В интерфазных клеточных ядрах эукариот обнаруживается хорошо различимое при микроскопировании образование — ядрышко (нукле-ола). В ядрышках образуются молекулы рибосомных РНК (рРНК),
Рис. 2-11. Ядерный матрикс как субстрат для образования транскрипционного инициаторного комплекса: взаимодействие белков ма-трикса, петли ДНК и общих трансрипционных факторов (схема)
входящих в структуру рибосом — безмембранных цитоплазматических органелл, на которых происходит образование полипептидов (простых белков). Необходимость белковых синтезов для жизнедеятельности любой клетки объясняет наличие ядрышек в клетках всех эукариот. Это правило подтверждается исключениями. Ядрышек нет в ядрах дробящихся клеток (бластомеров) в эмбриогенезе амфибий, поскольку в них используются рибосомы, заготовленные «впрок» в яйцеклетках в периоде роста овогенеза. Ядрышки утрачиваются сохраняющими ядра зрелыми эритроцитами птиц, поскольку в этих клетках белковый синтез завершен.
Образование трех из четырех видов рРНК эукариот (у прокариот три вида рРНК) происходит на генах (рДНК), занимающих определенные
участки или локусы хромосом — ядрышковые организаторы . У человека — это хромосомы 13, 14, 15, 20 и 21. В области организаторов формируются ядрышки. Нередко, но не всегда, указанные области соответствуют участкам первичных (околоцентромерный гетерохроматин, см. п. 2.4.3.4-в) или вторичных перетяжек хромосом (см. п. 4.3.4). Количество ядрышек на ядро — величина переменная. Максимальное их количество не превышает числа организаторов. Снижение в сравнении с числом ядрышковых организаторов количества нуклеол объясняется их слиянием. В диплоидных соматических клетках человека при количестве ядрышковых организаторов, равном 10, ядрышко может быть одно.
Совокупное количество ядрышкового материала различается в клетках разного типа или в клетках одного типа при изменении функционального состояния. Оно отражает необходимость обеспечить образование требуемой массы рРНК.
Особенность генов рРНК в том, что они представлены в геноме многими копиями (мультигенные семейства или генные кластеры). У человека на гаплоидный набор хромосом их порядка 200. Для сравнения, количество копий генов рРНК: у мыши — 100, у кошки — 1000, у тритона — 4100, у аскариды — 300, у эвглены — 800, у кукурузы — 8500. Ну-клеотидные последовательности рДНК относятся к фракции умеренно повторяющихся. У прокариот отсутствуют структуры, соответствующие ядрышковым организаторам эукариот. Тем не менее сайты рДНК могут быть повторены в геноме бактерии 6-7 раз. Функциональное значение «тиражирования» генов рРНК заключается в повышении надежности генетической системы, обеспечивающей построение в клетках жизненно необходимого аппарата биосинтеза белка.
В области ядрышковых организаторов сначала создается 45S пре-рРНК транскрипт, путем процессинга которого образуются три из четырех видов эукариотической рРНК — 18S, 5,8S и 28S. Размеры даны в единицах Сведберга (S), отражающих скорость оседания (седиментации) макромолекул при ультрацентрифугировании: чем крупнее молекулы, тем быстрее они оседают. В процессинге пре-рРНК транскрипта участвуют малые ядрышковые РНК (от англ. snoRNA — small nucleolar RNA) или «указывающие РНК» (англ. — «guide RNA»). Функции этих РНК окончательно не установлены. Предположительно, они необходимы для химической модификации в специфических точках и конформа-ционных (объемных, трехмерных) изменений пре-рРНК транскрипта в целях обеспечения приготовления из него зрелых рРНК. Особенность многих snoRNA в том, что их нуклеотидная последовательность закоди-
рована в ДНК интронов структурных генов, особенно тех, которые контролируют образование рибосомальных белков. Гены четвертого вида рРНК эукариот — 5S — размещаются вне ядрышковых организаторов и повторены в геноме человека порядка 2000 раз.
С помощью электронного микроскопа в ядрышке описаны зоны с преимущественно фибриллярной (нитчатой) и гранулярной (зернистой) структурой. Первые представлены комплексами молекул белка и гигантских молекул пре-рРНК, из которых затем образуются более мелкие молекулы зрелых рРНК. В процессе созревания ядрышковые фибриллы преобразуются в гранулы, которыми представлены зоны с гранулярной структурой. Непосредственно в фибриллярной зоне ядрышка располагаются гетерохроматизированные неактивные сайты рДНК (см. п. 2.4.3.4-в).