Як вже говорилося, всі клітини мають обов'язкові внутріядерні структури - ядерця. Це правило має невелике число винятків, які, як буде видно, тільки підкреслюють важливість і необхідність участі ядерця в життєвих відправленнях клітини. До таких винятків належать клітини дробящихся яєць, де ядерця відсутні на ранніх етапах ембріогенезу, або клітини, які закінчили розвиток і необоротно спеціалізувалися як, наприклад, деякі клітини крові.
В інших випадках в клітинах спостерігається 1-5 ядерець, причому їх кількість не строго постійно навіть у одного і того ж типу клітин. Більш того в деяких статевих клітинах (зростаючі ооцити) число ядерець може досягати декількох сотень, тобто на два порядки вище, ніж в сусідніх соматичних клітинах. Це - т.зв. ампліфікація ядерець.
Ще в 30-х роках було зроблено припущення, що число ядерець залежить від числа "ядерцевих організаторів" - особливих ділянок, на яких в телофазе відбувається новоутворення ядерець інтерфазних ядра. Часто ядерцеві організатори локалізовані у вторинних перетяжках хромосом (утворюють вторинні перетяжки хромосом). Так у людини ядерцеві організатори розташовані в коротких плечах 13, 14, 15, 21 і 22 хромосом (10 на диплоїдний набір) (рис. 82). У ссавців зазвичай є кілька ядришкообразующій хромосом на диплоїдний набір: у кішки - 2; у свині - 2; у миші - 4; у корови - 8. У холоднокровних хребетних і у птахів зазвичай є тільки по одній парі ядришкообразующій хромосом.
Таким чином максимальне число ядерець в різних клітинах визначається числом ядерцевих організаторів і збільшується відповідно до плоидности ядра: в великих поліплоїдних ядрах завжди кількість ядерець більше.
Це правило підтверджується прямими спостереженнями над мутантними особинами з різними числом ядерцевих організаторів. Так у шпорцевой жаби в нормі в диплоидной клітці є дві ядришкообразующій хромосоми і відповідно 1-2 ядерця. У гетерозиготною особини з однієї ядришкообразующій хромосомою - 1, у гомозиготних мутантних личинок, у яких немає ядерцевих організаторів, ядерця не виникають і не відбувається синтезу рРНК. Подібні спостереження були отримані на дрозофилах з різним числом ядришкообразующій хромосом від 0 до 4.
Локалізація ядерцевих організаторів визначається досить точно на митотических хромосомах за допомогою забарвлення солями срібла, які мають специфічне спорідненість до деяких ЯДЕРЦЕВОГО білків. Більш точним є визначення ядерцевих організаторів за допомогою методу молекулярної гібридизації in situ. Так мічена тритієм рРНК при контакті з денатурированной ДНК на препараті митотических хромосом утворює ДНК-рРНК гібрид тільки в тих місцях, де є послідовності ДНК, комплементарні рРНК.
Найчастіше в клітинах кількість ядерець менше, ніж число ядерцевих організаторів. Це пов'язано з тим, що при новоутворенні ядерець вони можуть зливатися один з одним в одну загальну структуру, тобто можуть об'єднуватися в просторі інтерфазних ядра окремі ядерцеві організатори різних хромосом. Так в тканинах людини можуть зустрічатися клітини з одним ядерцем. Це означає, що десять ядришкообразующій ділянок, локусів, диплоїдного набору хромосом входять до складу одного ядерця. Злиття ядерець один з одним добре показано на живих клітинах культури тканини при цейтраферной кінозйомки.
Множинність рибосомних генів
При вивченні числа ядерець при різних хромосомних аберації було знайдено, що при розриві хромосоми на місці вторинної перетяжки ядерця можуть виникати на кожному з фрагментів хромосом. Так при обміні ділянками між двома хромосомами в мікроспороцітов кукурудзи, в тому випадку коли розрив однієї з хромосом відбувався через ядерцевих організатор, виникали дві хромосоми, кожна з яких несла частина вихідного ядерцевого організатора. У цьому випадку обидві хромосоми мали здатність утворювати ядерця, хоча і не однаковою мірою. З цих спостережень був зроблений дуже важливий висновок (який повністю підтвердився в 60-х роках на молекулярно-біологічному рівні) про те, що ядерцевих організатор представляє собою не точковий локус хромосоми, а є множинним за своєю структурою, містить кілька однакових генних ділянок, кожен з яких відповідає за освіту ядерця.
Методом молекулярної гібридизації було показано, що в складі геномів еукаріот рибосомні гени представлені сотнями і тисячами одиниць; вони належать до фракції помірно повторюваних послідовностей ДНК. Навіть у бактерій в геномі може бути кілька (6-7) розсіяних по геному ідентичних послідовностей, відповідальних за синтез рРНК. Загальна кількість цієї фракції ДНК (рДНК) у E. coli становить близько 1% від всієї ДНК. У еукаріотичних організмів цей відсоток може становити 0,18 для X. laevis. 0,4 - для людини, 1,3 для дрозофіли, 5,5 для пекарських дріжджів. Число ж рибосомних генів у еукаріот набагато більше, ніж у прокаріотів клітин. У табл. 10 наведені деякі приклади числа генів рРНК у різних представників еукаріот.
Таблиця 10. Кількість рибосомних генів на гаплоїдний набір хромосом
Хордові Ссавці: Птахи: Амфібії: Риби: Безхребетні Иглокожие: Комахи: Молюски: Нематоди: Найпростіші Вищі рослини: Гриби: Водорості: Слізневікі:
За допомогою методу молекулярної гібридизації було проаналізовано не тільки число рибосомних генів, але і їх локалізація. З цих експериментів випливало, що саме зони ядерцевих організаторів у вторинних перетяжках хромосом Xenopus містять рибосомні гени і що в кожному з цих організаторів міститься приблизно по 300 генів, тобто ядерцеві організатори представляють собою поліцістронной ділянки, що містять безліч однакових генів (поліізогенние ділянки). Отже, рибосомні гени зібрані разом в групи або кластери.
Спостерігати безпосередньо порядок розташування рибосомних генів на ДНК виділених ядерець за допомогою електронного мікроскопа вдалося на додаткових ядерцях ооцитів амфібій.
Зазвичай число генів рибосомних РНК постійно на геном, воно не змінюється в залежності від рівня транскрипції цих генів. Так у клітин з високим рівнем метаболізму число генів рРНК точно таке ж як і число у клітин, повністю припинили синтез рибосом. При реплікації ДНК в S-періоді відбувається і подвоєння числа генів рРНК, тому їх кількість корелює з плоїдності клітини.
Однак існують випадки, коли гени рРНК піддаються надмірній реплікації. При цьому додаткова реплікація генів рРНК відбувається з метою забезпечення продукції великої кількості рибосом. В результаті такого надсинтезу генів рРНК їх копії можуть ставати вільними, екстрахромосомнимі. Ці позахромосомних копії генів рРНК можуть функціонувати незалежно, в результаті чого виникає маса вільних додаткових ядерець, але вже не пов'язаних структурно з ядришкообразующій хромосомами. Це явище отримало назву ампліфікації генів рРНК. Особливо докладно це явище вивчене на зростаючих ооцитах амфібій, хоча воно зустрічається як у тварин, так і у рослин.
Так у X. laevis. найдетальніше вивчений і популярний об'єкт, ампліфікація РДНК, відбувається в профазі I поділу дозрівання, коли синтез хромосомної ДНК давно закінчено. У цьому випадку кількість ампліфікованої РДНК (або генів рРНК) стає в 3000 разів більше того, що доводиться на гаплоидное кількість РДНК, і відповідає 1,5 x 10 6 генів рРНК. Ці сверхчісленние позахромосомних копії і утворюють сотні додаткових ядерець в зростаючих ооцитах. В середньому ж на одне додаткове ядерце доводиться кілька сот чи тисяч генів рРНК.
Ампліфіковані ядерця зустрічаються також в ооцитах комах. Так у облямованого плавунца в ооцитах виявлено 3 x 10 6 екстрахромосомних копій генів рРНК.
Біологічний сенс появи сверхчісленних екстрахромосомних ядерець при зростанні ооцитів абсолютно зрозумілий: для синтезу величезної кількості запасних продуктів, які будуть використані на ранніх стадіях ембріогенезу, необхідно відповідно величезна кількість рибосом, які можуть бути в клітці синтезовані на додаткових матрицях цих численних ампліфикувати ядерець. Після періоду дозрівання ооцита при його двох послідовних поділи ці додаткові ядерця до складу мітотичних хромосом не входять, вони відокремлюються від нових ядер і деградують. Отже, ампліфікація РДНК в ооциті є тимчасове явище, що не позначається на сталості геному.
У нижчих еукаріотичних організмів спостерігаються також екстрахромосомние ядерця. Так у Tetrachymena pyriformis в складі гаплоидного генома микронуклеуса є тільки єдиний ген рРНК. У макронуклеус ж цього організму міститься близько 200 гаплоїдних еквівалентів у вигляді екстрахромосомних копій. У дріжджових клітин також виявлені екстрахромосомние копії генів рРНК у вигляді циклічних молекул ДНК довжиною близько 3 мкм, що містять один ген рРНК.