Ченцов Ю.С. Введение в клеточную биологию. Общая цитология

Подождите немного. Документ загружается.

плотностью и высоким светопреломлением. В их структуре даже прижизненно

видна некоторая неоднородность: описывались нитчатые (нуклеолонемы),

гранулярные компоненты (нуклеолини), а также светлые зоны - “вакуоли”.

Гистохимически в ядрышках выявлялась РНК, но не ДНК. ДНК в ядрышках

выявлялась лишь в периферической их зоне в виде т.н. околоядрышкового

хроматина, который мог прилежать к одной из сторон ядрышка, окружать его

кольцом, или вообще отсутствовать. Считалось, что околоядрышковый

хроматин представляет собой гетерохроматиновые зоны. Кроме того было

найдено, что ядрышки имеют некоторое сродство к солям серебра, обладают

аргентофилией, могут восстанавливать серебро из различных растворов (нитрат

серебра, “аммиачное серебро”, протеинаты серебра). При этом происходит

отложение темных осадков исключительно в ядрышках интерфазных клеток, а

также в ядрышковых организаторах на митотических хромосомах при делении

клетки.

Первые электронномикроскопические работы показали, что ядрышки самых

различных объектов несмотря на их разнообразие, построены из одинаковых

компонентов: гранулярного и фибриллярного (рис. 87). При этом гранулы в

составе ядрышек имели размеры 15-20 нм и были несоизмеримо меньше тех

“гранул”, что были видны в световом микроскопе. Кроме гранул в составе

ядрышек обнаружили зоны скопления тонких (3-5 нм) фибрилл - диффузная

часть ядрышек. Взаимное расположение гранулярных и фибриллярных зон в

ядрышке может быть различным. Так, в некоторых случаях, фибриллярный

компонент занимает центральную часть ядрышка в виде однородного

образования (печень аксолотля, многие ядрышки растительных меристем) или в

виде нескольких (3-5) отдельных зон (рис. 88).

Обычно гранулярный компонент (ГК) расположен на периферии ядрышка,

но встречаются случаи, когда фибриллярный и гранулярный компонент

распределены в ядрышке равномерно. Часто в структуре ядрышек фибриллярно-

гранулярные компоненты образуют нитчатые структуры, нуклеолонемы

171

(ядрышковые нити), толщиной около 100-200 нм. Эти нуклеолонемы при

достаточном контрастировании могут быть видны даже в световом микроскопе.

Ядрышковые нити или нкулеолонемы также неоднородны по своему строению:

в них кроме гранул 15 нм, входит множество тонких фибрилл, которые могут

образовывать в нуклеолонемах отдельные сгущения.

Неоднородной оказалась структура и диффузного, фибриллярного

компонента. Было найдено, что практически во всех типах ядрышек как

животных, так и растительных объектов встречаются т.н. фибриллярные

центры (ФЦ), участки скопления фибрилл с низкой электронной плотностью,

окруженные зоной фибрилл более высокой электронной плотности - плотный

фибриллярный компонент (ПФК).

Кроме гранул и фибриллярных участков в структуре ядрышка

обнаруживаются хроматиновые компоненты: такие как околоядрышковый

хроматин, который может примыкать к ядрышку и даже окружать его. Часто 30

нм фибриллы хроматина по периферии ядрышка заходят в лакуны, между

нуклеолонемными участками.

Наконец, в составе ядрышка выявляется белковый остов, матрикс. На

ультратонких срезах необработанных ядрышек матрикс не выявляется в виде

отдельного компонента, но если экстрагировать из ядрышек РНК, ДНК и белки,

связанные с ними, то можно видеть, что ядрышко как таковое, не распадается,

не теряет своей общей формы. После таких обработок структура ядрышка

представлена рыхлой фибриллярной сетью, заполняющей объем ядрышка.

Таким образом, в структуре ядрышек можно различить следующие пять

компонентов: гранулярный, фибриллярные центры, плотный фибриллярный

компонент, хроматин, белковый сетчатый матрикс.

Каким же образом распределены внутри ядрышек рДНК, рРНК и белки, где

располагаются матрицы для синтеза рРНК, где первичные транскрипты, где

предшественники рибосом, зрелые рибосомы - все эти вопросы были решены с

применением самых разнообразных молекулярно-биологических и

172

цитологических методов. Один из этих методов, - метод регрессивного

окрашивания нуклеиновых кислот, основан на том, что ионы уранила,

связанные с ДНК, более легко вымываются со срезов при обработке их

хелатоном ЭДТА, чем ионы, связанные с РНК. Это позволяет различить в ядре

плотные окрашенные структуры, содержащие РНК и структуры потерявшие

окраску, те что содержат ДНК. Так в разнообразных ядрах участки хроматина

как конденсированного, так и диффузного теряют окраску, а компоненты,

содержащие РНК - сохраняют. В ядре при этом контрастно выделяются

разнообразные РНП, содержащиеся в основном объеме ядра и ядрышка. При

этом в ядрышках интенсивно окрашены многочисленные гранулы, они

окрашены так же, как рибосомы цитоплазмы. Окрашенным является плотный

фибриллярный компонент, фибриллярные центры окрашены слабее, а

внутриядрышковый и околоядрышковый хроматин выглядят светлыми.

Следовательно можно предположить, что как гранулярный компонент, который

скорее всего представляет субъединицы рибосом, так и плотный фибриллярный

компонент содержат РНК.

Так при короткой пульсовой метке тритированным уридином (

H-уридин),

первые следы мечения обнаруживались сначала (через 1-15 мин) в плотном

фибриллярном компоненте (ПФК), а затем (до 30 мин) меченым оказывался

гранулярный компонент (ГК). Важно отметить, что в фибриллярных центрах

(ФЦ) метка не обнаруживалась. Из этого наблюдения был сделан вывод, что 45S

пре-рРНК синтезируется в области плотного фибриллярного компонента, а

гранулярный компонент ядрышка соответствует прерибосомным частицам

(55S-, 40S РНП).

Оставался открытым вопрос о природе фибриллярных центров, окруженных

плотными РНК-содержащими фибриллами. Было обнаружено с помощью

различных методов (специфическое окрашивание с помощью осмий-амина,

ДНКазы, меченной золотом, связыванием меченого актиномицина, прямой

молекулярной гибридизацией с меченой рДНК), что в составе фибриллярных

173

центров находится ДНК, ответственная за синтез рРНК. Зоны фибриллярных

центров отличаются от остального хроматина тем, что состоят из тонких

хроматиновых фибрилл, значительно обедненных гистоном HI (что показано с

помощью меченных коллоидным золотом антител).

Эти исследования позволили связать друг с другом данные молекулярной

организации транскрибируемых рибосомных генов с данными морфологии

ядрышек и выяснить топологию в объеме ядрышка процесса синтеза

рибосомной РНК и образования рибосом.

По модели, предложенной Жоссеном (1984), в фибриллярных центрах

расположены неактивные рибосомные гены и, возможно, спейсерные участки.

Транскрипция пре-рРНК происходит по периферии фибриллярных центров, где

плотный фибриллярный компонент и представляет собой 45S пре-рРНК,

располагающиеся в виде “елочек” на деконденсированных участках рДНК (рис.

89). После завершения транскрипции 45S РНК теряет связь с транскрипционной

единицей на ДНК в зоне плотного фибриллярного компонента, каким-то еще

непонятным образом переходит в гранулярную зону, где и происходит

процессинг рРНК, образование и созревание рибосомных субъединиц.

Фибриллярный центр и ядрышковый организатор

Строение и химические характеристики ФЦ оказались практически

одинаковыми с таковыми ядрышковых организаторов митотических хромосом.

И те и другие построены из тесно ассоциированных фибрилл, толщиной 6-10

нм; и те и другие обладают характерной особенностью - окрашиваться солями

серебра, что зависит от наличия особых ядрышковых белков, содержат РНК-

полимеразу I.

Однако число ФЦ в интерфазных ядрышках, не соответствует числу

ядрышковых организаторов в митозе. Так в клетках культуры СПЭВ число ФЦ

может быть в 2-4 раза выше, чем число ядрышковых организаторов (см. табл.

11).

174

Таблица 11. Количество ядрышек (ЯК), фибриллярных центров (ФЦ) в G

- и

-периодах и во время митоза

Среднее

число

ЯК

Среднее

число

ФЦ

Общий

объем

ЯК, мкм

Общий

объем

ФЦ,

мкм

Средний

объем

одного

ФЦ,

мкм

период

2,3 7 8,05 0,212 0,033

период

2,3 33,7 23,43 0,430 0,014

Митоз - 6-8 - 0,2 0,025

Более того, количество ФЦ возрастает по мере увеличения плоидности клетки

, 4n) и транскрипционной ее активности. При этом уменьшается величина

каждого отдельного фибриллярного центра. Однако суммарные объемы ФЦ при

пересчете на гаплоидный хромосомный набор остаются постоянными в

интерфазе, но превышают это число вдвое по сравнению метафазой. Другими

словами при активации синтеза рРНК наблюдается такое изменение числа ФЦ и

их размеров, которое может говорить о какой-то фрагментации исходных ФЦ в

относительно мало активных ядрышках.

Противоположная картина наблюдается при затухании синтетических

процессов в дифференцирующихся клетках эритроидного ряда мышей (табл.

12). При этом видно, что в размножающихся и активно синтезирующих

гемоглобин проэритробластах количество фибриллярных центров зависит от

плоидности клетки (88 в G

-фазе, 118 в G

-фазе клеточного цикла), размер

индивидуальных ФЦ изменяется мало. После прекращения размножения этих

клеток и падении их синтетической активности резко меняются параметры

ядрышка. Их объем, уже начиная со стадии базофильного эритробласта

уменьшается в 4-5 раз, а на конечной стадии дифференцировки (нормобласт) - в

175

сотню раз. При этом резко падает число ФЦ (10-40 раз) и возрастает объем

почти в 10 раз величины отдельного фибриллярного центра.

Таблица 12. Количество фибриллярных центров (ФЦ) и значения их размеров

при эритропоэзе в печени зародышей мыши

Стадия

дифферен-

цировки

Средний

объем

ядрышек,

мкм

Среднее

кол-во

ФЦ

Средний

диаметр

ФЦ, мкм

Средний

объем

ФЦ, мкм

Суммарный

объем ФЦ,

мкм

Проэритробла

ст (2 с ДНК)

17,7 88 0,2 0,0042 0,369

Проэритробла

ст (4 с ДНК)

29,4 118 0,23 0,0064 0,749

Базофильный

эритробласт

(2 с ДНК)

4,5 8 0,35 0,0248 0,170

Полихромато-

фильный

эритробласт

(2 с ДНК)

0,5 4,3 0,4 0,0259 0,110

Нормобласт

(2 с ДНК)

0,102 2,7 0,42 0,04 0,102

Исходя из этих наблюдений можно так представить общую схему активации и

инактивации ядрышка (рис. 90) на примере одного ядрышкового организатора.

В неактивной форме ядрышковый организатор представлен в виде одного

крупного фибриллярного центра, включающего в себя компактно уложенную

часть цепи хромосомной ДНК, несущей тандемно расположенные рибосомные

гены (транскрипционные единицы). В начале активации ядрышка происходит

деконденсация р-генов на периферии такого фибриллярного центра, эти р-гены

176

начинают транскрибироваться, на них образуются РНП-транскрипты, которые

при созревании дают начало появлению гранул - предшественников рибосом по

периферии активированного ядрышка. По мере усиления транскрипции единый

фибриллярный центр как бы распадается на ряд более мелких фибриллярных

центров, связанных друг с другом полностью декомпактизованными участками

рДНК. Чем выше транскрипционная активность ядрышка, тем больше число

мелких, связанных друг с другом фибриллярных центров, окруженных плотным

фибриллярным компонентом (ПФК), содержащим 45S рРНК. При полной

активации ядрышка все мелкие фибриллярные центры деконденсируются; в

этом случае зоны плотного фибриллярного компонента содержат всю рДНК,

находящуюся в активном состоянии. Такая структура наблюдается у

амплифицированных ядрышек растущих ооцитов. В случае инактивации

ядрышка происходит постепенная конденсация рДНК, снова образуются

фибриллярные центры, они объединяются друг с другом, величина их растет

параллельно уменьшению доли ПФК. При полной инактивации, как в случае

нормобластов, ядрышко представлено одним крупным (4-5 мкм) сферическим

ФЦ, без сопутствующего транскрипции ПФК: оно окружено зоной

конденсированного хроматина. Такое инактивированное ядрышко сходно по

своим структурным особенностям с ядрышковым организатором в составе

митотических хромосом.

Структурные типы ядрышек

Приведенные выше описания дают основу для понимания разнообразия

строения ядрышек в клетках с соответствующим уровнем синтеза рРНК. Однако

кроме различной степени выраженности гранулярного и фибриллярных

компонентов существуют и иные варианты структурной организации ядрышек.

Обычно различают несколько структурных типов ядрышек: ретикулярный или

нуклеолонемный, компактный, кольцевидный, остаточный (покоящийся),

сегрегированный (рис. 91).

177

Ретикулярный тип ядрышка наиболее характерен для большинства клеток,

для него свойственно нуклеолонемное строение, обилие гранул и

фибриллярного плотного материала. Во многих случаях фибриллярные центры

выявляются плохо, вероятно из-за высокого уровня транскрипции. Этот тип

ядрышек встречается в клетках животных и растений. Так, например,

ретикулярный тип ядрышка, свойственный гигантским политенным хромосомам

двукрылых насекомых, очень сходен с таковым на гигантских хромосомах

антиподиальных клеток ячменя.

Компактный тип ядрышка отличается от предыдущего меньшей

выраженностью нуклеолонемы, большей частотой встречаемости

фибриллярных центров. Такие ядрышки характерны для активно

размножающихся клеток (клетки растительных меристем, клетки культуры

ткани и др.). Вероятно, что оба эти типа могут переходить друг в друга, во

всяком случае, они чаще всего встречаются в клетках с высоким уровнем

синтеза РНК и белка.

Кольцевидные ядрышки встречаются в клетках животных. В световом

микроскопе они имеют форму кольца с оптически светлой центральной зоной -

это фибриллярный центр, окруженный РНП-фибриллами и гранулами. Размер

этих ядрышек составляет около 1 мкм. Типичные кольцевидные ядрышки

характерны для лимфоцитов, эндотелиоцитов,т.е. для клеток с относительно

низким уровнем транскрипции.

Остаточные ядрышки характерны для клеток полностью потерявших

способность к синтезу рРНК (нормобласты, дифференцированные энтероциты,

клетки шиповатого слоя кожного эпителия и др.). Часто они настолько малы и

так окружены конденсированным хроматином, что с трудом обнаруживаются в

световом микроскопе. В ряде случаев они могут снова активироваться и

переходить в компактную или ретикулярную форму.

Сегрегированные ядрышки характерны для клеток, обработанных

различными антибиотиками или химическими веществами, вызывающими

178

прекращение синтеза рРНК (актиномицин Д, амфотерицин и др.), а также

антибиотиками, влияющими на синтез ДНК и белков (митомицин, пуромицин,

многие канцерогены и т.д.). Термин “сегрегация” используется в данном случае

в связи с тем, что происходит как бы разделение, обособление разных

компонентов ядрышек, сопровождающиеся прогрессивным уменьшением его

объема. При этом обособляются друг от друга крупные фибриллярные центры и

гранулярно-фибриллярный компонент.

Белки ядрышек

До 60% сухого веса выделенных ядрышек приходится на белки, число

которых может составлять несколько сот разных видов. Помимо белков

ассоциированного с ядрышками хроматина в состав ядрышек входят белки

рибосом и специфические ядрышковые белки, связанные с транскрипцией

рибосомных генов, с процессингом 45S рРНК, такие как РНК-полимераза I,

факторы транскрипции, топоизомеразы, метилазы, нуклеазы, протеинкиназы,

фосфатазы. Часть ядрышковых белков имеет сродство к серебру, -

аргентофильные белки: РНК-полимераза I, фактор транскрипциии UBF,

нуклеолин (С-23), нуклеофозмин (ньюматрин или В-23).

Аргентофилия характерна для белков, обогащенных сульфгидрильными,

дисульфидными связями. Как уже указывалось, четкой аргентофилией обладают

интерфазные ядрышки и зоны ядрышковых организаторов на митотических

хромосомах.

Собственно ядрышковые белки расположены в специфических местах их

активности. Так РНК-полимераза I и фактор транскрипции рРНК UBF

располагаются в фибриллярных центрах (ФЦ) и/или в плотном фибриллярном

компоненте (ПФК).

Ag-фильным является также белок с мол. весом 195 кДа, представляющий

собой большую субъединицу РНК-полимеразы I, участвующую в синтезе рРНК.

Этот белок локализуется в зоне фибриллярных центров, по их периферии. На

плоскостных препаратах ядрышек аргентофилией обладают участки над осевой

179

частью «елочек», непосредственно над расположением гранул РНК-полимеразы

I. Кроме того, с помощью иммуноморфологических методов РНК-полимераза I

обнаруживается в зоне ядрышковых организаторов митотических хромосом.

Это обстоятельство не противоречит данным о том, что во время митоза

транскрипция полностью прекращается. Вероятно, что во время митоза гены,

нагруженные неактивной РНК-полимеразой I, переносятся весте с нею в

области ядрышковых организаторов из одной клеточной генерации в другую.

Специфический для ядрышек белок фибрилларин (В-36, м.в. 34 кДа)

располагается в ПФК, где он осуществляет процессинг пре-рРНК в комплексе

другими РНП, в состав которых входит U3 мяРНК, необходимая для начального

этапа процессинга 45S рРНК. Фибрилларин обнаруживается также в остаточных

ядрышках – в «ядрышковом матриксе».

Белок С23 (110 кДа) или «нуклеолин» локализуется в зоне плотного

фибриллярного компонента и в фибриллярных центрах ядрышек, но также и в

зонах ядрышковых организаторов митотических хромосом. Следовательно он

обнаруживается как на транскрибируемых, так и на неактивных участках

рибосомных генов. В препаратах распластанных ядрышек он обнаруживается

над транскрипционными единицами («елочками»), он обнаружен во фракциях,

содержащих предшественники рибосом. Функции его до конца не ясны, хотя

стало известно, что белок С23 может играть важную структурную роль в

процессе транскрипции: он своим N-концом, на котором находятся лизиновые

группы, связывается с ядрышковым хроматином, а C-концом с

транскрибируемым спейсером (tsi) на 45S рРНК.

Обнаружено, что этот белок связывается не с ДНК транскрипционной

единицы, а с ДНК, имеющей нуклеосомное строение (вероятно со спейсерными

участками).

Белок В-23 (нуклеофозин, м.в. 37 кДа) с помощью иммуноцитохимических

методов локализован в области ПФК и, главным образом, в зоне гранулярного

180