В интерфазном ядре развернутые хромосомы располагаются не хаотично, а строго упорядоченно. Такая организация хромосомы в трехмерном пространстве ядра необходима не только для того, чтобы при митозе происходили сегрегация хромосом и их обособление от соседей, но и для упорядочения процессов репликации и транскрипции хроматина. Можно предполагать, что для осуществления этих задач должна существовать какая-то каркасная внутриядерная система, которая может служить объединяющей основой для всех ядерных компонентов – хроматина, ядрышка, ядерной оболочки. Такой структурой является белковый ядерный остов, или матрикс.
Ядерный матрикс не имеет четкой морфологической структуры: он выявляется как отдельный морфологический гетерогенный компонент при экстракции из ядер практически всех участков хроматина, основной массы РНК и липопротеидов ядерной оболочки. От ядра, которое не теряет при этом своей общей морфологии, оставаясь сферической структурой, остается как бы каркас, остов, иногда называемый еще «ядерным скелетом». Впервые компоненты ядерного матрикса были выделены и охарактеризованы в начале 60-х годов. Ядерный матрикс состоит, по крайней мере, из трех морфологических компонентов:
- периферического белкового сетчатого (фиброзного) слоя – ламины,
- внутреннего, или интерхроматинового матрикса,
- «остаточного» ядрышка.
Ламина представляет собой тонкий фиброзный слой, подстилающий внутреннюю мембрану ядерной оболочки. В ее состав входят так же комплексы ядерных пор, которые как бы вмурованы в фиброзный слой. Часто эту часть ядерного матрикса называют фракцией «поровый комплекс – ламина» (РСL). Структурная роль ламины очень велика: она образует сплошной фиброзный белковый слой по периферии ядра, достаточный для поддержания морфологической целостности ядра.
Внутриядерный матрикс морфологически выявляется после экстракции хроматина. Он представлен рыхлой фиброзной сетью, располагающейся между участками хроматина. Часто в состав этой губчатой сети входят различные гранулы.
Остаточное ядрышко – плотная структура, повторяющая по своей форме ядрышко, состоит из плотно уложенных фибрилл.
Компоненты ядерного матрикса – это не застывшие жесткие структуры, они динамически подвижны и могут меняться в зависимости не только от условий их выделения, но и от функциональных особенностей нативных ядер. Основной компонент остаточных структур ядра – белок, содержание которого может колебаться от 98 до 88%. Белковый состав ядерного матрикса из разных клеток довольно близок. Для него характерны три белка фиброзного слоя, называемые ламинами. Кроме этих основных полипептидов в матриксе присутствует большое количество минорных компонентов с молекулярным весом от 11 – 13 до 200 тыс. Ламины представлены тремя белками: А, В, С. Ламины А и С близки друг к другу иммунологически и по пептидному составу. Ламин В отличается от них тем, что он более прочно связывается с интегральными белками ядерной мембраны.
Часто фракция выделенных ядер, а также препараты ядерного матрикса содержат значительные количества промежуточных филаментов, которые остаются связанными с периферией, ядра даже после удаления ядерных мембран. В отличие от промежуточных филаментов ламины при полимеризации не образуют нитчатых структур, а организуются в сети с ортогональным типом укладки молекул. Такие сплошные решетчатые участки подстилают внутреннюю мембрану ядерной оболочки. Они могут разбираться при фосфорилировании ламинов и вновь полимеризоваться при их дефосфорилировании, что обеспечивает динамичность как этого слоя, так и всей ядерной оболочки. Молекулярная характеристика белков внутриядерного матрикса детально не разработана. Белки отвечают за поддержание петлевой организации ДНК.
ДНК ядерного белкового матрикса
Участки ДНК могут быть расположены во всех трех компонентах ядерного матрикса. Были обнаружены две размерные группы фрагментов ДНК в составе ядерного матрикса. В первую группу входили высокомолекулярные фрагменты размером около 10 тыс. н. п., они составляли всего 0,02% от исходного количества ДНК. Их число составляло примерно 100 на гаплоидный набор хромосом, т. е. существует всего 2 – 3 участка прикрепления ДНК к ядерному матриксу на хромосому, Фрагменты были обогащены сателлитной ДНК и связаны с ламиной. Функциональное значение этих участков может состоять в обеспечении фиксированного положения хромосом в ядре с помощью закрепления их определенных участков (центромер, теломер) на ламине. Вторая группа фрагментов, связанных с матриксом, состоит из небольших участков ДНК (120 – 140 н. п,), гетерогенных по последовательностям. Они встречаются между участками ДНК длиной около 50 тыс. н. п., представляющих собой, вероятно, петли основной массы хроматина. Функциональное значение второй группы этих коротких участков ДНК может заключаться в том, что они ассоциированы с белками, лежащими в сердцевинах розеткоподобных структур хроматина или в основании развернутых петель ДНК хроматина при его активации.
При изучении кинетики гидролиза, вновь синтезируемой ДНК нуклеазами было обнаружено, что ядерный матрикс связан с репликацией ДНК. Большая часть ДНК, содержащая радиоактивную метку, связана с матриксом: свыше 70% новосинтезированной ДНК было локализовано в зоне внутреннего ядерного матрикса. Это наблюдение давало основание считать, что на ядерном матриксе происходят инициация и собственно репликация ДНК. Фракция ДНК, ассоциированная с ядерным матриксом, оказалась обогащенной репликативными вилками. В составе ядерного матрикса обнаружена ДНК-полимераза а – основной фермент репликаций ДНК. Кроме него с ядерным матриксом связаны и другие ферменты репликативного комплекса (реплисомы): ДНК-праймаза, ДНК-лигаза, ДНК-топоизомераза II. В состав белков внутреннего ядерного матрикса входит РНК-полимераза II, ответственная за синтез информационных РНК. С ядерным матриксом связаны собственно транскрибируюшиеся гены. Транскрипционные комплексы закреплены на ядерном матриксе, а сама транскрипция осуществляется одновременно с перемещением матричнои ДНК относительно закрепленных транскрипционных комплексов, содержащих РНК- полимеразу II. Кроме тРНК и ее предшественников в составе ядерного белкового матрикса обнаруживаются малые ядерные рибонуклеопротеиды (мяРНП), которые участвуют в созревании информационных РНК, в процессе сплайсинга. Эти РНК-содержащие частицы, иногда называемые сплайсосомами, собраны в группы, или кластеры, связанные с белками ядерного матрикса. Элементы ядерного матрикса могут прямо участвовать в регуляции транскрипции.