Дотук проследихме клетката отвън навътре — мембрана, специализирани повърхностни структури, цитоплазмени включвания. Стигнахме до структурата, която в известен смисъл съхранява и достъпва информацията: клетъчното ядро — генетичният и регулаторен център на клетката, съдържащ нейната наследствена информация заедно с молекулярните механизми за репликация на ДНК и транскрипция на РНК.
Едно ядро, две функционални състояния
Едно от концептуалните предизвикателства при изучаването на ядрото е фактът, че то не съществува в едно-единствено структурно състояние. По време на митотичното делене ядрената обвивка изчезва напълно, а генетичният материал се кондензира до компактни митотични хромозоми. Затова структурната организация на интерфазното ядро трябва да се разглежда отделно от организацията на митотичното ядро — това са практически два различни архитектурни режима на едно и също генетично съдържание.
Ядрото е задължителна структура за всяка жизнеспособна клетка, макар съществуват и редки изключения — безядрени клетки, като клетките на повърхностния слой на епидермиса, но и те произхождат от ядрени предшественици, изгубили ядрото си вторично в хода на диференциацията. Тромбоцитите на отговарят на изискваията за самостоятелни клетки, те са клетъчни части откъснати от мегакариоцитите. В зависимост от броя на ядрата клетките биват едноядрени (мнозинството клетъчни типове), двуядрени (значителна част от чернодробните клетки и повърхностните клетки на преходния епител) и многоядрени (клетките на скелетната мускулна тъкан, синцитиум съдържащ над сто ядра, и остеокластите на костната тъкан).
Размерът на ядрото варира широко между клетъчните типове, но остава относително постоянен в рамките на всеки конкретен тип — зависи както от общия размер на клетката, така и от степента ѝ на специфична диференциация. При нормални условия обемът на ядрото представлява между една четвърт и една трета от клетъчния обем — съотношение, познато като ядрено-цитоплазмен индекс, широко използвано и в диагностичната патология като индикатор за клетъчна атипия. Клетки с активен метаболизъм (нервни, чернодробни) или бързо растящи клетки обичайно притежават по-едри ядра.
Формата на ядрото също не е случайна — сферична при яйцеклетката и лимфоцитите, овоидна при призматичните клетки, удължена при гладкомускулните клетки, бъбрековидна при моноцитите, сегментирана при гранулоцитите. Според броя на хромозомите ядрата се класифицират като хаплоидни (с половин набор хромозоми), диплоидни (с двоен, пълен набор), полиплоидни (с кратен на диплоидния набор брой хромозоми) и анеуплоидни (с изменен, некратен брой хромозоми).
Архитектурата на ядрото: четири основни компонента
Основните структурни единици на ядрото са ядрената обвивка, хроматинът, нуклеолусът и ядрената матрица.
Ядрената обвивка е двуслойна мембранна структура, като външната ѝ мембрана директно продължава в гранулирания ендоплазмен ретикулум — анатомична връзка, която обяснява защо ядрото и ендоплазменият ретикулум функционално представляват единна мембранна система. Хроматинът е прикрепен към вътрешната мембрана. Пространството между двете мембрани, наречено перинуклеарно пространство, е с размер от порядъка на 20 до 70 нанометра. На отделни места двете мембрани се сливат помежду си, образувайки многобройни ядрени пори. През тях в посока от ядрото към цитоплазмата преминават трите основни типа РНК, докато протеините се транспортират в обратната посока — механизъм на селективен двупосочен транспорт, критичен за целия клетъчен метаболизъм.
Хроматин
Хроматинът е изграден от дезоксирибонуклеопротеини — в него ДНК се свързва с протеини в приблизително съотношение 1:1. Съществуват два основни функционални типа хроматин. Хетерохроматинът е тъмно оцветен, кондензиран, транскрипционно неактивен по време на интерфаза и обичайно прикрепен към ядрената мембрана или разположен във вътрешността на ядрото; към него спада и т.нар. полов хроматин, или телце на Бар, наблюдавано в соматичните клетки на женския организъм като резултат от инактивацията на една от двете Х-хромозоми. Еухроматинът, напротив, е бледо оцветен, некондензиран и представлява транскрипционно активната фракция на генома — именно тук протичат активните процеси на транскрипция в конкретния момент от клетъчния живот.
Нуклеолусът: фабриката за рибозоми
Нуклеолусът (ядърце) не е мембранно обвита структура, а по-скоро функционален компартмент, изграден от три морфологично различими части. Светло оцветеният фибриларен център съдържа ДНК — рибозомните гени. Плътната фибрилерна част съдържа новосинтезираната рРНК. Гранулярната част съдържа съзряващите рибозомни частици. По форма нуклеолусите могат да бъдат компактни, ретикуларни или пръстеновидни, а метаболитно активните клетки обичайно имат по-едри и по-многобройни нуклеолуси — логично следствие от повишената им нужда от протеинов синтез и следователно от рибозомно производство.
Ядрената матрица заема пространството между хромозомите и нуклеолуса и е изградена от протеини, метаболити и йони — структурна рамка, която организира вътрешното пространство на ядрото и участва в позиционирането на функционалните домейни на хроматина.
Как виждаме нуклеиновите киселини под микроскоп
Подобно на ензимите от предишната статия, нуклеиновите киселини сами по себе си не са видими под светлинен микроскоп — необходими са специфични хистохимични реакции, за да ги локализираме.
Методът на Фьолген доказва специфично ДНК. Същността му е следната: разградените продукти на ДНК молекулата, получени при леко кисела хидролиза, взаимодействат с безцветния фуксин-серниста киселина, образувайки червено оцветен комплекс. Локализацията на продукта от реакцията показва мястото на ДНК, а интензитетът на оцветяването — нейната концентрация. Реакцията се основава на хидролиза, при която дезоксирибонуклеазата освобождава алдехидни групи от дезоксирибозата, а последващата обработка с реактива на Шиф визуализира тези групи в червено. Използват се парафинови срезове с дебелина 5–7 микрометра от предварително добре фиксирана тъкан; хидролизата обичайно се провежда с 1N солна киселина в продължение на около 20 минути, класически при температура от 60°C („гореща хидролиза“), макар да съществуват и модификации с хидролиза на студено. Специфичността на метода се доказва чрез контрола — ензимно разграждане на ДНК с дезоксирибонуклеаза преди самата реакция, след което оцветяването трябва да изчезне напълно.
Методът на Браше доказва едновременно РНК и ДНК и се базира на базофилията на нуклеиновите киселини — тяхната склонност избирателно да се свързват с определени базични багрила. Най-често използваната смес от багрила е метиленово зелено и пиронин, позната като сместа на Папенхайм-Уна. Пиронинът се свързва специфично с РНК структурите, а метиленовото зелено — с ДНК. В резултат РНК на ядрата и ергастоплазмените структури в цитоплазмата се оцветява в ярко червено, докато ДНК-съдържащите структури (ядреният хроматин) се оцветяват в зелено от метиленовото зелено. Важно методологично уточнение: това оцветяване има стойността на истинска хистохимична реакция само когато се използват подходящи контроли — например предварителна обработка с рибонуклеаза, която премахва специфично РНК сигнала и потвърждава, че наблюдаваната пиронинофилия действително произхожда от РНК, а не от друг базофилен компонент на клетката.
Съвременен поглед към архитектурата на ядрото
През последните години представата за ядрото претърпя истинска концептуална революция. Ядрото вече не се разглежда просто като „торба“ с хроматин, разделена условно на еухроматин и хетерохроматин, а като динамично организирана триизмерна структура, чиято архитектура активно регулира кои гени се експресират и кога. Технологии като Hi-C картографират пространствените контакти между отдалечени участъци от ДНК в целия геном и разкриват съществуването на топологично асоциирани домейни — участъци от хроматина, които предпочитат да взаимодействат помежду си, вместо със съседни региони. Успоредно с това все повече изследвания показват, че самата организация на нуклеолуса и на хетерохроматиновите клъстери около него се дължи на явление, наречено течно-течна фазова сепарация — физичен процес, при който протеини с неструктурирани домейни се организират в капчести, течноподобни компартменти без обвиваща мембрана, подобно на капки масло в вода. Именно тази фазова сепарация обяснява как нуклеолусът поддържа трите си морфологично различими зони, и как нарушенията в този механизъм се свързват с клетъчно стареене и с редица заболявания, включително онкологични. Новите едноклетъчни методи допълнително позволяват да се проследи как контактите между конкретни гени и нуклеолуса се различават от клетка до клетка — ниво на детайл, напълно недостъпно за класическите хистохимични методи на Фьолген и Браше, но стъпващо върху точно същия въпрос, който тези методи са задавали преди десетилетия: къде точно в ядрото се намира генетичната информация и какво определя нейната активност.
В следващата статия ще продължим логично напред — към самото клетъчно делене, митозата и мейозата, и как организацията на хроматина, която тук разгледахме, се трансформира в компактните митотични хромозоми.
Въпроси:
- Какво е ДНК?
- Какво е РНК?
- Какви съставки има оцветителя на Pappenheim–Unna?
- Опишете структурата на ядрената пора?