Те́льце Каха́ля (ТК) () — образование в ядре клетки, присутствующее у некоторых ядерных организмов. Типичный размер телец Кахаля составляет 1—2 мкм, и в одной клетке может содержаться от 0 до 10 ТК. Клетки многих типов не имеют ТК, но ТК имеются в ядрах нейронов и раковых клеток. Основная функция телец Кахаля заключается в процессинге малых ядерных и малых ядрышковых РНК, а также сборке рибонуклеопротеиновых комплексов.
Для телец Кахаля характерно наличие маркерного белка коилина и (; scaРНК); помимо коилина, важнейшую роль в поддержании структурной целостности телец Кахаля играет белок выживания моторных нейронов (SMN). В тельцах Кахаля в высоких концентрациях содержатся () и другие факторы процессинга РНК, свидетельствующие о том, что тельца Кахаля служат местами сборки и/или посттранскрипционной модификации сплайсирующего аппарата ядра. Кроме того, ТК участвуют в процессинге мРНК гистонов и удлинении теломер. ТК существуют в течение всей интерфазы, однако исчезают в митозе. Биогенез телец Кахаля проявляет свойства самоорганизующейся структуры.
История изучения
Тельце Кахаля впервые было описано Сантьяго Рамоном-и-Кахалем — испанским нейроанатомом, который в 1906 году получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине совместно с Камилло Гольджи за исследования клеточного строения нервной системы. В 1903 году, используя технику импрегнации серебра, Кахаль обнаружил маленькое округлое тельце, которое встречалось в ядрах разных нервных клеток. Он назвал его вспомогательным тельцем (). В ходе своих морфологических исследований Кахалю удалось наблюдать сплайсирующие крапинки (), ядрышко и ядерную мембрану. Те тельца, которые Кахаль назвал cuerpo accessorio, были независимо описаны у самых разных организмов: млекопитающих, земноводных, насекомых и растений. Им были даны самые разнообразные названия: смотанные тельца () в клетках мыши, крысы и человека, эндотельца () у насекомых, связанные с ядрышками тельца у растений. Порядок в это множество названий привнесло открытие белка коилина в смотанных тельцах клеток HeLa. Антитела против коилина послужили хорошими маркерами смотанных телец в клетках позвоночных и даже связанных с ядрышками телец в клетках . Теперь стало ясно, что гомологичные ядерные субкомпартменты, содержащие коилин, имеются у самых разных эукариот. Чтобы подтвердить эту общность и привести терминологию к единому образцу, для ядерных телец, содержащих коилин, было предложено название «тельца Кахаля». В 2002 году тельца Кахаля были впервые изолированы из живых клеток (клеток HeLa).
Компоненты
Тельца Кахаля являются местами модификации малых ядерных РНК (мяРНК) и малых ядрышковых РНК (мякРНК), кроме того, в них происходит сборка и часть жизненного цикла РНП. Для телец Кахаля характерно присутствие белка коилина, малых ядерных рибонуклеопротеинов (мяРНП), малых ядрышковых рибонуклеопротеинов (мякРНП), теломеразных РНП и факторов сборки и созревания РНП, а также комплексов, образованных (SMN). Integrator, который осуществляет процессинг 3'-концов мяРНК и поддерживает целостность ТК, также может быть компонентом ТК.
Коилин
После открытия коилина в клетках HeLa этот белок быстро стал характерным маркером для телец Кахаля в клетках млекопитающих. У человека и мыши коилин имеет примерно одинаковый размер (62,6 кДа и 62,3 кДа соответственно), и между их аминокислотными последовательностями наблюдается высокая степень сходства. У лягушки Xenopus коилин слегка меньше (59,6 кДа), а его аминокислотная последовательность значительно отличается от таковой у двух белков млекопитающих. Вне позвоночных определить гомологов коилина по последовательности аминокислот чрезвычайно трудно. Бесспорные ортологи коилина были описаны у Arabidopsis и Drosophila, однако пока у нематоды Caenorhabditis elegans, дрожжей Saccharomyces cerevisiae и других важных модельных организмов, не относящихся к позвоночным, ортологов коилина обнаружено не было.
Несмотря на удобство использования коилина в качестве маркера телец Кахаля, о самом коилине как белке известно немного: в частности, до сих пор нет сведений, какие биохимические функции он может выполнять в тельце Кахаля. Коилин связывается с белком выживания моторных нейронов (SMN) и с различными белками групп Sm и , поэтому он может участвовать в сборке или модификации мяРНП. У мышей, арабидопсиса и дрозофилы были найдены строгие доказательства того, что коилин необходим для формирования ТК. У данио-рерио нокаут гена коилина при помощи морфолино, приводящий к утрате ТК и беспорядочному рассеянию мяРНП по ядру, вызывает остановку развития при переходе от стадии 15 сомитов к стадии 16 сомитов, вероятно, из-за нарушения правильного вырезания интронов и сниженного образования нормальных зрелых мРНК. Интересно, что этот эффект может быть уменьшен путём добавления зрелых человеческих мяРНП, но не только мяРНК или мяРНП, подтверждая, что у данио-рерио для правильной сборки мяРНП необходим коилин и, вероятно, тельце Кахаля. Нокаут гена коилина у мыши приводит к полулетальному фенотипу (50 % зародышей погибает на стадии внутриутробного развития). Некоторые гомозиготы умирают на стадии эмбрионов, а те из них, которые всё же доживают до взрослого возраста, имеют значительные проблемы с фертильностью и плодовитостью. Выращенные в культуре клетки, полученные от таких нокаутных мышей, не имеют типичных ТК. Вместо этого у них наблюдаются три типа «остаточных» телец, каждое из которых содержит часть компонентов телец Кахаля. У Arabidopsis мутант no cajal body 1 (ncb-1) имеет замену единственного основания в гене коилина, хотя непонятно, действительно ли он совершенно лишён коилина. Гомозиготы ncb-1 полностью жизнеспособны, однако с помощью антител к другим компонентам ТК (U2B и фибрилларин) ТК у них не обнаруживаются при помощи электронной микроскопии. У дрозофилы два различных мутанта по коилину полностью жизнеспособны в гомозиготном состоянии. В клетках нулевых по коилину мух методами или ТК не выявляются. Таким образом, у этих трёх изученных организмов коилин необходим для нормального формирования ТК, однако ни коилин, ни нормальные ТК не являются необходимыми для жизнеспособности.
Изменения в уровне экспрессии коилина связаны с изменениями содержания нескольких некодирующих РНК, в частности, мяРНК , рРНК, транскрибируемых , и . Кроме того, коилин способен связываться с различными некодирующими РНК, такими как предшественник рРНК 47/45S, мяРНК U2 и РНК-компонент теломеразы. Коилин обладает РНКазной активностью, которая особенно важна для процессинга 3'-конца мяРНК U2 РНК-компонента теломеразы. Таким образом, коилин способен оказывать влияние на транскрипцию и/или процессинг многих важных некодирующих РНК в клетке.
Несмотря на то, что коилин многие годы используется в качестве маркера телец Кахаля, а также ту критическую роль, которую он играет в поддержании их структурной целостности, установлено, что коилин также встречается в других особых ядерных тельцах — тельцах гистоновых локусов ().
Малые ядерные рибонуклеопротеины (мяРНП) После того как тельца Кахаля были выявлены методом иммуноокрашивания антителами против коилина, появилась простая методика использования других антител и in situ-гибридизации для создания каталога типичных компонентов ТК. Вскоре стало понятно, что ТК содержат множество белков и РНК, участвующих в процессинге РНК, в частности, сплайсинге малых ядерных РНК (мяРНК, ) (U1, U2, U4, U5 и U6). Так как собственно сплайсинг в тельцах Кахаля не происходит, было выдвинуто предложение, что ТК может играть некоторую роль в сборке или модификации сплайсирующих мяРНП. Биогенез сплайсирующих мяРНП — сложный процесс, включающий как ядерные, так и цитоплазматические этапы. Вкратце, транскрипция мяРНК происходит в ядре, вслед за чем они экспортируются в цитоплазму. В цитоплазме монометилгуанозиновый кэп на 5'-конце становится триметилированным, и каждая мяРНК упаковывается в комплекс из семи консервативных белков группы Sm. Наконец, собранные мяРНП возвращаются в ядро. Поскольку мяРНК, встречающиеся в тельцах Кахаля, связаны с белками Sm и имеют триметилгуанозиновый кэп, считают, что они уже вернулись в ядро из цитоплазмы. Это подтверждается кинетическими исследованиями, показывающими, что только что поступившие в ядро мяРНП сначала отправляются в ТК, после чего появляются в крапинках (кластерах гранул интерхроматина) и, наконец, попадают на хромосомы, где, собственно, и происходит сплайсинг. Модификация специфических нуклеотидов мяРНП, вероятно, происходит в ТК. Менее понятно, в какой степени сборка аппарата сплайсинга происходит в ТК. Предполагается, что ТК участвуют в осуществлении последних стадий образования U2 мяРНП, и, возможно, сборка /- три-мяРНП происходит также в ТК. Также были представлены доказательства, что мяРНП рециркулируют через ТК. Очень может быть, что сплайсирующие мяРНП проходят из ТК в крапинки на пути к местам синтеза РНК и сплайсинга на хромосомах. Однако степень того, насколько отдельные мяРНП организованы в комплексы более высокого порядка в крапинках, неизвестна. Недавние исследования, проведённые на ооцитах земноводных, показали, что мяРНП могут рекрутироваться к хромосомам типа ламповых щёток независимо от сборки в зрелые сплайсосомы. Если это верно для всех клеток, то тельца Кахаля могут выполнять лишь ограниченную роль в сборке мяРНП в комплексы более высокого порядка.
Малые РНК телец Кахаля (scaРНК) ScaРНК осуществляют схожие реакции с малыми ядерными РНК (мяРНК) и отвечают за их метилирование и псевдоуридилирование. Первая открытая и наиболее хорошо изученная РНК класса scaРНК — U85. Эта необычная направляющая РНК () опосредует две модификации: 2'-O-метилирование С45 и псевдоуридилирование U46 в человеческой мяРНК U5. Эксперименты по фракционированию клеток и in situ-гибридизации показали, что scaРНК U85 локализуется исключительно в ТК клеток HeLa и Drosophila. Локализация этой РНК отличается от локализации её субстрата — мяРНК U5, которая также в больших количествах содержится в ТК, но, помимо этого, подобно другим мяРНК, широко распространена по всему ядру. Локализация U85 и других scaРНК отличается от локализации большинства направляющих РНК, содержащих боксы С/D и Н/АСА, которые концентрируются в ядрышке. Показано, что локализация РНК в ТК в клетках позвоночных зависит от наличия короткой консенсусной последовательности, названной САВ-боксом. Родственный, но несколько отличающийся мотив был описан в scaРНК Drosophila. САВ-бокс scaРНК и человека, и дрозофилы связывается с консервативным белком WRAP53 (также известным как белок , TCAB1 и WDR79), который необходим для локализации этих РНК в тельцах Кахаля.