Ядро эукариотической клетки отделено от цитоплазмы ядерной оболочкой, которая состоит из двух мембран-наружной и внутренней. Внешняя мембрана формирует с мембранами эндоплазматического ретикулума общую мембранную систему. Внешняя и внутренняя ядерная мембраны во многих местах на поверхности ядра соединяются, образуя ядерные поры, где размещены мультимолекулярни поровых комплексы, обеспечивающие ядерно-цитоплазматический транспорт. Внутри ядра внутреннюю мембрану выстилает Ламина - сетка, образованная белковыми филаментами толщиной около 10 нм. Филаменты ламины протянуты от одного времени в другое, определяя позиции пор на поверхности ядра и вообще форму и размер ядра. Ламина и ядерная оболочка образуют единую структуру, которую называют ядерным конвертом.

 

В ядре каждой клетки многоклеточного организма находится несколько (до нескольких десятков и даже сотен) достаточно длинных линейных молекул ДНК - набор молекул идентичен для всех клеток. Соматическая клетка содержит двойной - диплоидный - набор молекул ДНК, образован из двух гаплоидных наборов родителей при оплодотворении. То есть, молекулы ДНК диплоидного набора представлены парами гомологичных молекул, одинаковыми по размеру и сходными по нуклеотидной последовательностью. Совокупность последовательностей ДНК в клетках данного организма называется геномом. Во геномом вида понимают совокупность последовательностей ДНК в гаплоидному наборе.

 

Эукариотические геномы содержат значительное количество ДНК-например, у млекопитающих, около 3-109 пар оснований в гаплоидному наборе. Подавляющая часть этой ДНК не является кодирующей. Белковым генам эукариот (их количество в высших многоклеточных близка к 20-30 тыс.) присущ мозаичный принцип строения кодирующей части: собственно кодирующая часть представлена последовательностью отдельных содержательных участков - экзонов, разделенных бессмысленными интронов. У млекопитающих кодирующие последовательности - экзон - занимают лишь ~ 1,5% генома. Остальное приходится на межгенных ДНК (где содержатся также регуляторные участки), интроны (~ 30%) и, более половины генома, - в последовательности, которые повторяются (участка, представлены многими копиями).

 

Среди повторов обычно различают:

 

• Некоторые гены, представленные несколькими (иногда до 1000) копиями.

 

• псевдогенов - последовательности, что является гомологичными к определенных генов, но не экспрессируются в результате мутаций, повреждений системы регуляции транскрипции и т.п..

 

• Многократные повторы коротких последовательностей (тандемные повторы), часть которых распределена по всему геному, но большинство - сосредоточена в отдельных особых зонах (см. ниже).

 

• Интерсперсни (мобильные) элементы, способные к перемещению и размножения в пределах генома (или участки, которые были способны к перемещению в прошлом, а после потери такой активности просто остались в геноме). Мобильные элементы занимают значительную часть эукариотического генома (от 30 до 50%), но распределены неравномерно: есть длинные участки, на 90% представлены мобильными элементами, и такие зоны, где интерсперсни элементы отсутствуют.

 

Каждая молекула ДНК, находящийся в клеточном ядре, имеет особую центромерного участок разделяет молекулу на два плеча разной длины. Плечи обозначают латинскими буквами p (короткое плечо) и q (длинное плечо). Длина центромерного участка варьирует от 125 пар оснований у дрожжей Saccharomyces cerevisiae к 0,1-4 млн пар оснований у человека. Чаще последовательность ДНК в этой зоне представлена тандемными АТ-обогащенными повторами и не содержит активных генов. На обоих концах каждой молекулы ДНК находится еще одна особая зона - теломерной, состоящий из коротких элементов последовательности (у позвоночных и большинства высших растений - TTAGGG), повторяющиеся многократно. Длина теломерной участка варьирует у разных организмов (например, у мыши более 30 тыс пар оснований, у человека 10-15 тыс пар оснований). Еще одна особая участок ДНК некоторых хромосом - ядрышковых организаторов - содержит кластер генов рибосомной РНК, тандемно повторяется от 100 до 1000 раз. Каждый кластер представлен тремя генами рРНК - 18S, 5,8 S и 28S - и имеет длину приблизительно 11 тыс. пар оснований. В интерфазном ядре ядрышковые организаторы нескольких различных хромосом располагаются рядом и формируют плотную структуру, которая называется ядрышком. В состав ядрышка входят также транскрипты генов рРНК, рибосомные белки и множество других белков (до 700 у человека) - ядрышко является "фабрикой", где происходит синтез рибосомных РНК и сборка рибосомных субъединиц.

 

Типичная длина одной молекулы ДНК в клеточном ядре-несколько сантиметров (например, у человека, средняя длина равна ~ 5 см, самая молекула - почти 10 см). Понятно, что полимеры такой длины должны быть компактизовани внутри ядра, которое имеет микронные размеры, - молекулы ДНК существуют в ядре не сами по себе, а в виде комплексов с белками. Размещен в клеточном ядре нуклеопротеиновий комплекс, в состав которого входит одна молекула ДНК и белки определенных типов, называют хромосомой. Нуклеопротеиновий материал, из которого построены хромосомы, называют хроматином. Организация хроматина отличается наличием иерархии нескольких структурных уровней.

 

Главными структурными белками хроматина является гистоны-белки двух классов, обогащенные на положительно заряженные аминокислотные остатки (общая масса гистонов примерно равна массе ДНК). Кроме гистонов в состав хроматина входят также многочисленные негистонови белки (общая масса которых приблизительно равна массе гистонов) - транскрипционные факторы, разнообразные ферменты, белки, выполняющие специфическую структурную роль, и тому подобное. На первом уровне структурной организации хроматина ДНК формирует за счет взаимодействия с коровой гистонами (первый класс гистонов) элементарные образования - нуклеосомы. Белковый компонент нуклеосомы (кор) состоит из 8 молекул коревых гистонов Н2А, Н2В, Н3 и Н4 - по две молекулы каждого типа. Октамерний комплекс гистонов имеет на своей поверхности своеобразный трек положительно заряженных аминокислотных остатков, который используется для взаимодействия с нуклеосомною ДНК длиной 145-147 пар оснований: ДНК формирует на поверхности октамер ~ 1,7 витка левой суперспираль (рис. 1, цвет. Вст.) .

 

Нуклеосомы образуются вдоль всей ДНК хроматина со средней плотностью 1 нуклеосома на ~ 200 пар оснований, соседние нуклеосомы соединены мижнуклеосомнимы линкернимы участками. Нуклеосомна ДНК + линкерна участок составляют так называемый нуклеосомний повтор, длина которого варьирует как вдоль полинуклеосомного цепи, так и в зависимости от функционального состояния, типа клеток и т.п.. Характер распределения нуклеосом вдоль геномной ДНК имеет важное функциональное значение: понятно, что линкерна ДНК более доступной для внешних регуляторных влияний.

 

Как показано на рис. 1, цвет. в ст., конечные неупорядоченные участки коревых гистонов (хвосты) выходят за пределы нуклеосомы. Благодаря своей структурной лабильности они участвуют в организации хроматина на наднуклеосомному уровне, а также играют важную роль платформы для связывания различных негистонових белков. Такое взаимодействие гистоновых хвостов с белками имеет важные функциональные последствия для регуляции генной активности и зависит от многочисленных посттрансляционных модификаций хвостов.

 

С нуклеосомы в хроматине взаимодействуют (не более одной молекулы на нуклеосому) линкерни гистоны (второй класс гистонов, представлен гистона Н1 и его вариантами). Это взаимодействие дополнительно стабилизирует нуклеосому и обеспечивает "докручування" нуклеосомнои ДНК примерно до двух полных витков. Частицу, состоящую из октамер коревых гистонов, одной молекулы гистона Н1 и ДНК длиной 160-180 пар оснований, называют хроматосомою. За счет взаимодействия с ДНК неупорядоченных хвостов коревых гистонов и линкерних гистонов полинуклеосомна нить конденсируется с образованием на втором уровне компактизации хроматина (рис. 1.1) так называемой фибриллы 30 нм (имеется в виду примерный диаметр). На каждые 11 нм вдоль такой фибриллы приходится обычно 11 нуклеосом. Таким образом, общая длина фибриллы существенно сокращается по сравнению с контурной длиной ДНК в ее составе - до нескольких сотен микрон. Фибриллами 30 нм является основной формой существования хроматина и хромосом при интерфазы - между клеточными делениями (см. ниже), то есть тогда, когда на ДНК происходят все функциональные процессы. Но в хроматине существует значительная гетерогенность по степени конденсации. С одной стороны, предпосылкой активации отдельных участков хроматина является частичная временная деконденсация фибриллы. Такая структурная динамика на уровне стабильности хроматиновыми фибриллы, а также отдельных нуклеосом, является важнейшим путем регуляции транскрипционной активности. С другой стороны, в репрессированных участках хроматиновая фибрилла может быть как дополнительно стабилизированной в компактном состоянии, так и подвергаться компактизации более высокого порядка. Часть хроматина, сохраняет состояние повышенной компактизации течение интерфазы, называется гетерохроматином (остальные хроматина, где в принципе может происходить активация транскрипции, обозначается как эухроматин). Гетерохроматина зоны было описано в цитологических исследованиях еще в 1928 году как зоны клеточного ядра, интенсивно окрашиваются основными красителями, и, соответственно, характеризуются повышенной компактностью. Сегодня во гетерохроматином чаще понимают репрессированы участки ДНК, где значительно подавлена транскрипция. Образование гетерохроматина происходит, в первую очередь, в участках, содержащих повторы - в центромерных, теломерной и смежных прицентромерних и субтеломерних участках, зонах концентрации мобильных элементов (конститутивные гетерохроматин), а также в специфических для данного типа клеток геномных зонах, где обеспечивается гарантированная репрессия генной активности (факультативный гетерохроматин). Дополнительная компактизации гетерохроматина обеспечивается особыми белками. Специфические белки рекрутируются и вышеуказанным особых зон хромосомной ДНК: комплекс таких белков и теломерной ДНК на концах хромосомы называют теломер, а белково-нуклеиновых комплексов, образующийся на центромерного участке - центромеры. На следующем уровне структурной организации хроматиновая фибриллами (по крайней мере ее часть) формирует петли, концы которых жестко закрепленными на ядерном матриксе - белковых скелетных филаментами ядра (рис. 1.1). Некоторые петельные домены не являются строго детерминированными - петля в определенном участке хроматина может образовываться только в клетках определенного типа и быть постоянной или возникать временно в ответ на регуляторные сигналы. Вопрос о том, насколько развитой является сеть филаментов внутреннего матрикса остается недостаточно выясненным-возможно, эта сеть пронизывает все пространство ядра, возможно-представляет собой лишь отдельные сравнительно короткие белковые филаменты. Часть таких филаментов протягивается внутрь ядра от периферийной части матрикса - ламины, существование которой и ее роль в поддержании целостности ядра, а также взаимодействие с ней петельных доменов хроматина, не вызывают сомнения.

 

На Ламин фиксируется значительная часть гетерохроматина, в частности центромеры и теломеры хромосом. Еухроматинова часть хромосомы "свешивается" внутрь ядра, где, возможно, взаимодействует с элементами внутреннего матрикса. В результате хромосома в виде хроматиновыми фибриллы, вдоль которой чередуются еу-и гетерохроматина участки, занимает определенную более или менее четко определенную зону в объеме ядра - хромосомную территорию.

 

В некоторых клетках (различные ткани личинок насекомых, клетки трофобласта у млекопитающих, клетки зародышевого пузыря у растений и т.п.) присутствуют хромосомы особого типа, которые являются исключением из сформулированного выше определения хромосомы - они содержат не одну, а несколько сотен или даже тысяч идентичных молекул ДНК ( и, соответственно, хроматиновыми фибрилл 30 нм, связанных между собой по всей длине). Эти молекулы ДНК накапливаются в результате многократной репликации без последующих клеточных делений. Такие хромосомы, которые называют политенных, имеют гигантские размеры и просматриваются в оптический микроскоп постоянно. Биологическая роль политении вероятно связана с высокой метаболической активностью определенных клеток.

 

В подавляющем большинстве эукариотических клеток в процессе подготовки к клеточного деления происходит однократная репликация ДНК и, соответственно, удвоение диплоидного набора хромосом. Вообще все клетки многоклеточного организма в процессе своего развития проходят ряд последовательных стадий-клеточных циклов - от одного деления к другому. Клеточный цикл состоит из двух больших периодов - интерфазы (период между двумя делениями) и собственно деления (митоза). Интерфаза, в свою очередь, делится на 3 фазы - пресинтетичну (G1, от англ. Gap - промежуток), синтетическую (S) и постсинтетичну (G2) (рис. 1.2).

 

Каждая стадия интерфазы характеризуется определенным набором событий, которые необходимы для того, чтобы клетка вступила в порядке: фактически, для клеток, которые активно делятся, интерфаза - период постоянной подготовки к делению. Ключевым моментом при этом является удвоение молекул ДНК для того, чтобы при разделении каждая дочерняя клетка получила по одному диплоидном набора хромосом. Собственно процесс репликации ДНК происходит во время S-фазы и длится в среднем 10-12 часов. Синтез всех белков, необходимых для этого процесса, происходит в С1-фазе (синтез гистонов - одновременно с репликацией в S-фазе). При С2-фазы синтезируются и накапливаются все элементы, необходимые для клеточного деления. Митоз разделяют на четыре этапа (профаза, метафаза, анафаза, телофаза), в процессе которых происходит кариокинез (разделение ядра) и цитокинез (в конце телофазы-деление цитоплазмы с образованием двух дочерних клеток). Клетки, которые окончательно дифференцированные и больше не поступают в порядке выходят из циклического процесса и находятся на стадии G0 (именно на этой стадии все клетки многоклеточного организма выполняют свойственные им функции). Стадия G0 заканчивается, как правило, программируемой гибели клетки. В процессе развития половых клеток последний клеточный цикл заканчивается не митозом, а мейозом - клеточным делением, в результате которого образуются четыре клетки с гаплоидным набором хромосом.


Загрузка...
Яндекс.Метрика Google+