Charakterystyka jądrowa, struktura, morfologia i funkcje



The jąderko jest strukturą komórkową nie ograniczoną przez błonę, będącą jednym z najbardziej widocznych obszarów jądra. Jest on obserwowany jako gęstszy obszar w jądrze i jest podzielony na trzy obszary: gęsty składnik włóknisty, ośrodek włóknisty i składnik ziarnisty..

Odpowiada głównie za syntezę i składanie rybosomów; jednak ta struktura ma również inne funkcje. W jądrze znaleziono ponad 700 białek, które nie biorą udziału w procesach biogenezy rybosomów. W ten sam sposób jąderko bierze udział w rozwoju różnych patologii.

Pierwszym badaczem obserwującym obszar jąderka był F. Fontana w 1781 r., Ponad dwa wieki temu. Następnie, w połowie lat trzydziestych, McClintock był w stanie obserwować tę strukturę w swoich eksperymentach Zea mays. Od tego czasu setki badań skupiły się na zrozumieniu funkcji i dynamiki tego podstawowego regionu.

Indeks

  • 1 Ogólna charakterystyka
  • 2 Struktura i morfologia
    • 2.1 Centra włókienkowe
    • 2.2 Gęsty składnik włóknisty i składnik ziarnisty
    • 2.3 Nuklearny region organizacyjny
  • 3 funkcje
    • 3.1 Maszyna do tworzenia RNA rybosomalnego
    • 3.2 Organizacja rybosomów
    • 3.3 Transkrypcja rybosomalnego RNA
    • 3.4 Zgromadzenie rybosomów
    • 3.5 Inne funkcje
  • 4 Jądro i rak
  • 5 Nukleolus i wirusy
  • 6 referencji

Ogólna charakterystyka

Jąderko jest wyraźną strukturą znajdującą się wewnątrz jądra komórek eukariotycznych. Jest to „region” w postaci kuli, ponieważ nie ma żadnego rodzaju biomembrany, która oddziela go od reszty komponentów jądrowych.

Można to zaobserwować pod mikroskopem jako podregion jądra, gdy komórka znajduje się w interfejsie.

Jest on zorganizowany w regionach zwanych NOR (dla jego akronimu w języku angielskim: chromosomowe regiony organizatorów jąderkowych), gdzie znajdują się sekwencje kodujące rybosomy.

Te geny znajdują się w określonych regionach chromosomów. U ludzi są zorganizowani w tandemie w regionach satelitarnych chromosomów 13, 14, 15, 21 i 22.

W jąderku zachodzi transkrypcja, przetwarzanie i składanie podjednostek tworzących rybosomy.

Oprócz tradycyjnej funkcji jąderko jest związane z białkami supresorowymi nowotworów, regulatorami cyklu komórkowego, a nawet białkami z wirusów.

Białka jąderka są dynamiczne i najwyraźniej ich sekwencja została zachowana w trakcie ewolucji. Z tych białek tylko 30% zostało związanych z biogenezą rybosomów.

Struktura i morfologia

Jąderko jest podzielone na trzy główne składniki, różniące się mikroskopią elektronową: gęsty składnik włóknisty, ośrodek włókienkowy i składnik ziarnisty..

Ogólnie jest otoczony przez skondensowaną chromatynę, zwaną heterochromatyną. Procesy transkrypcji rybosomalnego RNA, przetwarzania i składania prekursorów rybosomalnych występują w jąderku.

Jąderko jest regionem dynamicznym, w którym białka, które składniki mogą łączyć się i szybko oddzielać od składników jąderkowych, tworząc ciągłą wymianę z nukleoplazmą (wewnętrzna żelatynowa substancja jądra).

U ssaków struktura jąderka zmienia się wraz z etapami cyklu komórkowego. W profazie obserwuje się dezorganizację jąderka i jest ona ponownie składana pod koniec procesu mitotycznego. Maksymalną aktywność transkrypcji w jąderku obserwowano w fazach S i G2.

Na aktywność polimerazy RNA I mogą wpływać różne stany fosforylacji, modyfikując w ten sposób aktywność jąderka podczas cyklu komórkowego. Wyciszanie podczas mitozy następuje przez fosforylację różnych pierwiastków, takich jak SL1 i TTF-1.

Jednak ten wzór nie jest powszechny u wszystkich organizmów. Na przykład w drożdżach jądro jest obecne - i aktywne - w całym procesie podziału komórek.

Centra fibrylarne

Geny kodujące rybosomalny RNA znajdują się w ośrodkach włóknistych. Centra te są wyraźnymi obszarami otoczonymi gęstymi komponentami włóknistymi. Centra fibrylarne różnią się wielkością i liczbą, w zależności od typu komórki.

Określono pewien wzór w odniesieniu do cech ośrodków fibrylarnych. Komórki o wysokiej syntezie rybosomów mają niską liczbę ośrodków fibrylarnych, podczas gdy komórki o zmniejszonym metabolizmie (takie jak limfocyty) mają większe ośrodki fibrylarne.

Istnieją szczególne przypadki, jak w neuronach o bardzo aktywnym metabolizmie, których jąderko ma gigantyczne centrum włókienkowe, któremu towarzyszą mniejsze mniejsze ośrodki.

Gęsty włóknisty składnik i ziarnisty składnik

Gęsty składnik włóknisty i centra fibrylarne są osadzone w ziarnistym składniku, którego granulki mają średnicę od 15 do 20 nm. Proces transkrypcji (przejście cząsteczki DNA do RNA, uważany za pierwszy etap ekspresji genów) zachodzi w granicach ośrodków fibrylarnych i gęstego składnika włóknistego.

Przetwarzanie pre-rybosomalnego RNA zachodzi w gęstym włóknistym składniku i proces rozciąga się na ziarnisty składnik. Transkrypty gromadzą się w gęstym włóknistym komponencie, a białka jąderkowe są również zlokalizowane w gęstym włóknistym składniku. To właśnie w tym regionie występuje zgromadzenie rybosomów.

Po kulminacji tego procesu składania rybosomalnego RNA z niezbędnymi białkami, produkty te są eksportowane do cytoplazmy.

Składnik ziarnisty jest bogaty w czynniki transkrypcyjne (niektóre przykłady to SUMO-1 i Ubc9). Zazwyczaj jąderko jest otoczone heterochromatyną; uważa się, że to zagęszczone DNA może odgrywać rolę w transkrypcji rybosomalnego RNA.

U ssaków rybosomalny DNA w komórkach jest zagęszczany lub wyciszany. Ta organizacja wydaje się być ważna dla regulacji rybosomalnego DNA i dla ochrony stabilności genomowej.

Nuklearny region organizacyjny

W tym regionie (NOR) są zgrupowane geny (rybosomalny DNA), które kodują rybosomalny RNA.

Chromosomy tworzące te regiony różnią się w zależności od gatunku badania. U ludzi znajdują się w regionach satelitarnych chromosomów akrocentrycznych (centromer znajduje się w pobliżu jednego z końców), szczególnie w parach 13, 14, 15, 21 i 22.

Jednostki rybosomów DNA składają się z transkrybowanej sekwencji i zewnętrznego odstępnika niezbędnego do transkrypcji przez polimerazę I RNA.

W promotorach DNA rybosomalnego można wyróżnić dwa elementy: element centralny i element znajdujący się powyżej (w górę)

Funkcje

Maszyna do tworzenia RNA rybosomalnego

Jądro można uznać za fabrykę ze wszystkimi niezbędnymi składnikami do biosyntezy prekursorów rybosomów..

RNA rybosomalny lub rybosomalny (kwas rybosomalny), powszechnie nazywany rRNA, jest składnikiem rybosomów i uczestniczy w syntezie białek. Ten składnik jest niezbędny dla wszystkich linii żywych istot.

RNA rybosomalny jest związany z innymi składnikami o charakterze białkowym. Ten związek skutkuje rybosomalnymi przywilejami. Klasyfikacja rybosomalnego RNA jest zwykle podawana z literą „S”, wskazując jednostki Svedberga lub współczynnik sedymentacji.

Organizacja rybosomów

Rybosomy składają się z dwóch podjednostek: większej lub większej i mniejszej lub mniejszej. 

Rybosomalny RNA prokariotów i eukariotów jest różniczkowalny. W prokariotach duża podjednostka to 50S i składa się z rybosomalnego RNA 5S i 23S, także mała podjednostka ma 30S i składa się tylko z 16S rybosomalnego RNA.

Natomiast główna podjednostka (60S) składa się z rybosomalnego RNA 5S, 5,8S i 28S. Mała podjednostka (40S) składa się wyłącznie z 18S rybosomalnego RNA.

Geny kodujące rybosomalne RNA 5,8S, 18S i 28S znajdują się w jąderku. Te rybosomalne RNA są transkrybowane jako pojedyncza jednostka w jąderku przez polimerazę RNA I. Proces ten prowadzi do prekursora RNA 45S.

Wspomniany prekursor rybosomalnego RNA (45S) musi być wycięty w jego składnikach 18S, należących do małej podjednostki (40S) i 5,8S i 28S dużej podjednostki (60S).

Brakujący rybosomalny RNA, 5S, jest syntetyzowany poza jąderkiem; w przeciwieństwie do jego homologów, proces jest katalizowany przez polimerazę RNA III.

Transkrypcja rybosomalnego RNA

Komórka potrzebuje dużej liczby rybosomalnych cząsteczek RNA. Istnieje wiele kopii genów kodujących ten typ RNA, aby spełnić te wysokie wymagania.

Na przykład, zgodnie z danymi znalezionymi w ludzkim genomie, istnieje 200 kopii dla rybosomalnego RNA 5,8S, 18S i 28S. Dla rybosomalnego RNA 5S jest 2000 kopii.

Proces rozpoczyna się od rybosomalnego RNA 45S. Zaczyna się od usunięcia spacerka w pobliżu końca 5 '. Po zakończeniu procesu transkrypcji usuwa się pozostały element dystansowy znajdujący się na końcu 3 '. Po kolejnych eliminacjach uzyskuje się dojrzały rybosomalny RNA.

Ponadto przetwarzanie rybosomalnego RNA wymaga szeregu ważnych modyfikacji w jego zasadach, takich jak procesy metylacji i konwersja urydyny do pseudourydyny..

Następnie następuje dodanie białek i RNA znajdujących się w jąderku. Wśród nich są małe nuklearne RNA (ARNpn), które uczestniczą w separacji rybosomalnych RNA w produktach 18S, 5,8S i 28S.

NRNA posiadają sekwencje komplementarne do rybosomalnego RNA 18S i 28S. Dlatego mogą modyfikować zasady prekursorowego RNA, metylując pewne regiony i uczestnicząc w tworzeniu pseudourydyny..

Złożenie rybosomów

Tworzenie rybosomów obejmuje wiązanie prekursora rybosomalnego RNA, wraz z białkami rybosomalnymi i 5S. Białka zaangażowane w proces są transkrybowane przez polimerazę II RNA w cytoplazmie i muszą być transportowane do jąderka.

Białka rybosomalne zaczynają wiązać się z rybosomalnym RNA przed wystąpieniem rozdziału 45S rybosomalnego RNA. Po rozdzieleniu dodaje się pozostałe białka rybosomalne i 5S rybosomalny RNA.

Dojrzewanie 18S rybosomalnego RNA zachodzi szybciej. Wreszcie „cząstki preribosomalne” są eksportowane do cytoplazmy.

Inne funkcje

Oprócz biogenezy rybosomów, ostatnie badania wykazały, że jąderko jest jednostką wielofunkcyjną.

Jąderko jest także zaangażowane w przetwarzanie i dojrzewanie innych typów RNA, takich jak snRNP (kompleksy białkowe i RNA, które łączą się z pre-posłańcowym RNA w celu utworzenia kompleksu spliceosomu lub splicingu) i pewne transfery RNA. , mikroRNA i inne kompleksy rybonukleoproteinowe.

Dzięki analizie proteomu jąderka znaleziono białka związane z przetwarzaniem wstępnego RNA, kontrolą cyklu komórkowego, replikacją i naprawą DNA. Budowa białek jąder jest dynamiczna i zmienia się w różnych warunkach środowiskowych i stresie komórkowym.

Istnieje również szereg patologii związanych z nieprawidłowym funkcjonowaniem jąderka. Wśród nich jest niedokrwistość Diamond-Blackfan i zaburzenia neurodegeneracyjne, takie jak choroba Alzheimera i choroba Huntingtona..

U pacjentów z chorobą Alzheimera następuje zmiana poziomu ekspresji jąderka w porównaniu ze zdrowymi pacjentami.

Jądro i rak

Ponad 5000 badań wykazało związek między złośliwą proliferacją komórek a aktywnością jąderka.

Celem niektórych badań jest ilościowe określenie białek jąderka do celów diagnostyki klinicznej. Innymi słowy, staramy się oceniać proliferację nowotworów za pomocą tych białek jako markerów, w szczególności B23, nukleoliny, UBF i podjednostek polimerazy I RNA.

Z drugiej strony stwierdzono, że białko B23 jest bezpośrednio związane z rozwojem raka. Podobnie, inne składniki jąderkowe są zaangażowane w rozwój patologii, takich jak ostra białaczka promielocytowa.

Jądro i wirusy

Istnieją wystarczające dowody potwierdzające, że wirusy, zarówno z roślin, jak i ze zwierząt, potrzebują białek jąderka, aby osiągnąć proces replikacji. W jądrze występują zmiany pod względem morfologii i składu białka, gdy komórka doświadcza infekcji wirusowej.

Znaleziono dużą liczbę białek pochodzących z sekwencji DNA i RNA zawierających wirusy i znajdujących się w jąderku.

Wirusy mają różne strategie, które pozwalają im znajdować się w tym podnuklearnym regionie, takim jak białka wirusowe zawierające „sygnały” prowadzące do jąderka. Etykiety te są bogate w aminokwasy argininę i lizynę.

Lokalizacja wirusa w jąderku ułatwia jego replikację, a ponadto wydaje się być wymogiem jego patogenności.

Referencje

  1. Boisvert, F. M., van Koningsbruggen, S., Navascués, J., i Lamond, A. I. (2007). Wielofunkcyjne jąderko. Natura analizuje biologię komórek molekularnych, 8(7), 574-585.
  2. Boulon, S., Westman, B.J., Hutten, S., Boisvert, F.-M. i Lamond, A.I. (2010). The Nucleolus under Stress. Molekularna komórka, 40(2), 216-227.
  3. Cooper, C.M. (2000). The Cell: A Molecular Approach. Druga edycja. Sinauer Associates. Sirri, V., Urcuqui-Inchima, S., Roussel, P., i Hernandez-Verdun, D. (2008). Nucleolus: fascynujące ciało nuklearne. Histochemia i biologia komórki, 129(1), 13-31.
  4. Horky, M., Kotala, V., Anton, M., i WESIERSKA-GADEK, J. (2002). Nukleolus i apoptoza. Roczniki Akademii Nauk w Nowym Jorku, 973(1), 258-264.
  5. Leung, A. K. i Lamond, A. I. (2003). Dynamika jąderka. Critical Reviews ™ w ekspresji genów eukariotycznych, 13(1).
  6. Montanaro, L., Treré, D. i Derenzini, M. (2008). Nukleolus, rybosomy i rak. The American Journal of Pathology, 173(2), 301-310. http://doi.org/10.2353/ajpath.2008.070752
  7. Pederson, T. (2011). The Nucleolus. Cold Spring Harbor Perspectives in Biology, 3(3), a000638.
  8. Tsekrekou, M., Stratigi, K., i Chatzinikolaou, G. (2017). The Nucleolus: w konserwacji i naprawie genomu. International Journal of Molecular Sciences, 18(7), 1411.