ЦЕНТРАЛЬНАЯ ДОГМА МОЛЕКУЛЯРНОЙ БИОЛОГИИ

МОРФОЛОГИЯ ЯДЕРНЫХ СТРУКТУР

СТРУКТУРА И ХИМИЯ ХРОМАТИНА

ЯДЕРНЫЙ БЕЛКОВЫЙ МАТРИКС

ХРОМОНЕМНЫЙ (ЧЕТВЕРТЫЙ) УРОВЕНЬ УПАКОВКИ ХРОМАТИНА

ЯДРЫШКО - ИСТОЧНИК РИБОСОМ

НЕРИБОСОМНЫЕ ПРОДУКТЫ КЛЕТОЧНОГО ЯДРА

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 «привратниками» (контрольными пунктами), регулирующими потоки ядерного импорта и экспорта. Кроме того, как уже упоминалось, 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 (митохондрий и пластид). 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.

Рис. 106. Участок периферии ядра 1 — внешняя мембрана ядерной оболочки; 2 — перинуклеарное пространство; 3 — внутренняя мембрана ядерной оболочки; 4 — ядерные поры; 5 — ламины; 6 — хроматин; 7 — мембраны цитоплазмы

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 (см. 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. Возможно, именно это 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. Например, при стимуляции образования γ-глобулинов в плазмацитах 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, заякоривает 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, в ооцитах амфибий на стадии диплотены все хромосомы собираются в центре ядра и полностью теряют связь с ядерной оболочкой. В то же время при делении клеток с так называемым 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 А, С и В — относятся к фибриллярным белкам V типа промежуточных филаментов (см. далее), их фибриллярные мономеры могут образовывать димеры и 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 В после синтеза модифицируется добавлением гидрофобной изопентильной группы вблизи С-конца. Эта липофильная группа встраивается в слой мембраны и как бы заякоривает ламину на мембране. Кроме того, целый ряд интегральных белков внутренней ядерной мембраны (LBR, LAR, эмерин и др.) также закрепляет 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 слияния 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.

Рис. 107. Микрофотография поверхности клеточного ядра (метод замораживания—скалывания), полученная с помощью электронного микроскопа 1 — участки комплексов ядерных пор

Ядерный пóровый комплекс (ЯПК, или NPC - nuclear pore complex) представляет собой супрамолекулярную структуру с молекулярной массой более 125·10⁶ Да, состоящую из более 1000 белков, масса которых в 30 раз больше, чем рибосома. Белки ЯПК носят название нуклеопоринов. Насчитывается 50-100 видов этих структур; они 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 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 восемью глобулами (рис. 108 и 109). На выделенных же ЯПК в первую очередь видны кольчатые структуры. От периферических компонентов ЯПК в сторону цитоплазмы простираются фибриллярные выросты. Со стороны ядра 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 (рис. 110), цитоплазматические филаменты отходят от цитоплазматического кольца, состоящего из восьми 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.

Рис. 108. Комплексы ядерных пор (КЯП) на ультратонких срезах а, в — вид в плане; б, г — поперечные срезы. 1 — КЯП; 2 — восемь периферических субъединиц (глобул); 3 — ядерная оболочка; 4 — хроматин; 5 — центральная гранула («транспортер»)

 

Рис. 109. Общая схема строения ядерных пор а — внешний вид ядерных пор в ядре ооцитов; 6 — схема строения ядерной поры. 1 — кольцо; 2 — спицы; 3 — центральная гранула; 4 — хроматин; 5 — рибосомы

 

Рис. 110. Различные модели строения комплекса ядерной поры а — по Lodish и соавт. (2000); б — по Каrр (1999); в — по Alberts и соавт. (1994). Слева — трехмерные модели, справа — пора в разрезе. 1 — ядерная оболочка; 2 — цитоплазматические филамепты; 3 — центральная гранула («транспортер»); 4 — цитоплазматическос кольцо; 5 — цитоплазматическая субъединица; 6 — спица; 7 — ядерное кольцо; 8 — фибриллы корзинки; 9 — терминальное кольцо; 10 — аннулярные субъединицы

Весь ЯПК закрепляется интегральными белками — гликопротеидами gp 210 и РОМ 121 — в стенке мембранной перфорации. По сложности организации и, главное, по функциональной значимости комплекс ядерной поры можно было бы отнести к органеллам клетки, так как 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 (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 пяти на 1 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

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

Поровые комплексы в ядерной оболочке дрожжевой клетки

Роль ядерной оболочки в ядерно-цитоплазматическом обмене

После открытия ядерной оболочки и описания ее строения пришли к заключению, что ядерная оболочка может служить регулятором в ядерно-цитоплазматическом обмене, главная роль в этих процессах отводилась ядерным порам. Обмен продуктами между ядром и цитоплазмой в самом деле очень велик: все ядерные белки поступают в ядро из цитоплазмы и все формы РНК выводятся из ядер. И в этом процессе комплекс поры выступает как супрамолекулярный комплекс, выполняющий роль не только транслокатора — механизма переноса, но и роль сортировщика, узнающего и отбирающего специальным образом переносимые молекулы.

В процессе ядерно-цитоплазматического транспорта ядерные поры функционируют как некоторое молекулярное сито, пропуская частицы определенного размера пассивно, по градиенту концентрации. Так, ионы, сахара, нуклеотиды, АТФ и гормоны свободно поступают в ядра. В то же время ядерные поры осуществляют избирательный транспорт.

Через ядерную оболочку беспрепятственно в обе стороны происходит пассивный транспорт высокомолекулярных соединений, имеющих массу не более 5·10³ Да. Для определения размеров частиц, могущих пройти сквозь пору, используются гранулы декстрана или коллоидного золота, которые путем микроинъекции вводятся в цитоплазму живой клетки. Обнаружено, что максимальный размер частиц, способных транспортироваться в ядро, составляет 8,5—10 нм. При этом сначала частицы собираются в зоне поровых комплексов, а затем оказываются в ядре. Неядерные белки с массой больше 20 000—40 000 Да проникают в ядро медленнее, если вообще проникают. Так, инъецированные белки с массой 17 кДа могут проникнуть к ядро довольно быстро, за 2—3 мин, белки с массой 40 кДа — за 30 мин, белки с массой 60 кДа вообще не проникают в ядра. Считается, что белки с гидродинамическим радиусом больше 3,5 нм (что соответствует глобулярному белку с массой 65 кДа) не могут просто механически проходить через ядерную пору. В этих случаях ядерная пора выступает в качестве реального молекулярного сита.

Но дело осложняется тем, что многие белки как поступают в ядро, так и выходят из него против градиента концентраций. Так, концентрация гистонов в ядре значительно выше, чем в цитоплазме. Но несмотря на это, во время синтеза ДНК происходит транспорт огромного количества (10⁶ молекул каждые три минуты, или по 100—500 молекул через одну пору за 1 мин) гистонов из цитоплазмы в ядро. В то же время через ядерные поры реально могут проходить некоторые белки и даже макромолекулярные комплексы с массой значительно большей, чем 60 кДа.

Через ядерные поры из цитоплазмы в ядро транспортируются крупные молекулы белков, например белок нуклеоплазмин — пентамер с молекулярной массой 125 кДа. Из ядра через поры выходят в цитоплазму субъединицы рибосом и другие рибонуклеопротеиды, меньшие из которых могут иметь массу 250 кДа. Эти данные показывают, что комплексы ядерных пор не представляют собой просто механические сита, которые ограничивают транспорт молекул в зависимости от их размеров.

Работы последнего времени показывают, что многие ядерные белки проходят через ядерные поры с помощью специальных механизмов, включающих узнавание и связывание крупных ядерных белков, а затем только их транслокацию, перенос через поры. Было найдено, что белки, транспортируемые в ядро, имеют определенные последовательности аминокислот — последовательности ядерной локализации (NLS — nuclear localization sequences), которые узнаются рецепторами ядерных пор. Такие NLS характерны для кариофильных белков, т.е. для белков ядерной локализации, которые синтезируются на рибосомах в цитоплазме, а затем транспортируются в ядро.

Импорт кариофильных белков

Впервые аминокислотные последовательности ядерной локализации были обнаружены на С-конце субъединиц молекулы нуклеоплазмина (ядерный белок, принимающий участие в структуризации хроматина). Эти эксперименты были проведены на бесклеточной системе, когда выделенные ядра помещали в цитоплазматический экстракт ооцитов ксенопуса, куда добавляли нативные или измененные молекулы нуклеоплазмина. Это — крупный белок (молекулярная масса 125 кДа), состоящий из пяти субъединиц, каждая из которых обладает глобулярной и фибриллярной С-концевой частью. Если удалить путем протеолиза примерно 50 аминокислот с С-конца, то ни пентамер, ни мономеры в ядро не попадают, в то время как отщепленные фибриллярные участки через поры проходят свободно, так как содержат NLS-участок.

Более того, при смешивании неядерных белков с этими NLS-фрагментами такие комплексы способны транспортироваться в ядро. Даже крупные частицы декстрана (20 нм), неспособные прони­кать в ядро, при связывании с ними NLS-последовательностей нуклеоплазмина транспортировались из цитоплазматического экстракта в ядро.

Подробно строение NLS изучено у белка Т-антигена вируса SV40. Кариофильный сигнал состоял из последовательности: Pro—Lys—¹²⁸Lys—Lys—Arg—Lys—Val. Одна лишь аминокислотная замена (¹²⁸Lys на Thr или Asp) полностью лишают этот фрагмент кариофильных свойств. Оказалось, что можно создавать химерные белки с этим аминокислотным доменом, что позволяет необычные для ядер белки (альбумин плазмы, иммуноглобулин G и даже ферритин с молекулярной массой 465 кДа) транспортировать через ядерные поры.

Показано, что белок с NLS проходит в ядро в несколько этапов (рис. 111). Импорт начинается с того, что NLS-белок связывается с гетеродимером рецептора NLS, с белками импортинами α и β, локализованными в цитоплазме. Возникший белковый комплекс (импортируемый белок с NLS, связанный с импортинами α и β подходит к внешней ядерной мембране и закрепляется на цитоплазматических филаментах порового комплекса. Затем этот комплекс входит в ядерную пору и проходит через «транспортер». Считается, что транспортер состоит из множества извитых белковых филаментов, обогащенных аланином и глицином (FG-филаменты), представляющих собой барьер для транспорта некариофильных белков. Комплекс, имеющий NLS, как бы разрыхляет эту сеть и проходит через канал транспортера. После перехода комплекса в нуклеоплазму импортин β связывается с белком RAN, представляющим собой малую GTP-азу, что приводит к распаду комплекса. Импортируемый белок освобождается и остается в ядре, импортин α возвращается в цитоплазму, так же как и импортин β, но в связи с RAN—GDP, где последние также диссоциируют. Тем самым только белок с NLS остается в составе ядра (см. рис. 111).

Рис. 111. Схема импорта цитоплазматических белков в ядро ЯПК — комплекс ядерной поры; ЯО — ядерная оболочка. 1 — импортируемый белок с NLS; 2 — импортин α; 3 — импортин β; 4 — импортируемый комплекс; 5 — белок RAN; 6 — комплекс RAN - импортин Р

Экспорт из ядра в цитоплазму

Из ядра в цитоплазму также существует поток как белков, так и ядерных транскриптов в виде рибонуклеопротеидов. В принципе этот экспорт сходен с процессом импорта кариофильных белков. Обнаружено, что гликопротеидные молекулы, связывающие лиганды, локализуются в месте поровых комплексов и со стороны ядра. Одна и та же пора может принимать участие как в импорте, так и в экспорте макромолекул. В пользу этого говорит то, что частички коллоидного золота, связанного с нуклеоплазмином, сорбируются на ядерной поре со стороны цитоплазмы одновременно с сорбцией частичек, связанных с РНК и инъецированных в ядро ооцитов. Подобные эксперименты показали, что многие РНК (тРНК, 5S РНК, поли-У и поли-А), связанные с коллоидным золотом, аккумулируются в зоне ядерных пор, а затем переносятся в цитоплазму. Более того, РНК способствует переносу через ядерную пору крупных частиц золота размером до 20 нм. Обратного переноса не происходит: аналогичные частички, инъецированные в цитоплазму ооцита, в ядро не проникают.

Что касается естественных видов РНП, то комплексы ядерных пор также должны узнавать специфический сигнал на экспорт. Белковые компоненты РНП несут аминокислотные последовательности - сигналы ядерного экспорта (NES — nuclear export sequences), которые дают возможность различным РНП проходить через ядерную оболочку в цитоплазму.

В этом случае также образуется сложный комплекс, состоящий из переносимого белка с NES-последовательностью (связанного с РНК или свободного), ассоциированного с белком экспортаном 1, который в свою очередь связан с белком RAN—GTP. Этот комплекс проходит через центральный канал, создаваемый транспортером, в цитоплазму, где и диссоциирует. При этом освобождается белок с NES-участком (или РНП), который остается в цитоплазме. Экспортин 1 и RAN после гидролиза GTP снова возвращаются в ядро (рис. 112).

Рис. 112. Схема экспорта ядерных белков в цитоплазму ЯПК — комплекс ядерной поры; ЯО — ядерная оболочка. 1 — экспортируемый белок с NES; 2 — экспортин; 3 — белок RAN; 4 — экспортируемый комплекс

В процессе экспорта РНП ядерная пора контролирует не только белковый компонент. Ядерные поры узнают и не экспортируют короткие (100 нуклеотидов) тРНК, если в их структуре есть хоть одна замена. Незрелые формы иРНК, имеющие интронные участки, не транспортируются. Вообще в цитоплазме не обнаруживаются незрелые РНК. Вероятно, для экспорта некоторых РНК необходима их связь с особыми белками.

Мало изучен вопрос о транспорте в цитоплазму крупных РНП-комплексов, таких как субъединицы рибосом, информосомы и малые ядерные РНП. Возможно, все они под действием каких-то факторов разворачиваются, меняют свою конформацию и проходят через поровый комплекс. В пользу этого говорит наличие гантелевидных РНК-содержащих частиц в просвете пор ядер гигантских слюнных желез насекомых. Считается, что эта картина отражает момент выхода из ядер РНП-частиц диаметром 60 нм, относимых к информоферам. Интересно, что состав белков в цитоплазматических информационных РНП иной, это может говорить о том, что в зоне поровых комплексов происходит «переодевание» информационных РНК и осуществляется связь их с иными белками.

Динамика ядерной оболочки в митозе

Большей частью, но не у всех видов (исключение составляют амебы, эвгленовые, инфузории, динофлагелляты, многие водоросли, некоторые грибы), ядерная оболочка разрушается при митозе и снова возникает после деления клеток. Это так называемый открытый тип митоза (рис. 113). При этом в профазе по мере конденсации хромосом ядерная оболочка теряет с ними связь, а затем в ней появляются разрывы. Она приобретает вид плоских мембранных вакуолей — цистерн. В это время ядерные поры еще видны. Позднее они исчезают. Во время митоза комплекс ядерной поры с мол. массой 120 кДа разбирается на субкомплексы с мол. массой примерно по 1 кДа. Разборка пор начинается с фосфорилирования ряда нуклеопоринов митотической сdс2/циклин В-киназой.

Рис. 113. Поведение ядерной оболочки при митозе животной клетки (по: Зацепина и др., 1976) 1 — интерфаза; 2, 3 — профаза; 4 — промстафаза; 5 — метафаза; 6 — анафаза; 7 — телофаза; 8 — реконструкция дочерних ядер. Хромосомы в профазе теряют контакт с ядерной оболочкой и в конце анафазы вступают в объединение с мембранами цитоплазмы

Ядерная оболочка превращается в скопление мелких мембранных пузырьков, окружающих зону бывшего интерфазного ядра. Такие пузырьки морфологически нельзя отличить от других мелких вакуолей в цитоплазме, они, вероятно, сливаются с вакуолями эндоплазматического ретикулума. В метафазе мембранные элементы цитоплазмы оттесняются к периферическим зонам клеток микротрубочками веретена деления.

В конце анафазы, когда прекращается движение хромосом к противоположным полюсам клетки, мембранные пузырьки цитоплазмы, в первую очередь мембраны гранулярного эндоплазматического ретикулума, начинают контактировать с поверхностью хромосом. Эти контакты происходят сначала в небольшом числе точек, но затем начинаются перестройка и рост этих первичных зачатков ядерной оболочки. Они из мелких пузырьков превращаются в плоские вакуоли, которые растут в ширину и обволакивают поверхность деконденсирующихся хромосом. Участки таких растущих плоских мембранных мешков сливаются, замыкая и отгораживая содержимое нового интерфазного ядра. Интересно, что ядерные поры появляются на самых ранних этапах реконструкции ядерной оболочки, когда двойные мембранные цистерны еще не сомкнулись и фактически ничего не разделяют.

При реконструкции ядерной оболочки происходит сборка ядерных пор. Она начинается с образования ямки при слиянии внешней и внутренней ядерной мембраны, которая затем превращается в отверстие. В этом процессе принимают участие интегральные белки gp 210 и РОМ 121, которые впоследствии будут закреплять ЯПК на мембранах. Затем появляются внутренние структуры ЯПК: комплекс кольца, спиц, добавление звездчатого кольца и других структур и, наконец, филаментов.

У некоторых низших организмов в случае закрытого митоза ядерная оболочка не исчезает, она в зоне ядерной перетяжки замыкается, что приводит к образованию двух новых ядер. Здесь участие ядерной оболочки в делении клетки заключается в том, что на ней закреплены хромосомы, и она, по-видимому, принимает участие в индукции образования микротрубочек, необходимых при делении клеток.

Вероятно, для реконструкции ядерной оболочки необходимым условием является деконденсация хромосом. Показано, что если вызвать преждевременную деконденсацию метафазных хромосом, то они очень быстро контактируют с мембранными пузырьками и каждая одевается своей ядерной оболочкой, вследствие чего в клетке возникает множество так называемых микроядер, каждое их которых возникло из одной хромосомы.

В то же время можно экспериментально вызвать разборку ядерной оболочки у интерфазного ядра. Это происходит при слиянии в культуре ткани двух клеток на разных стадиях клеточного цикла: получается так называемый гетерокарион, где одно из ядер будет находиться в интерфазе, а другое — в виде митотических хромосом в метафазе. В этом случае в интерфазном ядре начинает конденсироваться хроматин, образуются преждевременно конденсированные хромосомы, а ядерная оболочка исчезнет так же, как во время нормального митоза (рис. 114). Эти данные говорят о том, что в цитоплазме митотической клетки существуют какие-то факторы, вызывающие как конденсацию хромосом, так и параллельный этому процесс распада ядерной оболочки.

Рис. 114. Преждевременная конденсация хромосом и растворение ядерной оболочки в гетерокарионе 1 — митотические хромосомы донорской клетки; 2 — ядро клетки-реципиента

Сходная динамика совпадения процессов перестройки хромосом и ядерной оболочки наблюдается и в другой системе — в цитоплазме ооцитов или в бесклеточных цитоплазматических экстрактах ооцитов. Так, если в цитоплазму ооцита амфибий на стадии метафазы инъецировать выделенные интерфазные ядра, то их ядерная оболочка разбирается, а хроматин конденсируется в виде митотических хромосом. Если в ооцит на стадии интерфазы ввести митотические хромосомы, то они начинают деконденсироваться, появляются множественные мелкие вакуоли, которые, сливаясь друг с другом, образуют ядерные оболочки. Интересно, что в цитоплазму интерфазного ооцита можно ввести даже чужеродную чистую ДНК, которая, связываясь с гистонами в цитоплазме, образует хроматиновые глыбки, которые в свою очередь одеваются ядерными оболочками и превращаются в микроядра.

Эти экспериментальные приемы вместе с методом иммунофлуоресценции позволили проследить судьбу многих белков ядерной оболочки во время митоза. Подробно изучена судьба ламинов. Найдено, что фиброзный слой ламинов деполимеризуется параллельно распаду ядерных мембран и конденсации хроматина. Этому предшествует обильное (в 7 раз выше, чем в интерфазе) фосфорилирование ламинов. Ламины А и С при этом деполимеризуются до димеров и тетрамеров и, переходя в растворимое состояние, равномерно распределяются в цитоплазме вне связи с другими структурами. Ламин В тоже деполимеризуется до олигомеров, но остается связанным с мембранными пузырьками, возникшими из ядерной оболочки.

При сборке ядерной оболочки в телофазе белки ламины иммунохимически начинают выявляться в центромерных и теломерных участках хромосом. Там же обнаруживаются первые признаки образования новой ядерной оболочки и накапливаются антитела к белкам порового комплекса. В бесклеточной системе цитоплазматического экстракта ооцитов было показано, что ассоциация растворимых в митозе ламинов А и С происходит независимо от ламина В. Оказалось, что если систему реконструкции ядерной оболочки лишить ламина В, то ламины А и С связываются с поверхностью хромосом, но сборки ядерной оболочки не происходит. В экстракте, лишенном ламинов А и С, ламин В связывается с хромосомами, но нормальная ядерная оболочка также не формируется.

Величко В.В. © Copyright 2008.