Структура клеточного ядра

У большинства клеток ядро имеет диаметр 4-8 мкм, округлую форму и находится в центральной части цитоплазмы, занимая от 10 до 40 % ее объема. Однако не менее редки случаи, особенно в специализированных клетках, когда ядро значительно отличается своими размерами, формой и локализацией. Примерами могут служить сперматозоиды, яйцеклетки, гигантские нейроны, сегментоядерные лейкоциты, мегакариоциты красного костного мозга и многие другие клетки. Некоторые клетки вообще могут быть лишены ядер как, например, эритроциты млекопитающих. Клеточное ядро, таким образом, способно видоизменяться в широких пределах в соответствии потребностями клетки и организма.

Клеточное ядро состоит из следующих структурных компонентов:

ядерной оболочки, или нуклеолеммы;

хроматина, представляющего собой комплекс ДНК с белками;

белкового матрикса;

одного или нескольких ядрышек;

ядерного сока (кариолимфы, нуклеоплазмы).

В ядрах клеток печени материал нуклеолеммы и ядерного матрикса составляет 3-5 %, хроматина – около 70 %, ядрышек – около 7 % и кариолимфы – 20 %. Однако, эти соотношения могут варьировать в зависимости от типа клетки и ее функциональной активности. Например, в нерастущих клетках содержание хроматина достигает почти 100 %, тогда как в быстрорастущих клетках увеличивается доля ядрышек. Ядерный матрикс значительно разрастается в опухолях.

Оболочка ядрануклеолемма изолирует его содержимое от цитоплазмы. Она состоит из наружной и внутренней мембран толщиной по 7-10 нм, между которыми имеется перинуклеарное пространство шириной 15-30 нм. Наружная мембрана часто связана с цистернами и канальцами плазматической сети. Поэтому перинуклеарное пространство может сообщаться с плазматической сетью и другими компонентами мембранной системы клетки. Наружная мембрана ядра обладает большим сходством с цитоплазматическими мембранами. Кроме липидов и белков она содержит до 16 % углеводов. К ней могут прикрепляться рибосомы и полирибосомы, синхронно с репликацией ДНК синтезирующие ядерные белки.

Внутренняя мембрана нуклеолеммы обладает рядом химических и структурных особенностей. С внутренней стороны к ней плотно прилегает фиброзный слой, или ламина, толщиной 10-20 нм, который состоит из белков промежуточных филаментов. С ламиной тесно связан внутренний ядерный матрикс, поэтому даже при полном удалении нуклеолеммы ядро сохраняет свою форму.

Наружная и внутренняя мембраны нуклеолеммы соединены между собой в ядерных порах, которые представляют собой отверстия в нуклеолемме диаметром около 80 нм. Как с цитоплазматической, так и с ядерной стороны по краю поры располагаются два кольца, каждый из которых состоит из 8 уплощенных субъединиц. На внутренней поверхности поры имеется 8 радиальных выступов, или “спиц”, локализация которых совпадает с расположением субъединиц в кольцах. С цитоплазматической стороны с каждой субъединицей кольца связана частица диаметром 25 нм. В центре поры часто видна еще одна, центральная гранула диаметром 10-40 нм. Внутри поры иногда можно заметить и другие структуры. В частности, с ядерной стороны у входа в пору обнаруживаются фибриллярный, а с цитоплазматической стороны - гранулярный материал. В целом ядерные поры вместе с окружающими ее структурами формируют поровые комплексы, диаметр которых достигает 100-120 нм.

Структура поровых комплексов не обладает тканевыми или видовыми особенностями. Их количество в ядре пропорционально числу хромосом и может меняться в зависимости от метаболической активности клетки. Поровые комплексы обеспечивают селективный транспорт веществ между ядром и цитоплазмой, но детали этого процесса остаются неясными. Недавно было показано, что поровые комплексы участвуют в процессинге иРНК, которые транскрибируются в расположенных рядом участках генома. Имеются также данные о том, что поровые комплексы специфически распознают поступающие из цитоплазмы в ядро белки.

При окрашивании клеточных ядер основными красителями в них выявляется вещество, которое В. Флемминг в 1880 г. назвал хроматином. В классической цитологии хроматину противопоставляли неокрашиваемое вещество ядра – ахроматин, или линин. В настоящее время это противопоставление утратило актуальность, но термин “хроматин” сохранился. Им обозначают комплексы “ДНК-белок”, которым заполнена большая часть объема ядра.

Хроматин в ядре распределен неравномерно: более конденсированные участки гетерохроматиначередуются с менее конденсированными участками эухроматина. Гетерохроматин и эухроматин различаются также функционально – большинство структурных генов локализовано в эухроматине, тогда как гетерохроматин в основном содержит повторяющиеся последовательности некодирующей ДНК.

Распределение гетерохроматина и эухроматина в ядре зависит от функциональной активности клетки, ее пролиферативного состояния, стадии дифференцировки, тканевой и видовой специфичности. В связи с этим различают конститутивный гетерохроматин, который всегда остается в конденсированном состоянии, и факультативный гетерохроматин, представляющий собой временно конденсированный эухроматин. Особенно много факультативного гетерохроматина в неделящихся, зрелых клетках, где активировано не более 10 % генов.

Во многих клетках растений и животных гетерохроматиновые участки клеточного ядра формируют скопления – хромоцентры. Они трактуются в последнее время как морфологическое проявление тканеспецифического взаимодействия негомологичных участков генома - эктопической конъюгации хромосом.

Кроме ДНК-содержащего хроматина в клеточном ядре обнаруживаются также РНК-содержащие структуры – интерхроматиновые фибриллы и гранулы, перихроматиновые фибриллы и гранулы, тельца Кахаля и др., которые различаются между собой локализацией, размерами и формой. Более крупные перихроматиновые фибриллы и гранулы диаметром около 20 нм локализуются по периферии ядра около нуклеолеммы. Они представляют собой субъединицы рибосом различной степени зрелости. Интерхроматиновые фибриллы и гранулы диаметром 4-7 нм локализуются во внутренних эухроматиновых областях ядра и являются, вероятно, морфологическим выражением различных этапов синтеза и процессинга иРНК. Тельца Кахаля диаметром 0,1-1,0 мкм, возможно, принимают участие в регуляции трапнскрипции.

Ядерный матриксвыделяют, обработав изолированные клеточные ядра неионными детергентами в сочетании с обработкой 2М раствором NaCl, ДНК-азой и РНК-азой. Он состоит из ламины, белкового скелета ядрышек и фибриллярно-гранулярной сети. Основной компонент ядерного матрикса представлен многочисленными гранулами диаметром 25-30 нм, которые соединяются между собой в фибриллярные структуры.

В химическом отношении ядерный матрикс практически полностью построен из белков. Наиболее изученные из них – это ламины A, B и C (молекулярная масса 65-70 кД). Ламины A и C имеют почти идентичную аминокислотную последовательность, но первый из них длиннее второго на 82 остатка. Центральные a-спиральные домены этих белков обладают большим сходством первичной структуры с аналогичными доменами кератинов и других белков промежуточных филаментов цитоплазмы. В физиологическом растворе ламины A и C образуют фибриллы диаметром 10 нм. Ламин B существенно отличается от ламинов A и C не только первичной структурой, но и более прочной связью с нуклеолеммой, входя в состав поровых комплексов. В отличие от белков промежуточных филаментов цитоплазмы ламины образуют не фибриллы, а трехмерные сети с ортогональной укладкой молекул.

Функции ламинов заключаются в поддержании размеров и формы клеточного ядра, а также его перестройке при делении клетки или гибели ее путем апоптоза. В частности, циклин-зависимые киназы клеточного деления фосфорилируют ламины A и C, что вызывает обратимую дезинтеграцию нуклеолеммы. При апоптозе ламины атакуются специфическими протеазами – каспазами, необратимо разрушающими ядерный матрикс.

Помимо ламинов в состав ядерного матрикса входит еще не менее пяти групп белков с молекулярной массой от 10 до 200 кД. Некоторые из них обеспечивают прикрепление ДНК к ядерному матриксу (белки MAR – matrix attachment regions).

Представления о кариолимфе(нуклеоплазме, ядерном соке) возникли еще в то время, когда о химическом составе ядра почти ничего не было известно. Позднее ее рассматривали как содержащийся в ядре коллоидный раствор белка, который не окрашивается применяемыми в световой микроскопии основными или кислыми красителями и слабо контрастируется на электронно-микроскопических препаратах. Тем не менее, понятие о кариолимфе сохранилось до сих пор для обозначения растворимой фракции клеточного ядра. Подразумевается, что в нее входят вода, а также растворенные в ней ионы натрия, калия, хлора, магния и кальция, низкомолекулярные ДНК и РНК, ферменты, метаболиты транскрипции и репликации, глобулины и другие молекулы.

Хроматин

Хроматин, несомненно, представляет собой наиболее важный компонент клеточного ядра, поскольку именно в нем содержится геном клетки. В ядрах клеток печени содержание хроматина составляет не менее 65-70 %. Хроматин состоит из ДНК и белков, причем на ДНК приходится 30 % массы хроматина, а на белки - 70 %.