Nucleul conține aproape tot ADN-ul celulei, înconjurat de o rețea de filamente intermediare fibroase și învelit într-o membrană dublă numită „înveliș nuclear”. Învelișul nuclear separă lichidul din interiorul nucleului, numit nucleoplasmă, de restul celulei. Dimensiunea nucleului depinde de mărimea celulei în care este conținut, un nucleu ocupând în mod obișnuit aproximativ 8% din volumul total al celulei. Nucleul este cel mai mare organit din celulele animale. 12 În celulele mamiferelor, diametrul mediu al nucleului este de aproximativ 6 micrometri (µm).
Învelișul și porii nucleari
Învelișul nuclear este format din două membrane, o membrană nucleară internă și una externă. 649 Împreună, aceste membrane au rolul de a separa materialul genetic al celulei de restul conținutului celular și permit nucleului să mențină un mediu distinct de restul celulei. În ciuda apropierii lor strânse în jurul unei mari părți a nucleului, cele două membrane diferă substanțial în ceea ce privește forma și conținutul. Membrana internă înconjoară conținutul nuclear, asigurând marginea definitorie a acestuia.:14 Înglobate în membrana internă, diverse proteine leagă filamentele intermediare care conferă nucleului structura sa.:649 Membrana externă înconjoară membrana internă și este continuă cu membrana adiacentă a reticulului endoplasmatic.:649 Ca parte a membranei reticulului endoplasmatic, membrana nucleară externă este împânzită de ribozomi care traduc în mod activ proteinele peste membrană.:649 Spațiul dintre cele două membrane, numit „spațiul perinuclear”, este continuu cu lumenul reticulului endoplasmatic.:649
Porii nucleari, care asigură canale apoase prin înveliș, sunt compuși din mai multe proteine, denumite colectiv nucleoporine. Porii au o greutate moleculară de aproximativ 60-80 de milioane de daltoni și constau din aproximativ 50 (la drojdie) până la câteva sute de proteine (la vertebrate).:622-4 Porii au un diametru total de 100 nm; cu toate acestea, spațiul prin care difuzează liber moleculele are o lățime de numai aproximativ 9 nm, datorită prezenței sistemelor de reglare în centrul porului. Această dimensiune permite în mod selectiv trecerea moleculelor mici solubile în apă, împiedicând în același timp moleculele mai mari, cum ar fi acizii nucleici și proteinele mai mari, să intre sau să iasă în mod necorespunzător din nucleu. În schimb, aceste molecule mari trebuie să fie transportate în mod activ în nucleu. Nucleul unei celule tipice de mamifere va avea aproximativ 3 000 până la 4 000 de pori de-a lungul învelișului său, fiecare dintre aceștia conținând o structură în formă de inel simetrică de opt ori în poziția în care membranele interne și externe fuzionează. De inel este atașată o structură numită coș nuclear, care se extinde în nucleoplasmă, și o serie de prelungiri filamentoase care ajung în citoplasmă. Ambele structuri au rolul de a media legarea la proteinele de transport nuclear. 509-10
Cele mai multe proteine, subunități ribozomale și unele ARN-uri sunt transportate prin complexele de pori într-un proces mediat de o familie de factori de transport cunoscuți sub numele de carioferine. Acele carioferine care mediază mișcarea în nucleu se mai numesc și importine, în timp ce cele care mediază mișcarea în afara nucleului se numesc exportine. Majoritatea carioferinelor interacționează direct cu încărcătura lor, deși unele utilizează proteine adaptoare. Hormonii steroidieni, cum ar fi cortizolul și aldosteronul, precum și alte molecule mici solubile în lipide implicate în semnalizarea intercelulară, pot difuza prin membrana celulară și în citoplasmă, unde se leagă de proteinele receptorilor nucleari care sunt transportate în nucleu. Acolo ele servesc ca factori de transcripție atunci când sunt legate de ligandul lor; în absența unui ligand, mulți astfel de receptori funcționează ca histone deacetilaze care reprimă expresia genelor. 488
Lamina nucleară
În celulele animale, două rețele de filamente intermediare asigură nucleului suportul mecanic: Lamina nucleară formează o rețea organizată pe fața internă a învelișului, în timp ce pe fața citosolică a învelișului se asigură un suport mai puțin organizat. Ambele sisteme oferă suport structural pentru învelișul nuclear și locuri de ancorare pentru cromozomi și porii nucleari.
Lamina nucleară este compusă în principal din proteine laminare. Ca toate proteinele, laminele sunt sintetizate în citoplasmă și ulterior transportate în interiorul nucleului, unde sunt asamblate înainte de a fi încorporate în rețeaua existentă de lamine nucleare. Laminele care se găsesc pe fața citosolică a membranei, cum ar fi emerina și nesprinul, se leagă de citoschelet pentru a oferi suport structural. Laminele se găsesc, de asemenea, în interiorul nucleoplasmei, unde formează o altă structură regulată, cunoscută sub numele de vălul nucleoplasmic, care este vizibilă cu ajutorul microscopiei cu fluorescență. Funcția reală a vălului nu este clară, deși este exclusă din nucleolus și este prezentă în timpul interfazei. Structurile de lamină care alcătuiesc vălul, cum ar fi LEM3, se leagă de cromatină, iar întreruperea structurii lor inhibă transcrierea genelor care codifică proteine.
Ca și componentele altor filamente intermediare, monomerul de lamină conține un domeniu alfa-helicoidal folosit de doi monomeri pentru a se înfășura unul în jurul celuilalt, formând o structură dimeră numită bobină spiralată. Două dintre aceste structuri dimerice se unesc apoi una lângă alta, într-un aranjament antiparalel, pentru a forma un tetramer numit protofilament. Opt dintre aceste protofilamente formează un aranjament lateral care este răsucit pentru a forma un filament asemănător cu o funie. Aceste filamente pot fi asamblate sau dezasamblate într-o manieră dinamică, ceea ce înseamnă că modificările în lungimea filamentului depind de ratele concurente de adăugare și îndepărtare a filamentelor.
Mutațiile în genele laminelor care duc la defecte în asamblarea filamentelor cauzează un grup de tulburări genetice rare cunoscute sub numele de laminopatii. Cea mai notabilă laminopatie este familia de boli cunoscută sub numele de progeria, care determină apariția îmbătrânirii premature la cei care o suferă. Mecanismul exact prin care modificările biochimice asociate dau naștere fenotipului îmbătrânit nu este bine înțeles.
Cromozomi
Nucleul celular conține majoritatea materialului genetic al celulei sub forma unor molecule multiple de ADN liniar organizate în structuri numite cromozomi. Fiecare celulă umană conține aproximativ doi metri de ADN. 405 În cea mai mare parte a ciclului celular, acestea sunt organizate într-un complex ADN-proteină cunoscut sub numele de cromatină, iar în timpul diviziunii celulare, cromatina poate fi observată pentru a forma cromozomii bine definiți, cunoscuți dintr-un cariotip. O mică parte din genele celulei sunt localizate în schimb în mitocondrii.:438
Există două tipuri de cromatină. Euchromatina este forma de ADN mai puțin compactă și conține genele care sunt exprimate frecvent de către celulă. Celălalt tip, heterocromatina, este forma mai compactă și conține ADN care este transcris rar. Această structură este clasificată în continuare în heterocromatină facultativă, formată din gene care sunt organizate ca heterocromatină doar în anumite tipuri de celule sau în anumite stadii de dezvoltare, și heterocromatină constitutivă, care constă în componente structurale ale cromozomului, cum ar fi telomerii și centromerii. În timpul interfazei, cromatina se organizează în pete individuale discrete, numite teritorii cromozomiale. Genele active, care se găsesc în general în regiunea eucromatică a cromozomului, tind să fie localizate spre limita teritoriului cromozomului.
Anticorpii împotriva anumitor tipuri de organizare a cromatinei, în special a nucleozomilor, au fost asociați cu o serie de boli autoimune, cum ar fi lupusul eritematos sistemic. Aceștia sunt cunoscuți sub numele de anticorpi antinucleari (ANA) și au fost observați, de asemenea, în concert cu scleroza multiplă, ca parte a unei disfuncții generale a sistemului imunitar.
Nucleolus
Nucleolul este cea mai mare dintre structurile discrete cu colorație densă, fără membrană, cunoscute sub numele de corpuri nucleare care se găsesc în nucleu. Se formează în jurul repetițiilor în tandem ale ADNr, ADN care codifică ARN ribozomal (ARNr). Aceste regiuni se numesc regiuni organizatoare nucleolare (NOR). Rolul principal al nucleolului este de a sintetiza ARNr și de a asambla ribozomii. Coeziunea structurală a nucleolului depinde de activitatea acestuia, deoarece asamblarea ribozomilor în nucleolus are ca rezultat asocierea tranzitorie a componentelor nucleolare, facilitând asamblarea ulterioară a ribozomilor și, prin urmare, asocierea ulterioară. Acest model este susținut de observațiile conform cărora inactivarea ADNr duce la întrepătrunderea structurilor nucleolare.
În prima etapă a asamblării ribozomilor, o proteină numită ARN polimeraza I transcrie ADNr, care formează un precursor mare de pre-ARNr. Acesta este scindat în două subunități mari de ARNr – 5,8S, și 28S, și o subunitate mică de ARNr 18S.:328 Transcripția, procesarea post-transcripțională și asamblarea ARNr au loc în nucleol, cu ajutorul moleculelor de ARN nucleolar mic (snoRNA), dintre care unele sunt derivate din introni splitați din ARN-uri mesageriale care codifică gene legate de funcția ribozomală. Subunitățile ribozomale asamblate sunt cele mai mari structuri trecute prin porii nucleari.:526
Când este observat la microscopul electronic, se poate observa că nucleolul este format din trei regiuni care se pot distinge: centrele fibrilare (FC) cele mai interne, înconjurate de componenta fibrilară densă (DFC) (care conține fibrilarină și nucleolină), care la rândul ei este mărginită de componenta granulară (GC) (care conține proteina nucleofosmină). Transcrierea ADNr are loc fie în FC, fie la granița FC-DFC și, prin urmare, atunci când transcrierea ADNr în celulă este crescută, se detectează mai multe FC-uri. Cea mai mare parte a scindării și modificării ARNr are loc în CFD, în timp ce ultimele etape care implică asamblarea proteinelor pe subunitățile ribozomale au loc în CG.
Alți corpuri nucleare
| Numele structurii | Diametrul structurii | Ref. | |
|---|---|---|---|
| Corpii Cajal | 0,2-2,0 µm | ||
| Clastosomi | 0,2-0.5 µm | ||
| PIKA | 5 µm | ||
| Corpii PML | 0,2-1,0 µm | ||
| Paraspeckles | 0.5-1,0 µm | ||
| Speckles | 20-25 nm |
În afară de nucleolus, nucleul conține o serie de alte corpuri nucleare. Printre acestea se numără corpii Cajal, corpii gemeni ai lui Cajal, asocierea cariozomală interfazică polimorfă (PIKA), corpii de leucemie promielocitică (PML), paraspeckles și splicing speckles. Deși se cunosc puține lucruri despre o parte dintre aceste domenii, ele sunt semnificative prin faptul că arată că nucleoplasma nu este un amestec uniform, ci mai degrabă conține subdomenii funcționale organizate.
Alte structuri subnucleare apar ca parte a proceselor anormale de boală. De exemplu, prezența unor mici bastonașe intranucleare a fost raportată în unele cazuri de miopatie nemalină. Această afecțiune rezultă de obicei din mutații în actină, iar tijele însele sunt formate din actină mutantă, precum și din alte proteine ale citoscheletului.
Corpii Cajal și gemele
Un nucleu conține de obicei între una și zece structuri compacte numite corpuri Cajal sau corpuri spiralate (CB), al căror diametru măsoară între 0,2 µm și 2,0 µm, în funcție de tipul și specia celulară. Când sunt observate la microscopul electronic, acestea seamănă cu niște ghemuri de fire încâlcite și sunt focare dense de distribuție pentru proteina coilină. CB-urile sunt implicate într-o serie de roluri diferite legate de procesarea ARN-ului, în special în ceea ce privește maturarea ARN nucleolar mic (snoRNA) și ARN nuclear mic (snRNA) și modificarea ARNm histonic.
Similare corpurilor Cajal sunt corpurile Gemeni de Cajal, sau gemeni, al căror nume este derivat din constelația Gemeni, cu referire la relația lor strânsă de „gemeni” cu CB-urile. Gemele sunt similare în mărime și formă cu CB-urile și, de fapt, sunt practic imposibil de distins la microscop. Spre deosebire de CB-uri, gemenele nu conțin ribonucleoproteine nucleare mici (snRNP), dar conțin o proteină numită supraviețuirea neuronului motor (SMN) a cărei funcție este legată de biogeneza snRNP. Se crede că gemele ajută CB-urile în biogeneza snRNP-urilor, deși s-a sugerat, de asemenea, pe baza dovezilor microscopice, că CB-urile și gemele sunt manifestări diferite ale aceleiași structuri. Studii ultrastructurale ulterioare au arătat că gemele sunt gemene ale corpurilor Cajal, diferența constând în componenta de coilină; corpurile Cajal sunt SMN pozitive și coilină pozitive, iar gemele sunt SMN pozitive și coilină negative.
DomeniilePIKA și PTF
DomeniilePIKA, sau asociațiile cariozomale polimorfe interfazice, au fost descrise pentru prima dată în studii microscopice în 1991. Funcția lor rămâne neclară, deși nu se credea că sunt asociate cu replicarea activă a ADN-ului, transcripția sau procesarea ARN-ului. S-a constatat că se asociază adesea cu domenii discrete definite de localizarea densă a factorului de transcripție PTF, care promovează transcripția ARN nuclear mic (ARNnr).
Corpii PML
Corpii leucemiei promielocitice (corpii PML) sunt corpuri sferice care se găsesc împrăștiate în nucleoplasmă, măsurând aproximativ 0,1-1,0 µm. Ei sunt cunoscuți sub o serie de alte denumiri, inclusiv domeniul nuclear 10 (ND10), corpurile Kremer și domeniile oncogene PML. Corpurile PML sunt denumite după una dintre componentele lor majore, proteina leucemiei promielocitare (PML). Ele sunt adesea observate în nucleu în asociere cu corpii Cajal și corpii de clivaj. Șoarecii Pml-//-, care nu sunt capabili să creeze corpuri PML, se dezvoltă în mod normal, fără efecte adverse evidente, demonstrând că corpurile PML nu sunt necesare pentru majoritatea proceselor biologice esențiale.
Splicing speckles
Speckles sunt structuri subnucleare care sunt îmbogățite în factori de splicing ai ARN-ului pre-messenger și sunt localizate în regiunile intercromatină din nucleoplasma celulelor de mamifere. La nivelul microscopului de fluorescență, ele apar ca structuri neregulate, punctate, care variază ca mărime și formă, iar atunci când sunt examinate prin microscopie electronică sunt văzute ca aglomerări de granule de intercromatină. Punctele sunt structuri dinamice și atât componentele lor proteice, cât și cele ARN-proteice pot cicla continuu între puncte și alte locații nucleare, inclusiv situsuri active de transcripție. Studiile privind compoziția, structura și comportamentul speckle-urilor au oferit un model pentru înțelegerea compartimentării funcționale a nucleului și a organizării mașinăriei de expresie a genelor, a snRNP-urilor de splicing și a altor proteine de splicing necesare pentru procesarea pre-ARNm. Din cauza cerințelor schimbătoare ale unei celule, compoziția și localizarea acestor corpuri se modifică în funcție de transcrierea ARNm și de reglarea prin fosforilarea unor proteine specifice. Speculele de splicing sunt, de asemenea, cunoscute sub numele de specule nucleare (nuclear speckles), compartimente ale factorilor de splicing (splicing factor compartiments), clustere de granule de intercromatină (IGCs) și snurposomi B. Snurposomii B se găsesc în nucleele ovocitelor de amfibieni și în embrionii de Drosophila melanogaster. Snurpozomii B apar singuri sau atașați de corpii Cajal în micrografiile electronice ale nucleelor de amfibieni. IGC-urile funcționează ca situsuri de depozitare pentru factorii de splicing.
Paraspecte
Descoperite de Fox et al. în 2002, paraspeckles sunt compartimente de formă neregulată în spațiul intercromatinic al nucleului. Documentate pentru prima dată în celulele HeLa, unde există în general 10-30 per nucleu, se știe acum că paraspeckles există și în toate celulele primare umane, liniile celulare transformate și secțiunile de țesut. Numele lor derivă din distribuția lor în nucleu; „para” este prescurtarea de la paralel, iar „speckles” se referă la speckles de splicing cu care se află întotdeauna în imediata apropiere.
Paraspeckles sechestrează proteinele nucleare și ARN-ul și, astfel, par să funcționeze ca un burete molecular care este implicat în reglarea expresiei genice. Mai mult, paraspeckles sunt structuri dinamice care se modifică ca răspuns la schimbările în activitatea metabolică celulară. Acestea sunt dependente de transcripție și, în absența transcripției ARN Pol II, paraspeckle dispare și toate componentele proteice asociate (PSP1, p54nrb, PSP2, CFI(m)68 și PSF) formează un capac perinucleolar în formă de semilună în nucleolus. Acest fenomen este demonstrat în timpul ciclului celular. În ciclul celular, paraspectele sunt prezente în timpul interfazei și în timpul tuturor mitozelor, cu excepția telofazei. În timpul telofazei, când se formează cei doi nuclei fiice, nu există transcripția ARN Pol II, astfel încât componentele proteice formează în schimb un capac perinucleolar.
Fibrile de pericromatină
Fibrilele de pericromatină sunt vizibile doar la microscopul electronic. Ele sunt localizate lângă cromatina activă din punct de vedere transcripțional și se presupune că sunt locurile de procesare activă a pre-ARNm.
Clastosomi
Clastosomii sunt corpuri nucleare mici (0,2-0,5 µm) descrise ca având o formă inelară groasă datorită capsulei periferice din jurul acestor corpuri. Această denumire derivă din grecescul klastos, rupt și soma, corp. Clastosomii nu sunt de obicei prezenți în celulele normale, ceea ce îi face greu de detectat. Ei se formează în condiții proteolitice ridicate în interiorul nucleului și se degradează odată ce există o scădere a activității sau dacă celulele sunt tratate cu inhibitori ai proteazomului. Raritatea clastosomilor în celule indică faptul că aceștia nu sunt necesari pentru funcția proteazomului. S-a demonstrat, de asemenea, că stresul osmotic determină formarea de clastosomi. Aceste corpuri nucleare conțin subunități catalitice și reglatoare ale proteazomului și substraturile sale, ceea ce indică faptul că clastosomii sunt locuri de degradare a proteinelor.