• Ядерные субкомпартменты не окружены мембраной
• В ядрышках образуются рРНК и субъединицы рибосом
• Ядрышки содержат ДНК, которая кодирует рРНК и которая присутствует во многих хромосомах
• Факторы сплайсинга иРНК хранятся в ядерных сайтах и мигрируют к местам транскрипции, где проявляют свои функции
• Прочие ядерные тельца могут быть обнаружены с помощью антител, однако функции большинства их неизвестны
Происходящие в ядре ключевые события включают такие этапы экспрессии генов, как транскрипция и процессинг РНК. Эти процессы локализованы в различных ядерных сайтах. Больше всего мы знаем о функциях ядрышек. Описаны и другие субкомпартменты, однако функции их по большей части неизвестны.
Наиболее изученными субкомпартментами ядра являются ядрышки. Большинство клеток содержит по одному ядрышку, однако иногда в клетках находятся по нескольку ядрышек. Ядрышко представляет собой место синтеза и процессинга рРНК, а также сборки субъединиц рибосом. Размеры ядрышек варьируют и определяются особенностями биогенеза рибосом в данной клетке.
Ядрышко содержит все компоненты, необходимые для формирования субъединиц рибосом, и является сайтом эффективной сборки этих структур. К числу необходимых компонентов относятся гены рРНК многих хромосом, сами рРНК, ферменты синтеза и процессинга рРНК, и рибосомные белки, импортируемые из цитоплазмы.
В пределах ядрышка находятся много морфологически-различных областей, что согласуется с представлением о существовании в этом субкомпартменте разных сайтов для транскрипции генов рРНК, ее процессинга и сборки субъединиц.
Хотя ядрышко не имеет мембраны, большая часть белков и РНК, характерных для этой структуры, находится только там и не обнаруживается в других местах ядра. Ядрышко присутствует только в момент сборки субъединиц рибосом. Оно исчезает при ингибировании транскрипции рРНК и появляется вновь при ее возобновлении. Таким образом, считается, что ядрышко образуется в результате объединения генов рРНК, транскрипционных факторов, связанных с промоторами генов рРНК, и молекул РНК-полимеразы I, которая появляется под влиянием факторов транскрипции.
Субкомпартменты ядрышка, видимые в электронном микроскопе.
В свою очередь, вновь синтезированные молекулы рРНК вызывают последовательное появление рибосомальных белков и многих факторов необходимых для сборки субъединиц рибосом. В каком порядке происходят эти процессы, мы не знаем. При вступлении клетки в митоз ядрышко исчезает, а после его завершения снова появляется. Все это также происходит по неизвестному механизму.
Функция ядрышка не ограничивается участием в биогенезе субъединиц рибосом. В ядрышке расположены гены тРНК, происходит их транскрипция и начинается процессинг тРНК. Там также находится много белков, которые не участвуют в образовании субъединиц рибосом. Во многих случаях мы не знаем, почему белки локализованы в ядрышке.
Иногда белки, локализованные в ядре, могут собираться в ядрышке и затем быстро высвобождаться в нуклеоплазму для выполнения своих функций. К числу таких белков относятся некоторые белки, регулирующие клеточный цикл.
Протеомика белков ядрышек культур клеток человека показала, что они содержат более 400 различных полипептидов, и 30% из них представляют собой новые, неохарактеризованные белки.
Также в ядре было обнаружено несколько других небольших дискретных субкомпартментов. Для этого использовали антитела, выделенные из сыворотки больных с аутоиммунными заболеваниями или полученные к специфическим ядерным белкам. Эти антитела позволяют визуализировать дискретные субкомпартменты с помощью флуоресцентных методов и в некоторых случаях при иммуноэлектронной микроскопии, поскольку они невидимы в световом микроскопе. Иногда эти субкомпартменты присутствуют во многих типах эукариотических клеток, они не ограничены мембранами и называются ядерные тельца.
К числу их относятся точкообразные тельца («спеклы»), тельца Кахаля, тельца Джемини и тельца PML. Одна из функций ядерных телец может заключаться в повышении эффективности биологических процессов за счет концентрации в определенном месте всех макромолекул, необходимых для протекания какого-либо процесса.
Факторы сплайсинга сосредоточены в ядерных спеклах.
Более диффузные сайты, в которых можно обнаружить эти факторы, представляют собой сайты процессинга пре-иРНК (слева).
Добавление актиномицина вызывает блок транскрипции (справа).
Спеклы визуализировались методом непрямой иммунофлуоресценции с использованием антител к b-компоненту фактора сплайсинга U2мяРНП.
Факторы сплайсинга РНК в ядре пространственно организованы в спеклы. На рисунке ниже видно, что факторы сплайсинга не только концентрируются в клетке примерно в 20-50 спеклах, но и расположены во многих местах диффузно. Места диффузного расположения называются интерхроматиновые гранулы. Поскольку спеклы не содержат пре-иРНК, считается, что они служат лишь хранилищами факторов сплайсинга, но не осуществляют сам процесс.
Сплайсинг происходит в диффузных областях, в которых наряду с факторами сплайсинга обнаружена полиаденилированная РНК. На рисунке ниже представлены результаты эксперимента, подтверждающего эту точку зрения Если блокировать транскрипцию ингибитором РНК-полимеразы II, то не наблюдается диффузного распределения факторов сплайсинга, поскольку они перемещаются в спеклы. Когда транскрипция с участием РНК-полимеразы II возобновляется, факторы вновь появляются в областях диффузного распределения.
Некоторые факторы сплайсинга локализованы в других структурах, тельцах Кахаля или спирализованных тельцах. Обычно в ядре находится лишь одно или несколько телец Кахаля, которые часто расположены вблизи ядрышек. Эти тельца содержат белок, который называется коилин и не присутствует в спеклах. Мы знаем, что тельца Кахаля не участвуют в ферментативном сплайсинге, поскольку не содержат пре-иРНК, однако они содержат малые ядерные и малые ядрышковые РНК (мяРНК и мякРНК) и представляют собой сайты посттранскрипционной модификации этих РНК и сборки РНП комплексов.
На рисунке ниже также видно еще одно ядерное тельце Джемини или тельце GEM. Тельца Джемини не обнаружены во всех клетках, и некоторые их компоненты также присутствуют в тельцах Кахаля, что позволяет предполагать, что они могут выполнять сходные функции.
К числу ядерных субкомпартментов относятся тельца PML. Они получили свое название потому, что содержат белок, близкий к впервые обнаруженному у больных промиелоцитарным лейкозом (PML). Впервые PML-тельца были идентифицированы с помощью антител, выделенных из сыворотки крови лейкозных больных. Белок PML, вместе со многими другими белками, образует PML тельца, однако их функция остается невыясненной. Они не участвуют в репликации ДНК, транскрипции и процессинге РНК, а также не являются хранилищем факторов сплайсинга.
Многие из этих небольших ядерных телец, вероятно, отсутствуют в мелких ядрах таких одноклеточных эукариот, как дрожжи. Однако в клетках дрожжей находятся ядерные тельца, напоминающие тельца Кахаля. Возможно, что также присутствуют и другие тельца, однако, поскольку они по размерам существенно меньше, чем в ядрах клеток млекопитающих, их гораздо труднее обнаружить.
Тельца Кахаля и тельца GEM можно обнаружить методом непрямой иммунофлуоресценции с применением антител.