книги из ГПНТБ / Ченцов, Ю. С. Ультраструктура клеточного ядра

III.ДРУГИЕ КОМПОНЕНТЫ ИНТЕРФАЗНОГО ЯДРА, СОДЕРЖАЩИЕ РНК

Кроме разных форм хроматина, в интерфазных ядрах выявляют­ ся структуры, содержащие РНК. Эти структуры должны представ­ лять собой продукты активности хромосом. Особенно четко это показано для ядрышек, которые являются морфологическим вы­ ражением активности специализированных локусов хромосом. За последнее время, особенно в связи с развитием цитохимиче­ ских методов электронной микроскопии, обнаружен довольно пе­ стрый спектр иных РНК-содержащих структур в интерфазных ядрах. Это различные фибриллярные и гранулярные структуры, которые локализуются главным образом в межхроматиновых зонах ядра, в зонах, которые по представлениям старых цитологов отно­ сятся к так называемому ядерному соку или кариоплазме.

Прогресс в изучении РНК-содержащих компонентов интерфаз­ ного ядра связан с многочисленными работами В. Бернхарда (1972) и его сотрудников. Применяя обработку тканей, заключен­ ных в водорастворимые заливочные среды, различными фермента­ ми или используя достаточно специфический метод окрашивания РНК-содержащих структур (уранилацетат — ЭДТА-цитрат свин­ ца) (Monneron, Bernhard, 1969), в этих работах удалось выявить целый ряд новых структур (рис. 8).

Так, по периферии участков конденсированного хроматина

втесном контакте с ним выявляется зона перихроматиновых фиб­ рилл. Эти фибриллы чувствительны к обработке РНК-азой, окра­ шиваются положительно уранилацетатом с применением ЭДТА; они имеют диаметр 30—50 А, часто образуют неправильную сеть. Оказалось, что этот компонент ядра особенно сильно изменяется при стимуляции синтеза РНК. Так, при возрастании синтеза РНК

вклетках печени крыс после голодания и последующего питания или после инъекции кортизона адреналэктомированным животным (Petrov, Bernhard, 1971) значительно увеличивались зоны этих

РНК-содержащих перихроматиновых фибрилл (рис. 9). Интересно, что с помощью ауторадиографии высокого разрешения было пока­ зано, что включение Н3-уридина происходит наиболее быстро имен­ но в периферические зоны хроматина, содержащие эти перихроматиновые фибриллы (Fakan, 1970). РНК в этих фибриллах может представлять собой новосинтезированную хромосомную или ДНК-

подобную РНК (Petrov, Bernhard, 1971).

Другой тип РНК-содержащих структур интерфазного ядра — перихроматиновые гранулы. Впервые этот тип гранул описал Свифт (Swift, 1962) в ядрах, обработанных ДНК-азой. Это гранулы диаметром около 450 А, окруженные светлым ореолом. Они встре­ чаются по периферии конденсированного хроматина, но не в диф­ фузном хроматине. По мнению Бернхарда (1972), между этими

Интерфазное ядро

74

гранулами и перихроматиновыми фибриллами существует струк­ турная связь. При больших увеличениях внутри гранул можно видеть тонкие извитые фибриллы диаметром 30—50 А. Число этих гранул не меняется значительно при физиологических нагрузках ядра (Petrov, Bernhard, 1971), хотя некоторые вещества (актиномицин, афлотоксин, ласиокарпин) значительно увеличивают их количество.

Эти гранулы четко выявляются при ЭДТА-методе, они не из­ меняются при обработке РНК-азой, но значительно теряют свою плотность после воздействия проназой и РНК-азой. Отсюда дела­ ется предположение, что эти гранулы представляют собой рибонуклеопротеиды, возможно, содержащие иРНК (Monneron, Bernhard, 1969). Основой для такого предположения послужило сход­ ство по размерам, тонкой фибриллярной структуре, по взаимодей­ ствию с ферментами этих перихроматиновых гранул интерфазного ядра с гранулами в кольцах Бальбианр гигантских хромосом

двукрылых. По представлениям некоторых авторов (Beermann,

ставления имеют значение только рабочих гипотез, так как еще не получены чистые фракции таких гранул, которые впервые опи­ сали Беерманн и Бар (Beermann, Bahr, 1954).

Но все же интересно, что гранулы типа перихроматиновых гра­ нул Бернхарда, или гранул Беерманна, имеют очень широкое рас­ пространение.

По данным Н. А. Перова, Ю. С. Ченцова (1971), основным компонентом так называемого матрикса ординарных и некоторых специализированных боковых петель мейотических хромосом зем­ новодных (хромосомы типа «ламповых щеток») являются эти гранулы размером 400—600 А (табл. 15). Для такого типа хромо­ сом показана способность включать меченые предшественники РНК именно в зоне боковых петель (Gall, Callan, 1962). Тем са­ мым гранулы боковых петель, аналогичные перихроматиновым гранулам интерфазных ядер, представляют собой продукты актив­ ности хроматиновых ДНК именно в этих локусах. Так как даже на одну хромосому типа «ламповых щеток» приходится огромное множество боковых петель, каждая из которых должна представ­ лять собой специфический участок генома, вызывает удивление факт схожести в организации продуктов активности этих различ­ ных генетических локусов.

Аналогичная картина наблюдается и у политенных хромосом, У которых, кроме гигантских пуффов (колец Бальбиани), суще­ ствует масса мелких пуффов, разбросанных по различным хромо­ сомам. По данным Эдстрёма и Беерманна (Edsrom, Beermann, 1962), в гигантских пуффах синтезируется РНК, отличающаяся по нуклеотидному составу от рибосомной РНК и представляющая собой, по мнению авторов, иРНК. Н3-Уридин интенсивно включа­ ется не только в гигантские, но и во все пуффы, вплоть до самых мелких (Pelling, 1964). Оказалось (Перов, Ченцов, 1971), что практически любые зоны пуффирования политенных хромосом Chironomus thummi thummi содержат один морфологический класс РНП-содержащих гранул, сходный с перихроматиновыми

гранулами интерфазных ядер (табл. 16). Возможно, что эти гра­ нулы могут представлять собой какой-то вид ядерных «информо-

сом» (Spirin, 1969) или «информоферов» (Georgiev, 1969), как предполагает Бернхард (1972). Можно представить, что часть быстро синтезированной РНК в виде перихроматиновых фибрилл после дополнительной связи с белком образует перихроматиновые гранулы, которые могут быть формой временной консервации специальных (возможно, информационных) РНК. Обнаружение таких гранул в соседстве с конденсированным, неактивным хрома­ тином, даже в соседстве с половой хромосомой (Коломиец и др.,

% Йнтерфазяое ядро

1972), может указывать на завершенность процессов синтеза РНК в этих районах (см. табл. 5).

Интерхроматиновые гранулы — другой тип РНК-содержащих структур (Monneron, Bernhard, 1969). Эти гранулы имеют размер 200—250 А и группируются всегда в форме скоплений между уча­ стками хроматина. Они неравномерны по величине и переплетены тонкими фибриллами, образующими фигуры в виде четок или сети. Они содержат РНК и белки, что доказывается их полным растворением при обработке протеазой и РНК-азой. Эти гранулы очень медленно и слабо включают предшественники РНК. Берн­ хард (Bernhard, 1972) полностью исключает возможность того, что они представляют собой «ядерные рибосомы», так как их тон­ кая структура резко отличается от таковой цитоплазматических рибосом. Они, по-видимому, представляют собой стабильные структуры, не мигрирующие в цитоплазму. Количество их по­ стоянно, но оно увеличивается в ядрах клеток, инфицированных некоторыми вирусами или обработанных различными антимета­ болитами. Биологическая роль этой группы гранул неясна.

Необходимо отметить, что примененная Бернхардом методика не выявила в нуклеоплазме полностью сформированных рибосом цитоплазматического типа.

В ядрах интерфазных клеток иногда встречаются и другие структуры, функциональное значение которых совершенно неясно

(Monneron, Bernhard, 1969; Bouteille, 1972). Таковы, например,

кольчатые тельца — агрегаты из закрученных прядей толщиной 400—600 А, также содержащие РНК. Кроме того, встречаются разного типа «ядерные» тельца, «палочки», обнаруживающиеся большей частью при патологических состояниях клеток и тканей.

IV. СТРОЕНИЕ И ФУНКЦИИ ЯДЕРНОЙ ОБОЛОЧКИ

Структурная организация ядерной оболочки

Ядерная оболочка состоит из трех основных элементов — внешней ядерной мембраны, внутренней ядерной мембраны и ядерных пор

(Watson, 1955; Wischnitzer, 1960).

Мембраны ядерной оболочки в морфологическом отношении не отличаются от остальных мембран клетки; они имеют толщину около 70 А и состоят из двух осмиофильных слоев. Так как обо­ лочка ядра образована двумя мембранами, то между ними распо­ лагается пространство шириной 200—300 А (перинуклеарное пространство). В общем виде ядерная оболочка может быть пред­ ставлена как полый двухслойный мешок, отделяющий содержимое ядра от цитоплазмы. Из всех внутриклеточных мембранных компо­ нентов таким типом расположения мембран обладают только ядро и митохондрии. Однако ядерная оболочка имеет характерную осо­ бенность, отличающую ее от других мембранных структур клетки. Это наличие особых пор в оболочке ядра, которые образуются за счет многочисленных зон слияний двух ядерных мембран и пред­ ставляют собой как бы округлые перфорации всей ядерной обо­ лочки.

Как подчеркивают многие авторы, структура и химический состав основных компонентов оболочки ядра имеют свои индиви­ дуальные особенности. Поэтому целесообразно остановиться на ультраструктурной и химической характеристике каждого элемен­ та ядерной оболочки в отдельности.

Мембранные компоненты оболочки ядра

Внешняя мембрана ядерной оболочки, непосредственно контакти­ рующая с цитоплазмой клетки, имеет ряд структурных особенно­ стей, позволяющих отнести ее к собственно мембранной системе эндоплазматического ретикулума. Так, на внешней ядерной мем­ бране обычно располагается большое количество рибосом, как и на мембранах эргастоплазмы (Watson, 1955; Porter, 1961). Суще­

ствуют многочисленные наблюдения о непосредственном переходе внешней ядерной мембраны в систему каналов эргастоплазмы, что

особенно подчеркивает структурную идентичность этих мембран

тической сети — не единственный пример динамического характера внешней мембраны ядерной оболочки. Многие данные указыва­ ют на то, что этот компонент оболочки ядра способен активно

включаться в общую систему цитоплазматических мембран. Это выражается в том, что у большинства животных и растительных клеток внешняя мембрана ядерной оболочки не представляет со­ бой идеально ровную поверхность — она может образовывать раз­ личной величины выпячивания или выросты в сторону цитоплаз­ мы. В большинстве случаев такие выросты имеют вид пузырьков или длинных трубчатых образований (Hadek, Swift, 1962; Aldrich, Vasil, 1970; Baker, Franchi, 1969) (рис. 10).

Однако иногда внешняя мембрана образует на поверхности

ядра довольно сложные, складчатые структуры, отдаленно напо­ минающие по форме митохондрии или пластиды (Pannese, 1966). Как показывает сравнение различных объектов, общее количество выростов внешней ядерной мембраны, так же как и их протяжен­ ность, зависит от типа клеток. В некоторых случаях, как, напри­ мер, в постмейотических клетках микроспор Podocarpus macrophyllus, выпячивания внешней мембраны настолько глубоко

вдаются в цитоплазму, что происходит их слияние с плазматиче­ ской мембраной клетки (Aldrich, Vasil, 1970).

Особенно яркий пример связи перинуклеарного пространства с внеклеточной средой дают андрогониальные клетки Hepatica, в которых за счет слияния внешней мембраны ядерной оболочки с плазматической мембраной большая часть ядра оказывается как бы во внеклеточной среде и непосредственно контактирует с кле­ точной стенкой своей внутренней мембраной (Carothers, 1972).

Подобные наблюдения послужили основой для гипотетических представлений о существовании в клетках эукариот постоянных каналов, которые соединяют перинуклеарное пространство со сре­ дой, окружающей клетку (Бродский, 1965; Drews, Wagner, 1970; Siebert, Langendorf, 1970; Зиберт, 1972; Збарский, 1972) (см. рис. 10).

Вероятно для некоторых типов клеток, обладающих хорошо развитой системой плазматических мембран, прямое сообщение между ядром и внеклеточной средой имеет место (Gall, 1964). Для большинства же клеток образование капалов между перинуклеарным пространством и внеклеточной средой скорее является исключением, так как наблюдается в чрезвычайно редких случаях.

Непосредственное соединение полостей каналов эндоплазмати­ ческой сети с внеклеточной средой можно видеть, главным обра­ зом, в случаях экскреции веществ из клетки. Поэтому те редкие случаи прямой связи между перинуклеарным пространством п вне­ клеточной средой, о которых говорилось выше, нужно рассматри­ вать как временпые, динамические связи, а не как постоянно существующий путь транспорта веществ между ядром и межкле­ точным пространством.

Внутренняя мембрана ядерной оболочки по некоторым призна­ кам отличается от внешней ядерной мембраны. Так, на внутрен­ ней мембране ядра пе удается наблюдать рибосомных частиц. Не было также описано контактов или слияний внутренней ядерной мембраны с цитоплазматическими мембранами эндоплазматической сети. В то же время внутренняя мембрана ядерной оболочки спо­ собна давать различные выросты и выпячивания как в сторону ядра, так и в перинуклеарное пространство. Авторы отмечали отшнуровывание от внутренней мембраны ядра небольших пузырь­ ков, заполненных электронпоплотным содержимым (Hadek, Swift, 1962; Szolosi, 1965). Как правило, выпячивание внутренней мембра­ ны ядра образуется в тех местах, где перинуклеарное пространство расширено за счет выростов внешней ядерной мембраны (Hadek, Swift, 1962). В тех же участках ядерной оболочки часто можпо наблюдать выросты внутренней мембраны, направленные в ка­ риоплазму (Hoshino, 1961; Moses, 1964). По наблюдениям Ка-

расакп (Karasaki, 1972), в активно пролиферирующих гепатоцнтах внутренняя ядерная мембрана образует настолько глубокие впячи-

80 Интерфазное ядро

вания, что они пронизывают большую часть ядра, в отдельных случаях доходя до ядрышка. Непосредственным продолжением этих впячиваний служат выросты внешней мембраны ядра, сли­ вающиеся с полостями эргастоплазмы. В целом получается сильно развитая сеть каналов, связывающих цитоплазматические и ядерные структуры, что, по мнению автора, создает условия для интен­ сификации синтеза и транспорта липидов в таких клетках (Кагаsaki, 1972).

Кроме самостоятельных выростов как внешней, так и внутрен­ ней мембран ядерной оболочки, во многих типах клеток видно образование инвагинаций или выпячиваний оболочки ядра в це­ лом, включающих обе мембраны.

Впячивания ядерной оболочки внутрь ядра могут иметь раз­ личную форму и протяженность — от небольших углублений до длинных складчатых инвагинаций. Майно с соавторами описал четыре типа впячиваний ядерной оболочки в клетках эндотелия кровеносных сосудов — небольшие углубления; складки, стенки которых идут параллельно одна другой; «закрытые» складки в ви­ де пузырьков с отверстием на поверхности ядерной оболочки и глубокие складки с плотно прилегающими мембранами оболочки ядра (Mayno et al., 1969) (см. рис. 10). Два последних типа впя­ чиваний были обнаружены также в клетках растений (Aldrich, Vasil, 1970). Многочисленные впячивания оболочки ядра, соответ­ ствующие «закрытым» складкам, наблюдал Афцелиус у однокле­ точной водоросли Noctiluca scintillans (Afzelius, 1963). По мнению этого автора, за счет впячиваний ядерной оболочки во много раз увеличивается поверхность ядра, что способствует активации ядер- но-цитоплазматических взаимоотношений.

Вероятно, подобную же функциональную нагрузку несут выро­ сты ядерной оболочки, особенно хорошо развитые в таких метабо­ лически активных клетках, как шелкоотделительные железы неко­ торых насекомых (Tashiro et al., 1968) или гигантские нейроны Tritonia diomedia (Сахаров и др. 1965). Как показывают экспери­ менты по электрической стимуляции гигантских нейронов моллюс­ ков, возрастание в этих клетках синтеза РНК сопровождается по­ явлением дополнительных глубоких выростов и впячиваний ядер­ ной оболочки, т. е. изрезанность контура ядра еще больше возра­ стает (Bocharova et al., 1972).

Zonula nucleum limitans

В последнее время некоторые авторы включают в состав внутрен­ ней ядерной мембраны особый тонкий, бесструктурный слой, кото­ рый получил название zonula nucleum limitans (Patrizi, Poger, 1967; Stevens, Andre, 1969),

1800 А, прилежащий к внутренней мембране ядерной оболочки, был найден в ядрах простейших — Amoeba proteus и Gregorina melanophi (Gall, 1964). У этих организмов слой представлен веществом несколько меньшей плотности, чем хроматин, и по своей общей морфологии напоминает гексагонально упакованные призмы или

пчелиные соты.

Впоследствии в клетках многих других организмов между хро­ матином и внутренней ядерной мембраной также был обнаружен слой, который, однако, не имел тех четко выраженных структур­ ных особенностей, присущих слою «пчелиных сот» у амеб (Faw­ cett, 1966; Patrizi, Poger, 1967). Тем не менее многие авторы склон­ ны считать, что это идентичные по составу и свойствам структур­ ные образования (Stevens, Andre, 1969).

Как тонкая структура, так и химическая организация zonula nucleum limitans изучены совершенно недостаточно. Некоторые ав­ торы описывали в ее составе тонкофибриллярные или мелкограпулярные структуры (Fawcett, 1966; Patrizi, 1968). В области ядериых пор zonula nucleum limitans прерывается и как бы сливается сп структурами порового комплекса (Patrizi, Poger, 1967; Kalifat et al., 1967). Согласно другой точке зрения, zonula nucleum limi­ tans представляет собой сплошной слой, сохраняющий непрерыв­

ность также и в области пор (Fawcett, 1966).

Относительно функции zonula nucleum limitans мало что из­ вестно. Ей приписывают механическую, опорную функцию (Faw­ cett, 1966). Допускается возможность участия этого слоя в про­ цессах транспорта веществ через внутреннюю ядерную мембрану в перинуклеарное пространство (Fawcett, 1966). По другим пред­

не как интегральную часть ядерной оболочки, а скорее как сопут­ ствующую, но не обязательную структуру. К таким предположе­ ниям приводит также тот факт, что zonula nucleum limitans не обнаружена в некоторых типах клеток: сперматоцитах (Fawcett, 1966), ооцитах, в соматических клетках беспозвоночных и расте­ ний (Stevens, Andre, 1969). Разрушение zonula nucleum limitans

происходит на стадии профазы (Stevens, Andre, 1969), что дает основание говорить о ней как о временно существующей структу­ ре интерфазного ядра.

Структура ядерных пор. Поросома

Поры ядерной оболочки представляют собой сложные образова­ ния, которые у некоторых авторов получили название «цилиндри­ ческий комплекс пор» (Watson, 1965; Afzelius, 1955; Franke,