23 пары хромосом (диплоидный набор: lt;? — 22x2 + XY, ? — 22x2 + 2Х) ядра соматической клетки содержат ядерный геном (примерно 70000 генов). Реализация генетической информации (транскрипция -» процессинг -» трансляция -» посттрансляционная модификация) и другие функции ядра происходят при участии ДНК и разных видов РНК. Структурные компоненты ядра: хроматин, ядерная оболочка, ядрышко, нуклеоплазма.
А. Молекула ДНК построена из двух антипараллельных цепей с комплементарной последовательностью нуклеотидов (рис. 2-6).
- Нуклеозиды — А^-гликозильные производные (Мгликозиды) разных азотистых оснований (пурины, пиримидины), содержащих соответственно рибозу или дезоксирибозу.
а. Пуриновые основания — аденин (А) и гуанин (G).
б. Пиримидиновые основания — цитозин (С), тимин (T), урацил (U).
- Нуклеотид — фосфатный эфир нуклеозида. Нуклеотиды при помощи фосфодиэфирных связей образуют полинуклеотид.
- Спираль ДНК (правая) — две комплементарные цепи полинуклеотидов, соединённые водородными связями в парах A-T и G-C. На один виток приходится приблизительно 10 пар оснований.
а. Экзон — кодирующая последовательность нуклеотидов, определяющая последовательность аминокислот в белке.
б. Интрон — некодирующая последовательность между экзонами. После синтеза РНК на ДНК-матрице (транскрипция) последовательности РНК, комплементарные последовательностям интронов, удаляются при помощи специальных ферментов, а оставшиеся последовательности сближаются (сплайсинг).
в. Кодон — последовательность из трёх смежных нуклеотидов, кодирующая какую- либо аминокислоту или терминацию полипептидной цепи.
- Ген — участок молекулы ДНК, кодирующий последовательность аминокислот в полипептидной цепи. Экспрессия гена (рис. 2-7) протекает по схеме: транскрипция (синтез первичного транскрипта на матрице ДНК) -» процессинг (образование мРНК) -» трансляция (считывание информации с мРНК) -» сборка полипептидной цепи (включение аминокислот в полипептидную цепь на рибосомах) -» посттрансляционная
Рис. 2-7. Этапы считывания генетической информации. В ходе транскрипции на ДНК-матрице синтезируется длинная молекула РНК (первичный транскрипт), содержащая последовательности экзонов и интронов. По завершении синтеза РНК-транскрипта последовательности интронов удаляются, что делает молекулу РНК значительно короче. Эта мРНК выходит из ядра в цитоплазму и соединяется с рибосомами. Молекула мРНК продвигается сквозь рибосому, и её нуклеотидная последовательность транслируется в соответствующую последовательность аминокислот создаваемой белковой цепи [из Alberts В et al, 1989]
модификация (добавление к полипептиду разных химических группировок, например фосфатных [фосфорилирование], карбоксильных [карбоксилирование] и т.д.).
Б. РНК — полинуклеотид, сходный по химическому составу с ДНК, но содержащий в нуклеотидах рибозу вместо дезоксирибозы и азотистое основание урацил (U) вместо тимина (T).
Различают мРНК, тРНК, рРНК.
- Матричная (информационная) РНК (мРНК) состоит из сотен и тысяч нуклеотидов. мРНК переносит генетическую информацию из ядра в цитоплазму и непосредственно участвует в сборке молекулы полипептида на рибосомах.
а. Транскрипция и процессинг. В ходе транскрипции РНК-полимераза II присоединяется к промотору — специфическому сайту молекулы ДНК, с которого начинается синтез полимера. РНК-полимераза II раскручивает участок двойной спирали ДНК, обнажая матрицу для комплементарного спаривания оснований. Когда РНК- полимераза встречает сигнал терминации транскрипции, синтез полимера прекращается. Фактически на этом этапе с ДНК снята РНК-копия, но она ещё не готова к участию в синтезе белка. Пока это только первичный транскрипт. В дальнейшем он процессируется, в результате образуется мРНК, выходящая из ядра в цитоплазму.
Синтез полимеров рРНК и тРНК катализируют соответственно РНК-полимераза I и Ш.
б. Трансляция. Сборку полипептидной цепи инициирует стартовый кодон AUG, а терминирующие кодоны UAA, UAG и UGA её прекращают.
- Транспортная РНК (тРНК) содержит около 80 нуклеотидов и доставляет аминокислоты к рибосоме, где они присоединяются к растущей полипептидной цепи. Существует минимально одна тРНК для каждой из 20 аминокислот. Один конец тРНК (акцептор)
присоединяется к аминокислоте, а другой конец содержит антикодон из трёх нуклеотидов, который узнаёт соответствующий кодон мРНК и спаривается с ним. Так тРНК переводит последовательность нуклеотидов в последовательность аминокислот. - Рибосомная РНК (рРНК) взаимодействует с мРНК и тРНК в ходе сборки полипептида, в комплексе с белками (в т.ч. ферментами) образует рибосому.
В. Хроматин — комплекс ядерной ДНК с белками (гистоны, негистоновые белки).
- Гетерохроматин (транскрипционно неактивный, конденсированный хроматин) интерфазного ядра. В CM — базофильные глыбки, в ЭМ — скопления плотных гранул. Располагается преимущественно по периферии ядра и вокруг ядрышек. Типичный пример гетерохроматина — тельце Барра.
Тельце Барра. Во всех соматических клетках генетически женского организма одна из Х-хромосом инактивирована и известна как половой хроматин (тельце Барра). Инактивация Х-хромосомы известна как лайонизация.
Лайонизация. Механизм компенсации дозы генов Х-хромосомы у женщин объясняет гипотеза Мэри Лайон. Согласно гипотезе, инактивация Х-хромосомы происходит в раннем эмбриогенезе, осуществляется случайным образом (инактивированной может быть либо отцовская, либо материнская Х-хромосома), затрагивает целиком всю Х-хро- мосому и характеризуется устойчивостью, передаваясь клеточным потомкам. Клетки женского организма по экспрессии генов Х-хромосомы мозаичны.
- Эухроматин — транскрипционно активная и менее конденсированная часть хроматина, локализуется в более светлых участках ядра между гетерохроматином.
Г. Хромосома. Хромосомы (рис. 2-8) видны при митозе или мейозе, когда хроматин конденсирован полностью.
Рис. 2-8. Организация хроматина в хромосоме. Хроматин состоит из структурных единиц — нуклеосом, разделённых интервалами в 200 пар оснований. Во время митоза в результате плотной упаковки нуклеосом хроматин полностью конденсируется, формируя видимые хромосомы [из Widnell CC, Pfeninger KH, 19901
- Состав. Каждая хромосома содержит одну длинную молекулу ДНК и ДНК-связываю- щие белки; хроматин в составе хромосомы образует многочисленные петли. Хромосома состоит из структурных единиц — нуклеосом.
- Нуклеосомы (рис. 2-9) — сферические структуры диаметром 10 нм.
Д. Геном — полный комплект генов в хромосомах. Кариотип описывает количество и структуру хромосом. Гаплоидный набор — 23 хромосомы — характерен для гамет. Диплоидный набор — стандарт хромосом (23x2) — для соматических клеток.
Е. Ядерная оболочка. Состав: наружная и внутренняя ядерные мембраны, перинуклеарные цистерны, ядерная пластинка, ядерные поры (рис. 2-10).
- Наружная ядерная мембрана. На её поверхности расположены рибосомы, где
синтезируются белки, поступающие в перинуклеарные цистерны.
- Перинуклеарные цистерны. Часть околоядерных цистерн связана с гранулярной эндоплазматической сетью.
- Внутренняя ядерная мембрана отделена от содержимого ядра ядерной пластинкой.
- Ядерная пластинка толщиной 80-300 нм участвует в организации ядерной оболочки и перинуклеарного хроматина, содержит белки промежуточных филаментов — ламины А, В и С.
- Ядерная пора (рис. 2-10). Содержимое ядра сообщается с цитозолем через 3-4 тысячи специализированных коммуникаций — ядерных пор, осуществляющих транспорт (в т.н. молекул РНК) между ядром и цитоплазмой. Ядерная пора имеет диаметр 80 нм, содержит канал поры и комплекс ядерной поры.
а. Канал поры диаметром 9 нм беспрепятственно пропускает небольшие водорастворимые молекулы.
б. Комплекс ядерной поры содержит белок-рецептор, реагирующий на сигналы ядерного импорта (своего рода входной билет в ядро) — специальные последовательности из 4-8 аминокислотных остатков (например, в составе нуклеоплазмина или Т-Аг). Рецептор ядерной поры может увеличивать диаметр канала поры и обеспечивать перенос в ядро больших макромолекул (например, ДНК- и РНК-полимеразы с Mr 100-200 кД).
ДНК
Рис. 2-9. Нуклеосома в неконденсирован- ном хроматине содержит по две копии гистонов Н2А, Н2В, НЗ и Н4. Двойная спираль ДНК лежит на поверхности октамера гистонов и накручена на него. В конденсированном хроматине дополнительно присутствует гистон Hl,соединяющий нуклеосомы [из Trifonov EN, 1981]
Рис. 2-10. Поры в оболочке ядра. Комплекс ядерной поры образован 8 большими белковыми гранулами, расположенными по окружности вблизи края поры и соединяющими обе ядерные мембраны (внутреннюю и наружную). Часто в центре поры присутствует большая центральная гранула. Она состоит из вновь синтезированной CE рибосомы, переносимой в цитоплазму [из Stevens A, Loewe J, 1992)
Ж. Ядрышко — компактная структура в ядре интерфазных клеток. Основные функции
ядрышка — синтез рРНК и образование субъединиц (CE) рибосом.
- Транскрипция рРНК происходит в хромосомах 13, 14, 15, 21 и 22. Петли ДНК этих хромосом, содержащие соответствующие гены, формируют ядрышковый организатор, получивший название в связи с тем, что восстановление ядрышка в фазу G1 клеточного цикла начинается с этой структуры.
- Синтез белка
- Образование субъединиц рибосом (рис. 2-11)
- Структура ядрышка
а. Фибриллярный центр — слабоокрашенный компонент (ДНК, кодирующая рРНК).
б. Фибриллярный компонент, где протекают ранние стадии образования предшественников рРНК; состоит из тонких (5 нм) рибонуклеопротеиновых фибрилл и тран- скрипционно активных участков ДНК.
в. Гранулярный компонент содержит зрелые предшественники рибосомных CE, имеющих диаметр 15 нм.
- Нуклеоплазма содержит ядерный матрикс и ядерные частицы.
а. Ядерный матрикс содержит остатки ядрышек, сеть рибонуклеопротеинов, ядерные рецепторы и множество других молекул, часто образующих ассоциации — ядерные частицы. В матриксе происходят транскрипция и процессинг мРНК и рРНК. Ядерные рецепторы, онкогены, белки теплового шока, вирусные ДНК и белки (например, Т-Аг, разные факторы транскрипции) влияют на транскрипцию и процессинг РНК.
б. Ядерные частицы
Рис. 2-11. Участие ядрышка в образовании рибосом. Здесь осуществляются транскрипция и процессинг рРНК. Сначала при помощи РНК-полимеразы I на ДНК-матрице синтезируется 455-предшественник рРНК. Далее 455-предшественник рРНК взаимодействует с рибосомными белками с последующим разделением на 28S, 18S и 5,8S рРНК. Рибонуклеопротеины, содержащие 28S и 5,8S рРНК, затем объединяются с 5S рРНК, синтезирующейся вне ядрышка, и образуют большую CE рибосомы. Рибонуклеопротеины, содержащие 18S рРНК, формируют малую CE рибосомы [из Alberti В et al, 1989]
- Интерхроматиновые гранулы — частицы диаметром 20-25 нм, содержащие рибонуклеопротеины и различные ферменты (АТФаза, ГТФаза, НАД-пирофосфатаза и др.).
- Перихроматиновые гранулы диаметром 30-50 нм расположены по периферии гетерохроматина, окружены ореолом из менее плотного материала, содержат 4,7S РНК и белки. Количество этих частиц увеличивается в ядрах клеток печени при онкогенезе или при воздействии температуры выше 37 0C.
- Гетерогенные ядерные рибонуклеопротеиновые частицы — комплекс предшественников мРНК и белков — участвуют в процессинге мРНК.
- Малые ядерные рибонуклеопротеиновые частицы участвуют в процессинге мРНК, состоят из белков и небольших РНК.
- Ядерные рецепторы рассмотрены в I В 2 а (2) (б).