МедУнивер - MedUniver.com Все разделы сайта Видео по медицине Книги по медицине Форум консультаций врачей  
Рекомендуем:
Генетика:
Генетика
Аномалии хромосом
Биология клетки
Генетика врожденных пороков
Генетика рака - опухолей
Молекулярная генетика
Наследственные синдромы
Цитогенетика - исследование хромосом
Лечение наследственных болезней
Фармакогенетика
Форум
 

Перспективы изучения ядра клетки

На сегодняшний день строение клеточного ядра и механизмы ядерного транспорта представляют собой две наиболее активно исследуемых области биологии клетки. Во взглядах на существование и функционирование опорных структур ядра господствует неопределенность. Содержатся ли в ядре скелетные структуры, которые играют роль, сходную с ролью цитоскелета в организации цитоплазмы и во внутриклеточном транспорте?

При исчерпывающей экстракции ядер остаются короткие филаменты, частично организованные в нерастворимую сеть. Однако как они организованы в ядре живой клетки? Прикрепляются ли машины репликации в опорным ядерным структурам? Если да, то тогда ДНК, на которой работают эти машины, должна находиться в движении, а сами машины должны быть фиксированы. Существуют ли аналогичные фабрики транскрипции?

Методами иммуногистохимии уже идентифицировано много ядерных субкомпартментов или телец, и ожидается, что это количество будет еще увеличиваться. Как построены эти тельца; какие белки они содержат; и что определяет их белковый состав и условия формирования? Хотя некоторые из этих компартментов, вероятно, функционируют как хранилища факторов, необходимых для процессинга, мы не знаем механизмов поступления макромолекул и их комплексов в эти структуры и выхода из них.

Может быть, окажется возможным получить очищенные или обогащенные препараты этих субъядерных компартментов и использовать протеомные методы для определения их состава, подобно тому, как сделано для ядрышек и ядерных спеклов. Такие подходы могут дать ключ к выяснению функций субкомпартментов, и помочь сформулировать представления относительно их возможной роли.

Мы также не знаем, каким образом происходит позиционирование белков на внутренней и внешней мембранах ядра. По-видимому, для некоторых белков внутренней ядерной мембраны частью механизма адресования является транслокация в ЭПР. Эти белки мигрируют с внешней ядерной мембраны на внутреннюю через изгиб мембраны поблизости от ЯПК. Пересекают ли некоторые белки внутренней ядерной мембраны перинуклеарное пространство?

ЯПК по размеру в 40 раз превышает рибосому, однако из-за симметричной структуры она содержит меньше различных полипептидов, по сравнению с рибосомой. В митозе, при распаде ядерной оболочки, ЯПК пропадают. Это не означает полного их исчезновения, и полагают, что нуклеопорины остаются в виде субкомплексов. Каков механизм сборки пор при повторном формировании ядерной оболочки? В течение интерфазы происходит удвоение количества ЯПК Образуются ли новые поры по тому же механизму, по которому они собираются по окончании митоза?

Сравнительно низкое относительное содержание нуклеопоринов придает этому вопросу особую остроту.

Ядро клетки млекопитающих
Клетка HeLa, представляющая собой клетку карциномы шейки матки,
обладает ядром, хорошо видимым в световом микроскопе.

Как построен ЯПК? Можно ли решить этот вопрос с помощью рентгеноструктурного анализа? Необходимо принимать во внимание несколько факторов, сильно усложняющих проблему. Во-первых, для получения кристаллов необходимо большое количество очищенного материала, а ЯПК трудно выделяются в очищенном виде, даже если в качестве исходного материала используются перфорированные ламеллы цитоплазмы, не содержащие ядерной ламины. Во-вторых, для поддержания трехмерной нативной структуры ЯПК может оказаться необходимой связь комплекса с ядерной оболочкой.

Хотя современное состояние экспериментальной базы позволило установить строение некоторых мембранных белков, исследование структуры ЯПК представляет собой гораздо более сложную задачу, чем для растворимых или небольших мембранных белков. Поскольку каждый ЯПК обычно окружен ядерной мембраной, получение кристаллов, для формирования которых необходима ассоциация с мембраной, может оказаться вообще невозможным. В дополнение ко всему, ЯПК представляют собой очень большие по размеру структуры; правда, оказалось возможным получить данные по строению вирусных частиц примерно таких же размеров. В настоящее время предпринимаются попытки использовать для исследования деталей структуры ЯПК новые методические подходы, такие как электронную микроскопию высокого разрешения и масс-спектрометрический анализ.

Для дальнейших исследований ЯПК, вероятно, необходима комбинация различных экспериментальных подходов, включая очистку субкомплексов и установление их строения с помощью рентгеноструктурного анализа, сборку субкомплексов in vitro, и подходы к исследованию их организации in vivo, например, с использованием эффекта флуоресцентного резонансного переноса энергии. Вместе все эти подходы должны привести к установлению полной белковой карты ЯПК.

Хотя за последние десять лет в исследованиях ядерного транспорта был достигнут существенный прогресс, остается неясным, каким образом в действительности макромолекулы продвигаются через ЯПК Сколько контактов при прохождении через пору должен образовать комплекс кариоферин-карго? Что обеспечивает диссоциацию комплекса ЯПК-кариоферин-карго? Для объяснения механизма транслокации белка через канал поры предложено несколько моделей, причем каждая подтверждена экспериментально.

Согласно представлениям одной из моделей, по мере продвижения по каналу к месту конечной локализации белка, комплексы кариоферин-транспортируемый белок находятся в области постепенного увеличения сродства к нуклеопоринам. Другая модель предполагает, что за счет повторов, содержащих фенилаланин и глицин, образуется гидрофобный барьер, который преодолевается кариоферинами, что обеспечивает им возможность переносить транспортируемый белок через ЯПК Мы не знаем, насколько состав окружения в канале ЯПК отличается от состава нуклеоплазмы и цитоплазмы, и как это влияет на транспорт. Для исследования транспорта отдельных молекул используются перспективные биофизические методы, которые позволяют получать ценную информацию.

Хотя для большинства кариоферинов были идентифицированы карго, мы не знаем, какие сигналы импорта они должны узнавать. Всегда ли эти сигналы представляют собой первичные последовательности, или являются структурами, иногда узнаваемыми, как при узнавании тРНК экспортином-t. В данном случае подход с использованием методов протеомики мог бы помочь определить полный набор карго для каждого кариоферина. В большинстве случаев транспорт регулируется путем модификации или изменения доступности карго. Возможна ли вообще регулировка транспорта на уровне рецепторов, и если да, то в каких случаях это происходит?

Например, у многоклеточных больше распространены кариоферины, включающие несколько отдельных, но близко родственных кариоферинов а. В клетках S. cerevisiae присутствует только один кариоферин а. Играют ли различные кариоферины а специфическую роль в развитии, дифференцировке, или в реализации тканевых функций? В делящихся клетках дрожжей S. pombe обнаружены два импортина а, но клеткам необходим только один из них. Это позволяет предполагать, что они выполняют различные роли.

Транспорт иРНК и субъединиц рибосом происходит более сложным образом, чем транспорт белков и тРНК. Идентифицированы факторы, участвующие в экспорте некоторых иРНК и субъединиц рибосом, однако функции других остаются невыясненными. Некоторые белки, экспортирующиеся вместе с иРНК, в процессе транскрипции связываются с РНК-полимеразой, и переносятся на иРНК. У многоклеточных, по крайней мере 20 белков способны связываться с иРНК в ядре, хотя возможно, что не все эти белки связываются с определенной иРНК. Считается, что они определяют места процессинга и упаковки иРНК для экспорта. Какова общая структура, которую обеспечивают эти белки для иРНП?

Насколько специфично они связываются с иРНК? Какими дополнительными белками и как регулируется связывание этих белков с РНК? Существуют ли еще какие-либо белки, способные до начала экспорта связываться с белками уже находящимися на РНК? Какие функции они выполняют?

Каким изменениям подвергаются иРНП в процессе синтеза и экспорта? В экспериментах in vitro подробно изучены процессы транскрипции, 5'-кэпирования, сплайсинга и З'-процессинга иРНК. Однако in vivo все эти процессы связаны не только между собой, но и с экспортом иРНК. Каким образом достигается их скоординированность? Что обеспечивает полноту и точность процессинга иРНК? Каким образом дифференцируются ядерные РНК, подлежащие деградации, от тех, которые должны экспортироваться? Одна из возможностей заключается в том, что ассоциация с аппаратом сплайсинга физически ограничивает движение иРНП до момента завершения процессинга с участием сплайсосомы. В данном случае может действовать механизм некой кинетической сверки, при которой ядерные экзонуклеазы разрушают любую иРНК, в течение определенного времени не освободившуюся от сплайсосомы. Хотя нет данных, указывающих на непосредственное участие любого кариоферина и Ran-ГТФазы в экспорте иРНП, мы не можем с уверенностью утверждать, что они не участвуют в этом процессе.

В отношении экспорта субъединиц рибосом, мы не знаем, чем обеспечивается их готовность выйти из ядрышек, и каков механизм их миграции в ЯПК? В экспорте рибосомальных субъединиц определенную роль играет экспортин 1. Однако эти субъединицы по размерам гораздо крупнее, чем обычные белки карго кариоферинов, и их продвижение по каналу ЯПК, вероятно, осуществляется гораздо более сложным образом, и с участием большего количества факторов, чем транспорт полипептидов.

События ядерного транспорта играют важную роль в проникновении в ядро многих вирусов. Слишком крупные вирусы перед прохождением через ЯПК подвергаются частичной разборке, однако более мелкие проникают в ядро в интактном состоянии. Что направляет вирусы в ядро? Узнаются ли некоторые типы вирусных частиц растворимыми рецепторами или другими факторами? Аденовирусы, например, слишком велики, чтобы интактными проникнуть в ядро. Вероятно, попадание в ядро вирусной ДНК обеспечивается формированием тесного контакта между вирусом и ЯПК с цитоплазматической стороны. Важно отметить, что вирус и ЯПК должны содержать определенные детерминанты, обеспечивающие такое взаимодействие. Характерна ли такая стратегия для большинства крупных вирусов или только для некоторых?

Поступают ли геном и белки вируса в цитоплазму после прохождения через ЯПК? Возможно ли разработать противовирусные препараты, которые воздействуют на миграцию вируса в ядро, не влияя на другие процессы клеточного транспорта?

Ядро представляет собой важную микроструктуру эукариотической клетки, которая содержит все ее хромосомы. Хотя в ядре нет субкомпартментов, ограниченных мембранами, оно содержит отдельные домены, выполняющие специфические функции. Ядро окружено двойной мембраной, которая пронизана ЯПК, являющимися единственными каналами сообщения между ядром и цитоплазмой. Внутренняя организация ядра характеризуется динамичной природой. Репликация ДНК, а возможно, и транскрипция иРНК, сосредоточена в специальных сайтах, называемых фабриками. Факторы, участвующие в процессинге РНК, циркулируют между местами их депонирования и сайтами транскрипции.

Небольшие по размеру молекулы и макромолекулы менее 40 кДа диффундируют через ЯПК, однако для транспорта больших макромолекул необходимо наличие специфических сигналов. Большинство процессов ядерного транспорта происходит с участием группы близких по структуре белков, называемых кариоферинами, узнающих специфические сигналы и взаимодействующих с ЯПК В ядро импортируется много белков, а некоторые челночные белки могут также из него экспортироваться.

Для того чтобы обеспечить транспорт белков только в необходимом направлении, в клетке находится ГТФаза, которая называется Ran. Ran-ГТФ присутствует в ядре, а Ran-ГДФ в основном в цитоплазме. Ran-ГТФ взаимодействует с рецепторами импорта, что приводит к диссоциации белка, транспортированного в ядро. Он кооперативно связывается с рецепторами экспорта и челночными белками, обеспечивая образование экспортного комплекса. После доставки белка по назначению, рецепторы возвращаются в исходные компартмен-ты, некоторые в качестве карго для других рецепторов, а некоторые в качестве тех же рецепторов.

Ядерный транспорт является важнейшим механизмом, посредством которого клетка контролирует экспрессию генов и другие процессы. Многие факторы транскрипции транспортируются в ядро только при поступлении в клетку специфического сигнала или другого импульса. В основе регулируемого транспорта лежит много механизмов. Это модификации транскрипционных факторов или других белков (фосфорилирование или дефосфорилирование), происходящие в ответ на получение клеткой сигнала, после чего они могут узнаваться транспортными рецепторами. Иногда белки находятся в цитоплазме как часть комплекса. В некоторых случаях фосфорилирование других компонентов комплекса приводит к высвобождению транскрипционного фактора, который затем может транспортироваться в ядро.

Почти все РНК, образующиеся в ядре, функционируют в цитоплазме и поэтому должны из него экспортироваться. Экспорт не начинается до тех пор, пока не завершатся все этапы процессинга РНК в ядре. тРНК и микроРНК экспортируются с участием рецепторов, относящихся к семейству кариоферинов, и напоминающих рецепторы, которые транспортируют белки. Субъединицы рибосом собираются в ядрышке и экспортируются при участии нескольких дополнительных факторов. После завершения процессинга пре-иРНК происходит экспорт иРНК в виде РНК-белковых комплексов. Транскрипция, процессинг пре-иРНК и экспорт иРНК представляют собой согласованные процессы. Важные для процессинга и экспорта факторы в момент транскрипции связаны с РНК-полимеразой II, и некоторые остаются с иРНК до момента экспорта. Экспорт также требует участия многочисленных специфических факторов. Чтобы убедиться, что в цитоплазму экспортируются РНК, которые прошли полный и безошибочный процессинг, в ядре существует эффективная система проверки.

Сборка и экспорт рибосом
Сборка субъединиц рибосом из рРНК и импортированных рибосомных белков происходит в ядрышке.
После этого субъединицы экспортируются при участии Crml экспортина.
Процесс зависит от Ran. Связыванию Crml с большой субъединицей способствует Nmd3.

Редактор: Искандер Милевски. Дата обновления публикации: 18.3.2021

- Также рекомендуем "Строение хромосом и их размеры"

Оглавление темы "Ядро клетки":
  1. Малые ядерные РНК (UмяРНК) и малые ядерные рибонуклеопротеидные частицы (мяРНП)
  2. Механизм транспорта микроРНК
  3. Перспективы изучения ядра клетки
  4. Строение хромосом и их размеры
  5. Строение хроматина и его формы
  6. G-полосы хромосом и их значение
  7. Петли и домены ДНК для ее спирализации
  8. Механизм соединения ДНК с ядерным матриксом при помощи MAR (matrix attachment regions)
  9. Локализация и функции центромер хромосом
  10. Функции ДНК центромер Saccharomyces cerevisiae
Медунивер Мы в Telegram Мы в YouTube Мы в VK Форум консультаций врачей Контакты, реклама
Информация на сайте подлежит консультации лечащим врачом и не заменяет очной консультации с ним.
См. подробнее в пользовательском соглашении.