NUCLEOLUS: KENMERKEN, STRUCTUUR, MORFOLOGIE EN FUNCTIES - BIOLOGIE - 2025

De nucleolus is een celstructuur die niet wordt afgebakend door een membraan, en is een van de meest prominente delen van de kern. Het wordt waargenomen als een dichter gebied in de kern en is onderverdeeld in drie gebieden: dichte fibrillaire component, fibrillaire centrum en granulaire component.

Het is voornamelijk verantwoordelijk voor de synthese en assemblage van ribosomen; deze structuur heeft echter ook andere functies. In de nucleolus zijn meer dan 700 eiwitten gevonden die niet betrokken zijn bij ribosoombiogeneseprocessen. Op dezelfde manier is de nucleolus betrokken bij de ontwikkeling van verschillende pathologieën.

De eerste onderzoeker die de nucleoluszone observeerde, was F. Fontana in 1781, meer dan twee eeuwen geleden. Toen, halverwege de jaren dertig, kon McClintock een dergelijke structuur waarnemen in zijn experimenten met Zea mays. Sindsdien hebben honderden onderzoeken zich gericht op het begrijpen van de functies en dynamiek van dit gebied van de kern.

Algemene karakteristieken

De nucleolus is een prominente structuur die zich in de kern van eukaryote cellen bevindt. Het is een "gebied" in de vorm van een bol, aangezien er geen type biomembraan is dat het scheidt van de rest van de nucleaire componenten.

Het kan onder de microscoop worden gezien als een subregio van de kern wanneer de cel zich op het grensvlak bevindt.

Het is georganiseerd in regio's die NOR's worden genoemd (voor het acroniem in het Engels: chromosomale nucleolaire organizerregio's), waar de sequenties die coderen voor ribosomen worden gevonden.

Deze genen bevinden zich in specifieke regio's van de chromosomen. Bij mensen zijn ze achter elkaar georganiseerd in de satellietregio's van chromosomen 13, 14, 15, 21 en 22.

In de nucleolus vindt de transcriptie, verwerking en assemblage plaats van de subeenheden waaruit de ribosomen bestaan.

Naast zijn traditionele functie is de nucleolus gerelateerd aan tumoronderdrukkende eiwitten, celcyclusregelaars en zelfs eiwitten van virussen.

Nucleolus-eiwitten zijn dynamisch en hun sequentie lijkt tijdens de evolutie te zijn behouden. Van deze eiwitten is slechts 30% in verband gebracht met ribosoombiogenese.

Structuur en morfologie

De nucleolus is verdeeld in drie hoofdcomponenten, die door middel van elektronenmicroscopie kunnen worden onderscheiden: de dichte fibrillaire component, het fibrillaire centrum en de granulaire component.

Over het algemeen is het omgeven door gecondenseerd chromatine, heterochromatine genaamd. In de nucleolus vinden de processen van transcriptie van ribosomaal RNA, verwerking en assemblage van ribosomale voorlopers plaats.

De nucleolus is een dynamisch gebied, waar de eiwitten die de componenten kunnen associëren met en snel scheiden van de nucleolaire componenten, waardoor een continue uitwisseling ontstaat met het nucleoplasma (gelatineuze substantie binnenin de kern).

Bij zoogdieren varieert de structuur van de nucleolus met de stadia van de celcyclus. In de profase wordt een desorganisatie van de nucleolus waargenomen en deze komt aan het einde van het mitotische proces weer samen. Maximale transcriptionele activiteit in de nucleolus is waargenomen in de S- en G2-fasen.

De activiteit van RNA-polymerase I kan worden beïnvloed door verschillende stadia van fosforylering, waardoor de activiteit van de nucleolus tijdens de celcyclus wordt gewijzigd. Silencing tijdens mitose treedt op als gevolg van de fosforylering van verschillende elementen zoals SL1 en TTF-1.

Dit patroon komt echter niet bij alle organismen voor. In gist is de nucleolus bijvoorbeeld aanwezig - en actief - tijdens het hele proces van celdeling.

Fibrillaire centra

De genen die coderen voor ribosomaal RNA bevinden zich in de fibrillaire centra. Deze centra zijn heldere gebieden omgeven door dichte fibrillaire componenten. De fibrillaire centra zijn variabel in grootte en aantal, afhankelijk van het celtype.

Er is een bepaald patroon beschreven met betrekking tot de kenmerken van de fibrillaire centra. Cellen met een hoge ribosoomsynthese hebben een laag aantal fibrillaire centra, terwijl cellen met een verminderd metabolisme (zoals lymfocyten) grotere fibrillaire centra hebben.

Er zijn specifieke gevallen, zoals bij neuronen met een zeer actief metabolisme, waarvan de nucleolus een gigantisch fibrillair centrum heeft, vergezeld van kleinere kleinere centra.

Dichte fibrillaire component en korrelige component

De dichte fibrillaire component en de fibrillaire centra zijn ingebed in de granulaire component, waarvan de korrels een diameter hebben van 15 tot 20 nm. Het transcriptieproces (passage van het DNA-molecuul naar RNA, beschouwd als de eerste stap van genexpressie) vindt plaats aan de grenzen van de fibrillaire centra en in de dichte fibrillaire component.

Verwerking van ribosomaal pre-RNA vindt plaats in de dichte fibrillaire component en het proces strekt zich uit tot de granulaire component. De transcripten hopen zich op in de dichte fibrillaire component en nucleolaire eiwitten bevinden zich ook in de dichte fibrillaire component. Het is in deze regio waar de assemblage van ribosomen plaatsvindt.

Nadat dit assemblageproces van ribosomaal RNA met de nodige eiwitten is voltooid, worden deze producten geëxporteerd naar het cytoplasma.

De granulaire component is rijk aan transcriptiefactoren (SUMO-1 en Ubc9 zijn enkele voorbeelden). Typisch is de nucleolus omgeven door heterochromatine; Aangenomen wordt dat dit gecomprimeerde DNA een rol speelt bij de transcriptie van ribosomaal RNA.

Bij zoogdieren wordt ribosomaal DNA in cellen verdicht of tot zwijgen gebracht. Deze organisatie blijkt belangrijk te zijn voor de regulatie van ribosomaal DNA en voor de bescherming van genomische stabiliteit.

Nucleolaire organiserende regio

In dit gebied (NOR) zijn de genen (ribosomaal DNA) die coderen voor ribosomaal RNA gegroepeerd.

De chromosomen waaruit deze regio's bestaan, variëren afhankelijk van de soort die wordt bestudeerd. Bij mensen worden ze aangetroffen in de satellietgebieden van de acrocentrische chromosomen (de centromeer bevindt zich nabij een van de uiteinden), met name in paren 13, 14, 15, 21 en 22.

De ribosoom-DNA-eenheden bestaan ​​uit de getranscribeerde sequentie en een externe spacer die nodig is voor transcriptie door RNA-polymerase I.

In promotors voor ribosomaal DNA kunnen twee elementen worden onderscheiden: een centraal element en een element stroomopwaarts (stroomopwaarts).

Kenmerken

Ribosomaal RNA-vormende machines

De nucleolus kan worden beschouwd als een fabriek met alle componenten die nodig zijn voor de biosynthese van ribosoomprecursoren.

Ribosomaal of ribosomaal RNA (ribonucleïnezuur), gewoonlijk afgekort als rRNA, is een onderdeel van ribosomen en neemt deel aan de synthese van eiwitten. Dit onderdeel is essentieel voor alle geslachten van levende wezens.

Ribosomaal RNA associeert met andere componenten van eiwitachtige aard. Deze binding resulteert in ribosomale presubeenheden. De classificatie van ribosomaal RNA wordt over het algemeen vergezeld van een letter "S", die de Svedberg-eenheden of sedimentatiecoëfficiënt aangeeft.

Organisatie van ribosomen

Ribosomen bestaan ​​uit twee subeenheden: de grote of grote en de kleine of kleine.

Het ribosomale RNA van prokaryoten en eukaryoten is differentieerbaar. In prokaryoten is de grote subeenheid 50S en is deze samengesteld uit 5S en 23S ribosomaal RNA's, evenzo is de kleine subeenheid 30S en bestaat alleen uit 16S ribosomaal RNA.

Daarentegen is de belangrijkste subeenheid (60S) samengesteld uit 5S-, 5.8S- en 28S-ribosomale RNA's. De kleine subeenheid (40S) is uitsluitend samengesteld uit 18S ribosomaal RNA.

In de nucleolus bevinden zich de genen die coderen voor ribosomale RNA's 5.8S, 18S en 28S. Deze ribosomale RNA's worden getranscribeerd als een enkele eenheid binnen de nucleolus door RNA-polymerase I. Dit proces resulteert in een 45S RNA-precursor.

Genoemde ribosomale RNA-precursor (45S) moet worden gesplitst in zijn 18S-componenten, die behoren tot de kleine subeenheid (40S) en tot 5.8S en 28S van de grote subeenheid (60S).

Het ontbrekende ribosomale RNA, 5S, wordt buiten de nucleolus gesynthetiseerd; In tegenstelling tot zijn tegenhangers, wordt het proces gekatalyseerd door RNA-polymerase III.

Ribosomale RNA-transcriptie

Een cel heeft een groot aantal ribosomale RNA-moleculen nodig. Er zijn meerdere kopieën van de genen die coderen voor dit type RNA om aan deze hoge eisen te voldoen.

Op basis van gegevens die in het menselijk genoom zijn gevonden, zijn er bijvoorbeeld 200 exemplaren voor 5,8S-, 18S- en 28S-ribosomale RNA's. Voor 5S ribosomaal RNA zijn er 2000 kopieën.

Het proces begint met 45S ribosomaal RNA. Het begint met het verwijderen van de spacer nabij het 5'-uiteinde. Wanneer het transcriptieproces is voltooid, wordt de resterende afstandhouder aan het 3'-uiteinde verwijderd. Na daaropvolgende deleties wordt het rijpe ribosomale RNA verkregen.

Bovendien vereist de verwerking van ribosomaal RNA een reeks belangrijke modificaties in de basen, zoals processen van methylering en omzetting van uridine in pseudouridine.

Vervolgens vindt de toevoeging van eiwitten en RNA's plaats die zich in de nucleolus bevinden. Hiertoe behoren de kleine nucleolaire RNA's (pRNA), die deelnemen aan de scheiding van ribosomale RNA's in de 18S-, 5.8S- en 28S-producten.

PRNA's bezitten sequenties die complementair zijn aan 18S- en 28S-ribosomale RNA's. Daarom kunnen ze de basen van het precursor-RNA wijzigen, bepaalde regio's methyleren en deelnemen aan de vorming van pseudouridine.

Ribosoomassemblage

De vorming van ribosomen omvat de binding van het oorspronkelijke ribosomale RNA, samen met ribosomale eiwitten en 5S. De eiwitten die bij het proces betrokken zijn, worden door RNA-polymerase II in het cytoplasma getranscribeerd en moeten naar de nucleolus worden getransporteerd.

Ribosomale eiwitten beginnen zich te associëren met ribosomale RNA's voordat splitsing van 45S ribosomaal RNA optreedt. Na scheiding worden de resterende ribosomale eiwitten en 5S ribosomaal RNA toegevoegd.

18S ribosomale RNA-rijping verloopt sneller. Ten slotte worden de "preribosomale deeltjes" geëxporteerd naar het cytoplasma.

Andere functies

Naast de biogenese van ribosomen, heeft recent onderzoek aangetoond dat de nucleolus een multifunctionele entiteit is.

De nucleolus is ook betrokken bij de verwerking en rijping van andere soorten RNA, zoals snRNP's (eiwit- en RNA-complexen die samen met pre-messenger-RNA het spliceosoom of splitsingscomplex vormen) en bepaalde transfer-RNA's. , microRNA's en andere ribonucleoproteïne-complexen.

Door de analyse van het nucleolusproteoom zijn eiwitten gevonden die zijn geassocieerd met pre-messenger RNA-verwerking, celcycluscontrole, DNA-replicatie en reparatie. De eiwitopbouw van de nucleolus is dynamisch en verandert onder verschillende omgevingsomstandigheden en celstress.

Evenzo is er een reeks pathologieën die verband houden met het onjuist functioneren van de nucleolus. Deze omvatten Diamond-Blackfan-anemie en neurodegeneratieve aandoeningen zoals de ziekte van Alzheimer en de ziekte van Huntington.

Bij Alzheimerpatiënten is er een verandering in de expressieniveaus van de nucleolus, vergeleken met gezonde patiënten.

De nucleolus en kanker

Meer dan 5000 onderzoeken hebben de relatie aangetoond tussen maligne celproliferatie en nucleolusactiviteit.

Het doel van sommige onderzoeken is om nucleolus-eiwitten te kwantificeren voor klinische diagnostische doeleinden. Met andere woorden, het doel is om kankerproliferatie te evalueren met behulp van deze eiwitten als marker, met name B23-, nucleoline-, UBF- en RNA-polymerase I-subeenheden.

Aan de andere kant is gevonden dat het B23-eiwit direct gerelateerd is aan de ontwikkeling van kanker. Evenzo zijn andere nucleolaire componenten betrokken bij de ontwikkeling van pathologieën zoals acute promyelocytische leukemie.

De nucleolus en virussen

Er is voldoende bewijs om te stellen dat virussen, zowel van planten als van dieren, nucleoluseiwitten nodig hebben om het replicatieproces te bewerkstelligen. Er zijn veranderingen in de nucleolus, in termen van zijn morfologie en zijn eiwitsamenstelling, wanneer de cel een virale infectie ervaart.

Er is een aanzienlijk aantal eiwitten gevonden die afkomstig zijn van DNA- en RNA-sequenties die virussen bevatten en zich in de nucleolus bevinden.

Virussen hebben verschillende strategieën waarmee ze zich in dit subnucleaire gebied kunnen lokaliseren, zoals virale eiwitten die 'signalen' bevatten die hen naar de nucleolus leiden. Deze tags zijn rijk aan de aminozuren arginine en lysine.

De locatie van virussen in de nucleolus vergemakkelijkt hun replicatie en bovendien lijkt het een vereiste te zijn voor hun pathogeniteit.

Referenties

1. Boisvert, FM, van Koningsbruggen, S., Navascués, J., & Lamond, AI (2007). De multifunctionele nucleolus. Nature bespreekt Moleculaire celbiologie, 8 (7), 574-585.
2. Boulon, S., Westman, BJ, Hutten, S., Boisvert, F.-M., & Lamond, AI (2010). De Nucleolus onder stress. Molecular Cell, 40 (2), 216-227.
3. Cooper, CM (2000). De cel: een moleculaire benadering. 2e editie. Sinauer Associates. Sirri, V., Urcuqui-Inchima, S., Roussel, P., & Hernandez-Verdun, D. (2008). Nucleolus: het fascinerende nucleaire lichaam. Histochemie en celbiologie, 129 (1), 13–31.
4. Horký, M., Kotala, V., Anton, M., & WESIERSKA - GADEK, J. (2002). Nucleolus en apoptose. Annals of the New York Academy of Sciences, 973 (1), 258-264.
5. Leung, AK en Lamond, AI (2003). De dynamiek van de nucleolus. Critical Reviews ™ in eukaryote genexpressie, 13 (1).
6. Montanaro, L., Treré, D., en Derenzini, M. (2008). Nucleolus, ribosomen en kanker. The American Journal of Pathology, 173 (2), 301-310. http://doi.org/10.2353/ajpath.2008.070752
7. Pederson, T. (2011). De Nucleolus. Cold Spring Harbor Perspectives in Biology, 3 (3), a000638.
8. Tsekrekou, M., Stratigi, K., en Chatzinikolaou, G. (2017). The Nucleolus: in genoomonderhoud en reparatie. International Journal of Molecular Sciences, 18 (7), 1411.