Ядрышко ( / nj uː ˈ k l iː ə l ə s , ˌ nj uː k l i ˈ oʊ l ə s / ; мн.: ядрышки / -l aɪ / ) — самая крупная структура в ядре эукариотических клеток . [1] Он наиболее известен как место биогенеза рибосом , то есть синтеза рибосом. Ядрышко также участвует в формировании частиц распознавания сигналов и играет роль в реакции клетки на стресс. [2] Ядрышки состоят из белков , ДНК и РНК и формируются вокруг определенных хромосомных областей, называемых ядрышковыми организующими областями . Нарушение функции ядрышек может быть причиной нескольких состояний человека, называемых «нуклеопатиями» [3] [4], и ядрышко исследуется как мишень для химиотерапии рака . [5] [6]
Ядрышко было идентифицировано с помощью светлопольной микроскопии в 1830-х годах. [7] Мало что было известно о функции ядрышка до 1964 года, когда исследование [8] ядрышек, проведенное Джоном Гердоном и Дональдом Брауном у африканской шпорцевой лягушки Xenopus laevis, вызвало растущий интерес к функции и детальной структуре ядрышка. Они обнаружили, что 25% яиц лягушек не имели ядрышка и что такие яйца нежизнеспособны. Половина яиц имела одно ядрышко, а 25% — два. Они пришли к выводу, что ядрышко выполняет функцию, необходимую для жизни. В 1966 году Макс Л. Бирнстил и его коллеги с помощью экспериментов по гибридизации нуклеиновых кислот показали , что ДНК в ядрышках кодирует рибосомальную РНК . [9] [10]
Выделяют три основных компонента ядрышка: фибриллярный центр (FC), плотный фибриллярный компонент (DFC) и зернистый компонент (GC). [1] Транскрипция рДНК происходит в ФК. [11] DFC содержит белок фибрилларин , [11] который важен в процессинге рРНК. В ГК содержится белок нуклеофосмин , [11] (В23 на внешнем изображении), который также участвует в биогенезе рибосом .
Однако было высказано предположение, что эта конкретная организация наблюдается только у высших эукариот и что она развилась из двудольной организации при переходе от анамниот к амниотам . Отражая существенное увеличение межгенной области ДНК , исходный фибриллярный компонент должен был разделиться на FC и DFC. [12]
Другая структура, обнаруженная во многих ядрышках (особенно у растений), представляет собой четкую область в центре структуры, называемую ядрышковой вакуолью. [13] Было показано, что ядрышки различных видов растений содержат очень высокие концентрации железа [14] в отличие от ядрышек клеток человека и животных.
Ультраструктуру ядрышка можно увидеть с помощью электронного микроскопа , а организацию и динамику можно изучить с помощью флуоресцентного мечения белков и восстановления флуоресценции после фотообесцвечивания ( FRAP ). Антитела против белка PAF49 также можно использовать в качестве маркера ядрышка в экспериментах по иммунофлуоресценции. [15]
Хотя обычно можно увидеть только одно или два ядрышка, диплоидная человеческая клетка имеет десять областей организатора ядрышка (ЯОР) и может иметь больше ядрышек. Чаще всего в каждом ядрышке участвуют несколько ЯОР. [16]
Для биогенеза рибосом необходимы две из трех эукариотических РНК-полимераз ( Pol I и Pol III ), и они функционируют скоординировано. На начальной стадии гены рРНК транскрибируются как единая единица внутри ядрышка с помощью РНК-полимеразы I. Для того чтобы произошла эта транскрипция, необходимы несколько факторов, связанных с pol I, и ДНК-специфичных транс-действующих факторов. У дрожжей наиболее важными являются: UAF ( восходящий активирующий фактор ), TBP (белок, связывающий ТАТА-бокс) и основной связывающий фактор (CBF), которые связывают элементы промотора и образуют преинициативный комплекс (PIC), который, в свою очередь, распознается с помощью РНК-полимеразы. У людей аналогичный PIC собирается с SL1 , фактором селективности промотора (состоящим из TBP и TBP-ассоциированных факторов , или TAF), факторами инициации транскрипции и UBF (восходящим фактором связывания). РНК-полимераза I транскрибирует большинство транскриптов рРНК (28S, 18S и 5,8S), но субъединица 5S рРНК (компонент рибосомальной субъединицы 60S) транскрибируется РНК-полимеразой III. [17]
Транскрипция рРНК приводит к образованию длинной молекулы-предшественника (45S пре-рРНК), которая все еще содержит ITS и ETS. Для создания молекул 18S РНК, 5,8S и 28S РНК необходим дальнейший процессинг. У эукариот ферменты, модифицирующие РНК, доставляются к соответствующим сайтам узнавания за счет взаимодействия с направляющими РНК, которые связывают эти специфические последовательности. Эти направляющие РНК относятся к классу малых ядрышковых РНК ( мякРНК ), которые находятся в комплексе с белками и существуют в виде малых ядрышкорибонуклеопротеинов ( мякРНП ) . После процессинга субъединиц рРНК они готовы к сборке в более крупные рибосомальные субъединицы. Однако необходима также дополнительная молекула рРНК, 5S рРНК. У дрожжей последовательность 5S рДНК локализована в межгенном спейсере и транскрибируется в ядрышке РНК-полимеразой.
У высших эукариот и растений ситуация более сложная, поскольку 5S-последовательность ДНК лежит вне ЯОР и транскрибируется РНК Пол III в нуклеоплазме , после чего попадает в ядрышко для участия в сборке рибосомы. В этой сборке участвуют не только рРНК, но и рибосомальные белки. Гены, кодирующие эти r-белки, транскрибируются Pol II в нуклеоплазме по «традиционному» пути синтеза белка (транскрипция, процессинг пре-мРНК, ядерный экспорт зрелой мРНК и трансляция на цитоплазматических рибосомах). Зрелые r-белки затем импортируются в ядро и, наконец, в ядрышко. Ассоциация и созревание рРНК и р-белков приводят к образованию 40S (малых) и 60S (больших) субъединиц полной рибосомы. Они экспортируются через комплексы ядерных пор в цитоплазму, где остаются свободными или связываются с эндоплазматической сетью , образуя шероховатый эндоплазматический ретикулум (RER). [18] [19]
В клетках эндометрия человека иногда образуется сеть ядрышковых каналов. Происхождение и функции этой сети до сих пор четко не определены. [20]
Помимо своей роли в биогенезе рибосом, ядрышко, как известно, захватывает и иммобилизует белки - процесс, известный как ядрышковое задержание. Белки, задержанные в ядрышке, не способны диффундировать и взаимодействовать со своими партнерами по связыванию. Мишенью этого посттрансляционного регуляторного механизма являются VHL , PML , MDM2 , POLD1 , RelA , HAND1 и hTERT , среди многих других. Сейчас известно, что за это явление ответственны длинные некодирующие РНК , происходящие из межгенных участков ядрышка. [21]