Составленная периферической пластинкой и пронизывающими ядро тяжами. В настоящий момент функция ядерного скелета окончательно не выяснена.

Считается, что матрикс построен преимущественно из негистоновых белков, формирущих сложную развлетвленную сеть, сообщающуюся с ядерной ламиной. Возможно, ядерный матрикс принимает участие в формировании функциональных доменов хроматина. В геноме клетки имеются специальные незначащие А-Т-богатые участки прикрепления к ядерному матриксу (англ. S/MAR - Matrix/Scaffold Attachment Regions), служащие, как предполагается, для заякоривания петель хроматина на белках ядерного матрикса. Впрочем, не все исследователи признают существование ядерного матрикса.

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Ядерный матрикс" в других словарях:

Матрикс - все актуальные промокоды на скидку Матрикс в категории Парикмахерские принадлежности и косметика для волос

В этой статье не хватает ссылок на источники информации. Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена. Вы можете отредактировать эту статью, добавив ссылки на авторитетные источники. Эта отметка… … Википедия

- (кариоплазма,кариолимфа, нуклео плазма), содержимое клеточного ядра, заполняющее пространство между хроматином, ядрышком и другими структурами. Содержит различные ферменты, нуклеотиды, аминокислоты и другие вещества, необходимые для обеспечения… … Биологический энциклопедический словарь

ядерный скелет (матрикс) - Опорная структура ядра, составленная периферической пластинкой и пронизывающими ядро тяжами, имеющими окончательно не выясненную биохимическую природу, в специфических зонах с Я.с. контактирует хроматин и гетерогенные рибонуклеопротеиновые… … Справочник технического переводчика

Матрикс. См. ядерный скелет. (Источник: «Англо русский толковый словарь генетических терминов». Арефьев В.А., Лисовенко Л.А., Москва: Изд во ВНИРО, 1995 г.) …

Матрикс - * матрыкс * matrix основное вещество ряда клеточных структур: цитоплазмы (гиалоплазма, или цитоплазматический М.), органелл (напр., М. митохондрий, М. пластид) и ядра (кариолимфа, или ядерный М.). 2. Основное гомогенное и мелкозернистое вещество… …

Karyoplasm, karyolymph, nucleoplasm кариоплазма, кариолимфа, нуклеоплазма, “ядерный сок”. Hепрокрашиваемое (в отличие от хроматина ) содержимое клеточного ядра, в которое погружен хроматин; после удаления хроматина в К.… … Молекулярная биология и генетика. Толковый словарь.

Nucleoskeleton, nuclear scaffold (matrix) ядерный скелет (матрикс). Oпорная структура ядра, составленная периферической пластинкой и пронизывающими ядро тяжами, имеющими окончательно не выясненную биохимическую природу, в специфических зонах с… … Молекулярная биология и генетика. Толковый словарь.

Кариоплазма кариолимфа нуклеоплазма «ядерный сок» - Кариоплазма, кариолимфа, нуклеоплазма, «ядерный сок» * карыяплазма, карыялімфа, нуклеаплазма, «ядзерны сок» * karyoplasm or caryoplasm or «nuclear juice» 1. Содержимое клеточного ядра, заключенное в ядерную оболочку. 2. Непрокрашиваемое (в… … Генетика. Энциклопедический словарь

Клетки HeLa, ДНК которых окрашена голубым красителем Хёхста 33258. Центральная и правая клетки находятся в интерфазе, по … Википедия

Клетки ДНК которых окрашена голубым красителем Хойста. Центральная и правая клетки находятся в интерфазе, поэтому окрашено всё ядро. Клетка слева находится в состоянии митоза (анафаза), поэтому её ядро не видно, а ДНК сконденсирована так, что… … Википедия

Ядерный скелет (ядерный матрикс)

Ультраструктура. Ядерный скелет представляет собой следующую систему:

• плотная пластинка (ламина) с норовыми комплексами;
• фибриллярно-гранулярная сеть.

В состав скелета входят негис- тоновыс белки (в том числе актин и миозин), факторы транскрипции, полисахариды, липиды, нуклеиновые кислоты.

Функции. Ядерный скелет выполняет следующие функции:

• поддерживает форму ядра;
• является опорой для хроматиновых структур (в частности, с помощью ядерного скелета хромосомы внутри ядра занимают совершенно определенные нсперекрывающисся области - хромосомные территории; при этом хромосомы, содержащие большое число генов, локализуются ближе к центру ядра);
• обеспечивает внутриядерный транспорт частиц и веществ;
• участвует в регуляции транскрипции.

Биогенез. Формируется в телофазе из растворенных белков.

Ядрышко

Строение. Округлое компактное образование преимущественно нитчатого строения. Структурные компоненты:

• нуклеолонема (основная нитчатая структура, состоит из рибо- ][уклеопротеид] iых нитей);
• гранулярный компонент (рибонуклеопротеидные гранулы);
• ядрышковый хроматин.

Биохимическая характеристика. В состав ядрышка входят следующие компоненты:

• ДНК (в форме дезоксирибонуклеопротеида) содержит гены, кодирующие pPIIK;
• ферменты транскрипции;
• рРНК;
• рибонуклеопротеиды (фибриллы и гранулы - рибосомы на разных стадиях созревания);
• негистоновые белки;
• минеральные компоненты.

Функции. Ядрышко выполняет следующие функции:

• биосинтез РНК;
• сборку рибосомиых частиц (белки приходят из цитоплазмы).

Биогенез. Формируется в телофазе при участии ядрышкового

организатора - специального участка определенной хромососы (подробнее см. морфологическую классификацию хромосом на с. 84).

Хроматиновые структуры

Хроматин и хромосомы - две формы существования одного материала: в ядрах неделящихся клеток - хроматин, в делящихся митозом или мейозом - хромосомы.

Биохимическая характеристика. Хроматиновые структуры содержат следующие компоненты:

• ДНК (в форме дезоксирибонуклеопротеида);
• гистоновые белки;
• нсгистоновыс белки (регуляторные, рецепторные белки и др.);
• ферменты (ДНК-полимераза, РНК-полимераза и др.);
• и PH К, тРНК;
• прочие (минеральные компоненты, липиды и др.).

Молекулярная организация. Хроматиновые структуры представляют собой линейные полимерные образования, состоящие из множества однотипных структурных единиц - нуклеосом. Основу (сердцевину, или кор) нуклеосомы составляет образование, состоящее из восьми молекул гистоновых белков, на которое намотаны в виде левозакручеииой суперспирали 1,75 витка ДНК общей длиной 145 нуклеотидных пар (рис. 3.31). При этом молекулы гистонов взаимодействуют с молекулой ДНК таким образом, что положительно заряженные радикалы входящих в их состав аминокислотных осгаткон нейтрализуют отрицательно заряженные фосфатные группы остова ДНК. Этим обстоятельством объясняется столь компактная упаковка хроматиновых структур в ядре (длина ДНК человека составляет 1,7-2 м, а диаметр клеточного ядра - не более 5-7 мкм).

Молекула ДНК непрерывна и переходит с одной нуклеосомы на другую, соединяя их в линейную структуру - нуклеосомную нить. Участок ДНК между нуклеосомами называется линкерной ДНК; ее протяженность составляет 10-100 нуклеотидных пар. Молекула ДНК не имеет свободных концов. В конечных участках плечей хромосом (теломерах - см. ниже) она образует петлю, фиксированную специальными (теломерными) белками (рис. 3.32), благодаря чему молекула ДНК оказывается защищенной от соединения с концами других молекул ДНК (или двунитевыми разрывами) и от разрушающего действия ферментов.

Рис. 331. Рис. 3.32. Петля ДНК, фиксированная

1 - ДНК; Н2А, Н2В, НЗ, Н4 - специальными белками в области гистоновые белки теломеры (теломерные белки

представлены в виде объемных тонированных фигур)

Лекция № .

Количество часов: 2

Клеточное ЯДРО

1. Общая характеристика интерфазного ядра. Функции ядра

2.

3.

4.

1. Общая характеристика интерфазного ядра

Ядро - это важнейшая составная часть клетки, которая имеется практически во всех клетках многоклеточных организмов. Большинство клеток имеет одно ядро, но бывают двуядерные и многоядерные клетки (например, поперечно-полосатые мышечные волокна). Двуядерность и многоядерность обусловлены функциональными особенностями или патологическим состоянием клеток. Форма и размеры ядра очень изменчивы и зависят от вида организма, типа, возраста и функционального состояния клетки. В среднем объем ядра составляет приблизительно 10% от общего объема клетки. Чаще всего ядро имеет округлую или овальную форму размером от 3 до 10 мкм в диаметре. Минимальный размер ядра составляет 1 мкм (у некоторых простейших), максимальный - 1 мм (яйцеклетки некоторых рыб и земноводных). В некоторых случаях наблюдается зависимость формы ядра от формы клетки. Ядро обычно занимает центральное положение, но в дифференцированных клетках может быть смещено к периферийному участку клетки. В ядре сосредоточена практически вся ДНК эукариотической клетки.

Основными функциями ядра являются:

1) Хранение и передача генетической информации;

2) Регуляция синтеза белка, обмена веществ и энергии в клетке.

Таким образом, ядро является не только вместилищем генетического материала, но и местом, где этот материал функционирует и воспроизводится. Поэтому нарушение любой из этих функций приведет к гибели клетки. Все это указывает на ведущее значение ядерных структур в процессах синтеза нуклеиновых кислот и белков.

Одним из первых ученых продемонстрировавших роль ядра в жизнедеятельности клетки был немецкий биолог Хаммерлинг. В качестве экспериментального объекта Хаммерлинг использовал крупные одноклеточные морские водоросли Acetobularia mediterranea и А. c renulata. Эти близкородственные виды хорошо отличаются друг от друга по форме «шляпки». В основании стебелька находится ядро. В одних экспериментах шляпку отделяли от нижней части стебелька. В результате было установлено, что для нормального развития шляпки необходимо ядро. В других экспериментах стебелек с ядром одного вида водоросли соединялся со стебельком без ядра другого вида. У образовавшихся химер всегда развивалась шляпка, типичная для того вида, которому принадлежало ядро.

Общий план строения интерфазного ядра одинаков у всех клеток. Ядро состоит из ядерной оболочки, хроматина, ядрышек, ядерного белкового матрикса и кариоплазмы (нуклеоплазмы). Эти компоненты встречаются практически во всех неделящихся клетках эукариотических одно- и многоклеточных организмов.

2. Ядерная оболочка, строение и функциональное значение

Ядерная оболочка (кариолемма, кариотека) состоит из внешней и внутренней ядерных мембран толщиной по 7 нм. Между ними располагается перинуклеарное пространство шириной от 20 до 40 нм. Основными химическими компонентами ядерной оболочки являются липиды (13-35%) и белки (50-75%). В составе ядерных оболочек обнаруживаются также небольшие количества ДНК (0-8%) и РНК (3-9%). Ядерные оболочки характеризуются относительно низким содержанием холестерина и высоким - фосфолипидов. Ядерная оболочка непосредственно связана с эндоплазматической сетью и содержимым ядра. С обеих сторон к ней прилегают сетеподобные структуры. Сетеподобная структура, выстилающая внутреннюю ядерную мембрану, имеет вид тонкой оболочки и называется ядерной ламиной. Ядерная ламина поддерживает мембрану и контактирует с хромосомами и ядерными РНК. Сетеподобная структура, окружающая наружную ядерную мембрану, гораздо менее компактна. Внешняя ядерная мембрана усеяна рибосомами, участвующими в синтезе белка. В ядерной оболочке имеются многочисленные поры диаметром около 30-100 нм. Количество ядерных пор зависит от типа клетки, стадии клеточного цикла и конкретной гормональной ситуации. Так чем интенсивнее синтетические процессы в клетке, тем больше пор имеется в ядерной оболочке. Ядерные поры довольно лабильные структуры, т. е. в зависимости от внешнего воздействия способны изменять свой радиус и проводимость. Отверстие поры заполнено сложноорганизованными глобулярными и фибриллярными структурами. Совокупность мембранных перфораций и этих структур называют ядерным поровым комплексом. Сложный комплекс пор имеет октагональную симметрию. По границе округлого отверстия в ядерной оболочке располагаются три ряда гранул, по 8 штук в каждом: один ряд лежит средство построения концептуальных моделей стороны ядра, другой - средство построения концептуальных моделей стороны цитоплазмы, третий расположен в центральной части пор. Размер гранул около 25 нм. От гранул отходят фибриллярные отростки. Такие фибриллы, отходящие от периферических гранул, могут сходиться в центре и создавать как бы перегородку, диафрагму, поперек поры. В центре отверстия часто можно видеть так называемую центральную гранулу.

Ядерно-цитоплазматический транспорт

Процесс транслокации субстрата через ядерную пору (для случая импорта) состоит из нескольких стадий. На первой стадии транспортирующийся комплекс заякоривается на обращенной в цитоплазму фибрилле. Затем фибрилла сгибается и перемещает комплекс ко входу в канал ядерной поры. Происходит собственно транслокация и освобождение комплекса в кариоплазму. Известен и обратный процесс - перенос веществ из ядра в цитоплазму. Это в первую очередь касается транспорта РНК синтезируемого исключительно в ядре. Также существует другой путь переноса веществ из ядра в цитоплазму. Он связан с образованием выростов ядерной оболочки, которые могут отделяться от ядра в виде вакуолей, а затем содержимое их изливается или выбрасывается в цитоплазму.

Таким образом, обмен веществ между ядром и цитоплазмой осуществляется двумя основными путями: через поры и путем отшнуровывания.

Функции ядерной оболочки:

1. Барьерная. Эта функция заключается в отделении содержимого ядра от цитоплазмы. В результате оказываются пространственно разобщенными процессы синтеза РНК/ДНК от синтеза белка.

2. Транспортная. Ядерная оболочка активно регулирует транспорт макромолекул между ядром и цитоплазмой.

3. Организующая. Одной из основных функций ядерной оболочки является ее участие в создании внутриядерного порядка.

3. Строение и функции хроматина и хромосом

Наследственный материал может находиться в ядре клетки в двух структурно-функциональных состояниях:

1. Хроматин. Это деконденсированное, метаболически активное состояние, предназначенное для обеспечения процессов транскрипции и редупликации в интерфазе.

2. Хромосомы. Это максимально конденсированное, компактное, метаболически неактивное состояние, предназначенное для распределения и транспортировки генетического материала в дочерние клетки.

Хроматин. В ядре клеток выявляются зоны плотного вещества, которые хорошо окрашиваются основными красителями. Эти структуры получили название "хроматин" (от греч. «хромо» – цвет, краска). Хроматин интерфазных ядер представляет собой хромосомы, находящиеся в деконденсированном состоянии. Степень деконденсации хромосом может быть различной. Зоны полной деконденсации называются эухроматином. При неполной деконденсации в интерфазном ядре видны участки конденсированного хроматина, называемого гетерохроматином. Степень деконденсации хроматина в интерфазе отражает функциональную нагрузку этой структуры. Чем "диффузнее" распределен хроматин в интерфазном ядре, тем интенсивнее в нем синтетические процессы. Уменьшение синтеза РНК в клетках обычно сопровождается увеличением зон конденсированного хроматина. Максимальная конденсация конденсированного хроматина достигается во время митотического деления клеток. В этот период хромосомы не выполняют никаких синтетических функций.

В химическом отношении хроматин состоит из ДНК (30-45%), гистонов (30-50%), негистонных белков (4-33%) и небольшого количества РНК. ДНК эукариотических хромосом представляет собой линейные молекулы, состоящие из тандемно (друг за другом) расположенных репликонов разного размера. Средний размер репликона около 30 мкм. Репликоны - участки ДНК, которые синтезируются как независимые единицы. Репликоны имеют начальную и терминальную точки синтеза ДНК. РНК представляет собой все известные клеточные типы РНК, находящиеся в процессе синтеза или созревания. Гистоны синтезируются на полисомах в цитоплазме, причем этот синтез начинается несколько раньше редупликации ДНК. Синтезированные гистоны мигрируют из цитоплазмы в ядро, где и связываются с участками ДНК.

В структурном отношении хроматин представляет собой нитчатые комплексные молекулы дезоксирибонуклеопротеида (ДНП), которые состоят из ДНК, ассоциированной с гистонами. Хроматиновая нить представляет собой двойную спираль ДНК, окружающую гистоновый стержень. Она состоит из повторяющихся единиц – нуклеосом. Количество нуклеосом огромно.

Хромосомы (от. греч. хромо и сома) - это органоиды клеточного ядра, являющиеся носителями генов и определяющие наследственные свойства клеток и организмов.

Хромосомы представляют собой палочковидные структуры разной длины с довольно постоянной толщиной. У них имеется зона первичной перетяжки, которая делит хромосому на два плеча. Хромосомы с равными называют метацентрическими , с плечами неодинаковой длины - субметацентрическими. Хромосомы с очень коротким, почти незаметным вторым плечом называются акроцентрическими.

В области первичной перетяжки находится центромера, представляющая собой пластинчатую структуру в виде диска. К центромере прикрепляются пучки микротрубочек митотического веретена, идущие в направлении к центриолям. Эти пучки микротрубочек принимают участие в движении хромосом к полюсам клетки при митозе. Некоторые хромосомы имеют вторичную перетяжку. Последняя обычно расположена вблизи дистального конца хромосомы и отделяет маленький участок, спутник. Вторичные перетяжки называют ядрышковыми организаторами. Здесь локализована ДНК, ответственная за синтез р-РНК. Плечи хромосом оканчиваются теломерами, конечными участками. Теломерные концы хромосом не способны соединяться с другими хромосомами или их фрагментами. В отличие от них разорванные концы хромосом могут присоединяться к таким же разорванным концам других хромосом.

Размеры хромосом у разных организмов варьируют в широких пределах. Так, длина хромосом может колебаться от 0,2 до 50 мкм. Самые мелкие хромосомы обнаруживаются у некоторых простейших, грибов. Наиболее длинные - у некоторых прямокрылых насекомых, у амфибий и у лилейных. Длина хромосом человека находится в пределах 1,5-10 мкм.

Число хромосом у различных объектов также значительно колеблется, но характерно для каждого вида животных или растений. У некоторых радиолярий число хромосом достигает 1000-1600. Рекордсменом среди растений по числу хромосом (около 500) является папоротник ужовник, 308 хромосом у тутового дерева. Наименьшее количество хромосом (2 на диплоидный набор) наблюдается у малярийного плазмодия, лошадиной аскариды. У человека число хромосом составляет 46, у шимпанзе, таракана и перца – 48, плодовая мушка дрозофила – 8, домашняя муха – 12, сазана – 104, ели и сосны – 24, голубя - 80.

Кариотип (от греч. Карион - ядро, ядро ореха, операторы - образец, форма) - совокупность признаков хромосомного набора (число, размер, форма хромосом), характерные для того или иного вида.

Особи разного пола (особенно у животных) одного и того же вида могут различаться по числу хромосом (различие чаще всего на одну хромосому). Даже у близких видов хромосомные наборы отличаются друг от друга или по числу хромосом, или по величине хотя бы одной или нескольких хромосом. Следовательно, структура кариотипа может быть таксономическим признаком.

Во второй половине 20 века в практику хромосомного анализа стали внедряться методы дифференциального окрашивания хромосом. Считается, что способность отдельных участков хромосом к окрашиванию связана с их химическими различиями.

4. Ядрышко. Кариоплазма. Ядерный белковый матрикс

Ядрышко (нуклеола) - обязательный компонент клеточного ядра эукариотных организмов. Однако имеются некоторые исключения. Так ядрышки отсутствуют в высокоспециализированных клетках, в частности в некоторых клетках крови. Ядрышко представляет собой плотное тельце округлой формы величиной 1-5 мкм. В отличие от цитоплазматических органоидов ядрышко не имеет мембраны, которая окружала бы его содержимое. Размер ядрышка отражает степень его функциональной активности, которая широко варьирует в различных клетках. Ядрышко является производным хромосомы. В состав ядрышка входят белок, РНК и ДНК. Концентрация РНК в ядрышках всегда выше концентрации РНК в других компонентах клетки. Так концентрация РНК в ядрышке может быть в 2-8 раз выше, чем в ядре, и в 1-3 раза выше, чем в цитоплазме. Благодаря высокому содержанию РНК, ядрышки хорошо окрашиваются основными красителями. ДНК в ядрышке образует большие петли, которые носят название «ядрышковые организаторы». От них зависит образование и количество ядрышек в клетках. Ядрышко неоднородно по своему строению. В нем выявляются два основных компонента: гранулярный и фибриллярный. Диаметр гранул около 15-20 нм, толщина фибрилл – 6-8 нм. Фибриллярный компонент может быть сосредоточен в центральной части ядрышка, а гранулярный - по периферии. Часто гранулярный компонент образует нитчатые структуры - нуклеолонемы толщиной около 0, 2 мкм. Фибриллярный компонент ядрышек представляет собой рибонуклеопротеидные тяжи предшественников рибосом, а гранулы - созревающие субъединицы рибосом. Функция ядрышка заключается в образовании рибосомных РНК (рРНК) и рибосом, на которых происходит синтез полипептидных цепей в цитоплазме. Механизм образования рибосом следующий: на ДНК ядрышкового организатора образуется предшественник рРНК, который в зоне ядрышка одевается белком. В зоне ядрышка происходит сборка субъединиц рибосом. В активно функционирующих ядрышках синтезируется 1500-3000 рибосом в минуту. Рибосомы из ядрышка через поры в ядерной оболочке поступают на мембраны эндоплазматической сети. Количество и образование ядрышек связано с активностью ядрышковых организаторов. Изменения числа ядрышек могут происходить за счет слияния ядрышек или при сдвигах в хромосомном балансе клетки. Обычно в ядрах содержится несколько ядрышек. В ядрах некоторых клеток (ооциты тритонов) содержится большое количество ядрышек. Это явление получило название амплификации. Оно заключается в организации систем управления качеством, что происходит сверхрепликация зоны ядрышкового организатора, многочисленные копии отходят от хромосом и становятся дополнительно работающими ядрышками. Такой процесс необходим для накопления огромного количества рибосом на яйцеклетку. Благодаря этому обеспечивается развитие эмбриона на ранних стадиях даже при отсутствии синтеза новых рибосом. Сверхчисленные ядрышки после созревания яйцевой клетки исчезают.

Судьба ядрышка при делении клеток. По мере затухания синтеза р-РНК в профазе происходит разрыхление ядрышка и выход готовых рибосом в кариоплазму, а затем и в цитоплазму. При конденсации хромосом фибриллярный компонент ядрышка и часть гранул тесно ассоциируют с их поверхностью, образуя основу матрикса митотических хромосом. Этот фибриллярно-гранулярный материал переносится хромосомами в дочерние клетки. В ранней телофазе по мере деконденсации хромосом происходит высвобождение компонентов матрикса. Его фибриллярная часть начинает собираться в мелкие многочисленные ассоциаты - предъядрышки, которые могут объединяться друг с другом. По мере возобновления синтеза РНК предъядрышки превращаются в нормально функционирующие ядрышки.

Кариоплазма (от греч. < карион > – орех, ядро ореха), или ядерный сок, в виде бесструктурной полужидкой массы окружает хроматин и ядрышки. Ядерный сок содержит белки и различные РНК.

Ядерный белковый матрикс (ядерный скелет) - каркасная внутриядерная система, которая служит для поддержания общей структуры интерфазного ядра объединения всех ядерных компонентов. Представляет собой нерастворимый материал, остающийся в ядре после биохимических экстракций. Он не имеет четкой морфологической структуры и состоит на 98% из белков.

ЯДЕРНЫЙ МАТРИКС слева - схема строения ядер до экстракции; справа - после экстракции; 1 - примембранный белковый слой (ламина) и поровые комплексы; 2 - межхроматиновая белковая сеть матрикса; 3 - белковый матрикс ядрышка

Ядерный матрикс: определение Эухроматин и гетерохроматин ассоциированы внутри ядра с сетью нехроматиновых фибриллярных и гранулярных структур. Еще 50 лет назад было показано существование фракции ядерных белков, образующей в ядре фибриллярную сеть нуклеопротеинов. Термин ядерный матрикс (nuclear matrix) был предложен для этой структуры Berezney и Coffey (1974). В связи с тем, что понятие ядерного матрикса является операционно определяемым, разные авторы включают в его состав различные структуры. Так, в большинстве случаев считается, что ядерный матрикс (остов, scaffold) - это внутриядерная сеть фибриллярных и гранулярных компонентов, периферическая ламина с поровыми комплексами и остаточное ядрышко, участвующие в процессах функционирования генома (инициации синтеза и репликации ДНК, а также в синтезе, процессинге и транспорте РНК), его поддержании и расположении хромосом в ядре.

Матрикс ядерный: структура Белки ДНК РНК Фосфолипиды Некоторые исследования заставляют предположить, что структурное единство ядерного матрикса обусловлено металло-протеиновыми взаимодействиями, подобными имеющим место во время выделения матрикса по методикам, базирующимся на включении ионов кальция или меди, а также магния.

Белковый состав ядерного матрикса очень сильно зависит от способов и условий его выделения. Лишь некоторые из множества матриксных белков выделены и охарактеризованы: Структурные белки - ламин А, ламин В 1, В 2 и ламин С, нуклеопротеин В-23 и белки остаточных hn. RNP-частиц, матрины; Регуляторные белки - негистоновые хромосомные белки, ядерные кислые белки, группа ядерных протеинов с высокой подвижностью (HMG), различные факторы транскрипции и ферменты метаболизма нуклеиновых кислот. Из них особо надо отметить топоизомеразу II , которая также является одним из компонентов матрикса (и метафазных хромосом) и присутствует там в достаточно больших количествах, определяя топологический статус хромосомной ДНК. Последовательность одинаково ориентированных ламинов А, В и С (мол. масса 65 -70 к. Д) образуют ядерную ламину (жесткая структура, подстилающая ядерную мембрану, причастная к организации хроматина). Ядерная ламина контактирует с хроматином и ядерными РНК. В результате ассоциации трех главных полипептидов, путем димерного взаимодействия происходит их укладка в 10 -нм структуры, присоединяющиеся к специфическим белкам ядерной мембраны через С-ламин. Вламин, видимо, связан с определенными участками хромосом. Ламин А осуществляет связь между С и В ламинами. Важной функцией полипептидов ядерного матрикса является дезинтеграция ядерной оболочки в процессе митоза. Матринам (matrins) отводится роль основных структурных белков матрикса в узком смысле. Это матрин 3 (12 k. D, обладает слабо кислыми свойствами), матрин 4 (105 k. D, основной), матрин D-G (60 -75 k. D, основной) и матрин 12 и 13 (42 -48 k. D, обладают кислыми свойствами).

Ядерный матрикс: взаимодействие с ДНК Участки ДНК, специфически связывающиеся с ядерным матриксом, принимают, повидимому важное участие в процессах регуляции активности генов, а также в процессах репликации, сплайсинга РНК и ее переноса из ядра в цитоплазму. Ламины, топоизомеразы II, специальные AT-богатые последовательности связывающие белок 1 (SATB 1) и матрикс свзязывающий фактор-B 1 (SAFB 1), являются ключевыми игроками в фундаментальных ядерных процессах. В эукариотических организмах хроматин прикрепляется к ядерной матрице короткими последовательностями ДНК около 100 -2000 п. о. , это так называемый матрикс связывающий регион (MARs). Сильное взаимодействие между MARs и нерастворимыми белками ядерного матрикса защищает эти последовательности от ионного буфера и нуклеаз. Как правило, MAR/SARпоследовательности фланкируют гены, однако в ряде случаев их обнаруживают и внутри генов, но в составе интронов, а также вблизи энхансеров. Взаимодействия ДНК с ядерным матриксом делятся на: перманентные (то есть присутствующие и в неактивном ядре) функционально-зависимые (временные, динамические) Высшие структуры хроматина интерфазных и метафазных хромосом, вероятно, будут поддерживаться перманентными MARs. Динамические временные объединения MARs будут вовлечены в геномные функции, так как они соотносятся с транскрипцией или репликацией генетического локуса, с которыми они связаны.

MARs и регуляция транскрипции Опишем регуляцию транскрипции на примере Т-клеточной дифференцировки. После стимуляции антигеном, наивный помощник CD 4 T-лимфоцит дифференцируется в эффекторные Th 1 и Th 2 клетки. У мышей, IFNG (ген цитокинов интерферона-γ) будет молчать в наивных Т-лимф-х, но транскрибируется в активированных Th 1 клеток. В наивных Т-лимф-х IFNG существует в линейной конформации, но в Th 1 клетки он присутствует в виде петель, связанных с ядерной матрицей с помощью MARs 7 кб с одной стороны и 14 кб с др. стороны от локуса. Отсутствие селективной привязанности ДНК к ядерной матрице в наивных Тклетках показывает, что динамические связи ДНК с матрицей формируют петли, способствующие экспрессии IFNG локуса. Молекулярные механизмы перманентной связи можно показать на примере локуса, в котором содержится кластер согласованно регулируемых генов IL 4 , IL 13 и IL 5. Эти гены экспрессируются в клетках Th 2, но молчат в наивных Т-лимф-х. После активации Th 2, экспрессия гена SATB 1(специальная AT-богатой последовательностью -связывающий белок-1) быстро индуцируется, и MARs образует мелкие петли, способствующие экспрессии гена. Down-регуляция экспрессии SATB 1 РНКинтерференцией предотвращает как формирование этой петлевой структуры, так и активацию транскрипции локуса. В SATB 1 -null тимоцитах экспрессия многих генов нарушена и Т-клеточное развития в SATB 1 -дефицитных мышей преждевременно блокируется. Эти результаты показывают, что связывание SATB 1 на MARs регулирует экспрессию генов Т-кл дифференцировки по реорганизации хроматина высшего порядка.

Транскрипция в эукариотических клетках В эукариотических клеток синтез м. РНК сосредоточен в очагах внутри ядра, которые содержат РНК-полимеразы, РНК-транскриптазы, факторы транскрипции м. РНК и факторы обработки. Сохранение РНКполимеразы II и общих факторов транскрипции в ядрах после экстракции растворимых белков и нуклеазы, говорит о том, что транскрипционные факторы собрались на ядерном матриксе. Предполагают, что динамические взаимодействия между MARs и матриксом объединяет проксимальные и дистальные регуляторные последовательности и собирает их близко к факторам транскрипции, тем самым способствуя эффективной регуляции экспрессии генов. Связь MARs и ядерного матрикса топологически ограничивает ДНК в петлю структур, защищая промежуточные ДНК от влияния цисрегуляторных элементов. Таким образом, можно говорить, что MARs выполняет такие функции, как платформа для широкого спектра матричных протеинов Такие взаимодействия образуют сложные нуклеопротеидные структуры, которые: изолируют домены хроматина регулируют экспрессию генов

Упрощенная модель изображающая функцию MARs в регуляции генов Активация транскрипции сопровождается закрепления MARs ядерного матрикса. Это приводит к формированию петель. Транскрипционный комплекс собирается на месте MARs. Взаимодействие MARs с ядерным матриксом объединяет кодирующие последовательности, регуляторные элементы ДНК и факторы транскрипции. В конце фазы S, транскрипционный комплекс разрушается.

MARs и репликация Чтобы убедиться, что геном копируется точно, и только один раз за клеточный цикл, эукариоты развили сложные механизмы регулирования репликации ДНК. В очаге репликации, ядерный матрикс содержит факторы, необходимые для репликации ДНК: ДНК-полимеразы ядерный антиген пролиферирующих клеток (PCNA) однонитевой связывающий белок (RPA) Считается, что выбор и размер репликона определяется в ранней G 1 фазе. MCM 2 (фактор лицензирования ДНК репликации), ORC 1, 2 (origin recognition complex) загружаются в репликативный комплекс постепенно, но быстро исключаются в S фазу. Это соответствует модели, в которой MARs стабильно закрепляет концы репликона, а во время G 1 происходит присоединение Oris к ядерной матрице, где матрице накапливаются факторы для формирования предварительного репликативного комплекса. Впоследствии, как число Oris увеличивается в фазе S, определенные белковые факторы отсоединяются от хроматина и проходят протеолиз - как часть механизма управления, чтобы предотвратить повторную репликацию - таким образом освобождая Oris от ядерного матрикса. На концах репликона, MARs может выступать в качестве барьеров между соседними репликонами, предотвращая накопление суперспирализованной структуры ДНК, обеспечивая при этом сайты связывания для топоизомеразы II, которая может разрешить репликацию промежуточных продуктов.

Схема репликации ДНК на ядерной матрице (а) Репликоны определены в ранней фазе G 1 клеточного цикла путем присоединения MARs к ядерному матриксу. (б) В конце G 1 - начало репликации (Oris) - собираются факторы репликации на этих сайтах (с) Как только необходимые митогенные стимулы были получены, клетки вступают в фазу S, на котором Oris активизируются. После инициации репликации в определенном локусе, факторы инициации отмежеваються от ядерного матрикса. Две петли репликации ДНК постепенно появляются (показаны синим цветом) (d) В конце фазы S, репликативные комплексы разрушаются.

Липиды ядерного матрикса Фосфолипиды (сфингомиелин – обычно преобладает, ФХ, ФЭ, кардиолипин (у крыс)); Нейтральные липиды (свободный холестерин, много триглицеридов и свободных жирных кислот, мало эфиров холестерина, а диглицериды вообще отсутствуют (у крыс)). Предполагают два типа контактов петель ДНК с ядерным матриксом: Øдинамичный - функциональный, за счет фосфолипидов, возможно, кардиолипина и сфингомиелина, через его сфингозиновую группу (участие сфингомиелина в точках инициации репликации ДНК на матриксе, тем более, что сфингомиелин оказывает сильный дестабилизирующий эффект на вторичную структуру ДНК); Øстабильный - прочный за счет нейтральных липидов (регуляции синтеза нуклеиновых кислот как на уровне модификации активности протеинкиназы С, так и в результате взаимодействия с матрицей ДНК (жирные кислоты, холестерин)).

Мы уже познакомились с тем, что в интерфазном ядре развернутые хромосомы располагаются не хаотично, а строго упорядоченно. Такая организация хромосомы в трехмерном пространстве ядра необходима не только для того, чтобы при митозе происходила сегрегация хромосом, их обособление от соседей, но и кроме того необходима для упорядочения процессов репликации и транскрипции хроматина. Можно предполагать, что для осуществления этих задач должна существовать какая-то каркасная внутриядерная система, которая может служить объединяющей основой для всех ядерных компонентов – хроматина, ядрышка, ядерной оболочки. Такой структурой является белковый ядерный остов или матрикс . Необходимо сразу же оговориться, что ядерный матрикс не представляет собой четкой морфологической структуры: он выявляется как отдельный морфологический гетерогенный компонент при экстракции из ядер практически всех участков хроматина, основной массы РНК и липопротеидов ядерной оболочки. От ядра, которое не теряет при этом своей общей морфологии, оставаясь сферической структурой, остается как бы каркас, остов, который иногда называют еще «ядерным скелетом».

Впервые компоненты ядерного матрикса (остаточные ядерные белки) были выделены и охарактеризованы в начале 60-х годов. Было обнаружено, что при последовательной обработке изолированных ядер печени крыс 2 М раствором NaCI, а затем ДНКазой, происходит полное растворение хроматина, а основными структурными элементами ядра остаются: ядерная оболочка, связанные с ней компоненты – нуклеонемы (ядерные нити), содержащие белок и РНК, и ядрышки. Была высказана гипотеза, что фибриллы хроматина в нативных ядрах прикреплены к этим осевым белковым нитям наподобие «ершика для чистки бутылок» (см. рис. 67).

Значительно позднее (середина 70-х годов) эти работы получили развитие и привели к появлению массы новых сведений о нехроматиновых белках ядерного остова и о его роли в физиологии клеточного ядра. В это же время был предложен термин «ядерный матрикс» для обозначения остаточных структур ядра, которые могут быть получены в результате последовательных экстракций ядер различными растворами. Новым в этих приемах было использование неионных детергентов, таких как Тритон Х-100, растворяющих ядерные липопротеидные мембраны.

Последовательность обработки выделенных ядер, приводящая к получению препаратов ядерного матрикса, обогащенного белком, следующая (см. табл. 6).

Таблица 6 . Экстракция (в %) ядерных компонентов в процессе получения ядерного белкового матрикса

Изолированные ядра, полученные в растворах 0,25 М сахарозы, 0,05 М Трис-HCI буфера и 5 мМ MgCI 2 помещались в раствор низкой ионной силы (LS), где деградировала основная масса ДНК за счет эндонуклеазного расщепления. В 2 М NaCI (HS) в дальнейшем происходила диссоциация хроматина на гистоны и ДНК, шла дальнейшая экстракция фрагментов ДНК и различных белков. Последующая обработка ядер в 1% растворе Тритона Х-100 приводила почти к полной потере фосфолипидов ядерной оболочки и получению ядерного матрикса (NM), содержащего остатки ДНК и РНК, которые дополнительно растворялись при обработке нуклеазами, в результате чего получали конечную фракцию ядерного белкового матрикса (NPM). Он состоит на 98% из негистоновых белков, в него, кроме того, входит 0,1% ДНК, 1,2% РНК, 1,1% фосфолипидов.

Химический состав ядерного матрикса, полученный таким способом сходен у различных объектов (см. табл. 7).

Таблица 7 . Состав ядерного белкового матрикса

По своей морфологической композиции ядерный матрикс состоит,по крайней мере, из трех компонентов: периферический белковый сетчатый (фиброзный) слой – ламина (nuclear lamina, fibrous lamina), внутренняя или интерхроматиновая сеть (остов) и «остаточное» ядрышко (рис. 68).

Ламина представляет собой тонкий фиброзный слой, подстилающий внутреннюю мембрану ядерной оболочки. В ее состав входят так же комплексы ядерных пор, которые как бы вмурованы в фиброзный слой. Часто эту часть ядерного матрикса называют фракцией «поровый комплекс – ламина» (PCL – “pore complex – lamina”). В интактных клетках и ядрах ламина большей частью морфологически не выявляется, т.к. к ней тесно прилегает слой периферического хроматина. Лишь иногда ее удается наблюдать в виде относительного тонкого (10-20 нм) фиброзного слоя, располагающегося между внутренней мембраной ядерной оболочки и периферическим слоем хроматина.

Структурная роль ламины очень велика: она образует сплошной фиброзный белковый слой по периферии ядра, достаточный для того, чтобы поддерживать морфологическую целостность ядра. Так удаление обеих мембран ядерной оболочки с помощью Тритона Х-100 не вызывает распада, растворения ядер. Они сохраняют свою округлую форму и не расплываются даже в случае перевода их в низкую ионную силу, когда происходит набухание хроматина.

Внутриядерный остов или сеть морфологически выявляется только после экстракции хроматина. Он представлен рыхлой фиброзной сетью, располагающейся между участками хроматина, часто в состав этой губчатой сети входят различные гранулы РНП-природы.

Наконец, третий компонент ядерного матрикса – остаточное ядрышко – плотная структура, повторяющая по своей форме ядрышко, также состоит из плотно уложенных фибрилл.

Морфологическая выраженность этих трех компонентов ядерного матрикса, так же как и количество во фракциях, зависит от целого ряда условий обработки ядер. Лучше всего элементы матрикса выявляются после выделения ядер в относительно высоких (5 мМ) концентрациях двухвалентный катионов.

Обнаружено, что для выявления белкового компонента ядерного матрикса большое значение имеет образование дисульфидных связей. Так если ядра предварительно инкубировать с иодацетамидом, препятствующим образованию S-S связей, а затем вести ступенчатую экстракцию, то ядерный матрикс представлен только комплексом PCL. Если же использовать тетратионат натрия, вызывающий замыкание S-S связей, то ядерный матрикс представлен всеми тремя компонентами. В ядрах, предварительно обработанных гипотоническими растворами, выявляются только ламина и остаточные ядрышки.

Все эти наблюдения привели к выводу, что компоненты ядерного матрикса представляют собой не застывшие жесткие структуры, а компоненты, обладающие динамической подвижностью, которые могут меняться не только в зависимости от условий их выделения, но и от функциональных особенностей нативных ядер. Так, например, в зрелых эритроцитах кур весь геном репрессирован и хроматин локализован преимущественно на периферии ядра, в этом случае внутренний матрикс не выявляется, а только ламина с порами. В эритроцитах 5-дневных куриных эмбрионов, ядра которых сохраняют транскрипционную активность, элементы внутреннего матрикса выражены отчетливо.

Как было видно из табл. 7, основной компонент остаточных структур ядра – белок, содержание которого может колебаться от 98 до 88%. Белковый состав ядерного матрикса из разных клеток довольно близок. Характерными для него являются три белка фиброзного слоя, и носящих название ламинов . Кроме этих основных полипептидов в матриксе присутствует большое количество минорных компонентов с молекулярными массами от 11-13 до 200 кД.

Ламины представлены тремя белками (ламины A, B, C). Два из них, ламины A и C, близки друг к другу иммунологически и по пептидному составу. Ламин B от них отличается тем, что он представляет собой липопротеид и поэтому он более прочно связывается с ядерной мембраной. Ламин B остается в связи с мембранами даже во время митоза, тогда как ламины А и С освобождаются при разрушении фиброзного слоя и диффузно распределяются по клетке.

Как оказалось, ламины близки по своему аминокислотному составу промежуточным микрофиламентам (виментиновым и цитокератиновым), входящим в состав цитоскелета. Часто фракция выделенных ядер, а также препараты ядерного матрикса содержат значительные количества промежуточных филаментов, которые остаются связанными с периферией ядра даже после удаления ядерных мембран.

В отличие от промежуточных филаментов ламины при полимеризации не образуют нитчатых структур, а организуются в сети с ортогональным типом укладки молекул. Такие сплошные решетчатые участки, подстилают внутреннюю мембрану ядерной оболочки, могут разбираться при фосфорилировании ламинов, и вновь полимеризоваться при их дефосфорилированиии, что обеспечивает динамичность как этого слоя, так и всей ядерной оболочки.

Молекулярная характеристика белков внутриядерного остова детально еще не разработана. Показано, что в его состав входят ряд белков, принимающих участие в доменной организации ДНК в интерфазном ядре в создании розетковидной, хромомерной формы упаковки хроматина. Предположение о том, что элементы внутреннего матрикса представляют собой сердцевины розеточных структур хромомеров находит подтверждение в том, что полипептидный состав матрикса интерфазных ядер (за исключением белков ламины) и остаточных структур метафазных хромосом (осевые структуры или «скэффолд») практически одинаковы. В обоих случаях эти белки отвечают за поддержание петлевой организации ДНК.