Ядерный аппарат клетки состоит из поверхностного аппарата ядра, кариоплазмы, ядерного матрикса и хроматина. Основными его функциями являются: хранение, воспроизведение, реализация и восстановление (репарация) генетической информации.

Поверхностный аппарат ядра состоит из ядерной оболочки, поровых комплексов и периферической плотной пластины, или ламины.

Ядерная оболочка состоит из двух мембран - наружной и внутренней, между которыми находится перинуклеарное пространство. В некоторых участках мембраны сливаются и образуют поры диаметром до 100 нм. Обе мембраны имеют жидкостно-мозаичное строение. Перинуклеарное пространство сообщается с полостью шероховатой эндоплазматической сети.

Основная функция ядерной оболочки - создание отдельного компартмента клетки для хранения и реализации генетической информации. Через ядерную оболочку происходит регуляция концентрации ионов кальция в клетке.

Поровые комплексы построены из белков, создающих три кольца цитоплазматическое, ядерное и внутреннее, каждое из которых состоит из восьми белковых субъединиц. Белковые кольца расположены в наружней и внутренней мембранах. От цитоплазматического, ядерного и внутреннего колец во внутрь порового комплекса могут отходить белковые фибриллы. Фибриллы образуют ловчие сети, которые обеспечивают избирательную проницаемость ядерной поры.

Поровые комплексы транспортируют определенные биополимеры из ядра в цитоплазму и обратно. Ионы, мелкие и средние органические моле кулы и олигомеры могут относительно свободно диффундировать через поровые комплексы. Из ядра в цитоплазму транспортируются все виды РНК и субъединицы рибосом. В ядро из гиалоплазмы транспортируются так называемые нуклеофильные белки. Небольшие белки, например, гистоны, могут свободно проникать в ядро.

Периферическая плотная пластина (ППП) состоит из белков-ламинов А, В, и С, которые взаимодействуют между собой, образуя сетчатую или ортогональную структуру. ППП является основным компонентом кариоскелета, определяющим форму ядра. Ламины взаимодействуют со скелетными фибриллами, обеспечивая взаимосвязь с цитоскелетом. Кроме того, они поддерживают структуры поровых комплексов и принимают участие в пространственной организации хроматина.

Кариоплазма. Это внутренняя среда ядра, представляющая собой водный раствор органических веществ и ионов. Кариоплазма необходима для протекания матричных процессов, в ней располагаются ядерный матрикс и хроматин.

Ядерный матрикс. Он состоит из двух частей: периферической и внутренней. К периферической части относят ламину, а внутренняя часть включает интерхроматиновую и ядрышковую сети. В ее состав входят различные белки, в том числе актиновые микрофиламенты, скелетные фибриллы и коллаген. Ядрышковая сеть обеспечивает пространственную организацию хроматина и участвует в образовании ядрышка.

Ядрышки - обязательный компонент ядра, обнаруживаются в интерфазных ядрах и представляют собой мелкие тельца, шаровидной формы. Ядрышки имеют большую плотность, чем ядро. В ядрышках происходит синтез р–РНК, других видов РНК и образование субъединиц рибосом. Возникновение ядрышек связано с определенными зонами хромосом, называемыми ядрышковыми организаторами. Число ядрышек определяется числом ядрышковых организаторов. В них содержатся гены р–РНК.

Хроматин (окрашенный материал) – плотное вещество ядра, хорошо окрашиваемое основными красителями. В состав хроматина входят молекулы ДНК в комплексе с белками (гистонами и негистонами), РНК.

Ядерный матрикс

представляет собой систему фибриллярных белков, выполняющих как структурную (скелетную) функцию, так и регуляторную в процессах репликации, транскрипции, созревании молекул РНК (процессинг) и перемещении их как внутри ядра, так и за его пределами.

Кариоплазма -- субсистема ядерного аппарата, аналогичная гиалоплазме. Кариоплазма -- второй компонент внутренней среды клетки. Она создает для ядерных структур специфическое микроокружение, обеспечивающее им нормальные условия для функционирования. Благодаря наличию в ядерной оболочке поровых комплексов кариоплазма взаимодействует с гиалоплазмой.

Структурами ядра, ответственными за хранение и передачу наследственной информации клетки, являются хромосомы, состоящие из дезоксирибонуклеопротеидов. Хромосомы целиком видны только в клетках, делящихся митозом. В некоторых хромосомах имеются вторичные перетяжки -- ядрышковые организаторы. В них локализована ДНК, ответственная за синтез рРНК.

Одномембранные органоиды

Лизосомма -- окружённый мембраной клеточный органоид, в полости которого поддерживается кислая среда и находится множество растворимых гидролитических ферментов. Лизосома отвечает за внутриклеточное переваривание макромолекул, в том числе при аутофагии; лизосома способна к секреции своего содержимого в процессе лизосомного экзоцитоза; также лизосома участвует в некоторых внутриклеточных сигнальных путях, связанных сметаболизмом и ростом клетки.

Лизосомы были открыты в 1955 году бельгийским биохимиком Кристианом де Дювом. Лизосомы есть во всех клетках млекопитающих, за исключением эритроцитов.

С нарушением функций лизосом связан ряд наследственных заболеваний у человека, называемых лизосомными болезнями накопления.

Один из признаков лизосом -- наличие в них ряда ферментов (кислых гидролаз), способных расщеплять белки, углеводы, липиды и нуклеиновые кислоты. К числу ферментов лизосом относятся катепсины (тканевые протеазы), кислая рибонуклеаза, фосфолипаза и др. Всего полость лизосомы содержит около 60 растворимых кислых гидролитических ферментов.

Для лизосом характерна кислая реакция внутренней среды, которая обеспечивает оптимум работы лизосомных гидролаз. Деградация достигается за счет присутствия в лизосомах различных расщепляющих ферментов -- гидролаз с оптимумом действия в кислой области. Главный фермент лизосом -- кислая фосфатаза. В мембране лизосом находятся АТФ-зависимые протонные насосы вакуольного типа. Они обогащают лизосомы протонами, вследствие чего для внутренней среды лизосом рН 4,5-5,0 (в то время как в цитоплазме рН 7,0-7,3). Лизосомные ферменты имеют оптимум рН около 5,0, т. е. в кислой области. При рН, близких к нейтральным, характерным для цитоплазмы, эти ферменты обладают низкой активностью. Очевидно, это служит механизмом защиты клеток от самопереваривания о том случае, если лизосомный фермент случайно попадет в цитоплазму.

Различают первичные и вторичные лизосомы. Первые образуются в области аппарата Гольджи, в них находятся ферменты в неактивном состоянии, вторые же содержат активные ферменты. Обычно ферменты лизосом активируются при понижении рН. Среди лизосом можно также выделить гетеролизосомы (переваривающие материал, поступающий в клетку извне -- путём фаго- или пиноцитоза) и аутолизосомы (разрушающие собственные белки или органоиды клетки). Наиболее широко используется следующая классификация лизосом и связанных с ними компартментов:

Ранняя эндосома -- в неё поступают эндоцитозные (пиноцитозные) пузырьки. Из ранней эндосомы рецепторы, отдавшие (из-за пониженного рН) свой груз, возвращаются на наружную мембрану.

Поздняя эндосома -- в неё из ранней эндосомы поступают пузырьки с материалом, поглощённом при пиноцитозе, и пузырьки из аппарата Гольджи с гидролазами. Рецепторы маннозо-6-фосфата возвращаются из поздней эндосомы в аппарат Гольджи.

Лизосома -- в неё из поздней эндосомы поступают пузырьки со смесью гидролаз и перевариваемого материала.

Фагосома -- в неё попадают более крупные частицы (бактерии и т. п.), поглощённые путём фагоцитоза. Фагосомы обычно сливаются с лизосомой.

Аутофагосома -- окружённый двумя мембранами участок цитоплазмы, обычно включающий какие-либо органоиды и образующийся при макроаутофагии. Сливается с лизосомой.

Мультивезикулярные тельца -- обычно окружены одинарной мембраной, содержат внутри более мелкие окружённые одинарной мембраной пузырьки. Образуются в результате процесса, напоминающего микроаутофагию, но содержат материал, полученный извне. В мелких пузырьках обычно остаются и затем подвергаются деградации рецепторы наружной мембраны (например, рецепторы эпидермального фактора роста). По стадии формирования соответствуют ранней эндосоме.

Остаточные тельца (телолизосомы) -- пузырьки, содержащие непереваренный материал (в частности, липофусцин). В нормальных клетках сливаются с наружной мембраной и путем экзоцитоза покидают клетку. При старении или патологии накапливаются.

Функциями лизосом являются:

переваривание захваченных клеткой при эндоцитозе веществ или частиц (бактерий, других клеток)

аутофагия -- уничтожение ненужных клетке структур, к примеру, во время замены старых органоидов новыми, или переваривание белков и других веществ, произведенных внутри самой клетки

Автолиз -- саморазрушение клетки, наступающее вследствие высвобождения содержимого лизосом. В норме автолиз имеет место при метаморфозах (исчезновение хвоста у головастика лягушек), инволюции матки после родов, в очагах омертвления тканей.

Некоторые редко встречающиеся заболевания связаны с генетическими дефектами лизосомных ферментов, так как эти ферменты участвуют в деградации гликогена (гликогенозы), липидов (липидозы) и протеогликанов(мукополисахаридозы). Продукты, которые не могут участвовать в метаболизме из-за дефектов или отсутствия соответствующих ферментов, накапливаются в остаточных телах, что приводит к необратимому повреждению клеток и как результат к нарушению функций соответствующих органов.

Пероксисома

Обязательная органелла эукариотической клетки, ограниченная мембраной, содержащая большое количество ферментов, катализирующих окислительно-восстановительные реакции (оксидазы D-аминокислот, уратоксидазы и каталазы). Имеет размер от 0,2 до 1,5 мкм, отделена от цитоплазмы одной мембраной.

Набор функций пероксисом различается в клетках разных типов. Среди них: окисление жирных кислот, фотодыхание, разрушение токсичных соединений, синтез желчных кислот, холестерина, а также построение миелиновой оболочки нервных волокон, и т. д. Наряду с митохондриями пероксисомы являются главными потребителями O2 в клетке.

В пероксисоме обычно присутствуют ферменты, использующие молекулярный кислород для отщепления атомов водорода от некоторых органических субстратов () с образованием перекиси водорода ():

Каталаза использует образующуюся для окисления множества субстратов -- например, фенолов, муравьиной кислоты, формальдегида и этанола:

Этот тип окислительных реакций особенно важен в клетках печени и почек, пероксисомы которых обезвреживают множество ядовитых веществ, попадающих в кровоток. Почти половина поступающего в организм человека этанола окисляется до ацетальдегида этим способом. Кроме того, реакция имеет значения для детоксикации клетки от самой перекиси водорода.

Длительность жизни пероксисом незначительная -- всего 5-6 суток. Новые органоиды образуются чаще всего в результате деления предшествующих, как митохондрии. Они, однако, могут формироваться и de novo из эндоплазматического ретикулума.

Все ферменты, находящиеся в пероксисоме, должны быть синтезированы на рибосомах вне её. Для их переноса из цитозоля внутрь органеллы мембраны пероксисом имеют систему избирательного транспорта. Открыты бельгийским цитологом Кристианом де Дювом в 1965.

Аппарат Гольджи является компонентом всех эукариотических клеток (практически единственное исключение - эритроциты млекопитающих). Он представляет собой важнейшую мембранную органеллу, управляющую процессами внутриклеточного транспорта. Основными функциями аппарата Гольджи являются модификация, накопление, сортировка и направление различных веществ в соответствующие внутриклеточные компартменты, а также за пределы клетки. Он состоит из набора окруженных мембраной уплощенных цистерн, напоминающих стопку тарелок. Со стопками Гольджи всегда ассоциирована масса мелких (диаметром приблизительно 60 нм) ограниченных мембраной пузырьков. Многие пузырьки являются окаймленными и покрыты клатрином или другим специфическим белком. Аппарат Гольджи имеет две разные стороны: формирующуюся, или цис-сторону и зрелую, или транс-сторону. Цис-сторона тесно связана с переходными элементами ЭР; транс-сторона расширяется, образуя трубчатый ретикулум, называемый транс-сетью Гольджи. Белки и липиды в составе небольших пузырьков попадают в стопку Гольджи с цис-стороны, а покидают ее, направляясь в различные компартменты, вместе с пузырьками, образующимися на транс-стороне. Переходя из одной стопки Гольджи в другую, эти молекулы претерпевают последовательные серии модификаций.

Хорошо развитый аппарат Гольджи присутствует не только в секреторных, но и практически во всех клетках эукариотических организмов.

Функции

• 1) сортировку, накопление и выведение секреторных продуктов;
• 2) завершение посттрансляционной модификации белков (гликозилирование, сульфатированиеи т.д.);
• 3) накопление молекул липидов и образование липопротеидов;
• 4) образование лизосом;
• 5) синтез полисахаридов для образования гликопротеидов, восков, камеди, слизей, веществ матрикса клеточных стенок растений (гемицеллюлоза, пектины) и т.п.
• 6) формирование клеточной пластинки после деления ядра в растительных клетках;
• 7) участие в формировании акросомы;
• 8) формирование сократимых вакуолей простейших.

В Комплексе Гольджи выделяют 3 отдела цистерн, окружённых мембранными пузырьками:

Цис-отдел (ближний к ядру);

Медиальный отдел;

Транс-отдел (самый отдалённый от ядра).

Эти отделы различаются между собой набором ферментов. В цис-отделе первую цистерну называют «цистерной спасения», так как с её помощью рецепторы, поступающие из промежуточной эндоплазматической сети, возвращаются обратно. Фермент цис-отдела: фосфогликозидаза (присоединяет фосфат к углеводу -- маннозе). В медиальном отделе находится 2 фермента: манназидаза (отщепляет манназу) и N-ацетилглюкозаминтрансфераза (присоединяет определенные углеводы -- гликозамины). В транс-отделе ферменты: пептидаза (осуществляет протеолиз) и трансфераза (осуществляет переброс химических групп).

Аппарат Гольджи асимметричен -- цистерны, располагающиеся ближе к ядру клетки (цис-Гольджи) содержат наименее зрелые белки, к этим цистернам непрерывно присоединяются мембранные пузырьки -- везикулы, отпочковывающиеся от гранулярного эндоплазматического ретикулума (ЭПР), на мембранах которого и происходит синтез белков рибосомами. Возвращение белков из аппарата Гольджи в ЭПС требует наличия специфической сигнальной последовательности (лизин-аспарагин-глутамин-лейцин) и происходит благодаря связыванию этих белков с мембранными рецепторами в цис-Гольджи.

В цистернах аппарата Гольджи созревают белки предназначенные для секреции, трансмембранные белки плазматической мембраны, белки лизосом и т. д. Созревающие белки последовательно перемещаются по цистернам в органеллы, в которых происходят их модификации -- гликозилирование и фосфорилирование. При О-гликозилировании к белкам присоединяются сложные сахара через атом кислорода. При фосфорилировании происходит присоединение к белкам остатка ортофосфорной кислоты. Созревающие белки «маркируются» специальными полисахаридными остатками (преимущественно маннозными), по-видимому, играющими роль своеобразного «знака качества».

Транспорт белков из аппарата Гольджи

В конце концов от транс-Гольджи отпочковываются пузырьки, содержащие полностью зрелые белки. Главная функция аппарата Гольджи -- сортировка проходящих через него белков. В аппарате Гольджи происходит формирование «трехнаправленного белкового потока»:

созревание и транспорт белков плазматической мембраны;

созревание и транспорт секретов;

созревание и транспорт ферментов лизосом.

С помощью везикулярного транспорта прошедшие через аппарат Гольджи белки доставляются «по адресу» в зависимости от полученных ими в аппарате Гольджи «меток».

Образование лизосом

Многие гидролитические ферменты лизосом проходят через аппарат Гольджи, где они получают «метку» в виде специфического сахара -- маннозо-6-фосфата (М6Ф)- в составе присоединенного к аминокислотной цепочке олигосахарида. Добавление этой метки происходит при участии двух ферментов. Фермент N-ацетилглюкозаминфосфотрансфераза специфически опознает лизосомальные гидролазы по деталям их третичной структуры и присоединяет N-ацетилглюкозаминфосфат к шестому атому нескольких маннозных остатков олигосахарида гидролазы. Второй фермент -- фосфогликозидаза -- отщепляет N-ацетилглюкозамин, создавая М6Ф-метку. Затем эта метка опознается белком-рецептором М6Ф, с его помощью гидролазы упаковываются в везикулы и доставляются в лизосомы. Там, в кислой среде, фосфат отщепляется от зрелой гидролазы.

Транспорт белков на наружную мембрану

Как правило, ещё в ходе синтеза белки наружной мембраны встраиваются своими гидрофобными участками в мембрану эндоплазматической сети. Затем в составе мембраны везикул они доставляются в аппарат Гольджи, а оттуда -- к поверхности клетки. При слиянии везикулы с плазмалеммой такие белки остаются в ее составе, а не выделяются во внешнюю среду, как те белки, что находились в полости везикулы.

Ядро может содержать ядерный скелет, который помогает организовать его функции

В предыдущих статьях на сайте мы рассмотрели некоторые ядерные домены и субкомпартменты , которые обладают уникальным составом и функциями. В ядре также происходят другие процессы, например репликация ДНК. Считается, что макромолекулярные аппараты репликации и сплайсинга могут быть связаны с определенными структурами ядра.

В ранней S-фазе цикла , когда происходит синтез , в клетке существует много сайтов репликации. По мере протекания синтеза они сливаются, и в результате остаются лишь несколько десятков более крупных сайтов. Эти крупные сайты называются фабрики репликации ДНК.

На рисунке ниже показано распределение этих фабрик в различных стадиях S-фазы . Поскольку в каждый момент времени количество точек начала репликации превышает количество фабрик репликации, то каждая фабрика должна содержать десятки или сотни точек начала репликации. Аналогичные исследования позволяют предполагать, что транскрипция также может происходить в ограниченном количестве сайтов, называемых фабрики транскрипции.

Локализация биосинтетических процессов в отдельных сайтах позволяет предполагать существование в ядре некой опорной структуры. Упорядоченная скелетная структура, напоминающая цитоскелет , в ядре отсутствует. Однако некоторые исследования позволяют предполагать наличие в ядре сетеобразной структуры, которая называется ядерный матрикс.

В отличие от цитоскелета матрикс становится видимым только после обработки ядра детергентами, ДНКазой и растворами высокой ионной силы. При такой обработке удаляется много компонентов, включая почти всю ДНК и мембраны, а остаются только нерастворимые белки и часть РНК. Матрикс содержит короткие волокна, по размеру близкие к промежуточным филаментам, актину (но не к его фибриллярной форме) и ко многим другим белкам. Эти компоненты не организуются в более крупные структуры.

Поскольку ядерный матрикс растворим относительно плохо, его трудно изучать как целое. Некоторые исследователи полагают, что ядерный матрикс представляет собой артефактную структуру, поскольку становится видимым только после жесткой процедуры экстракции. Однако, поскольку в ядре происходят многие важные и сложные процессы, которые должны выполняться с максимальной точностью, возможно существование некой организующей опорной структуры.

К числу возможной функции опорной ядерной структуры относится организация молекулярных машин репликации, транскрипции и процессинга РНК, которые представлены реплисомой, комплексом РНК-полимераза II-холофермент и сплайсеосомой соответственно. Хотя эти большие мультисубъединичные комплексы обладают гораздо меньшей массой, чем хромосомы, по размеру они превышают свои субстраты - нуклеиновые кислоты.

Данные исследования структуры этих комплексов показывают, что они обладают специальной канавкой, обеспечивающей прохождение цепи нуклеиновой кислоты по комплексу. По данным многих исследований, эти комплексы присоединены к опорной ядерной структуре. Это означает, что когда начинается репликация, транскрипция и сплайсинг, соответствующие молекулярные машины фиксируются, и через них продвигаются нуклеиновые кислоты.

Ядрышки – плотные, интенсивно окрашенные округлые образования в ядре размером 1-2 мкм. Их может быть несколько. Ядрышки образуются в ядре в области ядрышковых организаторов, которые обычно располагаются в области вторичных перетяжек некоторых хромосом. Там находятся гены, кодирующие рибосомную РНК. Ядрышки состоят из гранулярного и фибрилярного компонентов. Гранулы ядрышек представляют собой субъединицы рибосом, а нити – молекулы образовавшейся рибосомной РНК. Последние связываются с белками, поступающими из цитоплазмы, с образованием субъединиц рибосом. Эти субъединицы через ядерные поры выходят в цитоплазму, где объединяются в рибосомы и связываются с информационной РНК для синтеза белка. Чем выше функциональная, синтетическая активность клетки, тем многочисленней и крупнее её ядрышки.

Транскрипция нерибосомных генов.

Ядерный белковый матрикс.

Кариоплазма (ядерный сок) – жидкий компонент ядра, истинный раствор биополимеров, в котором во взвешенном состоянии расположены хромосомы и ядрышко. По своим физико-химическим свойствам кариоплазма близка к гиалоплазме.

Ядерная оболочка.

Ядерная оболочка отделяет ядро от цитоплазмы, отграничивает его содержимое и обеспечивает обмен веществ между ядром и цитоплазмой. Ядерная оболочка состоит из двух биологических мембран , между которыми расположено перинуклеарное пространство шириной 15-40 нм. Наружная мембрана ядра покрыта рибосомами и переходит в мембраны гранулярной эндоплазматической сети. К внутренней мембране прилежит слой белковых филаментов (ламина ) кариоскелета, через который к ядерной оболочке прикрепляются хромосомы (рис. 2-9).

В ядерной оболочке имеются отверстия – ядерные поры диаметром 90 нм (рис. 2-10). Они являются не просто отверстиями, а очень сложно организованными комплексами пор. В их состав входят белки, которые образуют по краю поры три ряда по 8 гранул, а в центре поры расположена 1 гранула, связанная белковыми нитями с периферическими гранулами.

При этом образуется перегородка, диафрагма толщиной 5 нм. Эти комплексы пор обладают избирательной проницаемостью: через них не могут пройти мелкие ионы, но переносятся длинные нити информационной РНК и субъединицы рибосом.

В ядре имеется несколько тысяч пор, занимающих от 3 до 35% его поверхности. Количество их значительно больше в клетках с интенсивными синтетическими и обменными процессами. В ядерных оболочках зрелых сперматозоидов, где биосинтез белка не происходит, поры не обнаружены. Замечено также, что чем выше функциональная активность клетки, тем сильнее извита кариолемма (для увеличения площади обмена веществ между ядром и цитоплазмой).

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)).