Ядрышко ( / nj uː ˈ k l iː ə l ə s , ˌ nj uː k l i ˈ oʊ l ə s / ; мн. ч. : nucleoli /- l aɪ / ) является самой большой структурой в ядре эукариотических клеток . [ 1] Он наиболее известен как место биогенеза рибосом . Ядрышко также участвует в формировании частиц распознавания сигнала и играет роль в реакции клетки на стресс . [2] Ядрышки состоят из белков , ДНК и РНК , и образуются вокруг определенных хромосомных областей , называемых ядрышковыми организующими областями . Неисправность аппарата Гольджи означает , что нуклеоцид является причиной нескольких человеческих состояний , называемых «нуклеолопатиями» [3] [4] и ядрышко исследуется как мишень для химиотерапии рака . [5] [6]
Ядрышко было идентифицировано с помощью микроскопии светлого поля в 1830-х годах. [7] Теодор Шванн в своем трактате 1939 года описывает, что Шлейден идентифицировал маленькое тельце в ядрах, и называет структуру «Kernkörperchen». В переводе работы на английский язык 1947 года структура получает название «ядрышко». [8] [9]
В дополнение к этим особенностям цитобласта, уже известным Брауну и Мейену, Шлейден обнаружил внутри него небольшое тельце (см. таблицу I, рис. 1, 4), которое в полностью развитом цитобласте выглядит как толстое кольцо или толстостенный полый шарик. Однако, по-видимому, оно имеет разный вид в разных цитобластах. Иногда можно различить только внешний резко очерченный круг этого кольца с темной точкой в центре, — иногда, и действительно чаще всего, только резко очерченное пятно. В других случаях это пятно очень мало, а иногда его вообще невозможно распознать. Поскольку в следующем трактате часто придется говорить об этом теле, я для краткости назову его «ядрышком» (Kernkorperchen, «ядро-тело»).
— Теодор Шванн, перевод Генри Смита, Микроскопические исследования соответствия в строении и росте животных и растений, стр. 3
Мало что было известно о функции ядрышка до 1964 года, когда исследование [10] ядрышек 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 не были способны к жизни. Половина яиц имели одно ядрышко, а 25% — два. Они пришли к выводу, что ядрышко имеет функцию, необходимую для жизни. В 1966 году Макс Л. Бирнштиль и его коллеги показали с помощью экспериментов по гибридизации нуклеиновых кислот , что ДНК в ядрышках кодирует рибосомальную РНК . [11] [12]
Выделяют три основных компонента ядрышка: фибриллярный центр (FC), плотный фибриллярный компонент (DFC) и гранулярный компонент (GC). [1] Транскрипция рДНК происходит в FC. [13] DFC содержит белок фибрилларин , [13] который важен для процессинга рРНК. GC содержит белок нуклеофосмин , [13] (B23 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 с переходом от анамниот к амниотам . Отражая существенное увеличение межгенной области ДНК , исходный фибриллярный компонент разделился бы на FC и DFC. [14]
Другая структура, обнаруженная во многих ядрышках (особенно у растений), представляет собой прозрачную область в центре структуры, называемую ядрышковой вакуолью. [15] Было показано, что ядрышки различных видов растений имеют очень высокую концентрацию железа [16] в отличие от ядрышек клеток человека и животных.
Ультраструктуру ядрышка можно увидеть с помощью электронного микроскопа , в то время как организацию и динамику можно изучить с помощью флуоресцентной маркировки белка и флуоресцентного восстановления после фотообесцвечивания ( FRAP ). Антитела к белку PAF49 также можно использовать в качестве маркера ядрышка в экспериментах по иммунофлуоресценции. [17]
Хотя обычно можно увидеть только одно или два ядрышка, диплоидная клетка человека имеет десять областей организаторов ядрышка (NOR) и может иметь больше ядрышек. Чаще всего в каждом ядрышке участвуют несколько NOR. [18]
В биогенезе рибосом требуются две из трех эукариотических РНК-полимераз ( Pol I и Pol III ), и они функционируют скоординированно. На начальном этапе гены рРНК транскрибируются как единое целое в ядрышке с помощью РНК-полимеразы I. Для того чтобы эта транскрипция произошла, требуются несколько факторов, связанных с pol I, и ДНК-специфических транс-действующих факторов. У дрожжей наиболее важными являются: UAF ( фактор активации вверх по течению ), TBP (белок, связывающий TATA-box) и фактор связывания ядра (CBF), которые связывают элементы промотора и образуют преинициативный комплекс (PIC), который, в свою очередь, распознается РНК-полимеразой. У людей аналогичный PIC собирается с помощью SL1 , фактора селективности промотора (состоящего из TBP и факторов, связанных с TBP , или TAF), факторов инициации транскрипции и UBF (фактор связывания вверх по течению). РНК-полимераза I транскрибирует большинство транскриптов рРНК ( 28S , 18S и 5.8S ), но субъединица 5S рРНК (компонент 60S рибосомальной субъединицы) транскрибируется РНК-полимеразой III. [19]
Транскрипция рРНК дает длинную молекулу-предшественника ( 45S пре-рРНК ), которая все еще содержит внутренний транскрибируемый спейсер (ITS) и внешний транскрибируемый спейсер (ETS). Дальнейшая обработка необходима для генерации молекул РНК 18S, 5.8S и 28S. У эукариот ферменты, модифицирующие РНК, переносятся в соответствующие им сайты распознавания путем взаимодействия с направляющими РНК, которые связывают эти специфические последовательности. Эти направляющие РНК относятся к классу малых ядрышковых РНК ( мякРНК ), которые образуют комплекс с белками и существуют как малые ядрышковые рибонуклеопротеины ( мякРНК ). После того, как субъединицы рРНК обработаны, они готовы к сборке в более крупные рибосомные субъединицы. Однако также необходима 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 последовательность ДНК 5S лежит вне NOR и транскрибируется РНК Pol III в нуклеоплазме , после чего попадает в ядрышко, чтобы принять участие в сборке рибосомы. Эта сборка включает не только рРНК, но и рибосомные белки . Гены, кодирующие эти r-белки, транскрибируются Pol II в нуклеоплазме по «обычному» 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 r-белков приводят к образованию 40S (малой) и 60S (большой) субъединиц полной рибосомы. Они экспортируются через комплексы ядерных пор в цитоплазму, где они остаются свободными или связываются с эндоплазматическим ретикулумом , образуя шероховатый эндоплазматический ретикулум (ШЭР). [20] [21]
В клетках эндометрия человека иногда образуется сеть ядрышковых каналов. Происхождение и функция этой сети пока еще четко не определены. [22]
В дополнение к своей роли в рибосомальном биогенезе, ядрышко, как известно, захватывает и иммобилизует белки, процесс, известный как задержание ядрышка. Белки, задержанные в ядрышке, не способны диффундировать и взаимодействовать со своими партнерами по связыванию. Целями 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 областей ядрышка. [23]
