Nucleolus

Nucleolul este conținut în nucleul celulei.

Nucleolul (plural nucleoli) este un subcompartiment mare, distinct, sferoidal al nucleului celulelor eucariote, care este locul de sinteză a ARN ribozomal (ARNr) și de asamblare a subunităților ribozomale. Un nucleoli este uneori denumit „organit fără membrană” sau „organit fără membrană nucleară” în sensul mai larg al termenului organit; cu toate acestea, nucleoli nu au membrană și, prin urmare, nu sunt organite în sensul mai tehnic de structuri care sunt închise separat în propria membrană lipidică. Majoritatea celulelor vegetale și animale au unul sau mai mulți nucleoli, dar unele tipuri de celule nu au niciunul.

Nucleolul este o structură foarte dinamică din care componentele sunt dispersate la începutul mitozei și sunt reasamblate la sfârșitul diviziunii celulare. Acest corp complicat lucrează în cooperare cu alte componente nucleare pentru a asigura o funcție valoroasă pentru celulă. Cu toate acestea, atunci când această coordonare complexă din celulele umane este perturbată, cum ar fi prin infecții virale, mutații congenitale sau o activitate crescută, pot rezulta mai multe boli umane.

Vizualizare generală

Schema unei celule animale tipice, care arată componentele subcelulare. Organite:
(1) nucleolul
(2) nucleul
(3) ribozomii (puncte mici)
(4) vezicula
(5) reticulul endoplasmatic rugos (ER)
(6) aparatul Golgi
(7) citoscheletul
(8) reticulul endoplasmatic neted (ER)
(9) mitocondrie
(10) vacuolă
(11) citoplasmă
(12) lizozom
(13) centrioli în cadrul centrosomului

Nucleolul este o structură nucleară mare și distinctă, foarte bine organizată și lipsită de membrană. Funcția principală a nucleolului este biogeneza și asamblarea componentelor ribozomului (ARNr, proteine ribozomale). Acest loc de transcriere a ADN-ului ribozomal (ADNr) a fost denumit „mașină producătoare de ribozomi” (Alberts et al. 1989). Nucleolul poate fi vizualizat prin microscopie electronică, în timp ce organizarea și dinamica acestuia pot fi studiate prin marcarea cu proteină fluorescentă și prin recuperarea fluorescentă după fotodecolorare (FRAP).

Într-o celulă non-mitotică, observată la microscopul optic, nucleolul este cea mai evidentă structură din nucleu (Alberts et al. 1989). Cu toate acestea, în timpul etapelor inițiale ale diviziunii celulare, nucleolii sunt fragmentați (nu mai pot fi văzuți în metafază). La tranziția dintre telofaza și interfaza. ei se reasamblează în jurul regiunilor de cromatină în care este reîncepută transcripția ADNr. Secvențele de ADNr codifică moleculele de ARNr (ARN ribozomal) ale ribozomilor.

În loc să fie legat de o membrană, nucleolul pare să fie construit din legarea specifică a precursorilor de ribozomi neterminate, formând o rețea mare (Alberts et al. 2004). Se pot distinge trei regiuni ale unui nucleolus: un centru fibrilar (care conține ADN care nu este transcris în mod activ), o componentă fibrilară densă (conține molecule de ARN în curs de transcriere) și o componentă granulară (conține particule de precursori ribozomiali în curs de maturare) (Alberts et al. 1989). Această ultimă regiune ajută ca granița cu nucleoplasma înconjurătoare să fie distinctă, în ciuda lipsei unei membrane.

Din moment ce nucleolii realizează producția și maturarea ribozomilor, în interiorul lor se găsesc un număr mare de ribozomi. În plus față de biogeneza ribozomilor, se crede că nucleolii au și alte roluri în activitatea celulară. În plus, conform unor cercetări recente, nucleolul este, de asemenea, responsabil pentru traficul diferitelor specii proeminente de ARN mic. Nucleolul le ajută pe acestea în timpul procesului de maturare și pe traseul către destinația lor celulară finală. Mai mult, deși nucleolii devin invizibili în timpul diviziunii celulare, studii recente au descoperit că aceștia sunt implicați în reglarea ciclului celular. Câteva dintre rolurile sale netradiționale includ interacțiunea cu componentele virale, reglarea activităților supresoare de tumori și oncogene, asamblarea particulelor de recunoaștere a semnalelor, modificarea șirurilor de ARN mic, controlul îmbătrânirii și modularea funcției telomerazei.

Primarii citologi au fost atât de interesați de nucleolii ușor de văzut încât o recenzie din 1898 a enumerat aproximativ 700 de referințe (Alberts et al. 1989). Până în anii 1940, citologii au demonstrat că nucleolii conțin concentrații mari de ARN și proteine (Alberts et al. 1989). În 1964, John Gurdon și Donald Brown au descoperit nucleoli celulari la broasca cu gheare africane Xenopus laevis. Aceștia au constatat că 25 % dintre ouăle de broască nu aveau nucleoli și că astfel de ouă nu erau capabile să trăiască. Jumătate dintre ouă aveau un nucleolus, iar 25 la sută aveau doi. Ei au concluzionat că nucleolul avea o funcție necesară pentru viață. În 1966, Max L. Birnstiel și Hugh Wallace au demonstrat, prin experimente de hibridizare, că nucleolii codifică ADN-ul ribozomal.

Morfologia nucleolului

Nucleolii sunt compuși de obicei din trei regiuni distincte din punct de vedere morfologic, care pot fi vizualizate prin microscopie electronică (EM) (Hernandez-Verdun 2006a; 2006b; Olson și Dundr 2005; Raška et al. 2006; Thiry și Lafontaine 2005):

1. Centrul fibrilar (FC):

• ușor colorat atunci când este observat prin EM
• compus din „fibrile” (± 50Ǻ în Ø)
• prezența pol I și UBF
• multe FC într-un nucleol
• reprezintă doar 1-2 la sută din volumul total al nucleolului

2. Centrul fibrilar dens sau componenta fibrilară densă (DFC):

• înconjoară FC’s
• compus din „fibrile dens împachetate” (30-50 Ǻ în Ø)
• ocupă o fracțiune mare din nucleolus, ± 17 la sută și reflectă aproximativ angajamentul nucleolar în biogeneza ribozomilor

3. Regiunea granulară sau componenta granulară (GR):

• regiune care cuprinde atât FC cât și DFC
• constituită din granule de 150-200 Ǻ în Ø
• regiune bogată în granule datorită prezenței particulelor RNP
• cu o fracțiune de aproximativ 75 la sută, ocupă cea mai mare fracțiune din volumul total al nucleolului
• deși nucleolul nu este legat de membrană, datorită prezenței GC, granița cu cromatina și nucleoplasma înconjurătoare este de obicei distinctă.

O componentă substanțială (suplimentară) a nucleolului este cromatina, care pătrunde în organit din nucleoplasma înconjurătoare.

O legătură continuă între nucleoplasmă și părțile interne ale nucleolului există printr-o rețea de canale nucleolare. În acest fel, macromoleculele cu o greutate moleculară de până la 2000 kDa sunt distribuite cu ușurință în tot nucleolul.

O ultimă structură este identificată în cadrul nucleolului și este denumită vacuolă nucleară. Există mai multe vacuole nucleolare în nucleolus, dar rămâne neclar dacă acestea servesc sau nu vreun scop funcțional sau structural.

Deși organizarea „tripartită'” (FC, DFC, GC) a nucleolului este acceptată în mod obișnuit, s-a propus că această organizare particulară este observată doar la eucariotele superioare și că a evoluat de la o organizare bipartită odată cu trecerea de la anamniote la amniote. Reflectând creșterea substanțială a regiunii intergenice a ADNr, o componentă fibrilară inițială s-ar fi separat în FC și DFC (Thiry și Lafontaine 2005).

Nucleolul și transcrierea ADNr/ procesarea ARNr/ asamblarea ribozomilor

Asamblarea nucleolului are loc în mod nealeatoriu. Nucleolii se formează în jurul unor loci genetici specifici numiți regiuni organizatoare nucleolare (NOR). Descrisă anterior de McClintock ca „element organizator nucleolar”, o NOR este compusă din repetări în tandem ale genelor ARNr care sunt prezente în mai multe exemplare în întregul genom. Genomul uman, de exemplu, conține peste 200 de copii ale genei ARNr și acestea sunt grupate pe cinci cromozomi diferiți. La un eucariot tipic, o genă de ARNr constă dintr-un promotor, distanțieri transcriși interni și externi (ITS/ETS), secvențe codificatoare de ARNr (18S, 5,8S, 28S) și un distanțier extern „netranscris” (Alberts et al. 2002).

În biogeneza ribozomilor, sunt necesare trei ARN polimeraze eucariote (pol I, II, III), care funcționează în mod coordonat. Într-o etapă inițială, genele ARNr sunt transcrise ca o singură unitate în cadrul nucleolului de către ARN pol I. Pentru ca această transcripție să aibă loc, sunt necesari mai mulți factori asociați cu pol I și factori de tranzacție specifici ARNr. La drojdie, cei mai importanți sunt UAF (upstream activating factor), TBP (tata-box binding protein) și CF (core factor), care se leagă de elementele promotoare și formează complexul de preinițiere (PIC), care, la rândul său, este recunoscut de pol I.

La om, un PIC similar este asamblat cu SLI, factorul de selectivitate a promotorului, care este compus din TBP și factorii asociați cu TBP (TAF), IF, factorul de inițiere a transcripției, și UBF, factorul de legare în amonte.

Transcrierea genei ribozomale produce o moleculă precursoare lungă (ARNr 45S pre-rNA), care conține încă sapcerul transcris intern (ITS) și spațial transcris extern (ETS). Prin urmare, este necesară o prelucrare ulterioară, care implică metilarea și activitatea endo/exonucleaselor, pentru a genera moleculele de ARNr 18S, ARNr 5,8S și ARNr 28S. Enzimele de modificare a ARN-ului sunt aduse la situsurile lor de recunoaștere respective prin interacțiunea cu ARN ghid, care se leagă de aceste secvențe specifice. ARN-urile ghid aparțin clasei ARN-urilor nucleolare mici (snoARN-uri), care sunt complexate cu proteine și există sub formă de particule de mici particule nucleolare-ribonucleoproteice (RNP) (snoRNP-uri).

După ce ARNr este procesat, moleculele de ARNr sunt pregătite pentru a fi asamblate în ribozomi. Cu toate acestea, o moleculă suplimentară de ARN, ARNr 5S, este necesară pentru această biogeneză. La drojdie, secvența de ADNr 5S este localizată în spacerul extern „netranscris” și este transcrisă în nucleolus de către ARN pol III. La eucariotele superioare și la plante, situația este mai complexă, deoarece secvența ADNr 5S se află în afara NOR și este transcrisă în nucleoplasmă, după care este importată în nucleolus pentru a participa la asamblarea ribozomului. Această asamblare nu implică doar ARNr, ci și proteinele ribozomale. Genele care codifică aceste proteine r sunt transcrise de pol II în nucleoplasmă printr-o cale „convențională” de sinteză a proteinelor (transcriere, procesare a ARNm, export nuclear al ARNm matur și traducere pe ribozomii citoplasmatici). R-proteinele mature sunt apoi reimportate în nucleolus. Asocierea și maturizarea ARNr și a r-proteinelor r duc la formarea subunităților 40S și 60S ale ribozomului. Acestea sunt exportate prin complexele porilor nucleari în citoplasmă, unde rămân libere sau se vor asocia cu reticulul endoplasmatic (Alberts et al. 2002; Cooper și Hausman 2007).

Organizare și dinamică nucleolară

Multiple proteine nucleolare și ARN nucleolari mici (snoRNA) se asociază pentru a forma mașinăria de procesare necesară în biogeneza ribozomului. Acestea sunt implicate în modificarea transcriptelor de ARNr nașteri prin metilare (2′-O-metilare/pseudouridilare) și clivarea endonucleolitică a pre-ARN-urilor. Aceste etape de procesare sunt limitate în principal în DFC (componenta fibrilară densă), așa cum reiese din prezența acestor snoRNP (particule mici de nucleo-ribonucleoproteine) care constituie proteine, de exemplu fibrilarina, nucleolina și snoARN U3. Proteinele B23 și NOP52, implicate în etapele ulterioare ale procesării. sunt localizate în GC (componenta granulară).

Acest lucru arată că organizarea nucleolelor este foarte reglată și depinde de etapele de procesare a ARNr. Aceste observații au condus, de asemenea, la ipoteza că transcrierea ARNr trebuie să aibă loc în FC (centrul fibrilar) sau la joncțiunea dintre FC și DFC, din cauza mișcării vectoriale spre exterior a transcriptelor pre-ARNr în timp ce acestea sunt procesate pentru a produce ARNr maturi.

Dacă luăm în considerare setul complet de proteine și ARN-uri necesare în biogeneza ribozomului, putem presupune că un nucleolus se formează pur și simplu pentru că anumite proteine, implicate în transcrierea genelor ADNr, se leagă de regiunile lor țintă și că în jurul lor are loc o asamblare spontană a tuturor elementelor implicate în modificarea ARNr-urilor născute. Prin urmare, organizarea are loc ca o consecință a biogenezei ribozomilor.

S-au folosit mai multe abordări experimentale pentru a obține o viziune detaliată asupra acestui proces special de asamblare. Cele mai importante sunt marcarea cu proteină fluorescentă, în care o proteină de interes este fuzionată cu o proteină fluorescentă, cum ar fi „proteina fluorescentă verde” (GFP) și recuperarea fluorescentă după fotodecolorare (FRAP), care constă în marcarea unei proteine cu o proteină de fuziune, după care moleculele fluorescente din zona de studiu sunt albite cu un laser. Intensitatea fluorescentă a zonei studiate își va reveni datorită difuziei spre exterior a moleculelor albite și a difuziei spre interior a moleculelor nealbite. Prima abordare permite urmărirea mișcării complexului fluorescent (3D+timp), iar cea de-a doua permite măsurarea timpului de rezidență (timpul petrecut într-o anumită zonă) al proteinei fluorescente (cu alte cuvinte, măsurarea mobilității intracelulare).

Ambele metode experimentale se bazează pe capacitatea de marcare a unei game întregi de proteine asociate nucleolului, cum ar fi proteinele nucleolare, histonele, proteinele de legare a ADN-ului, factorii de transcripție și spliceosomii. Urmărirea și măsurarea timpului de rezidență a proteinelor marcate a permis demonstrarea ratelor rapide de asociere/disociere a proteinelor nucleolare cu alte componente nucleolare, a schimbului continuu de proteine între nucleol și nucleoplasmă în timpul interfazei și a implicării acestor proteine nucleolare cu alte domenii nucleare. S-a constatat, de exemplu, că corpurile Cajal (CB) sunt îmbogățite în ribonucleoproteine nucleare și nucleolare mici și că acestea conțin mai multe proteine de procesare asociate nucleolarului, cum ar fi fibrillarina. Prin urmare, s-a propus că ar trebui să existe o relație funcțională între nucleoli și corpurile Cajal (Hernandez-Verdun 2006a, 2006b).

Diverse observații experimentale indică faptul că recrutarea elementelor constitutive ale nucleolului are loc în mod nealeatoriu și că este reglată de progresia ciclului celular. În timpul mitozei, mașinăria de transcripție rămâne strâns asociată cu ADNr. Cu toate acestea, transcripția este reprimată de complexul de proteinkina-kinază ciclină B/Cdk1 (PMF). Acest complex este activat la debutul mitozei și reprimă activitățile nucleare prin fosforilarea unui număr de proteine kinazice sau proteine structurale implicate în rearanjamentele celulare necesare pentru o diviziune celulară adecvată. La sfârșitul mitozei, când PMF este degradat prin scindarea proteolitică a ciclinei B, nucleolii se reasamblează în jurul situsurilor ADNr ca răspuns la reînceperea transcripției ADNr. Proteinele nucleolare sunt, spre deosebire de proteinele implicate în transcriere, localizate la periferia cromozomilor în timpul fazei M a ciclului celular. Acest lucru poate fi vizualizat prin marcarea cu proteină fluorescentă. La trecerea de la telofaza la G1, majoritatea acestora sunt grupate în Corpuri prenucleolare (PNB). Aceste PNB sunt cele care efectuează translocarea de la cromozomi la locurile în care a început transcrierea ADNr. Se crede că PNB-urile funcționează ca o platformă de asamblare și ca un rezervor pentru complexele proteice, care eliberează proteinele de procesare la locurile de transcriere a ADNr. Proteinele de procesare timpurie, cum ar fi fibrillarina, sunt recrutate ca răspuns la o scădere a activității ciclinei B/Cdk1, în timp ce proteinele de procesare târzie, cum ar fi B23 și Nop52, sunt recrutate ca răspuns la activitatea kinazei dependente de cicline (cdk). În acest fel, diferitele proteine de procesare pot fi eliberate exact în momentul în care sunt necesare în timpul sintezei ARNr (Hernandez-Verdun 2006a, 2006b).

Bolile umane asociate cu nucleolul

Bolile umane asociate cu o funcționare defectuoasă a nucleolului pot fi cauzate de infecții virale, de o activitate nucleolară crescută sau pur și simplu de mutații congenitale care afectează proteinele nucleolare.

Dacă un virus conține un semnal de direcționare nucleolară (NOS) în genomul său, unele particule virale vor fi direcționate către nucleol. Așa este cazul virusului imunodeficienței umane (HIV), care direcționează proteina Rev HIV-1 către nucleol. Prin interacțiunea cu proteina nucleolară B23, aceasta își îndeplinește scopul prin reglarea modelului de splicing al ARNm HIV-1, deoarece promovează exportul ARNm nesplicat în citoplasmă. S-a propus ca proteina Rev să fie localizată în nucleol pentru a oferi o cale alternativă de translocare a ARNm viral (neîmplicat/parțial splicat) din nucleoplasmă în citoplasmă. În acest fel, ARNm viral este protejat împotriva degradării (care ar avea loc în mod normal pentru a proteja celula împotriva traducerii ARNm pre(neprocesat).

O activitate nucleolară crescută va avea un efect asupra supraproducției de ribozomi, care în cele din urmă va duce la tumorogeneză și cancer. Un factor cheie în aceste nucleoli disfuncționale este proteina c-myc, produs al proto-oncogenei c-myc. Aceasta stimulează biogeneza ribozomilor prin reglarea directă a pol I, influențând transcrierea pol II, III și prin asocierea cu componenta SL1 a complexului de preinițiere, ceea ce crește eficiența recrutării pol I la complexul de preinițiere.

În plus, au fost descrise mai multe mutații congenitale care afectează proteinele nucleolare: Sindromul Weine, sindromul Treacher Collins și sindromul de diskeratoză congenitală (Hernandez-Verdun 2006a, 2006b; Raška et al. 2006).

Dominanță nucleară

Dominanța nucleară a fost, de asemenea, demonstrată pentru genele ARNr. La unele organisme, în special la plante, atunci când două nuclee sunt combinate într-o singură celulă în timpul hibridizării, organismul în curs de dezvoltare poate „alege” un set de gene ARNr pentru transcriere. Genele ARNr ale celuilalt părinte sunt suprimate și, în general, nu sunt transcrise, deși ocazional poate avea loc reactivarea genelor ARNr suprimate sau „inferioare”. Această preferință selectivă de transcriere a genelor ARNr se numește dominanță nucleară.

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

• Alberts, B., A. Johnson, J. Lewis, M. Raff, K. Roberts, și P. Walter. 2002. Molecular Biology of the Cell, ediția a 4-a. New York: Garland Science. ISBN 081533212181.

• Cooper, G. M., și R. E. Hausman. 2007. The Cell: A Molecular Approach (Celula: o abordare moleculară). Washington, DC: ASM Press. ISBN 97808788932191.

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

• Hernandez-Verdun, D. 2006b. The nucleolus: Un model pentru organizarea funcțiilor nucleare. Histochem Cell Biol 126: 135-148. Retrieved July 8, 2008.

• Khadzhiolov, A. A. 1985. The Nucleolus and Ribosome Biogenesis. 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., și M. Dundr. 2005. The moving parts of the nucleolus. Histochem Cell Biol 123: 203-216. Retrieved July 8, 2008.

• Raška, I., P. J. Shaw, and D. Cmarko. 2006. Noi perspective asupra arhitecturii și activității nucleolare. International Review of Cytology 255: 177-235. Retrieved July 23, 2008.

• Thiry, M., și L. J. Lafontaine. 2005. Nașterea unui nucleolus: Evoluția compartimentelor nucleolare. Tendințe în biologia celulară 15 (4). Retrieved July 8, 2008.

• Thiry, M., și G. Goessens. 1996. The Nucleolus During the Cell Cycle (Nucleolul în timpul ciclului celular). New York: Springer; Austin, TX: R.G. Landes. ISBN 3540613528.

Toate linkurile recuperate la 14 decembrie 2018.

• Nucleolul la microscopul electronic II.

Acrozom | Cloroplastoză | Cilium/Flagellum | Centriliu | Reticul endoplasmatic | Aparat Golgi | Lisosom | Melanosom | Mitocondrion | Miofibrilă Nucleu | Nucleu | Parentezom | Perozisom | Plastid | Ribosom | Vacuolă | Veziculă