Kärnan innehåller nästan hela cellens DNA, omgiven av ett nätverk av fibrösa intermediära filament och omsluten av ett dubbelt membran som kallas ”kärnhölje”. Kärnhöljet skiljer vätskan inuti kärnan, som kallas nukleoplasma, från resten av cellen. Kärnans storlek beror på storleken på den cell den finns i. En kärna upptar vanligtvis cirka 8 % av den totala cellvolymen. Kärnan är den största organellen i djurceller:12 I däggdjursceller är kärnans genomsnittliga diameter cirka 6 mikrometer (µm).
Kärnhölje och porer
Kärnhöljet består av två membran, ett inre och ett yttre kärnmembran. 649 Tillsammans tjänar dessa membran till att separera cellens genetiska material från det övriga innehållet i cellen, och gör det möjligt för kärnan att upprätthålla en miljö som är skild från resten av cellen. Trots att de två membranen ligger nära varandra runt en stor del av kärnan skiljer sig de två membranen väsentligt åt i form och innehåll. Det inre membranet omger kärnans innehåll och utgör dess definierande kant.:14 Inbäddat i det inre membranet binder olika proteiner de intermediära filamenten som ger kärnan dess struktur.:649 Det yttre membranet omsluter det inre membranet och är sammanhängande med det intilliggande endoplasmatiska retikulummembranet.:649 Som en del av det endoplasmatiska retikulummembranet är det yttre kärnmembranet översållat med ribosomer som aktivt översätter proteiner över membranet. :649 Utrymmet mellan de två membranen, det så kallade ”perinukleära utrymmet”, är kontinuerligt med lumenet för det endoplasmatiska retikulumet. :649
Nukleära porer, som utgör vattenkanaler genom höljet, är sammansatta av flera olika proteiner, som kollektivt kallas nukleoporiner. Porerna har en molekylvikt på cirka 60-80 miljoner dalton och består av cirka 50 (i jäst) till flera hundra proteiner (i ryggradsdjur).:622-4 Porerna har en total diameter på 100 nm, men gapet genom vilket molekylerna fritt kan diffundera är endast cirka 9 nm brett, på grund av förekomsten av regleringssystem i porens centrum. Denna storlek tillåter selektivt passage av små vattenlösliga molekyler samtidigt som större molekyler, t.ex. nukleinsyror och större proteiner, hindras från att på ett olämpligt sätt komma in i eller ut ur kärnan. Dessa stora molekyler måste i stället aktivt transporteras in i kärnan. Kärnan i en typisk däggdjurscell har cirka 3 000 till 4 000 porer i hela sitt hölje, varav var och en innehåller en åttafaldigt symmetrisk ringformad struktur på en plats där det inre och det yttre membranet smälter samman. Till ringen är fäst en struktur som kallas kärnkorgen och som sträcker sig in i nukleoplasman, och en rad filamentösa förlängningar som sträcker sig in i cytoplasman. Båda strukturerna tjänar till att förmedla bindning till nukleära transportproteiner.:509-10
De flesta proteiner, ribosomala underenheter och vissa RNA:er transporteras genom porkomplexen i en process som förmedlas av en familj av transportfaktorer som kallas karyoferiner. De karyoferiner som förmedlar förflyttning in i kärnan kallas också importiner, medan de som förmedlar förflyttning ut ur kärnan kallas exportiner. De flesta karyoferiner interagerar direkt med sin last, även om vissa använder adaptorproteiner. Steroidhormoner som kortisol och aldosteron, liksom andra små lipidlösliga molekyler som är involverade i intercellulär signalering, kan diffundera genom cellmembranet och in i cytoplasman, där de binder nukleära receptorproteiner som transporteras in i kärnan. Där fungerar de som transkriptionsfaktorer när de är bundna till sin ligand; i avsaknad av en ligand fungerar många sådana receptorer som histondeacetylaser som undertrycker genuttrycket.:488
Nuclear lamina
I djurceller ger två nätverk av intermediära filament kärnan mekaniskt stöd: Kärnlamina bildar ett organiserat nätverk på den inre sidan av höljet, medan mindre organiserat stöd ges på den cytosoliska sidan av höljet. Båda systemen ger strukturellt stöd för kärnhöljet och förankringsplatser för kromosomer och kärnporer.
Kärnlamina består mestadels av laminproteiner. Liksom alla proteiner syntetiseras laminer i cytoplasman och transporteras senare till kärnans inre, där de monteras ihop innan de införlivas i det befintliga nätverket av kärnlamina. Laminer som finns på membranets cytosoliska sida, t.ex. emerin och nesprin, binder till cytoskelettet för att ge strukturellt stöd. Laminer finns också inne i nukleoplasman där de bildar en annan regelbunden struktur, den så kallade nukleoplasmiska slöjan, som är synlig med hjälp av fluorescensmikroskopi. Slöjans egentliga funktion är oklar, även om den är utesluten från nukleolus och är närvarande under interfasen. Laminstrukturer som utgör slöjan, t.ex. LEM3, binder kromatin och om deras struktur rubbas inhiberas transkriptionen av proteinkodande gener.
Likt komponenterna i andra intermediära filament innehåller laminmonomeren en alfa-helikal domän som används av två monomerer för att slingra sig runt varandra och bilda en dimerstruktur som kallas för en spiral. Två av dessa dimerstrukturer förenas sedan sida vid sida, i ett antiparallellt arrangemang, för att bilda en tetramer som kallas protofilament. Åtta av dessa protofilamenter bildar ett lateralt arrangemang som vrids för att bilda en ropelliknande filament. Dessa filament kan monteras eller demonteras på ett dynamiskt sätt, vilket innebär att förändringar i filamentens längd beror på de konkurrerande hastigheterna för filamentens tillägg och borttagning.
Mutationer i lamingener som leder till defekter i filamentens montering orsakar en grupp sällsynta genetiska sjukdomar som kallas laminopatier. Den mest anmärkningsvärda laminopatien är den familj av sjukdomar som kallas progeria, som orsakar ett för tidigt åldrande hos de drabbade. Den exakta mekanism genom vilken de associerade biokemiska förändringarna ger upphov till den åldrade fenotypen är inte väl förstådd.
Kromosomer
Cellkärnan innehåller majoriteten av cellens genetiska material i form av flera linjära DNA-molekyler som är organiserade i strukturer som kallas kromosomer. Varje mänsklig cell innehåller ungefär två meter DNA:405 Under större delen av cellcykeln är dessa organiserade i ett DNA-proteinkomplex som kallas kromatin, och under celldelningen kan man se att kromatinet bildar de väldefinierade kromosomer som man känner igen från en karyotyp. En liten del av cellens gener finns istället i mitokondrierna.:438
Det finns två typer av kromatin. Euchromatin är den mindre kompakta DNA-formen och innehåller gener som ofta uttrycks av cellen. Den andra typen, heterokromatin, är den mer kompakta formen och innehåller DNA som sällan transkriberas. Denna struktur kategoriseras vidare i fakultativt heterokromatin, som består av gener som organiseras som heterokromatin endast i vissa celltyper eller vid vissa utvecklingsstadier, och konstitutivt heterokromatin som består av kromosomstrukturella komponenter som telomerer och centromerer. Under interfasen organiserar sig kromatinet i diskreta individuella fläckar, så kallade kromosomterritorier. Aktiva gener, som i allmänhet finns i kromosomens euchromatiska region, tenderar att vara lokaliserade mot kromosomens revirgräns.
Antikroppar mot vissa typer av kromatinorganisation, särskilt nukleosomer, har förknippats med ett antal autoimmuna sjukdomar, t.ex. systemisk lupus erythematosus. Dessa är kända som anti-nukleära antikroppar (ANA) och har också observerats tillsammans med multipel skleros som en del av en allmän dysfunktion i immunsystemet.
Nucleolus
Nukleolus är den största av de diskreta, tätt färgade, membranlösa strukturerna, kända som kärnkroppar, som finns i cellkärnan. Den bildas runt tandemrepetitioner av rDNA, DNA som kodar för ribosomalt RNA (rRNA). Dessa regioner kallas nukleolära organiseringsregioner (NOR). Nukleolus huvudsakliga roller är att syntetisera rRNA och samla ihop ribosomer. Nucleolus strukturella sammanhållning är beroende av dess aktivitet, eftersom ribosomernas sammansättning i nucleolus resulterar i en tillfällig förening av nukleolära komponenter, vilket underlättar ytterligare ribosomernas sammansättning och därmed ytterligare förening. Denna modell stöds av observationer att inaktivering av rDNA resulterar i sammanblandning av nukleolära strukturer.
I det första steget av ribosomernas sammansättning transkriberar ett protein som kallas RNA-polymeras I rDNA, vilket bildar en stor pre-rRNA-prekursor. Denna klyvs till två stora rRNA-underenheter – 5,8S och 28S – och en liten rRNA-underenhet 18S.:328 Transkriptionen, den posttranskriptionella bearbetningen och sammansättningen av rRNA sker i nukleolus, med hjälp av små nukleolära RNA-molekyler (snoRNA), av vilka en del härstammar från skarvade introner från budbärar-RNA:n som kodar för gener som är relaterade till ribosomal funktion. De sammansatta ribosomala subenheterna är de största strukturerna som passerar genom kärnporerna.:526
När nukleolus observeras i elektronmikroskop kan man se att den består av tre urskiljbara regioner: de innersta fibrillära centra (FC), omgivna av den täta fibrillära komponenten (DFC) (som innehåller fibrillarin och nukleolin), som i sin tur avgränsas av den granulära komponenten (GC) (som innehåller proteinet nukleophosmin). Transkription av rDNA sker antingen i FC eller vid gränsen mellan FC och DFC, och när transkriptionen av rDNA i cellen ökar upptäcks därför fler FC. Det mesta av klyvningen och modifieringen av rRNA sker i DFC, medan de senare stegen som involverar proteinmontering på de ribosomala underenheterna sker i GC.
Andra kärnkroppar
| Strukturens namn | Strukturens diameter | Ref. |
|---|---|---|
| Cajalkroppar | 0,2-2,0 µm | |
| Clastosomer | 0,2-0.5 µm | |
| PIKA | 5 µm | |
| PML-kroppar | 0,2-1,0 µm | |
| Paraspeckles | 0.5-1,0 µm | |
| Speckles | 20-25 nm |
Bortsett från nukleolen innehåller kärnan ett antal andra kärnkroppar. Dessa inkluderar Cajalkroppar, gemini of Cajalkroppar, polymorphic interphase karyosomal association (PIKA), promyelocytisk leukemi (PML) kroppar, paraspeckles och splicing speckles. Även om man vet lite om ett antal av dessa domäner är de betydelsefulla eftersom de visar att nukleoplasman inte är en enhetlig blandning utan snarare innehåller organiserade funktionella subdomäner.
Andra subkärniga strukturer uppträder som en del av onormala sjukdomsprocesser. Till exempel har förekomsten av små intranukleära stavar rapporterats i vissa fall av nemalinmyopati. Detta tillstånd beror vanligtvis på mutationer i aktin, och själva stavarna består av muterat aktin samt andra cytoskeletala proteiner.
Cajalkroppar och ädelstenar
En kärna innehåller vanligtvis mellan en och tio kompakta strukturer som kallas Cajalkroppar eller coiled bodies (CB), vars diameter mäter mellan 0,2 µm och 2,0 µm beroende på celltyp och art. När de ses i elektronmikroskop liknar de bollar av trassliga trådar och är täta fördelningscentra för proteinet coilin. CBs är involverade i ett antal olika roller som rör RNA-bearbetning, särskilt mognad av små nukleolära RNA (snoRNA) och små nukleära RNA (snRNA) samt histon mRNA-modifiering.
Som liknar Cajalkroppar är Gemini of Cajal-kroppar, eller gems, vars namn härstammar från Gemini-konstellationen med hänvisning till deras nära ”tvilling”-förhållande till CBs. Ädelstenar liknar i storlek och form CBs, och är i själva verket praktiskt taget omöjliga att skilja åt i mikroskopet. Till skillnad från CB:s innehåller ädelstenar inte små nukleära ribonukleoproteiner (snRNP), men de innehåller ett protein som kallas survival of motor neuron (SMN), vars funktion är kopplad till snRNP-biogenesen. Man tror att ädelstenar hjälper CBs i snRNP-biogenesen, men det har också föreslagits utifrån mikroskopiska bevis att CBs och ädelstenar är olika manifestationer av samma struktur. Senare ultrastrukturella studier har visat att gems är tvillingar av Cajalkroppar med skillnaden i coilinkomponenten; Cajalkroppar är SMN-positiva och coilin-positiva och gems är SMN-positiva och coilin-negativa.
PIKA- och PTF-domäner
PIKA-domäner, eller polymorfa interfas-karyosomala associationer, beskrevs för första gången i mikroskopistudier 1991. Deras funktion är fortfarande oklar, även om man inte trodde att de var förknippade med aktiv DNA-replikation, transkription eller RNA-bearbetning. De har visat sig ofta vara associerade med diskreta domäner som definieras av tät lokalisering av transkriptionsfaktorn PTF, som främjar transkription av små nukleära RNA (snRNA).
PML-kroppar
Promyelocytära leukemikroppar (PML-kroppar) är sfäriska kroppar som finns utspridda i hela nukleoplasman och som mäter omkring 0,1-1,0 µm. De är kända under ett antal andra namn, bland annat nuclear domain 10 (ND10), Kremer bodies och PML onkogena domäner. PML-kropparna är uppkallade efter en av deras huvudkomponenter, det promyelocytära leukemiproteinet (PML). De ses ofta i kärnan tillsammans med Cajalkroppar och klyvningskroppar. Pml-/–möss, som inte kan skapa PML-kroppar, utvecklas normalt utan uppenbara negativa effekter, vilket visar att PML-kroppar inte behövs för de flesta viktiga biologiska processer.
Splicing speckles
Speckles är subkärniga strukturer som är berikade på splicingfaktorer för pre-messenger RNA och som är belägna i interkromatinregionerna i nukleoplasman i däggdjursceller. Vid fluorescensmikroskopi framträder de som oregelbundna, punktformade strukturer som varierar i storlek och form, och när de undersöks med elektronmikroskopi ses de som kluster av interkromatinkorn. Speckles är dynamiska strukturer, och både deras proteinkomponenter och RNA-proteinkomponenter kan kontinuerligt cirkulera mellan speckles och andra nukleära platser, inklusive aktiva transkriptionsplatser. Studier av speckles sammansättning, struktur och beteende har gett en modell för att förstå kärnans funktionella kompartmentering och organiseringen av genuttrycksmaskineriet som splicar snRNPs och andra splicingproteiner som är nödvändiga för pre-mRNA-bearbetning. På grund av en cells förändrade krav ändras sammansättningen och placeringen av dessa kroppar i enlighet med mRNA-transkription och reglering via fosforylering av specifika proteiner. Splicing speckles är också kända som nuclear speckles (nuclear specks), splicing factor compartments (SF compartments), interchromatin granule clusters (IGCs) och B snurposomes. B snurposomes finns i amfibiernas oocytkärnor och i Drosophila melanogaster embryon. B-snurposomerna förekommer ensamma eller fästade vid Cajalkropparna i elektronmikrograferna av amfibiernas cellkärnor. IGCs fungerar som lagringsplatser för splicingfaktorerna.
Paraspeckles
Paraspeckles, som upptäcktes av Fox et al. 2002, är oregelbundet formade avdelningar i kärnans interkromatinrum. De dokumenterades först i HeLa-celler, där det i allmänhet finns 10-30 stycken per kärna, men det är nu känt att paraspeckles även finns i alla mänskliga primärceller, transformerade cellinjer och vävnadssektioner. Deras namn kommer från deras fördelning i kärnan; ”para” är en förkortning för parallell och ”speckles” hänvisar till de splicing speckles som de alltid befinner sig i nära anslutning till.
Paraspeckles binder nukleära proteiner och RNA och tycks därmed fungera som en molekylär svamp som är involverad i regleringen av genuttrycket. Vidare är paraspeckles dynamiska strukturer som förändras som svar på förändringar i den cellulära metaboliska aktiviteten. De är transkriptionsberoende och i avsaknad av RNA Pol II-transkription försvinner paraspeckeln och alla dess associerade proteinkomponenter (PSP1, p54nrb, PSP2, CFI(m)68 och PSF) bildar en halvmåneformad perinukleolär hätta i nukleolus. Detta fenomen påvisas under cellcykeln. I cellcykeln förekommer paraspeckles under interfasen och under hela mitosen utom under telofasen. Under telofasen, när de två dotterkärnorna bildas, sker ingen RNA Pol II-transkription så proteinkomponenterna bildar i stället en perinukleolär hätta.
Perikromatinfibriller
Perikromatinfibriller är synliga endast i elektronmikroskop. De ligger bredvid det transkriptionellt aktiva kromatinet och antas vara platser för aktiv pre-mRNA-bearbetning.
Klastosomer
Klastosomer är små kärnkroppar (0,2-0,5 µm) som beskrivs ha en tjock ringform på grund av den perifera kapseln runt dessa kroppar. Namnet härstammar från grekiskans klastos, trasig och soma, kropp. Klastosomer förekommer vanligtvis inte i normala celler, vilket gör dem svåra att upptäcka. De bildas under höga proteolytiska förhållanden i kärnan och bryts ned när aktiviteten minskar eller om cellerna behandlas med proteasomhämmare. Den ringa förekomsten av klastosomer i cellerna tyder på att de inte behövs för proteasomernas funktion. Osmotisk stress har också visat sig orsaka bildandet av klastosomer. Dessa kärnkroppar innehåller katalytiska och regulatoriska underenheter av proteasomen och dess substrat, vilket tyder på att klastosomerna är platser för nedbrytning av proteiner.