Я́дрышко — немембранный внутриядерный субкомпартмент , присущий всем без исключения эукариотическим организмам. Представляет собой комплекс белков и рибонуклеопротеидов , формирующийся вокруг участков ДНК , которые содержат гены рРНК — ядрышковых организаторов . Основная функция ядрышка — образование рибосомных субъединиц.

В ядрышке выделяют три основных структурных компонента, соответствующих разным этапам биогенеза рибосом: фибриллярный центр (ФЦ), плотный фибриллярный компонент (ПФК) и гранулярный компонент (ГК). В начале митоза происходит разборка ядрышек, а по окончании митоза они собираются снова. В настоящее время имеются данные об участии ядрышек в процессах, не связанных с биогенезом рибосом — например, в стрессовом ответе, сборке ; кроме того, ядрышко взаимодействует со многими вирусами. Ядрышко участвует в развитии многих заболеваний человека, в том числе раковых и, возможно, нейродегенеративных и аутоиммунных .

История изучения

Впервые ядрышки были обнаружены итальянским естествоиспытателем Феличе Фонтаной в 1774 году. Первые достоверные описания ядрышка были выполнены независимо Рудольфом Вагнером (1835 г.) и Габриэлем Густавом Валентином (1836 и 1839 гг.). В 1898 году выпустил монументальную монографию, посвящённую ядрышку. Его труд содержал 346 рукописных рисунков ядер и ядрышек из различных биологических объектов. В 1930-х годах несколько исследователей ( С. Г. Навашин , , Барбара МакКлинток ) показали, что ядрышки возникают на особых участках хромосом , названных ядрышковыми организаторами . В 1940-х годах в ядрышках была обнаружена РНК, что объяснило сродство ядрышек к щелочным красителями из-за кислой природы РНК .

Долгое время функции ядрышка не были ясны; вплоть до 1950-х годов считалось, что вещество ядрышка представляет собой своеобразный запас, который используется и пропадает при делении клетки . В 1960-х годах были опубликованы результаты ряда основополагающих экспериментов, показавших, что ядрышки являются местами биогенеза рибосом. В 1969 году Оскар Миллер и Барбара Битти с помощью электронного микроскопа впервые визуализировали работающие рибосомные гены . В последующие годы основными направлениями в изучении ядрышек были исследование их структуры, процесса сборки рибосом, определение различных структурных компонентов рибосом. На рубеже веков стали появляться данные о новых функциях ядрышка, никак не связанных с биогенезом рибосом .

Структура

Ядрышко — наиболее заметная видимая структура ядра, имеющаяся у всех эукариотических организмов. Долгое время считалось, что единственным организмом, лишённым ядрышек, является дипломонада Giardia lamblia , однако недавно и у него было описано очень маленькое ядрышко . Ядрышко — наиболее плотная структура эукариотической клетки. Плотность ядрышка обусловлена высоким содержанием белка (до 70—80 % сухой массы). Кроме белка, ядрышко содержит 5—14 % РНК и 2—12 % ДНК .

Методом электронной микроскопии в этой немембранной органелле удалось выделить три структурных компонента, соответствующих различным стадиям биогенеза рибосом: фибриллярный центр (ФЦ), плотный фибриллярный компонент (ПФК) и гранулярный компонент (ГК). Фибриллярные центры сформированы фибриллами диаметром около 5 нм ; они частично окружены плотно упакованными фибриллами, образующими плотный фибриллярный компонент. Гранулярный компонент состоит из гранул диаметром 15—20 нм. В ядрах фибробластов человека на долю плотного фибриллярного компонента приходится 15 % объёма ядрышка, а на долю гранулярного компонента — 75 %. В ядрышках высших растений доля ПФК значительно выше. В ядрышках дрожжей Saccharomyces cerevisiae обнаруживаются только ПФК и ГК. Было высказано предположение, что эволюция ФЦ, ПФК и ГК начиналась с двухчастной системы, в которой компоненты ФЦ и ПФК были перемешаны .

У дрожжей S. cerevisiae ядрышко интенсивно контактирует с ядерной оболочкой . У высших эукариот ядрышки располагаются на ядерной оболочке или рядом с ней. В клетках HeLa впячивания ядерной оболочки образуют несколько ядрышковых каналов, которые непосредственно контактируют с ядрышком, расположенным в центре ядра. Функции этих каналов неизвестны. Ядрышки также взаимодействуют с ядерной ламиной , и ламины участвуют в организации хроматина. Было показано, что поддерживает функциональную пластичность ядрышек и участвует в структурной реорганизации ядра и ядрышек после митоза .

Хроматин обнаруживается в нескольких зонах ядрышка. хроматин находится на периферии ядрышка, а также в гранулярном компоненте, а неконденсированный хроматин — в плотном фибриллярном компоненте и фибриллярных центрах. Предполагается, что филаменты ДНК, обнаруживаемые в фибриллярных центрах, соответствуют рДНК (ядрышковым организаторам) . Ядрышко вставляет специфические белки (такие, как антиген склеродермы Nop90 в области ядрышковых организаторов) в хроматин в области границы ядрышка, чтобы отделить себя от остального ядра, поэтому ядрышко нередко оказывается окружённым гетерохроматином . У растений обнаружены домены хроматина, ассоциированные с ядрышком ( англ. nucleolus-associated chromatine domains, NADs ) .

На периферии ядрышка находится околоядрышковый компартмент — динамичная структура, содержащая большое количество , а также РНК-полимеразу III .

Всякое ядрышко образуется вокруг специальных последовательностей ДНК — ядрышковых организаторов. Ядрышковые организаторы представляют собой гены рДНК, собранные в ряды из тандемных повторов и разделённые спейсерами . Ядрышковые организаторы и ФЦ состоят из плотно ассоциированных фибрилл толщиной от 6 до 10 нм, оба содержат РНК-полимеразу I и характеризуются уникальной чертой — способностью окрашиваться солями серебра (аргирофильностью) . В электронный микроскоп гены рРНК видны как образующие структуры типа «ёлочек», в которых боковые изогнутые нити представляют собой транскрипты пре-рРНК, а сидящие в ответвлении гранулы являются молекулами РНК-полимеразы I .

У человека приблизительно 400 копий повторяющихся единиц генов рРНК длиной 43 кб (килобаз) располагаются во всех акроцентрических хромосомах (хромосомы 13 , 14 , 15 , 21 и 22 ). Впрочем, не вся ДНК ядрышка представлена ядрышковыми организаторами: например, у растений в ней также есть псевдогены , некодирующие повторяющиеся последовательности , гены тРНК и гены, транскрибируемые РНК-полимеразой II .

Фибриллярные центры

Внешние изображения

Фибриллярные центры характеризуются наличием рДНК (ядрышковые организаторы), субъединиц , ДНК-топоизомеразы I и транскрипционного фактора UBTF . По сути своей фибриллярные центры — это плотно упакованные тандемные повторы неактивной рДНК и межгенных спейсеров. Во многих типах клеток транскрипционно активны только некоторые гены рДНК, несмотря на то, что остальные тоже находятся в ядрышке . Транскрипция рДНК происходит не внутри, а на периферии ФЦ. В ядрышках клеток разных линий обнаруживается разнообразное количество ФЦ разных размеров, причём количество фибриллярных центров находится в обратной зависимости от их размера. В ядрышках дифференцированных лимфоцитов человека содержится единственный фибриллярный центр. Если в лимфоците активировать клеточный цикл , то в нём запускается образование рибосом, и единственный фибриллярный центр рассасывается, поскольку начинается транскрипция содержащихся в нём генов рДНК и формируется плотный фибриллярный компонент. Таким образом, в фибриллярных центрах содержатся неактивные компоненты аппарата транскрипции рДНК .

Плотный фибриллярный компонент

Плотный фибриллярный компонент состоит из фибрилл более низкой электронной плотности, чем фибриллярные центры . В плотном фибриллярном компоненте обнаруживаются только что синтезированные транскрипты рРНК (пре-рРНК 45S ); кроме того, в нём происходят ранние этапы процессинга рРНК . Здесь локализованы белки, участвующие в ранних этапах процессинга рРНК, такие как фибрилларин и Nopp140, а также рибонуклеопротеиновые комплексы, содержащие малые ядрышковые РНК (snoРНК от англ. small nucleolar ). Фибрилларин, функционирующий как , служит хорошим маркером ПФК .

Гранулярный компонент

Гранулярный компонент, как правило, располагается на периферии ядрышка, хотя в некоторых случаях фибриллярный и гранулярный компоненты равномерно распределены в ядрышке. В последнем случае фибриллярно-гранулярные компоненты зачастую образуют нитчатые структуры — нуклеолонемы , или ядрышковые нити толщиной около 100—200 нм и различимые даже в световой микроскоп (при особом контрастировании). В нуклеолонемах кроме гранул толщиной 15 нм имеется множество тонких фибрилл, которые могут образовывать сгущения . Гранулы, образующие гранулярный компонент, скорее всего, соответствуют незрелым рибосомным субъединицам 60S. В компактных ядрышках гранулы плотно упакованы, а в разветвлённых ядрышках образуют сеть. В ГК происходит процессинг 5,8S и 28S рРНК , а также сборка больших рибосомных субъединиц (60S). Маркерами ГК могут служить такие белки, как нуклеофозмин , , Nop52, , и субъединица PM-Scl 100 экзосомного комплекса

Количество и размеры ядрышек

Количество ядрышек в ядре клетки определяется её стадией развития или дифференцировки , а их размер зависит от уровня синтеза рибосом. При этом максимальное количество ядрышек в клетке определяется количеством ядрышковых организаторов, кроме того, ядрышек всегда больше в крупных полиплоидных ядрах. Так, у шпорцевой лягушки имеется две хромосомы, несущие ядрышковые организаторы, и, следовательно, обычно 1—2 ядрышка .

В делящихся клетках , активно синтезирующих рибосомы, размер ядрышек варьирует от 0,5 до 7 мкм в диаметре. У большинства раковых клеток ядрышко крупнее, чем у нормальных клеток той ткани и органа , откуда они произошли. В случае клеток агрессивной формы рака молочной железы наблюдается увеличение размеров ядрышка на 30 % по мере развития опухоли. В дифференцировавшихся клетках образование рибосом снижается или прекращается вовсе (например, в эритроцитах и лимфоцитах ), и размер их ядрышек уменьшается до 0,1—0,3 мкм .

Ядрышки низших эукариот

Ядрышки низших эукариот по структуре отличаются от хорошо изученных ядрышек млекопитающих . Например, в ядрышках слизевика нет различимых субкомпартментов, и ядрышко связано с внутренней ядерной мембраной. Сборка рибосом может происходить по всему ядрышку. рДНК располагается не в центре ядрышка, как у большинства других организмов, а по периферии. Кроме того, рДНК у этого организма находятся не на хромосомах, а составляют линейный экстрахромосомный фрагмент ДНК, 20 % которого кодируют рРНК . Экстрахромосомное расположение генов рРНК характерно также для таких низких эукариот, как инфузория Tetrahymena pyriformis и дрожжи . У одноклеточного паразита Leishmania major гены 5S рРНК не выстраиваются в тандемные ряды, как у остальных эукариот; вместо этого всего 11 копий этого гена разбросаны между различными другими генами, транскрибируемыми РНК-полимеразой III . У плесневого грибка Aspergillus ядрышко контактирует с ядерной оболочкой, как у дрожжей, но обладает выпуклой формой, как у Dictyostelium . У рачка Daphnia ядрышко круглое и находится рядом с ядерной оболочкой, но не контактирует с ней. У гриба строение ядрышка похоже на таковое у Daphnia .

Структурные типы

Степень выраженности ГК и ПФК, а также прочие структурные особенности позволяют выделить несколько структурных типов ядрышек: ретикулярный (нуклеолонемный), компактный, кольцевидный, остаточный (покоящийся) и сегрегированный .

Ядрышки ретикулярного типа присущи большинству клеток, как животных, так и растительных. Такие ядрышки имеют нуклеолонемное строение, хорошо развиты ПФК и ГК, но часто ФЦ выражены плохо из-за активной транскрипции .

Компактный тип ядрышка отличается от ретикулярного меньшей выраженностью нуклеолонемного строения и большей частотой встречаемости ФЦ. Компактные ядрышки встречаются в активно делящихся клетках, например, клетках растительных меристем и клетках культуры ткани . По-видимому, компактный и ретикулярный типы могут переходить друг в друга .

Кольцевидный тип встречается в животных клетках. Ядрышки этого типа в световой микроскоп выглядят как кольцо с оптически светлой центральной зоной, которая является фибриллярным центром, окружёнными фибриллами и гранулами. Типичные кольцевидные ядрышки имеются у клеток с низким уровнем транскрипции, таких как лимфоциты и эндотелиоциты .

Остаточные ядрышки присущи клеткам, полностью утратившим способность к синтезу рРНК: нормобластам , дифференцированным энтероцитам , клеткам кожного эпителия и другим. Часто они с трудом различимы в световой микроскоп из-за малых размеров и окружённости конденсированным хроматином. Иногда они могут активироваться и принимать активную ретикулярную или компактную форму .

Сегрегированный тип ядрышек встречается у клеток, у которых синтез рРНК прекращён под действием антибиотиков , например, актиномицина Д и амфотерицина , и других химических веществ, или же повреждён синтез ДНК и белков под действием митомицина , пуромицина и многих канцерогенов . Разные компоненты ядрышка обособляются друг от друга, но объём ядрышка прогрессивно уменьшается .

Сборка и разборка

В ходе клеточного цикла разборка ядрышек происходит в профазе , а их сборка начинается в телофазе . Белковые комплексы и рибонуклеопротеиды, оставшиеся от ядрышек, разобранных в профазе, используются для сборки ядрышек в дочерних клетках .

Разборка ядрышек начинается в ранней профазе, и её конечным этапом является остановка транскрипции рДНК. Ещё раньше, до остановки работы РНК-полимеразы I и разрушения ядерной оболочки, ядрышко покидают белки процессинга РНК и snoРНП и закрепляются на поверхности хромосом, удерживаемые неизвестным способом. Ключевую роль в регуляции разборки ядрышка, по-видимому, играет комплекс ( англ. Cyclin-dependent kinase 1, CDK1 ) и .

Сборка ядрышек начинается с активации транскрипции в области ядрышковых организаторов. Однако одной только активации транскрипции недостаточно; сборка ядрышка также зависит от процессирующих белков и snoРНП. В телофазе они собираются вблизи хромосом, образуя точечные скопления, известные как пренуклеолярные тельца. В ходе фазы G1 клеточного цикла происходит регулируемое перемещение белков из пренуклеолярных телец к ядрышковым организаторам, благодаря чему происходит постепенная сборка ядрышковых компартментов: фибриллярных центров, плотного фибриллярного компонента и гранулярного компонента .

Показано, что важными регуляторами сборки ядрышек в ответ на клеточные стимулы и в ходе клеточного цикла являются Alu -содержащие транскрипты РНК-полимеразы II, называемые AluРНК .

У некоторых групп низших эукариот поведение ядрышек во время митоза отличается от описанного выше; в частности, у эвгленовых и оно может сохраняться на протяжении всего митоза .

Белки ядрышка

Развитие методов выделения ядрышек позволило расширить список известных ядрышковых белков со 100 до 6000. Протеомный анализ позволил идентифицировать более чем 200 белков растений и более чем 6000 белков человека, которые совыделяются с ядрышками. Показано, что у почкующихся дрожжей около 90 % белков ядрышка имеют гомологи среди ядрышковых белков человека. Таким образом, протеом ядрышка оставался очень консервативным на протяжении эволюции . Белки ядрышка классифицируют на функциональные группы, причём только 30 % ядрышковых белков связаны с образованием рибосомных субъединиц .

Для ряда постоянных ядрышковых белков показано наличие сигнала ядрышковой локализации ( англ. Nucleolar localisation signal, NoLS ). Впрочем, у многих резидентных белков ядрышка сигнала ядрышковой локализации нет . Предполагается, что сигнал ядрышковой локализации нужен скорее для удержания белка в ядрышке, чем для доставки в него . В некоторых источниках содержится упоминание сигналов удержания в ядрышке ( англ. Nucleolar retention signal, NoRS ), хотя никакой разницы между NoLS и NoRS показано не было . Высказывается гипотеза, что многие ядрышковые белки постоянно перемещаются по ядру и могут как входить в ядрышко, так и покидать его. Однако их движение в ядрышке замедляется, возможно, из-за многочисленных взаимодействий с другими ядрышковыми белками, а также со своими мишенями; из-за эффекта замедления движения такие белки наиболее многочисленны в ядрышке. Ядрышковые нуклеиновые кислоты привлекают структурные белки, рекрутирующие другие ядрышковые молекулы . К числу таких рекрутирующих ядрышковых белков принадлежат UBTF , фибрилларин , нуклеолин и нуклеофозмин . Нарушения в гене UBTF вызывает формирование дефектных ядрышек . Некоторые белки привлекаются в ядрышко только при определённых обстоятельствах, например, в случае повреждения ДНК, и митоза .

Многие белки, характерные для ядрышка, локализуются также в другом ядерном тельце , известном как тельце Кахаля , так что, по-видимому, между этими тельцами существует тесная связь . Показано, что особенно тесная физическая связь телец Кахаля и ядрышек наблюдается в условиях подавления транскрипции . Продемонстрировано участие телец Кахаля в образовании ядрышек при развитии ооцитов мыши .

Функции

Ключевой функцией ядрышка является образование субъединиц рибосом в эукариотических клетках . Однако многие ядрышковые белки осуществляют совсем другие функции — например, участвуют в ответе на клеточный стресс и взаимодействуют с вирусными белками . В ядрышке также происходит сборка .

Образование рибосом

Образование рибосом начинается с транскрипции генов рДНК РНК-полимеразой I. Именно синтез рРНК определяет способности клетки к росту и пролиферации , и почти все клеточные пути, влияющие на них, непосредственно регулируют синтез рРНК. У млекопитающих кластеры генов рРНК представляют собой повторяющиеся единицы межгенных спейсеров длиной около 30 кб и участков, кодирующих пре-рРНК, длиной около 14 кб. У высших позвоночных ген рРНК кодирует транскрипт-предшественник, который ко- или посттранскрипционно модифицируется с участием малых ядрышковых РНК, так что в конечном счёте из него образуется по одной молекуле 18 S, 5,8 S и 28 S рРНК, которые составляют «каркас» рибосомы . Для инициации транскрипции, опосредуемой РНК-полимеразой I, необходим ряд специфических транскрипционных факторов — таких, как UBTF и фактор селективности промотора , обозначаемый SL1 у человека и TIF-IB у мышей. UBTF — многочисленный ядрышковый ДНК-связывающий белок, активирующий транскрипцию, осуществляемую РНК-полимеразой I, и служащий маркером фибриллярных центров .

По мере того, как первая молекула РНК-полимеразы проходит одну транскрипционную единицу генов рРНК, на освобождающийся участок садится следующая РНК-полимераза и синтезирует новую РНК. Конечным продуктом является пре-рРНК 45S. По мере синтеза пре-рРНК окутывается рибосомными белками, которые поступают в ядро из цитоплазмы . Именно продуктами транскрипции рРНК образована зона ПФК вокруг ФЦ. После отделения 45S рРНК она расщепляется на более мелкие молекулы, которые дают начало рибосомным субъединицам 40S и 60S. Малые субъединицы синтезируются в ядрышке примерно за 30 минут, а синтез больших субъединиц занимает около часа. Незрелая субъединица 60S соединяется в ядрышке с третьей (помимо 28S и 5,8S) молекулой рРНК — 5S рРНК. Новообразованные субъединицы выходят из ядра в цитоплазму через ядерные поры. Полная рибосома 80S образуется после того, как малая субъединица свяжется с мРНК и потом с большой субъединицей .

Элонгации транскрипции, опосредуемой РНК-полимеразой I, способствуют такие белки, способные к ремоделированию хроматина, как нуклеофозмин (B23), нуклеолин и . Механизмы терминации транскрипции, осуществляемой РНК-полимеразой I, оставались консервативными в ходе эволюции. Терминаторные элементы распознаются ДНК-связывающими белками; при этом они опознают специфические последовательности, которые контрактируют с РНК-полимеразой I и начинают терминацию транскрипции. У мышей 10 терминаторных элементов, называемых Sal-боксами, кластеризованы на несколько сотен пар оснований ниже участка, кодирующего пре-рРНК, и фланкированы длинными пиримидиновыми трактами. Похожий терминаторный элемент, обозначаемый T ₀ , располагается непосредственно до промотора рДНК. Показано, что ядрышковый белок TTF-I, связывается с Sal-боксами и останавливает элонгирующую РНК-полимеразу I . T ₀ же является необходимым промоторным элементом . Показано также, что транскрипции, проводимой РНК-полимеразой I, способствуют ядерные формы актина и миозина . Кроме того, она находится под регуляцией различных факторов роста , а также может изменяться в зависимости от условий, в которых находится клетка — таких, как достаток питательных веществ . Её регулируют различные онкогены и гены-супрессоры опухолей . Ядрышковые белки могут принимать участие в регуляции транскрипции в ядрышке, взаимодействуя с топоизомеразами (например, ядрышковый белок взаимодействует с топоизомеразой I) .

В ядрышке находится множество некодирующих РНК, которые называются малыми ядрышковыми РНК (snoРНК). Их разделяют на несколько классов в зависимости от наличия определённых консервативных мотивов , и наиболее многочисленными являются два класса, содержащие мотивы H/ACA-бокс и C/D-бокс соответственно. snoРНК связываются с разнообразными белками и формируют малые ядрышковые рибонуклеопротеины (snoРНП), которые играют важную роль в процессинге и созревание рРНК . Большинство snoРНП катализируют модификации нуклеотидов , однако некоторые snoРНП участвуют в разрезании транскрипта-предшественника (пре-рРНК) . snoРНП доставляются в ядрышки специальными шаперонами , известными как Nopp140 и treacle .

Образование рибосом — один из наиболее энергозатратных процессов, протекающих в эукариотической клетке, и оно сильно связано с клеточным циклом и клеточной пролиферацией. Показано, что активация образования рибосом вызывает быстрый рост клетки и деление. Многие белковые факторы, регулирующие образование рибосом, также непосредственно участвуют в некоторых стадиях клеточного цикла и у дрожжей, и у млекопитающих. Механизмы, контролирующие биогенез рибосом, также работают в ходе фазы G1 клеточного цикла и сообщаются с белками, осуществляющими переход из фазы G1 в S-фазу , в результате клетка может вступить в деление или же не делиться в зависимости от интенсивности процесса образования рибосом .

Ответ на стресс

Показано, что ядрышко играет ключевую роль в регуляции петли p53 —Mdm2. p53 и — в основном нуклеоплазматические белки, причём p53 является важнейшим белком, ответственным за ответ клетки на стресс (повреждение ДНК, активация онкогена , нарушения в рибосомах), а Mdm2 служит его негативным регулятором. Белок- супрессор опухолей — ядрышковый белок, который подавляет работу Mdm2, ингибируя его активность как Е3- убиквитинлигазы или изолируя в ядрышке, в результате чего белок p53 стабилизируется и активируется. Кроме того, ARF является ключевым регулятором клеточного старения . В ответе на клеточный стресс участвует другой ядрышковый белок, известный как нуклеофозмин (B23). Он может изолировать ARF в ядрышке и в зависимости от ситуации B23 выступает как онкоген или ген-супрессор опухолей. Кроме того, нуклеолин и B23 могут участвовать в восстановлении повреждённой ДНК . p53 также может вызывать клеточный ответ в виде остановки клеточного цикла в ответ на нарушения биогенеза рибосом в ядрышке .

Ядрышко может участвовать в ответе на стресс и иного рода. Например, в условиях гипотонии ядрышко превращается в многочисленные маленькие проядрышки, которые при перенесении клетки в нормальные условия сливаются друг с другом, формируя ядрышки. Интересно, что один из важнейших ядрышковых белков, нуклеофозмин, не накапливается в проядрышках, а циркулирует между проядрышками и нуклеоплазмой .

Сборка частиц распознавания сигнала

Частицы распознавания сигнала ( англ. Signal recognition particle, SRP ) — повсеместно распространённые цитоплазматические рибонуклеопротеиновые комплексы, которые доставляют некоторые рибосомы к шероховатому эндоплазматическому ретикулуму (ЭПР) для дальнейшей котрансляционной транслокации внутрь ЭПР синтезируемых мембранных и секретируемых белков. Сначала SRP распознаёт сигнальный пептид растущего секретируемого или мембранного канала по мере того, как он выходит из рибосомы. Далее SRP временно приостанавливает синтез белка и доставляет рибосому с синтезируемым белком к цитоплазматической стороне ЭПР, а дальнейший синтез белка происходит одновременно с его транслокацией внутрь ЭПР . Когда РНК, входящая в состав SRP, была введена в ядро клетки млекопитающего, она очень быстро оказывалась в ядрышке. Через некоторое время уровень флуоресценции в ядрышке падал, но повышался в отдельных местах цитоплазмы . Локализацию SRP РНК нельзя привязать к одному из трёх доменов ядрышка: область локализации проходила через всё ядрышко . Показано, что в ядрышке происходят конечные стадии с интеза SRP РНК и сборки собственно SRP .

Другие функции

Для работы активированных макрофагов важную роль играют цистеиновые протеазы катепсины . В эндосомах и лизосомах они играют важнейшую роль в формировании приобретённого иммунного ответа (процессинг антигенов и их презентация ), а также врождённого иммунного ответа (активация Toll-подобных рецепторов ). Недавно было показано, что эти цистеиновые протеазы и их ингибиторы выполняют некоторые функции также в ядре и ядрышке. Так, при активации макрофагов и ингибитор Spia3g локализуются в ядрышке .

Показано, что у растений некоторые ядрышковые белки могут участвовать в поддержании ядрышкового хроматина и структуры теломер .

У дрожжей в ядрышки направляются мРНК , если нуклеоцитоплазматический транспорт, биогенез рРНК или процессинг мРНК были нарушены .

Активация и деактивация

В неактивной форме, когда транскрипция генов рРНК уменьшена, ядрышковый организатор представлен одним крупным фибриллярным центром. Рибосомная ДНК в этот момент конденсирована (то есть компактно уложена). Когда начинается активация ядрышка, происходит деконденсация рДНК, причём она начинается на периферии фибриллярного центра. В результате образуются РНП-транскрипты, которые, созревая, образуют гранулы — предшественники рибосом, которые занимают периферию активированного ядрышка. По мере дальнейшего усиления транскрипции единый фибриллярный центр распадается на ряд более мелких, которые связаны друг с другом полностью декомпактизованными (то есть развёрнутыми) участками рДНК. Чем транкрипция интенсивнее, тем больше в ядрышке мелких ФЦ, связанных друг с другом и окружённых ПФК. Если же активация рДНК полная, то все ФЦ деконденсируются, а активная рДНК находится в ПФК. Когда же ядрышко инактивируется, то ФЦ снова образуются и сливаются друг с другом, они увеличиваются в размерах, причём доля ПФК падает. Когда ядрышко полностью инактивировано, то оно представлено только одним крупным ФЦ (до 4—5 мкм) сферической формы, окружённым слоем конденсированного хроматина. Инактивированное ядрышко структурно близко к ядрышковым организаторам митотических хромосом. Подобные превращения получили название активации и деактивации ядрышка соответственно .

Эпигенетика

Хотя в клетках имеется множество копий генов рибосомной ДНК, не все из них используются для образования рРНК. Показано, что активные и молчащие гены рДНК характеризуются различными эпигенетическими метками. Так, у молчащих генов рДНК выявлено метилирование , характерное для гетерохроматина и транскрипционно неактивных генов, в то время как у активных генов такой метки нет. Гипометилирование рДНК также наблюдалось при некоторых видах рака — в частности, при раке лёгких и гепатоцеллюлярной карциноме . Впрочем, имеются свидетельства и о положительной роли метилирования CpG в синтезе и процессинге рРНК .

Показано, что паттерны сайленсинга генов рРНК, обусловленные метилированием ДНК, передаются от исходной клетки к дочерним в ходе клеточного деления . Молчание генов рДНК может быть связано не только с модификацией ДНК, но и особыми метками на гистонах . Установлено, что активные гены рДНК приобретают гетерохроматиновые метки в ответ на изменение энергетического статуса клетки и дифференцировку, причём эти метки могут не иметь отношения к метилированию CpG . Ряд молчащих генов рДНК находятся во внеядрышковом пространстве и часто ассоциирован с околоядрышковым гетерохроматином (в то время как активные гены рДНК находятся внутри ядрышка в фибриллярном компоненте), например, центромерным гетерохроматином. Молчащий статус и гетерохроматиновое состояние этих генов, как полагают, связано с ограничением доступа к ядрышку белков рекомбинации . Они могут также вносить свой вклад в структуру ядрышка и ядра . Наконец, имеются данные о том, что в клетках женского организма ядрышко связано с инактивированной X-хромосомой .

Участие в эмбриогенезе

Зрелые ооциты млекопитающих, а также бластомеры очень ранних стадий дробления зародыша млекопитающих содержат неактивные атипичные ядрышки, которые значительно отличаются от ядрышек зрелых клеток и содержат только плотный фибриллярный компонент . Их называют тельцами-предшественниками ядрышек ( англ. nucleolus precursor bodies, NPBs ), и считается, что они служат местами запасания молекул, из которых по мере развития зародыша берётся материал для сборки типичных активных ядрышек. Количество и распределение телец-включений в пронуклеусах человеческого эмбриона могут служить простым неинвазивным индикатором дальнейшего эмбрионального развития . При вступлении ооцитов в мейоз плотный фибриллярный компонент ядрышек распадается и выходит в цитоплазму, и ядрышко становится невидимым до оплодотворения и формирования пронуклеусов .

В 2003 году было показано, что тельца-предшественники можно при помощи методов микрохирургии удалить из полностью созревшего ооцита свиньи . Этот метод удаления ядрышка получил название энуклеоляция , а извлекаемое ядрышко называют нуклеолопластом . При этом тельца выделяют c некоторым количеством цитоплазмы ооцита, покрытой . Ооциты выживают при этой операции и могут достичь метафазы II деления; таким образом, ядрышко не играет существенной роли в созревании ооцитов млекопитающих. Это кажется необычным, потому что в клетках дрожжей и соматических клетках ядрышко играет важную роль в переходе от метафазы к анафазе . Тем не менее, показано, что ядрышко всё-таки необходимо для регуляции наступления созревания ооцитов млекопитающих . Показана возможность трансплантации ядрышка в ооцитах млекопитающих .

Клиническое значение

Ядрышко задействовано в развитии многих инфекционных и неинфекционных заболеваний человека. Ниже рассматривается роль ядрышка в развитии различных групп заболеваний.

Вирусные заболевания

Вирусы из различных групп ( ДНК-содержащие , РНК-содержащие , ретровирусы ) кодируют белки, которые при инфекции локализуются в ядрышке. К числу таких вирусов относится, например, вирус простого герпеса , цитомегаловирусы , флавивирусы , и ВИЧ . Некоторые из этих вирусов — такие, как поксвирусы — реплицируются в цитоплазме, а герпесвирусы и аденовирусы реплицируются в ядрышке. Начальные этапы репликации ВИЧ-1 протекают в цитоплазме, а дальнейшая его активность происходит в ядрышке . В ядрышке также могут локализоваться некоторые субвирусные агенты, например, вирус гепатита дельта , сателлиты и вироиды . Вирусы могут взаимодействовать с ядрышком, чтобы взять под свой контроль функционирование клетки-хозяина и привлекают ядрышковые белки для облегчения собственной репликации и регуляции экспрессии вирусных генов . Например, в ядрышке локализуются два белка-регулятора экспрессии генов ВИЧ — и . Изучение путей взаимодействия вирусов с ядрышком может помочь в разработке новой противовирусной терапии .

Рибосомопатии

Несколько наследственных заболеваний человека — такие, как , , синдром Тричера — Коллинза и — возникают из-за нарушений в белковых факторах, необходимых для образования рибосом. Эти заболевания характеризуются заметной плейотропией , проявляются в нарушении работы многих видов тканей, причём степень выраженности и перечень симптомов различны у разных пациентов. Для этих заболеваниях характерны следующие признаки в различных комбинациях: нарушения гемопоэза , аномалии развития и предрасположенность к раку. Такие заболевания, в основе которых лежат изменения в генах, кодирующих составные части зрелых рибосом, и/или факторы, участвующие в образовании рибосом, называют .

Рак

Поскольку скорость синтеза рибосом определяет способность клеток к пролиферации, нарушения в синтезе рибосом в ядрышке нередко приводят к развитию раковых опухолей. Например, нарушения в количестве, размерах и морфологии ядрышек часто связаны с началом и дальнейшим развитием рака молочной железы . Маркером рака молочной железы служат аргирофильные (т. e. красящиеся солями серебра ) ядрышковые организаторы ; кроме того, ядрышко может модулировать работу эстрогенового рецептора , играющего ключевую роль в развитии этого вида рака . Однако ядрышко может оказывать и подавляющее действие на опухоли; в ядрышке содержатся такие гены-супрессоры опухолей , как BRCA1 , ARF, p53, белок ретинобластомы (RB) и PTEN , а также HOTS . Ниже в таблице приведён список ядрышковых белков, задействованных в развитии различных раковых опухолей .

Белок	Функция	Заболевание
	Непосредственно связывается с микротрубочками , необходим для стабильности и правильной организации полюсов веретена деления	Рак печени Рак толстой кишки Миелома
GLTSCR1	Функции неизвестны	Менингиома Олигодендроглиома
	Регулирует фосфорилирование и стабильность PTEN. Участвует в клеточной пролиферации и апоптозе	Рак щитовидной железы Астроцитома Рак яичника Рак пищевода Рак толстой кишки Рак лёгких
GNB2L1	Компонент рибосомной субъединицы 40S. Связывает и стабилизирует протеинкиназу С . Подавляет активность киназ Src	Рак молочной железы Рак лёгких Рак ротовой полости Меланома
Нуклеостемин	Взаимодействует с р53. Важен для пролиферации стволовых клеток	Рак пищевода Рак мозга Рак молочной железы Рак шейки матки
	Центральная роль в деметелировании гистонов . Подавляет транскрипцию рДНК	Лейкемия Лимфома
	Регулятор р53	Рак толстой кишки Рак молочной железы
	Необходим для пролиферации клеток, участвует в ранних этапах синтеза рРНК	Рак лёгких Рак молочной железы Рак толстой кишки Рак желудка Рак почки Лимфома
Нуклеолин	Участвует в образовании и созревании рибосом	Рак толстой кишки Лейкемия Рак шейки матки Меланома Рак поджелудочной железы
	Регулирует клеточный цикл, экспрессируется в ходе S-фазы, встречается в злокачественных, но не покоящихся клетках	Рак лёгких Рак молочной железы Рак предстательной железы Рак толстой кишки Рак ротовой полости
Нуклеофозмин	Регулирует ARF/p53. Участвует в биогенезе рибосом, пролиферации, сборке гистонов, удвоении центросом , работает как белковый шаперон	Рак предстательной железы Рак мочевого пузыря Рак молочной железы Лейкемия Лимфома Рак толстой кишки
	Участвует в репликации ДНК , кофактор	Рак поджелудочной железы Рак молочной железы Рак печени Рак желудка
Прохибитин	Связывается с белком-супрессором RB, может регулировать пролиферацию	Рак молочной железы Рак пищевода Рак толстой кишки Рак желудка
	Антиген, экспрессируемый в основном клетками меланомы. Распознается Т-киллерами . Функционирует как репрессор транскрипции	Лейкемия Меланома Рак лёгких Рак почки Саркома Рак молочной железы Нейробластома Медуллобластома
	Связывает белки малых ГТФаз . Противодействует RAS	Меланома Рак поджелудочной железы Рак предстательной железы

Другие заболевания

По одной из гипотез, ядрышко участвует в развитии аутоиммунных заболеваний . Возможно также, что эта органелла может быть задействована в развитии болезни Паркинсона . Здесь же может локализоваться и белок тау , который в последнее время связывают с развитием болезни Альцгеймера . Ядрышко также может играть важную роль в развитии глаза и нейродегенеративных заболеваниях сетчатки . Ядрышковый белок нуклеостемин может служить маркером остеоартрита .

Примечания

Литература

• Ченцов Ю. С. Введение в клеточную биологию. — М. : ИКЦ «Академкнига», 2005. — 495 с. — ISBN 5-94628-105-4 .
• Альбертс Б., Брей Д., Льюис Дж., Рэфф М., Робертс К., Уотсон Дж. Молекулярная биология клетки: в 3 томах. Т. 1. — М.: Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», Институт компьютерных исследований, 2013. — 808 с. — ISBN 978-5-4344-0112-8 .
• / Ed. by Danton H. O'Day, Andrew Catalano. — Dordrecht: Springer Science+Business Media , 2013. — vi + 371 p. — ISBN 978-94-007-5818-6 . — doi : .
• / Ed. by Mark O. J. Olson. — New York: Springer Science+Business Media , 2011. — xxvi + 414 p. — (Protein Reviews, vol. 15). — ISBN 978-1-4614-0514-6 . — doi : .

Ссылки

• Щербаков, Кирилл. (неопр.) . // Сайт Biomolecula.ru (23 октября 2013). Дата обращения: 31 марта 2018.