3. Ядро

Внутреннее содержимое клетки выглядит бесструктурным, и чтобы визуализовать различные структуры перед тем, как рассматривать под микроскопом клетки, их обычно окрашивают теми или иными красителями. Применение большинства их них (даже неспецифических) к клеткам эукариот выявляет прежде всего ядро как крупную структуру, находящуюся чаще всего близко к середине клетки и более или менее сферической формы, как на рис. 7.4 (здесь бывают поразительные исключения). Преобладание сферической формы понятно – если мы внутри жидкости изолируем каплю другой жидкости жидкой же мембраной, то она примет сферическую форму. Это своего рода форма по умолчанию, которая может видоизменяться в случае особой внутриклеточной структуры.

Эукариотические клетки без ядра представляют собой такое же исключение, как всадник без головы. Это значит, что дни такой клетки сочтены и она скоро выполнит свою функцию и погибнет. Самый яркий и едва ли не единственный пример – красные кровяные клетки (эритроциты) млекопитающих. Что характерно, у наших ближайших родственников – рептилий и птиц – ядра в эритроцитах есть. Такая обязательность ядра связана с тем, что ядро действительно является головой клетки – местом, где хранится и обрабатывается информация. Хранится там информация генетическая, а обрабатывается внешняя, пришедшая в виде тех или иных химических сигналов.

Что находится в ядре? Понятно, что там должна находиться ДНК, но есть еще и хороший ответ на все случаи жизни – белки. Белков там хватает самых разных – вспомним хотя бы ДНК- и РНК-полимеразы, белки – генные активаторы и репрессоры. Однако больше всего там структурных белков, которые связываются с ДНК и обеспечивают ее правильную упаковку. Комплекс ДНК и белков в ядре принято называть хроматином. (Название «хроматин» вводилось для обозначения вещества хромосом, а слово «хромосома» переводится как «цветное тело» – такое название они получили за счет интенсивного прокрашивания цитологическими красителями).

Кстати, такой вопрос: какое вещество в клетке имеет наибольшую молярную концентрацию? Вода конечно же! Немногим меньшую, чем в чистой воде. Молярная концентрация имеется не только у растворенных в воде веществ, но и у самой воды. Молярная концентрация воды в воде составляет– 18,5 моль / л. А какое вещество имеет наименьшую молярную концентрацию? ДНК! Сколько молекул ДНК содержится в ядре клеток человека? 46 или 92! Ровно столько, сколько у человека хромосом, или вдвое больше (угадайте почему). Каждая хромосома – это одна молекула ДНК. И в этих-то 46 молекулах, в каждой клетке, дважды записана информация о всех белках (а их сотни тысяч) и РНК (короткие некодирующие РНК пока никто не сосчитал) всего человеческого организма.

Суммарная длина молекул ДНК человека достигает в длину около 2 м. О хромосомах мы поговорим несколько позже, а сейчас просто осознаем тот факт, что 2 м ДНК нам нужно упаковать в ядро диаметром 5–10 мкм (т. е. в 500 тыс. раз меньше). Причем упаковать так, чтобы она имела возможность осмысленно работать – синтезировать нужные белки в нужном месте, в нужное время и в нужном количестве! И заметим, что гены почти равномерно раскиданы по всей ДНК, в том числе и нужные в любой конкретный момент. Это достигается несколькими уровнями упаковки нити ДНК, для которой у меня нет подходящей аналогии из нашей обыденной жизни. Магнитная лента не подойдет, так как, чтобы прочитать с нее какое-то место, до него нужно последовательно домотать. Натянутая, но более верная аналогия будет тут с книгой. Суммарная площадь книжных страниц в сотни раз больше площади поверхности закрытой книги. При этом книгу можно раскрыть в любом нужном месте и прочитать все, что нужно. А сделав закладки, – даже в нескольких местах сразу. Но это один уровень упаковки. Вообразим теперь книгу, все страницы в которой представляют собой раскладные вклейки. Мы получим два уровня компактной упаковки информации. Что-то такое имеет место и с ДНК, только информация там записана не на плоскости, а на линии, и уровней упаковки больше.

Более того, нужно вспомнить, что ДНК – какая-никакая, а все же кислота. Если мы вознамеримся плотно упаковать полианион, нам придется действовать против электростатического отталкивания и мы вряд ли преуспеем. Следовательно, чтобы упаковать ДНК, необходимо также нейтрализовать ее отрицательный заряд каким-то положительным зарядом.

Такая многоуровневая упаковка ДНК достигается за счет белков. Два самых нижних уровня упаковки обеспечиваются белками, имеющими в хроматине наибольшее количественное содержание и называемыми гистоны. Молекулы гистонов в целом положительно заряжены, за счет этого они и связываются с отрицательно заряженной ДНК. Cуществует пять типов гистонов – четыре аргинин-богатых и один лизин-богатый. Молекулы первых четырех (они обозначаются Н2a, H2b, H3 и H4) формируют единый белковый комплекс диаметром около 10 нм – коровую частицу, на которую наматывается (2,5 оборота) кусок ДНК. Коровая частица с намотанной на нее ДНК называется нуклеосомой. Нуклеосомы располагаются на частично свернутой ими молекуле ДНК как бусинки.

Кстати, конкретное расположение нуклеосом на ДНК связано с тем, должна или не должна на этом участке идти транскрипция. Когда хроматин становится транскрипционно-активным, расположение нуклеосом на нити ДНК меняется. Более того, существует явление, образно называемое гистоновым кодом. Коровые гистоны подвержены различным вторичным модификациям – к ним присоединяются метильные группы, остатки фосфорной кислоты, ацетильные группы, небольшой белок убиквитин. Это присоединение возможно лишь в строго определенных позициях гистонов (как правило, указанных группы присоединяются к положительно заряженным остаткам лизина или аргинина). Состав модифицированных гистонов в хроматине определяет его транскрипционную активность – по сути она сводится к плотности упаковки и доступности для РНК-полимераз. Так, модификации с присоединенными остатками кислот уменьшают общий заряд молекулы и как правило способствует разрыхлению хроматина. За счет так называемого кооперативного эффекта – а данном случае речь идет о том, что посадка молекул определенного типа на ДНК облегчает посадку таких же молекул во время ее репликации – состав модифицированных гистонов , а следовательно, определенное определенное состояние отдельных участков хроматина, может эпигенетически наследоваться в ряду клеточных поколений. Этим во многом объясняется тот факт, что клетки определенного типа как правило дают при делении клетки того же типа, то есть в дочерней клетке работают обычно те же гены, что работали в материнской, притом что каждая клетка имеет всю ДНК, характерную для данного вида.

С участком ДНК между нуклеосомами связывается пятый, лизин-богатый гистон Н1. В результате нить бусинок сворачивается в фибриллу  диаметром 30 нм. Цепочку нуклеосом и фибриллу диаметром 30 нм можно увидеть даже под электронным микроскопом.

В свою очередь, фибрилла диаметром 30 нм еще несколько раз сворачивается в упаковку более высокого порядка при помощи других, негистоновых белков хроматина, которые пока хуже изучены и не так широко известны. На рис. 7.5 сделана попытка показать уровни упаковки ДНК в хроматин.

Ядро окружено не одной мембраной, а двумя. Сложные белковые механизмы – ядерные поры – пронизывают обе ядерные мембраны, которые в области пор замыкаются друг на друга. Становится ясно, что обе ядерные мембраны, по сути, представляют одну и ту же мембрану. Вероятно, она происходит от замкнувшегося на себя впячивания внешней клеточной мембраны вокруг области, занятой ДНК. На такие мысли наталкивает строение этой области у бактерий.

Действительно, интересно посмотреть, чем обходятся вместо ядра прокариоты. У них тоже есть ДНК и с ней тоже связаны белки, но это не гистоны, да и количество их в расчете на ДНК существенно меньше, чем у эукариот. Молекула ДНК прокариот многократно короче (так как, в отличие от эукариот, в ней нет ничего лишнего) и не требует такой сильной упаковки. (Тем не менее, ДНК покоящихся бактерий часто упакована, опять-таки при помощи белков, практически до кристаллического состояния.) У большинства бактерий большинство генов заключается в одной молекуле ДНК, которая замкнута в кольцо. Она по аналогии с эукариотами обычно тоже называется хромосомой, хотя ее нельзя увидеть под световым микроскопом так, как бывает видно эукариотические хромосомы. Кроме того, в бактериальной клетке обычно имеется произвольное количество небольших кольцевых ДНК, называемые плазмиды. Бактерии легко обмениваются плазмидами, которые часто кодируют отдельные ситуационно-полезные признаки, например устойчивость к какому-то антибиотику. Несколько лет назад в журнале Nature был опубликован полный геном спирохеты, которая вызывает бореллиоз, или болезнь Лайма. (Эта болезнь, передающаяся клещами и распространенная у нас не менее энцефалита, но не такая знаменитая.) У этой спирохеты ДНК представлена фрагментами самого разного размера, частично кольцевыми, частично линейными, причем размерной границы между «хромосомами» и плазмидами не существует. ДНК в клетке бактерий не распределена по всему объему, а собрана в довольно большой центральной области клетки. Под микроскопом эта область выглядит как имеющая другую плотность. Она получила название нуклеоид, т. е. «подобный ядру».

Рядом с нуклеотидом есть так называемая мезосома – образование из множества плотно упакованных мембран, которые считаются впячиванием внешней мембраны.

Известно, что бактериальная «хромосома» прикреплена к внешней клеточной мембране и рост последней обеспечивает расхождение двух «хромосом» после их репликации, так что при образовании перетяжки и делении бактерии на две в каждую попадает одна копия. Считается, что мезосома имеет ко всему этому непосредствнное отношение – именно здесь хромосома присоединяется к мембране и именно мезосома участвует в ее росте. Мезосомы играют роль в репликации хромосомы и ее последующем расхождении по дочерним клеткам, участвуют в процессе инициации и формирования поперечной перегородки при делении. Не исключено, что после удвоения ДНК участок клеточной мембраны, который должен вырасти между ними, формируется именно в мезосоме. Имеются данные, что мезосомы же играют роль в клеточном дыхании (мы помним, что для этого нужны мембранные компартменты).

У эукариот хромосомы тоже присоединяются концами к определенным местам ядерной оболочки. Получается, что мезосома прокариот в каких-то функциях сходна с ядерной оболочкой эукариот. Только представляет собой мембрану, не одевающую нуклеоид, а сложенную рядом, как надетая и снятая одежда.

Вернемся к эукариотам, а именно к ядерным порам. Они нам были нужны как места, где мембрана замыкается на себя, теперь взглянем на них как на сложные шлюзы для транспорта веществ в ядро и обратно. Все, что находится внутри наружной клеточной плазматической мембраны, но не является ядром, называется цитоплазмой. Одно из главных функциональных отличий ядра и цитоплазмы состоит в том, что синтез РНК идет только в ядре, а синтез белков – в цитоплазме (хотя в последнее время появились данные, что до 15% синтеза белка идет в ядре). А как вы, надеюсь, помните, для синтеза РНК нужны определенные ферменты, которые тоже белки. Кроме того, в ядре нужны такие белки, как гистоны, и другие белки, упаковывающие ДНК в хроматин, ферменты, участвующие в репликации ДНК, а также множество специфичных генных регуляторов – активаторов и репрессоров – также белковой природы. Это означает, что ядерные поры должны пропускать наружу мРНК в комплексе со специальными белками, а внутрь – белки, необходимые в ядре.

Еще важная статья ядерного экспорта – субъединицы рибосом. Они, как вы помните, состоят из рРНК и нескольких десятков белков. Это продукты из разных стран происхождения. Цех по сборке почему-то находится именно в ядре и называется ядрышко. Субъединицы рибосом транспортируются обратно в цитоплазму.

Таким образом, ядерные поры аналогичны не дыркам в заборе, через которые что-то может быть утащено, нет, это сложно устроенные таможни, где компетентные белковые структуры обслуживают строго регламентированный трансграничный транспорт. Для того чтобы быть импортированным в ядро, белок должен нести особую акцизную марку – пептид ядерного транспорта. Это короткий пептид, состоящий из нескольких аминокислотных остатков. Он навешивается на готовые белки, которые должны быть перенесены в ядро после их синтеза, причем неважно, на какое именно место его навесили. Когда такой белок случайно оказывается рядом с ядерной порой, она опознает его по пептиду ядерного транспорта и затаскивает внутрь.

При транспорте мРНК через ядерную пору связанные с ней ядерные белки заменяются на цитоплазматические, т. е. мРНК следует как транзитный багаж, передаваясь из рук в руки разными компаниями грузчиков. (Можно также представить это как переодевание РНК в национальную одежду при пересечении границы.)

Ядерные поры достаточно велики, и отдельные их белковые элементы могут быть видны в электронном микроскопе. В Институте цитологии и генетики новосибирского Академгородка этими исследованиями с успехом и во взаимодействии с англичанами занимается группа под руководством Е. В. Киселевой. На рис. 7.6 приведена схема ядерной поры, взятая из работы этой группы.

Лекция 8. КЛЕТКА 2. ЦИТОПЛАЗМА, ПЛАСТИДЫ И МИТОХОНДРИИ, ЦИТОСКЕЛЕТ, ЖГУТИКИ