Ченцов Ю.С. Введение в клеточную биологию. Общая цитология
Подождите немного. Документ загружается.
основных полипептидов в матриксе присутствует большое количество
минорных компонентов с молекулярными массами от 11-13 до 200 кД.
Ламины представлены тремя белками (ламины A, B, C). Два из них, ламины A
и C, близки друг к другу иммунологически и по пептидному составу. Ламин B
от них отличается тем, что он представляет собой липопротеид и поэтому он
более прочно связывается с ядерной мембраной. Ламин B остается в связи с
мембранами даже во время митоза, тогда как ламины А и С освобождаются при
разрушении фиброзного слоя и диффузно распределяются по клетке.
Как оказалось, ламины близки по своему аминокислотному составу
промежуточным микрофиламентам (виментиновым и цитокератиновым),
входящим в состав цитоскелета. Часто фракция выделенных ядер, а также
препараты ядерного матрикса содержат значительные количества
промежуточных филаментов, которые остаются связанными с периферией ядра
даже после удаления ядерных мембран.
В отличие от промежуточных филаментов ламины при полимеризации не
образуют нитчатых структур, а организуются в сети с ортогональным типом
укладки молекул. Такие сплошные решетчатые участки, подстилают
внутреннюю мембрану ядерной оболочки, могут разбираться при
фосфорилировании ламинов, и вновь полимеризоваться при их
дефосфорилированиии, что обеспечивает динамичность как этого слоя, так и
всей ядерной оболочки.
Молекулярная характеристика белков внутриядерного остова детально еще не
разработана. Показано, что в его состав входят ряд белков, принимающих
участие в доменной организации ДНК в интерфазном ядре в создании
розетковидной, хромомерной формы упаковки хроматина. Предположение о
том, что элементы внутреннего матрикса представляют собой сердцевины
розеточных структур хромомеров находит подтверждение в том, что
полипептидный состав матрикса интерфазных ядер (за исключением белков
ламины) и остаточных структур метафазных хромосом (осевые структуры или
141
«скэффолд») практически одинаковы. В обоих случаях эти белки отвечают за
поддержание петлевой организации ДНК.
ДНК ядерного белкового матрикса
Рассматривая особенности ДНК, входящей в состав ядерного матрикса,
необходимо еще раз подчеркнуть, что эта остаточная ДНК представлена в
минимальном количестве (0,1-1% от сухого веса фракции) составляет лишь
менее 1% от всей ДНК ядра. Эта ДНК оказалась устойчивой к действию
нуклеаз, вероятно за счет ее существования в виде прочных ДНК-белковых
комплексов.
Большой интерес представляет изучение фрагментов ДНК, входящих в состав
ядерного матрикса. Расчеты показали, что в ядрах существует от 60000 до
125000 участков ДНК, защищенных от действия нуклеаз и эти участки могут
быть расположены на всех трех компонентах ядерного матркса.
Подробно изучена ДНК ядерного матрикса клеток асцитной карциномы
Эрлиха мышей. Так были обнаружены две размерные группы фрагментов ДНК в
составе ядерного матрикса. В первую группу входили высокомолекулярные
фрагменты размером около 10 т.п.н., они составляли всего 0,02% от исходного
количества ДНК. Их число составляло примерно 100 на гаплоидный набор
хромосом, т.е. всего2-3 участка прикрепления ДНК к ядерному матриксу на
хромосому. Эти фрагменты были обогащены сателлитной ДНК и были связаны
с ламиной. Функциональное значение этих участков может состоять в
обеспечении фиксированного положения хромосом в ядре с помощью
закрепления их определенных участков (центромер, теломер) на ламине.
Вторая группа фрагментов, связанных с матриксом, состояла из небольших
участков ДНК (120-140 п.н.), гетерогенных по последовательности. Они
встречаются между участками ДНК длиной около 50 т.п.н., представляющих
собой, вероятно петли основной массы хроматина (рис. 69). Функциональное
значение второй группы этих коротких участков ДНК может заключаться в том,
что они ассоциированы с белками, лежащими в сердцевинах розеткоподобных
142
структур хроматина или в основании развернутых петель ДНК хроматина при
его активации.
Сходные результаты были получены на многих объектах. Было обнаружено,
что зоны (районы) связывания ДНК с матриксом (MAR – matrix attachment
regions или SAR – scaffold attachment regions) содержат приблизительно 200 п.н.
и располагаются друг от друга на расстоянии 5-112 т.п.н. У дрозофилы на ядро
приходится по крайней мере 10 000 таких MAR (или SAR) областей.
Места расположения последовательностей SAR (MAR) очень сходны или
даже идентичны с местами связывания ДНК с топоизомеразой II, которая играет
основную структурную и ферментативную роль в образовании петель
хроматина. Более того один из белков матрикса («скэффолда») митотических
хромосом, белок Scl оказался просто топоизомеразой II. С помощью
иммунофлуоресценции было показано, что на интерфазных хромосомах Scl
локализуется в основании петель ДНК.
При изучении кинетики гидролиза вновь синтезированной ДНК нуклеазами
было обнаружено, что ядерный матрикс связан с репликацией ДНК. Было
обнаружено, что большая часть ДНК, содержащая радиоактивную метку,
связана с матриксом: свыше 70% новосинтезированной ДНК было локализовано
в зоне внутреннего ядерного матрикса. Это наблюдение давало основание
считать, что на ядерном матриксе происходит инициация и собственно
репликация ДНК. Фракция ДНК, ассоциированная с ядерным матриксом,
оказалась обогащенной репликативными вилками. В составе ядерного матрикса
обнаружена ДНК-полимераза α, основной фермент репликации ДНК. Кроме
него с ядерным матриксом связаны и другие ферменты репликативного
комплекса (реплисомы): ДНК-праймаза, ДНК-лигаза, ДНК-топоизомераза II.
Высказана гипотеза о том, что репликация ДНК осуществляется таким образом,
что петли ДНК как бы протягиваются через закрепленные в матриксе
репликационные комплексы (рис. 70). Было обнаружено, что участки начала
143
репликации ДНК располагаются вблизи (или совпадают с ними) участков
постоянного прикрепления ДНК к ядерному матриксу.
В состав ядерного матрикса входит около 1% РНК, включающей в себя как
гетерогенную высокомолекулярную РНК, так и рибосомную РНК, и РНК
ядерных малых РНП. На возможность связи элементов матрикса с процессами
транскрипции указывали данные о том, что при коротком мечении матрикс
обогащался быстро меченной гетерогенной РНК. Было обнаружено, что в состав
белков внутреннего ядерного матрикса входит РНК-полимераза II,
ответственная за синтез информационных РНК. С ядерным матриксом клеток
яйцеводов кур оказалась связанной большая часть (95%) новосинтезированных
пре-мРНК овальбумина и пре-рРНК. Эти наблюдения привели к заключению,
что ядерный матрикс может выполнять структурную роль в синтезе,
процессинге и транспорте РНК в ядре.
С ядерным матриксом связаны собственно транскрибирующиеся гены.
Транскрипционные комплексы закреплены на ядерном матриксе, а сама
транскрипция осуществляется одновременно с перемещением матричной ДНК
относительно закрепленных транскрипционных комплексов, содержащих РНК-
полимеразу II. Кроме тРНК и ее предшественников в составе ядерного
белкового матрикса обнаруживаются малые ядерные рибонуклеопротеиды (мя
РНП), которые участвуют в созревании информационных РНК, в процессе
сплайсинга (см. ниже). Эти РНК-содержащие частицы, иногда называемые
сплайсосомами, собраны в группы или кластеры, связанные с белками
ядерного матрикса.
Элементы ядерного матрикса могут прямо участвовать в регуляции
транскрипции. Так участки MAR обычно связаны с такими регуляторными
последовательностями на ДНК как энхансеры и сайленсеры, определяющими
интенсивность транскрипционных процессов. На ядерном матриксе
локализованы белки-рецепторы для ряда стероидных гормонов.
144
Относительно связи ДНК с элементами ядерного матикса на сегодня
сложились представления о том, что эта связь может отражать различные
функциональные особенности. Так связь ДНК с ламиной может отражать
структурную, постоянную ассоциацию ДНК, а связь с внутренними элементами
– функциональную, связанную как с синтезом ДНК, так и РНК,
Поведение белков ядерного матрикса во время митоза изучено еще далеко
недостаточно. О судьбе ламины при митозе уже было сказано: ее компоненты
разбираются, частично переходя в цитоплазму, частично (ламин В) оставаясь в
связи с мембранами. Относительно компонентов внутриядерного матрикса
сведений меньше: известно, что часть этих белков входит в состав матрикса
(«скэффолда») митотических хромосом.
Четвертый – хромонемный уровень упаковки хроматина
Исследуя структурную организацию хроматина и хромосом можно
определенно говорить о нескольких уровнях компактизации ДНК. Первый –
нуклеосомный, дающий 7-кратное уплотнение ДНК в составе фибрилл ДНП,
второй – 30 н.м. фибрилла или нуклеомерный уровень с40--70-кратной
степенью упаковки, третий – доменно-петлевой или хромомерный приводящий
к 600-700-кратному уплотнению ДНК в составе этих структур. Для
поддержания первых двух уровней компактизации было достаточно участие
только гистоновых белков, тогда как петлевые и розетко-подобные доменные
структуры уже требовали участия негистоновых белков, и перехода от
спирального или соленоидного типа укладки ДНК к образованию компактных
глобулярных структур, состоящих из петель хроматиновых 30-нм фибрилл, к
структурам типа хромомеров, имеющих уже размеры 0,1-0,2 мкм.
Однако еще в классических работах цитологов начала ХХ века как в
интерфазных ядрах, так и, особенно, в митотических хромосомах описывались
нитчатые структуры – хромонемы, имеющие толщину 0,1-0,2 мкм. Их
удавалось наблюдать как на фиксированных объектах, так и в живых клетках.
Подробные исследования ультраструктуры митотических хромосом на разных
145
этапах митоза с помощью электронной микроскопии полностью подтвердило
наличие этого четвертого уровня компактизации хроматина (рис. 71).
При изучении ультраструктурных основ строения митотических хромсом
необходимо учитывать хромонемный уровень компактизации хроматина.
Хромонему – нитчатую хроматиновую структуру со средней толщиной 0,1-0,2
мкм удается проследить в естественных условиях на разных стадиях начальной
конденсации хромосом в профазе митоза и при деконденсации хромосом в
телофазе. Причем такие хромонемы выявляются как в клетках растений, так и
животных (рис. 72, 73).
Изучение профазных хромосом как животных, так и растений показывает, что
процесс конденсации хромосомного материала включает в себя промежуточный
этап – образование из фибрилл ДНП нитчатых хромонемных структур,
являющихся единицей последующей хромосомной структуризации.
В естественных условиях в составе метафазных хромосом хромонемные
элементы на ультратонких срезах не выявляются. Но по мере деконденсации
митотических хромосом в поздней анафазе и ранней телофазе снова можно
видеть признаки хромонемной организации хромосом. В поздней анафазе, когда
хромосомы достигают противоположных полюсов клетки, в их структуре снова
выявляются хроматиновые нитчатые образования с толщиной 0,2 мкм. При этом
вся структура хромосом разрыхляется, что отражает начало общей
деконденсации митотических хромосом. Эта начальная стадия деконденсации
связана не с разрыхлением фибрилл ДНП внутри хромонем, а с расхождением,
обособлением участков хромонемы друг от друга. Особенно заметным и
выраженным этот процесс становится в телофазе. В это время хромосомы
начинают увеличиваться в объеме, при этом расстояние между отдельными
участками хромонемы также возрастает. В расположении отдельных нитей
хромонемы, так же как и в профазных хромосомах, улавливаются признаки
спиральности в их укладке: часто видны кольчатые или петлистые незамкнутые
участки, иногда располагающиеся параллельно друг другу. Спиральность
146
хромонемы в составе митотических хромосом удается наблюдать в ряде случаев
при частичной искусственной деконденсации выделенных митотических
хромосом (рис. 74). В поздней телофазе хромосомы уже полностью окружены
ядерной оболочкой. Хромонемные элементы расходятся на значительные
расстояния, но все же зоны отдельных хромосом еще выявляются. В это время
некоторые участки хромонем начинают разрыхляться, их толщина взрастает.
Таким образом, наблюдая за состоянием структуры и расположением
хромонемных участков в ядрах и хромосомах в телофазе, можно видеть картину,
обратную той, что наблюдалась в профазе: разрыхление хромосом за счет
первоначального расхождения участков хромонемы и последующего их
разрыхления, деконденсации самих хромонем.
Ультраструктурная организация хромонемного уровня упаковки ДНП хорошо
выявляется при постепенном экспериментальном разрыхлении хромосом при
понижении концентрации двухвалентных катионов. Оказалось, что плотное тело
митотических хромосом сначала разрыхляется так, что выявляется его
хромонемная организация: на срезах видно, что хромосомы представлены
сечениями толстых (0,1-0,2 мкм) хромосомных нитей, хромонем (рис. 73).
Затем, при последующем снижении концентрации двухвалентных катионов,
происходит как бы распад хромонемных элементов на множество линейно
расположенных глобулярных блоков хроматина с диаметром около 0,1-0,2 мкм.
В дальнейшем эти блоки (хромомеры) начинают деконденсироваться: на их
периферии видны петли фибрилл ДНП, а в центре остается тело хромомера.
Возникает розеткоподобная структура. Важно отметить, что расположение зон с
розеткоподобными хромомерами совпадает с рисунком G-бэндирования
хромосом. По мере дальнейшей деконденсации петли увеличиваются в длину, а
центральные участки хромомеров прогрессивно уменьшаются. При полной
деконденсации все тело хромосомы представлено на срезах равномерно
расположенным фибриллами ДНП.
147
Надо отметить, что в современных молекулярно биологических
исследованиях строения хромосом хромонемный уровень, как один из высших
уровней упаковки ДНП, совершенно выпадает из поля зрения исследователей.
Лишь в последнее время некоторые исследователи на основании косвенных
данных приходят к выводам о наличии в интерфазных ядрах хромонемо-
подобных структур.
Глава 7. Общая организация митотических хромосом
Интенсивное изучение ультраструктуры хромосом началось в середине 50-х
гг., что было связано с внедрением в цитологию метода электронной
микроскопии. Однако вклад электронной микрскопии в изучение структуры
интерфазных и митотических хромосом оказался неизмеримо ниже того, что дал
этот метод для изучения структуры цитоплазмы. Наши представления о
структурной организации даже элементарных компонентов ядра и о структуре
хромосом очень скудны и противоречивы. Разрыв между успехами в
биохимическом изучении процессов биосинтеза ДНК и РНК, с одной стороны, и
чрезвычайно медленным прогрессом в исследовании тонкой организации
клеточного ядра – с другой, объясняется многими причинами. Одна из основных
причин та, что современные методы не позволяют изучать ядро и хромосомы в
целостной совокупности составляющих их элементов. Хромосома оказалась
слишком мала для детального анализа с помощью светового микроскопа и
слишком велика и плотна для изучения в электронном микроскопе. На
выделенных хромосомах в электронном микроскопе не удается выявить все
детали из-за наложений проекций разных уровней и можно наблюдать лишь
характер формы или же тонкую структуру в ограниченных участках.
Исследование ультратонких срезов хромосом ограничивается характеристикой
отдельны элементов без возможности получить объемное представление о всей
структуре. Это происходит из-за того, чтобы в данном случае мы можем
исследовать лишь плоские сечения, составляющие только 0,05-0,025 часть
общего объема ядра. Так как для ядра и хромосом характерно преобладание
148
тонких и длинных спутанных фибриллярных структур, которые на ультратонких
срезах будут иметь вид беспорядочно разбросанных коротких отрезков, то по
таким сечениям воссоздать трехмерную картину взаимосвязи этих элементов
друг с другом практически невозможно.
При изучении ультраструктуры хромосом исследователи сталкиваются с
парадоксальной ситуацией: чем ближе подходим к высшим структурным
уровням организации хромосом, тем меньшей по объему и более низкой по
надежности становится информация об этой важнейшей клеточной структуре
(рис. 75).
Действительно, получена полная информация о генетическом коде человека,
хорошо изучен нуклеосомный уровень компактизации ДНК, определен общий
петлевой доменный характер дальнейшей укладки ДНК, подтверждаются
представления о хромонемном уровне, но все же, на сегодня мы до конца не
знаем как построена митотическая хромосома (рис. 76).
Трудности изучения хромосом связаны кроме всего прочего, что это очень
лабильная структура, легко меняющая свою морфологию в зависимости от
условий эксперимента.
Так обращает на себя внимание свойство митотических хромосом обратимо
изменять свой объем при изменении ионного окружения. Как уже указывалось,
применение гипотонических растворов приводит к набуханию хромосом, но при
возвращении их в изотонические условия, они вновь приобретают исходную
морфологию. Из этого следует, что существует какой-то механизм,
стабилизирующий общую организацию хромосомы. В хромосоме существует
какой-то структурный порядок, алгоритм взаимодействия компонентов, который
инвариантно приводит интерфазную развернутую, деконденсированную
хромосому в состояние плотного тела (митотическая хромосома), не меняющего
ни своей толщины, ни длины, ни особенностей структуры в бесчисленном ряду
клеточных поколений.
149
Как уже говорилось, для изучения ультраструктуры хромосом широко
применяется метод получения целых выделенных митотических хромосом. На
таких препаратах видно, что в состав хромосом входят 25-30 нм элементарные
фибриллы. Однако уловить характер их укладки, какой-либо порядок в их
расположении не удается. Хромосомы в этом случае имеют вид тел, состоящих
как бы из перепутанных изгибающихся фибрилл, или, по образному выражению
одного из цитологов, напоминают результат аварии на макаронной фабрике.
На препаратах таких выделенных и распластанных хромосом нет реальной
возможности выяснить, из какого числа нитей состоит хромосома, тем более
проследить путь и порядок укладки одной нити от начала до конца, если бы она
была основой хромосомы. Более того, процесс выделения хромосом приводит к
изменению их структуры. Легко видеть в световом микроскопе, что перенос
живых делящихся клеток в гипотонические растворы приводит к резкому
набуханию их хромосом. Хромосомы при этом плохо различимы, они
увеличиваются в объеме, становятся менее оптически плотными. В целом
митотические хромосомы в этих условиях ведут себя так же, как препараты
выделенного хроматина, - набухают, переходят в менее конденсированное
состояние. Такое воздействие на них гипотонической среды приводит к потере
субструктуризации хромосомы.
Однако на то, что такая субструктуризация существует, говорит масса фактов
не только электронномикроскопических, но и полученных с помощью светового
микроскопа. Вся совокупность морфологических и биохимических данных
должна быть учтена при воссоздании трехмерной организации митотических
хромосом.
В 70-х годах удалось уловить общий принцип структурной организации
митотической хромосомы.
Было обнаружено, что хромосомы не теряют своей морфологической
целостности, не распадаются даже при резком набухании, вызванном удалением
всех гистонов. Это достигается обработкой выделенных хромосом растворами
150