Jądro zawiera prawie całe DNA komórki, otoczone siecią włóknistych filamentów pośrednich i otoczone podwójną błoną zwaną „otoczką jądrową”. Otoczka jądrowa oddziela płyn znajdujący się wewnątrz jądra, zwany nukleoplazmą, od reszty komórki. Wielkość jądra zależy od wielkości komórki, w której się znajduje, przy czym jądro zajmuje zwykle około 8% całkowitej objętości komórki. Jądro jest największą organellą w komórkach zwierzęcych.:12 W komórkach ssaków średnia średnica jądra wynosi około 6 mikrometrów (µm).
Okładka jądrowa i pory
Otoczka jądrowa składa się z dwóch błon, wewnętrznej i zewnętrznej błony jądrowej.:649 Razem, błony te służą do oddzielenia materiału genetycznego komórki od reszty jej zawartości i pozwalają jądru utrzymać środowisko odrębne od reszty komórki. Pomimo ich bliskiego sąsiedztwa wokół dużej części jądra, obie błony różnią się zasadniczo kształtem i zawartością. Błona wewnętrzna otacza zawartość jądra, tworząc jego krawędź.:14 Wewnątrz błony wewnętrznej różne białka wiążą filamenty pośrednie, które nadają jądru jego strukturę.:649 Błona zewnętrzna otacza błonę wewnętrzną i jest ciągła z przylegającą do niej błoną retikulum endoplazmatycznego.Jako część błony retikulum endoplazmatycznego, zewnętrzna błona jądrowa jest usiana rybosomami, które aktywnie tłumaczą białka przez błonę.:649 Przestrzeń między dwiema błonami, zwana „przestrzenią okołojądrową”, jest ciągła ze światłem retikulum endoplazmatycznego.:649
Pory jądrowe, które zapewniają kanały wodne przez otoczkę, składają się z wielu białek, zwanych zbiorczo nukleoporynami. Pory mają masę cząsteczkową około 60-80 milionów daltonów i składają się z około 50 (u drożdży) do kilkuset białek (u kręgowców).:622-4 Całkowita średnica porów wynosi 100 nm, jednak szczelina, przez którą cząsteczki swobodnie dyfundują, ma szerokość tylko około 9 nm, ze względu na obecność systemów regulacyjnych w centrum porów. Rozmiar ten selektywnie pozwala na przejście małych, rozpuszczalnych w wodzie cząsteczek, jednocześnie zapobiegając niewłaściwemu wejściu lub wyjściu z jądra większych cząsteczek, takich jak kwasy nukleinowe i większe białka. Te duże cząsteczki muszą być w zamian aktywnie transportowane do jądra. Jądro typowej komórki ssaków ma około 3000 do 4000 porów w całej swojej otoczce, z których każdy zawiera ośmiokrotnie symetryczną strukturę w kształcie pierścienia w miejscu, gdzie błona wewnętrzna i zewnętrzna łączą się ze sobą. Do pierścienia dołączona jest struktura zwana koszem jądrowym, która rozciąga się do nukleoplazmy, oraz seria włókienkowych rozszerzeń, które sięgają do cytoplazmy. Obie struktury służą do pośredniczenia w wiązaniu się z jądrowymi białkami transportowymi.:509-10
Większość białek, podjednostek rybosomalnych i niektóre RNA są transportowane przez kompleksy porowe w procesie, w którym pośredniczy rodzina czynników transportowych znanych jako karioferyny. Te karioferyny, które pośredniczą w przemieszczaniu się do jądra, nazywane są również importynami, natomiast te, które pośredniczą w przemieszczaniu się z jądra, nazywane są eksportynami. Większość karioferyn oddziałuje bezpośrednio ze swoim ładunkiem, choć niektóre wykorzystują białka adaptorowe. Hormony steroidowe, takie jak kortyzol i aldosteron, jak również inne małe rozpuszczalne w lipidach cząsteczki biorące udział w sygnalizacji międzykomórkowej, mogą dyfundować przez błonę komórkową do cytoplazmy, gdzie wiążą się z białkami receptorów jądrowych, które są transportowane do jądra. Tam służą jako czynniki transkrypcyjne, gdy są związane ze swoim ligandem; w przypadku braku liganda, wiele takich receptorów funkcjonuje jako deacetylazy histonów, które hamują ekspresję genów.:488
Łamka jądrowa
W komórkach zwierzęcych dwie sieci filamentów pośrednich zapewniają jądru wsparcie mechaniczne: Lamina jądrowa tworzy zorganizowaną siateczkę na wewnętrznej powierzchni otoczki, natomiast mniej zorganizowane wsparcie znajduje się na cytozolowej powierzchni otoczki. Oba systemy zapewniają strukturalne wsparcie dla otoczki jądrowej oraz miejsca zakotwiczenia dla chromosomów i porów jądrowych.
Lamina jądrowa składa się głównie z białek lamin. Jak wszystkie białka, laminy są syntetyzowane w cytoplazmie, a następnie transportowane do wnętrza jądra, gdzie są montowane przed włączeniem ich do istniejącej sieci laminy jądrowej. Laminy znajdujące się na cytozolowej powierzchni błony, takie jak emeryna i nesprina, wiążą się z cytoszkieletem, zapewniając mu wsparcie strukturalne. Laminy znajduj± się również wewn±trz nukleoplazmy, gdzie tworz± kolejn± regularn± strukturę, zwan± welonem nukleoplazmatycznym, widoczn± w mikroskopie fluorescencyjnym. Właściwa funkcja welonu nie jest jasna, chociaż jest on wyłączony z nukleolu i jest obecny podczas interfazy. Struktury lamin, które tworzą welon, takie jak LEM3, wiążą chromatynę, a zaburzenie ich struktury hamuje transkrypcję genów kodujących białka.
Jak składniki innych filamentów pośrednich, monomer lamin zawiera domenę alfa-helikalną używaną przez dwa monomery do zwijania się wokół siebie, tworząc strukturę dimeru zwaną cewką zwiniętą. Następnie dwa z tych dimerów łączą się obok siebie, w układzie antyrównoległym, tworząc tetramer zwany protofilamentem. Osiem z tych protofilamentów tworzy układ poprzeczny, który jest skręcony, tworząc włókno podobne do sznura. Filamenty te mogą być montowane lub demontowane w sposób dynamiczny, co oznacza, że zmiany długości filamentu zależą od konkurujących ze sobą szybkości dodawania i usuwania filamentu.
Mutacje w genach lamin prowadzące do defektów w montażu filamentów powodują grupę rzadkich zaburzeń genetycznych znanych jako laminopatie. Najbardziej godną uwagi laminopatią jest rodzina chorób znana jako progeria, która powoduje pojawienie się przedwczesnego starzenia się u osób cierpiących na nią. Dokładny mechanizm, dzięki któremu powiązane zmiany biochemiczne powodują starzenie się fenotypu, nie jest dobrze poznany.
Chromosomy
Jądro komórkowe zawiera większość materiału genetycznego komórki w postaci wielu liniowych cząsteczek DNA zorganizowanych w struktury zwane chromosomami. Każda komórka ludzka zawiera około dwóch metrów DNA.:405 Podczas większości cyklu komórkowego są one zorganizowane w kompleks DNA-białko znany jako chromatyna, a podczas podziału komórki chromatyna może być postrzegana jako dobrze zdefiniowane chromosomy znane z kariotypu. Niewielka część genów komórki znajduje się zamiast tego w mitochondriach.:438
Istnieją dwa rodzaje chromatyny. Euchromatyna jest mniej zwartą formą DNA i zawiera geny, które są często wyrażane przez komórkę. Drugi typ, heterochromatyna, jest bardziej zwartą formą i zawiera DNA, które jest rzadko transkrybowane. Struktura ta jest dalej podzielona na heterochromatynę fakultatywną, składającą się z genów, które są zorganizowane jako heterochromatyna tylko w niektórych typach komórek lub na niektórych etapach rozwoju, oraz heterochromatynę konstytutywną, która składa się z elementów strukturalnych chromosomów, takich jak telomery i centromery. Podczas interfazy chromatyna organizuje się w dyskretne pojedyncze płaty, zwane terytoriami chromosomowymi. Aktywne geny, które na ogół znajdują się w euchromatycznym regionie chromosomu, mają tendencję do lokalizacji w kierunku granicy terytorium chromosomu.
Przeciwciała przeciwko pewnym typom organizacji chromatyny, w szczególności nukleosomom, zostały powiązane z wieloma chorobami autoimmunologicznymi, takimi jak toczeń rumieniowaty układowy. Są one znane jako przeciwciała przeciwjądrowe (ANA) i były również obserwowane w porozumieniu ze stwardnieniem rozsianym jako część ogólnej dysfunkcji układu odpornościowego.
Nukleolus
Jąderko jest największą z dyskretnych gęsto wybarwionych, pozbawionych błony struktur zwanych ciałami jądrowymi występujących w jądrze. Tworzy się wokół tandemowych powtórzeń rDNA, DNA kodującego rybosomalny RNA (rRNA). Regiony te nazywane są regionami organizatora jąderkowego (NOR). Główną rolą jąderka jest synteza rRNA i składanie rybosomów. Spójno¶ć strukturalna j±dra zależy od jego aktywno¶ci, gdyż montaż rybosomów w j±drze powoduje przemijaj±ce asocjacje składników j±dra, ułatwiaj±ce dalszy montaż rybosomów, a tym samym dalsz± asocjację. Model ten jest poparty obserwacjami, że inaktywacja rDNA powoduje mieszanie się struktur jąderkowych.
W pierwszym etapie składania rybosomów białko zwane polimerazą RNA I transkrybuje rDNA, który tworzy duży prekursor pre-rRNA. Jest on rozszczepiany na dwie duże podjednostki rRNA – 5,8S i 28S oraz małą podjednostkę rRNA 18S.:328 Transkrypcja, posttranskrypcyjne przetwarzanie i składanie rRNA zachodzi w jądrze komórkowym, wspomagane przez małe nukleolarne cząsteczki RNA (snoRNA), z których część pochodzi ze splicowanych intronów z komunikacyjnego RNA kodującego geny związane z funkcją rybosomów. Złożone podjednostki rybosomalne są największymi strukturami przechodzącymi przez pory jądrowe.:526
Pod mikroskopem elektronowym można zaobserwować, że nukleol składa się z trzech wyróżniających się regionów: najbardziej wewnętrznych centrów fibrylarnych (FCs), otoczonych przez gęsty komponent fibrylarny (DFC) (zawierający fibrylarinę i nukleolinę), który z kolei jest ograniczony przez komponent ziarnisty (GC) (zawierający białko nukleofosminę). Transkrypcja rDNA zachodzi albo w FC, albo na granicy FC-DFC i dlatego, gdy transkrypcja rDNA w komórce jest zwiększona, wykrywa się więcej FC. Większość rozszczepiania i modyfikacji rRNA zachodzi w DFC, podczas gdy ostatnie etapy obejmujące montaż białek na podjednostkach rybosomalnych zachodzą w GC.
Inne ciała jądrowe
| Nazwa struktury | Średnica struktury | Ref. |
|---|---|---|
| Ciała Cajala | 0,2-2,0 µm | |
| Klastosomy | 0,2-0.5 µm | |
| PIKA | 5 µm | |
| Ciała PML | 0,2-1,0 µm | |
| Paraspeckle | 0.5-1.0 µm | |
| Speckles | 20-25 nm |
Oprócz jąderka, jądro zawiera szereg innych ciałek jądrowych. Należą do nich ciałka Cajala, ciałka gemini Cajala, polimorficzne międzyfazowe asocjacje kariosomalne (PIKA), ciałka białaczki promielocytowej (PML), paraspeckle i plamki splicingowe. Chociaż niewiele wiadomo o wielu z tych domen, są one znaczące, ponieważ pokazują, że nukleoplazma nie jest jednolitą mieszaniną, ale raczej zawiera zorganizowane subdomeny funkcjonalne.
Inne struktury subjądrowe pojawiają się jako część nieprawidłowych procesów chorobowych. Na przykład, obecność małych wewnątrzjądrowych pręcików została zgłoszona w niektórych przypadkach miopatii nemalinowej. Stan ten wynika zwykle z mutacji w obrębie aktyny, a same pręciki składają się ze zmutowanej aktyny, jak również innych białek cytoszkieletowych.
Ciała Cajala i klejnoty
Jądro zawiera zwykle od jednej do dziesięciu zwartych struktur zwanych ciałami Cajala lub ciałami zwiniętymi (CB), których średnica wynosi od 0,2 µm do 2,0 µm w zależności od typu i gatunku komórki. W mikroskopie elektronowym przypominają one kłębki splątanej nici i są gęstymi ogniskami dystrybucji białka koiliny. CB są zaangażowane w szereg różnych ról związanych z przetwarzaniem RNA, w szczególności w dojrzewanie małego jąderkowego RNA (snoRNA) i małego jądrowego RNA (snRNA) oraz modyfikację histonowego mRNA.
Podobne do ciałek Cajala są ciałka Gemini of Cajal, czyli klejnoty, których nazwa pochodzi od gwiazdozbioru Gemini w odniesieniu do ich bliskiego „bliźniaczego” związku z CB. Klejnoty są podobne pod względem rozmiaru i kształtu do ciałek Cajala, a w rzeczywistości są praktycznie nie do odróżnienia pod mikroskopem. W przeciwieństwie do CB, klejnoty nie zawierają małych jądrowych rybonukleoprotein (snRNPs), ale zawierają białko zwane przeżyciem neuronu motorycznego (SMN), którego funkcja związana jest z biogenezą snRNP. Uważa się, że klejnoty wspomagają CBs w biogenezie snRNP, chociaż sugerowano również na podstawie dowodów mikroskopowych, że CBs i klejnoty są różnymi przejawami tej samej struktury. Późniejsze badania ultrastrukturalne wykazały, że perełki są bliźniakami ciałek Cajala, z różnicą polegającą na komponencie koiliny; ciałka Cajala są SMN dodatnie i koilin dodatnie, a perełki są SMN dodatnie i koilin ujemne.
Domeny PIKA i PTF
Domeny PIKA, lub polimorficzne międzyfazowe asocjacje kariosomalne, zostały po raz pierwszy opisane w badaniach mikroskopowych w 1991 roku. Ich funkcja pozostaje niejasna, choć nie sądzono, by były one związane z aktywną replikacją DNA, transkrypcją czy przetwarzaniem RNA. Stwierdzono, że często łączą się z dyskretnymi domenami zdefiniowanymi przez gęstą lokalizację czynnika transkrypcyjnego PTF, który promuje transkrypcję małego jądrowego RNA (snRNA).
Ciałka PML
Ciałka białaczki chromyelocytowej (ciałka PML) są kulistymi ciałkami występującymi w rozproszeniu w nukleoplazmie, o wymiarach około 0,1-1,0 µm. Znane są pod wieloma innymi nazwami, m.in. domena jądrowa 10 (ND10), ciałka Kremera, domeny onkogenne PML. Nazwa ciałek PML pochodzi od jednego z ich głównych składników, białka białaczki promielocytarnej (PML). Często są one widoczne w jądrze w połączeniu z ciałkami Cajala i ciałkami rozszczepialnymi. Myszy Pml-/-, które nie są zdolne do tworzenia ciałek PML, rozwijają się normalnie bez widocznych złych skutków, co pokazuje, że ciałka PML nie są wymagane do większości istotnych procesów biologicznych.
Splicing speckles
Speckles są strukturami subjądrowymi, które są wzbogacone w czynniki splicingowe pre-messenger RNA i znajdują się w regionach interchromatyny w nukleoplazmie komórek ssaków. W mikroskopie fluorescencyjnym widoczne są jako nieregularne, punkcikowate struktury o różnej wielkości i kształcie, a w mikroskopie elektronowym jako skupiska granulek interchromatyny. Speckles s± strukturami dynamicznymi i zarówno ich komponenty białkowe jak i białkowe RNA mog± w sposób ci±gły kr±żyć pomiędzy speckles a innymi miejscami j±drowymi, w tym miejscami aktywnej transkrypcji. Badania nad składem, strukturą i zachowaniem wypustek dostarczyły modelu do zrozumienia funkcjonalnej kompartmentalizacji jądra oraz organizacji maszynerii ekspresji genów splicing snRNPs i innych białek splicingowych niezbędnych do przetwarzania pre-mRNA. Ze względu na zmieniaj±ce się wymagania komórki, skład i lokalizacja tych ciałek zmienia się w zależno¶ci od transkrypcji mRNA i regulacji poprzez fosforylację specyficznych białek. Wypustki splicingowe znane są również jako wypustki jądrowe (nuclear speckles), kompartmenty czynników splicingowych (SF compartments), skupiska granulek interchromatyny (IGCs) oraz B snurposomy.B snurposomy występują w jądrach oocytów płazów oraz w zarodkach Drosophila melanogaster. Na mikrografach elektronowych jąder płazów snurposomy B występują samodzielnie lub dołączone do ciałek Cajala. IGCs funkcjonują jako miejsca przechowywania czynników splicingowych.
Paraspeckle
Odkryte przez Foxa i wsp. w 2002 roku, paraspeckle są nieregularnie ukształtowanymi przedziałami w przestrzeni interchromatynowej jądra. Po raz pierwszy udokumentowane w komórkach HeLa, gdzie zwykle jest ich 10-30 na jądro, obecnie wiadomo, że paraspeckle występują również we wszystkich ludzkich komórkach pierwotnych, przekształconych liniach komórkowych i wycinkach tkanek. Ich nazwa pochodzi od ich rozmieszczenia w jądrze; „para” jest skrótem od równoległego, a „speckles” odnosi się do splicing speckles, do których zawsze są w bliskim sąsiedztwie.
Paraspeckles sekwestrują białka jądrowe i RNA i w ten sposób wydają się funkcjonować jako molekularna gąbka, która jest zaangażowana w regulację ekspresji genów. Co więcej, paraspeckle są strukturami dynamicznymi, które zmieniają się w odpowiedzi na zmiany w aktywności metabolicznej komórki. Są one zależne od transkrypcji i w przypadku braku transkrypcji RNA Pol II, paraspeckle zanika, a wszystkie związane z nim komponenty białkowe (PSP1, p54nrb, PSP2, CFI(m)68 i PSF) tworzą w nukleolusie czapeczkę perinukleolarną w kształcie półksiężyca. Zjawisko to ujawnia się w trakcie cyklu komórkowego. W cyklu komórkowym paraspeckle s± obecne podczas interfazy i podczas całej mitozy z wyj±tkiem telofazy. Podczas telofazy, gdy powstają dwa jądra potomne, nie zachodzi transkrypcja RNA Pol II, więc składniki białkowe zamiast tego tworzą czapeczkę okołojądrową.
Fibryle perychromatyny
Fibryle perychromatyny są widoczne tylko w mikroskopie elektronowym. Znajdują się one obok aktywnej transkrypcyjnie chromatyny i hipotezuje się, że są miejscami aktywnego przetwarzania pre-mRNA.
Klastosomy
Klastosomy to małe ciała jądrowe (0,2-0,5 µm) opisywane jako mające kształt grubego pierścienia ze względu na otaczającą te ciała obwodową kapsułę. Nazwa ta wywodzi się z greckiego klastos – złamany i soma – ciało. Klastosomy nie są typowo obecne w prawidłowych komórkach, co czyni je trudnymi do wykrycia. Tworzą się w warunkach wysokiej proteolizy w obrębie jądra komórkowego i ulegają degradacji po zmniejszeniu ich aktywności lub po podaniu inhibitorów proteasomów. Niedostateczna ilość klastosomów w komórkach wskazuje, że nie są one wymagane do funkcjonowania proteasomu. Wykazano, że stres osmotyczny również powoduje powstawanie klastosomów. Te ciała jądrowe zawierają podjednostki katalityczne i regulatorowe proteasomu oraz jego substraty, co wskazuje, że klastosomy są miejscami degradacji białek.
.