25.80M

Category:

biology

Клеточное_ядро_Презентация_лекции

1.

ЦИТОЛОГИЯ И ГИСТОЛОГИЯ
Лекция № 9.
Клеточное ядро.
Лектор:
Гринев Василий Викторович,
кандидат биологических наук,
доцент кафедры генетики
биологического факультета БГУ.

ОТКРЫТИЕ ЯДРА В ЭУКАРИОТИЧЕСКИХ КЛЕТКАХ
Старейшее известное изображение клеток
и их ядер, выполненное в 1719 году
Антони ван Левенгуком
(впервые наличие ядра у эукариотических клеток
в 1719 году наблюдал Антони ван Левенгук в
эритроцитах лосося. Другой ученый Франц
Бауэр в 1802 году зарисовал ядро как постоянный
элемент растительных клеток. Более детальное
описание ядра (в клетках наружного слоя цветка
орхидеи) было выполнено в 1831 году
Роберт Броун (1773-1858)
шотландским ботаником Робертом Броуном
(британский ботаник конца XVIII –
и представлено на собрании Лондонского
первой половины XIX века, морфолог и
Линнеевского общества)
систематик растений, первооткрыватель
«броуновского движения»)
В. В. Гринев. Цитология и гистология. Курс лекций.

3.

ЯДРО КЛЕТКИ
Количество ядер в эукариотических клетках
Большинство клеток одноядерны
В. В. Гринев. Цитология и гистология. Курс лекций.
Плазмодий миксомицет
всегда многоядерный

4.

ЯДРО КЛЕТКИ
Количество ядер в эукариотических клетках
Многоядерный остеокласт
В. В. Гринев. Цитология и гистология. Курс лекций.
Многоядерные мионы

5.

ЯДРО КЛЕТКИ
Разнообразие форм ядра эукариотических клеток
цитоплазма
ядро
Круглое
ядро лимфоцита,
световая микроскопия
цитоплазма
ядро
Бобовидное
ядро моноцита,
световая микроскопия
цитоплазма
Сегментированное
ядро нейтрофила,
световая микроскопия
ядра
Овальные ядра клеток
линии U-2 OS,
флуоресцентная
микроскопия
В. В. Гринев. Цитология и гистология. Курс лекций.
ядро

6.

ЯДРО КЛЕТКИ
Компоненты интерфазного ядра эукариотических клеток
Клеточное ядро состоит из:
1) ядерная оболочка (нуклеолемма, кариолемма)
2) ядерный матрикс (внутриядерный белковый матрикс)
3) ядерный сок (нуклеоплазма, кариоплазма, кариолимфа)
4) хроматин
5) ядрышко (одно или несколько)
В ядрах клеток печени материал
ядерной оболочки и ядерного матрикса составляет 3-5 %,
ядерного сока – 20 %,
хроматина – около 70 %
и ядрышек – около 7 %.
В. В. Гринев. Цитология и гистология. Курс лекций.

7.

8.

ЯДЕРНАЯ ОБОЛОЧКА
Электронная микрофотография ядра
наружная ядерная мембрана
поровый
комплекс
перинуклеарное
пространство
внутренняя ядерная мембрана
В. В. Гринев. Цитология и гистология. Курс лекций.

9.

ЯДЕРНАЯ ОБОЛОЧКА
Схема организации ядерной оболочки
Комплексы:
1) torsin, LULL1 и LAP1
2) SUN 1/2, emerin, nesprin 3 и plectin
3) SUN 1/2 и nesprin 1/2
эндоплазматическая
сеть
экспорт
2
LEM
1
наружная
ядерная мембрана
3
импорт
LBR
BAF
комплекс SUN 1/2, emerin
nesprin 3 и plectin
перинуклеарное
пространство
внутренняя
ядерная мембрана
F-актин
микротрубочка
промежуточные
филаменты
HP1
ламина
хроматин
Адаптировано из:
Ungricht R. et al. Mechanisms and functions of nuclear envelope remodelling. // Nature Reviews Molecular Cell Biology. –
2017. – Vol. 18. – P. 229-245.
В. В. Гринев. Цитология и гистология. Курс лекций.

10.

ЯДЕРНАЯ ОБОЛОЧКА
Поровый комплекс (комплекс ядерной поры)
Поровые комплексы, микрофотографии получены с помощью
сканирующего электронного микроскопа
В. В. Гринев. Цитология и гистология. Курс лекций.

11.

ЯДЕРНАЯ ОБОЛОЧКА
Поровый комплекс (комплекс ядерной поры)
цитоплазматические
филаменты
Phe- и
Gly-обогащенные
NUPs
наружная
ядерная мембрана
цитоплазматическое кольцо
перинуклеарное
пространство
внутреннее кольцо
внутренняя
ядерная мембрана
ядерное кольцо
ядерная корзина
Схема организации порового комплекса
Адаптировано из:
Beck M. et al. The nuclear pore complex: understanding its function through structural insight. // Nature Reviews Molecular Cell
Biology. – 2017. – Vol. 18. – P. 73-89.
В. В. Гринев. Цитология и гистология. Курс лекций.

12.

13.

14.

ЯДЕРНЫЙ МАТРИКС
Ламина, или ядерная пластинка
комплекс
ядерной поры
ламина
Электронные микрофотографии ядерной пластинки (ламины)
В. В. Гринев. Цитология и гистология. Курс лекций.

15.

ЯДЕРНЫЙ МАТРИКС
Ламина, или ядерная пластинка
Мутации в гене ламина А
приводят к развитию синдрома Гетчинсона-Гилфорда
(синдром истинной прогерии – преждевременного старения)
В. В. Гринев. Цитология и гистология. Курс лекций.

16.

17.

ЯДЕРНЫЙ СОК
Ядерный сок (нуклеоплазма, кариоплазма, кариолимфа) – растворимая
фракция ядра, электронно-прозрачная, преимущественно коллоидного состояния,
которая заполняет все пространство между ядерным матриксом и хроматином.
Электронная микрофотография
клеточного ядра
Ядерный сок состоит из воды, а также растворенных в ней ионов натрия, калия,
хлора, магния и кальция, низкомолекулярных ДНК и РНК, ферментов,
метаболитов транскрипции и репликации и других молекул.
В. В. Гринев. Цитология и гистология. Курс лекций.

18.

19.

ХРОМАТИН
Компонентный состав хроматина
Хроматин – многокомпонентный нуклеопротеид, из которого состоят хромосомы
эукариотических клеток.
Компоненты хроматина:
обязательные (мажорные) компоненты:
● геномная ядерная ДНК;
● белки-гистоны;
● негистонные белки;
необязательные (минорные) компоненты:
● зарождающиеся РНК и некодирующие РНК-регуляторы;
● небелковые регуляторы экспрессии генов (например, глюкокортикоиды);
● ионы неорганических солей.
В. В. Гринев. Цитология и гистология. Курс лекций.

20.

ХРОМАТИН
Геномная ДНК
Геном – совокупность всей ДНК клетки.
Геном эукариотической клетки:
митохондриальный геном;
пластидный геном;
ядерный геном.
Размер ядерного геном (на примере клеток человека):
~6 пг ДНК на клетку;
3298912062 пар нуклеотидов на гаплоидный набор хромосом;
6597824124 пар нуклеотидов на диплидный набор хромосом;
суммарная длина в диплоидном ядре 2243260202 нм (2,24 м).
В. В. Гринев. Цитология и гистология. Курс лекций.

21.

ХРОМАТИН
Белки-гистоны
Гистоны – класс ядерных белков, участвующих в упаковке геномной ДНК в ядре
и эпигенетической регуляции транскрипции, репликации и репарации.
Разнообразие белков-гистонов:
H1;
H5;
H2A;
H2B;
H3;
H4.
линкерные гистоны
коровые гистоны
Ключевые особенности:
высокий эволюционный консерватизм;
высокое содержание основных аминокислот лизина и аргинина;
множество сайтов и вариантов пост-трансляционной модификации.
В. В. Гринев. Цитология и гистология. Курс лекций.

22.

ХРОМАТИН
Белки-гистоны
формилирование
ацетилирование
пропионилирование
бутирилирование
кротонилирование
бензоилирование
2-гидроксиизобутирилорование
гидроксибутирилирование
лактилирование
малонилирование
сукцинилирование
глутарилирование
убиквитинирование
сумойлирование
уфмиляция
метилирование
биотинилирование
АДФ-рибозилирование
серотонилирование
допаминилирование
O-пальмитирование
фосфорилирование
N-ацетилирование
S-пальмитирование
изомеризация
гидроксилирование
O-GlcNAцетилирование
деиминирование
Пост-трансляционные модификации гистонов нуклеосомного кора
Адаптировано из:
Millán-Zambrano G. et al. Histone post-translational modifications - cause and consequence of genome function. // Nature
Reviews Genetics. – 2022. – DOI: 10.1038/s41576-022-00468-7.
В. В. Гринев. Цитология и гистология. Курс лекций.

23.

ХРОМАТИН
Негистоновые белки
Структура некоторых негистоновых белков семейства MBP
(метил-CpG-связывающие белки)
В. В. Гринев. Цитология и гистология. Курс лекций.

24.

ХРОМАТИН
Негистоновые белки
Белки
Функции
HP1
Образование гетерохроматина
DNMT1, Brahma, CREB
Подавление
или
активация
транскрипции,
деметилирование ДНК, образование гетерохроматина
HDAC, NcoR, YY1
Подавление или активация транскрипции, сплайсинг
РНК, образование гетерохроматина
HMGB
Компактизация хроматина, сплайсинг РНК
ATRX
Модуляция структуры хроматина
Функциональное разнообразие негистоновых белков
В. В. Гринев. Цитология и гистология. Курс лекций.

25.

ХРОМАТИН
Многоуровневая иерархическая 3D организация хроматина
5. Интерфазная хромосома,
занимающая хромосомную территорию
4. Хромосомный компартмент
комплекс
ядерной
поры
B1
ламина
3. Топологически
ассоциированные
домены
B2
TADs
CTCF
A1
активные гены
ядерная
оболочка
ядрышко
петля хроматина
1. Линейный хроматин
Более подробно:
Wang H. et al. Engineering 3D
genome organization. // Nature
Reviews Genetics. – 2021. –
Vol. 22. – P. 343-360.
В. В. Гринев. Цитология и гистология. Курс лекций.
A2
YY1
когезин
2. Петлевые домены
эпигенетические метки

26.

ХРОМАТИН
3D организация хроматина: нуклеосомный уровень
H4
H2B
H2A
H3
димер
H3-H4
димер
H2A-H2B
тетрамер
H3-H4
октамер
гистонов
Сборка нуклеосомного кора
В. В. Гринев. Цитология и гистология. Курс лекций.

27.

ХРОМАТИН
3D организация хроматина: нуклеосомный уровень
ДНК
H2A
H2B
H3
H4
Организация нуклеосомы
Адаптировано из:
Luger K. et al. Crystal structure of the nucleosome core particle at 2.8 A resolution. // Nature. – 1997. – Vol. 389. – P. 251-60.
В. В. Гринев. Цитология и гистология. Курс лекций.

28.

ХРОМАТИН
3D организация хроматина: нуклеосомный уровень
линкерная ДНК
гистон H1
нуклеосома
Линейный хроматин на нуклеосомном уровне организации
В. В. Гринев. Цитология и гистология. Курс лекций.

29.

30.

ХРОМАТИН
3D организация хроматина: уровень хроматиновой фибриллы
Модель организации 30-нм хроматиновой фибриллы
Адаптировано из:
Robinson P. J. et al. EM measurements define the dimensions of the "30-nm" chromatin fiber: evidence for a compact,
interdigitated structure. // PNAS. – 2006. – Vol. 103. – P. 6506-6511.
В. В. Гринев. Цитология и гистология. Курс лекций.

31.

32.

ХРОМАТИН
3D организация хроматина: уровень петлевых доменов
SMC1
STAG1/2
1
SMC3
MAU2
RAD21
NIPBL
Когезиновый
комплекс
2
3
Обозначения:
1 – петлевой домен;
2 – когезиновый комплекс;
3 – сайт для посадки фактора CTCF;
4 – 30-нм хроматиновая фибрилла.
4
Организация петлевого домена
В. В. Гринев. Цитология и гистология. Курс лекций.

33.

34.

ХРОМАТИН
3D организация хроматина: гетеро- и эухроматин
Гетерохроматин – участки хроматина, которые в интерфазном ядре находятся в
конденсированном (компактном) состоянии. Транскрипционно не активен или
низкоактивен. Может быть факультативным и конститутивным
(структурным) гетерохроматином.
гетерохроматин
эухроматин
Выявление гетерои эухроматина с
помощью электронной
микроскопии
Неоднородность интерфазного хроматина
(эмбриональный фибробласт мыши,
флуоресцентная микроскопия, окраска
ядра с помощью DAPI)
Эухроматин – участки хроматина, находящиеся в деконденсированном
состоянии на протяжении всей интерфазы. Транскрпционно активный хроматин.
В. В. Гринев. Цитология и гистология. Курс лекций.

35.

ХРОМАТИН
3D организация хроматина: гетеро- и эухроматин
– H4K16ac
– ATAC-Seq
– Hi-C
Ко-локализация гистона H4K16ac и
A/B компартментов хроматина в
хромосоме 10 человека
Адаптировано из:
Radzisheuskaya A., Shliaha P. V., Grinev V. V. et al. Complex-dependent histone acetyltransferase activity of KAT8 determines its
role in transcription and cellular homeostasis. // Molecular Cell. – 2021. – Vol. 81. – P. 1749-1765.
В. В. Гринев. Цитология и гистология. Курс лекций.

36.

37.

ХРОМАТИН
3D организация хроматина: хромосомные территории
10 мкм
Микрофотография
интерфазного ядра
В. В. Гринев. Цитология и гистология. Курс лекций.
Расположение хромосом
человека в интерфазном ядре

38.

ХРОМАТИН
3D организация хроматина: хромосомные территории
хроматин
индивидуальных
интерфазных
хромосом
хроматин
индивидуальных
интерфазных
хромосом
3D модель организации
хромосом в интерфазном ядре
В. В. Гринев. Цитология и гистология. Курс лекций.

39.

ХРОМАТИН
3D организация хроматина: уровень метафазной хромосомы
хромоузел
хромоось
хромоось
петля
хроматина
Увеличенный
фрагмент тела
хромосомы
хромоузел
хромоузел
хромоось
петля
хроматина
Поперечный
срез тела
хромосомы
петля
хроматина
Продольный
срез тела
хромосомы
Адаптировано из:
Tang S. -J. A model of DNA repeat-assembled mitotic chromosomal skeleton. // Genes. – 2011. – Vol. 2. – P. 661-670.
В. В. Гринев. Цитология и гистология. Курс лекций.

40.

ХРОМАТИН
Морфология метафазных хромосом
теломеры
t
короткое
плечо (p)
c
центромера
(первичная
перетяжка)
s
p
q
сестринские
хроматиды
2
3
1
Обозначения:
1 – метацентрическая хромосома;
2 – суб-метацентрическая хромосома;
3 – акроцентрическая хромосома;
4 – телоцентрическая хромосома;
t – теломерные концы;
p – короткое плечо;
с – центромера (первичная перетяжка);
q – длинное плечо;
s – спутники.
Метафазная
хромосома человека
Морфологические типы
метафазных хромосом
длинное
плечо (q)
В. В. Гринев. Цитология и гистология. Курс лекций.
4

41.

ХРОМАТИН
Нормальный кариотип человека, стандартное окрашивание
Метафазные хромосомы человека, окрашенные по методу Гимзы
В. В. Гринев. Цитология и гистология. Курс лекций.

42.

ХРОМАТИН
Нормальный кариотип человека, дифференциальное окрашивание
Кариограмма диплоидного
набора хромосом мужчины
В. В. Гринев. Цитология и гистология. Курс лекций.
Кариограмма диплоидного набора
хромосом женщины

43.

ХРОМАТИН
Нормальный кариотип человека, FISH окрашивание
Метафазные хромосомы человека, выявляемые с помощью метода FISH
В. В. Гринев. Цитология и гистология. Курс лекций.

44.

ХРОМАТИН
Нормальный кариотип человека, SEM
Метафазные хромосомы человека,
видимые в сканирующем электронном микроскопе
В. В. Гринев. Цитология и гистология. Курс лекций.

45.

46.

ЯДРЫШКО
Идентификация ядрышка с помощью световой микроскопии
Визуализация ядрышек в ядрах гепатоцитов (клетки печени)
В. В. Гринев. Цитология и гистология. Курс лекций.

47.

ЯДРЫШКО
Идентификация ядрышка с помощью флуоресцентной микроскопии
x-y
y-z
x-z
Визуализация ядрышка
в 3D проекции с помощью
конфокальной микроскопии
(ядро окрашено с помощью TO-PRO-3 иодида
в синий цвет, ядрышка идентифицированы с помощью
анти-фибрилларин антител и окрашены в красный цвет)
Адаптировано из:
Horáková A. H. et al. SUV39h-independent association of HP1 beta with fibrillarin-positive nucleolar regions. // Chromosoma. –
2010. – Vol. 119. – P. 227-241.
В. В. Гринев. Цитология и гистология. Курс лекций.

48.

ЯДРЫШКО
Идентификация ядрышка с помощью электронной микроскопии
ядрышко
ядро
В. В. Гринев. Цитология и гистология. Курс лекций.

49.

ЯДРЫШКО
Структура ядрышка
фибриллярные
центры
гранулярный
компонент
Схема структурной организации ядрышка
В. В. Гринев. Цитология и гистология. Курс лекций.
фибриллярный
компонент

50.

ЯДРЫШКО
Фибриллярный центр ядрышка
синтезируемая
рРНК
геномная ДНК
Локализация фибриллярных центров с
помощью флуоресцентной микроскопии
(микрофотография из стока The Human Protein
Atlas https://www.proteinatlas.org)
В. В. Гринев. Цитология и гистология. Курс лекций.
Электронная
микрофотография
фибриллярного центра

51.

ЯДРО КЛЕТКИ
Продолжение следует…
комплекс
ядерной поры
ламина
ядерная оболочка
тело
Кахала
PML
тело
ядерный
спекл
ядрышко
хромосомные
территории
интерхроматиновый
компартмент
Разнообразие структур ядра клетки
Адаптировано из:
Lanctôt C. et al. Dynamic genome architecture in the nuclear space: regulation of gene expression in three
dimensions. // Nature Reviews Genetics. – 2007. – Vol. 8. – P. 104-115.
В. В. Гринев. Цитология и гистология. Курс лекций.

52.

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!

English Русский Rules