Я́дрышко — немембранный внутриядерный субкомпартмент — С. 410., присущий всем без исключения эукариотическим организмам. Представляет собой комплекс белков и рибонуклеопротеидов, формирующийся вокруг участков ДНК, которые содержат гены рРНК — ядрышковых организаторов. Основная функция ядрышка — образование рибосомных субъединиц.
В ядрышке выделяют три основных структурных компонента, соответствующих разным этапам биогенеза рибосом: фибриллярный центр (ФЦ), плотный фибриллярный компонент (ПФК) и гранулярный компонент (ГК). В начале митоза происходит разборка ядрышек, а по окончании митоза они собираются снова. В настоящее время имеются данные об участии ядрышек в процессах, не связанных с биогенезом рибосом — например, в стрессовом ответе, сборке ; кроме того, ядрышко взаимодействует со многими вирусами. Ядрышко участвует в развитии многих заболеваний человека, в том числе раковых и, возможно, нейродегенеративных и аутоиммунных.
История изучения Впервые ядрышки были обнаружены итальянским естествоиспытателем Феличе Фонтаной в 1774 году. Первые достоверные описания ядрышка были выполнены независимо Рудольфом Вагнером (1835 г.) и Габриэлем Густавом Валентином (1836 и 1839 гг.). В 1898 году выпустил монументальную монографию, посвящённую ядрышку. Его труд содержал 346 рукописных рисунков ядер и ядрышек из различных биологических объектов. В 1930-х годах несколько исследователей (С. Г. Навашин, , Барбара МакКлинток) показали, что ядрышки возникают на особых участках хромосом, названных ядрышковыми организаторами. В 1940-х годах в ядрышках была обнаружена РНК, что объяснило сродство ядрышек к щелочным красителями из-за кислой природы РНК.
Долгое время функции ядрышка не были ясны; вплоть до 1950-х годов считалось, что вещество ядрышка представляет собой своеобразный запас, который используется и пропадает при делении клетки. В 1960-х годах были опубликованы результаты ряда основополагающих экспериментов, показавших, что ядрышки являются местами биогенеза рибосом. В 1969 году Оскар Миллер и Барбара Битти с помощью электронного микроскопа впервые визуализировали работающие рибосомные гены. В последующие годы основными направлениями в изучении ядрышек были исследование их структуры, процесса сборки рибосом, определение различных структурных компонентов рибосом. На рубеже веков стали появляться данные о новых функциях ядрышка, никак не связанных с биогенезом рибосом.
Структура
Ядрышко — наиболее заметная видимая структура ядра, имеющаяся у всех эукариотических организмов. Долгое время считалось, что единственным организмом, лишённым ядрышек, является дипломонада Giardia lamblia, однако недавно и у него было описано очень маленькое ядрышко. Ядрышко — наиболее плотная структура эукариотической клетки. Плотность ядрышка обусловлена высоким содержанием белка (до 70—80 % сухой массы). Кроме белка, ядрышко содержит 5—14 % РНК и 2—12 % ДНК.
Методом электронной микроскопии в этой немембранной органелле удалось выделить три структурных компонента, соответствующих различным стадиям биогенеза рибосом: фибриллярный центр (ФЦ), плотный фибриллярный компонент (ПФК) и гранулярный компонент (ГК). Фибриллярные центры сформированы фибриллами диаметром около 5 нм; они частично окружены плотно упакованными фибриллами, образующими плотный фибриллярный компонент. Гранулярный компонент состоит из гранул диаметром 15—20 нм. В ядрах фибробластов человека на долю плотного фибриллярного компонента приходится 15 % объёма ядрышка, а на долю гранулярного компонента — 75 %. В ядрышках высших растений доля ПФК значительно выше. В ядрышках дрожжей Saccharomyces cerevisiae обнаруживаются только ПФК и ГК. Было высказано предположение, что эволюция ФЦ, ПФК и ГК начиналась с двухчастной системы, в которой компоненты ФЦ и ПФК были перемешаны.
У дрожжей S. cerevisiae ядрышко интенсивно контактирует с ядерной оболочкой. У высших эукариот ядрышки располагаются на ядерной оболочке или рядом с ней. В клетках HeLa впячивания ядерной оболочки образуют несколько ядрышковых каналов, которые непосредственно контактируют с ядрышком, расположенным в центре ядра. Функции этих каналов неизвестны. Ядрышки также взаимодействуют с ядерной ламиной, и ламины участвуют в организации хроматина. Было показано, что поддерживает функциональную пластичность ядрышек и участвует в структурной реорганизации ядра и ядрышек после митоза.
Хроматин обнаруживается в нескольких зонах ядрышка. хроматин находится на периферии ядрышка, а также в гранулярном компоненте, а неконденсированный хроматин — в плотном фибриллярном компоненте и фибриллярных центрах. Предполагается, что филаменты ДНК, обнаруживаемые в фибриллярных центрах, соответствуют рДНК (ядрышковым организаторам). Ядрышко вставляет специфические белки (такие, как антиген склеродермы Nop90 в области ядрышковых организаторов) в хроматин в области границы ядрышка, чтобы отделить себя от остального ядра, поэтому ядрышко нередко оказывается окружённым гетерохроматином. У растений обнаружены домены хроматина, ассоциированные с ядрышком ().
На периферии ядрышка находится околоядрышковый компартмент — динамичная структура, содержащая большое количество , а также РНК-полимеразу III.
Всякое ядрышко образуется вокруг специальных последовательностей ДНК — ядрышковых организаторов. Ядрышковые организаторы представляют собой гены рДНК, собранные в ряды из тандемных повторов и разделённые спейсерами. Ядрышковые организаторы и ФЦ состоят из плотно ассоциированных фибрилл толщиной от 6 до 10 нм, оба содержат РНК-полимеразу I и характеризуются уникальной чертой — способностью окрашиваться солями серебра (аргирофильностью). В электронный микроскоп гены рРНК видны как образующие структуры типа «ёлочек», в которых боковые изогнутые нити представляют собой транскрипты пре-рРНК, а сидящие в ответвлении гранулы являются молекулами РНК-полимеразы I.
У человека приблизительно 400 копий повторяющихся единиц генов рРНК длиной 43 кб (килобаз) располагаются во всех акроцентрических хромосомах (хромосомы 13, 14, 15, 21 и 22). Впрочем, не вся ДНК ядрышка представлена ядрышковыми организаторами: например, у растений в ней также есть псевдогены, некодирующие повторяющиеся последовательности, гены тРНК и гены, транскрибируемые РНК-полимеразой II.
Фибриллярные центры
Фибриллярные центры характеризуются наличием рДНК (ядрышковые организаторы), субъединиц , ДНК-топоизомеразы I и транскрипционного фактора UBTF. По сути своей фибриллярные центры — это плотно упакованные тандемные повторы неактивной рДНК и межгенных спейсеров. Во многих типах клеток транскрипционно активны только некоторые гены рДНК, несмотря на то, что остальные тоже находятся в ядрышке. Транскрипция рДНК происходит не внутри, а на периферии ФЦ. В ядрышках клеток разных линий обнаруживается разнообразное количество ФЦ разных размеров, причём количество фибриллярных центров находится в обратной зависимости от их размера. В ядрышках дифференцированных лимфоцитов человека содержится единственный фибриллярный центр. Если в лимфоците активировать клеточный цикл, то в нём запускается образование рибосом, и единственный фибриллярный центр рассасывается, поскольку начинается транскрипция содержащихся в нём генов рДНК и формируется плотный фибриллярный компонент. Таким образом, в фибриллярных центрах содержатся неактивные компоненты аппарата транскрипции рДНК.
Плотный фибриллярный компонент
Плотный фибриллярный компонент состоит из фибрилл более низкой электронной плотности, чем фибриллярные центры. В плотном фибриллярном компоненте обнаруживаются только что синтезированные транскрипты рРНК (пре-рРНК 45S); кроме того, в нём происходят ранние этапы процессинга рРНК. Здесь локализованы белки, участвующие в ранних этапах процессинга рРНК, такие как фибрилларин и Nopp140, а также рибонуклеопротеиновые комплексы, содержащие малые ядрышковые РНК (snoРНК от ). Фибрилларин, функционирующий как , служит хорошим маркером ПФК.
Гранулярный компонент Гранулярный компонент, как правило, располагается на периферии ядрышка, хотя в некоторых случаях фибриллярный и гранулярный компоненты равномерно распределены в ядрышке. В последнем случае фибриллярно-гранулярные компоненты зачастую образуют нитчатые структуры — нуклеолонемы, или ядрышковые нити толщиной около 100—200 нм и различимые даже в световой микроскоп (при особом контрастировании). В нуклеолонемах кроме гранул толщиной 15 нм имеется множество тонких фибрилл, которые могут образовывать сгущения. Гранулы, образующие гранулярный компонент, скорее всего, соответствуют незрелым рибосомным субъединицам 60S. В компактных ядрышках гранулы плотно упакованы, а в разветвлённых ядрышках образуют сеть. В ГК происходит процессинг 5,8S и 28S рРНК, а также сборка больших рибосомных субъединиц (60S). Маркерами ГК могут служить такие белки, как нуклеофозмин, , Nop52, , и субъединица PM-Scl 100 экзосомного комплекса
Количество и размеры ядрышек Количество ядрышек в ядре клетки определяется её стадией развития или дифференцировки, а их размер зависит от уровня синтеза рибосом. При этом максимальное количество ядрышек в клетке определяется количеством ядрышковых организаторов, кроме того, ядрышек всегда больше в крупных полиплоидных ядрах. Так, у шпорцевой лягушки имеется две хромосомы, несущие ядрышковые организаторы, и, следовательно, обычно 1—2 ядрышка.
В делящихся клетках, активно синтезирующих рибосомы, размер ядрышек варьирует от 0,5 до 7 мкм в диаметре. У большинства раковых клеток ядрышко крупнее, чем у нормальных клеток той ткани и органа, откуда они произошли. В случае клеток агрессивной формы рака молочной железы наблюдается увеличение размеров ядрышка на 30 % по мере развития опухоли. В дифференцировавшихся клетках образование рибосом снижается или прекращается вовсе (например, в эритроцитах и лимфоцитах), и размер их ядрышек уменьшается до 0,1—0,3 мкм.
Ядрышки низших эукариот Ядрышки низших эукариот по структуре отличаются от хорошо изученных ядрышек млекопитающих. Например, в ядрышках слизевика нет различимых субкомпартментов, и ядрышко связано с внутренней ядерной мембраной. Сборка рибосом может происходить по всему ядрышку. рДНК располагается не в центре ядрышка, как у большинства других организмов, а по периферии. Кроме того, рДНК у этого организма находятся не на хромосомах, а составляют линейный экстрахромосомный фрагмент ДНК, 20 % которого кодируют рРНК. Экстрахромосомное расположение генов рРНК характерно также для таких низких эукариот, как инфузория Tetrahymena pyriformis и дрожжи. У одноклеточного паразита Leishmania major гены 5S рРНК не выстраиваются в тандемные ряды, как у остальных эукариот; вместо этого всего 11 копий этого гена разбросаны между различными другими генами, транскрибируемыми РНК-полимеразой III. У плесневого грибка Aspergillus ядрышко контактирует с ядерной оболочкой, как у дрожжей, но обладает выпуклой формой, как у Dictyostelium. У рачка Daphnia ядрышко круглое и находится рядом с ядерной оболочкой, но не контактирует с ней. У гриба строение ядрышка похоже на таковое у Daphnia.
Структурные типы Степень выраженности ГК и ПФК, а также прочие структурные особенности позволяют выделить несколько структурных типов ядрышек: ретикулярный (нуклеолонемный), компактный, кольцевидный, остаточный (покоящийся) и сегрегированный.
Ядрышки ретикулярного типа присущи большинству клеток, как животных, так и растительных. Такие ядрышки имеют нуклеолонемное строение, хорошо развиты ПФК и ГК, но часто ФЦ выражены плохо из-за активной транскрипции.
Компактный тип ядрышка отличается от ретикулярного меньшей выраженностью нуклеолонемного строения и большей частотой встречаемости ФЦ. Компактные ядрышки встречаются в активно делящихся клетках, например, клетках растительных меристем и клетках культуры ткани. По-видимому, компактный и ретикулярный типы могут переходить друг в друга.