Транскрипция на мейотических хромосомах

Мейотические хромосомы типа “ламповых щеток” (см. ниже) встречаются главным образом на стадии диплотены мейоза, как у самцов, так и у самок. По сравнению с митотическими хромосомами мейотические хромосомы типа ламповых щеток намного длиннее и хорошо видны в световом микроскопе по двум причинам: она представляют собой спаренные и удвоенные хроматиды, так что в их состав входит четыре продольных субъединицы. Но отличительной особенностью этих хромосом является наличие боковых петель, отходящих от множества хромомеров, попарно-симметрично располагающихся вдоль каждого гомолога (рис. 104). Именно в петлях хромосом типа ламповых щеток происходит синтез РНК во время длительной мейотической профазы.

Следовательно, хромосомы типа ламповых щеток занимают как бы промежуточное положение между инактивированными максимально конденсированными хромосомами и активными интерфазными хромосомами: конденсированные участки хромомеров соответствуют участкам митотических хромосом, а боковые петли - участкам активных интерфазных хромосомных районов. Считается, что число боковых петель соответствует числу хромомеров, за исключением того, что хромомеры, представляющие центромерные участки, петель не несут. Так у гребенчатого тритона, чьи хромосомы типа ламповых щеток особенно подробно изучены, насчитывается около 5000 хромомеров на гаплоидный набор и соответственно 20 000 боковых петель на диплотенную митотическую хромосому (напомним, что в профазе мейоза клетки содержат тетраплоидное количество хроматид).

Латеральные или боковые петли в составе хромосом типа ламповых щеток неоднородны по своей структуре. Преобладают ординарные или нормальные петли длиной около 10 мкм. Они асимметричны по своей толщине: в световом микроскопе видно, что один из концов петли тонкий, а другой толстый; развернутая петля имеет клиновидную форму. В составе ординарных петель в световом микроскопе видно, что каждая петля покрыта как бы чехлом или матриксом, имеющим неясную гранулярно-фибриллярную структуру.

ДНК входит в состав осевого элемента петель и представляет собой основную хромосомную ДНК. Это доказывалось тем, что как боковые петли, так и осевые компоненты диплотенных хромосом рвутся при обработке ДНКазой.

Боковые петли способны к синтезу РНК: включение ³H-уридина происходит практически во всех петлях по всей их длине. Новосинтезированная РНК в петлях быстро ассциирует с белками, заранее синтезированными в цитоплазме.

При изучении ординарных петель на ультратонких срезах было найдено в их составе большое количество гранул 25-40 нм величиной, сходных с интер- и перихроматиновыми гранулами интерфазного ядра и с гранулами в пуфах политенных хромосом.

Более подробно структура боковых петель была изучена в электронном микроскопе на препаратах распластанных диплотенных хромосом.

Оказалось, что общая морфология транскрипции на боковых петлях хромосом типа ламповых щеток удивительно напоминает таковую на рибосомных цистронах (рис. 104). Большинство ординарных боковых петель представляет собой одну транскрипционную единицу, начало транскрипции которой расположено на одном конце петли, а терминальный участок - на другом. Таким образом такая транскрипционная единица тоже имеет форму “елочки”, только изогнутой в виде петли. Здесь также наблюдается линейный градиент транскриптов: короткие в начале, и максимально длинные (до нескольких десятков нм) на концах транскрипционных единиц.

Транскрипты здесь представлены в виде рибонуклеопротеидов. В результате воздействия низких ионных сил они из глобул величиной 25-40 нм превращаются в вытянутые, изогнутые фибриллы, часто на конце имеющие утолщение. Морфология транскриптов на разных петлях неодинаковая. Встречаются расправленные, линейные фибриллы, а также кустистые фибриллы, многократно сложенные сами на себя, вероятно, в результате образования дуплексных структур РНК.

В некоторых петлях может располагаться несколько транскрипционных единиц разной длины, могущих иметь как идентичную, так и оппозитную ориентацию транскрипции (рис. 105). Интенсивность транскрипции также неодинакова на различных петлях: встречаются петли с 30 транскриптами на 1 мкм и с 3-5.

При падении транскрипционной активности в естественных условиях или при экспериментальном подавлении синтеза РНК длина петель уменьшается, они приобретают нуклеосомное строение.

Морфология транскрипции индивидуальных генов

Недавно был предложен более прогрессивный подход для исследования морфологии транскрипции индивидуальных структурных (кодирующих полипептидные цепи) генов. Для этого были использованы ооциты X. laevis, в ядрах которых с помощью микроинъекций можно вводить любые молекулы, в том числе и ДНК. Если же для такого введения взять клонированные гены, то получая препараты по Миллеру, можно обнаружить отдельные от ядрышек и хромосом молекулы ДНК, которые в условиях высокой транскрипционной активности в ядрах ооцитов, в свою очередь вовлекаются в процесс транскрипции. Это и дает возможность наблюдать за транскрипционной активностью индивидуального гена.

Так в ядра ооцитов были инъецированы небольшие циклические молекулы клонированных генов овальбумина кур. Инъекция большого количества этих генов (2-5 нг на ядро) приводили к тому, что в ядре образовывались кластеры из нескольких сот циклических молекул, хорошо отличающихся от элементов собственного хроматина ооцитов. Оказалось, что 80-90% инъецированного материала неактивны. В этом случае индивидуальные циклические молекулы генов были сплошь покрыты нуклеосомами и не содержали транскрипционных комплексов (РНК-полимераза вместе с цепочкой синтезированной РНК).

Небольшая часть инъецированных генов, однако, обладала типичными транскрипционными комплексами. Среди таких активированных генов встречается, по крайней мере, три морфологических класса. В первом случае это были циркулярные молекулы со слабой транскрипцией (3-10 транскриптов на 1 мкм длины хроматина), транскрипты были разной длины и не обладали линейным градиентом. В другом случае наблюдали интенсивно транскрибируемые циклические участки хроматина, покрытые транскрипционными комплексами по всей длине молекулы ДНК (30-50 транскриптов на 1 мкм хроматина). Здесь транскрипты достигали длины до 1,2 мкм. РНК на интенсивно транскрибируемых участках всегда была расположена по градиенту длины, образуя участки, напоминающие “елочки” на транскрипционных единицах ядрышковых ДНК. Первичный транскрипт с клонированного гена овальбумина кур содержит участки кодирующих последовательностей (экзоны) и интроны. На подобных препаратах в тесной ассоциации с нитчатыми транскриптами бывают видны также глобулярные сплайсосомы.

Таким образом, удается наблюдать за работой любых индивидуальных генов.

Синтез транспортных РНК

Гены транспортных РНК относятся к умеренно повторяющимся (10-100) последовательностям в геноме. Они также как р-гены, располагаются тандемно. Длина разных (31 шт.) тРНК колеблется от 74 до 95 нуклеотидов (примерно 30 нм), уложенных в сложную трехмерную фигуру. Отдельный ген тРНК состоит из двух крайних экзонов и одного центрального интрона. Во время процессинга интрон удаляется, а два экзона с помощью фермента лигазы соединяются в зрелую молекулу.

Глава 10. Ядерная оболочка

Структура, ограничивающая параметр клеточного ядра, ядерная оболочка, характерна для эукариотических клеток. Она разделяет два внутриклеточных компартмента друг от друга, цитоплазму от ядра. Значение такого разделения структур в пространстве очень важно: это приводит к обособлению процессов синтеза белка и процессов синтеза нуклеиновых кислот, что создает дополнительные, по сравнению с прокариотами, возможности для регуляции генной активности и ее реализации в виде синтеза специфических белков. Активная регуляция транспорта из цитоплазмы в ядро и из ядра в цитоплазму, через специальные комплексы пор создает систему избирательного транспорта веществ, делая ядерную оболочку “генными воротами” со специальными “превратниками” (контрольными пунктами), регулирующими потоки ядерного импорта и экспорта. Кроме того, как уже описывалось, ядерная оболочка играет большую роль в организации трехмерной структуры интерфазного ядра, элементы ядерной оболочки являются частью ядерного белкового матрикса.

Ядерная оболочка состоит из двух мембран, внешней и внутренней, между которыми располагается перинуклеарное пространство (рис. 106). Внутренняя мембрана ядерной оболочки структурно связана с ламиной - фиброзным периферическим слоем ядерного белкового матрикса. В общем виде ядерная оболочка может быть представлена как двухслойный мешок, отделяющий содержимое ядра от цитоплазмы. Однако ядерная оболочка имеет характерную особенность, отличающую ее от других двухмембранных структур клетки (митохондрии и пластиды). Это наличие особых ядерных пор, которые образуются за счет многочисленных зон слияния двух ядерных мембран и представляют собой как бы округлые, сквозные перфорации всей ядерной оболочки.

Компоненты ядерной оболочки

Внешняя мембрана ядерной оболочки, непосредственно контактирующая с цитоплазмой клетки, имеет ряд структурных особенностей, позволяющих отнести ее к собственно мембранной системе эндоплазматического ретикулума (ЭПР). Так, на внешней ядерной мембране обычно располагается большое количество рибосом, как и на мембранах эргастоплазмы. Существуют многочисленные наблюдения о непосредственном переходе внешней ядерной мембраны в систему каналов эндоплазматического ретикулума, что особенно подчеркивает структурную идентичность этих мембран (рис. 106).

Так у клеток, бедных эндоплазматическим ретикулумом, внешняя ядерная мембрана может представлять собой “минимальный” объем эндоплазматического ретикулума, который может участвовать в синтезе белкового и липидного компонентов мембран. Описаны случаи, когда от внешней ядерной мембраны отщепляются мембранные вакуоли, направляющиеся в проксимальный отдел аппарата Гольджи. Состав липидов и белков внешней ядерной мембраны очень схож с таковым ретикулума, что, возможно, и определяет их общие биохимические функции, что особенно подчеркивается наличием рибосом на поверхности мембран, обращенной в гиалоплазму. Эти рибосомы синтезируют, как мембранные, так и секретируемые белки, которые могут транспортироваться в перинуклеарное пространство, а оттуда в полости цистерн ЭПР. Так, например, при стимуляции образования g-глобулинов в плазмоцитах первые продукты клеточной активности локализуются в перинуклеарном пространстве, а потом начинают появляться в полостях ЭПР. У большинства животных и растительных клеток внешняя мембрана ядерной оболочки не представляет собой идеально ровную поверхность - она может образовывать различной величины выпячивания или выросты в сторону цитоплазмы.

Внутренняя мембрана ядерной оболочки рибосом на своей поверхности не имеет, но связана с фиброзным слоем, ядерной ламиной (Lamina nucleum limitans), которая, в свою очередь, заякоревает хроматин на ядерной оболочке. Связь хроматина с внутренней мембраной оболочки является ее характерной особенностью, хотя существуют примеры, когда эти связи нарушаются при сохранении целостности ядерной оболочки. Так, например, в ооцитах амфибий на стадии диплотены все хромосомы собираются в центре ядра и полностью теряют связь с ядерной оболочкой. С другой стороны, при делении клеток с т.н. закрытым типом митоза большая часть внутренней ядерной мембраны теряет связь с хроматином.

О специфичности белков ламины уже говорилось в разделе “Ядерный белковый матрикс”, здесь же необходимо еще раз подчеркнуть, что эти фибриллярные белки не образуют неизменную структуру. Фиброзный слой ламины все время перестраивается, особенно в связи с ростом поверхности ядра, во время клеточного цикла. Характерные для внутренней ядерной мембраны белки ламины A, C и B относятся к фибриллярным белкам V типа промежуточных филаментов (см. ниже), их фибриллярные мономеры могут образовывать димеры, тетрамеры, а последние образуют фибриллы толщиной около 10 нм. Со стороны кариоплазмы под внутренней ядерной мембраной такие фибриллы образуют ортогональные структуры, чередующиеся с рыхло расположенной сетью этих же фибрилл.

Белки ламины с мембраной связаны двояким образом. Так ламин B после синтеза модифицируется добавлением гидрофобной изопентильной группы вблизи C-конца. Эта липофильная группа встраивается в слой мембраны и как бы заякоревает ламину на мембране. Кроме того целый ряд интегральных белков внутренней ядерной мембраны (LBR, LAR, эмерин и др.) также закрепляют ламины посредством дополнительных белков, входящих в состав этого фиброзного слоя. Эти же белки участвуют в связывании ядерной мембраны с хроматином.

Наиболее характерной и бросающейся в глаза структурой в составе ядерной оболочки является ядерная пора. Поры в оболочке образуются за счет двух ядерных мембран в виде округлых сквозных отверстий или перфораций с диаметром около 100 нм. При альдегидной фиксации или при использовании метода замораживания и скалывания в электронном микроскопе видно, что округлое сквозное отверстие в ядерной оболочке заполнено сложно организованными глобулярными и фибриллярными структурами (рис. 107). Совокупность мембранных перфораций и этих структур называют комплексом пор ядра. Тем самым подчеркивается, что ядерная пора не просто сквозная дыра в ядерной оболочке, через которую непосредственно вещества ядра и цитоплазмы могут сообщаться. Компоненты комплекса пор имеют белковую природу.

Ядерный поровый комплекс (ЯПК или NPC - nuclear pore complex) представляет собой супрамолекулярную структуру с м.в. более 125 х 10⁶ Да, состоящую из более 1000 белков, масса которых в 30 раз больше чем рибосома. Белки ЯПК носят название нуклеопоринов 50-100 видов. Эти белки собраны примерно в 12 субкомплексов.

В последнее время удалось получить отчетливые изображения ЯПК в электронном микроскопе, что дает возможность понять их структурную организацию. Внешний диаметр порового комплекса составляет около 100 нм, а высота - 75 нм. В целом он представляет собой цилиндрическую фигуру с признаками октогональной симметрии. Несмотря на очень впечатляющие изображения выделенных ЯПК, разные авторы дают разные схемы строения этого сложного комплекса, обладающего симметрией восьмого порядка.

Если посмотреть на ЯПК в плане на ультратонком срезе, то бросается в глаза, что его периферия представлена восьмью глобулами (рис. 108, 109). На выделенных же ЯПК в первую очередь видны кольчатые структуры. От периферических компонентов ЯПК в сторону цитоплазмы простираются фибриллярные выросты. Со стороны ядра тоже фибриллярные выросты образуют корзинкоподобную структуру, связанную терминальным кольцом. В большинстве моделей центр цилиндрической фигуры ЯПК содержит “пробку” (центральную гранулу, или транспортер). По одной из моделей (см. рис. 93) цитоплазматические филаменты отходят от цитоплазматического кольца, состоящего из 8 субъединиц. Между ним и внешней ядерной мембраной располагается тонкое кольцо, а затем звездчатое кольцо. Цитоплазматическое кольцо связано внутренними филаментами с транспортером, который находится в центре и заполняет пространство между внешней и внутренней ядерной мембраной. Сходная структура находится на внутренней мембране: нуклеоплазматическое кольцо поддерживает филаменты “корзины”. Другие варианты моделей показаны на (рис. 110).

Весь ЯПК закрепляется интегральными белками, гликопротеидами gp 210 и РОМ 121 в стенке мембранной перфорации.

По своей сложности организации и, главное, по функциональной значимости комплекс ядерной поры можно было бы отнести к органеллам клетки, т.к. их роль заключается в контроле за ядерно-цитоплазменными связями.

Размер ядерных пор и их структура стандартны не только для данной клетки, но и для всех клеток данного организма, более того для всех эукариот.

Число ядерных пор (см. табл. 13) зависит от метаболической активности клеток: чем выше синтетические процессы в клетках, тем больше пор на единицу поверхности клеточного ядра. Так, у эритробластов (клетки-предшественники ядерных эритроцитов) низших позвоночных животных во время интенсивного синтеза и накопления гемоглобина обнаруживается в ядре около 30 ядерных пор на 1 мкм². После того как эти процессы заканчиваются, в ядрах зрелых клеток - эритроцитов прекращаются синтезы ДНК и РНК, и количество пор падает до 5 на мкм². В ядерных оболочках полностью зрелых сперматозоидов поры не обнаруживаются, так же как у микронуклеусов некоторых инфузорий. Количество пор может изменяться в течение клеточного цикла. Первое возрастание числа пор наблюдается при реконструкции и росте ядер после митоза, второй этап увеличения числа пор происходит во время синтеза ДНК.

Таблица 13. Количество ядерных пор в различных объектах

Объект	Число ядерных пор на мкм^2.	Число пор на одно ядро
Ксенопус, почки	10,05
Ксенопус, ооцит	51,0	37,6 х 10^6
Мышь, культура ткани	10,83
Человек, культура ткани	11,24
Крыса, гепатоцит	16,1
Мышь, лимфоцит	3,3
Человек, лимфоцит	4,47

 

По поверхности ядра поры располагаются более или менее равномерно, но их число резко падает в местах ассоциации с ядерной оболочкой участков гетерохроматина, ядрышкового организатора, теломерных участков.

Поровые комплексы могут встречаться и в других мембранных компонентах клетки, но гораздо реже, чем в ядерной оболочке. Иногда поровые комплексы видны в составе мембран гранулярного эндоплазматического ретикулума. Они обнаруживаются в составе окончатых мембран цитоплазмы, которые представляют собой тесно расположенные пачки замкнутых плоских мембранных мешков, сплошь пронизанных поровыми комплексами, имеющими такую же структуру, как и поры в ядерной оболочке.

Интересные данные были получены при морфометрическом изучении поровых комплексов в ядрах и окончатых мембранах бластодермы эмбрионов дрозофилы. Оказалось, что при переходе от синцитиальной к целлюлярной стадии, количество пор в оболочках ядер остается неизменным, а количество пор в окончатых пластинках вырастает примерно в 10 раз. В дальнейшем окончатые мембраны полностью исчезают. На основании этого было сделано предположение, что на ранней стадии развития в бластодерме дрозофилы происходит “суперпродукция” поровых комплексов (или их компонентов), избыток которых “встраивается” в окончатые мембраны. Т.е. макромолекулярный ансамбль, составляющий комплекс ядерных пор, способен к автономной самосборке и к последующему встраиванию в различные мембранные системы.