ОНТОГЕНЕЗ, 2014, том 45, № 6, с. 363-379
= ОБЗОР
УДК 576.315
ТЕЛЬЦА КАХАЛА И ТЕЛЬЦА ГИСТОНОВОГО ЛОКУСА: МОЛЕКУЛЯРНЫЙ СОСТАВ И ФУНКЦИИ © 2014 г. Т. А. Ходюченко, А. В. Красикова
Санкт-Петербургский государственный университет 199034, Санкт-Петербург, Университетская наб., 7—9 E-mail: alla.krasikova@gmail.com Поступила в редакцию 07.02.2014 г. Окончательный вариант получен 06.05.2014 г.
В обзоре приведена современная классификация эволюционно консервативных коилин-содержа-щих ядерных телец соматических и половых клеток, основанная на особенностях их молекулярного состава и характере выполняемых ими функций. Рассмотрены основные отличия телец Кахала и телец гистонового локуса, принимающих участие в биогенезе сплайсосомных малых ядерных и яд-рышковых РНК, и в процессинге З'-конца предшественников матричной РНК гистонов, соответственно. Показано, что существенный вклад в исследование разнообразия коилин-содержащих телец внесли работы по изучению архитектуры аппарата процессинга РНК в ядрах ооцитов ряда модельных организмов. Приведены данные об особенностях молекулярного состава коилин-содер-жащих телец в ядрах растущих ооцитов (так называемых зародышевых пузырьках) позвоночных, в том числе амфибий и птиц.
Ключевые слова: коилин, коилин-содержащие тельца, оогенез, тельца гистонового локуса, тельца Кахала, ядерные тельца, ядро ооцита.
Б01: 10.7868/80475145014060068
КОМПАРТМЕНТАЛИЗАЦИЯ ЯДРА И ВНУТРИЯДЕРНЫЕ ТЕЛЬЦА
Ядро представляет собой структурно обособленную часть клетки, в которой содержится генетический материал и реализуются скоординированные в пространстве и во времени этапы дифференциальной экспрессии генов. Для клеточного ядра характерны сложная внутренняя структурно-функциональная компартментализация и высокая динамичность происходящих в нем процессов (Эипёг, М181е11, 2010; Эипёг, 2012). Компартмен-тализация ядра позволяет увеличить эффективность молекулярных процессов за счет создания микроокружения, в котором концентрируются только специализированные факторы и компоненты (Эипёг, М^еИ, 2001; 2010; Китагап е! а1., 2008). Основные компартменты клеточного ядра вовлечены в реализацию генетической информации, что определяет возможность быстрого ответа на внешние воздействия и регуляцию экспрес-
Сокращения: мяРНК — малые ядерные РНК; мяРНП — малые ядерные рибонуклеопротеины; мяшРНК — малые яд-рышковые РНК; пре-мРНК — предшественники матричной РНК; ПС — полая сфера; ПШ — плотный шар; ТГЛ — тельце гистонового локуса; ТК — тельце Кахала; 8саРНК — специфичные для телец Кахала (англ. — "small Cajal body-specific") малые РНК.
сии генов (Zimber et al., 2004; Kumaran et al., 2008; Ferrai et al., 2010). Структурная организация и регуляция ключевых внутриядерных процессов, механизмы формирования ядерных доменов (ком-партментов), динамика макромолекулярных комплексов в пространстве клеточного ядра и поддержание пластичности архитектуры ядерного аппарата, а также преобразования ядерных доменов в ходе развития представляют актуальные проблемы современной клеточной биологии.
Для описания пространственной компартмен-тализации внутриядерных процессов используют такие термины, как внутриядерный компартмент, внутриядерная структура и внутриядерное тельце (или органелла). Внутриядерные тельца — это гетерогенная группа не окруженных мембранами структур, которые можно отличить друг от друга и от нуклеоплазмы на основании их ультраструктуры и наличия определенных маркерных компонентов (Zimber et al., 2004; Spector, 2006). Поддержание структурной целостности внутриядерных телец обеспечивается за счет временных взаимодействий между белковыми и рибонуклеопротеи-новыми комплексами, а отсутствие ограничивающей мембраны и непосредственный контакт с окружающей нуклеоплазмой обеспечивают динамичное обновление компонентов (Machyna et al.,
2013). Термины "домены" и "структуры" в контексте ядерной компартментализации часто употребляются в качестве синонимов и включают в себя понятие "тельца". Изменение размера домена зависит от скоростей входа и выхода из него его резидентных молекул, которые, в свою очередь, определяются функциональным состоянием молекул внутри и вне домена (Dundr, Misteli, 2010).
Основной функцией ядерных доменов считают ускорение биокаталитических процессов путем концентрации субстратов, ферментов и удержания промежуточных продуктов молекулярных реакций внутри ограниченного пространства (Kumaran et al., 2008; Novotny et al., 2010; Rajendra et al., 2010; Dundr, 2012). Ядерные тельца могут также влиять на концентрацию факторов в нук-леоплазме путем их удержания или высвобождения, повышая специфичность ядерных процессов (Matera et al., 2009; Rajendra et al., 2010; Dundr, 2012). Вместе с тем, конкретные функции многих внутриядерных структур, в том числе эволюцион-но консервативных, до сих пор не установлены.
КОИЛИН-СОДЕРЖАЩИЕ ТЕЛЬЦА ЯДЕР СОМАТИЧЕСКИХ КЛЕТОК
На сегодняшний день широко изучают гетерогенную группу внутриядерных телец, объединенных наличием белка коилина. С 1999 года все ко-илин-содержащие тельца было предложено рассматривать как один тип ядерных телец — телец Кахала (ТК) (Gall et al., 1999; Gall, 2000). Однако дальнейшие исследования изменили устоявшиеся представления. Согласно современным представлениям, коилин-содержащие внутриядерные тельца соматических клеток представлены двумя основными типами: тельцами Кахала и тельцами гистонового локуса (ТГЛ) (Liu et al., 2009; Nizami et al., 2010а; Nizami et al., 2010a). Помимо этого охарактеризованы ядерные тельца, подобные тельцам Кахала, но отличные от них по своему молекулярному составу и предполагаемым функциям. К таким тельцам в частности относят "неканонические тельца Кахала", характерные для растущих ооцитов некоторых видов птиц, и так называемые "жемчужины" (англ. — "pearls"), формирующиеся в ядрах ооцитов амфибий (Khodyuchenko et al., 2012; Nizami, Gall, 2012). Отдельно следует выделить комплексные кои-лин-содержащие тельца, присутствующие в ядрах ооцитов насекомых, молекулярный состав и сложная доменная организация которых детально описаны (Bogolyubov, Parfenov, 2008; Bogoly-ubov et al., 2009). Особый интерес представляют также коилин-позитивные ядерные тельца и домены в ранних эмбрионах позвоночных и беспозвоночных. В настоящем обзоре мы рассматриваем основные отличия телец Кахала и телец гистонового локуса соматических клеток. В последних
разделах приведены особенности молекулярного состава коилин-содержащих телец в ядрах растущих ооцитов животных, в том числе амфибий и птиц.
Тельце Кахала
Тельца Кахала были впервые описаны в 1903 году С. Рамоном-и-Кахалом в ядрах нейронов позвоночных и названы "добавочными тельцами" (англ. — "accessory bodies") из-за их частой ассоциации с ядрышками (Cajal, 1903, цит. по: Gall et al., 2004). Позднее, в 1969 году в ходе исследования соматических клеток млекопитающих на ультраструктурном уровне А. Моннерон и В. Бер-нар охарактеризовали внутриядерные структуры, содержащие электронно-плотные скрученные нити, и назвали их "скрученными тельцами" (англ. — "coiled bodies") (Monneron, Bernhard, 1969). В ранних исследованиях ядер ооцитов амфибий Г. Кэллан структуры сферической формы, которые назвали "сферами" (англ. — "spheres") (Callan, Lloyd, 1960). В ядрах растущих ооцитов насекомых были обнаружены сходные по морфологии структуры, названные "Binnenköper" или "внутренние тельца" (англ. — "endobody") (Bier, 1967 цит. по: Bellini, 2000). В ядрах дрожжей также описаны характерные "ядерные тельца" (Ver-heggen et al., 2002). Основываясь на обнаружении во всех этих ядерных органеллах нового молекулярного маркера — белка коилина (Andrade et al., 1991; Ra ska et al., 1991), Дж. Голл предложил объединить все перечисленные выше структуры в один тип телец (Gall et al., 1995; Gall et al., 1999; Gall, 2000). В честь первооткрывателя и для упрощения номенклатуры было предложено называть их тельцами Кахала (англ. — "Cajal bodies"). Вместе с тем, совокупность данных анализа молекулярного состава коилин-содержащих телец в клетках разных тканей и у разных организмов свидетельствует о том, что мы имеем дело скорее с большой группой отличных по своим функциям ядерных органелл, поэтому их идентификация и объединение в один тип телец на основании единичного компонента представляются некорректными (Nizami, Gall, 2012; Morimoto, Boerkoel, 2013).
На морфологическом уровне канонические ТК соматических клеток млекопитающих представляют собой сферические внутриядерные домены размером от 0.1 до 1 мкм. Их количество в ядре варьирует от одной структуры до десятка (Gall, 2000; Machyna et al., 2013). ТК можно отнести к эволюционно консервативным ядерным ор-ганеллам, поскольку сходные с ними ядерные тельца были обнаружены у представителей многих классов животных, в том числе у млекопитающих, амфибий, птиц, насекомых, а также у растений (Gall, 2000; Cioce, Lamond, 2005). Несмотря на эволюционную консервативность ТК, эти
Рис. 1. Сравнительная схема телец Кахала и телец гистонового локуса соматических клеток животных. (а) Тельце Ка-хала (ТК) принимает участие в модификации сплайсосомных мяРНК (метилировании (М) и псевдоуридинилирова-нии (¥)) и сборке мяРНП, созревании мяшРНП, определяет доставку теломеразного комплекса к теломерам. (б) Тельце гистонового локуса (ТГЛ) участвует в динамике факторов процессинга З'-конца пре-мРНК гистонов. ТГЛ ассоциировано с кластером генов гистонов.
(а)
(б)
сплаисосомные
мяРНК SMN/гемины
модифицированные сплайсосомные (¥, M) мяРНП SMN/гемины
теломеразныи комплекс (TERC)
scaPHn
модифицирование и сборка РНП-частиц
'N\ фибрилларин'' TCAB1 дискерин
J коилин ^ ТК
доставка к теломерам
незрелые мяшРНП
зрелые мяшРНП
NPAT FLASH SLBP мяРНП U7 симплекин (коилин) ТГЛ
процессинг З'-конца пре-мРНК гистонов
ядерные тельца нельзя отнести к универсальным ядерным органеллам. В отличие от ядрышек, которые характерны для подавляющего большинства активно пролиферирующих клеток, ТК не всегда присутствуют в ядре клетки.
С функциональной точки зрения тельца Кахала — это внутриядерные органеллы, принимаю -щие участие в биоген
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.