Ядрышко: структура, функции и значение для жизни.

Введение

Крупнейшая структура в ядре эукариотических клеток, концепция решения в теории кооперативных игр.

Нуклеолус (/nj//uː/'/k//iː//ə//l//ə//s//, /,/nj//uː//k//l//i/'/oʊ//l//ə//s/;: nucleoli ///l//aɪ/) – самая крупная структура в ядре эукариотических клеток. Наиболее известен как место рибосомного биогенеза, то есть синтеза рибосом. Нуклеолус также участвует в формировании частиц распознавания сигналов и играет роль в клеточном ответе на стресс. Нуклеолы состоят из белков, ДНК и РНК и формируются вокруг специфических хромосомных регионов, называемых нуклеолярными организаторскими областями. Нарушение функции нуклеолов может быть причиной ряда заболеваний человека, называемых "нуклеолопатиями", и нуклеолус изучается как потенциальная мишень для химиотерапии рака.

История

Ядро было идентифицировано с помощью световой микроскопии в 1830-х годах. Теодор Шван в своем трактате 1939 года описывает, что Шлейден идентифицировал небольшие тельца в ядрах и назвал эту структуру "Kernkörperchen". В переводе этого труда на английский язык в 1947 году структура получила название "нуклеолус". Помимо этих особенностей цитобласта, уже известных Брауну и Мейену, Шлейден обнаружил внутри него небольшое тельце (см. таблицу I, рис. 1, 4), которое в полностью развитом цитобласте выглядит как толстое кольцо или толстостенный полый шарик. Однако, по-видимому, оно имеет различный вид в разных цитобластах. Иногда можно различить только внешний четко очерченный круг этого кольца с темной точкой в центре, а иногда, и чаще всего, лишь четко очерченное пятно. В других случаях это пятно очень маленькое и иногда его вообще не удается распознать. Поскольку в дальнейшем трактате часто придется упоминать об этом теле, я для краткости назову его "нуклеолус" (Kernkörperchen, "ядерное тельце").

До 1964 года о функции нуклеолуса было известно мало. Исследование нуклеолусов Джоном Гардоном и Дональдом Брауном на африканской когтистой лягушке Xenopus laevis вызвало повышенный интерес к функции и детальному строению нуклеолуса. Они обнаружили, что у 25% лягушачьих яиц отсутствует нуклеолус, и такие яйца нежизнеспособны. У половины яиц был один нуклеолус, а у 25% – два. Они заключили, что нуклеолус выполняет функцию, необходимую для жизни. В 1966 году Макс Л. Бирнстиль и его коллеги с помощью экспериментов по гибридизации нуклеиновых кислот показали, что ДНК в нуклеолусах кодирует рибосомальную РНК.

Структура

Признаны три основных компонента ядрышка: фибриллярный центр (ФЦ), плотный фибриллярный компонент (ДФЦ) и гранулярный компонент (ГК). В ДФЦ содержится белок фибрилларин. Другая структура, идентифицированная во многих ядрышках (особенно у растений), – это светлая область в центре структуры, называемая ядрышковой вакуолью. Показано, что ядрышки различных видов растений имеют очень высокую концентрацию железа, в отличие от ядрышек клеток человека и животных. Ультраструктуру ядрышка можно увидеть с помощью электронного микроскопа, а организацию и динамику – изучить с помощью мечения флуоресцентными белками и флуоресцентного восстановления после фотообеливания (FRAP). Антитела к белку PAF49 также могут использоваться в качестве маркера ядрышка в экспериментах иммунофлуоресценции. Хотя обычно можно увидеть только один или два ядрышка, диплоидная клетка человека содержит десять областей-организующих нуклеолы (НОР) и потенциально может иметь больше ядрышек. Чаще всего в формировании каждого ядрышка участвуют несколько НОР.

Функция и сборка рибосом

В рибосомогенезе необходимы две из трех эукариотических РНК-полимераз (Pol I и Pol III), которые функционируют согласованно. На начальном этапе гены рРНК транскрибируются как единое целое внутри ядрышка РНК-полимеразой I. Для осуществления этой транскрипции требуются несколько факторов, связанных с Pol I, и ДНК-специфичные трансактивирующие факторы. У дрожжей наиболее важными являются: UAF (upstream activating factor – активирующий фактор восходящего участка), TBP (TATA box binding protein – белок, связывающий TATA-бокс) и CBF (core binding factor – основной фактор связывания), которые связываются с промоторными элементами и формируют преинициационный комплекс (PIC), который, в свою очередь, распознается РНК-полимеразой. У человека аналогичный PIC собирается с участием SL1, фактора селективности промотора (состоящего из TBP и факторов, связанных с TBP, или TAF), факторов инициации транскрипции и UBF (upstream binding factor – фактор связывания восходящего участка). РНК-полимераза I транскрибирует большинство транскриптов рРНК (28S, 18S и 5.8S), но субъединица 5S рРНК (компонент 60S-рибосомальной субъединицы) транскрибируется РНК-полимеразой III. Транскрипция рРНК дает длинную молекулу-предшественник (45S pre-рРНК), которая все еще содержит ITS и ETS. Для получения молекул 18S рРНК, 5.8S и 28S рРНК необходима дальнейшая обработка. У эукариот РНК-модифицирующие ферменты доставляются к своим соответствующим участкам распознавания посредством взаимодействия с направляющими РНК (guide RNAs), которые связывают эти специфические последовательности. Эти направляющие РНК относятся к классу малых нуклеолярных РНК (snoRNA), которые комплексуются с белками и существуют в виде малых нуклеолярных рибонуклеопротеинов (snoRNP). После обработки субъединиц рРНК они готовы к сборке в более крупные рибосомальные субъединицы. Однако также необходима дополнительная молекула рРНК – 5S рРНК. У дрожжей последовательность 5S рДНК локализована в интергенном спейсере и транскрибируется в ядрышке РНК-полимеразой. У высших эукариот и растений ситуация более сложная, поскольку последовательность 5S ДНК находится за пределами NOR и транскрибируется РНК Pol III в нуклеоплазме, после чего она попадает в ядрышко для участия в сборке рибосомы. Эта сборка включает не только рРНК, но и рибосомные белки. Гены, кодирующие эти r-белки, транскрибируются Pol II в нуклеоплазме по «классическому» пути синтеза белка (транскрипция, процессинг пре-мРНК, ядерный экспорт зрелой мРНК и трансляция на цитоплазматических рибосомах). Зрелые r-белки затем импортируются в ядро и, наконец, в ядрышко. Ассоциация и созревание рРНК и r-белков приводят к образованию 40S (малой) и 60S (большой) субъединиц полной рибосомы. Они экспортируются через ядерные поры в цитоплазму, где остаются свободными или связываются с эндоплазматической сетью, образуя шероховатую эндоплазматическую сеть (RER). В клетках эндометрия человека иногда формируется сеть нуклеолярных каналов. Происхождение и функция этой сети пока не установлены.

In ribosome biogenesis, two of the three eukaryotic RNA polymerases (Pol I and Pol III) are required, and these function in a coordinated manner. In an initial stage, the rRNA genes are transcribed as a single unit within the nucleolus by RNA polymerase I. In order for this transcription to occur, several pol I associated factors and DNA specific trans acting factors are required. In yeast, the most important are: UAF (upstream activating factor), TBP (TATA box binding protein), and core binding factor (CBF), which bind promoter elements and form the preinitiation complex (PIC), which is in turn recognized by RNA polymerase. In humans, a similar PIC is assembled with SL1, the promoter selectivity factor (composed of TBP and TBP associated factors, or TAFs), transcription initiation factors, and UBF (upstream binding factor). RNA polymerase I transcribes most rRNA transcripts (28S, 18S, and 5.8S), but the 5S rRNA subunit (component of the 60S ribosomal subunit) is transcribed by RNA polymerase III. Transcription of rRNA yields a long precursor molecule (45S pre rRNA), which still contains the ITS and ETS. Further processing is needed to generate the 18S RNA, 5.8S, and 28S RNA molecules. In eukaryotes, the RNA modifying enzymes are brought to their respective recognition sites by interaction with guide RNAs, which bind these specific sequences. These guide RNAs belong to the class of small nucleolar RNAs (snoRNAs), which are complexed with proteins and exist as small nucleolar ribonucleoproteins (snoRNPs). Once the rRNA subunits are processed, they are ready to be assembled into larger ribosomal subunits. However, an additional rRNA molecule, the 5S rRNA, is also necessary. In yeast, the 5S rDNA sequence is localized in the intergenic spacer and is transcribed in the nucleolus by RNA polymerase. In higher eukaryotes and plants, the situation is more complex, for the 5S DNA sequence lies outside the NOR and is transcribed by RNA Pol III in the nucleoplasm, after which it finds its way into the nucleolus to participate in the ribosome assembly. This assembly not only involves the rRNA, but also ribosomal proteins. The genes encoding these r proteins are transcribed by Pol II in the nucleoplasm by a "conventional" pathway of protein synthesis (transcription, pre mRNA processing, nuclear export of mature mRNA, and translation on cytoplasmic ribosomes). The mature r proteins are then imported into the nucleus and, finally, the nucleolus. Association and maturation of rRNA and r proteins result in the formation of the 40S (small) and 60S (large) subunits of the complete ribosome. These are exported through the nuclear pore complexes to the cytoplasm, where they remain free or become associated with the endoplasmic reticulum, forming the rough endoplasmic reticulum (RER). In human endometrial cells, a network of nucleolar channels is sometimes formed. The origin and function of this network have not yet been clearly identified.

Секвестрация белков

В дополнение к своей роли в рибосомальном биогенезе, нуклеолус известен своей способностью захватывать и удерживать белки, процесс, известный как нуклеолярный де́тент (задержание). Белки, подвергнутые нуклеолярному де́тенту, не могут свободно диффундировать и взаимодействовать со своими связывающими партнерами. К целям этого посттрансляционного регуляторного механизма относятся VHL, PML, MDM2, POLD1, RelA, HAND1 и hTERT, среди многих других. В настоящее время установлено, что за это явление отвечают длинные некодирующие РНК, происходящие из интергенных областей нуклеола.