Nucléolo

El nucléolo está contenido en el núcleo de la célula.

El nucléolo (plural nucléolos) es un subcompartimento grande, distinto y esferoidal del núcleo de las células eucariotas que es el lugar de la síntesis del ARN ribosómico (ARNr) y del ensamblaje de las subunidades ribosómicas. El nucléolo se denomina a veces «orgánulo no membranoso» u «orgánulo sin membrana nuclear» en el sentido más amplio del término orgánulo; sin embargo, los nucléolos carecen de membrana y, por tanto, no son orgánulos en el sentido más técnico de estructuras que están encerradas por separado dentro de su propia membrana lipídica. La mayoría de las células vegetales y animales tienen uno o más nucléolos, pero algunos tipos de células no tienen ninguno.

El nucléolo es una estructura altamente dinámica cuyos componentes se dispersan al inicio de la mitosis y se vuelven a ensamblar al final de la división celular. Este intrincado cuerpo trabaja en cooperación con otros componentes nucleares para proporcionar una valiosa función a la célula. Sin embargo, cuando esta compleja coordinación en las células humanas se interrumpe, como por ejemplo por una infección vírica, mutaciones congénitas o un aumento de la actividad, pueden producirse varias enfermedades humanas.

Descripción general

Esquema de una célula animal típica, que muestra los componentes subcelulares. Organelos:
(1) nucléolo
(2) núcleo
(3) ribosomas (puntitos)
(4) vesícula
(5) retículo endoplásmico rugoso (RE)
(6) aparato de Golgi
(7) citoesqueleto
(8) retículo endoplásmico liso (RE)
(9) mitocondrias
(10) vacuola
(11) citoplasma
(12) lisosoma
(13) centriolos dentro del centrosoma

El nucléolo es una estructura nuclear grande y distinta que está muy organizada y carece de membrana. La función principal del nucléolo es la biogénesis y el ensamblaje de los componentes del ribosoma (ARNr, proteínas ribosómicas). Este lugar de transcripción del ADN ribosómico (ADNr) se ha denominado «máquina productora de ribosomas» (Alberts et al. 1989). El nucléolo puede visualizarse a través de la microscopía electrónica, mientras que la organización y la dinámica pueden estudiarse a través del marcado de proteínas fluorescentes y de la recuperación fluorescente tras el fotoblanqueo (FRAP).

En una célula no mitótica, observada al microscopio de luz, el nucléolo es la estructura más evidente del núcleo (Alberts et al. 1989). Sin embargo, durante las etapas iniciales de la división celular, los nucléolos se fragmentan (ya no pueden verse en metafase). En la transición entre la telofase y la interfase, se reúnen alrededor de las regiones de cromatina donde se reinicia la transcripción del ADNr. Las secuencias de ADNr codifican las moléculas de ARNr (ARN ribosómico) de los ribosomas.

En lugar de estar unido por una membrana, el nucléolo parece estar construido a partir de la unión específica de precursores de ribosomas sin terminar, formando una gran red (Alberts et al. 2004). Se pueden distinguir tres regiones de un nucléolo: un centro fibrilar (que contiene ADN que no se está transcribiendo activamente), un componente fibrilar denso (contiene moléculas de ARN que se están transcribiendo) y un componente granular (contiene partículas precursoras ribosómicas en maduración) (Alberts et al. 1989). Esta última región ayuda a distinguir la frontera con el nucleoplasma circundante, a pesar de la falta de una membrana.

Dado que los nucléolos llevan a cabo la producción y maduración de los ribosomas, en su interior se encuentran grandes cantidades de ribosomas. Además de la biogénesis de los ribosomas, se cree que los nucléolos tienen otras funciones en la actividad celular. Además, según investigaciones recientes, el nucléolo también es responsable del tráfico de varias especies prominentes de ARN pequeños. El nucléolo les ayuda durante su proceso de maduración y ruta hacia su destino celular final. Además, aunque los nucléolos se vuelven invisibles durante la división celular, estudios recientes han descubierto que participan en la regulación del ciclo celular. Varias de sus funciones no tradicionales incluyen la interacción con componentes víricos, la regulación de las actividades de supresores tumorales y oncogenes, el ensamblaje de partículas de reconocimiento de señales, la modificación de pequeñas cadenas de ARN, el control del envejecimiento y la modulación de la función de la telomerasa.

Los primeros citólogos estaban tan interesados en los nucléolos, fácilmente visibles, que una revisión de 1898 enumeraba unas 700 referencias (Alberts et al. 1989). Los citólogos demostraron en la década de 1940 que los nucléolos contienen altas concentraciones de ARN y proteínas (Alberts et al. 1989). En 1964, John Gurdon y Donald Brown descubrieron los nucléolos celulares en la rana de garras africana Xenopus laevis. Descubrieron que el 25% de los huevos de rana no tenían nucléolos y que dichos huevos no eran capaces de vivir. La mitad de los huevos tenía un nucléolo y el 25 por ciento tenía dos. Concluyeron que el nucléolo tenía una función necesaria para la vida. En 1966 Max L. Birnstiel y Hugh Wallace demostraron mediante experimentos de hibridación que los nucléolos codifican el ADN ribosómico.

Morfología del nucléolo

Los nucléolos se componen típicamente de tres regiones morfológicamente distintas, que pueden visualizarse mediante microscopía electrónica (EM) (Hernandez-Verdun 2006a; 2006b; Olson and Dundr 2005; Raška et al. 2006; Thiry and Lafontaine 2005):

1. Centro Fibrilar (FC):

• ligeramente teñido cuando se observa por EM
• compuesto por «fibrillas» (± 50Ǻ en Ø)
• presencia de pol I y UBF
• múltiples FC en un nucléolo
• representa sólo el 1-2 por ciento del volumen total del nucléolo

2. Centro Fibrilar Denso o Componente Fibrilar Denso (CFD):

• alrededor de los CF
• compuesto por «fibrillas densamente empaquetadas» (30-50 Ǻ en Ø)
• ocupa una gran fracción del nucléolo, ± 17 por ciento y refleja aproximadamente el compromiso nucleolar en la biogénesis de los ribosomas

3. Región granular o componente granular (GR):

• región que abarca tanto el FC como el DFC
• constituida por gránulos de 150-200 Ǻ en Ø
• región rica en gránulos debido a la presencia de partículas RNP
• con una fracción de alrededor del 75 por ciento, ocupa la mayor fracción del volumen total del nucléolo
• aunque el nucléolo no está unido a la membrana, debido a la presencia de GC, la frontera con la cromatina y el nucleoplasma circundantes suele ser nítida.

Un componente sustancial (adicional) del nucléolo es la cromatina, que penetra en el orgánulo desde el nucleoplasma circundante.

Un enlace continuo entre el nucleoplasma y las partes internas del nucléolo existe a través de una red de canales nucleolares. De este modo, macromoléculas con un peso molecular de hasta 2000 kDa se distribuyen fácilmente por todo el nucléolo.

Una última estructura se identifica dentro del nucléolo y se denomina vacuola nucleolar. Hay múltiples vacuolas nucleolares en el nucléolo, pero sigue sin estar claro si sirven o no para algún propósito funcional o estructural.

Aunque la organización «tripartita» (FC, DFC, GC) del nucléolo está comúnmente aceptada, se ha propuesto que esta organización particular sólo se observa en eucariotas superiores y que evolucionó desde una organización bipartita con la transición de anamniotas a amniotas. Como reflejo del aumento sustancial de la región intergénica del ADNr, un componente fibrilar original se habría separado en la FC y la DFC (Thiry y Lafontaine 2005).

El nucléolo y la transcripción del ADNr/procesamiento del ARNr/ensamblaje del ribosoma

El ensamblaje del nucléolo ocurre de forma no aleatoria. Los nucléolos se forman alrededor de loci genéticos específicos llamados regiones organizadoras nucleolares (NOR). Descrita anteriormente por McClintock como «elemento organizador nucleolar», una NOR se compone de repeticiones en tándem de genes de ARNr que están presentes en múltiples copias en todo el genoma. El genoma humano, por ejemplo, contiene más de 200 copias del gen de ARNr y están agrupadas en cinco cromosomas diferentes. En un eucariota típico, un gen de ARNr consta de un promotor, espaciadores transcritos internos y externos (ITS/ETS), secuencias codificantes de ARNr (18S, 5.8S, 28S) y un espaciador externo «no transcrito» (Alberts et al. 2002).

En la biogénesis de los ribosomas, se requieren tres ARN polimerasas eucariotas (pol I, II, III), que funcionan de forma coordinada. En una etapa inicial, los genes de ARNr se transcriben como una sola unidad dentro del nucléolo por la ARN pol I. Para que se produzca esta transcripción, se requieren varios factores asociados a la pol I y factores transactores específicos del ARNr. En la levadura, los más importantes son UAF (upstream activating factor), TBP (tata-box binding protein) y CF (core factor), que se unen a elementos promotores y forman el complejo de preiniciación (PIC), que a su vez es reconocido por la pol I.

En los seres humanos, un PIC similar se ensambla con SLI, el factor de selectividad del promotor, que se compone de TBP y factores asociados a TBP (TAF), IF, el factor de iniciación de la transcripción, y UBF, factor de unión aguas arriba.

La transcripción del gen ribosómico produce una molécula precursora larga (45S pre-ARNr), que todavía contiene el sapcer transcrito interno (ITS) y el espaciado transcrito externo (ETS). Por tanto, es necesario un procesamiento posterior, que implica la metilación y la actividad endo/exonucleasa, para generar las moléculas de ARNr 18S, 5,8S y 28S. Las enzimas modificadoras del ARN son llevadas a sus respectivos sitios de reconocimiento mediante la interacción con los ARN guía, que se unen a estas secuencias específicas. Los ARN guía pertenecen a la clase de los pequeños ARN nucleolares (snoRNA), que forman complejos con proteínas y existen como partículas de pequeñas ribonucleoproteínas (RNP) (snoRNP).

Una vez procesado el ARNr, las moléculas de ARNr están listas para ser ensambladas en los ribosomas. Sin embargo, una molécula adicional de ARN, el ARNr 5S, es necesaria para esta biogénesis. En la levadura, la secuencia de ARNr 5S se localiza en el espaciador externo «no transcrito» y es transcrita en el nucléolo por la ARN pol III. En los eucariotas superiores y en las plantas, la situación es más compleja, ya que la secuencia del ADNr 5S se encuentra fuera del NOR y se transcribe en el nucleoplasma, tras lo cual se importa en el nucleolo para participar en el ensamblaje del ribosoma. En este ensamblaje no sólo interviene el ARNr, sino también las proteínas ribosomales. Los genes que codifican estas proteínas r son transcritos por la pol II en el nucleoplasma por una vía «convencional» de síntesis de proteínas (transcripción, procesamiento del pre-ARNm, exportación nuclear del ARNm maduro y traducción en los ribosomas citoplasmáticos). A continuación, las proteínas r maduras se reintroducen en el nucléolo. La asociación y maduración de los ARNr y las proteínas r dan lugar a la formación de las subunidades 40S y 60S del ribosoma. Éstas se exportan a través de los complejos del poro nuclear al citoplasma, donde permanecen libres o se asocian al retículo endoplásmico (Alberts et al. 2002; Cooper y Hausman 2007).

Organización y dinámica nucleolar

Múltiples proteínas nucleolares y pequeños ARN nucleolares (ARNsn) se asocian para formar la maquinaria de procesamiento necesaria en la biogénesis del ribosoma. Participan en la modificación de los transcritos de ARNr nacientes mediante la metilación (2′-O-metilación/pseudouridilación) y el corte endonucleolítico de los pre-ARNs. Estas etapas de procesamiento están confinadas principalmente en el DFC (componente fibrilar denso), tal y como revela la presencia de estos snoRNP (partículas de ribonucleoproteínas pequeñas) que constituyen proteínas, por ejemplo la fibrillarina, la nucleolina y el snoRNA U3. Las proteínas B23 y NOP52, implicadas en etapas posteriores del procesamiento, se localizan en el GC (componente granular).

Esto demuestra que la organización de los nucléolos está muy regulada y depende de las etapas del procesamiento del ARNr. Estas observaciones también han conducido a la hipótesis de que la transcripción del rDNA tiene que ocurrir en el FC (centro fibrilar) o en la unión entre el FC y el DFC debido al movimiento vectorial hacia el exterior de los transcritos de pre-ARN mientras se procesan para producir rRNAs maduros.

Si se considera el conjunto completo de proteínas y ARNs necesarios en la biogénesis del ribosoma, podemos suponer que un nucléolo se forma simplemente porque ciertas proteínas, implicadas en la transcripción de los genes de ARNr, se unen a sus regiones objetivo, y que a su alrededor se produce un ensamblaje espontáneo de todos los elementos implicados en la modificación de los ARNr nacientes. Por lo tanto, la organización se produce como consecuencia de la biogénesis del ribosoma.

Se han utilizado varios enfoques experimentales para obtener una visión detallada sobre este proceso de ensamblaje particular. Los más importantes son el marcado de proteínas fluorescentes, en el que una proteína de interés se fusiona con una proteína fluorescente como la «proteína verde fluorescente» (GFP) y la recuperación fluorescente tras el fotoblanqueo (FRAP), que consiste en marcar una proteína con una proteína de fusión tras lo cual las moléculas fluorescentes de la zona de estudio se blanquean con un láser. La intensidad fluorescente de la zona estudiada se recuperará debido a la difusión hacia el exterior de las moléculas blanqueadas y la difusión hacia el interior de las moléculas no blanqueadas. El primer enfoque permite seguir el movimiento del complejo fluorescente (3D+tiempo) y el segundo permite medir el tiempo de residencia (tiempo de permanencia en una zona determinada) de la proteína fluorescente (en otras palabras, medir la movilidad intracelular).

Ambos métodos experimentales se basan en la capacidad de marcar toda una serie de proteínas asociadas al nucléolo, como proteínas nucleolares, histonas, proteínas de unión al ADN, factores de transcripción y espliceosomas. El seguimiento y la medición del tiempo de permanencia de las proteínas marcadas han permitido demostrar las rápidas tasas de asociación/disociación de las proteínas nucleolares con otros componentes nucleolares, el continuo intercambio de proteínas entre el nucléolo y el nucleoplasma durante la interfase, y la implicación de estas proteínas nucleolares con otros dominios nucleares. Se ha descubierto, por ejemplo, que los cuerpos de Cajal (CB) están enriquecidos en pequeñas ribonucleoproteínas nucleares y nucleolares y que contienen varias proteínas de procesamiento asociadas al núcleo, como la fibrilarina. Por ello se ha propuesto que debe existir una relación funcional entre los nucléolos y los cuerpos de Cajal (Hernández-Verdún 2006a, 2006b).

Varias observaciones experimentales indican que el reclutamiento de los elementos constitutivos del nucléolo se produce de forma no aleatoria y que está regulado por la progresión del ciclo celular. Durante la mitosis, la maquinaria de transcripción permanece estrechamente asociada al ADNr. Sin embargo, la transcripción es reprimida por el complejo proteína quinasa ciclina B/Cdk1 (PMF). Este complejo se activa al inicio de la mitosis y reprime las actividades nucleares fosforilando una serie de proteínas quinasas o proteínas estructurales implicadas en los reordenamientos celulares necesarios para la correcta división celular. Es al final de la mitosis, cuando el PMF se degrada mediante la escisión proteolítica de la ciclina B, cuando los nucleolos se reúnen alrededor de los sitios de ADNr en respuesta al reinicio de la transcripción del ADNr. Las proteínas nucleolares están, en contraste con las proteínas implicadas en la transcripción, localizadas en la periferia de los cromosomas durante la fase M del ciclo celular. Esto puede visualizarse mediante el marcado de proteínas fluorescentes. En la transición de la telofase a G1, la mayoría de ellos se agrupan en Cuerpos Prenucleares (PNB). Son estos PNB los que realizan la translocación de los cromosomas a los lugares donde se ha iniciado la transcripción del ADNr. Se cree que los PNB funcionan como plataforma de ensamblaje y como depósito de complejos proteicos, que liberan las proteínas de procesamiento en los lugares de transcripción del ADNr. Las proteínas de procesamiento tempranas, como la fibrilarina, se reclutan en respuesta a una disminución de la actividad de la ciclina B/Cdk1, mientras que las proteínas de procesamiento tardío, como B23 y Nop52, se reclutan en respuesta a la actividad de la cinasa dependiente de la ciclina (cdk). De este modo, las distintas proteínas de procesamiento pueden liberarse exactamente en el momento en que se necesitan durante la síntesis del ARNr (Hernández-Verdún 2006a, 2006b).

Enfermedades humanas asociadas al nucléolo

Las enfermedades humanas asociadas a un mal funcionamiento del nucléolo pueden estar causadas por infecciones víricas, por un aumento de la actividad nucleolar o simplemente por mutaciones congénitas que afectan a las proteínas nucleolares.

Si un virus contiene una señal de orientación nucleolar (NOS) en su genoma, alguna partícula vírica se dirigirá hacia el nucléolo. Tal es el caso del virus de la inmunodeficiencia humana (VIH), que dirige la proteína Rev del VIH-1 hacia el nucleolo. A través de la interacción con la proteína nucleolar B23, cumple su propósito regulando el patrón de empalme del ARNm del VIH-1, pues promueve la exportación del ARNm no empalmado al citoplasma. Se ha propuesto que la proteína Rev se localiza en el nucléolo para proporcionar una vía de translocación alternativa para el ARNm viral (no empalmado/parcialmente empalmado) desde el nucleoplasma al citoplasma. De este modo, el ARNm viral queda protegido contra la degradación (que normalmente tendría lugar para proteger a la célula contra la traducción del ARNm pre(no procesado)).

Un aumento de la actividad nucleolar repercutirá en la sobreproducción de ribosomas, lo que finalmente conducirá a la tumorogénesis y al cáncer. Un factor clave en estos nucléolos disfuncionales es la proteína c-myc, producto del c-myc-proto-oncogén. Estimula la biogénesis del ribosoma regulando directamente la pol I, influyendo en la transcripción de la pol II, III y asociándose con el componente SL1 del complejo de preiniciación, lo que aumenta la eficiencia del reclutamiento de la pol I al complejo de preiniciación.

Además, se han descrito varias mutaciones congénitas que afectan a las proteínas nucleolares: Síndrome de Weine, Síndrome de Treacher Collins y Síndrome de disqueratosis congénita (Hernández-Verdún 2006a, 2006b; Raška et al. 2006).

Dominancia nucleolar

La dominancia nucleolar también se ha demostrado para los genes del ARNr. En algunos organismos, especialmente en las plantas, cuando dos núcleos se combinan en una sola célula durante la hibridación, el organismo en desarrollo puede «elegir» un conjunto de genes de ARNr para la transcripción. Los genes de ARNr del otro progenitor se suprimen y generalmente no se transcriben, aunque ocasionalmente puede producirse la reactivación de los genes de ARNr suprimidos o «inferiores». Esta preferencia selectiva de la transcripción de los genes de ARNr se denomina dominancia nucleolar.

• Alberts, B., D. Bray, J. Lewis, M. Raff, K. Roberts y J. D. Watson. Molecular Biology of the Cell, 2ª edición. Nueva York: Garland Publishing, 1989. ISBN 0824036956.

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Todos los enlaces recuperados el 14 de diciembre de 2018.

• El nucléolo al microscopio electrónico II.

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