Книжная полка

Книжная полка NCBI. Служба Национальной медицинской библиотеки, Национальных институтов здоровья.

Купер ГМ. Клетка: молекулярный подход. 2-е издание. Сандерленд (Массачусетс): Sinauer Associates; 2000.

• По соглашению с издателем эта книга доступна через функцию поиска, но не может быть просмотрена.

Клетка: молекулярный подход. 2-е издание.

Купер ГМ.
Сандерленд (Массачусетс): Sinauer Associates; 2000.

Ядро во время митоза

Уникальной особенностью ядра является то, что оно разбирается и формируется заново каждый раз, когда большинство клеток делится. В начале митоза происходит конденсация хромосом, исчезновение ядрышка и разрыв ядерной оболочки, в результате чего большая часть содержимого ядра выходит в цитоплазму. В конце митоза происходит обратный процесс: хромосомы деконденсируются, и ядерные оболочки вновь формируются вокруг разделенных наборов дочерних хромосом. В главе 14 представлено всестороннее обсуждение митоза; в этом разделе мы рассмотрим механизмы, участвующие в разборке и переформировании ядра. Процесс контролируется в значительной степени обратимым фосфорилированием и дефосфорилированием ядерных белков в результате действия протеинкиназы Cdc2, которая является критическим регулятором митоза во всех эукариотических клетках.

Растворение ядерной оболочки

В большинстве клеток разборка ядерной оболочки знаменует окончание профазы митоза (рис. 8.29). Однако эта разборка ядра не является универсальной чертой митоза и происходит не во всех клетках. Некоторые одноклеточные эукариоты (например, дрожжи) подвергаются так называемому закрытому митозу, при котором ядерная оболочка остается неповрежденной (рис. 8.30). При закрытом митозе дочерние хромосомы мигрируют к противоположным полюсам ядра, которое затем делится надвое. Однако клетки высших эукариот обычно подвержены открытому митозу, для которого характерно разрушение ядерной оболочки. Затем дочерние хромосомы мигрируют к противоположным полюсам митотического веретена, и вокруг них вновь собираются новые ядра.

Рисунок 8.29

Ядро во время митоза. Микрофотографии, иллюстрирующие прогрессивные стадии митоза в растительной клетке. В профазе происходит конденсация хромосом, исчезновение ядрышка и разрушение ядерной оболочки. В метафазе конденсированные хромосомы (подробнее)

Рисунок 8.30

Закрытый и открытый митоз.При закрытом митозе ядерная оболочка остается интактной, а хромосомы мигрируют к противоположным полюсам веретена внутри ядра. При открытом митозе ядерная оболочка разрушается, а затем вновь формируется вокруг двух наборов разделенных (подробнее)

Разборка ядерной оболочки, которая параллельна подобному распаду эндоплазматического ретикулума, включает изменения во всех трех его компонентах: ядерные мембраны фрагментируются на везикулы, комплексы ядерных пор диссоциируют, а ядерная пластинка деполимеризуется. Наиболее понятным из этих событий является деполимеризация ядерной пластинки — сети филаментов, лежащих в основе ядерной мембраны. Ядерная пластинка состоит из волокнистых белков, ламинов, которые связываются друг с другом, образуя филаменты. Разборка ядерной пластинки происходит в результате фосфорилирования ламинов, что приводит к распаду филаментов на отдельные димеры ламинов (рис. 8.31). Фосфорилирование ламинов катализируется протеинкиназой Cdc2, которая была представлена ​​в главе 7 (см. рис. 7.40) и будет подробно обсуждаться в главе 14 как центральный регулятор митоза. Cdc2 (а также другие протеинкиназы, активируемые в митотических клетках) фосфорилирует все различные типы ламинов, и было показано, что обработка изолированных ядер Cdc2 достаточна для индукции деполимеризации ядерной ламины. Более того, потребность в фосфорилировании ламинов при распаде ядерной ламины была непосредственно продемонстрирована конструированием мутантных ламинов, которые больше не могут фосфорилироваться. Когда гены, кодирующие эти мутантные ламины, были введены в клетки, было обнаружено, что их экспрессия блокирует нормальный распад ядерной ламины, когда клетки вступают в митоз.

Рисунок 8.31

Растворение ядерной пластинки. Ядерная пластинка состоит из сети пластинчатых филаментов. При митозе Cdc2 и другие протеинкиназы фосфорилируют ламины, вызывая диссоциацию филаментов на свободные димеры ламинов.

Вместе с растворением ядерной пластинки ядерная мембрана фрагментируется на везикулы (рис. 8.32). Ламины В-типа остаются связанными с этими везикулами, но ламины А и С отделяются от ядерной мембраны и высвобождаются в цитозоле в виде свободных димеров. Это различие возникает из-за того, что ламины В-типа постоянно модифицируются за счет добавления липидов (пренильных групп), тогда как С-концевые пренильные группы ламинов А- и С-типа удаляются путем протеолиза после их включения в пластинку. Комплексы ядерных пор также диссоциируют на субъединицы в результате фосфорилирования нескольких белков ядерных пор. Интегральные белки ядерной мембраны также фосфорилируются при митозе, и фосфорилирование этих белков может быть важным в образовании везикул, а также в диссоциации ядерной мембраны как от хромосом, так и от ядерной пластинки.

Рисунок 8.32

Разрушение ядерной оболочки. Когда ядерная пластинка диссоциирует, ядерная мембрана распадается на везикулы. Ламины B-типа остаются связанными с этими везикулами, в то время как ламины A и C высвобождаются в виде свободных димеров.

Конденсация хромосом

Другим важным изменением в структуре ядра во время митоза является конденсация хромосом. Интерфазный хроматин, уже упакованный в нуклеосомы, конденсируется еще примерно в тысячу раз, образуя компактные хромосомы, наблюдаемые в митотических клетках (рис. 8.33). Эта конденсация необходима для того, чтобы позволить хромосомам двигаться вдоль митотического веретена, не запутываясь и не разрываясь при их распределении по дочерним клеткам. ДНК в этом высококонденсированном состоянии больше не может транскрибироваться, поэтому весь синтез РНК прекращается во время митоза. По мере конденсации хромосом и прекращения транскрипции исчезает и ядрышко.

Рисунок 8.33

Конденсация хромосом. Электронная микрофотография, показывающая конденсацию отдельных хромосом во время профазы митоза. (К.Г. Мурти/Visuals Unlimited.)

Конденсированная ДНК в метафазных хромосомах, по-видимому, организована в виде больших петель, каждая из которых охватывает около сотни тысяч оснований ДНК, прикрепленных к белковому каркасу (см. рис. 4.13). Несмотря на свою принципиальную важность, механизм конденсации хромосом при митозе не ясен. Основной единицей структуры хроматина является нуклеосома, состоящая из 146 пар оснований ДНК, обернутых вокруг гистонового ядра, содержащего по две молекулы гистонов H2A, H2B, H3 и H4 (см. рис. 4.8). Одна молекула гистона H1 связывается с ДНК, когда она входит в каждую частицу ядра нуклеосомы, и взаимодействия между этими молекулами H1 участвуют в сворачивании хроматина в более компактные структуры более высокого порядка. Гистон H1 является субстратом для протеинкиназы Cdc2 и фосфорилируется во время митоза большинства клеток, что согласуется с его фосфорилированием, играющим роль в митотической конденсации хромосом. Однако недавние эксперименты показали, что фосфорилирование гистона H1 не требуется для конденсации хромосом, поэтому потенциальная роль фосфорилирования H1 неясна. Напротив, было обнаружено, что фосфорилирование гистона H3 необходимо для конденсации митотических хромосом, хотя механизм, с помощью которого фосфорилирование H3 влияет на конденсацию хромосом, еще предстоит выяснить.

Недавние исследования также идентифицировали белковые комплексы, называемые конденсинами, которые играют важную роль в конденсации хромосом. Конденсины необходимы для конденсации хромосом в экстрактах митотических клеток и, по-видимому, функционируют, оборачивая ДНК вокруг себя, тем самым уплотняя хромосомы в конденсированные митотические структуры. Конденсины фосфорилируются и активируются протеинкиназой Cdc2, обеспечивая прямую связь между активацией Cdc2 и митотической конденсацией хромосом.

Реформация интерфазного ядра

Во время завершения митоза (телофазы) вокруг разделенных наборов дочерних хромосом образуются два новых ядра (см. рис. 8.29).О деконденсации хромосом и повторной сборке ядерной оболочки, по-видимому, сигнализирует инактивация Cdc2, которая ответственна за инициацию митоза путем фосфорилирования клеточных белков-мишеней, включая ламины, гистон H3 и конденсины. Переход от метафазы к анафазе включает активацию убиквитин-опосредованной системы протеолиза, которая инактивирует Cdc2 путем деградации его регуляторной субъединицы, циклина В (см. рис. 7.40). Инактивация Cdc2 приводит к дефосфорилированию белков, которые были фосфорилированы при инициации митоза, что приводит к выходу из митоза и переформированию интерфазных ядер.

Начальным этапом перестройки ядерной оболочки является связывание везикул, образовавшихся при распаде ядерной оболочки, с поверхностью хромосом (рис. 8.34). Это взаимодействие мембранных везикул с хромосомами может быть опосредовано как ламинами, так и интегральными мембранными белками внутренней ядерной мембраны. Затем везикулы сливаются, образуя двойную мембрану вокруг хромосом. За этим следует повторная сборка комплексов ядерных пор, переформирование ядерной пластинки и деконденсация хромосом. Везикулы сначала сливаются, образуя мембраны вокруг отдельных хромосом, которые затем сливаются друг с другом, образуя полное единое ядро.

Рисунок 8.34

Реформация ядерной оболочки. Первым шагом в повторной сборке ядерной оболочки является связывание мембранных везикул с хромосомами, которое может быть опосредовано как интегральными мембранными белками, так и ламинами В-типа. Затем везикулы сливаются, ядерная (подробнее)

Первоначальное переформирование ядерной оболочки вокруг конденсированных хромосом исключает цитоплазматические молекулы из вновь собранного ядра. Затем новое ядро ​​​​способно расширяться за счет селективного импорта ядерных белков из цитоплазмы.Поскольку сигналы ядерной локализации не отщепляются от белков, которые импортируются в ядро, те же самые ядерные белки, которые были высвобождены в цитоплазму после разборки ядерной оболочки в начале митоза, могут быть реимпортированы в новые ядра, образованные после митоза. Ядрышко также переформируется по мере деконденсации хромосом и начала транскрипции генов рРНК, завершая возврат из митоза в интерфазное ядро.