Il nucleo contiene quasi tutto il DNA della cellula, circondato da una rete di filamenti intermedi fibrosi e avvolto da una doppia membrana chiamata “involucro nucleare”. L’involucro nucleare separa il fluido all’interno del nucleo, chiamato nucleoplasma, dal resto della cellula. La dimensione del nucleo dipende dalla dimensione della cellula in cui è contenuto, con un nucleo che tipicamente occupa circa l’8% del volume totale della cellula. Il nucleo è l’organello più grande nelle cellule animali.:12 Nelle cellule dei mammiferi, il diametro medio del nucleo è di circa 6 micrometri (µm).
Involucro nucleare e pori
L’involucro nucleare consiste di due membrane, una interna e una esterna.:649 Insieme, queste membrane servono a separare il materiale genetico della cellula dal resto del contenuto cellulare e permettono al nucleo di mantenere un ambiente distinto dal resto della cellula. Nonostante la loro stretta apposizione intorno a gran parte del nucleo, le due membrane differiscono sostanzialmente nella forma e nel contenuto. La membrana interna circonda il contenuto nucleare e ne definisce il bordo.:14 All’interno della membrana interna, varie proteine legano i filamenti intermedi che danno al nucleo la sua struttura.:649 La membrana esterna racchiude la membrana interna ed è continua con la membrana adiacente del reticolo endoplasmatico.:649 Come parte della membrana del reticolo endoplasmatico, la membrana nucleare esterna è costellata di ribosomi che traducono attivamente le proteine attraverso la membrana.:649 Lo spazio tra le due membrane, chiamato “spazio perinucleare”, è continuo con il lume del reticolo endoplasmatico.:649
I pori nucleari, che forniscono canali acquosi attraverso l’involucro, sono composti da più proteine, denominate collettivamente nucleoporine. I pori hanno un peso molecolare di circa 60-80 milioni di dalton e sono composti da circa 50 (nel lievito) a diverse centinaia di proteine (nei vertebrati).:622-4 I pori hanno un diametro totale di 100 nm; tuttavia, il varco attraverso cui le molecole diffondono liberamente è largo solo circa 9 nm, a causa della presenza di sistemi di regolazione al centro del poro. Questa dimensione permette selettivamente il passaggio di piccole molecole idrosolubili mentre impedisce alle molecole più grandi, come gli acidi nucleici e le proteine più grandi, di entrare o uscire in modo inappropriato dal nucleo. Queste grandi molecole devono invece essere trasportate attivamente nel nucleo. Il nucleo di una tipica cellula di mammifero avrà da 3000 a 4000 pori in tutto il suo involucro, ognuno dei quali contiene una struttura ad anello a forma di otto volte simmetrica in una posizione in cui le membrane interne ed esterne si fondono. Attaccato all’anello c’è una struttura chiamata cestino nucleare che si estende nel nucleoplasma, e una serie di estensioni filamentose che raggiungono il citoplasma. Entrambe le strutture servono a mediare il legame con le proteine di trasporto nucleare.:509-10
La maggior parte delle proteine, subunità ribosomiali e alcuni RNA sono trasportati attraverso i complessi dei pori in un processo mediato da una famiglia di fattori di trasporto noti come karyopherins. Quelle karyopherins che mediano il movimento nel nucleo sono anche chiamate importine, mentre quelle che mediano il movimento fuori dal nucleo sono chiamate exportins. La maggior parte delle carioferine interagiscono direttamente con il loro carico, anche se alcune usano proteine adattatrici. Gli ormoni steroidei come il cortisolo e l’aldosterone, così come altre piccole molecole lipido-solubili coinvolte nella segnalazione intercellulare, possono diffondere attraverso la membrana cellulare e nel citoplasma, dove legano le proteine dei recettori nucleari che vengono trasportate nel nucleo. Lì servono come fattori di trascrizione quando sono legati al loro ligando; in assenza di un ligando, molti di questi recettori funzionano come deacetilasi degli istoni che reprimono l’espressione genica.:488
Lamina nucleare
Nelle cellule animali, due reti di filamenti intermedi forniscono al nucleo un supporto meccanico: La lamina nucleare forma una rete organizzata sulla faccia interna dell’involucro, mentre un supporto meno organizzato è fornito sulla faccia citosolica dell’involucro. Entrambi i sistemi forniscono un supporto strutturale per l’involucro nucleare e siti di ancoraggio per i cromosomi e i pori nucleari.
La lamina nucleare è composta principalmente da proteine lamine. Come tutte le proteine, le lamine sono sintetizzate nel citoplasma e successivamente trasportate all’interno del nucleo, dove vengono assemblate prima di essere incorporate nella rete esistente della lamina nucleare. Le lamine che si trovano sulla faccia citosolica della membrana, come l’emerina e la nesprina, si legano al citoscheletro per fornire supporto strutturale. Le lamine si trovano anche all’interno del nucleoplasma dove formano un’altra struttura regolare, conosciuta come il velo nucleoplasmatico, che è visibile usando la microscopia a fluorescenza. La funzione effettiva del velo non è chiara, anche se è escluso dal nucleolo ed è presente durante l’interfase. Le strutture della lamina che compongono il velo, come LEM3, legano la cromatina e l’interruzione della loro struttura inibisce la trascrizione dei geni codificanti le proteine.
Come i componenti di altri filamenti intermedi, il monomero della lamina contiene un dominio alfa-elico utilizzato da due monomeri per avvolgersi l’un l’altro, formando una struttura dimerica chiamata bobina avvolta. Due di queste strutture dimeriche si uniscono poi fianco a fianco, in una disposizione antiparallela, per formare un tetramero chiamato protofilamento. Otto di questi protofilamenti formano una disposizione laterale che si attorciglia per formare un filamento simile a una corda. Questi filamenti possono essere assemblati o disassemblati in modo dinamico, il che significa che i cambiamenti nella lunghezza del filamento dipendono dai tassi concorrenti di aggiunta e rimozione dei filamenti.
Mutazioni nei geni della lamina che portano a difetti nell’assemblaggio dei filamenti causano un gruppo di rare malattie genetiche conosciute come laminopatie. La laminopatia più nota è la famiglia di malattie note come progeria, che provoca la comparsa di un invecchiamento precoce nei suoi malati. Il meccanismo esatto con cui i cambiamenti biochimici associati danno origine al fenotipo invecchiato non è ben compreso.
Cromosomi
Il nucleo cellulare contiene la maggior parte del materiale genetico della cellula sotto forma di molecole multiple di DNA lineare organizzate in strutture chiamate cromosomi. Ogni cellula umana contiene circa due metri di DNA:405 Durante la maggior parte del ciclo cellulare questi sono organizzati in un complesso DNA-proteico noto come cromatina, e durante la divisione cellulare la cromatina può essere vista per formare i ben definiti cromosomi familiari da un cariotipo. Una piccola frazione dei geni della cellula si trova invece nei mitocondri.:438
Ci sono due tipi di cromatina. L’eucromatina è la forma di DNA meno compatta e contiene i geni che sono frequentemente espressi dalla cellula. L’altro tipo, l’eterocromatina, è la forma più compatta e contiene il DNA che viene trascritto di rado. Questa struttura è ulteriormente categorizzata in eterocromatina facoltativa, costituita da geni che sono organizzati come eterocromatina solo in certi tipi di cellule o in certe fasi dello sviluppo, ed eterocromatina costitutiva che consiste in componenti strutturali del cromosoma come telomeri e centromeri. Durante l’interfase la cromatina si organizza in chiazze individuali discrete, chiamate territori cromosomici. I geni attivi, che si trovano generalmente nella regione eucromatica del cromosoma, tendono ad essere localizzati verso il confine del territorio del cromosoma.
Gli anticorpi contro certi tipi di organizzazione della cromatina, in particolare i nucleosomi, sono stati associati a una serie di malattie autoimmuni, come il lupus eritematoso sistemico. Questi sono conosciuti come anticorpi anti-nucleo (ANA) e sono stati anche osservati di concerto con la sclerosi multipla come parte della disfunzione generale del sistema immunitario.
Nucleolo
Il nucleolo è la più grande delle strutture discrete densamente macchiate e senza membrana note come corpi nucleari che si trovano nel nucleo. Si forma intorno alle ripetizioni in tandem dell’rDNA, il DNA che codifica per l’RNA ribosomiale (rRNA). Queste regioni sono chiamate regioni organizzatrici nucleolari (NOR). I ruoli principali del nucleolo sono di sintetizzare l’rRNA e di assemblare i ribosomi. La coesione strutturale del nucleolo dipende dalla sua attività, poiché l’assemblaggio ribosomiale nel nucleolo provoca l’associazione transitoria dei componenti nucleolari, facilitando un ulteriore assemblaggio ribosomiale, e quindi un’ulteriore associazione. Questo modello è supportato dalle osservazioni che l’inattivazione del rDNA provoca la compenetrazione delle strutture nucleolari.
Nel primo passo dell’assemblaggio del ribosoma, una proteina chiamata RNA polimerasi I trascrive l’rDNA, che forma un grande precursore pre-rRNA. Questo viene scisso in due grandi subunità di rRNA – 5,8S e 28S, e in una piccola subunità di rRNA 18S.:328 La trascrizione, l’elaborazione post-trascrizionale e l’assemblaggio dell’rRNA avvengono nel nucleolo, aiutati da piccole molecole di RNA nucleolare (snoRNA), alcune delle quali derivano da introni splicati da RNA messaggeri che codificano i geni relativi alla funzione ribosomiale. Le subunità ribosomiali assemblate sono le strutture più grandi che passano attraverso i pori nucleari.:526
Osservato al microscopio elettronico, il nucleolo può essere visto come costituito da tre regioni distinguibili: i centri fibrillari (FC) più interni, circondati dalla componente fibrillare densa (DFC) (che contiene fibrillarina e nucleolina), che a sua volta è delimitata dalla componente granulare (GC) (che contiene la proteina nucleofosmina). La trascrizione dell’rDNA avviene o nella FC o al confine FC-DFC, e, quindi, quando la trascrizione dell’rDNA nella cellula è aumentata, vengono rilevate più FC. La maggior parte della scissione e della modificazione dell’rRNA avviene nella DFC, mentre le ultime fasi che coinvolgono l’assemblaggio delle proteine sulle subunità ribosomiali avvengono nella GC.
Altri corpi nucleari
| Nome della struttura | Diametro della struttura | Rif. |
|---|---|---|
| Corpi cajal | 0.2-2.0 µm | |
| Clastosomi | 0.2-0.5 µm | |
| PIKA | 5 µm | |
| Corpi PML | 0.2-1.0 µm | |
| Paraspeckles | 0.5-1.0 µm | |
| Speckles | 20-25 nm |
Oltre al nucleolo, il nucleo contiene una serie di altri corpi nucleari. Questi includono i corpi di Cajal, i corpi gemelli di Cajal, l’associazione polimorfica interfase cario-somica (PIKA), i corpi della leucemia promielocitica (PML), i paraspeckles e gli splicing speckles. Sebbene si sappia poco su alcuni di questi domini, essi sono significativi in quanto mostrano che il nucleoplasma non è una miscela uniforme, ma piuttosto contiene sottodomini funzionali organizzati.
Altre strutture subnucleari appaiono come parte di processi patologici anormali. Per esempio, la presenza di piccoli bastoncelli intranucleari è stata riportata in alcuni casi di miopatia nemalina. Questa condizione deriva tipicamente da mutazioni nell’actina, e le barre stesse consistono di actina mutante così come di altre proteine citoscheletriche.
Corpi di Cajal e gemme
Un nucleo contiene tipicamente da una a dieci strutture compatte chiamate corpi di Cajal o corpi arrotolati (CB), il cui diametro misura tra 0,2 µm e 2,0 µm a seconda del tipo e della specie cellulare. Se visti al microscopio elettronico, assomigliano a gomitoli di filo aggrovigliato e sono densi focolai di distribuzione della proteina coilina. I CB sono coinvolti in una serie di ruoli diversi relativi all’elaborazione dell’RNA, in particolare la maturazione del piccolo RNA nucleolare (snoRNA) e del piccolo RNA nucleare (snRNA), e la modifica dell’mRNA istone.
Simili ai corpi di Cajal sono i corpi Gemelli di Cajal, o gemme, il cui nome deriva dalla costellazione dei Gemelli in riferimento alla loro stretta relazione “gemella” con i CB. Le gemme sono simili per dimensioni e forma ai CB, e infatti sono virtualmente indistinguibili al microscopio. A differenza delle CB, le gemme non contengono piccole ribonucleoproteine nucleari (snRNP), ma contengono una proteina chiamata sopravvivenza del motoneurone (SMN) la cui funzione è legata alla biogenesi delle snRNP. Si ritiene che le gemme assistano le CB nella biogenesi delle snRNP, sebbene sia stato anche suggerito da prove al microscopio che le CB e le gemme siano manifestazioni diverse della stessa struttura. Studi ultrastrutturali successivi hanno mostrato che le gemme sono gemelli dei corpi di Cajal con la differenza nella componente di coilina; i corpi di Cajal sono SMN positivi e coilina positivi, mentre le gemme sono SMN positive e coilina negative.
DominiPIKA e PTF
I dominiPIKA, o associazioni cario-somiche polimorfe interfase, sono stati descritti per la prima volta in studi di microscopia nel 1991. La loro funzione rimane poco chiara, anche se non si pensava che fossero associati alla replicazione attiva del DNA, alla trascrizione o all’elaborazione dell’RNA. Si è scoperto che spesso si associano a domini discreti definiti da una densa localizzazione del fattore di trascrizione PTF, che promuove la trascrizione di piccoli RNA nucleari (snRNA).
Corpi PML
I corpi di leucemia promielocitica (corpi PML) sono corpi sferici che si trovano sparsi nel nucleoplasma e misurano circa 0,1-1,0 µm. Sono conosciuti con diversi altri nomi, tra cui dominio nucleare 10 (ND10), corpi di Kremer e domini oncogeni PML. I corpi PML prendono il nome da uno dei loro componenti principali, la proteina della leucemia promielocitica (PML). Sono spesso visti nel nucleo in associazione con i corpi di Cajal e i corpi di scissione. I topi Pml-/-, che non sono in grado di creare i corpi PML, si sviluppano normalmente senza evidenti effetti negativi, dimostrando che i corpi PML non sono richiesti per la maggior parte dei processi biologici essenziali.
Splicing speckles
Speckles sono strutture subnucleari che sono arricchite in fattori di splicing dell’RNA pre-messaggero e si trovano nelle regioni di intercromatina del nucleoplasma delle cellule dei mammiferi. Al microscopio a fluorescenza appaiono come strutture irregolari, punteggiate, che variano in dimensione e forma, e quando vengono esaminate al microscopio elettronico sono viste come ammassi di granuli di intercromatina. I puntini sono strutture dinamiche, e sia le loro componenti proteiche che quelle dell’RNA-proteine possono ciclare continuamente tra i puntini e altre sedi nucleari, compresi i siti di trascrizione attiva. Gli studi sulla composizione, la struttura e il comportamento degli speckles hanno fornito un modello per comprendere la compartimentazione funzionale del nucleo e l’organizzazione del macchinario di espressione genica che splicing snRNPs e altre proteine di splicing necessarie per l’elaborazione del pre-mRNA. A causa delle mutevoli esigenze di una cellula, la composizione e la posizione di questi corpi cambia in base alla trascrizione dell’mRNA e alla regolazione attraverso la fosforilazione di proteine specifiche. Gli splicing speckles sono anche conosciuti come speckles nucleari (nuclear specks), splicing factor compartments (SF compartments), interchromatin granule clusters (IGCs), e B snurposomes.B snurposomes sono trovati nei nuclei degli ovociti degli anfibi e negli embrioni di Drosophila melanogaster. Gli snurposomi B appaiono da soli o attaccati ai corpi di Cajal nelle micrografie elettroniche dei nuclei degli anfibi. Gli IGC funzionano come siti di stoccaggio per i fattori di splicing.
Paraspeckles
Scoperto da Fox et al. nel 2002, i paraspeckle sono compartimenti di forma irregolare nello spazio di intercromatina del nucleo. Documentati per la prima volta nelle cellule HeLa, dove ce ne sono generalmente 10-30 per nucleo, i paraspeckles sono ora noti per esistere anche in tutte le cellule primarie umane, linee cellulari trasformate e sezioni di tessuto. Il loro nome deriva dalla loro distribuzione nel nucleo; il “para” è l’abbreviazione di parallelo e il “speckles” si riferisce agli speckles di splicing ai quali sono sempre in stretta vicinanza.
I paraspeckles sequestrano proteine nucleari e RNA e quindi sembrano funzionare come una spugna molecolare che è coinvolta nella regolazione dell’espressione genica. Inoltre, i paraspacchi sono strutture dinamiche che vengono alterate in risposta ai cambiamenti dell’attività metabolica cellulare. Sono dipendenti dalla trascrizione e in assenza di trascrizione di RNA Pol II, il paraspeckle scompare e tutti i suoi componenti proteici associati (PSP1, p54nrb, PSP2, CFI(m)68 e PSF) formano un cappuccio perinucleare a forma di mezzaluna nel nucleolo. Questo fenomeno è dimostrato durante il ciclo cellulare. Nel ciclo cellulare, i paraspacchi sono presenti durante l’interfase e durante tutta la mitosi, eccetto la telofase. Durante la telofase, quando si formano i due nuclei figli, non c’è trascrizione di RNA Pol II, quindi i componenti proteici formano invece un cappuccio perinucleare.
Fibrille di pericromatina
Le fibrille di pericromatina sono visibili solo al microscopio elettronico. Si trovano vicino alla cromatina trascrizionalmente attiva e si ipotizza che siano i siti di elaborazione attiva del pre-mRNA.
Clastosomi
I clastosomi sono piccoli corpi nucleari (0,2-0,5 µm) descritti come aventi una spessa forma ad anello a causa della capsula periferica intorno a questi corpi. Questo nome deriva dal greco klastos, rotto e soma, corpo. I clastosomi non sono tipicamente presenti nelle cellule normali, il che li rende difficili da individuare. Si formano in condizioni altamente proteolitiche all’interno del nucleo e si degradano quando c’è una diminuzione dell’attività o se le cellule sono trattate con inibitori del proteasoma. La scarsità di clastosomi nelle cellule indica che non sono necessari per la funzione del proteasoma. È stato anche dimostrato che lo stress osmotico causa la formazione di clastosomi. Questi corpi nucleari contengono subunità catalitiche e regolatrici del proteasoma e dei suoi substrati, indicando che i clastosomi sono siti di degradazione delle proteine.