Ученые обнаружили, что ядро клетки менее плотное, чем цитоплазма

Реконструированное in vitro ядро клетки в экстракте яйцеклетки Xenopus laevis (шпорцевая лягушка). Слева — флуоресцентное изображение с окрашенной ДНК, справа — карта плотности того же ядра, полученная с помощью оптической дифракционной томографии (ODT). Автор: Абин Бисвас

Международная группа исследователей сделала неожиданное открытие: вопреки устоявшимся представлениям, клеточное ядро имеет меньшую плотность, чем окружающая его цитоплазма. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.

Опровержение учебников

Традиционно ядро клетки описывается как компартмент, плотно упакованный ДНК и белками. Однако новые данные показывают, что, несмотря на богатый биомолекулярный состав, ядра содержат меньше сухой массы на единицу объема, чем цитоплазма.

Профессор Симоне Ребер из Института биологии инфекций им. Макса Планка в Берлине поясняет важность понимания плотности внутри клеток: «Это влияет на структуру, динамику и функцию биомолекул. Главное открытие нашего исследования в том, что хотя абсолютная плотность сильно варьируется у разных видов, соотношение плотности ядра и цитоплазмы (NC-ratio) остается постоянным».

Ядра разных организмов имеют меньшую плотность, чем окружающая цитоплазма. Сверху: иллюстрация сложного внутреннего устройства ядра и цитоплазмы (иллюстрация Дэвида Гудселла). Цветовой градиент показывает распределение плотности от низкой (синий) до высокой (желтый). Автор: Абин Бисвас, иллюстрация Дэвида С. Гудселла

Свет как инструмент измерения

Для измерения плотности в микроскопических объектах ученые использовали свет. Они разработали оптическую установку, сочетающую оптическую дифракционную томографию и конфокальную флуоресцентную микроскопию, что позволило получить трехмерные карты распределения плотности внутри клеток с высоким разрешением.

Профессор Йохен Гук из Центра физики и медицины им. Макса Планка в Эрлангене добавил: «Ранее мы безуспешно пытались использовать наш "оптический растяжитель" на ядрах. Физически правдоподобное, но биологически контринтуитивное объяснение состояло в том, что ядро имеет меньшую плотность».

Плотность как индикатор здоровья

Исследование также показало, что в больных или стареющих клетках, например, при клеточном старении (сенесценции), это соотношение нарушается — ядра становятся плотнее цитоплазмы. Это указывает на фундаментальную важность плотности как переменной, определяющей здоровые клеточные процессы.

Ученые планируют продолжить изучение того, как клетки устанавливают и поддерживают специфическое распределение плотности, чтобы расшифровать биомеханизмы, регулирующие функцию клеток в норме и при патологии.

Работа стала результатом сотрудничества ученых из нескольких институтов им. Макса Планка, а также Альберт Эйнштейн Колледжа Медицины в Нью-Йорке.

Больше информации: Abin Biswas et al, Conserved nucleocytoplasmic density homeostasis drives cellular organization across eukaryotes, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-62605-0