Ядрышко

 

Ядрышки, которые входят в состав ядра, были впервые описаны ученым Фонтана в 1774 году. Ядрышки обнаружены практически во всех ядрах эукариотических клеток. Это более плотная структура на фоне диффузной организации хроматина. Основным компонентом ядрышка является белок. На его долю приходится до 80%. Кроме белка, в составе ядрышка находятся нукленовые кислоты. РНК 5-14%, а ДНК 2-12%. В 30-х годах 20-го века было показано, что возникновение ядрышек всегда привязано к определенным зонам. Эти зоны ученые Мак Клинтон, Нейтс и Навашин назвали ядрышковыми организаторами. Другими словами, это место расположения генов рибосом. Ядрышковые организаторы не являются каким-то точечным локусом, это множественное по своей структуре образование, которое содержит несколько одинаковых генных участков, каждый из которых отвечает за образование ядрышка. В составе геномов эукариот рибосомные гены представлены тысячами единиц. Они принадлежат к умеренно повторяющимся последовательностям ДНК. Часто ядрышковые организаторы локализованы во вторичных перетяжках хромосом. У человека ядрышковые организаторы расположены на коротких плечах некоторых хромосом. Но ядрышко формируется одно.

Максимальное число ядрышек определяется и числом ядрышковых организаторов. Увеличивается согласно плоидности ядра.

Характерно, что в клетках разных тканей и таксономической принадлежности преобладает небольшое количество ядрышек. Чаще всего количество ядрышек меньше, чем число организаторов. Это связано с тем, что при новообразовании ядрышка ядрышковые организаторы сливаются в одну общую структуру. Они объединяются в пространстве интерфазного ядра, формируя одно ядрышко от разных хромосом.

В ооцитах число ядрышек достигает нескольких сот. Это явление амплификации генов рибосомной РНК. Сверхчисленность. Обычно в соматических клетках число генов в рибосомных РНК постоянно. Оно не меняется в зависимости от уровня транскрипции этих генов. При репликации ДНК в S-периоде происходит и удвоение числа генов рибосомных РНК, а в половых клетках эти гены подвергаются избыточной репликации с целью обеспечения большого количества рибосом. В результате сверхсинтеза генов рибосомной РНК, их копии становятся свободными кольцевыми молекулами или внехромосомными. Они могут функционировать независимо, и в результате образуется масса свободных дополнительных ядрышек, которые уже структурно не связаны с ядрышкообразующими хромосомами. И количество генов рибосомальной РНК становится почти в 3000 раз больше того, которое приходится на гаплоидной количество рибосомальной РНК.

Биологический смысл заключается в обеспечении большого количества запасных продуктов, которые используются на ранних стадиях эмбриогенеза и которые в клетке могут быть синтезированы только на дополнительных матриксах амплифицированных ядрышек, поскольку собственный синтез рибосомальных генов у зародыша отсутствует.

После периода созревания ооцитов дополнительные ядрышки разрушаются. Поэтому репликация рибосомальных генов – временное явление.

 

В структуре ядрышка выделяют следующие компоненты:

1) Гранулярный компонент;

2) Фибриллярный компонент (представлен фибриллярным центром и плотным компонентом);

3) Хроматин;

4) Белковый матрикс.

 

Ядрышки построены из гранулярного и фибриллярного компонента и взаимное их расположение различается. Чаще всего гранулярный компонент расположен по периферии ядрышка, а фибриллярный образует ядрышковые нити, толщиной около 100 – 200 нм. Они иногда называются нуклеолонемами. Они не однородны по своему строению в них кроме гранул входит множество новых фибрилл, которые образуют в нуклеолонемах отдельные сгущения.

Оказалось, что структура и диффузного фибриллярного компонента тоже неоднородна. Было обнаружено, что в ядрышках встречаются фибриллярные центры. Это участки скопления фибрилл с низкой электронной плотностью, окруженные зоной фибрилл более высокой электронной плотности. Эта зона называется плотным компонентом.

Хроматин ядрышка – околоядрышковый хроматин, который может примыкать к ядрышку и даже окружать его полностью. Часто 30нм фибриллы хроматина заходят между нуклеолонемными участками.

На срезах мы не можем выделить белковый матрикс в виде отдельного компонента.

Кроме различной степени выраженности, существуют и другие варианты структурной организации ядрышка.

Несколько типов ядрышка: 1) ретикулярный или нуклеолонемный 2) компактный 3) кольцевидный 4) остаточный или покоящийся 5) сегрегированный.

Ретикулярный характерен для большинства клеток. Для него типично нуклеолонемное строение. Фибриллярные центры проявляются плохо, поскольку очень высок уровень транскрипции. Этот тип ядрышек встречается в клетках животных и растений и типичен для политенных хромосом двукрылых.

Компактный тип отличается меньшей выраженностью нуклеолонемы, большей частотой встречаемости в фибриллярных центрах. Встречается в активно размножающихся клетках, в клетках растительных меристем, в клетках культуры тканей. Предполагают, что первый тип может переходить и наоборот.

Кольцевидные ядрышки характерны для животных. Имеют форму кольца, которое является фибриллярным центром, окруженным фибриллами и гранами. Размер таких ядрышек около 1 мкм. Типичные кольцевидные ядрышки характерны для эндоцитов, эндоэлеоцитов, т.е. для клеток с низким уровнем транскрипции.

Остаточные – характерны для клеток, потерявших способность к синтезу рРНК.

Сегрегированные ядрышки – это клетки, которые подвержены воздействию различных химических веществ, которые вызывают прекращение синтеза в рРНК.

Термин используется в связи с тем, что происходит обособление разных компонентов ядрышек, сопровождающихся прогрессивным уменьшением его объема. В неактивной форме ядрышковый организатор хромосом представлен в виде одного крупного фибриллярного центра, включающего в себя компактно уложенную часть хромосомной ДНК, в котором находятся друг за другом следующие рибосомные гены. В начале активации ядрышка происходит деконденсация рибосомальных генов на периферии фибриллярного центра. Эти гены начинают транскрибироваться и на них образуются РНП-транскрипты. Эти транскрипты при созревании дают начало предшественникам рибосом, которые скапливаются по периферии активированного ядрышка. По мере усиления транскрипции единый фибриллярный центр распадается на ряд более мелких структур, связанных друг с другом полностью деконденсированными участками ДНК. Чем выше транскрипционная активность ядрышка, тем больше количество мелких связанных друг с другом фибриллярных структур, окруженных плотным фибриллярным компонентом, который содержат предшественники рибосомальных генов 45 S. При полной активации ядрышка все мелкие фибриллярные центры деконденсируются и в этом случае зоны плотного компонента содержат всю рибосомную РНК, которая находится в активном состоянии. В случае инактивации ядрышка происходит постепенная конденсация рибосомальных ДНК, снова образуются фибриллярные центры. Они объединяются друг с другом и величина их растет параллельно уменьшению долей плотного компонента. Такое инактивированное состояние ядрышка сходно по своим структурам с ядрышковым организатором митотических хромосом.

Ядрышко является непостоянной структурой в клетке. Оно меняет свои свойства и структуру в ходе клеточного цикла. В начале митоза структуры ядрышка слегка уплотняются, а после разрыва ядреной оболочки напротив – теряют плотность, разрыхляются, распадаются на свои структурные составляющие и в виде ядрышкового материала растекаются между конденсированными хромосомами. И поэтому в метафазе и анафазе ядрышки как таковые в клетке отсутствуют. Они находятся в виде матрикса митотических хромосом. Первые признаки новых ядрышек появляются в средней телофазе, одновременно с практически уже деконденсированными хромосомами и с клетками, имеющими новую ядреную оболочку, в виде плотных колец, которые называются предъядрышками. Число их обычно большое. В G1-периоде клеточного цикла предъядрышки растут, объединяются друг с другом их общее число падает, а суммарный объем увеличивается. В G2 и S периодах общий объем ядрышка удваивается.

Таким образом, в новые дочерние ядра после деления переносятся белковые компоненты, ферменты, что создает условия, необходимые для возобновления синтеза и созревания как рибосом, так и синтеза рРНК. Митотическая хромосома переносит в дочернее ядро не только генетическую информацию в виде ДНК-хроматина, но и необходимое количество синтетического аппарата, готового к активации транскрипции в новом клеточном цикле. И эти необходимые компоненты находятся в виде матрикса на митотических хромосомах.

 

Функции ядрышка:

1) синтез рРНК;

2) Участие в созревании информационных РНК;

3) Участие в созревании транспортных РНК;

4) В ядрышках образуются типы РНК, входящие в состав srp-частицы рибосом;

5) В ядрышке осуществляется синтез переносчика протонов никотинамидадениндинуклеотид.