Чем определяется число ядрышек в клетке

Как уже говорилось, все клетки имеют обязательные внутриядерные структуры – ядрышки. Это правило имеет небольшое число исключений, которые, как будет видно, только подчеркивают важность и необходимость участия ядрышка в жизненных отправлениях клетки. К таким исключениям относятся клетки дробящихся яиц, где ядрышки отсутствуют на ранних этапах эмбриогенеза, или клетки, закончившие развитие и необратимо специализировавшиеся как, например, некоторые клетки крови.

В остальных случаях в клетках наблюдается 1-5 ядрышек, причем их количество не строго постоянно даже у одного и того же типа клеток. Более того в некоторых половых клетках (растущие ооциты) число ядрышек может достигать нескольких сот, т.е. на два порядка выше, чем в соседних соматических клетках. Это - т.н. амплификация ядрышек.

Еще в 30-х годах было сделано предположение, что число ядрышек зависит от числа "ядрышковых организаторов" - особых участков, на которых в телофазе происходит новообразование ядрышек интерфазного ядра. Часто ядрышковые организаторы локализованы во вторичных перетяжках хромосом (образуют вторичные перетяжки хромосом). Так у человека ядрышковые организаторы расположены в коротких плечах 13, 14, 15, 21 и 22 хромосом (10 на диплоидный набор) (рис. 82). У млекопитающих обычно имеется несколько ядрышкообразующих хромосом на диплоидный набор: у кошки - 2; у свиньи - 2; у мыши - 4; у коровы - 8. У хладнокровных позвоночных и у птиц обычно имеется только по одной паре ядрышкообразующих хромосом.

Таким образом максимальное число ядрышек в разных клетках определяется числом ядрышковых организаторов и увеличивается согласно плоидности ядра: в крупных полиплоидных ядрах всегда количество ядрышек больше.

Это правило подтверждается прямыми наблюдениями над мутантными особями с разным числом ядрышковых организаторов. Так у шпорцевой лягушки в норме в диплоидной клетке есть две ядрышкообразующих хромосомы и соответственно 1-2 ядрышка. У гетерозиготной особи с одной ядрышкообразующей хромосомой - 1, у гомозиготных мутантных личинок, у которых нет ядрышковых организаторов, ядрышки не возникают и не происходит синтеза рРНК. Сходные наблюдения были получены на дрозофилах с разным числом ядрышкообразующих хромосом от 0 до 4.

Локализация ядрышковых организаторов определяется довольно точно на митотических хромосомах с помощью окраски солями серебра, которые имеют специфическое сродство к некоторым ядрышковым белкам. Более точным является определение ядрышковых организаторов с помощью метода молекулярной гибридизации in situ. Так меченная тритием рРНК при контакте с денатурированной ДНК на препарате митотических хромосом образует ДНК-рРНК гибрид только в тех местах, где есть последовательности ДНК, комплементарные рРНК.

Чаще всего в клетках количество ядрышек меньше, чем число ядрышковых организаторов. Это связано с тем, что при новообразовании ядрышек они могут сливаться друг с другом в одну общую структуру, т.е. могут объединяться в пространстве интерфазного ядра отдельные ядрышковые организаторы разных хромосом. Так в тканях человека могут встречаться клетки с одним ядрышком. Это значит, что десять ядрышкообразующих участков, локусов, диплоидного набора хромосом входят в состав одного ядрышка. Слияние ядрышек друг с другом хорошо показано на живых клетках культуры ткани при цейтраферной киносъемке.

Множественность рибосомных генов

При изучении числа ядрышек при различных хромосомных абберациях было найдено, что при разрыве хромосомы на месте вторичной перетяжки ядрышки могут возникать на каждом из фрагментов хромосом. Так при обмене участками между двумя хромосомами в микроспороцитах кукурузы, в том случае когда разрыв одной из хромосом происходил через ядрышковый организатор, возникали две хромосомы, каждая из которых несла часть исходного ядрышкового организатора. В этом случае обе хромосомы обладали способностью образовывать ядрышки, хотя и в неодинаковой степени. Из этих наблюдений был сделан очень важный вывод (который полностью подтвердился в 60-х годах на молекулярно-биологическом уровне) о том, что ядрышковый организатор представляет собой не точечный локус хромосомы, а является множественным по своей структуре, содержит несколько одинаковых генных участков, каждый из которых отвечает за образование ядрышка.

Методом молекулярной гибридизации было показано, что в составе геномов эукариот рибосомные гены представлены сотнями и тысячами единиц; они принадлежат к фракции умеренно повторяющихся последовательностей ДНК. Даже у бактерий в геноме может быть несколько (6-7) рассеянных по геному идентичных последовательностей, ответственных за синтез рРНК. Общее количество этой фракции ДНК (рДНК) у E. coli составляет около 1% от всей ДНК. У эукариотических организмов этот процент может составлять 0,18 для X. laevis, 0,4 - для человека, 1,3 для дрозофилы, 5,5 для пекарских дрожжей. Число же рибосомных генов у эукариот намного больше, чем у прокариотических клеток. В табл. 10 приведены некоторые примеры числа генов рРНК у различных представителей эукариот.

Таблица 10. Количество рибосомных генов на гаплоидный набор хромосом

Хордовые Млекопитающие:     Птицы: Амфибии:     Рыбы:     Беспозвоночные Иглокожие: Насекомые:   Моллюски: Нематоды: Простейшие   Высшие растения:   Грибы:   Водоросли:   Слизневики:

Человек - 200 Мышь - 100 Кошка - 1000 Курица - 200 Тритон гребенчатый - 4100 Амфиума - 19600 Линь - 120 Лосось - 730 Неоцератод - 4800   Морской еж - 260 Сверчок домашний - 170 Шелкопряд тутовый - 240 Устрица - 220 Аскарида - 300 Эвглена - 800 Тетрахимена - 290 Фасоль - 2000 Кукуруза - 8500 Дрожжи пекарские - 140 Хламидомонада - 150 Ацетабулария - 1900 Диктиостелиум - 200 Физарум - 80

 

С помощью метода молекулярной гибридизации было проанализировано не только число рибосомных генов, но и их локализация. Из этих экспериментов следовало, что именно зоны ядрышковых организаторов во вторичных перетяжках хромосом Xenopus содержат рибосомные гены и что в каждом из этих организаторов содержится примерно по 300 генов, т.е. ядрышковые организаторы представляют собой полицистронные участки, содержащие множество одинаковых генов (полиизогенные участки). Следовательно, рибосомные гены собраны вместе в группы или кластеры.

Наблюдать непосредственно порядок расположения рибосомных генов на ДНК выделенных ядрышек с помощью электронного микроскопа удалось на дополнительных ядрышках ооцитов амфибий.

Амплифицированные ядрышки

Обычно число генов рибосомных РНК постоянно на геном, оно не меняется в зависимости от уровня транскрипции этих генов. Так у клеток с высоким уровнем метаболизма число генов рРНК точно такое же как и число у клеток, полностью прекративших синтез рибосом. При репликации ДНК в S-периоде происходит и удвоение числа генов рРНК, поэтому их количество коррелирует с плоидностью клетки.

Однако существуют случаи, когда гены рРНК подвергаются избыточной репликации. При этом дополнительная репликация генов рРНК происходит в целях обеспечения продукции большого количества рибосом. В результате такого сверхсинтеза генов рРНК их копии могут становиться свободными, экстрахромосомными. Эти внехромосомные копии генов рРНК могут функционировать независимо, в результате чего возникает масса свободных дополнительных ядрышек, но уже не связанных структурно с ядрышкообразующими хромосомами. Это явление получило название амплификации генов рРНК. Особенно подробно это явление изучено на растущих ооцитах амфибий, хотя оно встречается как у животных, так и у растений.

Так у X. laevis, наиболее подробно изученный и популярный объект, амплификация рДНК, происходит в профазе I деления созревания, когда синтез хромосомной ДНК давно закончен. В этом случае количество амплифицированной рДНК (или генов рРНК) становится в 3000 раз больше того, что приходится на гаплоидное количество рДНК, и соответствует 1,5 х 10⁶ генов рРНК. Эти сверхчисленные внехромосомные копии и образуют сотни дополнительных ядрышек в растущих ооцитах. В среднем же на одно дополнительное ядрышко приходится несколько сот или тысяч генов рРНК.

Амплифицированные ядрышки встречаются также в ооцитах насекомых. Так у окаймленного плавунца в ооцитах обнаружено 3 х 10⁶ экстрахромосомных копий генов рРНК.

Биологический смысл появления сверхчисленных экстрахромосомных ядрышек при росте ооцитов совершенно понятен: для синтеза огромного количества запасных продуктов, которые будут использованы на ранних стадиях эмбриогенеза, необходимо соответственно огромное количество рибосом, которые могут быть в клетке синтезированы на дополнительных матрицах этих многочисленных амплифицированных ядрышек. После периода созревания ооцита при его двух последовательных делениях эти дополнительные ядрышки в состав митотических хромосом не входят, они отделяются от новых ядер и деградируют. Следовательно, амплификация рДНК в ооците представляет собой временное явление, не сказывающееся на постоянстве генома.

У низших эукариотических организмов наблюдаются также экстрахромосомные ядрышки. Так у Tetrachymena pyriformis в составе гаплоидного генома микронуклеуса имеется только единственный ген рРНК. В макронуклеусе же этого организма содержится около 200 гаплоидных эквивалентов в виде экстрахромосомных копий. У дрожжевых клеток также обнаружены экстрахромосомные копии генов рРНК в виде циклических молекул ДНК длиной около 3 мкм, содержащих один ген рРНК.