Клеточное ядро и геном Общее представление о структуре и функции клеточного ядра
Все эукариотические клетки имеют ядро, в котором содержится почти все молекулы клеточной ДНК. Обычно, ядро занимает около 10 % всего клеточного объема. От остальной цитоплазмы ядро отделено ядерной оболочкой, которая образована двумя мембранами - наружной и внутренней. Оболочка ядра пронизана многочисленными порами, через которые макромолекулы могут перемещаться из ядра в цитозоль и обратно. Наружная ядерная мембрана анатомически связана с мембраной эндоплазматического ретикулума. Благодаря наличию ядра, в эукариотических клетках процессы транскрипции (синтез РНК) и трансляции (синтез белка) разделены во времени и пространстве. Синтезу белка, протекающему на рибосомах в цитозоле и мембранах ЭР, предшествует внутриядерный синтез молекул РНК. Благодаря разделению процессов транскрипции и трансляции существует возможность внесения изменений в структуру РНК до того как начнется синтез белка.
Хромосомы, морфология и молекулярная структура
Ядерная ДНК является кодовой формой записи наследственной информации. Линейный генетический код, словами-символами в котором служат тройки (триплеты) нуклеотидов - кодонов, образованные только из четырех букв (А, Г, Т, Ц - это азотистые основания в составе нуклеиновой кислоты, соответственно - аденин, гуанин, цитозин, тимин) позволяет хранить огромное количество информации в ограниченном объеме. Каждая молекула ДНК упакована в надмолекулярную структуру, которая получила название хромосома. Основу хромосомы составляет одна непрерывная двухцепочечная молекула ДНК. На стадии метафазы деления клеток плотноупакованные хромосомы хорошо различимы в световом микроскопе. Каждая хромосома состоит из двух продольных копий – сестринских хроматид. В клетках тела двуполых животных и растений каждая хромосома представлена двумя гомологичными хромосомами, происходящими одна от матери, другая от отца. Число хромосом сильно варьирует: от двух до нескольких сотен составляют кариотип у разных видов. Все хромосомы имеют специфические участки: первичную перетяжку – центромеру (участок, где митотическое веретено соединяется с хромосомой), два плеча хромосомы и два концевых теломерных участка или теломеры.
Хейфлик и Мурхед провели эксперименты по культивации фибробластов человеческих эмбрионов. Эти исследователи помещали в питательную среду отдельные клетки. В культуре начиналось деление фибробластов, и когда клеточный слой достигал определённого размера, его делили пополам, диссоциировали клетки и переносили в новый сосуд. Подобные пассажи продолжались до тех пор, пока деление клеток не прекращалось, что происходило в среднем через 50 делений. Клеточное деление прекращалось, а клетки спустя определённое время погибали. Критическое число делений соматических клеток получило название «лимита Хейфлика», который для соматических клеток различных видов позвоночных животных оказался различным и коррелировал с продолжительностью их жизни.
Оловников А. М. в 1971 году выдвинул гипотезу маргинотомии для объяснения феномена лимита Хейфлика. Согласно этой гипотезы лимит Хейфлика объясняется тем, что у эукариот при каждом клеточном делении хромосомы немного укорачиваются. У хромосом имеются особые концевые участки— теломеры, которые после каждого удвоения хромосом становятся немного короче, и в какой-то момент укорачиваются настолько, что клетка уже не может делиться и со временем постепенно теряет жизнеспособность. Концы ДНК— буферная зона, и после каждого деления они укорачиваются. Второе предсказание—природа должна была изобрести компенсаторный механизм в виде особой ДНК-полимеразы, чтобы сохранять концы хромосом в половых клетках. Этот механизм должен так же работать в бессмертных раковых клетках. Позже выяснилось, что этот компенсаторный механизм есть и в стволовых клетках. Эта компенсаторная ДНК-полимераза получила в литературе наименование теломеразы.
Оловников предполагал, что «нестарение» бактерий обусловлено кольцевой формой ДНК, а теломерные последовательности в стволовых и раковых клетках защищены благодаря постоянному их удлинению при каждом делении клетки ферментом теломеразой. В 1998 году вывод о теломерном механизме ограничения числа делений клетки был экспериментально подтверждён. Лимит Хейфлика преодолевается активацией теломеразы.
Совокупность генов характерных для гаплоидного набора хромосом данного вида организма называется геном. Геном любой клетки многоклеточного организма содержит полную генетическую информацию и любая клетка может быть использована для клонирования этого организма. Геном простейших прокариотических организмов, например, бактерии E.coli содержит 1 молекулу ДНК, составленную из 4,7х106 нуклеотидных пар (одна хромосома). Геном человека составлен из 6х109 пар нуклеотидов, упакованных в 23 пары хромосом в которых содержится 28000 гаплоидных генов. Из них 22 пары аутосомы и 2 отличающиеся друг от друга половые хромосомы - Y-хромосома (мужская) и Х-хромосома (женская). Другие млекопитающие имеют приблизительно такой же по размеру геном (хотя число и размеры хромосом может варьировать). Главной функцией генома является сохранение наследственной информации о структуре и функциях, как всего организма, так и составляющих его систем: органов, тканей, клеток. Сохранность и передача наследственной информации в ряду поколений обеспечивается способностью хромосом удваиваться (реплицироваться) перед каждым делением клетки. Генетическая информация, закодированная в геноме, не только хранится в ядре любой эукариотической клетки, но и постоянно используется в процессе индивидуального развития и жизнедеятельности, как каждой индивидуальной клетки, так и организма в целом. С этой целью в ядре происходит постоянная транскрипция (переписывание) определенных участков нуклеотидной последовательности ДНК с образованием соответствующих последовательностей РНК. Каждый участок молекулы ДНК, на котором синтезируется активная молекула РНК, называется ген. Гены входящие в состав хромосом человека и большинства других животных и растительных организмов могут содержать до 2 млн. нуклеотидных пар, хотя чаще отдельные гены имеют размер около 100 000 нуклеотидных пар. Вместе с тем для кодирования белка среднего размера (300-400 аминокислот) необходима последовательность, содержащая около 1000 пар нуклеотидов. Таким образом, значительная часть любого гена состоит из некодирующих участков ДНК, которые называются интронами. Кодирующие последовательности в генах называются экзонами. Большие гены состоят из длинной вереницы чередующихся экзонов и интронов. Кроме того, в каждом гене имеются регуляторные последовательности ДНК, с которыми связываются регуляторные белки, контролирующие процесс транскрипции.
Кроме ДНК и регуляторных белков в состав хромосом входит большое количество структурных белков, наиболее изученные и многочисленные из которых гистоны. Комплекс структурных белков с ядерной ДНК называют хроматином. Хроматин на окрашенных препаратах клетки представляет собой сеть тонких фибрилл и глыбок. На электронных фотографиях хроматин напоминает бусины на нитке. Элементарной единицей упаковки хроматина является нуклеосома диаметром около 11 нм (рис). Нуклеосома состоит из двойной спирали ДНК, обмотанной вокруг комплекса из восьми нуклеосомных гистонов. Нуклеосомные частицы отделены друг от друга сегментами линкерной ДНК. Общая длина участка ДНК, включенного в нуклеосому животных, составляет около 200 пар нуклеотидов.
Рис. Нуклеосомы хроматина
Важнейшая роль гистонов, заключается в том, что они обеспечивают упаковку очень длинных молекул ДНК, их длина у человека варьирует от 1,7 до 8,5 см, в компактные структуры, помещающиеся в клеточном ядре и способные осуществлять процесс транскрипции. Особенно компактной и конденсированной становится структура хромосом при делении клеток в фазе клеточного цикла, называемом митоз. Именно в этот период хромосомы можно наблюдать с помощью светового микроскопа. Во всех других стадиях клеточного цикла степень конденсации большинства хромосом сравнительно невелика: они сильно растянуты и спутаны, что делает их невидимыми. В настоящее время считается, что декомпактизация структуры как самой нуклеосомы, так и хроматина в целом происходит вследствие ацетилирования (с помощью ферментов гистонацетилтрансфераз) концевых остатков лизина в гистонах, что нейтрализует их положительный заряд и блокирует их ассоциацию с витками нуклеосомной ДНК