НУКЛЕОЛ: ХАРАКТЕРИСТИКИ, БУДОВА, МОРФОЛОГІЯ ТА ФУНКЦІЇ - БІОЛОГІЯ - 2025

Ядро є клітинною структурою не обмежена мембраною, є одним з найбільш помітних областей ядра. Він спостерігається як більш щільна область в ядрі і поділяється на три області: щільний фібрилярний компонент, фібрилярний центр і зернистий компонент.

Він головним чином відповідає за синтез і збирання рибосом; однак ця структура має і інші функції. У ядерці виявлено понад 700 білків, які не беруть участь у процесах біогенезу рибосоми. Таким же чином ядерце бере участь у розвитку різних патологій.

Першим дослідником, який спостерігав за ядерною зоною, був Ф. Фонтана в 1781 році, більше двох століть тому. Тоді, в середині 1930-х, МакКлінток зміг спостерігати таку структуру в своїх експериментах із Zea mays. Відтоді сотні досліджень були зосереджені на розумінні функцій та динаміки цього регіону ядра.

Загальна характеристика

Ядерце - це видатна структура, розташована всередині ядра еукаріотичних клітин. Це "регіон" у формі сфери, оскільки не існує типу біомембрани, яка відокремлює її від решти ядерних компонентів.

Під мікроскопом його можна розглядати як субрегіон ядра, коли клітина знаходиться на межі розділу.

Він організований у регіонах під назвою NOR (за його абревіатурою англійською мовою: хромосомні нуклеолярні регіони організаторів), де знаходять послідовності, що кодують рибосоми.

Ці гени знаходяться в конкретних областях хромосом. У людей вони організовані в тандемі в супутникових областях хромосом 13, 14, 15, 21 і 22.

У ядерці відбувається транскрипція, обробка та складання субодиниць, що складають рибосоми.

Окрім традиційної функції, ядерце пов’язане з білками-супресорами пухлин, регуляторами клітинного циклу і навіть білками від вірусів.

Білки нуклеолу динамічні, і їх послідовність, як видається, зберігається протягом еволюції. З цих білків лише 30% були пов'язані з біогенезом рибосоми.

Будова та морфологія

Ядерце поділяється на три основні компоненти, що відрізняються електронною мікроскопією: щільний фібрилярний компонент, фібрилярний центр і зернистий компонент.

Як правило, він оточений конденсованим хроматином, який називається гетерохроматином. У ядерці відбуваються процеси транскрипції рибосомної РНК, переробки та складання рибосомних попередників.

Ядерце - це динамічна область, де білки, компоненти яких можуть швидко асоціюватися та відокремлюватися від нуклеолярних компонентів, створюючи безперервний обмін з нуклеоплазмою (желеподібною речовиною, внутрішньою до ядра).

У ссавців структура ядерця змінюється залежно від стадій клітинного циклу. У профазі спостерігається дезорганізація ядерця і він знову збирається в кінці мітотичного процесу. Максимальна транскрипційна активність у ядерці спостерігалась у фазах S та G2.

На активність РНК-полімерази I можуть впливати різні стани фосфорилювання, змінюючи тим самим активність ядерця протягом клітинного циклу. Мовчання під час мітозу відбувається через фосфорилювання різних елементів, таких як SL1 та TTF-1.

Однак ця закономірність поширена не у всіх організмів. Наприклад, у дріжджах ядерце наявне - і активне - протягом усього процесу поділу клітин.

Фібрилярні центри

Гени, що кодують рибосомальну РНК, розташовані у фібрилярних центрах. Ці центри - чіткі регіони, оточені щільними фібрилярними компонентами. Фібрилярні центри змінюються за розміром і кількістю, залежно від типу клітини.

Описана певна закономірність щодо характеристик фібрилярних центрів. Клітини з високим синтезом рибосоми мають низьку кількість фібрилярних центрів, тоді як клітини зі зниженими метаболізмами (наприклад, лімфоцити) мають більші фібрилярні центри.

Існують конкретні випадки, наприклад, у нейронів з дуже активним метаболізмом, ядерце якого має гігантський фібрилярний центр, що супроводжується невеликими меншими центрами.

Щільний фібрилярний компонент і зернистий компонент

Щільний фібрилярний компонент і фібрилярні центри вбудовані в зернистий компонент, гранули якого мають діаметр від 15 до 20 нм. Процес транскрипції (проходження молекули ДНК до РНК, що вважається першим етапом експресії гена) відбувається в межах фібрилярних центрів і в щільному фібрилярному компоненті.

Обробка рибосомної пре-РНК відбувається у щільному фібрилярному компоненті і процес поширюється на зернистий компонент. Транскрипти накопичуються у щільному фібрилярному компоненті, а нуклеолярні білки також розташовані у щільному фібрилярному компоненті. Саме в цьому регіоні відбувається складання рибосом.

Після закінчення цього процесу збірки рибосомної РНК з необхідними білками ці продукти експортуються в цитоплазму.

Гранульований компонент багатий факторами транскрипції (деякі приклади SUMO-1 і Ubc9). Зазвичай ядерце оточене гетерохроматином; Вважається, що ця ущільнена ДНК відіграє роль у транскрипції рибосомної РНК.

У ссавців рибосомальна ДНК у клітинах ущільнюється або замовчується. Ця організація, як видається, важлива для регуляції рибосомної ДНК та захисту геномної стабільності.

Нуклеолярний організатор регіону

У цій області (NOR) згруповані гени (рибосомальна ДНК), що кодують рибосомну РНК.

Хромосоми, що складають ці регіони, змінюються залежно від досліджуваних видів. У людини вони знаходяться в супутникових областях акроцентричних хромосом (центрометр розташований біля одного з кінців), конкретно в парах 13, 14, 15, 21 і 22.

Одиниці ДНК рибосоми складаються з транскрибованої послідовності та зовнішнього спейсера, необхідного для транскрипції РНК-полімеразою I.

У промоторах рибосомної ДНК можна виділити два елементи: центральний та елемент, розташований вище (за течією).

Особливості

Машини для формування рібосомальної РНК

Ядерце можна вважати фабрикою з усіма компонентами, необхідними для біосинтезу попередників рибосоми.

Рибосомальна або рибосомальна РНК (рибонуклеїнова кислота), яку зазвичай скорочують як рРНК, є компонентом рибосом і бере участь у синтезі білків. Цей компонент життєво важливий для всіх родів живих істот.

Рибосомальна РНК асоціюється з іншими компонентами білкової природи. Це зв'язування призводить до отримання рибосомальних субодиниць. Класифікація рибосомальної РНК, як правило, подається буквою "S", яка позначає одиниці Шведберга або коефіцієнт осідання.

Організація рибосом

Рибосоми складаються з двох субодиниць: основної чи великої та малої чи другорядної.

Рибосомальна РНК прокаріотів та еукаріотів диференціюється. У прокаріотів велика субодиниця становить 50S і складається з 5S і 23S рибосомальних РНК, також мала субодиниця становить 30S і складається лише з 16S рибосомальної РНК.

На відміну від цього, основна субодиниця (60S) складається з 5S, 5.8S та 28S рибосомальних РНК. Мала субодиниця (40S) складається виключно з 18S рибосомальної РНК.

У ядерці знаходяться гени, які кодують рибосомні РНК 5.8S, 18S та 28S. РНК-полімераза I. ці рибосомальні РНК транскрибуються у вигляді єдиної одиниці всередині ядерця. Цей процес призводить до попередника РНК 45S.

Згаданий попередник рибосомної РНК (45S) повинен бути розщеплений на 18S компоненти, що належать до малої субодиниці (40S) та до 5,8S та 28S великої субодиниці (60S).

Рибосомальна РНК, що відсутня, 5S, синтезується поза ядерця; На відміну від своїх аналогів, процес каталізується РНК-полімеразою III.

Транскрипція рибосомальної РНК

Клітині потрібно велика кількість молекул рибосомної РНК. Існує кілька копій генів, які кодують цей тип РНК для задоволення цих високих вимог.

Наприклад, на основі даних, знайдених у геномі людини, існує 200 копій для рибосомних РНК 5,8S, 18S та 28S. Для рибосомної РНК 5S існує 2000 примірників.

Процес починається з 45S рибосомної РНК. Починається з видалення проставки біля кінця 5 ′. Коли процес транскрипції завершено, залишився спейсер, розташований на 3-кінці, видаляється. Після наступних делецій отримують зрілу рибосомну РНК.

Крім того, обробка рибосомальної РНК вимагає низки важливих модифікацій у її основах, таких як процеси метилювання та перетворення уридину в псевдоуридин.

Згодом відбувається додавання білків та РНК, розташованих у ядерці. Серед них є невеликі нуклеолярні РНК (pRNA), які беруть участь у розділенні рибосомних РНК на продукти 18S, 5.8S та 28S.

PRNA мають послідовності, що доповнюють 18S і 28S рибосомні РНК. Тому вони можуть змінювати основи РНК-попередника, метилируя певні ділянки та беручи участь у формуванні псевдоуридину.

Збирання рибосом

Утворення рибосом передбачає зв'язування материнської рибосомальної РНК разом з рибосомними білками та 5S. Білки, що беруть участь у процесі, транскрибуються РНК-полімеразою II в цитоплазму і повинні транспортуватися до ядерця.

Рибосомальні білки починають зв'язуватися з рибосомними РНК до того, як відбувається розщеплення 45S рибосомної РНК. Після поділу додаються решти рибосомальних білків та 5S рибосомної РНК.

Дозрівання рибосомної РНК 18S відбувається швидше. Нарешті, «прерібосомні частинки» експортуються до цитоплазми.

Інші функції

Окрім біогенезу рибосом, нещодавні дослідження виявили, що ядерце є багатофункціональним утворенням.

Ядерце також бере участь в обробці та дозріванні інших типів РНК, таких як snRNP (комплекси білків та РНК, які поєднуються з РНК перед месенджером для формування спліцеосоми або комплексу сплайсингу) та певних РНК передачі. , мікроРНК та інші рибонуклеопротеїнові комплекси.

За допомогою аналізу протеома ядерця виявлено білки, пов'язані з обробкою РНК перед месенджером, з контролем клітинного циклу, з реплікацією та репарацією ДНК. Конституція білка ядерця динамічна і змінюється в різних умовах навколишнього середовища та стресах клітин.

Так само існує низка патологій, пов’язаних з неправильним функціонуванням ядерця. До них відносяться анемія Діаманда - Блекфана та нейродегенеративні розлади, такі як хвороба Альцгеймера та Хантінгтона.

У пацієнтів Альцгеймера спостерігається зміна рівня експресії ядерця порівняно зі здоровими пацієнтами.

Ядерце і рак

Понад 5000 досліджень показали взаємозв'язок між проліферацією злоякісних клітин та активністю ядерця.

Мета деяких досліджень - кількісна оцінка білків ядерця для клінічних діагностичних цілей. Іншими словами, мета полягає в оцінці проліферації раку, використовуючи ці білки як маркер, зокрема B23, нуклеолін, UBF та РНК-субодиниці полімерази I.

З іншого боку, було встановлено, що білок B23 безпосередньо пов'язаний з розвитком раку. Так само інші нуклеолярні компоненти беруть участь у розвитку таких патологій, як гострий промієлоцитарний лейкоз.

Ядерце і віруси

Існує достатньо доказів, що стверджують, що віруси, як від рослин, так і від тварин, потребують ядерцевих білків для досягнення процесу реплікації. Існують зміни в ядерці, з точки зору його морфології та білкового складу, коли клітина зазнає вірусну інфекцію.

Було виявлено значну кількість білків, які походять від послідовностей ДНК та РНК, які містять віруси і розташовані в ядерці.

Віруси мають різні стратегії, які дозволяють їм знаходитись у цій підядерній області, наприклад, вірусні білки, які містять "сигнали", що ведуть їх до ядерця. Ці мітки багаті на амінокислоти аргінін та лізин.

Розташування вірусів у ядерці полегшує їх реплікацію і, крім того, видається, що це є вимогою до їх патогенності.

Список літератури

1. Boisvert, FM, van Koningsbruggen, S., Navascués, J., & Lamond, AI (2007). Багатофункціональне ядерце. Огляди природи Молекулярна клітинна біологія, 8 (7), 574–585.
2. Boulon, S., Westman, BJ, Hutten, S., Boisvert, F.-M., & Lamond, AI (2010). Нуклеол під стресом. Молекулярна клітина, 40 (2), 216–227.
3. Купер, CM (2000). Клітина: молекулярний підхід. 2-е видання. Sinauer Associates. Sirri, V., Urcuqui-Inchima, S., Roussel, P., & Hernandez-Verdun, D. (2008). Нуклеол: захоплююче ядерне тіло. Гістохімія та клітинна біологія, 129 (1), 13–31.
4. Horký, M., Kotala, V., Anton, M., & WESIERSKA - GADEK, J. (2002). Нуклеол і апоптоз. Літописи Нью-Йоркської академії наук, 973 (1), 258-264.
5. Leung, AK, & Lamond, AI (2003). Динаміка ядерця. Критичні огляди ™ в еукаріотичній експресії генів, 13 (1).
6. Монтанаро, Л., Трере, Д. та Дерензіні, М. (2008). Нуклеол, Рибосоми та Рак. Американський журнал патології, 173 (2), 301–310. http://doi.org/10.2353/ajpath.2008.070752
7. Педерсон, Т. (2011). Нуклеол. Перспективи в галузі біології "Холодна весна", 3 (3), a000638.
8. Цекрекоу, М., Стратигі, К., і Чатзініколау, Г. (2017). Нуклеол: в обслуговуванні та ремонті геному. Міжнародний журнал молекулярних наук, 18 (7), 1411.