Χαρακτηριστικά, δομή, μορφολογία και λειτουργίες του πυρήνα

Το πυρήνα είναι μια κυτταρική δομή που δεν οριοθετείται από μεμβράνη, καθώς είναι μία από τις πιο σημαντικές περιοχές του πυρήνα. Παρατηρείται ως πυκνότερη περιοχή στον πυρήνα και υποδιαιρείται σε τρεις περιοχές: πυκνό ινώδες συστατικό, ινώδες κέντρο και κοκκώδες συστατικό..

Είναι κυρίως υπεύθυνος για τη σύνθεση και συναρμολόγηση των ριβοσωμάτων. Ωστόσο, αυτή η δομή έχει και άλλες λειτουργίες. Περισσότερες από 700 πρωτεΐνες έχουν βρεθεί μέσα στον πυρήνα που δεν εμπλέκονται σε διαδικασίες βιογένεσης ριβοσώματος. Με τον ίδιο τρόπο, ο πυρήνας εμπλέκεται στην ανάπτυξη διαφορετικών παθολογιών.

Ο πρώτος ερευνητής που παρατηρεί την περιοχή του πυρήνα ήταν ο F. Fontana το 1781, περισσότερο από δύο αιώνες πριν. Στη συνέχεια, στα μέσα της δεκαετίας του '30, ο McClintock μπόρεσε να παρατηρήσει αυτή τη δομή στα πειράματά του Zea mays. Από τότε, εκατοντάδες έρευνες επικεντρώθηκαν στην κατανόηση των λειτουργιών και της δυναμικής αυτής της βασικής περιοχής.

Ευρετήριο

• 1 Γενικά χαρακτηριστικά
• 2 Δομή και μορφολογία
  • 2.1 Ιδιωτικά κέντρα
  • 2.2 Πυκνό ινώδες συστατικό και κοκκώδες συστατικό
  • 2.3 Πυρηνική οργανωτική περιοχή
• 3 Λειτουργίες
  • 3.1 Μηχανισμός σχηματισμού ριβοσωματικών RNA
  • 3.2 Οργάνωση ριβοσωμάτων
  • 3.3 Μεταγραφή του ριβοσωμικού RNA
  • 3.4 Συναρμολόγηση ριβοσωμάτων
  • 3.5 Άλλες λειτουργίες
• 4 Ο πυρήνας και ο καρκίνος
• 5 Πυρήνων και ιών
• 6 Αναφορές

Γενικά χαρακτηριστικά

Ο πυρήνας είναι μια εξέχουσα δομή που βρίσκεται μέσα στον πυρήνα των ευκαρυωτικών κυττάρων. Είναι μια "περιοχή" με τη μορφή μιας σφαίρας, αφού δεν υπάρχει κανένας τύπος βιομεμβράνης που να την χωρίζει από τα υπόλοιπα πυρηνικά συστατικά.

Μπορεί να παρατηρηθεί κάτω από το μικροσκόπιο ως υποπεριοχή του πυρήνα όταν το κύτταρο βρίσκεται στη διεπαφή.

Είναι οργανωμένη σε περιοχές που ονομάζονται NORs (για το ακρωνύμιό της στην αγγλική γλώσσα: χρωμοσωματικές περιοχές πυρηνικού οργανωτή), όπου βρίσκονται οι αλληλουχίες που κωδικοποιούν τα ριβοσώματα.

Αυτά τα γονίδια βρίσκονται σε συγκεκριμένες περιοχές των χρωμοσωμάτων. Στους ανθρώπους οργανώνονται παράλληλα στις δορυφορικές περιοχές των χρωμοσωμάτων 13, 14, 15, 21 και 22.

Στον πυρήνα, συμβαίνει η μεταγραφή, επεξεργασία και συναρμολόγηση των υπομονάδων που συνθέτουν τα ριβοσώματα.

Εκτός από την παραδοσιακή λειτουργία του, ο πυρήνας σχετίζεται με πρωτεΐνες καταστολής όγκων, ρυθμιστές κυτταρικού κύκλου και ακόμη πρωτεΐνες από ιούς.

Οι πρωτεΐνες πυρήνων είναι δυναμικές και, προφανώς, η αλληλουχία τους έχει διατηρηθεί κατά τη διάρκεια της εξέλιξης. Από αυτές τις πρωτεΐνες μόνο το 30% έχει συσχετιστεί με τη βιογένεση των ριβοσωμάτων.

Δομή και μορφολογία

Ο πυρήνας διαιρείται σε τρία κύρια συστατικά, διαφοροποιήσιμα με ηλεκτρονική μικροσκοπία: το πυκνό ινώδες συστατικό, το ινώδες κέντρο και το κοκκώδες συστατικό..

Γενικά, περιβάλλεται από συμπυκνωμένη χρωματίνη, που ονομάζεται ετεροχρωματίνη. Οι διαδικασίες μεταγραφής του ριβοσωμικού RNA, η επεξεργασία και η συναρμολόγηση των ριβοσωμικών προδρόμων εμφανίζονται στον πυρήνα.

Η πυρηνίσκος είναι μια δυναμική περιοχή όπου μπορούν να προσαρτηθούν και να διαχωριστούν τα συστατικά πρωτεΐνης γρήγορα πυρηνισκικός συστατικά, δημιουργώντας μια συνεχή ανταλλαγή με πυρηνόπλασμα (εσωτερική ζελατινώδη πυρήνα ουσία).

Στα θηλαστικά, η δομή του πυρήνα ποικίλει ανάλογα με τα στάδια του κυτταρικού κύκλου. Στην προφασική φάση παρατηρείται μια αποδιοργάνωση του πυρήνα και συναρμολογείται και πάλι στο τέλος της μιτωτικής διαδικασίας. Η μέγιστη δραστηριότητα της μεταγραφής στον πυρήνα παρατηρήθηκε στις φάσεις S και G2.

Η δραστικότητα της RNA πολυμεράσης Ι μπορεί να επηρεαστεί από διαφορετικές καταστάσεις φωσφορυλίωσης, τροποποιώντας έτσι τη δραστικότητα του πυρήνα κατά τον κυτταρικό κύκλο. Η σίγαση κατά τη διάρκεια της μίτωσης συμβαίνει με τη φωσφορυλίωση διαφόρων στοιχείων όπως τα SL1 και TTF-1.

Ωστόσο, αυτό το πρότυπο δεν είναι κοινό σε όλους τους οργανισμούς. Για παράδειγμα, στον ζυμομύκητα ο πυρήνας υπάρχει - και είναι ενεργός - σε όλη τη διαδικασία της κυτταρικής διαίρεσης.

Κέντρα ινώδους

Τα γονίδια που κωδικοποιούν το ριβοσωμικό RNA βρίσκονται στα ινιδιακά κέντρα. Αυτά τα κέντρα είναι σαφείς περιοχές που περιβάλλουν πυκνά ινώδη συστατικά. Τα ινιδικά κέντρα είναι μεταβλητά σε μέγεθος και αριθμό, ανάλογα με τον τύπο κυττάρου.

Ένα συγκεκριμένο σχέδιο έχει περιγραφεί σε σχέση με τα χαρακτηριστικά των ινιδιακών κέντρων. Κύτταρα που έχουν υψηλή σύνθεση ριβοσώματος έχουν χαμηλό αριθμό κέντρων ινιδικού, ενώ τα κύτταρα με μειωμένο μεταβολισμό (όπως λεμφοκύτταρα) έχουν μεγαλύτερα κέντρα ινιδικό.

Υπάρχουν ειδικές περιπτώσεις, όπως στους νευρώνες με πολύ ενεργό μεταβολισμό, των οποίων ο πυρήνας έχει ένα γιγαντιαίο ινώδες κέντρο, συνοδευόμενο από μικρότερα μικρότερα κέντρα.

Πυκνό ινώδες συστατικό και κοκκώδες συστατικό

Το πυκνό ινώδες συστατικό και τα ινιδικά κέντρα είναι ενσωματωμένα στο κοκκώδες συστατικό, των οποίων οι κόκκοι έχουν διάμετρο 15 έως 20 nm. Η διαδικασία μεταγραφής (βήμα μόριο DNA σε RNA, που θεωρείται το πρώτο βήμα της γονιδιακής έκφρασης) λαμβάνει χώρα στα όρια των κέντρων ινιδιακών και το πυκνό συστατικό ινιδικό.

Η επεξεργασία του προ-ριβοσωμικού RNA συμβαίνει στο πυκνό ινώδες συστατικό και η διαδικασία εκτείνεται στο κοκκώδες συστατικό. Τα μεταγραφήματα συσσωρεύονται στο πυκνό ινώδες συστατικό και οι πυρηνικές πρωτεΐνες βρίσκονται επίσης στο πυκνό ινώδες συστατικό. Είναι σε αυτή την περιοχή όπου συμβαίνει η συναρμολόγηση των ριβοσωμάτων.

Μετά την ολοκλήρωση αυτής της διαδικασίας συναρμολόγησης του ριβοσωμικού RNA με τις απαραίτητες πρωτεΐνες, αυτά τα προϊόντα εξάγονται στο κυτταρόπλασμα.

Το κοκκώδες συστατικό είναι πλούσιο σε παράγοντες μεταγραφής (SUMO-1 και Ubc9 είναι μερικά παραδείγματα). Τυπικά, ο πυρήνας περιβάλλεται από ετεροχρωματίνη. πιστεύεται ότι αυτό το συμπαγές ϋΝΑ μπορεί να έχει ένα ρόλο στη μεταγραφή του ριβοσωμικού RNA.

Στα θηλαστικά, το ριβοσωμικό DNA στα κύτταρα συμπιέζεται ή σιωπά. Αυτή η οργάνωση φαίνεται να είναι σημαντική για τη ρύθμιση του ριβοσωμικού DNA και για την προστασία της γονιδιωματικής σταθερότητας.

Περιοχή πυρηνικής οργάνωσης

Σε αυτή την περιοχή (NOR) είναι ομαδοποιημένα γονίδια (ριβοσωμικό DNA) που κωδικοποιούν ριβοσωμικό RNA.

Τα χρωμοσώματα που αποτελούν αυτές τις περιοχές ποικίλλουν ανάλογα με το είδος της μελέτης. Στους ανθρώπους είναι στις acrocentics δορυφορική περιφέρειες (κεντρομερίδιο αυτό βρίσκεται κοντά στο ένα άκρο), ειδικά σε ζεύγη 13, 14, 15, 21 και 22.

Οι μονάδες DNA ριβοσώματος αποτελούνται από την μεταγραφόμενη αλληλουχία και από έναν εξωτερικό διαχωριστή απαραίτητο για μεταγραφή με RNA πολυμεράση Ι.

Στους προαγωγούς για ριβοσωμικό DNA, μπορούν να διακριθούν δύο στοιχεία: ένα κεντρικό στοιχείο και ένα στοιχείο που βρίσκεται ανάντη (ανάντη)

Λειτουργίες

Μηχανήματα σχηματισμού ριβοσώματος RNA

Ο πυρήνας μπορεί να θεωρηθεί εργοστάσιο με όλα τα απαραίτητα συστατικά για τη βιοσύνθεση των προδρόμων των ριβοσωμάτων..

Το ριβοσωματικό ή ριβοσωματικό RNA (ριβοσωμικό οξύ), συνήθως συντομευμένο ως rRNA, είναι ένα συστατικό των ριβοσωμάτων και συμμετέχει στη σύνθεση πρωτεϊνών. Αυτό το στοιχείο είναι ζωτικής σημασίας για όλες τις γενεές των ζωντανών όντων.

Το ριβοσωματικό RNA συσχετίζεται με άλλα συστατικά μιας πρωτεϊνικής φύσης. Αυτή η ένωση οδηγεί σε ριβοσωμικές προ-υποθέσεις. Η ταξινόμηση του ριβοσωμικού RNA δίνεται συνήθως με ένα γράμμα "S", υποδεικνύοντας τις μονάδες Svedberg ή συντελεστή καθίζησης.

Οργάνωση ριβοσωμάτων

Τα ριβοσώματα αποτελούνται από δύο υπομονάδες: το μεγαλύτερο ή το μεγαλύτερο και το μικρότερο ή μικρότερο. 

Το ριβοσωμικό RNA των προκαρυωτικών και των ευκαρυωτικών είναι διαφοροποιήσιμο. Στα προκαρυωτικά η μεγάλη υπομονάδα αποτελείται από 50S και 5S ριβοσωμικό RNA και 23S, και η μικρή υπομονάδα 30S και αποτελείται μόνο από 16S ριβοσωμικού RNA.

Αντίθετα, η κύρια υπομονάδα (60S) αποτελείται από ριβοσωματικό RNA 5S, 5.8S και 28S. Η μικρή υπομονάδα (40S) αποτελείται αποκλειστικά από 18S ριβοσωμικό RNA.

Τα γονίδια που κωδικοποιούν ριβοσωμικά RNA 5.8S, 18S και 28S βρίσκονται στον πυρήνα. Αυτά τα ριβοσωμικά RNAs μεταγράφονται ως μία μοναδική μονάδα μέσα στον πυρήνα από RNA πολυμεράση Ι. Η διαδικασία αυτή οδηγεί σε ένα πρόδρομο 45S RNA.

Οι εν λόγω πρόδρομο ριβοσωματικό RNA (45S on) πρέπει να χωριστεί στα συστατικά τους 18S, που ανήκουν στην μικρή υπομονάδα (40S) και την 5.8S και 28S της μεγάλης υπομονάδας (60S).

Το έλλειμμα ριβοσωματικού RNA, 5S, συντίθεται έξω από τον πυρήνα. αντίθετα από τα ομόλογα αυτής, η διαδικασία καταλύεται από την RNA πολυμεράση III.

Μεταγραφή του ριβοσωμικού RNA

Ένα κύτταρο χρειάζεται ένα μεγάλο αριθμό μορίων ριβοσωματικού RNA. Υπάρχουν πολλά αντίγραφα των γονιδίων που κωδικοποιούν αυτόν τον τύπο RNA για να καλύψουν αυτές τις υψηλές απαιτήσεις.

Για παράδειγμα, σύμφωνα με τα δεδομένα που βρέθηκαν στο ανθρώπινο γονιδίωμα, υπάρχουν 200 αντίγραφα για το ριβοσωμικό RNA 5.8S, 18S και 28S. Για το ριβοσωματικό RNA 5S υπάρχουν 2000 αντίγραφα.

Η διαδικασία ξεκινά με το 45S ριβοσωμικό RNA. Αρχίζει με την αφαίρεση του αποστάτη κοντά στο 5 'άκρο. Όταν ολοκληρωθεί η διαδικασία μεταγραφής, αφαιρείται ο απομένον διαχωριστής που βρίσκεται στο 3 'άκρο. Μετά από μετέπειτα εξαλείψεις, λαμβάνεται ώριμο ριβοσωμικό RNA.

Επιπλέον, η επεξεργασία του ριβοσωμικού RNA απαιτεί μια σειρά σημαντικών τροποποιήσεων στις βάσεις του, όπως οι διεργασίες μεθυλίωσης και η μετατροπή της ουριδίνης σε ψευδοουριδίνη..

Στη συνέχεια, εμφανίζεται η προσθήκη πρωτεϊνών και RNA που βρίσκονται στον πυρήνα. Μεταξύ αυτών είναι τα μικρά πυρηνικά RNAs (ARNpn), τα οποία συμμετέχουν στον διαχωρισμό των ριβοσωμικών RNAs στα προϊόντα 18S, 5.8S και 28S.

Τα nRNA διαθέτουν αλληλουχίες συμπληρωματικές του ριβοσωματικού RNA 18S και 28S. Ως εκ τούτου, μπορούν να τροποποιήσουν τις βάσεις του προδρόμου RNA, με μεθυλίωση ορισμένων περιοχών και συμμετοχή στο σχηματισμό της ψευδοουριδίνης..

Συναρμολόγηση των ριβοσωμάτων

Ο σχηματισμός των ριβοσωμάτων περιλαμβάνει τη σύνδεση του προδρόμου ριβοσωμικό RNA, μαζί με ριβοσωματικές πρωτεΐνες και 5S. Οι πρωτεΐνες που εμπλέκονται στη διαδικασία μεταγράφονται από την RNA πολυμεράση II στο κυτταρόπλασμα και πρέπει να μεταφέρονται στον πυρήνα.

Ριβοσωμικές πρωτεΐνες αρχίζουν να συνδέσει με RNA ριβοσωμικό πριν συμβεί οι 45S ριβοσωμικό RNA διαχωρισμού. Μετά τον διαχωρισμό, προστίθενται οι υπόλοιπες ριβοσωμικές πρωτεΐνες και 5S ριβοσωμικό RNA.

Η ωρίμανση του 18S ριβοσωμικού RNA συμβαίνει ταχύτερα. Τέλος, τα "προριβοσωμικά σωματίδια" εξάγονται στο κυτταρόπλασμα.

Άλλες λειτουργίες

Εκτός από τη βιογένεση των ριβοσωμάτων, πρόσφατες έρευνες έχουν διαπιστώσει ότι ο πυρήνας είναι μια πολυλειτουργική οντότητα.

Η πυρηνίσκος εμπλέκεται επίσης στην επεξεργασία και την ωρίμανση των άλλων τύπων RNA, όπως snRNPs (σύμπλοκο πρωτεΐνης και RNA που συνδυάζονται με την pre-mRNA για να σχηματιστεί το σύμπλοκο σωμάτια συναρμογής ή ματίσματος) και κάποια μεταφορά RNA , microRNA και άλλα σύμπλοκα ριβονουκλεοπρωτεΐνης.

Με την ανάλυση των πρωτεϊνών που πυρηνισκικό πρωτεώματος βρέθηκε συνδέονται με τη διεκπεραίωση προ-αγγελιοφόρου RNA, τον έλεγχο του κυτταρικού κύκλου, την αντιγραφή και την επιδιόρθωση του DNA. Η σύσταση πρωτεϊνών πυρήνων είναι δυναμική και αλλάζει υπό διαφορετικές περιβαλλοντικές συνθήκες και κυτταρικό στρες.

Επίσης, υπάρχει μια σειρά παθολογιών που σχετίζονται με την λανθασμένη λειτουργία του πυρήνα. Μεταξύ αυτών είναι η αναιμία Diamond-Blackfan και οι νευροεκφυλιστικές διαταραχές όπως η νόσος του Alzheimer και του Huntington..

Σε ασθενείς με Αλτσχάιμερ υπάρχει μια μεταβολή στα επίπεδα έκφρασης του πυρήνα, σε σύγκριση με υγιείς ασθενείς.

Ο πυρήνας και ο καρκίνος

Περισσότερες από 5000 μελέτες έχουν δείξει τη σχέση μεταξύ κακοήθους πολλαπλασιασμού κυττάρων και της δραστηριότητας του πυρήνα.

Ο στόχος κάποιου ερευνητικού έργου είναι να ποσοτικοποιήσει τις πρωτεΐνες του πυρήνα για κλινικούς διαγνωστικούς σκοπούς. Με άλλα λόγια, επιδιώκουμε να αξιολογήσουμε τον πολλαπλασιασμό του καρκίνου χρησιμοποιώντας αυτές τις πρωτεΐνες ως δείκτη, συγκεκριμένα Β23, νουκλεολίνη, UBF και υπομονάδες της RNA πολυμεράσης Ι.

Από την άλλη πλευρά, έχει βρεθεί ότι η πρωτεΐνη Β23 σχετίζεται άμεσα με την ανάπτυξη του καρκίνου. Παρομοίως, άλλα πυρηνικά συστατικά εμπλέκονται στην ανάπτυξη παθήσεων όπως είναι η οξεία προμυελοκυτταρική λευχαιμία.

Ο πυρήνας και οι ιοί

Υπάρχουν επαρκή αποδεικτικά στοιχεία για να επιβεβαιωθεί ότι οι ιοί, τόσο από φυτά όσο και από ζώα, χρειάζονται τις πρωτεΐνες πυρηνοειδών για να επιτύχουν τη διαδικασία αντιγραφής. Υπάρχουν αλλαγές στον πυρήνα, από την άποψη της μορφολογίας και της πρωτεϊνικής σύνθεσής του, όταν το κύτταρο βιώνει ιογενή λοίμωξη.

Ένας μεγάλος αριθμός πρωτεϊνών έχει βρεθεί ότι προέρχονται από αλληλουχίες DNA και RNA που περιέχουν ιούς και βρίσκονται στον πυρήνα.

Οι ιοί έχουν διαφορετικές στρατηγικές που τους επιτρέπουν να βρίσκεται σε αυτή την περιοχή subnuclear περιέχουν ιικές πρωτεΐνες ως «σήματα» που οδηγούν στην πυρηνίσκο. Αυτές οι ετικέτες είναι πλούσιες σε αμινοξέα αργινίνη και λυσίνη.

Η θέση του ιού στον πυρήνα διευκολύνει την αντιγραφή του και, επιπλέον, φαίνεται να είναι μια απαίτηση για την παθογονικότητα του.

Αναφορές

1. Boisvert, F. Μ., Van Koningsbruggen, S., Navascués, J., & Lamond, Α. Ι. (2007). Ο πολυλειτουργικός πυρήνας. Επισκόπηση της φύσης Βιολογία των μοριακών κυττάρων, 8(7), 574-585.
2. Boulon, S., Westman, B. J., Hutten, S., Boisvert, Ρ.-Μ., & Lamond, Α I. (2010). Το Nucleolus κάτω από το άγχος. Molecular Cell, 40(2), 216-227.
3. Cooper, C.M. (2000). Το κύτταρο: μια μοριακή προσέγγιση. 2η έκδοση. Sinauer Associates. Sirri, V., Urcuqui-Inchima, S., Roussel, Ρ., & Hernandez-Verdun, D. (2008). Nucleolus: το συναρπαστικό πυρηνικό σώμα. Histochemistry και Cell Biology, 129(1), 13-31.
4. Horky, Μ., Kotala, V., Anton, Μ. & WESIERSKA-GADEK, J. (2002). Πυρήνας και απόπτωση. Χρονικά της Ακαδημίας Επιστημών της Νέας Υόρκης, 973(1), 258-264.
5. Leung, Α. Κ., & Lamond, Α. Ι. (2003). Η δυναμική του πυρήνα. Critical Reviews ™ σε έκφραση ευκαρυωτικού γονιδίου, 13(1).
6. Montanaro, L., Treré, D., & Derenzini, Μ. (2008). Nucleolus, Ribosomes και Καρκίνος. Η Αμερικανική Εφημερίδα της Παθολογίας, 173(2), 301-310. http://doi.org/10.2353/ajpath.2008.070752
7. Pederson, Τ. (2011). Το Nucleolus. Cold Spring Harbor προοπτικές στη βιολογία, 3(3), a000638.
8. Τσεκρέκου, Μ., Στρατηγί, Κ., & Chatzinikolaou, G. (2017). Το Nucleolus: Στη Συντήρηση και Επισκευή του Γονιδιώματος. Διεθνής Εφημερίδα Μοριακών Επιστημών, 18(7), 1411.