Механизмы поддержания и изменений формы и размеров клеточного ядра (обзор)

Арешидзе Д.А. Механизмы поддержания и изменений формы и размеров клеточного ядра (обзор). Морфологические ведомости. 2022;30(3):654. (3).670

Areshidze DA. Mechanisms of the keeping and change of forms and sizes of the cell nuclei (Review). Morfologicheskie Vedomosti – Morphological newsletter. 2022;30(3):649. (3).670

Article received 10 March 2022 Article accepted 11 August 2022

Введение. Органоиды любой клет-     мическим изменениям, что является следки, в том числе и ядро, подвержены дина-     ствием их уникального химического со става и строения, а также результатом взаимодействия с цитоскелетом, другими органоидами и клетками. Аберрантный размер ядра связан со многими видами рака и широко используется в качестве биомаркера [1-2]. Но остается не ясным, вносят ли изменения размера ядра непосредственный вклад в опухолеобразование или следуют за ним. Необходимо отметить, что изменения размера ядра в гистологически нормальных клетках, окружающих опухоль, наблюдались при некоторых типах рака [3-4]. Это позволяет предположить, что изменения размера ядра могут происходить на ранних этапах трансформации и действовать как прайминговое событие [5]. Нарушение ядерно-цитоплазматичес-кого транспорта, сопровождающееся изменением размера ядер, также характерно для онкологических заболеваний [6-7]. Предполагается, что изменение структуры и размера ядра, при котором наблюдается снижение адаптационной устойчивости, обусловливает облегчение распространения метастазов [8]. Установлено, что размеры ядер клеток в норме претерпевают циклические колебания. Были охарактеризованы ритмы колебаний разной периодичности для размеров ядер различных клеток млекопитающих [9-15].

У эукариота соотношение объемов всех органоидов к объему ядра является достаточно постоянной величиной. Наиболее известным и часто применяемым в практике является определение соотношения ядерного и цитоплазматического объемов, названное автором термина Р. Гертвигом кариоплазматическим отношением, в русскоязычной литературе называемое также ядерно-цитоплазмати-ческим отношением (далее - ЯЦО). Этот динамический микро-морфометрический показатель находится в зависимости как от размеров клетки, так и от величины клеточного ядра. Размер и форма клеточного ядра являются одним из часто используемых параметров в исследованиях отечественных и зарубежных авторов, не только как необходимые для расчета ЯЦО клетки в онтогенезе, дифференцировке, при патологических процессах, но и имеющие ценность сами по себе как таковые.

В дискуссиях высказываются две крайние точки зрения на ценность информации о форме, и особенно о размере ядра. Согласно первой точке зрения, морфометрия размеров и формы ядра клетки без измерения цитоплазмы с последующим вычислением ЯЦО не имеет никакого смысла, а полученные данные не несут значимой информации [16-17]. В то же время, сторонники второй точки зрения рассматривают клеточное ядро как лабильный и значимый индикатор морфофункционального состояния клетки, размер и форма которого меняются при нормальном старении [18-19], патологических состояниях [20-21], пролиферации, экспрессии генов и синтезе белков [23-24]. Измерения среднего размера ядер и их формы (площади поперечного сечения или объема), наблюдаемые в различных условиях, являются интегральным производным двух факторов. Во-первых, они могут быть связаны с истинной функциональной флуктуацией размеров ядер. Во-вторых, изменение средних размеров ядер клеток может происходит за счет полип-лоидизации клеток, но классиками отечественной патологической анатомии – Струковым и Серовым указывается: «Размеры ядер и ядерных структур независимо от плоидии в значительной мере определяются функциональным состоянием клетки» (цит. по [25]). Однако, в последнее время, даже это положение подвергается ревизии.

Цель исследования – мета-анализ современной научной литературы, посвященной исследованию механизмов поддержания и изменения размеров и формы ядра клетки механизмов поддержания и изменения размеров, и формы ядра клетки.

Материалы и методы исследования заключались в поиске статей в базах данных РИНЦ, PubMed (MEDLINE) и иных базах данных и источников научной информации по следующим ключевым словам: ядро, форма ядра, цитоплазма, цитоскелет, эндоплазматический ретикулум, nucleus, nucleus shape, cytoplasm, cytoskeleton, endoplasmic reticulum. Полученные данные подвергались аналитическому исследованию на предмет форму- лировок и объяснения существа механизмов поддержания и изменения размеров, формы ядра клетки.

Результаты исследования и обсуждение.

Механизмы поддержания и изменения размеров и формы клеточного ядра Давно известно, что размер ядра в целом масштабируется с размером клетки, а корреляции между ними наблюдаются у широкого диапазона видов и типов клеток. Клетки разных тканей многоклеточного животного могут иметь разное соотношение размера ядра к ее собственному размеру, но каждый тип клеток обычно ограничен достаточно узким диапазоном изменений. На размер ядра влияет целый ряд биологических процессов, в которых участвует клетка, и ее свойств, контроль размера ядра является результатом комбинации различных факторов, причем разные факторы проявляются в разных условиях [26-27]. Несмотря на то, что принято считать, что размер ядра и размер клетки обычно масштабируются в зависимости от содержания ДНК и плоидности, однако, именно размер клетки, а не прямое влияние содержания ДНК, по-видимому, является основным фактором, определяющим параметры ядра в большинстве физиологических условий. Jevtić и Levy обнаружили, что изменение содержания ДНК не приводило к изменению масштабирования между размером ядра и размером клетки у делящихся дрожжей [28]. Neumann и Nurse получили сведения, что несмотря на неизменное содержание ДНК, объем ядра увеличивается вместе с объемом клеток клеточной культуры HeLa [29]. Имеются данные, о том, что размер ядра уменьшается по мере снижения размеров клеток во время ре-дуктивных делений [30], несмотря на то, что содержание ДНК остается постоянным. Таким образом, размеры ядра не связаны напрямую с содержанием в них ДНК.

Цитоскелет

Важным компонентом, участвующим в изменении размера и формы клеточного ядра, является цитоскелет, играющий активную роль в создании внешнего каркаса, позиционировании, а также в деформации ядра, однако при этом кон- кретные действующие механизмы, вероятно, различаются и могут зависеть от подвижности клетки и внешних воздействий [31]. При делении клетки цитоскелет активно участвует в деформации и разрушении ядерной оболочки в начале этого процесса [32-33]; также он участвует в изменении формы ядра, например, при образовании пронуклеусов сперматозоидов [34-35]. В значительном количестве исследований [36-39] было показано, что перинуклеарные актиновые сети, состоящие из пучков актиновых филаментов, называемых трансмембранными актин-ассоциированными ядерными линиями (или актиновым колпачком, актиновой шапочкой), прикрепляющиеся непосредственно к ядру при помощи молекул, называемых линкерами ядра с цитоскелетом или LINC, вместе с их регуляторными белками в значительной мере контролируют форму ядра. Ведущая роль цитоскелета, в частности степени напряжения актомиозина, в изменении геометрии клеточного ядра также показана в исследовании Chen [40]. Одними из белков, принимающих участие в связи ядерной мембраны с актиновыми филаментами, являются несприны. Нокдаун Nesprin-2-Giant в культивируемых фибробластах и керати-ноцитах человека приводит к двукратному увеличению размеров ядер этих клеток [41]. Также показана ведущая роль перинуклеарного актина и микротрубочек цитоплазмы в изменении пространственной архитектуры ядра, отраженного в его индексе формы и индексе положения [42].

Комплекс ядерных пор

Другим фактором, определяющим форму и размер ядра клетки, является комплекс ядерных пор (далее - NPC), каждая из которых построена из белков нук-леопоринов. NPC встроены в ядерную оболочку в местах слияния внутренней и внешней ядерных мембран, основной функцией их является регуляция обмена веществ между ядром клетки и цитоплазмой посредством взаимодействия с молекулами-переносчиками кариоферинов [19-20]. Нуклеопорины оказывают непосредственное влияние на форму и размер ядра клетки. Так, кариоферины NUP1 и NUP60 придают кривизну внутренней ядерной мембране в норме как in vitro так in vivo, в определенных условиях вызывают и деформацию ядерной оболочки, участвуют в поддержании целостности NPC и их биогенезе. У Xenopus Laevis ядра, лишенные кариоферина Nup188, увеличиваются в размерах в несколько раз по сравнению с ядрами дикого типа, что обуславливается ускоренным проникновением интегральных мембранных белков через NPC, в норме ограничиваемого ка-риоферином Nup188 [45-47]. С изменениями свойств и структуры нуклеопоринов связаны изменения размеров ядер и у других видов, в том числе и у человека [48-49].

Ядерная мембрана

Ядерная мембрана или кариолем-ма, фибриллярная сеть жесткой структуры, образованная белками-ламининами, подстилает ядерную мембрану (находится под ядерной мембраной). Ламинины играют важную роль в широком спектре ядерных функций, включая организацию хроматина, экспрессию генов, репликацию и репарацию ДНК, передачу сигналов и механические свойства ядра [50-51]. Влияние хроматина на форму и размеры ядра до определенной меры осуществляется через ламинин-ассоциированные домены (далее - LAD), представляющие собой транскрипционно репрессированные домены, располагающиеся на ядерной оболочке [45]. Делеция гена ламинина B в эмбриональных стволовых клетках мышей приводит к уменьшению взаимодействия LAD и ядерной мембраны, что обусловливает деформацию ядра [46]. Доказано участие ламинина A и С в регуляции формы ядра [47-49]. Эта структура принимает также важное участие в организации и поддержании размеров и формы ядра у разных видов живых организмов, от дрожжей до человека [52-55]. Взаимосвязь между уровнем экспрессии ламинина и размерами ядра описана рядом исследователей [56-59]. Размер ядер млекопитающих также чувствителен к уровням экспрессии ламинина. У пациентов с ламининопати-ей обычно обнаруживаются ядра неправильной формы, что также указывает на роль ламининов в поддержании нормальной морфологии ядер [60-62]. Хроническая интоксикация мышей гризеофульви- ном приводит к снижению содержания в гепатоцитах ламинина B-типа, что вызывает серьезные изменения цитоскелета гепатоцитов, аналогичные тем, которые обнаруживаются при алкогольном гепатите у людей. В таких гепатоцитах отмечено нарушение и уменьшение сети кератиновых филаментов, появление телец Малл-ори-Денка [63]. Установлено, что ламинины агрегируются при окислительном повреждении печени, что наблюдается и в эксплантатах печени пациентов с алкогольным циррозом и сопровождается изменением формы и размера ядер гепатоцитов [64].

Эндоплазматический ретикулум

В настоящее время хорошо изучена роль эндоплазматического ретикулума (далее - ЭПР) в поддержании формы и размеров ядра, что было подробно охарактеризовано для Xenopus Laevis и дрожжевых клеток [65-68]. Взаимодействие ЭПР и ядерной мембраны обеспечивает сохранение относительно постоянных размеров ядра в интерфазе [69]. Примечательно, что достаточно часто при злокачественных новообразованиях изменяется уровень ретикулона - структурного компонента ЭПР, что сопровождается изменением размеров и формы клеточного ядра в опухолевых клетках [70-72]. В отличие от других мембраносвязанных органелл, которым ЭПР поставляет липиды посредством везикулярного транспорта, ядерная мембрана является продолжением ЭПР, что позволяет осуществлять прямой транспорт липидов в ядро [73-74], воздействуя как на форму, так и на размер последнего. Несмотря на то, что внутренняя ядерная оболочка также метаболически активна [75], пока неясно, оказывают ли эти продукты обмена веществ в ней прямое влияние на форму или размер, однако, исключать этот фактор нельзя.

Ядерно-цитоплазматический обмен и осмолярность

Ядерно-цитоплазматический обмен участвует в регуляции размера ядра во многих системах. Изменения размера ядра, вероятно, вызываются объемным ядер-но-цитоплазматическим транспортом, а не переносом какого-то одного фактора. Предполагается, что ядерно-цитоплазма- тический транспорт и расширение ядер-ной оболочки имеют решающее значение для увеличения размера ядра в растущих клетках [76]. Нарушение экспорта ядер-ных белков приводит к увеличению размера ядра в клетках млекопитающих [77]. Ganguly et al. (2016) было высказано мнение о том, что изменение клеточного осмоса (перенос растворителя через полупроницаемую мембрану) влияет на размер ядра в хондроцитах крупного рогатого скота, что позволяет предположить, важную роль осмотического давления в изменении размера ядра [78]. Изменение осмолярности может влиять, как на размер, так и на форму ядра, но в физиологическом диапазоне эти сдвиги не влияют на изолированные ядра [79-80]. Последние исследования свидетельствуют в пользу того, что размер ядра клеток в значительной доле определяется осмотическим давлением, создаваемым цитозольными макромолекулами на ядерной мембране, и разностью поверхностных натяжений мембраны ядра и ЭПР [81], что согласуется с предыдущими экспериментальными исследованиями, показавшими, что эти макромолекулы и кариолемма играют центральную роль в регуляции размера ядра в клетках многоклеточных [82-88].

Таким образом, среди факторов, участвующих в поддержании размеров и формы клеточного ядра можно выделить следующие: цитоскелет, комплекс ядер-ных пор, ядерная мембрана, эндоплазматический ретикулум, ядерно-цитоплазматический обмен и осмолярность. Кроме злокачественных новообразований также многие другие болезни сопровождаются изменением размеров и формы ядра. У млекопитающих, в том числе и у человека, делеции или мутации мембранных белков - эмерина 177, ламининов А и С и других, наблюдающиеся при мышечной дистрофии, преждевременном старении, ламининопатиях [8990], вызывают изменения морфологии ядра. Однако почти все без исключения эти факты изменения геометрии клеточного ядра носят в основном корреляционные, а не четко идентифицируемые причинные связи. Большая часть исследований, посвященных изучению изменений клеточ- ного ядра, в настоящее время проводятся на таких организмах, как дрожжи, лягушки (Xenopus Laevis), рыбы (Danio Rerio), на опухолевых клетках, а также на гепатоцитах, которые являются одним из часто используемых объектов исследований in vitro и in vivo, в норме и измененных состояниях. Так, приобретение ядрами гепатоцитов неправильной формы рассматривается как показатель высокой интенсивности метаболизма [91]. Охарактеризовано увеличение размера клеток и ядер, наблюдаемое при экспозиции гепатоцитов мышей с белками семейства факторов транскрипции (c-Myc и других), которые регулируют рост и вступление в клеточный цикл [92]. Показано также, что при стрессе эндоплазматического ретикулума, тесно связанного с патогенезом фиброза печени, белок Nogo-B (ретикулон 4В) может усиливать прогрессирование фиброза за счет подавления апоптоза гепатоцитов [93]. При дефиците N-гликаназы (Nglyl) -цитоплазматического пептида, участвующего в поддержании функционирования ЭПР, в печени мышей наблюдается аномальное увеличение размера ядер гепатоцитов и деструкция их формы. Установлено, что высокая степень жесткости цитоплазмы вызывает деформацию ядер клеток печени человека и крыс с циррозом печени. Отсоединение ядра от цитоскелета путем разрушения последнего или при дезорганизации белка, связывающего нук-леоскелет с внутренней и внешней ядер-ными мембранами - несприна 1, восстанавливает сферическую форму ядра [94].

Заключение. Обобщая вышеизложенное, необходимо отметить значительный прогресс в вопросе изучения причин и механизмов подержания формы и размеров клеточного ядра. Не вызывает сомнений, что размер и форма ядра, являются отражением состояния клетки в норме, так и при патологических процессах, и позволяют судить об особенностях протекания тех или иных биологических событий в исследуемых органах. Можно с уверенностью утверждать о том, что количество ДНК в ядре не является фактором, определяющим его размеры и форму, но на ядерную морфологию могут влиять структура и модификация хроматина.

Можно считать доказанным, что ведущими факторами, определяющими размер и форму клеточного ядра, являются цитоскелет, комплекс ядерных пор, ядерная мембрана, эндоплазматический ретикулум, ядерно-цитоплазматический обмен и осмолярность. Дальнейшее изучение фак- торов, влияющих на размер и форму ядра, установление взаимосвязи между его морфологией и процессами, происходящими на тканевом и клеточном уровне, обещает предоставить новые подходы к диагностике, профилактике и лечению ряда заболеваний.