El núcleo contiene casi todo el ADN de la célula, rodeado por una red de filamentos intermedios fibrosos y envuelto en una doble membrana llamada «envoltura nuclear». La envoltura nuclear separa el líquido del interior del núcleo, llamado nucleoplasma, del resto de la célula. El tamaño del núcleo depende del tamaño de la célula en la que se encuentra, y el núcleo suele ocupar alrededor del 8% del volumen total de la célula. El núcleo es el mayor orgánulo de las células animales:12 En las células de mamíferos, el diámetro medio del núcleo es de aproximadamente 6 micrómetros (µm).
Envoltura y poros nucleares
La envoltura nuclear consta de dos membranas, una membrana nuclear interna y otra externa.:649 Juntas, estas membranas sirven para separar el material genético de la célula del resto del contenido celular, y permiten que el núcleo mantenga un entorno distinto del resto de la célula. A pesar de su estrecha aposición alrededor de gran parte del núcleo, las dos membranas difieren sustancialmente en forma y contenido. La membrana interna rodea el contenido nuclear, proporcionando su borde definitorio.:14 Incrustadas dentro de la membrana interna, varias proteínas unen los filamentos intermedios que dan al núcleo su estructura.:649 La membrana externa encierra la membrana interna, y es continua con la membrana del retículo endoplásmico adyacente.:649 Como parte de la membrana del retículo endoplásmico, la membrana nuclear externa está tachonada de ribosomas que traducen activamente proteínas a través de la membrana.:649 El espacio entre las dos membranas, llamado «espacio perinuclear», es continuo con el lumen del retículo endoplásmico.:649
Los poros nucleares, que proporcionan canales acuosos a través de la envoltura, están compuestos por múltiples proteínas, denominadas colectivamente nucleoporinas. Los poros tienen un peso molecular de entre 60 y 80 millones de daltons y están formados por entre 50 (en la levadura) y varios centenares de proteínas (en los vertebrados):622-4 Los poros tienen un diámetro total de 100 nm; sin embargo, la brecha a través de la cual las moléculas difunden libremente sólo tiene una anchura de unos 9 nm, debido a la presencia de sistemas reguladores en el centro del poro. Este tamaño permite selectivamente el paso de pequeñas moléculas hidrosolubles, al tiempo que impide que moléculas más grandes, como los ácidos nucleicos y las proteínas de mayor tamaño, entren o salgan indebidamente del núcleo. En cambio, estas moléculas grandes deben ser transportadas activamente al núcleo. El núcleo de una célula típica de mamífero tiene entre 3.000 y 4.000 poros a lo largo de su envoltura, cada uno de los cuales contiene una estructura en forma de anillo óctuplemente simétrico en una posición en la que se fusionan las membranas interna y externa. Al anillo se une una estructura llamada cesta nuclear que se extiende hacia el nucleoplasma, y una serie de extensiones filamentosas que llegan al citoplasma. Ambas estructuras sirven para mediar la unión a las proteínas de transporte nuclear.:509-10
La mayoría de las proteínas, subunidades ribosómicas y algunos ARN son transportados a través de los complejos de poros en un proceso mediado por una familia de factores de transporte conocidos como carioferinas. Las carioferinas que median en el movimiento hacia el núcleo se denominan también importinas, mientras que las que median en el movimiento hacia fuera del núcleo se denominan exportinas. La mayoría de las carioferinas interactúan directamente con su carga, aunque algunas utilizan proteínas adaptadoras. Las hormonas esteroides, como el cortisol y la aldosterona, así como otras pequeñas moléculas solubles en lípidos que participan en la señalización intercelular, pueden difundirse a través de la membrana celular hasta el citoplasma, donde se unen a las proteínas de los receptores nucleares que son transportadas al núcleo. Allí sirven como factores de transcripción cuando se unen a su ligando; en ausencia de un ligando, muchos de estos receptores funcionan como desacetilasas de histonas que reprimen la expresión génica.:488
Lámina nuclear
En las células animales, dos redes de filamentos intermedios proporcionan al núcleo soporte mecánico: La lámina nuclear forma una malla organizada en la cara interna de la envoltura, mientras que en la cara citosólica de la misma se proporciona un soporte menos organizado. Ambos sistemas proporcionan soporte estructural a la envoltura nuclear y sitios de anclaje para los cromosomas y los poros nucleares.
La lámina nuclear está compuesta principalmente por proteínas laminares. Como todas las proteínas, las láminas se sintetizan en el citoplasma y posteriormente se transportan al interior del núcleo, donde se ensamblan antes de incorporarse a la red existente de láminas nucleares. Las lamininas que se encuentran en la cara citosólica de la membrana, como la emerina y la nesprina, se unen al citoesqueleto para proporcionar soporte estructural. Las lamininas también se encuentran en el interior del nucleoplasma, donde forman otra estructura regular, conocida como velo nucleoplásmico, que es visible mediante microscopía de fluorescencia. La función real del velo no está clara, aunque está excluido del nucléolo y está presente durante la interfase. Las estructuras de las láminas que componen el velo, como la LEM3, se unen a la cromatina y la alteración de su estructura inhibe la transcripción de los genes que codifican proteínas.
Al igual que los componentes de otros filamentos intermedios, el monómero de la lámina contiene un dominio alfa-helicoidal utilizado por dos monómeros para enrollarse uno alrededor del otro, formando una estructura de dímero llamada espiral enrollada. A continuación, dos de estas estructuras de dímero se unen una al lado de la otra, en una disposición antiparalela, para formar un tetrámero llamado protofilamento. Ocho de estos protofilamentos forman una disposición lateral que se retuerce para formar un filamento en forma de cuerda. Estos filamentos pueden ensamblarse o desensamblarse de manera dinámica, lo que significa que los cambios en la longitud del filamento dependen de las tasas de adición y eliminación de filamentos que compiten entre sí.
Las mutaciones en los genes de las láminas que conducen a defectos en el ensamblaje de los filamentos causan un grupo de trastornos genéticos raros conocidos como laminopatías. La laminopatía más notable es la familia de enfermedades conocida como progeria, que provoca la aparición de un envejecimiento prematuro en sus afectados. El mecanismo exacto por el que los cambios bioquímicos asociados dan lugar al fenotipo envejecido no se conoce bien.
Cromosomas
El núcleo celular contiene la mayor parte del material genético de la célula en forma de múltiples moléculas lineales de ADN organizadas en estructuras llamadas cromosomas. Cada célula humana contiene aproximadamente dos metros de ADN:405 Durante la mayor parte del ciclo celular, éstos se organizan en un complejo de ADN y proteínas conocido como cromatina, y durante la división celular la cromatina puede verse formando los cromosomas bien definidos que se conocen en un cariotipo. Una pequeña fracción de los genes de la célula se encuentra en cambio en las mitocondrias.:438
Hay dos tipos de cromatina. La eucromatina es la forma de ADN menos compacta y contiene los genes que la célula expresa con frecuencia. El otro tipo, la heterocromatina, es la forma más compacta y contiene ADN que se transcribe con poca frecuencia. Esta estructura se clasifica a su vez en heterocromatina facultativa, que consiste en genes que se organizan como heterocromatina sólo en ciertos tipos de células o en ciertas etapas del desarrollo, y heterocromatina constitutiva que consiste en componentes estructurales del cromosoma como los telómeros y los centrómeros. Durante la interfase, la cromatina se organiza en parches individuales discretos, llamados territorios cromosómicos. Los genes activos, que generalmente se encuentran en la región eucromática del cromosoma, tienden a localizarse hacia el límite del territorio cromosómico.
Los anticuerpos contra ciertos tipos de organización de la cromatina, en particular, los nucleosomas, se han asociado con una serie de enfermedades autoinmunes, como el lupus eritematoso sistémico. Se conocen como anticuerpos antinucleares (ANA) y también se han observado en conjunto con la esclerosis múltiple como parte de la disfunción general del sistema inmunitario.
Nucleolo
El nucléolo es la mayor de las estructuras discretas densamente teñidas y sin membrana conocidas como cuerpos nucleares que se encuentran en el núcleo. Se forma alrededor de las repeticiones en tándem del ADNr, el ADN que codifica el ARN ribosómico (ARNr). Estas regiones se denominan regiones organizadoras nucleolares (NOR). Las principales funciones del nucléolo son sintetizar el ARNr y ensamblar los ribosomas. La cohesión estructural del nucléolo depende de su actividad, ya que el ensamblaje de los ribosomas en el nucléolo da lugar a la asociación transitoria de los componentes nucleolares, lo que facilita el posterior ensamblaje de los ribosomas y, por lo tanto, su posterior asociación. Este modelo está respaldado por las observaciones de que la inactivación del ADNr da lugar a la mezcla de estructuras nucleolares.
En el primer paso del ensamblaje del ribosoma, una proteína llamada ARN polimerasa I transcribe el ADNr, que forma un gran precursor de ARNr. Éste se escinde en dos subunidades grandes de ARNr – 5,8S y 28S, y una subunidad pequeña de ARNr 18S.:328 La transcripción, el procesamiento postranscripcional y el ensamblaje del ARNr se producen en el nucléolo, con la ayuda de pequeñas moléculas de ARN nucleolar (ARNs), algunas de las cuales se derivan de intrones empalmados de ARN mensajeros que codifican genes relacionados con la función ribosómica. Las subunidades ribosómicas ensambladas son las estructuras más grandes que pasan a través de los poros nucleares.:526
Cuando se observa bajo el microscopio electrónico, se puede ver que el nucléolo consta de tres regiones distinguibles: los centros fibrilares más internos (FC), rodeados por el componente fibrilar denso (DFC) (que contiene fibrillarina y nucleolina), que a su vez está bordeado por el componente granular (GC) (que contiene la proteína nucleofosmina). La transcripción del ADNr se produce en el FC o en el límite FC-DFC y, por lo tanto, cuando la transcripción del ADNr en la célula aumenta, se detectan más FCs. La mayor parte de la escisión y modificación de los ARNr se produce en la CFD, mientras que los últimos pasos que implican el ensamblaje de proteínas en las subunidades ribosómicas ocurren en el CG.
Otros cuerpos nucleares
| Nombre de la estructura | Diámetro de la estructura | Ref. |
|---|---|---|
| Cuerpos de Cajal | 0,2-2,0 µm | |
| Clastosomas | 0,2-0.5 µm | |
| PIKA | 5 µm | |
| Cuerpos de LPM | 0,2-1,0 µm | |
| Paraspeckles | 0.5-1,0 µm | |
| Paraspeckles | 20-25 nm |
Además del nucléolo, el núcleo contiene una serie de otros cuerpos nucleares. Entre ellos se encuentran los cuerpos de Cajal, los cuerpos gemelos de Cajal, la asociación cariosómica polimórfica interfásica (PIKA), los cuerpos de la leucemia promielocítica (PML), los paraspeckles y las motas de empalme. Aunque se sabe poco sobre algunos de estos dominios, son significativos porque demuestran que el nucleoplasma no es una mezcla uniforme, sino que contiene subdominios funcionales organizados.
Otras estructuras subnucleares aparecen como parte de procesos patológicos anormales. Por ejemplo, se ha informado de la presencia de pequeños bastones intranucleares en algunos casos de miopatía nemalina. Esta afección suele ser el resultado de mutaciones en la actina, y las varillas mismas están formadas por actina mutante, así como por otras proteínas del citoesqueleto.
Cuerpos de Cajal y gemas
Un núcleo suele contener entre una y diez estructuras compactas denominadas cuerpos de Cajal o cuerpos en espiral (CB), cuyo diámetro mide entre 0,2 µm y 2,0 µm dependiendo del tipo de célula y de la especie. Vistos al microscopio electrónico, se asemejan a bolas de hilo enredado y son densos focos de distribución de la proteína coilina. Los CBs están implicados en una serie de funciones diferentes relacionadas con el procesamiento del ARN, concretamente en la maduración del ARN nucleolar pequeño (snoRNA) y del ARN nuclear pequeño (snRNA), y en la modificación del ARNm de las histonas.
Similares a los cuerpos de Cajal son los cuerpos de Géminis de Cajal, o gemas, cuyo nombre se deriva de la constelación de Géminis en referencia a su estrecha relación «gemela» con los CBs. Las gemas son similares en tamaño y forma a los CB, y de hecho son prácticamente indistinguibles al microscopio. A diferencia de los CBs, las gemas no contienen pequeñas ribonucleoproteínas nucleares (snRNPs), pero sí contienen una proteína llamada supervivencia de la motoneurona (SMN) cuya función está relacionada con la biogénesis de las snRNPs. Se cree que las gemas ayudan a las CBs en la biogénesis de los snRNPs, aunque también se ha sugerido, a partir de pruebas de microscopía, que las CBs y las gemas son manifestaciones diferentes de la misma estructura. Estudios ultraestructurales posteriores han demostrado que las gemas son gemelas de los cuerpos de Cajal, con la diferencia del componente de coilina; los cuerpos de Cajal son positivos para el SMN y positivos para la coilina, y las gemas son positivas para el SMN y negativas para la coilina.
Dominios PIKA y PTF
Los dominios PIKA, o asociaciones cariosómicas polimórficas interfásicas, se describieron por primera vez en estudios de microscopía en 1991. Su función sigue sin estar clara, aunque no se pensaba que estuvieran asociados con la replicación activa del ADN, la transcripción o el procesamiento del ARN. Se ha descubierto que a menudo se asocian con dominios discretos definidos por la localización densa del factor de transcripción PTF, que promueve la transcripción del ARN nuclear pequeño (ARNn).
Cuerpos de PML
Los cuerpos de leucemia promielocítica (cuerpos de PML) son cuerpos esféricos que se encuentran dispersos por el nucleoplasma y que miden alrededor de 0,1-1,0 µm. Se conocen con otros nombres, como dominio nuclear 10 (ND10), cuerpos de Kremer y dominios oncogénicos PML. Los cuerpos PML reciben el nombre de uno de sus principales componentes, la proteína de la leucemia promielocítica (PML). A menudo se observan en el núcleo en asociación con los cuerpos de Cajal y los cuerpos de clivaje. Los ratones Pml-/-, que son incapaces de crear cuerpos de PML, se desarrollan normalmente sin efectos nocivos evidentes, lo que demuestra que los cuerpos de PML no son necesarios para la mayoría de los procesos biológicos esenciales.
Los speckles de empalme
Los speckles son estructuras subnucleares que están enriquecidas en factores de empalme de ARN pre-mensajero y se localizan en las regiones de intercromatina del nucleoplasma de las células de mamíferos. Al microscopio de fluorescencia aparecen como estructuras irregulares y punteadas, que varían en tamaño y forma, y cuando se examinan por microscopía electrónica se ven como grupos de gránulos de intercromatina. Las motas son estructuras dinámicas, y tanto sus componentes proteínicos como los de ARN-proteína pueden circular continuamente entre las motas y otras localizaciones nucleares, incluidos los lugares de transcripción activa. Los estudios sobre la composición, la estructura y el comportamiento de los speckles han proporcionado un modelo para comprender la compartimentación funcional del núcleo y la organización de la maquinaria de expresión génica que empalma los snRNPs y otras proteínas de empalme necesarias para el procesamiento del pre-ARNm. Debido a las necesidades cambiantes de una célula, la composición y localización de estos cuerpos cambia según la transcripción del ARNm y la regulación mediante la fosforilación de proteínas específicas. Las motas de empalme también se conocen como motas nucleares (nuclear specks), compartimentos de factores de empalme (SF compartments), grupos de gránulos de intercromatina (IGCs) y snurposomas B. Los snurposomas B se encuentran en los núcleos de oocitos de anfibios y en los embriones de Drosophila melanogaster. Los snurposomas B aparecen solos o unidos a los cuerpos de Cajal en las micrografías electrónicas de los núcleos de anfibios. Los CIG funcionan como lugares de almacenamiento de los factores de empalme.
Paraspeckles
Descubierto por Fox et al. en 2002, los paraspeckles son compartimentos de forma irregular en el espacio intercromático del núcleo. Documentados por primera vez en las células HeLa, en las que suele haber entre 10 y 30 por núcleo, ahora se sabe que los paraspeckles también existen en todas las células primarias humanas, líneas celulares transformadas y secciones de tejido. Su nombre deriva de su distribución en el núcleo; el «para» es la abreviatura de paralelo y las «motas» se refieren a las motas de empalme a las que siempre están muy cerca.
Las paraspeckles secuestran proteínas y ARN nucleares y, por tanto, parecen funcionar como una esponja molecular que participa en la regulación de la expresión génica. Además, las paraspeckles son estructuras dinámicas que se alteran en respuesta a los cambios en la actividad metabólica celular. Son dependientes de la transcripción y en ausencia de la transcripción del ARN Pol II, el paraspeckle desaparece y todos sus componentes proteicos asociados (PSP1, p54nrb, PSP2, CFI(m)68 y PSF) forman un casquete perinucleolar en forma de media luna en el nucléolo. Este fenómeno se demuestra durante el ciclo celular. En el ciclo celular, los paraspeckles están presentes durante la interfase y durante toda la mitosis, excepto en la telofase. Durante la telofase, cuando se forman los dos núcleos hijos, no hay transcripción del ARN Pol II, por lo que los componentes proteicos forman en su lugar un casquete perinucleolar.
Fibrillas de pericromatina
Las fibrillas de pericromatina sólo son visibles al microscopio electrónico. Se localizan junto a la cromatina transcripcionalmente activa y se supone que son los lugares de procesamiento activo del pre-ARNm.
Clastosomas
Los clastosomas son pequeños cuerpos nucleares (0,2-0,5 µm) descritos con una gruesa forma de anillo debido a la cápsula periférica que los rodea. Este nombre deriva del griego klastos, roto y soma, cuerpo. Los clastosomas no suelen estar presentes en las células normales, por lo que son difíciles de detectar. Se forman en condiciones de alta proteolítica dentro del núcleo y se degradan una vez que hay una disminución de la actividad o si las células son tratadas con inhibidores del proteasoma. La escasez de clastosomas en las células indica que no son necesarios para la función del proteasoma. También se ha demostrado que el estrés osmótico provoca la formación de clastosomas. Estos cuerpos nucleares contienen subunidades catalíticas y reguladoras del proteasoma y sus sustratos, lo que indica que los clastosomas son lugares de degradación de proteínas.