбирается при митозе и вновь образуется в G1-фазе клеточного цикла, подобно ядру и ядрышку. Поскольку в разборке ядрышка и ядра при митозе ключевую роль играет фосфорилирование , весьма вероятно, что сборкой и разборкой ТК в ходе клеточного цикла также управляет эта модификация. Действительно, по меньшей мере 20 белков ТК могут фосфорилироваться. Фосфорилирование коилина и SMN влияет на взаимодействие этих белков друг с другом и с мяРНП. По всей вероятности, фосфорилирование WRAP53 регулирует взаимодействие этого белка с коилином и SMN, а эти реакции необходимы для правильной сборки ТК .

Фосфорилирование может не только изменять белок-белковые взаимодействия в ТК, но и влиять на его активность. У мутантов с дефектным фосфорилированием РНКазная активность коилина снижалась. Кроме того, при гиперфосфорилировании коилина изменялось его связывание с различными некодирующими РНК. Это состояние характеризуется также сниженной самоассоциацией коилина, в результате чего ТК разбирается, хотя обычно это событие приурочено к митозу. Таким образом, фосфорилирование и дефосфорилирование различных компонентов СВ является конечным результатом сигнальных путей , сообщающих о нуждах клетки в белках. Эти пути, вероятно, регулируют ядерные и цитоплазматические этапы биогенеза мяРНП. Кроме того, PRMT5 и 7, которые симметрично диметилируют остатки аргинина, могут модифицировать коилин и другие компоненты ТК. Как и фосфорилирование, эта модификация влияет на белок-белковые взаимодействия и локализацию белков, тем самым оказывая влияние на формирование и работу ТК. Наконец, в регуляцию ТК может быть вовлечено сумолирование . Помимо посттрансляционных модификаций , на формирование и состав ТК могут влиять некоторые сигнальные белки .

Клиническое значение

Хотя на данный момент не было установлено чёткой связи между дисфункциями ТК и определёнными заболеваниями человека, некоторые мутации компонентов ТК, как сейчас известно, приводят к развитию определённых расстройств. Так, отсутствие функционального белка приводит к спинальной мышечной атрофии — дегенеративному расстройству мотонейронов спинного мозга. Мутации в генах, кодирующих членов теломеразного комплекса, приводят к преждевременному старению и . Нарушения в различных компонентах ТК могут быть ассоциированы с раковыми заболеваниями .

Примечания

Литература

Книги

• Альбертс Б., Джонсон А., Льюис Д. и др. Молекулярная биология клетки / Пер. с англ. А. Н. Дьяконовой, А. В. Дюбы и А. А. Светлова. Под ред. Е. С. Шилова, Б. П. Копнина, М. А. Лагарьковой, Д. В. Купраша. — М. —Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2013. — С. 559—560. — 2821 с. — ISBN 978-5-4344-0137-1 .

• The Nucleus / Tom Misteli, David L. Spector. — New York: Cold Spring Harbor Perpectives in Biology, 2011. — 463 p. — ISBN 978-0-87969-894-2 .

Статьи

• Meier U. T. (англ.) // RNA biology. — 2017. — Vol. 14, no. 6 . — P. 693—700. — doi : . — . [ ]
• Staněk D. (англ.) // RNA biology. — 2017. — Vol. 14, no. 6 . — P. 671—679. — doi : . — . [ ]
• Lafarga M. , Tapia O. , Romero A. M. , Berciano M. T. (англ.) // RNA biology. — 2017. — Vol. 14, no. 6 . — P. 712—725. — doi : . — . [ ]
• Sawyer I. A. , Hager G. L. , Dundr M. (англ.) // RNA biology. — 2017. — Vol. 14, no. 6 . — P. 791—803. — doi : . — . [ ]