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

Подождите немного. Документ загружается.

промежуточных филаментов (см. ниже), их фибриллярные мономеры могут

образовывать димеры, тетрамеры, а последние образуют фибриллы

толщиной около 10 нм. Со стороны кариоплазмы под внутренней ядерной

мембраной такие фибриллы образуют ортогональные структуры,

чередующиеся с рыхло расположенной сетью этих же фибрилл.

Белки ламины с мембраной связаны двояким образом. Так ламин B после

синтеза модифицируется добавлением гидрофобной изопентильной группы

вблизи C-конца. Эта липофильная группа встраивается в слой мембраны и

как бы заякоревает ламину на мембране. Кроме того целый ряд

интегральных белков внутренней ядерной мембраны (LBR, LAR, эмерин и

др.) также закрепляют ламины посредством дополнительных белков,

входящих в состав этого фиброзного слоя. Эти же белки участвуют в

связывании ядерной мембраны с хроматином.

Наиболее характерной и бросающейся в глаза структурой в составе

ядерной оболочки является ядерная пора. Поры в оболочке образуются за

счет двух ядерных мембран в виде округлых сквозных отверстий или

перфораций с диаметром около 100 нм. При альдегидной фиксации или при

использовании метода замораживания и скалывания в электронном

микроскопе видно, что округлое сквозное отверстие в ядерной оболочке

заполнено сложно организованными глобулярными и фибриллярными

структурами (рис. 107). Совокупность мембранных перфораций и этих

структур называют комплексом пор ядра. Тем самым подчеркивается, что

ядерная пора не просто сквозная дыра в ядерной оболочке, через которую

непосредственно вещества ядра и цитоплазмы могут сообщаться.

Компоненты комплекса пор имеют белковую природу.

Ядерный поровый комплекс (ЯПК или NPC - nuclear pore complex)

представляет собой супрамолекулярную структуру с м.в. более 125 х 10

Да,

состоящую из более 1000 белков, масса которых в 30 раз больше чем

201

рибосома. Белки ЯПК носят название нуклеопоринов 50-100 видов. Эти

белки собраны примерно в 12 субкомплексов.

В последнее время удалось получить отчетливые изображения ЯПК в

электронном микроскопе, что дает возможность понять их структурную

организацию. Внешний диаметр порового комплекса составляет около 100

нм, а высота - 75 нм. В целом он представляет собой цилиндрическую

фигуру с признаками октогональной симметрии. Несмотря на очень

впечатляющие изображения выделенных ЯПК, разные авторы дают разные

схемы строения этого сложного комплекса, обладающего симметрией

восьмого порядка.

Если посмотреть на ЯПК в плане на ультратонком срезе, то бросается в

глаза, что его периферия представлена восьмью глобулами (рис. 108, 109).

На выделенных же ЯПК в первую очередь видны кольчатые структуры. От

периферических компонентов ЯПК в сторону цитоплазмы простираются

фибриллярные выросты. Со стороны ядра тоже фибриллярные выросты

образуют корзинкоподобную структуру, связанную терминальным кольцом.

В большинстве моделей центр цилиндрической фигуры ЯПК содержит

“пробку” (центральную гранулу, или транспортер). По одной из моделей (см.

рис. 93) цитоплазматические филаменты отходят от цитоплазматического

кольца, состоящего из 8 субъединиц. Между ним и внешней ядерной

мембраной располагается тонкое кольцо, а затем звездчатое кольцо.

Цитоплазматическое кольцо связано внутренними филаментами с

транспортером, который находится в центре и заполняет пространство

между внешней и внутренней ядерной мембраной. Сходная структура

находится на внутренней мембране: нуклеоплазматическое кольцо

поддерживает филаменты “корзины”. Другие варианты моделей показаны на

(рис. 110).

Весь ЯПК закрепляется интегральными белками, гликопротеидами gp 210

и РОМ 121 в стенке мембранной перфорации.

202

По своей сложности организации и, главное, по функциональной значимости

комплекс ядерной поры можно было бы отнести к органеллам клетки, т.к. их

роль заключается в контроле за ядерно-цитоплазменными связями.

Размер ядерных пор и их структура стандартны не только для данной

клетки, но и для всех клеток данного организма, более того для всех

эукариот.

Число ядерных пор (см. табл. 13) зависит от метаболической активности

клеток: чем выше синтетические процессы в клетках, тем больше пор на

единицу поверхности клеточного ядра. Так, у эритробластов (клетки-

предшественники ядерных эритроцитов) низших позвоночных животных во

время интенсивного синтеза и накопления гемоглобина обнаруживается в

ядре около 30 ядерных пор на 1 мкм

. После того как эти процессы

заканчиваются, в ядрах зрелых клеток - эритроцитов прекращаются синтезы

ДНК и РНК, и количество пор падает до 5 на мкм

. В ядерных оболочках

полностью зрелых сперматозоидов поры не обнаруживаются, так же как у

микронуклеусов некоторых инфузорий. Количество пор может изменяться в

течение клеточного цикла. Первое возрастание числа пор наблюдается при

реконструкции и росте ядер после митоза, второй этап увеличения числа пор

происходит во время синтеза ДНК.

Таблица 13. Количество ядерных пор в различных объектах

Объект Число

ядерных

пор на мкм

Число

пор на

одно ядро

Ксенопус, почки 10,05 3400

Ксенопус, ооцит 51,0 37,6 х 10

Мышь, культура ткани 10,83 5050

Человек, культура ткани 11,24 3930

Крыса, гепатоцит 16,1 3800

Мышь, лимфоцит 3,3 400

Человек, лимфоцит 4,47 700

203

По поверхности ядра поры располагаются более или менее равномерно, но

их число резко падает в местах ассоциации с ядерной оболочкой участков

гетерохроматина, ядрышкового организатора, теломерных участков.

Поровые комплексы могут встречаться и в других мембранных

компонентах клетки, но гораздо реже, чем в ядерной оболочке. Иногда

поровые комплексы видны в составе мембран гранулярного

эндоплазматического ретикулума. Они обнаруживаются в составе окончатых

мембран цитоплазмы, которые представляют собой тесно расположенные

пачки замкнутых плоских мембранных мешков, сплошь пронизанных

поровыми комплексами, имеющими такую же структуру, как и поры в

ядерной оболочке.

Интересные данные были получены при морфометрическом изучении

поровых комплексов в ядрах и окончатых мембранах бластодермы

эмбрионов дрозофилы. Оказалось, что при переходе от синцитиальной к

целлюлярной стадии, количество пор в оболочках ядер остается

неизменным, а количество пор в окончатых пластинках вырастает примерно

в 10 раз. В дальнейшем окончатые мембраны полностью исчезают. На

основании этого было сделано предположение, что на ранней стадии

развития в бластодерме дрозофилы происходит “суперпродукция” поровых

комплексов (или их компонентов), избыток которых “встраивается” в

окончатые мембраны. Т.е. макромолекулярный ансамбль, составляющий

комплекс ядерных пор, способен к автономной самосборке и к

последующему встраиванию в различные мембранные системы.

Роль ядерной оболочки в ядерно-цитоплазматическом обмене

Со времени открытия ядерной оболочки и описания ее строения делалось

заключение о том, что ядерная оболочка может служить регулятором в

ядерно-цитоплазматическом обмене и главная роль в этих процессах

отводилась ядерным порам. Обмен же продуктами между ядром и

цитоплазмой в самом деле очень велик: все ядерные белки поступают в ядро

204

из цитоплазмы и все формы РНК выводятся из ядер. И в этом процессе

комплекс поры выступает как супрамолекулярный комплекс, выполняющий

роль не только транслокатора, механизма переноса, но и роль сортировщика,

узнающего и отбирающего специальным образом переносимые молекулы.

В процессе ядерно-цитоплазматического транспорта ядерные поры

функционируют как некоторое молекулярное сито, пропуская частицы

определенного размера пассивно, по градиенту концентрации. Так, ионы,

сахара, нуклеотиды, АТФ, гормоны - свободно поступают в ядра. С другой

стороны ядерные поры осуществляют избирательный транспорт.

Через ядерную оболочку беспрепятственно в обе стороны происходит

пассивный транспорт высоко молекулярных соединений, имеющих массу не

более 5 х 10

дальтон. Для определения размеров частиц, могущих пройти

сквозь пору, используются гранулы декстрана или коллоидного золота,

которые путем микроинъекции вводятся в цитоплазму живой клетки. Было

обнаружено, что максимальный размер частиц, способных

транспортироваться в ядро составляет 8,5-10 нм. При этом сначала частицы

собираются в зоне поровых комплексов, а затем оказываются в ядре.

Неядерные белки с массой большей, чем 20 000-40 000 дальтон проникают в

ядро медленнее, если вообще проникают. Так инъецированные белки с

массой 17 кД могут проникнуть в ядро довольно быстро, за 2-3 минуты,

белки 40 кД - за 30 минут, белки 60 кД - вообще не проникают в ядра.

Считается, что белки с гидродинамическим радиусом больше 3,5 нм (что

соответствует глобулярному белку с массой 65 кД), не могут просто

механически проходить через ядерную пору. В этих случаях ядерная пора

выступает в качестве реального молекулярного сита.

Но дело осложняется тем, что многие белки поступают как в ядро, так и

выходят из него против градиента концентраций. Так, например,

концентрация гистонов в ядре значительно выше, чем в цитоплазме. Но,

несмотря на это, во время синтеза ДНК происходит транспорт огромного

205

количества (10

молекул каждые три минуты, или по 100-500 молекул через

одну пору за 1 минуту) гистонов из цитоплазмы в ядро. С другой стороны

через ядерные поры реально могут проходить некоторые белки и даже

макромолекулярные комплексы с массой значительно большей, чем 60 кД.

Через ядерные поры из цитоплазмы в ядро транспортируются крупные

молекулы белков, например, белок нуклеоплазмин, пентамер с молекулярной

массой 125 кД. Из ядра через поры выходят в цитоплазму субъединицы

рибосом и другие рибонуклеопротеиды, меньшие из которых могут иметь

массу 250 кД. Эти данные показывают, что комплексы ядерных пор не

представляют собой просто механические сита, которые ограничивают

транспорт молекул в зависимости от их размеров.

Работы последнего времени показывают, что многие ядерные белки

проходят через ядерные поры с помощью специальных механизмов,

включающих узнавание и связывание крупных ядерных белков, а затем

только их транслокацию, перенос через поры. Было найдено, что белки,

транспортируемые в ядро, имеют определенные последовательности

аминокислот - последовательности ядерной локализации (NLS), которые

узнаются рецепторами ядерных пор. Такие NLS характерны для

кариофильных белков, т.е. для белков ядерной локализации, которые

синтезируются на рибосомах в цитоплазме, а затем транспортируются в

ядро.

Импорт кариофильных белков

Впервые аминокислотные последовательности ядерной локализации были

обнаружены на С-конце субъединиц молекулы нуклеоплазмина (ядерный

белок, принимающий участие в структуризации хроматина). Эти

эксперименты были проведены на бесклеточной системе, когда выделенные

ядра помещались в цитоплазматический экстракт ооцитов ксенопуса, куда

добавляли нативные или измененные молекулы нуклеоплазмина. Это

крупный белок (125 кД), состоящий из пяти субъединиц, каждая из которых

206

обладает глобулярной и фибриллярной, С-концевой, частями. Если удалит

путем протеолиза примерно 50 аминокислот с С-конца, то ни пентамер, ни

мономеры в ядро не попадают, в то время как отщепленные фибриллярные

участки через поры проходят свободно, так как содержат NLS-участок.

Более того, при смешивании неядерных белков с этими NLS-фрагментами,

такие комплексы способны транспортироваться в ядро. Даже крупные

частицы декстрана (20 нм), неспособные проникать в ядро, при связывании с

ними NLS-последовательностей нуклеоплазмина транспортировались из

цитоплазматического экстракта в ядро.

Подробно строение NLS изучено у белка Т антигена вируса SV40.

Кариофильный сигнал состоял из последовательности: Pro-Lys-

128

Lys-Lys-

Arg-Lys-Val. Одна лишь аминокислотная замена (

128

Lys на Thr или Asp)

полностью лишают этого фрагмента кариофильных свойств. Оказалось. что

можно создавать химерные белки с этим аминокислотным доменом, что

позволяет необычные для ядер белки (альбумин плазмы, иммуноглобулин G,

и даже ферритин с мол. массой 465 кД) транспортировать через ядерные

поры.

Было показано, что белок с NLS проходит в ядро через несколько этапов

(рис. 111). Импорт начинается с того, что NLS-белок связывается с

гетеродимером рецептора NLS, с белками импортинами α и β,

локализованными в цитоплазме. Возникший белковый комплекс

(импортируемый белок с NLS, связанный с импортинами α и β) подходит к

внешней ядерной мембране и закрепляется на цитоплазматических

филаментах порового комплекса. Затем этот комплекс входит в ядерную

пору и проходит через “транспортер”. Считается, что транспортер состоит из

множества извитых белковых филаментов, обогащенных аланином и

глицином (FG-филаменты), представляющих собой барьер для транспорта

некариофильных белков. Комплекс же, имеющий NLS как бы разрыхляет эту

сеть и проходит через канал транспортера. После перехода комплекса в

207

нуклеоплазму импортин β связывается с белком RAN, представляющего

собой малую GTP-азу, что приводит к распаду комплекса. Импортируемый

белок освобождается и остается в ядре, импортин α возвращается в

цитоплазму, так же как и импортин β, но в связи с RAN-GDP, где последние

также диссоциируют. Тем самым только белок с NLS остается в составе ядра

(рис. 111).

Экспорт из ядра в цитоплазму

Из ядра в цитоплазму также существует поток как белков, так и ядерных

транскриптов в виде рибонуклеопротеидов. В принципе этот экспорт своей

организации сходен с процессом импорта кариофильных белков. Так было

обнаружено, что гликопротеидные молекулы, связывающие лиганды,

локализуются в место поровых комплексов и со стороны ядра. Одна и та же

пора может принимать участие как в импорте, так и в экспорте

макромолекул. В пользу этого говорит то, что частички коллоидного золота,

связанного с нуклеоплазмином, сорбируются на ядерной поре со стороны

цитоплазмы, одновременно с сорбцией частичек, связанных с РНК,

инъецированных в ядре ооцитов. Подобные эксперименты показали, что

многие РНК (тРНК, 5S РНК, поли-У и поли-А), связанные с коллоидным

золотом, аккумулируются в зоне ядерных пор, а затем переносятся в

цитоплазму. Более того, РНК способствует переносу через ядерную пору

крупных частиц золота размером до 20 нм. Обратного переноса не

происходит: аналогичные частички, инъецированные в цитоплазму ооцита, в

ядро не проникают.

Что касается естественных видов РНП, то комплексы ядерных пор также

должны узнавать специфический сигнал на экспорт. Белковые компоненты

РНП несут аминокислотные последовательности, сигналы ядерного экспорта

(NES), которые дают возможность различным РНП проходить через ядерную

оболочку в цитоплазму.

208

В этом случае также образуется сложный комплекс, состоящий из

переносимого белка с NES-последовательностью (связанного с РНК или

свободного), ассоциированного с белком экспортином 1, который в свою

очередь связан с RAN-GTP. Этот комплекс проходит через центральный

канал, создаваемый транспортером, в цитоплазму, где и диссоциирует. При

этом освобождается белок с NES-участком (или РНП), который остается в

цитоплазме. Экспортин 1 и RAN после гидролиза GTP снова возвращаются в

ядро (рис. 112).

В процессе экспорта РНП ядерная пора контролирует не только белковый

компонент. Ядерные поры узнают и не экспортируют короткие (100

нуклеотидов) тРНК, если в их структуре есть хоть одна замена. Транспорт

незрелых форм иРНК, имеющих интронные участки, не происходит. Вообще

в цитоплазме не обнаруживаются незрелые РНК. Вероятно, для экспорта

некоторых РНК необходима их связь с особыми белками. Так 5S РНК

переносится в цитоплазму вместе с транскрипционным фактором TFIIIA,

или с белком L5. Мутантные формы 5S рРНК, которые не связываются с

TFIIIA, остаются в ядре.

Мало изучен вопрос о транспорте в цитоплазму крупных РНП-

комплексов, таких как субъединицы рибосом, информосомы и малые

ядерные РНП. Возможно все они под действием каких-то факторов

разворачиваются, меняют свою конформацию и проходят через поровый

комплекс. В пользу этого говорят наблюдения гантелевидных РНК-

содержащих частиц, в просвете пор ядер гигантских слюнных желез

насекомых. Считается, что эта картина отражает момент выхода из ядер

РНП-частиц 60 нм в диаметре, относимых к информоферам. Интересно, что

состав белков в цитоплазматических информационных РНП иной, это может

говорить о том, что в зоне поровых комплексов происходит “переодевание”

информационных РНК, связь их с иными белками.

Динамика ядерной оболочки в митозе

209

Большей частью, но не у всех видов (исключение составляют амебы,

эвгленовые, инфузории, динофлагелляты, многие водоросли, некоторые

грибы), ядерная оболочка разрушается при митозе и снова возникает после

деления клеток. Это так называемый открытый тип митоза (рис. 113). При

этом в профазе по мере конденсации хромосом ядерная оболочка теряет с

ними связь, а затем в ней появляются разрывы. Она приобретает вид

плоских мембранных вакуолей, цистерн. В это время ядерные поры еще

видны. Позднее они исчезают. Во время митоза 120 мДа комплекс ядерной

поры разбирается на субкомплексы примерно по 1 мДа. Разборка пор

начинается с фосфорилирования ряда нуклеопоринов митотической

cdc2/циклин B киназой.

Ядерная оболочка превращается в скопление мелких мембранных

пузырьков, окружающих зону бывшего интерфазного ядра. Такие пузырьки

морфологически нельзя отличить от других мелких вакуолей в цитоплазме,

они вероятно сливаются с вакуолями эндоплазматического ретикулума. В

метафазе мембранные элементы цитоплазмы оттесняются к периферическим

зонам клеток микротрубочками веретена деления.

В конце анафазы, когда прекращается движение хромосом к

противоположным полюсам клетки, мембранные пузырьки цитоплазмы, и в

первую очередь мембраны гранулярного эндоплазматического ретикулума

(см. ниже), начинают контактировать с поверхностью хромосом. Эти

контакты происходят сначала в небольшом числе точек, но затем начинается

перестройка и рост этих первичных зачатков ядерной оболочки. Они из

мелких пузырьков превращаются в плоские вакуоли, которые растут в

ширину и обволакивают поверхность деконденсирующихся хромосом.

Участки таких растущих плоских мембранных мешков сливаются, замыкая и

отгораживая содержимое нового интерфазного ядра. Интересно, что ядерные

поры появляются на самых ранних этапах реконструкции ядерной оболочки,

210