Ядро Функции ядра Хранение генетической информации

Ядро

Функции ядра: Хранение генетической информации • Реализация генетической информации Хранение генетической информации 1. Ликвидация спонтанных повреждений молекулы ДНК 2. Воспроизведение, редупликация и разъединение (сегрегация) молекул ДНК 3. Изменение и рекомбинация генетического материала 4. Непосредственно участвуют в процессах распределения молекул ДНК при делении клеток • Реализация генетической информации 1. Синтез ДНК 2. Транскрипция 3. Транскрипция всех видов т. РНК, и р. РНК 4. Процессинг, сплайсинг первичных транскриптов 5. Образование субъединиц рибосом

Ядро прокариот? 80% ДНК Различные белки (20%) и РНК • Нуклеоид – представлен тонкими рыхлыми сетями фибрилл толщиной 2 -7 нм • Иногда можно наблюдать контакты фибрилл нуклеоида с плазматической мембраной, с ее выростами • E. coli содержит 5 × 10 -3 пг, около 2000 генов • Молекула ДНК кольцевая, бактериальная хромосома или генофор • У B. subtilis имеется от 2 до 9 одинаковых молекул ДНК и соответственно несколько нуклеоидов

Ядро прокариот? • Бактериальные хромосомы всегда связаны с плазматической мембраной через специфические мембранные белки, которые взаимодействуют с ДНК в зоне старта ее синтеза • В процессе клеточного деления существенных изменений в компактности нуклеоплазмы не наблюдается, в отличие от эукариотических хромосом • Если же изучать выделенные целые нуклеоиды бактерий, то они представляют собой тела, состоящие из многочисленных суперспирализованных петель ДНК, отходящих от плотной центральной области. В одну такую петлю или домен входит до 10 -15 мкм ДНК, или около 40 000 п. н. , а всего таких петель – около 120 • Гигантская кольцевая молекула – хромосома с помощью РНК и белков многократно складывается, образуя многочисленные петли

Ядро прокариот? • Часть ДНК нуклеоида связана с небольшим числом специальных основных белков, отличных от гистонов эукариот. Одна молекула одного из таких белков (H-NS) приходится на 400 п. н. ДНК • Центральная часть нуклеоида представлена неактивной и сверхспирализованной ДНК, тогда как по его периферии расположены деспирализованные петли • Процессы транскрипции и трансляции не разобщены территориально

Клеточный цикл прокариот • Разделения тела клетки, цитотомия, не связана с окончанием синтеза ДНК • При делении бактериальных клеток не происходит особой конденсации ДНК в составе нуклеоида • Обособление и разъединение двух дочерних хромосом связано с расхождением мест прикрепления хромосом к плазматической мембране

Ядро эукариотических клеток • ДНК-содержащий компонент отделен от цитоплазмы специальной оболочкой (ядерная оболочка) • Количество ДНК в ядах эукариот в тысячи раз больше, чем в составе нуклеоидов бактерий • ДНК эукариот представляет собой сложный нуклеопротеидный комплекс, образующий специальную структуру – хроматин • Несколько физически не связанных хромосом, каждая из которых содержит одну линейную гигантскую молекулу ДНК • Каждая хромосомная ДНК представляет собой полирепликонную структуру • В ядрах не происходит синтеза белков

Ядро эукариотических клеток 1. ядерная оболочка, 2. хроматин, 3. ядрышко 4. другие продукты синтетической активности: ядерно белковый остов (матрикс) кариоплазма (или ядерный сока)

Хроматин • Хроматин – комплекс. ДНК и белков • Деконденсированный – называют диффузным хроматином • При неполном разрыхлении хромосом в интерфазном ядре видны участки конденсированного хроматина (иногда называемого гетерохроматин)

Хроматин 1. 2. • • • Эухроматин Гетерохроматин В интенсивно делящихся и в мало специализированных клетках ядра имеют диффузную структуру, в них кроме узкого периферического ободка конденсированного хроматина встречается небольшое число мелких хромоцентров В клетках высокоспециализированных или в клетках, заканчивающих свой жизненный цикл, хроматин представлен в виде массивного периферического слоя и крупных хромоцентров Чем больше в ядре доля конденсированного хроматина, тем меньше метаболическая активность ядра*

Хроматин • Э. Гейтц – в интерфазных ядрах существуют постоянные участки конденсированного хроматина, наличие которого не зависит от степени дифференцированнности ткани или от функциональной активности клеток - истинный гетерохроматин • В составе ядерного хроматина только лишь некоторые участки практически никогда не теряют особого конденсированного состояния • Конститутивный (постоянный) гетерохроматин = центромерные и теломерные участки хромосом

Гетерохроматин • • генетически не активен не транскрибируется реплицируется позже всего остального хроматина в его состав входит особая (сателлитная) ДНК, обогащенная высокоповторяющимися последовательностями нуклеотидов • он локализован в центромерных, теломерных и интеркалярных зонах митотических хромосом *В дифференцированных клетках всего лишь около 10% генов находится в активном состоянии

Сравнение эухроматина и гетерохроматина Свойства Эухроматин Активный Структура Неактивный (факультативный гетерохроматин) диффузный конденсированный Синтез РНК + - Синтез ДНК + + Тип нуклеотидных последовательностей ДНК Локализация уникальные, умеренные повторы плечи хромосом Гетерохроматин конститутивный уникальные, умеренные повторы плечи хромосом конденсированный + поздняя репликация высокоповторяющаяся, сателлитная ДНК центромера, теломера, интеркалярный гетерохроматин

Общее строение хромосомы • Тело хромосомы (плечо), теломерный, конечный участок, и центромера • вторичная перетяжка=ядрышковый организатор • два хромосомных плеча, соединенных в зоне центромеры. Эта зона называется первичной перетяжкой • В области первичной перетяжки (центромеры) расположен кинетохор

Пространственное расположение хромосом в интерфазном ядре • Теория непрерывности хромосом - хромосомы, вошедшие в состав дочернего ядра в телофазе, сохраняются в нем хотя бы и в очень измененном виде в качестве индивидуальных структур и появляются снова в собственном смысле слова в следующей профазе • В интерфазных ядрах целого ряда объектов удается регистрировать отдельные специфические участки, аналогичные по своим свойствам теломерам и центромерам митотических хромосом

Расположение хромосом внутри ядра • В объеме ядер хромосомы располагаются повторяя анателофазную ориентацию • Каждое плечо хромосомы занимает определенную зону, объем которой не заходит в объем соседних хромосом • Каждая из хромосом образует пологую правую спираль (5 -7 витков), которая в нескольких местах связана с ядерной оболочкой • Фиксированы на ядерной оболочке и теломерные участки всех хромосом, которые располагаются на одном из полюсов интерфазного ядра. • На противоположном полюсе ядра также в связи с ядерной оболочкой располагаются центромерные районы хромосом, часто объединенные в один хромоцентр

Ядерный белковый матрикс • На долю гистонов приходится до 80% от всех белков хроматина • Необходима правильная организация хромосом в трехмерном пространстве ядра • Существует каркас для: хроматина, ядрышка, ядерной оболочки • ЯБМ состоит на 98% из негистоновых белков, в него, кроме того, входит 0, 1% ДНК, 1, 2% РНК, 1, 1% фосфолипидов

Морфология ядерного матрикса • Периферический белковый сетчатый (фиброзный) слой – ламина (nuclear lamina, fibrous lamina), • Внутренняя или интерхроматиновая сеть (остов) • «Остаточное» ядрышко

Ламина • 10 -20 нм • Тонкий фиброзный слой, подстилающий внутреннюю мембрану ядерной оболочки • Называют фракцией «поровый комплекс – ламина» (PCL – “pore complex – lamina”) • К ней тесно прилегает слой периферического хроматина • Она образует сплошной фиброзный белковый слой по периферии ядра, достаточный для того, чтобы поддерживать морфологическую целостность ядра!

Ламина • Ламины A, B, C + минорные компонентов с молекулярными массами от 11 -13 до 200 к. Д + промежуточные микрофиламенты • Ламины образуют решётку • Ламин B представляет собой липопротеид, остается в связи с мембранами даже во время митоза

Внутриядерный остов • Рыхлая фиброзная сеть, располагающаяся между участками хроматина • Часто в состав этой губчатой сети входят различные гранулы РНП-природы Остаточное ядрышко • Плотная структура, повторяющая по своей форме ядрышко, также состоит из плотно уложенных фибрилл

Внутриядерный остов • Характеристика белков внутриядерного остова детально еще не разработана • Принимают участие в доменной организации ДНК в интерфазном ядре в создании розетковидной, хромомерной формы упаковки хроматина • Элементы внутреннего матрикса представляют собой сердцевины розеточных структур хромомеров

ДНК ядерного белкового матрикса • Это остаточная ДНК, менее 1% от всей ДНК ядра • От 60000 до 125000 участков ДНК, защищенных от действия нуклеаз (эти участки могут быть расположены на всех трех компонентах ядерного матрикса) Остаточная ДНК высокомолекулярные фрагменты размером около 10 т. п. н. , они составляли всего 0, 02% небольшие участки ДНК (120 -140 п. н. ), гетерогенных по последовательности

Высокомолекулярные фрагменты • Их число составляло примерно 100 на гаплоидный набор хромосом, т. е. всего 2 -3 участка прикрепления ДНК к ядерному матриксу на хромосому • Эти фрагменты были обогащены сателлитной ДНК и были связаны с ламиной • Функциональное значение этих участков может состоять в обеспечении фиксированного положения хромосом в ядре с помощью закрепления их определенных участков (центромер, теломер) на ламине

Низкомолекулярные фрагменты ДНК • Они встречаются между участками ДНК длиной около 50 т. п. н. , представляющих собой, вероятно петли основной массы хроматина • Функциональное значение второй группы этих коротких участков ДНК может заключаться в том, что они ассоциированы с белками, лежащими в сердцевинах розеткоподобных структур хроматина или в основании развернутых петель ДНК хроматина при его активации

Петлевая организация хроматина • Если удалить все гистоны, то целостность ядра сохраняется, за исключением того, что вокруг ядра возникнет т. н. «гало» , состоящее из огромного числа петель ДНК • Средний размер петель около 60 т. п. н. • Основание петель закреплено где-то внутри ядра • Размер отдельных петлевых доменов совпадает с размером средних репликонов

Низкомолекулярные фрагменты ДНК • Было обнаружено, что зоны (районы) связывания ДНК с матриксом (MAR – matrix attachment regions или SAR – scaffold attachment regions) содержат приблизительно 200 п. н. и располагаются друг от друга на расстоянии 5 -112 т. п. н. • Места расположения последовательностей SAR (MAR) очень сходны или даже идентичны с местами связывания ДНК с топоизомеразой II • Фракция ДНК, ассоциированная с ядерным матриксом, оказалась обогащенной репликативными вилками