Nukleolusz

A nukleolusz a sejtmagban található.

A nukleolusz (többes számban nukleolusok) az eukarióta sejtek sejtmagjának nagy, elkülönülő, gömb alakú alrészlege, amely a riboszomális RNS (rRNS) szintézisének és a riboszomális alegységek összeszerelésének a helye. A nukleolit néha az organellum kifejezés tágabb értelmében “membrán nélküli organellumnak” vagy “magmembrán nélküli organellumnak” nevezik; a nukleolitok azonban nem rendelkeznek membránnal, és így nem organellumok a saját lipidmembránjukba külön-külön zárt struktúrák technikai értelmében. A legtöbb növényi és állati sejtnek van egy vagy több nukleolusa, de néhány sejttípusnak nincs.

A nukleolus egy rendkívül dinamikus szerkezet, amelyből az összetevők a mitózis kezdetén szétszóródnak, és a sejtosztódás végén újra összeállnak. Ez a bonyolult test más magkomponensekkel együttműködve értékes funkciót lát el a sejt számára. Ha azonban ez a bonyolult koordináció az emberi sejtekben megzavarodik, például vírusfertőzés, veleszületett mutációk vagy fokozott aktivitás következtében, számos emberi betegség alakulhat ki.

Áttekintés

Egy tipikus állati sejt vázlata, amely a szubcelluláris komponenseket mutatja. Organellák:
(1) nukleolus
(2) sejtmag
(3) riboszómák (kis pöttyök)
(4) vezikulum
(5) durva endoplazmatikus retikulum (ER)
(6) Golgi apparátus
(7) citoszkeleton
(8) sima endoplazmatikus retikulum (ER)
(9). mitokondriumok
(10) vakuólum
(11) citoplazma
(12) lizoszóma
(13) centriolák a centroszómán belül

A nukleolus egy nagy és elkülönült magszerkezet, amely rendkívül szervezett és nincs membránja. A nukleolus fő funkciója a riboszóma komponenseinek (rRNS, riboszómális fehérjék) biogenezise és összeszerelése. A riboszómális DNS (rDNS) átírásának ezt a helyét “riboszóma-termelő gépezetnek” nevezik (Alberts és mtsai. 1989). A nukleolus láthatóvá tehető elektronmikroszkópiával, míg szerveződése és dinamikája fluoreszcens fehérje jelöléssel és fluoreszcens helyreállítással fotobleaching után (FRAP) tanulmányozható.

A nemmitotikus sejtben, fénymikroszkóp alatt megfigyelve a nukleolus a legnyilvánvalóbb struktúra a sejtmagban (Alberts et al. 1989). A sejtosztódás kezdeti szakaszában azonban a nukleolusok fragmentálódnak (metafázisban már nem láthatók). A telofázis és az interfázis közötti átmenetkor. újra összeállnak a kromatin régiók körül, ahol az rDNS-transzkripció újraindul. Az rDNS-szekvenciák kódolják a riboszómák rRNS (riboszomális RNS) molekuláit.

A nukleolus a membránkötés helyett úgy tűnik, hogy a befejezetlen riboszóma-prekurzorok specifikus összekapcsolódásából épül fel, egy nagy hálózatot alkotva (Alberts et al. 2004). A nukleolusznak három régiója különböztethető meg: egy fibrilláris centrum (amely aktívan nem átíródó DNS-t tartalmaz), egy sűrű fibrilláris komponens (amely átíródó RNS-molekulákat tartalmaz) és egy szemcsés komponens (amely érő riboszóma prekurzor részecskéket tartalmaz) (Alberts et al. 1989). Ez utóbbi régió segít megkülönböztetni a határt a környező nukleoplazmával, a membrán hiánya ellenére.

Mivel a nukleolitok végzik a riboszómák termelését és érését, nagyszámú riboszóma található bennük. A riboszómák biogenezise mellett a nukleóliáknak feltehetően más szerepe is van a sejtek működésében. Emellett a legújabb kutatások szerint a nukleolusok felelősek a különböző kiemelkedő kis RNS-fajok kereskedelméért is. A nukleolus segíti őket érési folyamatuk során és a végső sejtszintű rendeltetési helyükre vezető útjukon. Továbbá, bár a sejtosztódás során a nukleolusok láthatatlanná válnak, a legújabb vizsgálatok szerint részt vesznek a sejtciklus szabályozásában. Számos nem hagyományos szerepe közé tartozik a víruskomponensekkel való kölcsönhatás, a tumorszupresszor és onkogén aktivitás szabályozása, a jelfelismerő részecskék összeszerelése, a kis RNS-szálak módosítása, az öregedés szabályozása és a telomeráz működésének modulálása.

A korai citológusok annyira érdeklődtek a könnyen látható nukleolusok iránt, hogy egy 1898-as áttekintés mintegy 700 hivatkozást sorolt fel (Alberts et al. 1989). A citológusok az 1940-es évekre kimutatták, hogy a nukleóliumok nagy koncentrációban tartalmaznak RNS-t és fehérjéket (Alberts et al. 1989). 1964-ben John Gurdon és Donald Brown felfedezte a sejtmagocskákat az afrikai karmos békában, a Xenopus laevisben. Megállapították, hogy a békapeték 25 százalékának nem volt nukleolusa, és az ilyen peték nem voltak életképesek. A tojások felének egy, 25 százalékának pedig két nukleolusa volt. Arra a következtetésre jutottak, hogy a nukleolusznak az élethez szükséges funkciója van. 1966-ban Max L. Birnstiel és Hugh Wallace hibridizációs kísérletekkel kimutatták, hogy a nukleolusok a riboszómális DNS-t kódolják.

A nukleolus morfológiája

A nukleolusok jellemzően három, morfológiailag elkülönülő régióból állnak, amelyek elektronmikroszkópiával (EM) láthatóvá tehetők (Hernandez-Verdun 2006a; 2006b; Olson és Dundr 2005; Raška és mtsai. 2006; Thiry és Lafontaine 2005):

1. Fibrilláris központ (FC):

• könnyen festődik, amikor EM-mel megfigyelik
• “fibrillákból” (± 50Ǻ Ø-ben)
• pol I és UBF jelenléte
• több FC egy nukleoluszban
• a nukleolusz teljes térfogatának csak 1-2 százalékát teszi ki

2. Sűrű fibrilláris központ vagy sűrű fibrilláris komponens (DFC):

• a FC-ket körülvevő
• sűrűn csomagolt fibrillumokból álló “sűrűn csomagolt fibrillumok” (30-50 Ǻ Ø)
• a nukleolusz nagy részét, ± 17 százalékát foglalja el, és nagyjából a riboszóma biogenezisében való nukleoláris részvételt tükrözi

3. Granuláris régió vagy granuláris komponens (GR):

• a FC-t és a DFC-t is magába foglaló régió
• 150-200 Ǻ Ø-jű szemcsékből álló
• granulátumokban gazdag régió az RNP-részecskék jelenléte miatt
• melyek aránya körülbelül 75 százalék, a teljes nukleolusz térfogatának legnagyobb hányadát foglalja el
• bár a nukleolusz nem membránhoz kötött, a GC jelenléte miatt a határ a környező kromatinnal és nukleoplazmával általában jól kivehető.

A nukleolusz jelentős (további) összetevője a kromatin, amely a környező nukleoplazmából hatol be az organellumba.

A nukleoplazma és a nukleolusz belső részei között folyamatos kapcsolat van a nukleolusz csatornák hálózatán keresztül. Ily módon az akár 2000 kDa molekulatömegű makromolekulák könnyen eloszlanak a nukleoluszban.

A nukleoluszon belül még egy utolsó szerkezetet azonosítottak, amelyet nukleoláris vakuólumnak neveznek. A nukleoluszban több nukleoláris vakuolum található, de továbbra sem világos, hogy ezek valamilyen funkcionális vagy szerkezeti célt szolgálnak-e.

Noha a nukleolusz “hármas tagoltságú” szerveződése (FC, DFC, GC) általánosan elfogadott, felvetették, hogy ez a különleges szerveződés csak magasabb eukariótákban figyelhető meg, és hogy az anamniótákból az amniótákba való átmenet során fejlődött ki a kétrészes szerveződésből. Az rDNS intergenikus régió jelentős növekedését tükrözve egy eredeti fibrilláris komponens szétvált volna FC-re és DFC-re (Thiry és Lafontaine 2005).

A nukleolus és az rDNS-átírás/rRNS-feldolgozás/riboszóma-összeszerelés

A nukleolus összeszerelése nem véletlenszerűen történik. A nukleolusok specifikus genetikai lókuszok, az úgynevezett nukleoláris szerveződő régiók (NOR-ok) körül alakulnak ki. A korábban McClintock által “nukleoláris szervező elemként” leírt NOR az rRNS gének tandem ismétlődéseiből áll, amelyek több példányban vannak jelen a genomban. Az emberi genom például az rRNS-gén több mint 200 kópiáját tartalmazza, és ezek öt különböző kromoszómán csoportosulnak. Egy tipikus eukariótában egy rRNS gén egy promóterből, belső és külső átírt spacerekből (ITS/ETS), rRNS kódoló szekvenciákból (18S, 5.8S, 28S) és egy külső “nem” átírt spacerből áll (Alberts és mtsai. 2002).

A riboszóma biogeneziséhez három eukarióta RNS-polimerázra (pol I, II, III) van szükség, amelyek összehangoltan működnek. A kezdeti szakaszban az rRNS-géneket a nukleoluszon belül egyetlen egységként írja át az RNS pol I. Ahhoz, hogy ez a transzkripció megtörténjen, számos pol I-hez kapcsolódó faktor és rDNS-specifikus transzakciós faktor szükséges. Élesztőben a legfontosabbak az UAF (upstream activating factor), a TBP (tata-box binding protein) és a CF (core factor), amelyek promóter elemeket kötnek meg és alkotják a pre-iniciációs komplexet (PIC), amelyet viszont a pol I felismer.

Az emberben hasonló PIC áll össze az SLI-vel, a promóter-szelektivitási faktorral, amely TBP-ből és TBP-asszociált faktorokból (TAF), IF-ből, a transzkripcióindító faktorból és UBF-ből, az upstream kötőfaktorból áll.

A riboszómális gén transzkripciója egy hosszú prekurzor molekulát (45S pre-rRNS) eredményez, amely még tartalmazza a belső átírt sapcerát (ITS) és a külső átírt spacert (ETS). A 18S rRNS, 5,8S és 28S rRNS molekulák létrehozásához tehát további feldolgozásra van szükség, amely metilációt és endo/exonukleáz aktivitást foglal magában. Az RNS-módosító enzimek az ezeket a specifikus szekvenciákat megkötő guide RNS-ekkel való kölcsönhatás révén jutnak el a megfelelő felismerési helyekre. A vezető RNS-ek a kis nukleoláris RNS-ek (snoRNS-ek) osztályába tartoznak, amelyek fehérjékkel komplexet alkotnak, és kis nukleoláris-ribonukleoprotein (RNP) részecskék (snoRNP-k) formájában léteznek.

Az rRNS feldolgozása után az rRNS-molekulák készen állnak a riboszómákba való összeállításra. Ehhez a biogenezishez azonban egy további RNS-molekula, az 5S rRNS szükséges. Élesztőben az 5S rDNS szekvencia a külső “nem” átírt spacerben lokalizálódik, és a nukleoluszban az RNS pol III írja át. A magasabb eukariótákban és a növényekben a helyzet összetettebb, mivel az 5S rDNS-szekvencia a NOR-on kívül helyezkedik el, és a nukleoplazmában íródik át, majd a nukleoluszba importálódik, hogy részt vegyen a riboszóma összerakásában. Ebben az összeszerelésben nemcsak az rRNS, hanem a riboszómális fehérjék is részt vesznek. Az ezeket az r-fehérjéket kódoló géneket a pol II a nukleoplazmában írja át a fehérjeszintézis “hagyományos” útvonalán (átírás, pre-mRNS-feldolgozás, érett mRNS nukleáris exportja és transzláció a citoplazmatikus riboszómákon). Az érett r-fehérjék ezután visszakerülnek a nukleoluszba. Az rRNS-ek és az r-fehérjék társulása és érése a riboszóma 40S és 60S alegységeinek kialakulását eredményezi. Ezek a nukleáris póruskomplexeken keresztül a citoplazmába exportálódnak, ahol szabadon maradnak, vagy az endoplazmatikus retikulummal társulnak (Alberts és mtsai. 2002; Cooper és Hausman 2007).

Nukleoláris szervezet és dinamika

Multi nukleoláris fehérjék és kis nukleoláris RNS-ek (snoRNS-ek) társulnak a riboszóma biogeneziséhez szükséges feldolgozó gépezet kialakításához. Részt vesznek a naszcens rRNS-transzkriptek módosításában a metiláció (2′-O-metiláció/pseudouridiláció) és a pre-RNS-ek endonukleolitikus hasítása révén. Ezek a feldolgozási szakaszok főként a DFC (sűrű fibrilláris komponens) területére korlátozódnak, amint azt ezen snoRNP-k (kis-nukleáris-ribonukleoprotein részecskék) fehérjék, például a fibrillarin, a nukleolin és az U3 snoRNS jelenléte mutatja. A B23 és a NOP52 fehérje, amelyek a feldolgozás későbbi szakaszaiban vesznek részt. a GC-ben (granuláris komponens) lokalizálódik.

Ez azt mutatja, hogy a nukleolitok szerveződése erősen szabályozott és függ az rRNS-feldolgozás szakaszaitól. Ezek a megfigyelések ahhoz a hipotézishez is vezettek, hogy az rDNS-átírásnak az FC-ben (fibrilláris központ) vagy az FC és a DFC közötti kapcsolódási ponton kell megtörténnie, mivel a pre-RNS-transzkriptumok vektoriális kifelé irányuló mozgása miatt az érett rRNS-ek előállításához szükséges feldolgozás során.

Ha figyelembe vesszük a riboszóma biogeneziséhez szükséges fehérjék és RNS-ek teljes készletét, akkor feltételezhetjük, hogy a nukleolus egyszerűen azért alakul ki, mert bizonyos, az rDNS-gének átírásában részt vevő fehérjék kötődnek a célrégióikhoz, és körülöttük spontán összeáll a születő rRNS-ek módosításában részt vevő összes elem. A szerveződés tehát a riboszóma biogenezisének következményeként következik be.

Azért, hogy részletes képet kapjunk erről a bizonyos összeszerelési folyamatról, többféle kísérleti megközelítést is alkalmaztak. A legfontosabbak a fluoreszcens fehérje jelölés (Fluorescent Protein Tagging), amely során a vizsgálni kívánt fehérjét egy fluoreszcens fehérjével, például a “zöld fluoreszcens fehérjével” (GFP) fuzionálják, valamint a fluoreszcens helyreállítás fotobleaching után (FRAP), amely abból áll, hogy egy fehérjét egy fúziós fehérjével jelölnek, majd a vizsgált területen lévő fluoreszcens molekulákat lézerrel kifehérítik. A vizsgált terület fluoreszcens intenzitása a fehérített molekulák kifelé irányuló diffúziója és a fehérítetlen molekulák befelé irányuló diffúziója miatt helyreáll. Az előbbi megközelítés lehetővé teszi a fluoreszcens komplex mozgásának nyomon követését (3D+idő), az utóbbi pedig a fluoreszcens fehérje tartózkodási idejének (egy adott területen eltöltött idő) mérését (más szóval az intracelluláris mobilitás mérését).

Mindkét kísérleti módszer a nukleolushoz kapcsolódó fehérjék egész sorának, például nukleoláris fehérjéknek, hisztonoknak, DNS-kötő fehérjéknek, transzkripciós faktoroknak és spliceoszómáknak a jelölésére épül. A megjelölt fehérjék tartózkodási idejének követése és mérése lehetővé tette a nukleoláris fehérjék és más nukleoláris komponensek gyors asszociációs/dissociációs sebességének kimutatását, a fehérjék folyamatos cseréjét a nukleolus és a nukleoplazma között az interfázis során, valamint e nukleoláris fehérjék részvételét más nukleáris doménekben. Kiderült például, hogy a Cajal-testek (CB) kis nukleáris és nukleoláris ribonukleoproteinben gazdagodnak, és számos nukleolárisan kapcsolódó feldolgozó fehérjét, például fibrillarint tartalmaznak. Ezért javasolták, hogy a nukleolusok és a Cajal-testek között funkcionális kapcsolatnak kell léteznie (Hernandez-Verdun 2006a, 2006b).

Más kísérleti megfigyelések arra utalnak, hogy a nukleolust alkotó elemek rekrutációja nem véletlenszerűen történik, és a sejtciklus előrehaladása szabályozza. A mitózis során a transzkripciós gépezet szoros kapcsolatban marad az rDNS-szel. A transzkripciót azonban a ciklin B/Cdk1 fehérje kináz komplex (PMF) elnyomja. Ez a komplex a mitózis kezdetén aktiválódik, és a megfelelő sejtosztódáshoz szükséges sejtes átrendeződésekben részt vevő számos fehérjekináz vagy strukturális fehérje foszforilálásával elnyomja a nukleáris aktivitást. A mitózis végén, amikor a PMF a ciklin B proteolitikus hasadása révén lebomlik, a nukleolitok újra összeállnak az rDNS-helyek körül, válaszul az rDNS-transzkripció újraindulására. A nukleoláris fehérjék a transzkripcióban részt vevő fehérjékkel ellentétben a sejtciklus M fázisában a kromoszómák perifériáján lokalizálódnak. Ez fluoreszcens fehérje jelöléssel láthatóvá tehető. A telofázisból a G1-be való átmenetkor többségük prenukleoláris testekbe (PNB) csoportosul. Ezek a PNB-k végzik a transzlokációt a kromoszómákról azokra a helyekre, ahol az rDNS-átírás megkezdődött. Úgy gondolják, hogy a PNB-k összeszerelő platformként és a fehérjekomplexek tárolójaként működnek, amelyek az rDNS-átírás helyein felszabadítják a feldolgozó fehérjéket. A korai feldolgozó fehérjék, mint például a fibrillarin, a ciklin B/Cdk1 aktivitás csökkenésére válaszul rekrutálódnak, míg a késői feldolgozó fehérjék, mint például a B23 és a Nop52, a ciklinfüggő kináz (cdk) aktivitására válaszul rekrutálódnak. Ily módon a különböző feldolgozó fehérjék pontosan akkor szabadulhatnak fel, amikor az rRNS-szintézis során szükség van rájuk (Hernandez-Verdun 2006a, 2006b).

A nukleolushoz kapcsolódó humán betegségek

A nukleolus hibás működésével kapcsolatos humán betegségeket okozhatják vírusfertőzések, fokozott nukleoláris aktivitás, vagy egyszerűen a nukleoláris fehérjéket érintő veleszületett mutációk.

Ha egy vírus a genomjában nukleoláris célszignált (NOS) tartalmaz, akkor a vírusrészecskék egy része a nukleolus felé irányul. Ilyen a humán immunhiány vírus (HIV), amely a HIV-1 Rev fehérjét a nukleolus felé irányítja. A B23 nukleoláris fehérjével való kölcsönhatás révén a HIV-1 mRNS splicing-mintázatának szabályozásával látja el feladatát, ugyanis elősegíti a splicing nélküli mRNS citoplazmába történő exportját. Azt javasolták, hogy a Rev fehérje azért lokalizálódik a nukleoluszban, hogy alternatív transzlokációs utat biztosítson a vírus (splicing nélküli/részlegesen splicingelt) mRNS számára a nukleoplazmából a citoplazmába. Ily módon a vírus mRNS védve van a degradációtól (ami normális esetben a sejt védelmében történne a pre(feldolgozatlan)-mRNS transzlációja ellen).

A fokozott nukleoláris aktivitás a riboszómák túltermelését eredményezi, ami végül tumorgenezishez és rákhoz vezet. Ezeknek a diszfunkcionális nukleolitoknak az egyik kulcstényezője a c-myc fehérje, a c-myc-proto-onkogén terméke. Serkenti a riboszóma biogenezist a pol I közvetlen szabályozásával, a pol II, III transzkripciójának befolyásolásával, valamint a pre-iniciációs komplex SL1 komponenséhez társulva, ami növeli a pol I rekrutációjának hatékonyságát a pre-iniciációs komplexbe.

Mellett számos, a nukleoláris fehérjéket érintő veleszületett mutációt írtak le: Weine-szindróma, Treacher Collins-szindróma és dyskeratosis congenitalis szindróma (Hernandez-Verdun 2006a, 2006b; Raška et al. 2006).

Nukleoláris dominancia

Nukleoláris dominanciát mutattak ki az rRNS-gének esetében is. Egyes szervezetekben, különösen a növényekben, amikor a hibridizáció során két sejtmagot egyesítenek egyetlen sejtben, a fejlődő szervezet “kiválaszthatja” az rRNS-gének egyik készletét az átíráshoz. A másik szülő rRNS-génjei elnyomódnak, és általában nem íródnak át, bár esetenként előfordulhat az elnyomott vagy “alsóbbrendű” rRNS-gének reaktiválódása. Az rRNS-gének átírásának ezt a szelektív preferenciáját nukleoláris dominanciának nevezzük.

• Alberts, B., D. Bray, J. Lewis, M. Raff, K. Roberts és J. D. Watson. A sejt molekuláris biológiája, 2. kiadás. New York: Garland Publishing, 1989. ISBN 0824036956.

• Alberts, B., A. Johnson, J. Lewis, J. Lewis, M. Raff, K. Roberts és P. Walter. 2002. A sejt molekuláris biológiája, 4. kiadás. New York: Garland Science. ISBN 0815332181.

• Cooper, G. M., and R. E. Hausman. 2007. A sejt: molekuláris megközelítés. Washington, DC: ASM Press. ISBN 9780878932191.

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

• Hernandez-Verdun, D. 2006b. A nukleolus: A nukleáris funkciók szerveződésének modellje. Histochem Cell Biol 126: 135-148. Retrieved July 8, 2008.

• Khadzhiolov, A. A. 1985. A nukleolusz és a riboszóma biogenezis. Wien: Springer-Verlag. ISBN 3211817905.

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

• Olson, M. O. J., and M. Dundr. 2005. A nukleolus mozgó részei. Histochem Cell Biol 123: 203-216. Retrieved July 8, 2008.

• Raška, I., P. J. Shaw, and D. Cmarko. 2006. Új betekintés a nukleoláris architektúrába és aktivitásba. International Review of Cytology 255: 177-235. Retrieved July 23, 2008.

• Thiry, M., and L. J. Lafontaine. 2005. Egy nukleolusz születése: A nukleoláris rekeszek evolúciója. Trends in Cell Biology 15 (4). Retrieved July 8, 2008.

• Thiry, M., and G. Goessens. 1996. A nukleolus a sejtciklus során. New York: Springer; Austin, TX: R.G. Landes. ISBN 3540613528.

All links retrieved December 14, 2018.

• Nucleolus under electron microscope II.

Akroszóma | Kloroplasztisz | Cilium/Flagellum | Centriolum | Endoplazmatikus retikulum | Golgi apparátus | Lysoszóma | Melanoszóma | Mitokondrium | Myofibrillum. | Mag | Parenteszóma | Peroxiszóma | Plasztid | Riboszóma | Vákuólum | Vezikulum