То, как ядро часто изображается в учебниках, мало похоже на реальность его структуры. По словам Гаврилова и Разина (2015, стр. 21), «ядро эукариотической клетки является одной из самых сложных клеточных органелл. Несмотря на отсутствие мембран, ядерное пространство разделено на многочисленные компартменты, в которых происходят различные процессы, связанные с активностью генома». Уже давно очевидно, что объем клеток и объем ядра тесно взаимосвязаны.
Гинзберг и соавт. (2018) показывают, что, по крайней мере, в некоторых типах клеток человека как размер клетки, так и размер ядра увеличиваются в течение клеточного цикла, как это также справедливо для дрожжей.
Интересно, что в обоих случаях размер ядра не связан с содержанием ДНК: в клетках человека размер ядра увеличивается в присутствии ингибитора репликации ДНК, а у дрожжей ядро не увеличивается значительно во время S-фазы. У растений, в широком диапазоне значений С, включая однодольные однодольные с гигантскими геномами, однодольные и двудольные среднегональные размеры генома, а также Arabidopsis thaliana с крошечным геномом, объем логарифмических клеток линейно связан с log объем ядра с корреляцией 0,99.
В случаях, когда увеличение размера генома приводит к увеличению ядра, возможно, ядро, как информационный центр клетки, оказывает влияние на размер клетки.
Однако, похоже, что объем клеток влияет на объем ядра в большей степени, чем наоборот, в основном из-за зависимости размера ядра от транспорта из цитоплазмы, хотя основные механизмы в основном неизвестны, в делящихся дрожжах (Schizosaccaromyces pombe), надлежащим образом регулируемый нуклеоцитоплазматический транспорт и рост ядерной мембраны играют центральную роль в контроле размера ядер. В своем количественном микроскопическом исследовании полиплоидии во время развития дрозофилы Puah et al. (2017, стр. 397) говорится:
Две противоположные модели объясняют размер ядер. В то время как эволюционно консервативное масштабирование объема ядра в зависимости от размера генома поддерживает интуитивную модель, согласно которой содержание ДНК является основным фактором, определяющим размер ядра, более поздние данные различных экспериментальных систем подтверждают идею о том, что объем и компоненты цитоплазмы определяют объем ядра. Наши данные показывают, что обе теории могут быть согласованы. Во время митоза конденсированный хроматин занимает пространство, пропорциональное плоидности.
В ранней интерфазе после выхода из митоза объемы ядер быстро увеличиваются, и темпы роста и абсолютные размеры остаются коррелированными с плоидностью, что указывает на то, что некоторые факторы ядерной сборки связаны с хроматином.
По мере продвижения между фазами ядерный рост замедляется, а скученность оказывает отрицательное влияние на ядерный рост, указывая, что ядра имеют конечное количество других факторов сборки ядер.
Вывод о том, что для ядерной сборки привлекаются ограниченные запасы цитозольных факторов, согласуется с «гипотезой ограниченной плоской мембраны», которая предполагает, что рост ядра ограничен количеством мембран ER (эндоплазматического ретикулума), имеющихся в цитоплазме для включения в цитоплазму. NE (ядерная оболочка).
Но что касается «интуитивной модели», Кавалер-Смит (1982, стр. 290) заявил:
Существует очевидный механизм (простое заполнение пространства в сочетании с прикреплением к ядерной матрице и оболочке, для которого имеется множество доказательств), посредством которого общая масса ДНК может непосредственно определять объем ядра (что не так для объема клетки).
Но должно ли удвоение содержания ДНК требовать соразмерного увеличения объема ядра?
Это должно зависеть от того, насколько сильно ядро вида вмещает больше хроматина. Упаковка вдвое большего количества максимально уплотненного хроматина в ядро может потребовать его расширения до большего размера, но только у тех видов, ядра которых менее чем в два раза ниже ограничивающего уровня переполненности на любой стадии клеточного цикла, которая является ограничивающей.
Понимание взаимосвязи между содержанием ДНК и объемом ядра в растениях было затруднено из-за зависимости от раздавливания или секционирования для оценки объема ядра.
Для этого использовали трехмерную визуализацию для измерения объемов концевых ядер 12 видов эвдикот и однодольных, для которых оценили размеры генома 2C в диапазоне от 315 мегабазных пар (Mbp, Arabidopsis) до почти 100 000 Mbp (Fritillaria camtschatcensis).
Объем ДНК оценивали по размеру генома для каждого вида с использованием опубликованного коэффициента преобразования, и рассчитывали соотношение между объемом ДНК и объемом ядра; было установлено, что во всех случаях оно составляет менее 0,03.
Принимая во внимание структуру хроматина, они пришли к выводу, что объемы ДНК, превышающие 3% от объема ядра, приведут к заполнению ядра более чем на 100%. Десять видов имели примерно одинаковые объемные отношения (1,67-2,95%), если 3,0% принять за полное заполнение, это будет означать, что хроматин занимает от 56% до почти 100% объема ядра.
Для Triticum durum с 100% заполнением удвоение содержания ДНК с помощью аутополиплоидии потребовало бы удвоения объема ядра, тогда как на нижнем уровне F. camtschatcensis потребовало бы только увеличения объема ядра на 12%. Интересно, что объемные отношения двух самых маленьких геномов (Arabidopsis и Oryza sativa) были намного ниже, чем у остальных видов (0,26% и 0,55% соответственно).
Таким образом, диплоидное ядро кончика корня Arabidopsis может испытывать 10-кратное увеличение ДНК до достижения максимальной емкости, что позволяет предположить, что ядросинтетического Arabidopsisautopolyploid не должно быть больше, чем у его изогенного диплоидного предшественника.
Влияние аутополиплоидии на размер ядра кончика корня не изучалось, но было обнаружено, что ядра листьев синтетического аутополиплоида Arabidopsis Col-0 почти вдвое больше ядер своего диплоидного родителя. Кажется, что листовые ядра имеют меньшие объемы, чем корневые ядра, но не настолько малы, чтобы удвоение объема потребовалось для размещения удвоенного количества хроматина.
Это говорит о том, что простая модель заполнения пространства не объясняет взаимосвязи между содержанием ДНК/плоидностью и размером ядер.
Межвидовая изменчивость ядерных скоплений на кончиках корней является лишь одним из свидетельств того, что модель, в которой содержание ДНК напрямую определяет объем ядра через ограничения скопления, является чрезмерно упрощенной. Корреляция между геномом и размером ядра известна уже более века.
Поэтому соблазнительно предположить, что размер ядра определяется количеством ядерной ДНК. Тем не менее, многочисленные феноменологические и экспериментальные данные показывают, что другие факторы должны способствовать размеру ядра.
Разные типы клеток в пределах одного и того же вида демонстрируют различия в размерах ядер, несмотря на то, что они имеют одинаковое содержание генома, и размер ядра изменяется на раннем этапе развития, в то время как количество ДНК на клетку остается постоянным. Хотя изменения плоидности могут способствовать определению размера ядра, содержание ДНК минимально влияет на размер ядра в различных экспериментальных системах.
Эти выводы подтверждаются в обзоре размеров и формы ядерных установок, проведенных, в котором перечислены различия в развитии между различными тканями и органами, между различными типами клеток и с физиологическим состоянием в качестве важных факторов, влияющих на размер ядра. Это разнообразие предполагает, что виды измерений, следует расширить, включив в него не только дополнительные виды, но и дополнительные типы клеток.
С некоторой уверенностью можно утверждать, что, когда происходит полиплоидия, каждый необходимый тип клеток должен реагировать таким образом, чтобы оставаться функциональным, иначе полиплоидия была бы смертельной мутацией.
Кроме того, эта корректировка должна произойти немедленно, хотя дальнейшие мутации в генах, участвующих в контроле объема ядра, отфильтрованных естественным отбором, могут впоследствии изменить параметры ядра.
Размер и форма ядра растения, как и у животных, зависит не только от общего содержания ДНК (и плоидности), но также от различных ядерных и цитоплазматических структурных компонентов, нуклеоцитоплазматического транспорта, цитоскелета, внеклеточного матрикса и митотического состояния.
ДНК занимает лишь небольшую часть объема ядра, и именно количество хроматина необходимо учитывать при увеличении размера генома.
Хроматин может быть уплотнен, и неизвестно, в какой степени уплотнение хроматина могло бы компенсировать скученность в ядре, прежде чем необходимость в большем объеме стала необходимой. Хроматин внутри ядра расширяется с изменениями концентрации макромолекул вследствие термодинамики макромолекулярной скученности.
Следовательно, при гипоосмотическом стрессе ядро расширяется до тех пор, пока ядерная пластинка не натянется вокруг нуклеоплазмы и не предотвратит дальнейшее расширение.
При гиперосмотическом стрессе нуклеоплазма сжимается, а ядро сжимается. Кроме того, гиперосмотический стресс приводит к заметной конденсации хроматина. Поскольку ядерная пластинка противостоит изменениям в области, она сгибается по мере того, как ядро сжимается, заставляя ядро принимать извилистую форму.
Может ли полиплоидия привести к изменениям уплотнения хроматина?
Sas-Nowosielska и Bernas (2016) в своем исследовании структуры ядра листьев диплоидного и аутополиплоидного арабидопсиса пришли к выводу, что, хотя объем ядер у автополиплоидов увеличился, он не был вдвое больше, чем у диплоидов, что привело их к предположению, что плотность хроматина находится на уровне. в среднем выше в ядрах автотетраплоидов, чем в диплоидных растениях.
Хотя возможно, что размер ядра может влиять на уплотнение хроматина, верно и обратное - степень уплотнения хроматина может изменить размер ядра.
Биофизика хроматина является областью активного изучения, и выводы в этой области следует применять для понимания различий между диплоидными и аутополиплоидными ядрами.
