У клітинній біології, ядро (лат. nucleus) — клітинна органела, знайдена у більшості клітинах еукаріотів і містить ядерні гени, які складають більшу частину генетичного матеріалу. Ядро має дві первинні функції: керування хімічними реакціями в межах цитоплазми і збереження інформації, потрібної для поділу клітини.
Ядро є фундаментальним компонентом еукаріотичних клітин і відповідає за регуляцію генетичної інформації, яка керує діяльністю клітини. Це високоспеціалізована органела, яка відіграє вирішальну роль у багатьох клітинних процесах, включаючи експресію генів, реплікацію ДНК і поділ клітин. Ядро оточене двомембранною структурою, яка називається ядерною мембраною, і містить різні компоненти, такі як ядерце, хроматин і ядерний матрикс.
Вивчення клітинного ядра має величезне значення для розуміння фундаментальних процесів, які керують клітинними функціями та розвитком.
Історія відкриття
Хоч цілком можливо, що ядро клітини вперше спостерігав Антоні ван Левенгук наприкінці 17-го століття за допомогою простого мікроскопа, тільки після винаходу складного мікроскопа в 19-му столітті ядро почало детально вивчатися.
В 1831 році англійський природознавець Роберт Броун вивчав різні види рослин, зразки яких він зібрав під час подорожі до Австралії. Броун був дуже уважним до деталей, а клітини рослин особливо цікавили його. Розглядаючи їх під мікроскопом, він побачив дещо цікаве: кожна клітина містила круглий і непрозорий елемент. Він назвав його ядром.
Дізнавшись про спостереження Броуна, німецький фізіолог Теодор Шванн почав шукати подібні елементи в клітинах пуголовків і знайшов. Кожна клітина містила ядро. Це був революційний прорив — свідчення того, що всі види життя пов'язані між собою. В одній із книг Шванн описав різні типи клітин, взяті від різноманітних організмів і визначив їх за фактом наявності ядра.
Наприкінці 1800-х років швейцарський анатом Вільгельм Вальдейер ввів термін «хромосома» для опису ниткоподібних структур, які спостерігаються в ядрі під час поділу клітини. Він також припустив, що ядро є місцем спадкової інформації в клітинах.
На початку 20-го століття американський генетик Томас Гант Морган використовував плодову мушку Drosophila melanogaster для вивчення моделей успадкування та ролі хромосом у спадкуванні. Він виявив, що гени розташовані в хромосомах і їх можна відобразити в певних місцях хромосоми.
У середині 20-го століття відкриття подвійної спіральної структури ДНК Джеймсом Уотсоном і Френсісом Кріком змінило наше розуміння структури і функції ядра. Він показав, як генетична інформація зберігається та передається між поколіннями.
З тих пір було досягнуто багато успіхів у розумінні ядра, включаючи відкриття гістонів і їх ролі в структурі хроматину, регуляції експресії генів і ролі ядерця в складанні рибосом. Сьогодні дослідження ядра продовжують бути активною сферою досліджень, що має значення для таких галузей, як молекулярна та клітинна біологія, генетика, епігенетика, біологія розвитку. Усвідомлення того, що є елемент спільний для всіх організмів, не тільки для рослин, а й для тварин, поєднало рослинне і тваринне царство у щось спільне, щось, що мало однакові риси.
Будова клітинного ядра
Ядро, зазвичай, кулеподібної форми (але може бути і іншої) і розташовується в центрі клітини. Розміри ядра залежать від розмірів клітини, і становлять, зазвичай, 10-50% об'єму клітини, або 8-25 мікрометрів у діаметрі. Воно оточене подвійною мембраною, яка називається ядерною мембраною (оболонкою), яка відокремлює ядро від цитоплазми.
Ядро складається з декількох компонентів: ядерна мембрана, нуклеоплазма (каріоплазма), хроматин та ядерце.
Ядерна мембрана
Ядерна мембрана (або ядерна оболонка, або нуклеолема) складається з двох ліпідних подвійних шарів із проміжним простором, який називається перинуклеарним простором. Крізь внутрішню і зовнішню мембрани на деяких інтервалах проходять ядерні пори, які регулюють транспортування молекул між ядром і цитоплазмою, відокремлюючи хімічні реакції, що відбуваються в цитоплазмі, від реакцій, що трапляються в межах ядра. Зовнішня мембрана безперервна з шорстким (зернистим, гранулярним) ендоплазматичним ретикулумом (англ. RER) і має на своїх поверхні рибосоми, що робить його вигляд зернистим (шорстким, гранулярним). Ядерна сторона ядерної оболонки оточена мережею проміжних філаментів, яка називається ядерною ламіною.
Нуклеоплазма
Нуклеоплазма (каріоплазма, каріолімфа, ядерний сік) — гелеподібна рідина (подібна до цитоплазми), в якій розчинені різноманітні речовин. Ці речовини включають нуклеотид-трифосфати, сигнальні молекули, ДНК, РНК та білки (ензими та філаменти).
Хроматин
Генетичний матеріал присутній в ядрі у вигляді хроматину. Хроматин — це комплекс ДНК, білків-гістонів та інших асоційованих білків, які утворюють хромосоми. Він організований у окремі одиниці, які називаються нуклеосомами, які складаються з ДНК, обгорнутої навколо ядра з гістонів.
Нуклеосоми є основною одиницею упаковки ДНК в еукаріотичних клітинах, що складається з сегмента ДНК, обгорнутого навколо ядра з восьми білків гістонів. Гістони складаються з двох копій кожного білка-гістона H2A, H2B, H3 і H4, розташованих у характерній октамерній структурі. Гістонові білки є високоосновними та позитивно зарядженими, що дозволяє їм взаємодіяти з негативно зарядженою молекулою ДНК. Кожен гістоновий білок містить глобулярний домен, який бере участь у білок-білкових взаємодіях з іншими гістонами в нуклеосомі, а також гнучкий N-кінцевий хвіст, який виступає з серцевини і бере участь у зв’язуванні та регуляції ДНК. Структура нуклеосоми організована в ряд комплексів гістон-ДНК, причому кожен комплекс гістон-ДНК містить приблизно 147 пар основ ДНК, загорнутих навколо ядра гістону. ДНК намотується навколо ядра у вигляді лівої суперспіралі, причому кожен виток спіралі містить приблизно 1,7 витка ДНК. Структура нуклеосом додатково стабілізується п’ятим білком-гістоном, гістоном H1, який зв’язується з лінкерною ДНК між сусідніми нуклеосомами та допомагає організувати волокно хроматину в структури вищого порядку. Організація ДНК у нуклеосоми відіграє вирішальну роль у регуляції експресії генів і структури хроматину. Щільно упакована структура нуклеосоми є бар’єром для факторів транскрипції та інших регуляторних білків, обмежуючи їх здатність взаємодіяти з ДНК. Однак зміни в структурі нуклеосом, такі як модифікація гістонів або ремоделювання нуклеосом, можуть змінити доступність ДНК і дозволити зміни в експресії генів. На додаток до їхньої ролі в упаковці ДНК, гістони та нуклеосоми також залучені в низку інших клітинних процесів, включаючи реплікацію ДНК, відновлення та рекомбінацію, а також сегрегацію хромосом під час поділу клітини. Завдяки своїй здатності взаємодіяти з ДНК та іншими білками гістони та нуклеосоми відіграють вирішальну роль у підтримці структури та функції геному.
Існує 2 види хроматину: еухроматин і гетерохроматин. Еухроматин — менш компактна форма ДНК. Області ДНК, які знаходяться у формі еухроматину містять гени, які можуть зчитуватись клітиною. У гетерохроматині ДНК, навпаки, більш компактно упакована і її гени не зчитуються клітиною, тобто "вимнені". У інтерфазі гетерохроматин, зазвичай, розташовується по периферії ядра (пристінковий гетерохроматин). Повна конденсація хромосом відбувається перед поділом клітини. Щільність упаковки хроматину є частиною епігенетичного контролю експресії генів і частково визначається модифікаціями гістонових хвостів — ацетилюванням і деацетилюванням, та метилюванням.
Вважається, що в ядрі існують так звані функціональні домени хроматину (ДНК одного домену містить приблизно 30 тисяч пар основ), тобто кожна ділянка хромосоми має власну «територію». На жаль, питання просторового розподілу хроматину в ядрі вивчений поки недостатньо. Відомо, що теломерні (кінцеві) і центромерні (що відповідають за зв'язування сестринських хроматид в мітозі) ділянки хромосом закріплені на білках ядерної ламіни.
Ядерце
Ядерце — це спеціалізований субкомпартмент у ядрі, який відповідає за виробництво та збирання рибосом. Внутрішня частина ядра містить одне або декілька ядерець. Ядерце складається з трьох окремих областей: фібрилярного центру, щільного фібрилярного компонента та зернистого (гранулярного) компонента.
Фібрилярний центр є місцем початкової транскрипції рРНК і складається з ДНК, РНК-полімерази I та факторів транскрипції. Щільний фібрилярний компонент оточує фібрилярний центр і, як вважають, бере участь у процесингу рРНК і збірці прерибосом.
Зернистий компонент є найбільш помітною областю ядерця і містить зрілі рибосоми, готові до експорту з ядра.
Ядерце відіграє вирішальну роль у регуляції біогенезу рибосом, який тісно координується з ростом і поділом клітин. В умовах швидкого росту та високої потреби в синтезі білка ядерце може піддаватися процесу, який називається гіпертрофією ядерця, під час якого воно збільшується в розмірах і стає більш помітним усередині ядра. Навпаки, в умовах стресу або клітинного пошкодження ядерце може зазнавати структурних змін і розкладання, що призводить до зменшення виробництва рибосом і зниження синтезу білка.
Окрім своєї ролі в біогенезі рибосом, ядерце також бере участь у багатьох інших клітинних процесах, включаючи регуляцію клітинного циклу, відновлення ДНК і старіння. Наприклад, було показано, що ядерце секвеструє певні білки-супресори пухлин, такі як р53, і регулює їх активність у відповідь на клітинний стрес. Було також показано, що ядерце відіграє певну роль у формуванні параспеклів — маленьких компарментів, що знаходяться в міжхроматиновому просторі ядра і беруть участь в механізмах експресії генів та регуляторних процесах.
Загалом, ядерце є складною та динамічною структурою, яка відіграє вирішальну роль у біогенезі рибосом та регуляції клітинних процесів. Завдяки своїй здатності реагувати на різні сигнали та стреси, ядерце допомагає гарантувати, що синтез білка точно налаштований відповідно до потреб клітини.
Функції клітинного ядра
Ядро є критично важливою органелою, яка виконує кілька важливих функцій у клітині. Деякі з ключових функцій ядра включають:
Експресія генів
Ядро відповідає за регуляцію експресії генів, яка є процесом, за допомогою якого генетична інформація використовується для виробництва функціональних молекул — білків. Хроматин всередині ядра містить ДНК, яка кодує генетичну інформацію, а ядерна матриця та інші білки допомагають регулювати доступність цієї ДНК для молекулярного механізму, який бере участь у експресії генів.
Ядро є основним місцем експресії генів в еукаріотичних клітинах. Він містить генетичний матеріал у формі хроматину, який є комплексом ДНК, білків-гістонів та інших пов’язаних білків. Процес експресії генів включає транскрипцію ДНК у РНК і подальшу трансляцію РНК у білки.
Регуляція експресії генів є складним процесом, який включає різноманітні механізми, включаючи епігенетичні модифікації, фактори транскрипції та регуляторні РНК. Хроматин в ядрі організований у різні ділянки, які відповідають окремим функціональним доменам геному, таким як гени та регуляторні ділянки. Ці області позначені різними епігенетичними модифікаціями, такими як метилювання та ацетилювання, які можуть змінити доступність ДНК для молекулярного механізму, задіяного в експресії генів.
Транскрипційні фактори — це білки, які зв’язуються зі специфічними послідовностями в ДНК і регулюють транскрипцію сусідніх генів. Вони можуть діяти як активатори або репресори експресії генів, залежно від контексту та конкретних залучених генів. Регуляторні РНК, такі як мікроРНК і довгі некодуючі РНК, також можуть відігравати роль у регуляції експресії генів шляхом модуляції стабільності та трансляції матричних РНК.
Транскрипція ДНК в РНК здійснюється великим молекулярним комплексом, який називається РНК-полімеразою. Цей процес жорстко регулюється, і на швидкість транскрипції можуть впливати різноманітні фактори, включаючи наявність факторів транскрипції, структуру хроматину та наявність регуляторних РНК.
Отримані молекули РНК потім обробляються та транспортуються з ядра, де вони можуть бути переведені в білки або виконувати інші регуляторні функції в клітині. Регуляція експресії генів має вирішальне значення для належного функціонування клітин і тканин, а порушення регуляції експресії генів може призвести до різноманітних захворювань.
Реплікація ДНК
В ядрі також відбувається реплікація ДНК, тобто процес, за допомогою якого генетична інформація в ДНК дублюється перед поділом клітини. Цей процес суворо регулюється, щоб кожна дочірня клітина отримувала повну копію геному.
Процес реплікації ДНК є критично важливою функцією ядра, яка забезпечує точну передачу генетичної інформації від одного покоління клітин до наступного. Реплікація ДНК відбувається під час S-фази клітинного циклу і включає синтез повної копії геному.
Реплікація ДНК - це добре скоординований процес, який включає активність кількох різних білків і ферментів. Процес починається з розкручування дволанцюгової молекули ДНК, чому сприяє група білків, які називаються геліказами. Коли ланцюги ДНК розділяються, вони стабілізуються групою білків, які називаються одноланцюгово-зв’язуючі білки (SSB-proteins).
Наступним етапом реплікації ДНК є синтез нових ланцюгів ДНК, який виконується ферментом ДНК-полімеразою. ДНК-полімераза може додавати нові нуклеотиди лише до 3'-кінця вже існуючого ланцюга ДНК, тому реплікація відбувається напівконсервативним способом, коли кожна дочірня молекула ДНК містить один ланцюг батьківської молекули ДНК та один новосинтезований ланцюг.
Щоб ініціювати синтез ДНК, короткий праймер РНК спочатку синтезується іншим ферментом, який називається праймазою. Потім ДНК-полімераза може розширити цей праймер, додаючи нові нуклеотиди до 3'-кінця, доки не зустріне наступний праймер РНК на комплементарному ланцюзі. У цей момент праймер РНК видаляється і замінюється ДНК, завершуючи синтез нового ланцюга ДНК.
Процес реплікації ДНК чітко регулюється, щоб гарантувати мінімізацію помилок і збереження точності генетичної інформації. Це включає в себе активність кількох різних білків, включаючи ферменти перевірки — дельта та епсилон ДНК-полімерази, які можуть виявляти та виправляти помилки в щойно синтезованій ДНК.
Загалом, реплікація ДНК є критичною функцією ядра, яка забезпечує точну передачу генетичної інформації від одного покоління клітин до наступного.
Поділ клітини
Під час поділу клітини ядро відіграє вирішальну роль у поділі генетичного матеріалу на дочірні клітини. Цей процес включає в себе поділ самого ядра.
Поділ клітин є критичною функцією ядра, яка необхідна для росту та розвитку організмів, а також для відновлення та заміни пошкоджених або старіючих клітин. В еукаріотичних клітинах відбувається два основних типи поділу клітин: мітоз і мейоз.
Мітоз – це процес, за якого одна клітина ділиться з утворенням двох ідентичних дочірніх клітин. Цей процес важливий для росту та відновлення тканин, а також для підтримки кількості хромосом і плоїдності (кількості наборів хромосом у клітині). Під час мітозу ДНК в ядрі спочатку реплікується, а потім репліковані хромосоми поділяються на два дочірніх ядра за допомогою серії добре скоординованих кроків. Цей процес регулюється різними білками та сигнальними шляхами, і на нього можуть впливати навколишні сигнали, такі як стрес або пошкодження.
Мейоз, з іншого боку, є спеціалізованою формою поділу клітин, яка відбувається лише в клітинах, які дають початок гаметам (сперматозоїдам або яйцеклітинам). Мейоз включає два раунди поділу клітини, що призводить до утворення чотирьох гаплоїдних дочірніх клітин, які містять половину кількості хромосом, ніж батьківська клітина. Цей процес має вирішальне значення для виробництва генетично різноманітного потомства та включає різноманітні спеціалізовані білки та механізми, які забезпечують правильну сегрегацію та обмін генетичним матеріалом.
Загалом, функція ядра в поділі клітин є критичною для росту, розвитку та підтримки організмів. Саме завдяки точному регулюванню поділу клітини організми здатні підтримувати кількість і плоїдність хромосом, виробляти генетично різноманітне потомство та реагувати на сигнали навколишнього середовища та стреси.
Регуляція клітинних процесів
Ядро також відіграє певну роль у регуляції різних клітинних процесів, включаючи метаболізм, диференціацію та реакцію на подразники навколишнього середовища. Це досягається шляхом регуляції експресії генів і взаємодії між ядром та іншими органелами всередині клітини. Ця регуляція досягається за допомогою різноманітних механізмів, включаючи фактори транскрипції, ремоделювання хроматину та сигнальні шляхи.
Фактори транскрипції – це білки, які зв'язуються зі специфічними послідовностями ДНК і контролюють транскрипцію сусідніх генів. Зв’язуючись з регуляторними елементами, такими як промотори та енхансери, транскрипційні фактори можуть активувати або пригнічувати експресію цільових генів, тим самим контролюючи клітинні процеси, такі як диференціація, проліферація та апоптоз. Активність факторів транскрипції може регулюватися різними сигналами, включаючи гормони, фактори росту та сигнали навколишнього середовища.
Ремоделювання хроматину відноситься до динамічних змін у структурі хроматину, які відбуваються під час різних клітинних процесів, таких як реплікація ДНК, транскрипція та відновлення. Хроматин складається з ДНК, обгорнутої навколо білків-гістонів, і доступність ДНК для механізму транскрипції регулюється модифікаціями цих гістонів. Наприклад, ацетилювання гістонів може сприяти активації транскрипції, тоді як метилювання може призвести до репресії. Комплекси ремоделювання хроматину також можуть фізично змінювати структуру хроматину, щоб забезпечити доступ до регуляторних елементів і полегшити експресію генів.
Сигнальні шляхи також є критичними для регуляції клітинних процесів і включають активацію різних кіназ і фосфатаз у відповідь на позаклітинні або внутрішньоклітинні сигнали. Ці шляхи можуть регулювати різноманітні клітинні процеси, включаючи експресію генів, розвиток клітинного циклу та відновлення ДНК.
Загалом, функція ядра в регуляції клітинних процесів має вирішальне значення для правильного функціонування клітин і організмів. Завдяки точному регулюванню експресії генів, відновлення ДНК і розвитку клітинного циклу ядро відіграє центральну роль у підтримці клітинного гомеостазу та відповіді на сигнали навколишнього середовища та стреси.
Еволюційне значення клітинного ядра
Основна функціональна відмінність клітин еукаріот від клітин прокаріотів полягає в просторовому розмежуванні процесів транскрипції (синтезу матричної РНК) і трансляції (синтезу білка рибосомою), що дає в розпорядження еукаріотичної клітини нові інструменти регуляції біосинтезу і контролю якості мРНК.
У той час, як у прокаріотів мРНК починає транслюватися ще до завершення її синтезу РНК-полімеразою, мРНК еукаріотів зазнає значних модифікацій (так званий процесинг), після чого експортується через ядерні пори в цитоплазму, і тільки після цього може вступити в трансляцію. Процесинг мРНК включає декілька елементів.
З попередника мРНК (пре-мРНК) в ході процесу, званого сплайсингом вирізаються інтрони — незначущі ділянки, а значущі ділянки — екзони з'єднуються один з одним. Причому екзони однієї і тієї ж пре- мРНК можуть бути з'єднані декількома різними способами (альтернативний сплайсинг), так що один попередник може перетворюватися в декілька різних зрілих мРНК. Таким чином, один ген може кодувати відразу декілька білків.
Модифікаціям піддаються кінці молекули мРНК. До 5'-кінця молекули прикріплюється 7-метилгуанін (так званий кеп). До 3'- кінця приєднуються кілька десятків залишків аденіну (поліаденілування). Також за допомогою альтернативного поліаденілування можна контролювати наступну долю мРНК, наприклад в ході РНК інтерференції — адже 5'- та 3'- нетрансльовані ділянки є місцями з'єднання мікроРНК.
Література
- Медична біологія / За ред. В. П. Пішака, Ю. І. Бажори. Підручник. - М-42 Вінниця: Нова Книга, 2004. - 656 с: іл. ISBN 966-7890-35-X
- Гістологія. Цитологія. Ембріологія: підруч. для студентів / за ред.: О. Д. Луцика, Ю. Б. Чайковського . - Вінниця : Нова Книга, 2020. - 496 с. ISBN 978-966-382-698-1
- Загальна цитологія і гістологія: підруч. / М. Е. Дзержинський, Н. В. Скрипник, Г. В. Островська та ін.; – К.: Видавничо-поліграфічний центр "Київський університет", 2010. – 575 с. ISBN 978-966-439-159-4
- The Nucleus: Volume 1: Nuclei and Subnuclear Components. / Hancock, R., & Robinson, D. G. Humana Press, 2008. ISBN 978-1588299772
- Molecular Biology of the Cell, 4th ed. / B. Alberts, A. Johnson, J. Lewis, M. Raff, K. Roberts, and P. Walter. New York: Garland Science; 2002. ISBN 0-8153-3218-1
- Журнали: Nature Cell Biology, Nature Cell Research, Cell: Cell Metabolism, Trends in Cell Biology, Nature Reviews Molecular Cell Biology, Nature Methods, Cell: Molecular Cell, Nature Chemical Biology, Цитологія та Генетика.
| ||||||||||||||||||||
| ||||||||||||||||||||||||||||