Nukleolus

Nukleolus je obsažen v buněčném jádře.

Nukleolus (množné číslo nucleoli) je velký, samostatný, sféroidní subkompartment jádra eukaryotních buněk, který je místem syntézy ribozomální RNA (rRNA) a sestavování ribozomálních podjednotek. Nukleol se někdy označuje jako „nemembránová organela“ nebo „jaderná organela bez membrány“ v širším slova smyslu; nukleol však nemá membránu, a není tedy organelou v odbornějším smyslu struktury, která je samostatně uzavřena ve vlastní lipidové membráně. Většina rostlinných a živočišných buněk má jedno nebo více nukleolů, ale některé typy buněk nemají žádné.

Nukleolus je vysoce dynamická struktura, z níž se na začátku mitózy rozptýlí složky a na konci buněčného dělení se opět složí. Toto složité těleso funguje ve spolupráci s ostatními jadernými složkami a zajišťuje pro buňku cenné funkce. Pokud je však tato složitá koordinace v lidských buňkách narušena, například virovou infekcí, vrozenými mutacemi nebo zvýšenou aktivitou, může dojít k řadě lidských onemocnění.

Přehled

Schéma typické živočišné buňky se znázorněním subcelulárních složek. Organely:
(1) jádro
(2) jádro
(3) ribozomy (malé tečky)
(4) vezikuly
(5) drsné endoplazmatické retikulum (ER)
(6) Golgiho aparát
(7) cytoskelet
(8) hladké endoplazmatické retikulum (ER)
(9) mitochondrie
(10) vakuola
(11) cytoplazma
(12) lysozom
(13) centrioly v centrozomu

Jádro je velká a samostatná jaderná struktura, která je vysoce organizovaná a nemá membránu. Hlavní funkcí nukleolu je biogeneze a sestavování složek ribozomu (rRNA, ribozomální proteiny). Toto místo přepisu ribozomální DNA (rDNA) bylo označeno jako „stroj na výrobu ribozomů“ (Alberts et al. 1989). Nukleolus lze vizualizovat pomocí elektronové mikroskopie, zatímco jeho organizaci a dynamiku lze studovat pomocí fluorescenčního značení proteinů a fluorescenčního zotavení po vybělení (FRAP).

V nemitotické buňce pozorované pod světelným mikroskopem je nukleolus nejzřetelnější strukturou v jádře (Alberts et al. 1989). Během počátečních fází buněčného dělení jsou však nukleoly fragmentovány (v metafázi již nejsou vidět). Na přechodu mezi telofází a interfází. se znovu shromažďují kolem chromatinových oblastí, kde je znovu zahájena transkripce rDNA. Sekvence rDNA kódují molekuly rRNA (ribozomální RNA) ribozomů.

Namísto toho, aby bylo jádro vázáno membránou, je zřejmě vybudováno specifickým spojením nedokončených prekurzorů ribozomů, které tvoří velkou síť (Alberts et al. 2004). V nukleolu lze rozlišit tři oblasti: fibrilární centrum (obsahuje DNA, která není aktivně přepisována), hustou fibrilární složku (obsahuje přepisované molekuly RNA) a granulární složku (obsahuje zrající ribozomální prekurzory) (Alberts et al. 1989). Tato pozdější oblast pomáhá zřetelně vymezit hranici s okolní nukleoplasmou, a to i přes absenci membrány.

Jelikož v nukleolech probíhá produkce a zrání ribozomů, nachází se v nich velké množství ribozomů. Předpokládá se, že kromě biogeneze ribozomů mají nukleoly i další role v buněčné činnosti. Podle nejnovějších výzkumů jsou navíc nukleoly zodpovědné také za obchodování s různými významnými druhy malých RNA. Nukleolus jim pomáhá během procesu zrání a cesty k jejich konečnému buněčnému cíli. Navíc, ačkoli se nukleoly během buněčného dělení stávají neviditelnými, nedávné studie zjistily, že se podílejí na regulaci buněčného cyklu. Několik jeho netradičních rolí zahrnuje interakci s virovými složkami, regulaci aktivity nádorových supresorů a onkogenů, sestavování částic rozpoznávajících signály, modifikaci malých řetězců RNA, kontrolu stárnutí a modulaci funkce telomerázy.

Raní cytologové se o snadno viditelná nukleoly zajímali natolik, že v přehledu z roku 1898 bylo uvedeno asi 700 odkazů (Alberts et al. 1989). Do 40. let 20. století cytologové prokázali, že nukleoly obsahují vysoké koncentrace RNA a proteinů (Alberts et al. 1989). V roce 1964 objevili John Gurdon a Donald Brown buněčné nukleoly u africké drápaté žáby Xenopus laevis. Zjistili, že 25 % žabích vajíček nemá nukleoly a že taková vajíčka nejsou schopna života. Polovina vajíček měla jeden nukleolus a 25 procent vajíček mělo dva. Došli k závěru, že nukleolus má funkci nezbytnou pro život. V roce 1966 Max L. Birnstiel und Hugh Wallace pomocí hybridizačních experimentů prokázali, že nukleoly kódují ribozomální DNA.

Morfologie nukleolu

Nukleoly se obvykle skládají ze tří morfologicky odlišných oblastí, které lze zviditelnit pomocí elektronové mikroskopie (EM) (Hernandez-Verdun 2006a; 2006b; Olson a Dundr 2005; Raška et al. 2006; Thiry a Lafontaine 2005):

1. Nukleolus se skládá ze tří morfologicky odlišných oblastí, které lze zviditelnit pomocí elektronové mikroskopie (EM). Fibrilární centrum (FC):

• slabě zbarvené při pozorování EM
• složené z „fibril“ (± 50Ǻ v Ø)
• přítomnost pol I a UBF
• více FC v jednom jádře
• představuje pouze 1-2 % celkového objemu jádra

2. Husté fibrilární centrum neboli hustá fibrilární složka (DFC):

• obklopuje FC
• složené z „hustě nabalených fibril“ (30-50 Ǻ v Ø)
• zaujímá velkou část nukleolu, ± 17 procent a zhruba odráží zapojení nukleolů do biogeneze ribozomů

3. Granulární oblast neboli granulární složka (GR):

• oblast zahrnující FC i DFC
• skládající se z granulí 150-200 Ǻ v Ø
• oblast bohatá na granule díky přítomnosti částic RNP
• s podílem asi 75 procent, zaujímá největší část celkového objemu nukleolu
• ačkoli nukleol není díky přítomnosti GC vázán na membránu, hranice s okolním chromatinem a nukleoplazmatem je obvykle zřetelná.

Podstatnou (další) složkou nukleolu je chromatin, který do organely proniká z okolní nukleoplasmy.

Přetržité spojení mezi nukleoplasmou a vnitřními částmi nukleolu existuje prostřednictvím sítě nukleolárních kanálků. Tímto způsobem jsou makromolekuly s molekulovou hmotností až 2000 kDa snadno distribuovány po celém nukleolu.

Jedna z posledních struktur je identifikována uvnitř nukleolu a označuje se jako nukleolární vakuola. V nukleolu se nachází více nukleolárních vakuol, ale zůstává nejasné, zda slouží nějakému funkčnímu nebo strukturnímu účelu.

Ačkoli je obecně přijímána „tripartitní“ organizace (FC, DFC, GC) nukleolu, bylo navrženo, že tato konkrétní organizace je pozorována pouze u vyšších eukaryot a že se vyvinula z bipartitní organizace s přechodem od anamniot k amniotům. Odrazem podstatného zvětšení intergenové oblasti rDNA by bylo rozdělení původní fibrilární složky na FC a DFC (Thiry a Lafontaine 2005).

Nukleolus a transkripce rDNA/zpracování rRNA/sestavování ribozomů

Sestavování nukleolu neprobíhá náhodně. Nukleoly se vytvářejí kolem specifických genetických lokusů nazývaných nukleolární organizační oblasti (NOR). NOR, dříve popsaný McClintockem jako „nukleolární organizující prvek“, se skládá z tandemových opakování genů rRNA, které jsou přítomny ve více kopiích v celém genomu. Například lidský genom obsahuje více než 200 kopií genu rRNA a jsou seskupeny na pěti různých chromozomech. U typického eukaryota se gen rRNA skládá z promotoru, vnitřních a vnějších transkribovaných spacerů (ITS/ETS), kódujících sekvencí rRNA (18S, 5,8S, 28S) a vnějšího „ne“ transkribovaného spaceru (Alberts et al. 2002).

Při biogenezi ribozomů jsou nutné tři eukaryotické polymerázy RNA (pol I, II, III), které fungují koordinovaně. V počáteční fázi jsou geny rRNA přepisovány jako jeden celek v jádře pomocí RNA pol I. Aby tato transkripce mohla proběhnout, je zapotřebí několika faktorů spojených s pol I a transakčních faktorů specifických pro rDNA. U kvasinek jsou nejdůležitější UAF (upstream activating factor), TBP (tata-box binding protein) a CF (core factor), které vážou promotorové elementy a vytvářejí preiniciační komplex (PIC), který je následně rozpoznán pol I.

U člověka je podobný PIC sestaven z SLI, promotorového selektivního faktoru, který se skládá z TBP a faktorů asociovaných s TBP (TAF), IF, transkripčního iniciačního faktoru, a UBF, upstream binding factor.

Při transkripci ribozomálního genu vzniká dlouhá prekurzorová molekula (45S pre-rRNA), která ještě obsahuje vnitřní transkribovaný sapcer (ITS) a vnější transkribovaný sapcer (ETS). K vytvoření molekul 18S rRNA, 5,8S a 28S rRNA je proto nutné další zpracování, které zahrnuje metylaci a endo/exonukleázovou aktivitu. Enzymy modifikující RNA jsou přivedeny do příslušných rozpoznávacích míst prostřednictvím interakce s vodicí RNA, která váže tyto specifické sekvence. Vodicí RNA patří do třídy malých nukleolárních RNA (snoRNA), které jsou komplexovány s proteiny a existují jako částice malých nukleolárních ribonukleoproteinů (RNP) (snoRNP).

Po zpracování rRNA jsou molekuly rRNA připraveny k sestavení do ribozomů. Pro tuto biogenezi je však nezbytná další molekula RNA, 5S rRNA. U kvasinek je sekvence 5S rDNA lokalizována ve vnějším „ne“ přepisovaném spaceru a je přepisována v jádře pomocí RNA pol III. U vyšších eukaryot a rostlin je situace složitější, neboť sekvence 5S rDNA leží mimo NOR a je přepisována v nukleoplasmě, načež je importována do nukleolu, aby se podílela na sestavení ribozomu. Na tomto sestavování se podílí nejen rRNA, ale také ribozomální proteiny. Geny kódující tyto r-proteiny jsou přepisovány pol II v nukleoplasmě „konvenční“ cestou syntézy proteinů (transkripce, zpracování pre-mRNA, jaderný export zralé mRNA a translace na cytoplazmatických ribosomech). Zralé r-proteiny jsou poté opět importovány do jádra. Spojení a zrání rRNA a r-proteinů vede k vytvoření podjednotek 40S a 60S ribosomu. Ty jsou exportovány přes komplexy jaderných pórů do cytoplazmy, kde zůstanou volné nebo se přidruží k endoplazmatickému retikulu (Alberts et al. 2002; Cooper a Hausman 2007).

Jaderná organizace a dynamika

Mnoho jaderných proteinů a malých jaderných RNA (snoRNA) se sdružuje za účelem vytvoření zpracovatelského aparátu potřebného při biogenezi ribozomu. Podílejí se na modifikaci vznikajících transkriptů rRNA prostřednictvím metylace (2′-O-metylace/pseudouridylace) a endonukleolytického štěpení pre-RNA. Tyto fáze zpracování jsou převážně omezeny na DFC (hustou fibrilární složku), jak prozrazuje přítomnost těchto snoRNP (částice malých jaderných ribonukleoproteinů) tvořících proteiny, například fibrillarin, nukleolin a U3 snoRNA. Protein B23 a NOP52, které se podílejí na pozdějších fázích zpracování. jsou lokalizovány v GC (granulární složka).

To ukazuje, že uspořádání nukleol je vysoce regulované a závisí na fázích zpracování rRNA. Tato pozorování také vedla k hypotéze, že k transkripci rDNA musí docházet v FC (fibrilární centrum) nebo na rozhraní mezi FC a DFC kvůli vektorovému pohybu pre-RNA transkriptů směrem ven při jejich zpracování za vzniku zralé rRNA.

Pokud vezmeme v úvahu kompletní soubor proteinů a RNA potřebných při biogenezi ribozomů, můžeme předpokládat, že nukleolus vzniká jednoduše proto, že určité proteiny, které se podílejí na transkripci genů rDNA, se vážou na své cílové oblasti a že všude kolem nich dochází ke spontánnímu shromáždění všech prvků podílejících se na modifikaci vznikajících rRNA. K uspořádání tedy dochází v důsledku biogeneze ribozomů.

K získání podrobného pohledu na tento konkrétní proces sestavování bylo použito několik experimentálních přístupů. K nejdůležitějším patří značení fluorescenčních proteinů, při němž je zájmový protein fúzován s fluorescenčním proteinem, jako je „zelený fluorescenční protein“ (GFP), a fluorescenční zotavení po fotoblehnutí (FRAP), které spočívá ve značení proteinu fúzním proteinem, po němž jsou fluorescenční molekuly ve studované oblasti vyběleny laserem. Intenzita fluorescence ve studované oblasti se obnoví v důsledku difúze vybělených molekul směrem ven a difúze nevybělených molekul směrem dovnitř. První přístup umožňuje sledovat pohyb fluorescenčního komplexu (3D+čas) a druhý umožňuje měřit dobu pobytu (čas strávený v určité oblasti) fluorescenčního proteinu (jinými slovy měřit vnitrobuněčnou mobilitu).

Obě experimentální metody se opírají o možnost značení celé řady proteinů spojených s jádrem, jako jsou nukleolární proteiny, histony, proteiny vázající DNA, transkripční faktory a spliceozomy. Sledování a měření doby setrvání značených proteinů umožnilo prokázat rychlou míru asociace/disociace nukleolárních proteinů s ostatními nukleolárními složkami, kontinuální výměnu proteinů mezi nukleolem a nukleoplasmou během interfáze a zapojení těchto nukleolárních proteinů do dalších jaderných domén. Bylo například zjištěno, že Cajalova tělíska (CB) jsou obohacena o malé jaderné a nukleolární ribonukleoproteiny a že obsahují několik zpracovatelských proteinů spojených s jádrem, jako je fibrillarin. Proto bylo navrženo, že by měl existovat funkční vztah mezi nukleoly a Cajalovými tělísky (Hernandez-Verdun 2006a, 2006b).

Několik experimentálních pozorování naznačuje, že nábor prvků tvořících nukleol probíhá nenáhodně a že je regulován průběhem buněčného cyklu. Během mitózy zůstává transkripční mechanismus úzce spojen s rDNA. Transkripce je však potlačována proteinovým kinázovým komplexem cyklin B/Cdk1 (PMF). Tento komplex se aktivuje na počátku mitózy a potlačuje jaderné aktivity fosforylací řady proteinkináz nebo strukturálních proteinů, které se podílejí na buněčném uspořádání potřebném pro správné dělení buněk. Teprve na konci mitózy, kdy je PMF degradován proteolytickým štěpením cyklinu B, se jádra znovu shromáždí kolem míst s rDNA v reakci na opětovné zahájení transkripce rDNA. Nukleolární proteiny jsou na rozdíl od proteinů zapojených do transkripce lokalizovány na periferii chromozomů během fáze M buněčného cyklu. To lze vizualizovat pomocí fluorescenčního značení proteinů. Při přechodu telofáze do G1 je většina z nich seskupena do prenucleolárních tělísek (PNB). Právě tato PNB provádějí translokaci z chromozomů do míst, kde byla zahájena transkripce rDNA. Předpokládá se, že PNB fungují jako montážní platforma a zásobárna proteinových komplexů, které uvolňují zpracovávající proteiny v místech transkripce rDNA. Časné zpracovatelské proteiny, jako je fibrillarin, se rekrutují v reakci na snížení aktivity cyklinu B/Cdk1, zatímco pozdní zpracovatelské proteiny, jako jsou B23 a Nop52, se rekrutují v reakci na aktivitu cyklin dependentní kinázy (cdk). Tímto způsobem mohou být různé zpracovatelské proteiny uvolněny přesně v době, kdy jsou během syntézy rRNA potřeba (Hernandez-Verdun 2006a, 2006b).

Lidská onemocnění spojená s jádrem

Lidská onemocnění spojená s poruchou funkce jádra mohou být způsobena virovými infekcemi, zvýšenou aktivitou jádra nebo jednoduše vrozenými mutacemi ovlivňujícími proteiny jádra.

Pokud virus obsahuje ve svém genomu signál zaměřený na jádro (NOS), bude některá virová částice směřovat k jádru. Tak je tomu v případě viru lidské imunodeficience (HIV), který směruje protein Rev viru HIV-1 do nukleolu. Díky interakci s nukleolárním proteinem B23 slouží svému účelu tím, že reguluje vzorec sestřihu mRNA HIV-1, neboť podporuje export nesestřižené mRNA do cytoplazmy. Bylo navrženo, že protein Rev je lokalizován v nukleolu, aby zajistil alternativní cestu translokace virové (nesestřižené/částečně sestřižené) mRNA z nukleoplasmy do cytoplazmy. Tímto způsobem je virová mRNA chráněna před degradací (která by normálně probíhala za účelem ochrany buňky před translací pre(nezpracované)-mRNA).

Zvýšená nukleolární aktivita bude mít vliv na nadprodukci ribozomů, což nakonec povede k nádorovému bujení a rakovině. Klíčovým faktorem těchto dysfunkčních nukleolů je protein c-myc, produkt c-myc-proto-onkogenu. Ten stimuluje biogenezi ribozomů přímou regulací pol I, ovlivněním transkripce pol II, III a spojením se složkou SL1 preiniciačního komplexu, což zvyšuje účinnost náboru pol I do preiniciačního komplexu.

Kromě toho bylo popsáno několik vrozených mutací ovlivňujících nukleolární proteiny: Hernandez-Verdun 2006a, 2006b; Raška et al. 2006).

Nukleolární dominance

Nukleolární dominance byla prokázána také u genů rRNA. U některých organismů, zejména rostlin, si při spojení dvou jader do jedné buňky během hybridizace může vyvíjející se organismus „vybrat“ jednu sadu genů rRNA pro transkripci. Geny rRNA druhého rodiče jsou potlačeny a obvykle se nepřepisují, i když občas může dojít k reaktivaci potlačených nebo „podřadných“ genů rRNA. Tato selektivní preference transkripce genů rRNA se označuje jako nukleolární dominance.

• Alberts, B., D. Bray, J. Lewis, M. Raff, K. Roberts a J. D. Watson. Molekulární biologie buňky, 2. vydání. New York: Garland Publishing, 1989. ISBN 0824036956.

• Alberts, B., A. Johnson, J. Lewis, M. Raff, K. Roberts a P. Walter. 2002. Molekulární biologie buňky, 4. vydání. New York: Garland Science. ISBN 0815332181.

• Cooper, G. M., and R. E. Hausman. 2007. The Cell: A Molecular Approach (Buňka: molekulární přístup). Washington, DC: ASM Press. ISBN 9780878932191.

• Hernandez-Verdun, D. 2006a. [http://www.springerlink.com/content/75n545v0g3186830 Nucleolus: Od struktury k dynamice. Histochem Cell Biol 125: 127-137. Retrieved July 8, 2008.

• Hernandez-Verdun, D. 2006b. Nukleolus: Model organizace jaderných funkcí. Histochem Cell Biol 126: 135-148. Retrieved July 8, 2008.

• Khadzhiolov, A. A. 1985. The Nucleolus and Ribosome Biogenesis [Jádro a biogeneze ribozomů]. Wien: Springer-Verlag. ISBN 3211817905.

• Olson, M. O. J. 2004. Nukleolus. Georgetown, TX: Landes Bioscience/ Eurekah.Com. New York: Kluwer Academic/Plenum Publishers. ISBN 0306478730.

• Olson, M. O. J., and M. Dundr. 2005. Pohyblivé části jádra. Histochem Cell Biol 123: 203-216. Retrieved July 8, 2008.

• Raška, I., P. J. Shaw, and D. Cmarko. 2006. Nové poznatky o architektuře a aktivitě jádra. International Review of Cytology 255: 177-235. Retrieved July 23, 2008.

• Thiry, M., and L. J. Lafontaine. 2005. Zrození jádra: The evolution of nucleolar compartments (Evoluce nukleolárních kompartmentů). Trends in Cell Biology 15 (4). Retrieved July 8, 2008.

• Thiry, M., and G. Goessens. 1996. Nucleolus during the Cell Cycle (Jádro během buněčného cyklu). New York: Springer; Austin, TX: R.G. Landes. ISBN 3540613528.

Všechny odkazy vyhledány 14. prosince 2018.

• Nukleolus pod elektronovým mikroskopem II.

Akrosom | Chloroplast | Cilium/Flagellum | Centriola | Endoplazmatické retikulum | Golgiho aparát | Lysozom | Melanosom | Mitochondrie | Myofibrily. | Jádro | Parenthesom | Peroxisom | Plastid | Ribosom | Vacuola | Vezikula

.