Введение

Ядро клетки (;: ядра) – мембранная органелла, содержащая ДНК, обнаруженная в эукариотических клетках. У эукариотических клеток обычно есть одно ядро, но некоторые типы клеток, такие как красные кровяные клетки млекопитающих, не имеют ядра, а другие, включая остеокласты, содержат множество ядер. Основными структурами, составляющими ядро, являются ядерная оболочка – двойная мембрана, которая окружает всю органеллу и изолирует её содержимое от клеточной цитоплазмы; и ядерный матрикс – сеть внутри ядра, обеспечивающая механическую поддержку. Ядро клетки содержит почти весь геном клетки. Ядерная ДНК часто организована в несколько хромосом – длинные нити ДНК, усеянные различными белками, такими как гистоны, которые защищают и организуют ДНК. Гены внутри этих хромосом структурированы таким образом, чтобы поддерживать функционирование клетки. Ядро поддерживает целостность генов и контролирует клеточную активность, регулируя экспрессию генов. Поскольку ядерная оболочка непроницаема для крупных молекул, ядерные поры необходимы для регулирования ядерного транспорта молекул через оболочку. Эти поры пронизывают обе ядерные мембраны, образуя канал, через который крупные молекулы должны активно транспортироваться при помощи белков-переносчиков, в то время как мелкие молекулы и ионы могут свободно перемещаться. Перемещение крупных молекул, таких как белки и РНК, через поры необходимо как для экспрессии генов, так и для поддержания хромосом. Хотя внутреннее пространство ядра не содержит мембранных подкомпартаментов, в нём существует ряд ядерных тел, состоящих из уникальных белков, молекул РНК и специфических участков хромосом. Наиболее известным из них является ядрышко, участвующее в сборке рибосом.

Структуры

Ядро содержит почти всю ДНК клетки, окруженную сетью волокнистых промежуточных нитей, называемых ядерной матрицей, и заключено в двойную мембрану, называемую ядерной оболочкой. Ядерная оболочка отделяет жидкость внутри ядра, называемую нуклеоплазмой, от остальной части клетки. Размер ядра коррелирует с размером клетки, и это соотношение отмечается для различных типов и видов клеток. У эукариот ядро во многих клетках обычно занимает 10% объема клетки. Вместе эти мембраны отделяют генетический материал клетки от остального клеточного содержимого и позволяют ядру поддерживать среду, отличную от остальной части клетки. Несмотря на тесное прилегание мембран друг к другу вокруг большей части ядра, они существенно различаются по форме и составу. Внутренняя мембрана окружает содержимое ядра, определяя его границы. Количество ядерных пор может значительно варьироваться в зависимости от типа клеток: в небольших глиальных клетках их всего несколько сотен, а в крупных клетках Пуркинье – около 20 000. Комплекс ядерной поры состоит примерно из тридцати различных белков, известных как нуклеопорины. Диаметр пор составляет 100 нм, однако зазор, через который молекулы свободно диффундируют, имеет ширину всего около 9 нм из-за наличия регуляторных систем в центре поры. Этот размер избирательно позволяет проходить небольшим водорастворимым молекулам, предотвращая при этом попадание или выход из ядра более крупных молекул, таких как нуклеиновые кислоты и крупные белки. Эти крупные молекулы должны быть активно транспортированы в ядро. К кольцу прикреплена структура, называемая ядерной корзиной, которая простирается в нуклеоплазму, и ряд нитевидных выростов, достигающих цитоплазмы. Обе структуры служат для опосредования связывания с ядерными транспортными белками. Большинство белков, рибосомных субъединиц и некоторые РНК транспортируются через поры в процессе, опосредованном семейством транспортных факторов, известных как кариоферины. Кариоферины, опосредующие движение в ядро, также называются импортинами, а те, которые опосредуют движение из ядра, – экспортинами. Большинство кариоферинов взаимодействуют непосредственно со своим грузом, хотя некоторые используют адапторные белки. Стероидные гормоны, такие как кортизол и альдостерон, а также другие небольшие липидорастворимые молекулы, участвующие в межклеточной сигнализации, могут диффундировать через клеточную мембрану и в цитоплазму, где они связываются с белками ядерных рецепторов, которые транспортируются в ядро. Там они служат факторами транскрипции при связывании со своим лигандом; в отсутствие лиганда многие такие рецепторы функционируют как гистон-дезацетилазы, подавляющие экспрессию генов. Ядерная ламина состоит в основном из ламиновых белков. Как и все белки, ламины синтезируются в цитоплазме, а затем транспортируются внутрь ядра, где они собираются, прежде чем быть включенными в существующую сеть ядерной ламины. Ламины, расположенные на цитозольной поверхности мембраны, такие как эмерин и несприн, связываются с цитоскелетом, обеспечивая структурную поддержку. Ламины также находятся внутри нуклеоплазмы, где они образуют другую регулярную структуру, известную как нуклеоплазменная вуаль, которая видна с помощью флуоресцентной микроскопии. Фактическая функция вуали неясна, хотя она исключена из ядрышка и присутствует во время интерфазы. Ламиновые структуры, составляющие вуаль, такие как LEM3, связывают хроматин, и нарушение их структуры ингибирует транскрипцию генов, кодирующих белки. Как и компоненты других промежуточных нитей, ламиновый мономер содержит альфа-спиральный домен, используемый двумя мономерами для скручивания друг вокруг друга, образуя димерную структуру, называемую спиральной катушкой. Две из этих димерных структур затем соединяются бок о бок в антипараллельном расположении, образуя тетрамер, называемый протофиламентом. Восемь этих протофиламентов образуют боковое расположение, которое скручивается, образуя нитевидный филамент. Эти филаменты могут динамически собираться и разбираться, то есть изменения в длине филамента зависят от конкурирующих скоростей добавления и удаления филамента.

Хромосомы

Ядро клетки содержит большую часть генетического материала клетки в виде множества линейных молекул ДНК, организованных в структуры, называемые хромосомами. Каждая клетка человека содержит примерно два метра ДНК. Другой тип, гетерохроматин, представляет собой более компактную форму и содержит ДНК, которая редко транскрибируется. Эта структура далее подразделяется на факультативный гетерохроматин, состоящий из генов, организованных в виде гетерохроматина только в определенных типах клеток или на определенных стадиях развития, и конститутивный гетерохроматин, который состоит из структурных компонентов хромосом, таких как теломеры и центромеры. Во время интерфазы хроматин организуется в отдельные участки, называемые хромосомными территориями. Активные гены, которые обычно находятся в эухроматической области хромосомы, как правило, располагаются у границы хромосомной территории. Антитела к определенным типам организации хроматина, в частности к нуклеосомам, были связаны с рядом аутоиммунных заболеваний, таких как системная красная волчанка. Они известны как антинуклеарные антитела (АНА) и также наблюдаются при рассеянном склерозе как часть общей дисфункции иммунной системы.

Тела и камни каджала

Ядро обычно содержит от одной до десяти компактных структур, называемых телами Кахаля или спиральными тельцами (CB), диаметр которых варьируется от 0,2 мкм до 2,0 мкм в зависимости от типа клетки и вида. Тела Кахаля участвуют в ряде различных процессов, связанных с обработкой РНК, в частности, созреванием малых нуклеолярных РНК (snoRNA) и малых ядерных РНК (snRNA), а также модификацией мРНК гистонов. Однако, данные микроскопии позволяют предположить, что тела Кахаля и гемы – это различные проявления одной и той же структуры.

Домены PIKA и PTF

Домены PIKA, или полиморфные интерфазовые кариосомальные ассоциации, впервые были описаны в микроскопических исследованиях в 1991 году. Их функция остаётся невыясненной, хотя ранее считалось, что они не связаны с активной репликацией ДНК, транскрипцией или процессом обработки РНК. Установлено, что они часто ассоциируются с отдельными доменами, характеризующимися плотной локализацией транскрипционного фактора PTF, который стимулирует транскрипцию малых ядерных РНК (snRNA).

PML-ядерные тела

Промиелоцитарный лейкозный белок (ядерные тельца PML) — это сферические структуры, рассеянные по всей нуклеоплазме и достигающие в диаметре 0,1–1,0 мкм. Они также известны под другими названиями, включая ядерный домен 10 (ND10), тельца Кремера и онкогенные домены PML. Ядерные тельца PML получили своё название в честь одного из их основных компонентов — промиелоцитарного лейкозного белка (PML). Они часто обнаруживаются в ядре в ассоциации с тельцами Кажаля и тельцами расщепления.

Сплицевые пятна

Пятна – это субядерные структуры, обогащенные факторами сплайсинга пре-мРНК, расположенные в межхроматиновых областях нуклеоплазмы клеток млекопитающих. На уровне флуоресцентной микроскопии они выглядят как неправильные, точечные структуры, различающиеся по размеру и форме, а при исследовании с помощью электронной микроскопии видны как скопления межхроматинных гранул. Пятна – это динамические структуры, и их белковые и РНК-белковые компоненты могут непрерывно перемещаться между пятнами и другими ядерными локализациями, включая активные сайты транскрипции. Пятна могут взаимодействовать с p53, усиливая активность генов и напрямую повышая активность определенных генов. Более того, гены-мишени p53, ассоциированные и не ассоциированные с пятнами, функционально различны. Исследования состава, структуры и поведения пятен предоставили модель для понимания функциональной компартментализации ядра и организации аппарата экспрессии генов, включая сплайсирующие snRNP и другие сплайсирующие белки, необходимые для процессинга пре-мРНК. Сплицирующие пятна также известны как ядерные пятна (ядерные точки), компартменты сплайсирующих факторов (SF-компартменты), кластеры межхроматиновых гранул (IGC) и B-снурпосомы. B-снурпосомы обнаруживаются в ядрах яйцеклеток амфибий и в эмбрионах Drosophila melanogaster. B-снурпосомы появляются как одиночные структуры или прикрепленными к тельцам Кахаля на электронных микрофотографиях ядер амфибий. IGC функционируют как места хранения сплайсирующих факторов.

Параспеклы

Обнаруженные Фоксом и др. в 2002 году, параспеклы – это компартменты неправильной формы в межхроматиновом пространстве ядра. Впервые описанные в клетках HeLa, где их обычно насчитывается 10–30 на ядро, параспеклы теперь также известны как структуры, присутствующие во всех первичных клетках человека, трансформированных клеточных линиях и срезах тканей. Их название происходит от их распределения в ядре: "para" – сокращение от "parallel" (параллельный), а "speckles" (пятна) относится к сплайсинг-пятнам, к которым они всегда находятся в непосредственной близости и участвуют в регуляции экспрессии генов. Кроме того, параспеклы – это динамические структуры, которые изменяются в ответ на изменения клеточной метаболической активности и зависят от транскрипции. Это название происходит от греческих слов klastos, означающего "разбитый", и soma, означающего "тело". Недостаток кластосом в клетках указывает на то, что они не требуются для функционирования протеасомы. Также было показано, что осмотический стресс вызывает образование кластосом. Эти ядерные тела содержат каталитические и регуляторные субъединицы протеасомы и ее субстраты, что указывает на то, что кластосомы являются местами деградации белков. Там они формируют транскрипционный репрессорный комплекс с ядерными белками, снижая экспрессию генов, участвующих в гликолизе. Для контроля того, какие гены транскрибируются, клетка отделяет некоторые белки – факторы транскрипции, ответственные за регуляцию экспрессии генов, – от физического доступа к ДНК до тех пор, пока они не будут активированы другими сигнальными путями. Это предотвращает даже низкие уровни нежелательной экспрессии генов. Например, в случае генов, контролируемых NF κB, которые участвуют в большинстве воспалительных реакций, транскрипция индуцируется в ответ на сигнальный путь, инициированный сигнальной молекулой TNF α, которая связывается с рецептором клеточной мембраны, приводя к рекрутированию сигнальных белков и, в конечном итоге, к активации фактора транскрипции NF κB. Сигнал ядерной локализации на белке NF κB позволяет ему транспортироваться через ядерные поры и в ядро, где он стимулирует транскрипцию целевых генов. Эукариотическая мРНК содержит интроны, которые необходимо удалить перед трансляцией для производства функциональных белков. Сплайсинг происходит внутри ядра, прежде чем к мРНК смогут получить доступ рибосомы для трансляции. Без ядра рибосомы будут транслировать вновь транскрибированную (необработанную) мРНК, что приведет к образованию деформированных и нефункциональных белков.

Экспрессия генов

Экспрессия генов начинается с транскрипции, в ходе которой ДНК используется в качестве матрицы для синтеза РНК. В случае генов, кодирующих белки, РНК, образованная в результате этого процесса, является матричной РНК (мРНК), которая затем должна быть транслирована рибосомами для образования белка. Поскольку рибосомы расположены за пределами ядра, синтезированная мРНК должна быть экспортирована из ядра. Ядро, являясь местом транскрипции, также содержит разнообразные белки, которые либо непосредственно участвуют в транскрипции, либо регулируют этот процесс. К этим белкам относятся геликазы, раскручивающие двойную спираль ДНК для облегчения доступа к ней, РНК-полимеразы, связывающиеся с промотором ДНК для синтеза растущей молекулы РНК, топоизомеразы, изменяющие степень суперспирализации ДНК, способствуя её скручиванию и раскручиванию, а также большое количество факторов транскрипции, регулирующих экспрессию.

Обработка пре-мРНК

Недавно синтезированные молекулы мРНК известны как первичные транскрипты или пре-мРНК. Они должны пройти посттранскрипционную модификацию в ядре перед экспортом в цитоплазму; мРНК, которая появляется в цитоплазме без этих модификаций, подвергается деградации, а не используется для трансляции белка. Три основные модификации – 5'-каппинг, 3'-полиаденилирование и сплайсинг РНК. Находясь в ядре, пре-мРНК ассоциирована с различными белками в комплексах, известных как гетерогенные рибонуклеопротеиновые частицы (hnRNP). Добавление 5'-капсы происходит ко-транскрипционно и является первым этапом посттранскрипционной модификации. 3'-полиаденовый хвост добавляется только после завершения транскрипции.

Ядерная транспортировка

Вход и выход крупных молекул из ядра тщательно контролируется комплексами ядерных пор. Хотя небольшие молекулы могут проникать в ядро без регуляции, макромолекулы, такие как РНК и белки, требуют связывания с кариоферинами, называемыми импортинами, для проникновения в ядро и экспортинами – для выхода из него. "Грузовые" белки, которые должны быть транслоцированы из цитоплазмы в ядро, содержат короткие аминокислотные последовательности, известные как сигналы ядерной локализации, к которым связываются импортины, в то время как те, которые транспортируются из ядра в цитоплазму, несут ядерные экспортные сигналы, связываемые экспортинами. Способность импортинов и экспортинов транспортировать свой груз регулируется GTPазами – ферментами, гидролизующими молекулу гуанозинтрифосфата (GTP) для высвобождения энергии. Ключевая GTPаза в ядерном транспорте – Ran, которая связывается либо с GTP, либо с GDP (гуанозиндифосфатом) в зависимости от того, находится ли она в ядре или в цитоплазме. Импортинам для диссоциации от своего груза необходим RanGTP, в то время как экспортинам требуется RanGTP для связывания с грузом. Существуют специализированные экспортные белки для транслокации зрелой мРНК и тРНК в цитоплазму после завершения посттранскрипционной модификации. Этот механизм контроля качества важен из-за центральной роли этих молекул в трансляции белка. Неправильная экспрессия белка из-за неполного вырезания экзонов или неправильной инкорпорации аминокислот может иметь негативные последствия для клетки; таким образом, неполноценно модифицированная РНК, попадающая в цитоплазму, подвергается деградации, а не используется в трансляции. Поэтому на ранних стадиях клеточного цикла, начиная с профазы и до прометафазы, ядерная мембрана разбирается. К концу клеточного цикла ядерная мембрана реформируется, и примерно в то же время ядерная ламина восстанавливается путем дефосфорилирования ламинов. Апоптоз – это контролируемый процесс, при котором разрушаются структурные компоненты клетки, приводящий к ее гибели. Изменения, связанные с апоптозом, напрямую влияют на ядро и его содержимое, например, на конденсацию хроматина и дезинтеграцию ядерной оболочки и ламины. Разрушение ламиновых сетей контролируется специализированными апоптотическими протеазами, называемыми каспазами, которые расщепляют ламиновые белки и, таким образом, нарушают структурную целостность ядра. Расщепление ламина иногда используется в качестве лабораторного индикатора активности каспаз в анализах ранней апоптотической активности. Ядерная оболочка действует как барьер, препятствующий проникновению в ядро как ДНК-, так и РНК-вирусов. Некоторым вирусам для репликации и/или сборки требуется доступ к белкам внутри ядра. ДНК-вирусы, такие как герпесвирус, реплицируются и собираются в ядре клетки и выходят путем почкования через внутреннюю ядерную мембрану. Этот процесс сопровождается разборкой ламины на ядерной поверхности внутренней мембраны.

Ядра на клетку

Большинство типов эукариотических клеток обычно имеют одно ядро, но у некоторых его нет, а у других – несколько. Это может быть следствием нормального развития, например, при созревании эритроцитов млекопитающих, или результатом нарушенного деления клеток.

Ядра клеток

Безъядерная клетка не содержит ядра и, следовательно, не способна делиться с образованием дочерних клеток. Наиболее известной безъядерной клеткой является эритроцит, или красная кровяная клетка млекопитающих, в которой также отсутствуют другие органеллы, такие как митохондрии, и основная функция которой – транспорт кислорода от легких к тканям организма. Эритроциты созревают в процессе эритропоэза в костном мозге, где они теряют ядра, органеллы и рибосомы. Ядро выталкивается в процессе дифференцировки из эритробласта в ретикулоцит, являющийся непосредственным предшественником зрелого эритроцита. Воздействие мутагенов может привести к высвобождению в кровоток некоторых незрелых эритроцитов с микроядрами. Безъядерные клетки могут также образовываться при нарушенном делении клеток, когда одна дочерняя клетка не получает ядро, а другая – содержит два ядра. У цветковых растений это состояние наблюдается в элементах ситовой трубки.

Многоядерные клетки

Многоядерные клетки содержат несколько ядер. Большинство видов акантарных простейших и некоторые грибы в микоризах имеют естественным образом многоядерные клетки. Другие примеры включают кишечных паразитов рода Giardia, у которых по два ядра в клетке. У инфузорий в одной клетке есть два типа ядер: соматическое макроядро и микроядро зародышевой линии. У человека клетки скелетной мускулатуры, также называемые миоцитами и синцитием, становятся многоядерными в процессе развития; такое расположение ядер вблизи периферии клеток обеспечивает максимальное внутриклеточное пространство для миофибрилл и также связано с образованием опухолей. У ряда динофлагеллят известно наличие двух ядер. В отличие от других многоядерных клеток, эти ядра содержат две различные линии ДНК: одну от динофлагелляты, а другую – от симбиотической диатомовой водоросли.

Эволюция

Как основная определяющая характеристика эукариотической клетки, эволюционное происхождение ядра было предметом многочисленных спекуляций. Для объяснения существования ядра было предложено четыре основные гипотезы, однако ни одна из них пока не получила широкой поддержки. Первая модель, известная как «синтрофическая модель», предполагает, что симбиотические отношения между археями и бактериями привели к образованию ядра, содержащего эукариотическую клетку. (Организмы доменов Археи и Бактерии не имеют клеточного ядра.) Предполагается, что симбиоз возник, когда древние археи, сходные с современными метаногенными археями, проникли и жили внутри бактерий, подобных современным миксобактериям, в конечном итоге сформировав раннее ядро. Эта теория аналогична общепринятой теории происхождения митохондрий и хлоропластов, которые, как считается, развились из сходных эндосимбиотических отношений между прото-эукариотами и аэробными бактериями. Одна из возможностей заключается в том, что ядерная мембрана возникла как новая мембранная система после появления митохондрий в архебактериальном хозяине. Ядерная мембрана могла служить для защиты генома от повреждения реактивными формами кислорода, производимыми протомитохондриями. Архейное происхождение ядра подтверждается наблюдениями, что у архей и эукариот имеются схожие гены для определенных белков, включая гистоны. Наблюдения за тем, что миксобактерии подвижны, способны образовывать многоклеточные комплексы и обладают киназами и G-белками, сходными с эукариотическими, подтверждают бактериальное происхождение эукариотической клетки. Вторая модель предполагает, что прото-эукариотические клетки эволюционировали из бактерий без эндосимбиотической стадии. Эта модель основана на существовании современных бактерий Planctomycetota, которые обладают ядерной структурой с примитивными порами и другими компартментализованными мембранными структурами. Аналогичное предложение гласит, что эукариотическая клетка, хроноцит, развилась первой и фагоцитировала археи и бактерии, чтобы сформировать ядро и эукариотическую клетку. Наиболее спорная модель, известная как вирусный эукариогенез, постулирует, что мембранно-связанное ядро, наряду с другими эукариотическими признаками, возникло в результате заражения прокариота вирусом. Это предположение основано на сходстве между эукариотами и вирусами, таких как линейные цепи ДНК, «кэпирование» мРНК и прочное связывание с белками (аналогия гистонов с вирусными оболочками). Одна из версий предложения предполагает, что ядро эволюционировало совместно с фагоцитозом, чтобы сформировать раннего клеточного «хищника». Другой вариант предполагает, что эукариоты произошли от ранних архей, инфицированных поксвирусами, на основании наблюдаемого сходства между ДНК-полимеразами в современных поксвирусах и эукариотах. Было высказано предположение, что нерешенный вопрос эволюции пола может быть связан с гипотезой вирусного эукариогенеза. Более поздняя гипотеза, экзомембранная гипотеза, предполагает, что ядро вместо этого возникло из одной клетки-предка, которая развила вторую внешнюю клеточную мембрану; внутренняя мембрана, окружающая исходную клетку, затем стала ядерной мембраной и развивала все более сложные пористые структуры для прохождения внутренне синтезированных клеточных компонентов, таких как рибосомные субъединицы.

История

Ядро было первой органеллой, которую обнаружили. Вероятнее всего, самый старый сохранившийся рисунок датируется работами раннего микроскописта Антони ван Левенгука (1632–1723). Он наблюдал "люмен", то есть ядро, в эритроцитах лосося. В отличие от эритроцитов млекопитающих, эритроциты других позвоночных сохраняют ядра. Ядро также было описано Францем Бауэром в 1804 году, а более подробно – в 1831 году шотландским ботаником Робертом Брауном в докладе, представленном в Лондонском Линнеевском обществе. Браун изучал орхидеи под микроскопом, когда заметил непрозрачную область, которую он назвал "ареолой" или "ядром", в клетках наружного слоя цветка. Он не предполагал никакой функции для этой структуры. В 1838 году Маттиас Шлейден предположил, что ядро играет роль в образовании клеток, и ввел термин "цитобласт" ("строитель клеток"). Он полагал, что наблюдал сборку новых клеток вокруг "цитобластов". Франц Мейен был решительным противником этой точки зрения, поскольку он уже описал деление клеток и считал, что многие клетки не содержат ядер. Идея о том, что клетки могут возникать de novo, посредством "цитобластов" или иным образом, противоречила работам Роберта Ремака (1852) и Рудольфа Вирхова (1855), которые убедительно отстаивали новую парадигму о том, что все клетки происходят только от клеток ("Omnis cellula e cellula"). Функция ядра оставалась неясной. В период с 1877 по 1878 год Оскар Гертвиг опубликовал ряд исследований по оплодотворению яиц морских ежей, показав, что ядро сперматозоида проникает в яйцеклетку и сливается с ее ядром. Это было первым предположением о том, что индивид развивается из (одной) клетки, содержащей ядро. Это противоречило теории Эрнста Геккеля о том, что в процессе эмбрионального развития полностью повторяется филогенез вида, включая образование первой клетки с ядром из "монерулы" – бесструктурной массы первичной протоплазмы ("Уршлейма"). Поэтому необходимость участия ядра сперматозоида в оплодотворении обсуждалась в течение некоторого времени. Однако Гертвиг подтвердил свои наблюдения на других группах животных, включая земноводных и моллюсков. Эдуард Страсбургер получил аналогичные результаты для растений в 1884 году. Это подготовило почву для признания важной роли ядра в наследственности. В 1873 году Август Вейсманн постулировал эквивалентность материнских и отцовских половых клеток в отношении наследственности. Функция ядра как носителя генетической информации стала ясной лишь позже, после открытия митоза и повторного открытия менделевских законов в начале XX века, что привело к разработке хромосомной теории наследственности.