Файл: Ченцов, Ю. С. Ультраструктура клеточного ядра.pdf

по сравнению с Gi-периодом. С другой стороны, в клетках мери­ стемы корешка Crepis capillaris (Kuroiwa, Tanaka, 1969) в S-пе­ риоде наблюдается максимальная дезагрегация хроматина. У Allium flavum (Nagl, 1970) при сопоставлении структуры ядер в G4- и йг-периодах отмечается утолщение и уплотнение хроматиновых нитей и увеличение массы гетеропикнотизированного хро­ матина после завершения синтеза ДНК.

По данным О. Е. Онищенко и Ю. С. Ченцова (1973), в кореш­ ках Allium fistulosum можно четко отличить ядра, находящиеся в периодах Gi и G2, по их размерам и по тимидиновой метке из массы ядер выделить ядра в S-периоде. В Gt-периоде в ядре хоро­ шо видны нити конденсированного хроматина (хромонемы) не­ постоянной толщины (в среднем 0,25 мк) и протяженности, а также пристеночные крупные теломерные хромоцентры. В ядрах, где происходит синтез ДНК, наблюдается сильное разрыхление нитчатых хромонем. В постсинтетический период толщина хроматиновых нитей возрастает до 0,3 — 0,35 мк, величина перифериче­ ских хромоцентров увеличивается почти вдвое. Позднее в ядрах наблюдается препрофазная организация хроматина, приводящая к образованию митотических хромосом (табл. 11, 12).

Эти немногочисленные наблюдения за ультраструктурными изменениями хроматина в течение жизненного цикла клеток, как нам представляется, свидетельствуют о следующей особенности структуры ядра: при синтезе ДНК наблюдается уменьшение чис­ ла зон конденсированного хроматина, которое вновь возрастает в постсинтетическом периоде, что может быть связано с переходом клеток к митозу.

II.СТРУКТУРА И ХИМИЯ ЯДРЫШКА КАК ОРГАНОИДА СИНТЕЗА КЛЕТОЧНЫХ РИБОСОМ

ниях клеток дали в свое время Касперсону возможность выдвинуть гипотезу о «системе образования цитоплазматических белков» (Caspersson, 1956). Суть ее заключалась в следующем. Часть хроматипа ядра обладает специфической функцией образования боль­ шого количества белков, которые собираются в ядрышке. Затем эти белки вызывают процесс синтеза цитоплазматической РНК, при участии которой происходит синтез белков цитоплазмы. Эта гипо­ теза получила множество подтверждений как в гистохимических, так и в биохимических работах, которые указывали на прямую связь между поведением ядрышка и интенсивностью синтетических процессов в клетке. Для всех интенсивно синтезирующих белки клеток, цитоплазма которых богата РНК, характерно появление крупных базофильных ядрышек. Такая картина встречается как в недифференцированных клетках эмбриональных, регенерирую­ щих или опухолевых тканей, способных к бурному росту и раз­ множению, так и у тех дифференцированных клеток, для которых свойственно образование большого количества белка (например, клетки железистого эпителия, нейроны, плазмоциты и т. п.)

В настоящее время известно, что в процессах синтеза клеточ­ ных белков ядрышко клетки является органоидом образования рибосомных РНК и рибосом, на которых происходит синтез полипептидных цепей как в ядре, так и в цитоплазме. В пользу этого представления говорит целый ряд фактов.

Можно представить себе схему участия ядрышек в синтезе цитоплазматических белков следующим образом: на ДНК ядрыш­ кового организатора образуется рибосомная РНК (рРНК), кото­ рая в зоне ядрышка одевается белком, здесь происходит сборка рибонуклеопротеидных частиц — рибосом; рибосомы, выходя из ядрышка в ядро или в цитоплазму, участвуют в процессах синте­ за белка (Franklin, Baltimore, 1962).

Количество ядрышек в клетке

Начиная от зеленых водорослей, грибов н низших простейших и кончая высшими организмами, все клетки имеют обязательные рнутриядерные структуры — ядрышки (Sirlin, 1962). Это правило

имеет небольшое число исключений, которые, как мы видим, толь­ ко подчеркивают важность и необходимость ядрышка в жизнен­ ном цикле клетки. К исключениям относятся клетки дробящихся яиц, где ядрышки отсутствуют на ранних этапах эмбриогенеза, или клетки, закончившие развитие и необратимо специализиро­ вавшиеся, например, некоторые клетки крови.

Количество ядрышек в клетке может меняться, однако их число на ядро зависит от генного баланса клетки (Корас, Mateyko, 1964; Lewis, John, 1963). Было найдено, что в образовании ядры­ шек участвуют определенные места некоторых хромосом, связь которых с ядрышком можно хорошо проследить в телофазе и про­ фазе. Такие хромосомы, как правило, имеют вторичные перетяж­ ки, зоны которых представляют собой места, где идет развитие ядрышек. Мак Клинток (Me Clintock, 1934) назвала эти участки хромосом «ядрышковыми организаторами». Она же показала, что ядрышковый организатор представляет собой не точечный локус хромосомы, а может быть множественным по своей структуре.

Вее экспериментах удалось установить наличие обмена между Двумя хромосомами в микроспороцитах кукурузы, при этом раз­ рыв одной из хромосом проходил через ядрышковый организатор.

Врезультате возникали две хромосомы, каждая из которых несла часть исходного ядрышкового организатора, и обе хромосомы об­ ладали способностью образовывать ядрышки, хотя и не в одинако­ вой степени. Места вторичных перетяжек особенно характерны

Для расположения ядрышковых организаторов, но последние иногда могут располагаться на концах хромосом или в нескольких местах по длине хромосомы.

По данным Тобиаса (Tobias, 1956), общее число ядрышек на ядро определяется числом ядрышковых организаторов и увеличи­ вается согласно плоидности ядра. Интересные факты, подтвержда­ ющие эту закономерность, получены при изучении числа ядры­ шек у мутантных особей шпорцевых лягушек Xenopus laevis (Fischberg, Wallace, 1960). Как оказалось впоследствии (Wallace, 1963), мутация этого вида связана с делецией вторичной перетяж­ ки одной из хромосом, что могло указывать на отсутствие одного ядрышкового организатора. Было найдено, что у гомозиготных мутантных эмбрионов ядрышки вообще отсутствуют, у гетерози­ готных особей всегда имеется только одно ядрышко и один ядрыш­ ковый организатор на геном, у животных дикого типа обычно встречается два или одно ядрышко на клетку.

Однако часто количество ядрышек на ядро бывает меньше чис­ ла ядрышковых организаторов, как, например, в клетках дикого типа X. laevis. Измерения величины ядрышек (Barr, Esper, 1963) показали, что объем одиночных ядрышек равен сумме объемов ядрышек в ядрах с парными ядрышками. Эти наблюдения показы­ вают, что ядрышки могут сливаться; кроме того, в образовании

52 Интерфазное ядро

одного ядрышка могут участвовать несколько организаторов. Так, у амфиплоидных гибридов пшеницы и ржи в ряде случаев в обра­ зовании одного большого ядрышка участвуют несколько хромосом обоих видов (Шкутина, 1966).

Свифт (Swift, 1959) выдвинул предположение о «конкурент­ ных» взаимоотношениях между ядрышковыми организаторами. Еще в работах М. С. Навашина (Navashin, 1934) на гибридах Crepis было показано, что хромосомный локус, который в нор­ мальных условиях образует крупное ядрышко, становится неак­ тивным, когда после гибридизации в ядре появляется более «силь­ ный» локус на другой хромосоме. Те же взаимоотношения отме­ тила Мак Клинток (Me Clintock, 1934) в ядрах микроспороцитов кукурузы.

Тот факт, что в определенных условиях может подавляться активность ядрышковых организаторов или же повышаться ак­ тивность других, бывших до этого в латентном состоянии, указы­ вает на то, что в клетках поддерживается определенный баланс количества ядрышкового материала, или, другими словами, регу­ лируется «валовая» продукция, выдаваемая ядрышками. Однако такая регуляция осуществляется, по-видимому, лишь в диплоид­ ных ядрах. В пользу существования латентных ядрышковых ор­ ганизаторов говорят эксперименты с получением микроядер при облучении или при химическом воздействии на клетки во время митоза. По данным Свифта (Swift, 1959), около 15% микроядер в клетках печени имеют ядрышки, что связано с нахождением в них определенных участков хромосом, ответственных за образо­ вание ядрышек. Однако общее число ядрышек, возникших в мик­ роядрах, выше, чем в исходных клетках; отсюда следует, что не­ которые хромосомы имеют потенциальные ядрышковые локусы, активные в изолированных микроядрах и неактивные в нормаль­ ных клетках. Сходные выводы получены в недавней работе Фил­ липс и Филлипс (Phillips, Phillips, 1969). В работе Н. А. Перова и Ю. С. Ченцова (1971) показано, что в клетках слюнных желез Chironomus plumosus, кроме основного ядрышка, локализованного на четвертой хромосоме, на всех остальных хромосомах встречает­ ся масса микроядрышек, образующих так называемые базофильные диски. Эти микроядрышки ни по ультраструктуре, ни по ре­ акции на актиномицин (см. ниже) не отличаются от основного гигантского ядрышка.

Исходя из перечисленных выше фактов, можно сделать сле­ дующие заключения: образование ядрышек и их число связано с активностью и числом определенных участков хромосом — яд­ рышковых организаторов, которые расположены большей частью в зонах вторичных перетяжек; изменения в числе ядрышек в клет­ ках данного типа могут происходить за счет слияния ядрышек или за счет сдвигов в хромосомном балансе клетки; хромосомы могут

иметь латентные ядрышковые организаторы, активность которых зависит от конкурентных взаимоотношений с «сильными» ядрыш­ ковыми организаторами.

Химия ядрышка

Данные гистохимии и ауторадиографии

По данным гистохимии и ауторадиографии, ядрышко, по сравне­ нию с другими компонентами клетки, характеризуется как самая плотная структура с наиболее высокой концентрацией РНК, с чрезвычайно высокой активностью в отношении синтеза РНК. Так, в клетках спинальных ганглиев плотность ядрышка в три раза выше плотности ядра и в 1,5 раза выше плотности цитоплаз­ мы (Engstrom, 1950). Сухой вес ядрышек может достигать 40— 90% (Vincent, 1955), главным образом, за счет белка. По данным цитохимии, в ядрышках содержатся белки нескольких типов: кис­ лые фосфопротеиды и основные белки негистоновой природы

(Браше, 1960).

Концентрация РНК в ядрышках всегда выше концентрации РНК в других компонентах клетки, хотя вариации в количестве РНК в ядрышках очень значительны. Концентрация РНК в яд­ рышке может быть в 2—8 раз выше, чем в ядре, и в 1—3 раза вы­ ше, чем в цитоплазме (Sirlin, 1962). Так, отношение концентра­ ций РНК в ядре, ядрышке и в цитоплазме клеток печени мыши составляет 1 : 7,3 :4,1; в клетках поджелудочной железы —

1 : 9,6 : 6,6 (Amano, Leblond, 1960). Цитофотометрические иссле­ дования показали, что количество РНК в ядрышках очень велико и колеблется от 2 до 10% на сухой вес. Однако, если учитывать, что объем ядрышек очень мал (несколько кубических микрон), то абсолютное содержание РНК в них мало.

Обычно ядрышко не дает реакции Фельгена, в нем не обнару­ живается ДНК. Все же при исследовании фиксированных клеток вокруг ядрышка всегда выделяется зона хроматина, часто отож­ дествляемая с гетерохроматином ядрышкового организатора. Этот околоядрышковый хроматин, по данным электронной микроско­ пии, представляется как интегральная часть сложной структуры ядрышка (Bernhard, Granboulan, 1968). Ядрышковый хроматин обнаруживается ауторадиографически с помощью меченного три­ тием актиномицина (Ebstein, 1969), путем гибридизации меченой рРНК с денатурированной ДНК на срезах в ооцитах амфибий (Gall, 1969). Многочисленные ауторадиографические исследования показали, что ядрышко — одно из самых активных мест в клетке по включению предшественников в РНК. Так, например, Вудс (Woods, 1960) помещал корешки V. faba в среду с Н3-цитидином на короткое время, в течение которого метились только ядрышки.