O núcleo contém quase todo o DNA da célula, rodeado por uma rede de filamentos intermediários fibrosos e envolto em uma membrana dupla chamada “envelope nuclear”. O envelope nuclear separa o fluido dentro do núcleo, chamado nucleoplasma, do resto da célula. O tamanho do núcleo depende do tamanho da célula em que está contido, com um núcleo que ocupa tipicamente cerca de 8% do volume total da célula. O núcleo é a maior organela das células animais:12 Nas células de mamíferos, o diâmetro médio do núcleo é de aproximadamente 6 micrómetros (µm).
Envolvente nuclear e poros
O envelope nuclear consiste em duas membranas, uma interna e uma externa.:649 Juntas, estas membranas servem para separar o material genético da célula do resto do conteúdo celular, e permitem ao núcleo manter um ambiente distinto do resto da célula. Apesar de sua estreita posição em torno de grande parte do núcleo, as duas membranas diferem substancialmente em forma e conteúdo. A membrana interna envolve o conteúdo nuclear, fornecendo sua borda definidora.:14 Incorporadas dentro da membrana interna, várias proteínas ligam os filamentos intermediários que dão ao núcleo sua estrutura.:649 A membrana externa envolve a membrana interna, e é contínua com a membrana retícular endoplasmática adjacente.:649 Como parte da membrana do retículo endoplasmático, a membrana nuclear externa é cravejada com ribossomos que estão ativamente traduzindo proteínas através da membrana.:649 O espaço entre as duas membranas, chamado de “espaço perinuclear”, é contínuo com o lúmen do retículo endoplasmático.:649
Poros nucleares, que fornecem canais aquosos através do envelope, são compostos de múltiplas proteínas, coletivamente chamadas de nucleoporinas. Os poros são cerca de 60-80 milhões de dalton em peso molecular e consistem em cerca de 50 (em leveduras) a várias centenas de proteínas (em vertebrados).:622-4 Os poros têm 100 nm de diâmetro total; no entanto, a fenda através da qual as moléculas se difundem livremente tem apenas cerca de 9 nm de largura, devido à presença de sistemas reguladores dentro do centro do poro. Este tamanho permite seletivamente a passagem de pequenas moléculas solúveis em água, enquanto evita que moléculas maiores, tais como ácidos nucléicos e proteínas maiores, entrem ou saiam inadequadamente do núcleo. Estas moléculas grandes devem ser ativamente transportadas para o núcleo. O núcleo de uma célula típica de mamífero terá cerca de 3000 a 4000 poros ao longo do seu envelope, cada um dos quais contém uma estrutura em forma de anéis oito vezes simétricos numa posição onde as membranas internas e externas se fundem. Anexado ao anel está uma estrutura chamada cesta nuclear que se estende até o nucleoplasma, e uma série de extensões filamentosas que chegam até o citoplasma. Ambas as estruturas servem para intermediar a ligação às proteínas do transporte nuclear.:509-10
A maior parte das proteínas, subunidades ribossômicas e alguns RNAs são transportados através dos complexos de poros em um processo mediado por uma família de fatores de transporte conhecidos como carioferinas. As carioferinas que medeiam o movimento para dentro do núcleo também são chamadas de importinas, enquanto que as que medeiam o movimento para fora do núcleo são chamadas de exportinas. A maioria das carioferinas interage diretamente com sua carga, embora algumas utilizem proteínas adaptadoras. Hormônios esteróides como cortisol e aldosterona, assim como outras pequenas moléculas lipossolúveis envolvidas na sinalização intercelular, podem se difundir através da membrana celular e para o citoplasma, onde ligam proteínas receptoras nucleares que são traficadas para o núcleo. Lá elas servem como fatores de transcrição quando ligadas ao seu ligante; na ausência de um ligante, muitos desses receptores funcionam como deacetylases histônicas que reprimem a expressão gênica.:488
Lâmina nuclear
Em células animais, duas redes de filamentos intermediários fornecem o núcleo com suporte mecânico: A lâmina nuclear forma uma malha organizada na face interna do envelope, enquanto um suporte menos organizado é fornecido na face citosólica do envelope. Ambos os sistemas fornecem suporte estrutural para o envelope nuclear e locais de ancoragem para cromossomos e poros nucleares.
A lâmina nuclear é composta principalmente de proteínas da lâmina. Como todas as proteínas, as laminas são sintetizadas no citoplasma e posteriormente transportadas para o interior do núcleo, onde são montadas antes de serem incorporadas à rede existente de lâminas nucleares. As laminas encontradas na face citosólica da membrana, como a emerina e a nesprina, ligam-se ao citoesqueleto para fornecer suporte estrutural. As laminas também são encontradas no interior do nucleoplasma, onde formam outra estrutura regular, conhecida como véu nucleoplasmático, que é visível através de microscopia de fluorescência. A função real do véu não é clara, embora seja excluída do nucleoplasma e esteja presente durante a interfase. As estruturas de laminas que compõem o véu, como o LEM3, ligam a cromatina e perturbam sua estrutura inibem a transcrição de genes codificadores de proteínas.
Como os componentes de outros filamentos intermediários, o monômero de lamina contém um domínio alfa-helical usado por dois monômeros para enrolar um ao redor do outro, formando uma estrutura mais fraca chamada bobina enrolada. Duas dessas estruturas de dímeros unem-se então lado a lado, num arranjo antiparalelo, para formar um tetrâmero chamado de protofilamento. Oito destes protofilamentos formam um arranjo lateral que é torcido para formar um filamento ropelike. Estes filamentos podem ser montados ou desmontados de uma forma dinâmica, o que significa que as alterações no comprimento do filamento dependem das taxas concorrentes de adição e remoção do filamento.
Mutações nos genes do laminado que levam a defeitos na montagem do filamento causam um grupo de doenças genéticas raras conhecidas como laminopatias. A laminopatia mais notável é a família de doenças conhecida como progeria, que causa o aparecimento do envelhecimento prematuro nos seus portadores. O mecanismo exato pelo qual as alterações bioquímicas associadas dão origem ao fenótipo envelhecido não é bem compreendido.
Cromossomas
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O núcleo da célula contém a maioria do material genético da célula na forma de múltiplas moléculas lineares de DNA organizadas em estruturas chamadas cromossomas. Cada célula humana contém aproximadamente dois metros de DNA.:405 Durante a maior parte do ciclo celular estes são organizados em um complexo DNA-proteína conhecido como cromatina, e durante a divisão celular a cromatina pode ser vista para formar os cromossomos bem definidos familiares a partir de um cariótipo. Uma pequena fração dos genes da célula está localizada nas mitocôndrias.:438
Existem dois tipos de cromatina. A eucromatina é a forma menos compacta do DNA, e contém genes que são frequentemente expressos pela célula. O outro tipo, a heterocromatina, é a forma mais compacta, e contém DNA que é transcrito com pouca frequência. Esta estrutura é ainda categorizada em heterocromatina facultativa, consistindo de genes que são organizados como heterocromatina apenas em certos tipos celulares ou em certos estágios de desenvolvimento, e heterocromatina constitutiva que consiste de componentes estruturais cromossômicos, como telômeros e centrômeros. Durante a interfase, a cromatina se organiza em manchas individuais discretas, chamadas territórios cromossômicos. Os genes ativos, que geralmente são encontrados na região eucromática do cromossomo, tendem a estar localizados no limite do território do cromossomo.
Anti-corpos a certos tipos de organização cromatina, em particular os nucleossomos, têm sido associados a uma série de doenças auto-imunes, como o lúpus eritematoso sistêmico. Estes são conhecidos como anticorpos anti-nucleares (ANA) e também têm sido observados em conjunto com a esclerose múltipla como parte da disfunção geral do sistema imunitário.
Nucleolus
O nucléolo é a maior das discretas estruturas densamente coradas, sem membrana, conhecidas como corpos nucleares encontrados no núcleo. Forma-se em torno de repetições tandem de rDNA, codificação de DNA para RNA ribossomal (rRNA). Estas regiões são chamadas de regiões organizadoras nucleolares (NOR). Os principais papéis do nucléolo são sintetizar o rRNA e montar ribossomos. A coesão estrutural do nucléolo depende da sua actividade, uma vez que a montagem do ribossomo no nucléolo resulta na associação transitória dos componentes nucleolares, facilitando a continuação da montagem do ribossomo e, consequentemente, uma maior associação. Este modelo é suportado por observações de que a inactivação do rDNA resulta na interpenetração das estruturas nucleolares.
Na primeira etapa da montagem do ribossoma, uma proteína chamada RNA polimerase I transcreve o rDNA, que forma um grande precursor pré-rNA. Esta é clivada em duas grandes subunidades de rRNA – 5.8S, e 28S, e uma pequena subunidade de rRNA 18S.:328 A transcrição, processamento pós-transcrição, e montagem do rRNA ocorre no nucléolo, auxiliado por pequenas moléculas de RNA nucleolar (snoRNA), algumas das quais são derivadas de introns emendados de RNAs mensageiros que codificam genes relacionados à função ribossômica. As subunidades ribossômicas montadas são as maiores estruturas que passam pelos poros nucleares.:526
Quando observadas sob o microscópio eletrônico, o nucléolo pode ser visto como consistindo de três regiões distintas: os centros fibrilares mais internos (FCs), cercados pelo componente fibrilar denso (DFC) (que contém fibrilarina e nucleolina), que por sua vez é delimitado pelo componente granular (GC) (que contém a proteína nucleofosmina). A transcrição do rDNA ocorre tanto na FC quanto no limite da FC-DFC e, portanto, quando a transcrição do rDNA na célula é aumentada, mais FCs são detectadas. A maior parte da clivagem e modificação dos rRNAs ocorre no DFC, enquanto as últimas etapas envolvendo a montagem da proteína nas subunidades ribossômicas ocorrem no GC.
Outros corpos nucleares
| Nome da estrutura | Diâmetro da estrutura | Ref. |
|---|---|---|
| Cajal corpos | 0.2-2.0 µm | |
| Clastossomas | 0.2-0.5 µm | |
| PIKA | 5 µm | |
| Paraspeckles | 0,2-1,0 µm | |
| Paraspeckles | 0.5-1.0 µm | |
| Pescas | 20-25 nm |
Além do nucléolo, o núcleo contém uma série de outros corpos nucleares. Estes incluem corpos Cajal, gêmeos de corpos Cajal, associação polimórfica interfásica cariossomal (PIKA), corpos de leucemia promielocítica (LPM), paraspeckles, e emendas de pintas. Embora pouco se saiba sobre vários destes domínios, eles são significativos, pois mostram que o nucleoplasma não é uma mistura uniforme, mas contém subdomínios funcionais organizados.
Outras estruturas subnucleares aparecem como parte de processos anormais de doenças. Por exemplo, a presença de pequenas hastes intranucleares tem sido relatada em alguns casos de miopatia nemalina. Esta condição tipicamente resulta de mutações na actina, e as próprias hastes consistem de actina mutante, bem como outras proteínas citoesqueléticas.
Corpúsculos Cajal e gemas
Um núcleo tipicamente contém entre uma e dez estruturas compactas chamadas corpos Cajal ou corpos enrolados (CB), cujo diâmetro mede entre 0,2 µm e 2,0 µm, dependendo do tipo celular e da espécie. Quando vistos sob um microscópio electrónico, assemelham-se a esferas de rosca emaranhada e são focos densos de distribuição para a bobina de proteínas. Os CBs estão envolvidos em vários papéis diferentes relacionados ao processamento do RNA, especificamente pequenos RNA nucleolares (snoRNA) e pequena maturação do RNA nuclear (snRNA), e modificação do mRNA histórico.
Corpos similares aos Cajal são corpos Gemini de Cajal, ou gemas, cujo nome é derivado da constelação Gemini em referência à sua estreita relação “gêmea” com os CBs. As gemas são semelhantes em tamanho e forma aos CB e, de facto, são virtualmente indistinguíveis sob o microscópio. Ao contrário das CBs, as gemas não contêm pequenas ribonucleoproteínas nucleares (snRNPs), mas contêm uma proteína chamada sobrevivência do neurônio motor (SMN) cuja função está relacionada com a biogênese do snRNP. Acredita-se que as gemas ajudam as CBs na biogénese do snRNP, embora também tenha sido sugerido a partir de evidências microscópicas que as CBs e as gemas são manifestações diferentes de uma mesma estrutura. Estudos ultra-estruturais posteriores mostraram que as gemas são gêmeos de corpos Cajal com a diferença no componente bobina; corpos Cajal são SMN positivos e bobina positiva, e gemas são SMN positivos e bobina negativa.
PIKA e PTF domínios
PIKA domínios, ou associações cariossomais polimórficas interfásicas, foram descritos pela primeira vez em estudos microscópicos em 1991. A sua função permanece pouco clara, embora não se pensasse que estivessem associados à replicação activa de ADN, transcrição ou processamento de RNA. Foi descoberto que frequentemente associam-se a domínios discretos definidos pela localização densa do fator de transcrição PTF, que promove a transcrição de pequenos RNA nucleares (snRNA).
Corpúsculos de PML
Corpúsculos de leucemia permielocítica (corpos de PML) são corpos esféricos encontrados espalhados pelo nucleoplasma, medindo cerca de 0,1-1,0 µm. Eles são conhecidos por uma série de outros nomes, incluindo o domínio nuclear 10 (ND10), corpos de Kremer e domínios oncogênicos de PML. Os corpos de PML têm o nome de um dos seus principais componentes, a proteína da leucemia promielocítica (PML). Eles são frequentemente vistos no núcleo em associação com os corpos Cajal e os corpos de clivagem. Os ratos Pml-/-, que são incapazes de criar corpos de LPM, desenvolvem-se normalmente sem efeitos nocivos óbvios, mostrando que os corpos de LPM não são necessários para a maioria dos processos biológicos essenciais.
Pintas de emenda
Pintas são estruturas subnucleares que são enriquecidas em factores de emenda do RNA pré-mensageiro e estão localizadas nas regiões inter-cromatinas do nucleoplasma das células de mamíferos. Ao nível do microscópio fluorescente aparecem como estruturas irregulares, pontuadas, que variam em tamanho e forma, e quando examinadas por microscopia eletrônica são vistas como aglomerados de grânulos de intercromatina. Os grânulos são estruturas dinâmicas, e tanto seus componentes protéicos quanto os componentes protéicos de RNA podem circular continuamente entre os grânulos e outros locais nucleares, incluindo locais de transcrição ativa. Estudos sobre a composição, estrutura e comportamento dos speckles têm fornecido um modelo para compreender a compartimentação funcional do núcleo e a organização das máquinas de expressão de genes que emendam snRNPs e outras proteínas de emenda necessárias para o processamento do pré-mRNA. Devido às mudanças nas necessidades de uma célula, a composição e localização destes corpos muda de acordo com a transcrição e regulação do mRNA através da fosforilação de proteínas específicas. Os grânulos de emenda também são conhecidos como grânulos nucleares (espectros nucleares), compartimentos de fatores de emenda (compartimentos SF), aglomerados de grânulos intercrômicos (IGCs) e snurposomos B. Os snurposomos B são encontrados nos núcleos de oócitos anfíbios e nos embriões de Drosophila melanogaster. Os snurposomos B aparecem sozinhos ou presos aos corpos Cajal nas micrografias eletrônicas dos núcleos dos anfíbios. Os CIGs funcionam como locais de armazenamento dos fatores de emenda.
Paraspeckles
Descoberto por Fox et al. em 2002, os paraspeckles são compartimentos de forma irregular no espaço inter-cromatina do núcleo. Documentado pela primeira vez nas células de HeLa, onde há geralmente 10-30 por núcleo, sabe-se agora que os paraspeckles existem também em todas as células primárias humanas, linhas celulares transformadas e secções teciduais. Seu nome é derivado da sua distribuição no núcleo; o “para” é a abreviação de paralelo e o “pintas” se refere às emendas de pintas às quais eles estão sempre próximos.
Paraspeckles seqüestram proteínas nucleares e RNA e assim parecem funcionar como uma esponja molecular que está envolvida na regulação da expressão gênica. Além disso, os parasspeckles são estruturas dinâmicas que são alteradas em resposta a mudanças na atividade metabólica celular. São dependentes de transcrição e, na ausência de transcrição de RNA Pol II, o paraspeckle desaparece e todos os seus componentes proteicos associados (PSP1, p54nrb, PSP2, CFI(m)68 e PSF) formam uma capa perinucleolar em forma de lua crescente no nucléolo. Este fenômeno é demonstrado durante o ciclo celular. No ciclo celular, os paraspeckles estão presentes durante a interfase e durante todas as mitoses, exceto a telophase. Durante a telophase, quando os dois núcleos filhos são formados, não há transcrição de RNA Pol II então os componentes proteicos em vez disso formam uma capa perinucleolar.
Fibrilas de pericromatina
Fibrilas de pericromatina são visíveis somente sob microscópio eletrônico. Elas estão localizadas ao lado da cromatina transcritivamente ativa e são hipotéticas como sendo os locais de processamento de pré-mRNA ativo.
Clastossomos
Clastossomos são pequenos corpos nucleares (0,2-0,5 µm) descritos como tendo um anel em forma espessa devido à cápsula periférica ao redor desses corpos. Este nome é derivado do grego klastos, quebrado e soma, corpo. Os clastossomas não estão tipicamente presentes em células normais, o que os torna difíceis de detectar. Formam-se sob condições proteolíticas elevadas dentro do núcleo e degradam-se quando há uma diminuição da actividade ou se as células são tratadas com inibidores do proteasoma. A escassez de clastossomas nas células indica que estes não são necessários para o funcionamento do proteasoma. O stress osmótico também tem demonstrado causar a formação de clastossomas. Estes corpos nucleares contêm subunidades catalíticas e reguladoras do proteasoma e seus substratos, indicando que os clastossomos são locais de degradação de proteínas.