核小体

核小体は、高度に組織化された、膜を持たない大きな核構造であり、明確です。 核小体の主な機能は、リボソーム構成要素（rRNA、リボソームタンパク質）の生合成と組み立てである。 リボソームDNA（rDNA）の転写を行うこの部位は、「リボソーム産生装置」と呼ばれている（Alberts et al.1989）。 核小体は電子顕微鏡で可視化することができ、組織や動態は蛍光タンパク質タギングや蛍光光退色後回復法（FRAP）で調べることができる。

非成熟細胞を光学顕微鏡で観察すると、核小体は核の中で最も目立つ構造である（Alberts et al.1989)。 しかし、細胞分裂の初期には、核小体は断片化される（メタフェースではもはや見ることができない）。 しかし、細胞分裂の初期には、核小体は断片化し（メタフェースには見られなくなる）、テロフェースとインターフェースの間の移行期に、クロマチン領域の周りに再び集まり、rDNAの転写が再開される。

核小体は膜で結合されているのではなく、未完成のリボソーム前駆体が結合して大きなネットワークを形成しているように見える（Alberts et al.2004)。 核小体の3つの領域は、フィブリル状の中心部（活発に転写されていないDNAを含む）、密なフィブリル状成分（転写中のRNA分子を含む）、粒状成分（成熟中のリボソーム前駆体粒子を含む）、に区別できる（Alberts et al.1989）。

ヌクレオリはリボソームの生成と成熟を行うので、その内部には大量のリボソームが存在する。 リボソームの生合成以外にも、ヌクレオリは細胞活動において他の役割を担っていると考えられています。 さらに、最近の研究によると、核小体は、様々な著名な低分子RNAの輸送にも関与していることが分かってきた。 核小体は、小分子RNAが成熟し、最終的な細胞内の目的地に到達する過程を手助けしているのです。 さらに、核小体は細胞分裂の際に見えなくなりますが、最近の研究では、細胞周期の調節に関与していることが分かっています。 その非伝統的な役割のいくつかは、ウイルス成分との相互作用、腫瘍抑制因子および癌遺伝子活性の調節、シグナル認識粒子の組み立て、小分子RNA鎖の修飾、老化の制御、テロメラーゼ機能の調節を含む。

初期の細胞学者は、簡単に見える核小体に興味を持ち、1898年のレビューにはおよそ700件の参考文献が掲載されていた（Alberts et al.、1989）。 細胞学者たちは、1940年代までに、核小体に高濃度のRNAとタンパク質が含まれていることを証明しました（Alberts et al.1989）。 1964年、John GurdonとDonald Brownは、アフリカツメガエルXenopus laevisで細胞核小体を発見した。 彼らは、カエルの卵の25%に核小体がなく、そのような卵は生命を維持することができないことを発見しました。 半数の卵には核小体が1つ、25％には2つあった。 そして、核小体には生命維持に必要な機能があると結論づけた。 1966年、マックス・L・バーンスティールとヒュー・ウォレスは、ハイブリダイゼーション実験により、核小体がリボソームDNAをコードしていることを明らかにした。

核小体の形態

核小体は通常3つの形態的に異なる領域からなり、電子顕微鏡（EM）で可視化できる（Hernandez-Verdun 2006a; 2006b; Olson and Dundr 2005; Raška et al.2006; Thiry and Lafontaine 2005）。 Fibrillar Center (FC):

• EMで観察するとわずかに染色されている
• フィブリル (± 50Ǻ in Ø)
• presence of pol I and UBF
• multiple FC in one nucleolus
• 核小体全体の1〜2%しか占めない

2.核小体内の複数のフィブリル。 Dense Fibrillar Center or Dense Fibrillar Component (DFC):

• FCの周囲
• “densely packed fibrils” (30-50 Ø Ǻ)
• で構成され、約17パーセントと大きな割合を占めており、リボソーム生合成に関わる核小体をほぼ反映しています

3.DFCは、FCの周辺を取り囲んでいます ±10パーセントの割合を占めています ±10パーセント

3。 顆粒領域または顆粒成分（Granular Component）。

• FCとDFCの両方を含む領域
• Ø150〜200 Ǻの顆粒からなる
• RNP粒子の存在により顆粒に富む領域
• その割合は約75%である。 核小体全体の容積のうち最も大きな割合を占めている
• が、GCの存在により核小体は膜結合型ではないが、周囲のクロマチンや核小体との境界は通常明瞭である。

核小体の実質的な（追加の）構成要素はクロマチンであり、周囲の核形質からオルガネラに侵入する。

核形質と核小体内部の間には、核小体チャンネルのネットワークを通じて連続したリンクが存在する。 このようにして、分子量2000kDaまでの高分子が核小体全体に容易に分布する。

最後に1つの構造が核小体内で確認され、核小体空胞と呼ばれる。

核小体には複数の核小体液胞が存在するが、それらが何らかの機能的または構造的な目的を果たすかどうかは依然として不明である。

核小体の「三分割」組織（FC、DFC、GC）は一般に受け入れられているが、この特殊な組織は高等真核生物でのみ見られ、無脊髄動物から羊腸動物への移行に伴って二分割組織から進化したとの提案がされている。

核小体とrDNA転写/rRNA処理/リボソームアセンブリ

核小体のアセンブリは非ランダムに発生する。 核小体は核小体組織化領域（NOR’s）と呼ばれる特定の遺伝子座の周囲に形成される。 NORは、以前McClintockによって「核小体組織化要素」と呼ばれ、ゲノム中に複数個存在するrRNA遺伝子のタンデムリピートから構成されている。 例えば、ヒトのゲノムには200以上のrRNA遺伝子のコピーがあり、それらは5つの異なる染色体上に集積している。 典型的な真核生物では、rRNA遺伝子は、プロモーター、内部および外部転写スペーサー（ITS/ETS）、rRNAコード配列（18S, 5.8S, 28S）、外部「非」転写スペーサーからなる（Alberts et al.2002）

リボソーム生合成では、3つの真核生物RNAポリメラーゼ（pol I, II, III）が必要で、これらは協調的に機能する。 この転写が行われるためには、いくつかのpol I関連因子とrDNA特異的な転写因子が必要である。 酵母では、UAF (upstream activating factor)、TBP (tata-box binding protein)、CF (core factor) が最も重要で、これらはプロモーター要素に結合してPIC (pre-initiation complex) を形成し、それがpol Iに認識されている。

ヒトでは、TBPとTBP-associated factors（TAF）からなるプロモーター選択因子SLI、転写開始因子IF、上流結合因子UBFで同様のPICが組み立てられる。

リボソーム遺伝子を転写すると長い前駆分子（45SプレRNA）ができ、この中には内部転写サパー（ITS）と外部転写スペース（ETS）が残っている。 したがって、18S rRNA、5.8Sおよび28S rRNA分子を生成するためには、メチル化およびエンド／エキソヌクレアーゼ活性を伴うさらなるプロセシングが必要である。 RNA修飾酵素は、これらの特異的な配列に結合するガイドRNAとの相互作用によって、それぞれの認識部位に運ばれる。 ガイドRNAは小核球RNA（snoRNA）という種類に属し、タンパク質と複合して小核球-リボ核タンパク質（RNP）粒子（snoRNP）として存在する。 しかし、この生合成には、さらに5S rRNAというRNA分子が必要である。 酵母では、5S rDNAの配列は外部の「非」転写スペーサーに局在し、RNA pol IIIによって核小体で転写される。 高等真核生物や植物では、状況はより複雑で、5S rDNA配列はNORの外側にあり、核小体で転写された後、核小体に取り込まれてリボソームの組み立てに参加する。 この組み立てには、rRNAだけでなく、リボソームタンパク質も関与している。 これらのr-タンパク質をコードする遺伝子は、核小胞内でpol IIによって、タンパク質合成の「通常の」経路（転写、プレmRNA処理、成熟mRNAの核外輸送、細胞質リボソーム上での翻訳）により転写される。 成熟したr-タンパク質は、その後、核小体に再輸入される。 rRNAとr-proteinの会合と成熟により、リボソームの40Sと60Sサブユニットが形成される。 これらは核膜孔複合体を通じて細胞質に輸送され、そこで遊離したままか、小胞体と結合することになります (Alberts et al. 2002; Cooper and Hausman 2007)。

核小体の組織とダイナミクス

複数の核小体タンパク質と小核小体RNA (snoRNA) が会合してリボソーム生合成で必要な処理装置を形成しています。 これらのタンパク質は、メチル化（2′-O-メチル化／pseudouridylation）とプレRNAのエンドヌクレティック切断を通して、新生rRNA転写物の修飾に関与している。 これらの処理段階は、フィブリラリン、ヌクレオリン、U3 snoRNAなどのタンパク質を構成するこれらのsnoRNP（小核-リボ核タンパク質粒子）の存在によって明らかになるように、主にDFC（dense fibrillar component）に限定されている。 このことから、核小体の構成は、rRNAの処理段階に依存し、高度に制御されていることがわかった。 また、これらの観察から、rDNAの転写はFC（fibrillar center）またはFCとDFCの接合部で行われなければならないという仮説が生まれました。これは、プレRNA転写物が成熟rRNAを得るために処理される間にベクトルを外側に移動させるためです。

リボソーム生合成に必要なタンパク質とRNAの完全なセットを考えると、核小体は、rDNA遺伝子の転写に関与するあるタンパク質がその標的領域に結合したために単に形成され、その周囲には新生rRNAの修飾に関わるすべての要素が自然に集まっていると考えることができます。 したがって、リボソーム生合成の結果として組織化が起こる。

この特定の組み立てプロセスについて詳細な見解を得るために、いくつかの実験的アプローチが使用されてきた。 最も重要なのは、目的のタンパク質に「緑色蛍光タンパク質」（GFP）などの蛍光タンパク質を融合させる「蛍光タンパク質タギング」や、タンパク質に融合タンパク質をタギングし、研究領域の蛍光分子をレーザーで漂白する「光退色後蛍光回復法」（FRAP）である。 漂白された分子は外側に、漂白されていない分子は内側に拡散するため、研究対象領域の蛍光強度は回復する。 前者は蛍光複合体の動き（3D+time）を追跡することができ、後者は蛍光タンパク質の滞留時間（ある領域で過ごした時間）の測定（言い換えれば、細胞内移動度の測定）を可能にする。

どちらの実験方法も、核小体タンパク質、ヒストン、DNA結合タンパク質、転写因子、スプライソームなどの核小体関連タンパク質全般をタグ付けできる能力に依拠している。 タグ付けされたタンパク質の滞留時間を追跡・測定することにより、核小体タンパク質と他の核小体構成要素の急速な会合・解離速度、間期中の核小体と核質間の継続的なタンパク質交換、これらの核小体タンパク質と他の核ドメインとの関わりを実証することができた。 例えば、カハール小体（CB）には小型核および核小体リボ核タンパク質が豊富に含まれ、フィブリラリンなどいくつかの核小体関連プロセッシングタンパク質が存在することが分かっている。 そのため、核小体とカハル小体の間に機能的な関係が存在することが提唱されている（Hernandez-Verdun 2006a、2006b）。

いくつかの実験結果から、核小体を構成する要素の採用は非ランダムに起こり、細胞周期の進行に制御されていることが示されている。 有糸分裂の間、転写装置はrDNAと密接に関連したままである。 しかし、転写はサイクリンB/Cdk1プロテインキナーゼ複合体（PMF）により抑制される。 この複合体は有糸分裂の開始時に活性化され、多くのプロテインキナーゼや適切な細胞分裂に必要な細胞再編成に関与する構造タンパク質をリン酸化することにより、核活動を抑制している。 PMFがサイクリンBのタンパク質分解によって分解される有糸分裂末期には、rDNAの転写が再び開始されるのに対応して、核小体がrDNA部位の周りに再び集合する。 核小体タンパク質は、転写に関与するタンパク質とは対照的に、細胞周期のM期には染色体の周辺に局在している。 これは蛍光タンパク質のタグ付けによって可視化することができる。 テロフェーズからG1への移行期には、その大部分がPrenucleolar Bodies (PNB)にグループ化される。 このPNBが、染色体からrDNAの転写が開始された部位への転座を行うのである。 PNBは組み立てのプラットフォームとして、またタンパク質複合体の貯蔵庫として機能し、rDNAの転写部位でプロセシングタンパク質を放出すると考えられている。 フィブリラリンなどの初期プロセシングタンパク質はサイクリンB/Cdk1活性の低下に応答してリクルートされ、B23やNop52などの後期プロセシングタンパク質はサイクリン依存性キナーゼ（cdk）活性に応答してリクルートされる。 このようにして、様々なプロセシングタンパク質を、rRNA合成時に必要とされるタイミングで正確に放出することができる（Hernandez-Verdun 2006a, 2006b）。

核小体に関連するヒト疾患

核小体の誤作動に関連するヒト疾患は、ウイルス感染、核小体活動の増大、または単に核小体タンパク質に影響を及ぼす先天性変異によって引き起こされる。

ウイルスがそのゲノムに核小体標的シグナル（NOS）を含む場合、いくつかのウイルス粒子は核小体に向けられることになる。 ヒト免疫不全ウイルス（HIV）がそうであり、HIV-1 Revタンパク質を核小体に向かわせるのである。 核小体タンパク質B23との相互作用を通じて、HIV-1 mRNAのスプライシングパターンを制御し、スプライシングされないmRNAの細胞質への輸送を促進することによって、その役割を果たす。 Revタンパク質が核小体に局在するのは、ウイルス（スプライスされていない／部分的にスプライスされた）mRNAが核小体から細胞質へ移行するための代替経路を提供するためであると提唱されている。 このようにして、ウイルスmRNAは分解（通常、前（未処理）-mRNAの翻訳から細胞を守るために行われる）から保護される。

核小体活性の増加は、リボソームの過剰生産に影響を与え、最終的には腫瘍形成や癌につながることになる。 このような機能不全の核小体の重要な要因は、c-myc-proto-oncogeneの産物であるc-mycというタンパク質である。 c-mycはpol Iを直接制御し、pol II, IIIの転写に影響を与え、また開始前複合体のSL1成分と結合してpol Iの開始前複合体への動員効率を高めることによってリボソーム生合成を刺激する

さらに、核小体タンパク質に影響を与えるいくつかの先天性突然変異が報告されている。 (Hernandez-Verdun 2006a, 2006b; Raška et al. 2006)

Nucleolar dominance

Nucleolar dominanceはrRNA遺伝子についても示されている。 いくつかの生物、特に植物では、2つの核がハイブリダイゼーション中に1つの細胞に結合すると、発達中の生物は転写のために1セットのrRNA遺伝子を「選択」することができる。 もう一方の親のrRNA遺伝子は抑制され、一般的には転写されないが、抑制された、あるいは「劣った」rRNA遺伝子の再活性化が起こることもある。 このように rRNA 遺伝子の転写が選択的に優先されることを核小体優勢と呼びます。

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全リンク 2018年12月14日検索

• Nucleolus under electron microscope II.日本学術振興会特別研究員(PD)、日本学術振興会特別研究員(PD)、日本学術振興会特別研究員(PD)。

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