A membrán fluiditása és szerveződése
5. fejezet - Sejtmag
A sejtek DNS állománya, agenom, a mitokondriumok és plasztiszok saját DNS állományától eltekintve a sejtmagban található.
Sejtmag a sejtmagvacskával (sárga), és a maghártyához kapcsolódó ER-mal (kék)
A sejtmagban fénymikroszkópos DNS festéssel is elkülöníthető egy erősebben festődő ún. heterokromatin és egy kevésbé festődő eukromatin. A két szabálytalan eloszlású régió eltérő festődése a DNS eltérő koncentrációjával magyarázható. A világosabb eukromatikus régióban a DNS kevésbé kondenzált állapotban van, ez a rész tehát a működő, despiralizált DNS területe. A heterokromatikus régiók erős festődése pedig a DNS szál erős kondenzációjának következménye. A kondenzált és letekeredett DNS szakaszok a sejt működése során változnak, de legszembetűnőbb a sejtciklusnak megfelelően az osztódásra felkészülő magban a DNS kromoszómákká tömörülése, majd az osztódást követően újbóli dekondenzációja.
Heterokromatikus (sötét) és eukromatikus (világos) részek a sejtmagban
Erősen heterokromatikus sejtmag, jól látható nukleólusszal (TEM).
Apoptotikus sejtmagban a fragmentálódó kromatinállomány kondenzálódik és a maghártya alatt halmozódik fel (TEM).
Az 1850-es években Gregor Mendel által végzett kísérletek mutattak rá először, hogy a tulajdonságok (fenotípus) genetikailag öröklődő formában (genotípus) vannak jelen a sejtekben. 1903-ban Walter Sutton és Theodor Boveri citológiai megfigyelések alapján állította fel az öröklődés kromoszómális elméletét. A genom kromoszómákba szerveződése, és annak működése a kutatások egyik legfontosabb területe, bár még távol állunk a génműködés szerveződésének teljes megértésétől. A genom mérete az élőlények különbözőcsoportjaiban nagy eltéréseket mutat.
Bár van némi korreláció a fejlettség és a genom mérete között, az egyes fajok között igen nagy eltérés tapasztalható.
Ahaploideukarióta sejtek genommérete (C érték) 107–1011bázispár között változik. Az emberé a középmezőnyben található mintegy 3x109bázispárral. A növényi molekuláris biológia kedvenc kísérleti objektuma azArabidopsis mintegy 7x107bázispárral kicsinek számít. A legnagyobb ismert genommal (1011) a liliomfélék rendelkeznek, de a kétéltűek genomja is 50-szer nagyobb, mint az emberé. Ezt a jelenséget hívjuk C-érték paradoxonnak. A gének összehasonlításából kiderült, hogy a különbség alapja nem a működő gének számában, hanem a korábban értelmetlennek tekintett repetitív szekvenciákban keresendő. A működő gének sem tekinthetők folyamatos DNS szekvenciáknak. Bennük közbeékelődött, a géntermékben nem kifejeződő szekvenciák is találhatók. Egy gén átlagos mérete nagyjából 1000 kilobázis, ami az Arabidopsis esetén a 15 000 gént tekintve igen kismértékű redundanciát jelent. Hasonló okokból vált a genetikai kutatások fontos alanyává aDrosophilaés aCaenorhabditis is. A nem kódoló közbeékelt DNS szakaszai a génnek az ún. intronok, míg a kódoló szakaszok az exonok. A gének 5’ irányba eső, nem kódoló DNS szakai valószínűleg a transzkripció regulációjában játszanak szerepet, míg a 3’
irányú hasonló DNS szakaszok az átíródó mRNS módosításában, a transzkripció megállításában vesznek részt, de egyéb szabályozó szerepük is lehet.
rRNS gén felépítése.
A gének egy része nem csak egy kópiában van jelen, hanem repetitív szekvenciák formájában többszöröződve. A multiplikáció nem mindig jelent teljes azonosságot, az ismétlődő szekvenciák alkotta géncsaládok tagjai között bizonyos fokú eltérés is lehetséges. A tandem ismétlődő szekvenciák alkotta gén klaszterek tagjai akár külön szabályozás alatt is állhatnak. Jellemző, hogy az ilyen ismétlődő gének nagy mennyiségben előállítandó géntermékeket kódolnak, mint például tartalékfehérjéket, vagy a növényi Rubisco enzimet.
A magvacska
A sejtmag fénymikroszkóppal is jól látható része a magvacska, vagy nukleólusz. A nukleólusz elsősorban a riboszómális RNS-ek szintézisének a helye, de a riboszómák részleges összeszerelése is itt történik. Egy magban több nukleólusz is lehet, számuk sejttípusonként is változik. A magvacskának nincs membránja. Az interfázisban figyelhető csak meg, a profázis alatt lebomlik és a telofázisban újraszerveződik. A magvacska a kromoszómák ún.
NOR, nukleólusz organizáló régiója köré szerveződik, ugyanis ezek az rRNS tandem ismétlődő szekvenciái.
A nukleólusz komponensei
A sejtmagvacska metszete (TEM).
A magvacskának három szerkezeti elemét lehet elkülöníteni. Kívül található granuláris komponens (GC) melybe ágyazódik egy, vagy több kívülről denz fibrilláris komponenssel (DFC) burkolt fibrilláris centrum (FC). A fibrilláris centrumban nincs RNS transzkripció, de inaktív DNS, különböző fehérjék, enzimek kimutathatók. Maga a transzkripció az FC perifériáján, illetve a denz fibrilláris komponens területén történik, és itt indul meg a keletkezett pre-rRNS processzálása. A külső granuláris komponens (GC) területén, mint arra a neve is utal elektronmikroszkópos képen nagyon sok szemcse figyelhető meg. Ezeknek a szemcséknek a mérete megfelel a riboszómák alegységeinek.
A citoplazmából a riboszómális fehérjék a transzlációt követően ugyanis visszaszállítódnak a sejtmagba, és a GC területén az ott levő rRNS-ekkel kialakítják a riboszómák alegységeit. Mivel a riboszómákat felépítő egyik (5S) rRNS nem a magvacska területén szintetizálódik, annak a nukleoplazmából ide kell szállítódnia. A többi rRNS szintézisét a nukleóluszban az rDNS szakaszokról az RNS-polimeráz I enzim végzi, majd a pre-rRNS feldarapolódásával (splicing) kialakulnak az eukariótákra jellemző 18S, 5,8S, és 28S rRNS-ek. A riboszómák ezekből az rRNS-ekből és mintegy 30 különböző fehérjéből épülnek fel.
Sejtmag
A nukleólusz elektronmikroszkópos képe növényi sejtben.
A DNS kettős hélix a sejtmagban meghatározott szerkezetben helyezkedik el, ami biztosítja az aktív szakaszokról történő átíródást és egyben a hosszú (a humán DNS majdnem 2 m) DNS szál becsomagolását az 5–15 µm-es sejtmagba. A sejtosztódás előtt, az S fázisban a DNS szálnak meg is kell duplázódnia, majd a sejtosztódás során szállítható kromoszómákká kell szerveződnie. A DNS szál kromoszómákká alakulásának, kondenzációs szintjeinek egymásra épülését nevezzük a kromoszómák hierarchikus szerveződésének. Kiindulva a DNS kettős hélixből, tekintsük át a csomagolás egyes szintjeit a legkondenzáltabb metafázisos kromoszóma kialakulásáig.
A DNS kettős hélix mintegy 2 nm átmérőjű, és a kromoszómák számának megfelelően több darabban helyezkedik el a sejtmagban. A DNS hisztonfehérjékből álló fehérjekomplexekre, ún. nukleoszómákra tekeredik fel. Egy nukleoszómán nagyjából két csavarulatot alkot, mintegy 166 bázispárnyi hosszban. Két ilyen nukleoszómára tekeredett szakasz között egy 20–200 bázispárnyi átvezető, linker szakasz található. A nukleoszómákat két tetramer fehérjekomplex alkotja, mindegyikben egy-egy H2A, H2b, H3, és H4 hisztonfehérje található. A DNS szálat a nukleoszómákon kívülről a H1 hisztonfehérje stabilizálja. Az így kialakult gyöngyfüzér szerkezet 11 nm átmérőjű.
Nukleoszómákra feltekeredett DNS szál
A nukleoszómális fonal tovább hajtogatódik, egy keresztmetszetben hatsugarú ún. szolenoid szerkezetté, melynek átmérője már 30 nm. A hierarchia következő lépcsője a szolenoidok hurokszerű hajtogatódása, amivel kialakul az ún. szupercoil amiben már mintegy 700-szor annyi bázispár található egységnyi hosszban, mint a DNS szálban, és átmérője mintegy 300 nm. A szupercoil további hajtogatódásával eljutunk a kromatidák szintjére, melyek kb 700 nm átmérőjűek. Az interfázisos sejtmagban a DNS kondenzációja a szolenoidból álló szupercoil szinten van, de ez teljes mértékben meggátolja a transzkripciót. Az eukromatin aktív működéséhez ezt a struktúrát fel kell lazítani, hogy a DNS az enzimek számára hozzáférhető legyen. A szolenoid fellazítását a hisztonok acetilálásával végzi a sejt, ekkor a szolenoidok fellazulnak, és a DNS gyöngyfüzér szerkezetet mutat. A transzkripciós faktorok hatására a DNS szál letekeredik a nukleoszómárol, és a transzkripció megindulhat. Kísérletileg bizonyítják, hogy a működő gének DN-ázzal könnyen emészthetővé válnak.
Elektronmikroszkópos vizsgálatok azt mutatják, hogy a hurokstruktúra egy sokak által feltételezett magvázhoz (nuclear scaffold, nuclear matrix) kapcsolódik a DNS AT gazdag SAR (scaffold associated region) vagy MAR (matrix associated region) régiójának segítségével. Bár molekuláris biológiai és citokémiai adatok is szólnak a magváz létezése mellett, szerkezetét nem ismerjük, és egyelőre elég sokféle fehérje került az azt felépítő jelöltek közé (többek között laminok is). Az elektronmikroszkópos eredmények is származhatnak fehérjék precipitációjából.
A kromoszóma hierarchikus szerveződése
A lamina
A sejtmag belső felszínén intermedier filamentumokból álló 30–100 nm vastag réteg alakul ki. A lamina a membránhoz és a DNS állományhoz (elsősorban a heterokromatinhoz) is kapcsolódik. A magpórusok területén a lamina megszakad, de kimutatták kapcsolódását a pórus komplexhez is. A laminát különböző típusú lamin fehérjék alkotják, melyek az intermedier filamentumok közé tartoznak. A lamin fehérjék középső régiója helikális szerkezetű, végei pedig globulárisak. A helikális szakaszon a fehérjék egymásra csavarodva dimereket alkotnak, melyek ellentétes polaritással tetramerekké állnak össze. A tetramerek végeikkel összekapcsolódva filamentumokat képeznek. A lamin fehérjéken két foszforilációs hely található, mely fontos szabályozási lehetőséget biztosít. A laminok foszforilálása ugyanis a polimer széteséséhez vezet, defoszforilálása pedig polimerizációhoz. Ez fontos szabályozó folyamat a laminváz és ezzel a maghártya szétszerelésében a mitózis során. A laminváz a növényekben nem található meg, itt más, laminhoz hasonló szerkezetű, de nagyobb méretű fehérjék alkotnak a nukleáris laminához hasonló szerkezetet.