De kern bevat bijna al het DNA van de cel, omgeven door een netwerk van vezelige intermediaire filamenten en omhuld door een dubbel membraan dat de “nucleaire enveloppe” wordt genoemd. Het kernomhulsel scheidt de vloeistof in de kern, het zogenaamde nucleoplasma, van de rest van de cel. De grootte van de kern hangt af van de grootte van de cel waarin hij zich bevindt, waarbij een kern gewoonlijk ongeveer 8% van het totale celvolume inneemt. De kern is het grootste organel in dierlijke cellen.:12 In zoogdiercellen is de gemiddelde diameter van de kern ongeveer 6 micrometer (µm).
Nucleaire envelop en poriën
De nucleaire envelop bestaat uit twee membranen, een binnen- en een buitenkernmembraan.:649 Samen dienen deze membranen om het genetisch materiaal van de cel te scheiden van de rest van de celinhoud, en stellen ze de kern in staat een omgeving te handhaven die verschilt van de rest van de cel. Ondanks hun nauwe nabijheid rond een groot deel van de celkern, verschillen de twee membranen aanzienlijk in vorm en inhoud. Het binnenmembraan omgeeft de kerninhoud en zorgt voor de definiërende rand ervan.:14 Ingebed in het binnenmembraan binden diverse eiwitten de intermediaire filamenten die de kern zijn structuur geven.:649 Het buitenmembraan omsluit het binnenmembraan, en is ononderbroken met het aangrenzende endoplasmatisch reticulum membraan.:649 Als onderdeel van het endoplasmatisch reticulummembraan is het buitenste kernmembraan bezaaid met ribosomen die actief eiwitten over het membraan vertalen.:649 De ruimte tussen de twee membranen, de “perinucleaire ruimte” genoemd, is ononderbroken met het lumen van het endoplasmatisch reticulum.:649
Nucleaire poriën, die waterige kanalen door het omhulsel vormen, zijn samengesteld uit meerdere eiwitten, die gezamenlijk nucleoporinen worden genoemd. De poriën hebben een molecuulgewicht van ongeveer 60-80 miljoen dalton en bestaan uit ongeveer 50 (in gist) tot enkele honderden eiwitten (in gewervelde dieren).:622-4 De poriën hebben een totale diameter van 100 nm; de opening waardoor moleculen vrij kunnen diffunderen is echter slechts ongeveer 9 nm breed, als gevolg van de aanwezigheid van regulerende systemen in het centrum van de porie. Deze afmeting laat selectief de doorgang toe van kleine wateroplosbare moleculen, terwijl wordt voorkomen dat grotere moleculen, zoals nucleïnezuren en grotere eiwitten, de kern op ongepaste wijze binnenkomen of verlaten. Deze grote moleculen moeten actief naar de celkern worden getransporteerd. De kern van een typische zoogdiercel heeft ongeveer 3000 tot 4000 poriën in zijn omhulsel, die elk een achtvoudig-symmetrische ringvormige structuur bevatten op een plaats waar de binnenste en buitenste membranen versmelten. Aan de ring is een structuur bevestigd die de kernkorf wordt genoemd en die zich uitstrekt tot in het kernplasma, en een reeks filamenteuze verlengstukken die tot in het cytoplasma reiken. Beide structuren dienen om binding aan nucleaire transporteiwitten te bemiddelen.:509-10
De meeste eiwitten, ribosomale subeenheden en sommige RNA’s worden door de poriecomplexen vervoerd in een proces dat wordt bemiddeld door een familie van transportfactoren die bekend staan als karyopherinen. De karyopherïnen die de verplaatsing naar de kern bewerkstelligen, worden importïnen genoemd, terwijl de karyopherïnen die de verplaatsing uit de kern bewerkstelligen, exportïnen worden genoemd. De meeste karyopherines staan in directe interactie met hun lading, hoewel sommige gebruik maken van adaptoreiwitten. Steroïde hormonen zoals cortisol en aldosteron, alsmede andere kleine in vet oplosbare moleculen die betrokken zijn bij intercellulaire signalering, kunnen door het celmembraan diffunderen en in het cytoplasma terechtkomen, waar zij nucleaire receptoreiwitten binden die naar de kern worden getransporteerd. Daar fungeren zij als transcriptiefactoren wanneer zij aan hun ligand gebonden zijn; bij afwezigheid van een ligand fungeren veel van dergelijke receptoren als histon deacetylases die de genexpressie onderdrukken.:488
Nucleaire lamina
In dierlijke cellen voorzien twee netwerken van intermediaire filamenten de kern van mechanische steun: De nucleaire lamina vormt een georganiseerd netwerk aan de binnenzijde van het omhulsel, terwijl minder georganiseerde steun wordt verleend aan de cytosolzijde van het omhulsel. Beide systemen bieden structurele steun voor de nucleaire envelop en verankeringsplaatsen voor chromosomen en nucleaire poriën.
De nucleaire lamina is voornamelijk samengesteld uit lamineiwitten. Zoals alle eiwitten worden lamines gesynthetiseerd in het cytoplasma en later getransporteerd naar de kern binnenin, waar ze worden geassembleerd alvorens te worden opgenomen in het bestaande netwerk van nucleaire lamina. Lamines die aan de cytosolische zijde van het membraan worden aangetroffen, zoals emerine en nesprine, binden zich aan het cytoskelet om structurele steun te bieden. Lamines worden ook aangetroffen in het nucleoplasma, waar zij een andere regelmatige structuur vormen, die bekend staat als de nucleoplasmische sluier en die zichtbaar is met fluorescentiemicroscopie. De eigenlijke functie van de sluier is niet duidelijk, hoewel hij uitgesloten is van de nucleolus en aanwezig is tijdens de interfase. Lamin structuren die de sluier vormen, zoals LEM3, binden chromatine en verstoring van hun structuur remt transcriptie van eiwit-coderende genen.
Net als de componenten van andere intermediaire filamenten, bevat het lamin monomeer een alfa-helicaal domein dat door twee monomeren wordt gebruikt om zich om elkaar heen te wentelen, waarbij een dimeerstructuur wordt gevormd die een coiled coil wordt genoemd. Twee van deze dimeerstructuren verbinden zich vervolgens naast elkaar, in een antiparallelle opstelling, om een tetramer te vormen die een protofilament wordt genoemd. Acht van deze protofilamenten vormen een laterale rangschikking die wordt gedraaid om een ropelachtig filament te vormen. Deze filamenten kunnen op een dynamische manier worden geassembleerd of gedemonteerd, wat betekent dat veranderingen in de lengte van het filament afhangen van de concurrerende snelheid van filamenttoevoeging en -afname.
Mutaties in lamin genen die leiden tot defecten in de filamentassemblage veroorzaken een groep zeldzame genetische aandoeningen die bekend staan als laminopathieën. De meest opmerkelijke laminopathie is de familie van ziekten die bekend staat als progeria, die bij de lijders leidt tot vroegtijdige veroudering. Het precieze mechanisme waardoor de geassocieerde biochemische veranderingen aanleiding geven tot het verouderingsfenotype is niet goed begrepen.
Chromosomen
De celkern bevat het grootste deel van het genetisch materiaal van de cel in de vorm van meerdere lineaire DNA-moleculen georganiseerd in structuren die chromosomen worden genoemd. Elke menselijke cel bevat ruwweg twee meter DNA.:405 Gedurende het grootste deel van de celcyclus zijn deze georganiseerd in een DNA-eiwitcomplex dat chromatine wordt genoemd, en tijdens de celdeling is te zien dat het chromatine de duidelijk afgebakende chromosomen vormt die men van een karyotype kent. Een klein deel van de genen van de cel bevindt zich in plaats daarvan in de mitochondriën.:438
Er zijn twee soorten chromatine. Euchromatine is de minder compacte DNA-vorm, en bevat genen die vaak door de cel tot expressie worden gebracht. Het andere type, heterochromatine, is de meer compacte vorm, en bevat DNA dat niet vaak wordt getranscribeerd. Deze structuur wordt verder gecategoriseerd in facultatief heterochromatine, dat bestaat uit genen die alleen in bepaalde celtypes of in bepaalde ontwikkelingsstadia als heterochromatine georganiseerd zijn, en constitutief heterochromatine dat bestaat uit structurele chromosoomcomponenten zoals telomeren en centromeren. Tijdens de interfase organiseert het chromatine zich in afzonderlijke afzonderlijke gebieden, chromosoomterritoria genoemd. Actieve genen, die zich over het algemeen in de euchromatische regio van het chromosoom bevinden, hebben de neiging zich in de richting van de territoriumgrens van het chromosoom te bevinden.
Antilichamen tegen bepaalde soorten chromatineorganisatie, met name nucleosomen, zijn in verband gebracht met een aantal auto-immuunziekten, zoals systemische lupus erythematosus. Deze staan bekend als anti-nucleaire antilichamen (ANA) en zijn ook waargenomen in combinatie met multiple sclerose als onderdeel van een algemene disfunctie van het immuunsysteem.
Nucleolus
De nucleolus is de grootste van de discrete dicht gekleurde, membraanloze structuren die bekend staan als kernlichamen en die in de kern worden aangetroffen. Het vormt zich rond tandem herhalingen van rDNA, DNA dat codeert voor ribosomaal RNA (rRNA). Deze gebieden worden nucleolaire organizer-gebieden (NOR) genoemd. De belangrijkste taken van de nucleolus zijn de synthese van rRNA en de assemblage van ribosomen. De structurele cohesie van de nucleolus is afhankelijk van zijn activiteit, aangezien ribosomale assemblage in de nucleolus resulteert in de tijdelijke associatie van nucleolaire componenten, waardoor verdere ribosomale assemblage, en dus verdere associatie, wordt vergemakkelijkt. Dit model wordt ondersteund door waarnemingen dat inactivering van rDNA resulteert in vermenging van nucleolaire structuren.
In de eerste stap van ribosoom-assemblage transcribeert een eiwit genaamd RNA polymerase I het rDNA, dat een grote pre-rRNA precursor vormt. Deze wordt gesplitst in twee grote rRNA subeenheden – 5.8S en 28S, en een kleine rRNA subeenheid 18S.:328 De transcriptie, post-transcriptionele verwerking en assemblage van rRNA vindt plaats in de nucleolus, geholpen door kleine nucleolaire RNA (snoRNA) moleculen, waarvan sommige zijn afgeleid van gesplitste introns van boodschapper-RNA’s die coderen voor genen die verband houden met ribosomale functie. De geassembleerde ribosomale subeenheden zijn de grootste structuren die door de nucleaire poriën worden doorgelaten.:526
Bij observatie onder de elektronenmicroscoop is te zien dat de nucleolus uit drie te onderscheiden gebieden bestaat: de binnenste fibrillaire centra (FC’s), omgeven door de dichte fibrillaire component (DFC) (die fibrillarine en nucleolin bevat), die op zijn beurt wordt begrensd door de korrelige component (GC) (die het eiwit nucleophosmin bevat). Transcriptie van het rDNA vindt plaats in de FC of op de grens tussen de FC en de DFC, en wanneer de rDNA-transcriptie in de cel toeneemt, worden er dus meer FC’s gedetecteerd. Het grootste deel van de splitsing en modificatie van rRNA’s vindt plaats in de DFC, terwijl de laatste stappen waarbij eiwitten worden geassembleerd op de ribosomale subeenheden plaatsvinden in de GC.
Andere kernlichamen
| Structuurnaam | Structuurdiameter | Ref. |
|---|---|---|
| Cajal-lichaampjes | 0,2-2,0 µm | |
| Clastosomen | 0,2-0.5 µm | |
| PIKA | 5 µm | |
| PML bodies | 0.2-1.0 µm | |
| Paraspeckles | 0.5-1,0 µm | |
| Speckles | 20-25 nm |
Naast de nucleolus bevat de celkern nog een aantal andere kernlichaampjes. Hiertoe behoren Cajal-lichaampjes, gemini van Cajal-lichaampjes, polymorfe interfase karyosomale associatie (PIKA), promyelocytische leukemie (PML)-lichaampjes, paraspeckles en splicing speckles. Hoewel over een aantal van deze domeinen weinig bekend is, zijn ze in zoverre van belang dat ze aantonen dat het nucleoplasma geen uniform mengsel is, maar eerder georganiseerde functionele subdomeinen bevat.
Andere subnucleaire structuren komen voor als onderdeel van abnormale ziekteprocessen. Bijvoorbeeld, de aanwezigheid van kleine intranucleaire staafjes is gemeld in sommige gevallen van nemaline myopathie. Deze aandoening is typisch het gevolg van mutaties in actine, en de staafjes zelf bestaan uit gemuteerde actine en andere cytoskeletale eiwitten.
Cajal-lichaampjes en edelstenen
Een celkern bevat gewoonlijk tussen een en tien compacte structuren die Cajal-lichaampjes of coiled bodies (CB) worden genoemd en waarvan de diameter tussen 0,2 µm en 2,0 µm bedraagt, afhankelijk van het celtype en de soort. Onder een elektronenmicroscoop lijken zij op kluwen van draden en zijn zij dichte distributiecentra voor het eiwit coiline. CB’s zijn betrokken bij een aantal verschillende rollen met betrekking tot RNA-verwerking, met name small nucleolar RNA (snoRNA) en small nuclear RNA (snRNA) maturatie, en histon mRNA modificatie.
Gelijkaardig aan Cajal-lichaampjes zijn Gemini of Cajal-lichaampjes, of edelstenen, waarvan de naam is afgeleid van het sterrenbeeld Gemini in verwijzing naar hun nauwe “tweeling” relatie met CB’s. Gems lijken in grootte en vorm op CB’s, en zijn onder de microscoop vrijwel niet van elkaar te onderscheiden. In tegenstelling tot CB’s bevatten edelstenen geen kleine nucleaire ribonucleoproteïnen (snRNP’s), maar wel een eiwit dat “survival of motor neuron” (SMN) wordt genoemd en waarvan de functie verband houdt met de biogenese van snRNP’s. Aangenomen wordt dat edelstenen CB’s helpen bij de snRNP-biogenese, hoewel op grond van microscopisch bewijsmateriaal ook is gesuggereerd dat CB’s en edelstenen verschillende verschijningsvormen van dezelfde structuur zijn. Latere ultrastructurele studies hebben aangetoond dat gems tweelingen zijn van Cajal lichaampjes, met het verschil in de coiline component; Cajal lichaampjes zijn SMN positief en coiline positief, en gems zijn SMN positief en coiline negatief.
PIKA en PTF domeinen
PIKA domeinen, of polymorfe interfase karyosomale associaties, werden voor het eerst beschreven in microscopie studies in 1991. Hun functie blijft onduidelijk, hoewel men niet dacht dat zij geassocieerd waren met actieve DNA replicatie, transcriptie, of RNA verwerking. Er is vastgesteld dat ze vaak geassocieerd zijn met discrete domeinen die gedefinieerd worden door een dichte lokalisatie van de transcriptiefactor PTF, die de transcriptie van klein kern-RNA (snRNA) bevordert.
PML-lichaampjes
Promyelocytaire leukemielichaampjes (PML-lichaampjes) zijn bolvormige lichaampjes die verspreid in het nucleoplasma worden aangetroffen en ongeveer 0,1-1,0 µm groot zijn. Ze zijn bekend onder een aantal andere namen, waaronder nuclear domain 10 (ND10), Kremer bodies, en PML oncogenic domains. PML-lichaampjes zijn genoemd naar een van hun belangrijkste componenten, het promyelocytische leukemie-eiwit (PML). Zij worden vaak in de kern gezien in combinatie met Cajal bodies en cleavage bodies. Pml-/- muizen, die niet in staat zijn PML-lichaampjes aan te maken, ontwikkelen zich normaal zonder duidelijke nadelige gevolgen, waaruit blijkt dat PML-lichaampjes niet vereist zijn voor de meeste essentiële biologische processen.
Splicing speckles
Speckles zijn subnucleaire structuren die verrijkt zijn met pre-messenger RNA splicing factoren en die zich bevinden in de interchromatine gebieden van het nucleoplasma van zoogdiercellen. Bij fluorescentiemicroscopie verschijnen zij als onregelmatige, punctate structuren, die variëren in grootte en vorm, en bij elektronenmicroscopie worden zij gezien als clusters van interchromatine korrels. Spikkels zijn dynamische structuren, en zowel hun eiwit- als hun RNA-eiwitbestanddelen kunnen voortdurend heen en weer pendelen tussen spikkels en andere nucleaire locaties, waaronder actieve transcriptieplaatsen. Studies over de samenstelling, de structuur en het gedrag van spikkels hebben een model opgeleverd voor het begrijpen van de functionele compartimentering van de celkern en de organisatie van de gen-expressie-machinerie splicing snRNPs en andere splicing-eiwitten die nodig zijn voor pre-mRNA verwerking. Door de veranderende behoeften van een cel veranderen de samenstelling en de plaats van deze lichaampjes naar gelang van de mRNA-transcriptie en de regulering via fosforylering van specifieke eiwitten. De splicing spikkels zijn ook bekend als nuclear speckles (kernspikkels), splicing factor compartimenten (SF compartimenten), interchromatine granule clusters (IGCs), en B snurposomes.B snurposomes worden gevonden in de amfibie oocyte kernen en in Drosophila melanogaster embryo’s. B snurposomes verschijnen alleen of vastgehecht aan de Cajal lichaampjes in de elektronenmicrofoto’s van de amfibieënkernen. IGC’s fungeren als opslagplaatsen voor de splicing factoren.
Paraspeckles
Ontdekt door Fox et al. in 2002, paraspeckles zijn onregelmatig gevormde compartimenten in de interchromatine ruimte van de kern. Eerst gedocumenteerd in HeLa cellen, waar er over het algemeen 10-30 per kern, paraspeckles zijn nu bekend dat ook bestaan in alle menselijke primaire cellen, getransformeerde cellijnen, en weefsel secties. Hun naam is afgeleid van hun verdeling in de kern; de “para” is kort voor parallel en de “spikkels” verwijst naar de splicing spikkels waarmee ze altijd in de nabijheid zijn.
Paraspeckles sekwestreren nucleaire eiwitten en RNA en lijken dus te functioneren als een moleculaire spons die betrokken is bij de regulatie van genexpressie. Bovendien zijn paraspeckles dynamische structuren die veranderen als reactie op veranderingen in de cellulaire metabolische activiteit. Ze zijn transcriptie-afhankelijk en bij afwezigheid van RNA Pol II transcriptie verdwijnt de paraspeckle en vormen alle geassocieerde eiwitcomponenten (PSP1, p54nrb, PSP2, CFI(m)68, en PSF) een halvemaanvormige perinucleolaire kap in de nucleolus. Dit fenomeen wordt aangetoond tijdens de celcyclus. In de celcyclus zijn paraspekels aanwezig tijdens de interfase en tijdens de gehele mitose, behalve tijdens de telofase. Tijdens de telofase, wanneer de twee dochterkernen worden gevormd, is er geen RNA Pol II-transcriptie, zodat de eiwitcomponenten in plaats daarvan een perinucleolaire kap vormen.
Perichromatine-fibrillen
Perichromatine-fibrillen zijn alleen zichtbaar onder elektronenmicroscoop. Zij bevinden zich naast het transcriptioneel actieve chromatine en worden verondersteld de plaatsen te zijn waar actief pre-mRNA wordt verwerkt.
Clastosomen
Clastosomen zijn kleine kernlichaampjes (0,2-0,5 µm) die worden beschreven als hebbend een dikke ringvorm vanwege het perifere kapsel rond deze lichaampjes. Deze naam is afgeleid van het Griekse klastos, gebroken en soma, lichaam. Clastosomen zijn meestal niet aanwezig in normale cellen, waardoor ze moeilijk te detecteren zijn. Zij vormen zich onder hoge proteolytische condities binnen de celkern en worden afgebroken zodra de activiteit afneemt of als cellen worden behandeld met proteasoomremmers. De schaarste van clastosomen in cellen wijst erop dat zij niet nodig zijn voor de proteasoomfunctie. Er is ook aangetoond dat osmotische stress de vorming van clastosomen veroorzaakt. Deze kernlichaampjes bevatten katalytische en regulerende subeenheden van het proteasoom en zijn substraten, wat erop wijst dat clastosomen plaatsen zijn voor de afbraak van eiwitten.