Nucléolo Eigenschaften, Struktur, Morphologie und Funktionen

Die Nukleolus ist eine zelluläre Struktur, die nicht durch die Membran begrenzt ist und eine der prominentesten Stellen des Kerns darstellt. Es wird als dichtere Region im Kern beobachtet und ist wiederum in drei Bereiche unterteilt: dichte fibrilläre Komponente, fibrilläres Zentrum und die granuläre Komponente.

Es ist hauptsächlich verantwortlich für die Synthese und den Zusammenbau von Ribosomen; Diese Struktur hat jedoch auch andere Funktionen. Mehr als 700 Proteine ​​wurden innerhalb des Nukleolus gefunden, die nicht an Ribosomen-Biogenese-Prozessen beteiligt sind. In gleicher Weise ist der Nukleolus an der Entwicklung verschiedener Pathologien beteiligt.

Der erste Forscher, der das Gebiet des Nucleolus beobachtete, war F. Fontana im Jahre 1781, vor mehr als zwei Jahrhunderten. Mitte der dreißiger Jahre konnte McClintock diese Struktur in seinen Experimenten beobachten Zea Mays. Seitdem haben sich Hunderte von Untersuchungen auf das Verständnis der Funktionen und der Dynamik dieser Kernregion konzentriert.

Index

• 1 Allgemeine Eigenschaften
• 2 Struktur und Morphologie
  • 2.1 Fibrilläre Zentren
  • 2.2 Dichte fibrilläre Komponente und granuläre Komponente
  • 2.3 Nukleolare organisierende Region
• 3 Funktionen
  • 3.1 Ribosomale RNA-Formationsmaschinerie
  • 3.2 Organisation von Ribosomen
  • 3.3 Transkription von ribosomaler RNA
  • 3.4 Zusammenbau von Ribosomen
  • 3.5 Weitere Funktionen
• 4 Der Nucleolus und Krebs
• 5 Nucleolus und Viren
• 6 Referenzen

Allgemeine Eigenschaften

Der Nukleolus ist eine prominente Struktur innerhalb des Zellkerns eukaryotischer Zellen. Es ist eine "Region" in Form einer Kugel, da es keine Art von Biomembran gibt, die sie von den übrigen nuklearen Komponenten trennt.

Es kann unter dem Mikroskop als Unterregion des Zellkerns beobachtet werden, wenn sich die Zelle an der Grenzfläche befindet.

Es ist in Regionen organisiert, die NORs heißen (für sein Akronym in Englisch: chromosomale Nukleolusorganisatorregionen), wo sich die Sequenzen befinden, die die Ribosomen codieren.

Diese Gene befinden sich in bestimmten Regionen der Chromosomen. Beim Menschen sind sie in den Satellitenregionen der Chromosomen 13, 14, 15, 21 und 22 hintereinander angeordnet.

Im Nucleolus findet die Transkription, Verarbeitung und Assemblierung der Untereinheiten statt, die die Ribosomen bilden.

Zusätzlich zu seiner traditionellen Funktion ist der Nukleolus mit Tumorsuppressorproteinen, Zellzyklusregulatoren und sogar Proteinen aus Viren verwandt.

Die Nucleolus-Proteine ​​sind dynamisch und ihre Sequenz ist anscheinend im Laufe der Evolution erhalten geblieben. Von diesen Proteinen wurden nur 30% mit der Biogenese von Ribosomen in Verbindung gebracht.

Struktur und Morphologie

Der Nukleolus ist in drei Hauptkomponenten unterteilt, die durch Elektronenmikroskopie unterschieden werden können: die dichte fibrilläre Komponente, das fibrilläre Zentrum und die granuläre Komponente.

Im Allgemeinen ist es von kondensiertem Chromatin umgeben, das Heterochromatin genannt wird. Die Prozesse der Transkription der ribosomalen RNA, die Verarbeitung und der Zusammenbau von ribosomalen Vorläufern finden im Nukleolus statt.

Der Nukleolus ist eine dynamische Region, in der Proteine, die Komponenten verbinden und sich schnell von den nukleolären Komponenten trennen können, einen kontinuierlichen Austausch mit dem Nukleoplasma (innere gelatinöse Substanz des Kerns) schaffen.

Bei Säugetieren variiert die Struktur des Nukleolus mit den Stadien des Zellzyklus. In der Prophase wird eine Desorganisation des Nukleolus beobachtet und am Ende des Mitoseprozesses wieder zusammengesetzt. Die maximale Aktivität der Transkription im Nukleolus wurde in den S- und G2-Phasen beobachtet.

Die Aktivität der RNA-Polymerase I kann durch unterschiedliche Phosphorylierungszustände beeinflusst werden, wodurch die Aktivität des Nukleolus während des Zellzyklus verändert wird. Silencing während der Mitose tritt aufgrund der Phosphorylierung verschiedener Elemente wie SL1 und TTF-1 auf.

Dieses Muster ist jedoch nicht in allen Organismen üblich. Zum Beispiel ist der Nukleolus in Hefe während des gesamten Prozesses der Zellteilung vorhanden und aktiv.

Fibrillären Zentren

Die Gene, die für ribosomale RNA kodieren, befinden sich in den fibrillären Zentren. Diese Zentren sind klare Regionen, die von dichten fibrillären Komponenten umgeben sind. Die fibrillären Zentren sind in Größe und Anzahl abhängig vom Zelltyp.

Ein bestimmtes Muster wurde in Bezug auf die Eigenschaften der fibrillären Zentren beschrieben. Zellen, die eine hohe Synthese von Ribosomen aufweisen, haben eine geringe Anzahl von fibrillären Zentren, während Zellen mit einem reduzierten Stoffwechsel (wie Lymphozyten) größere fibrilläre Zentren haben.

Es gibt spezifische Fälle, wie in Neuronen mit einem sehr aktiven Metabolismus, dessen Nukleolus ein riesiges fibrilläres Zentrum hat, begleitet von kleineren kleineren Zentren.

Dichte fibrilläre Komponente und granuläre Komponente

Die dichte fibrilläre Komponente und die fibrillären Zentren sind in die granuläre Komponente eingebettet, deren Granulate einen Durchmesser von 15 bis 20 nm aufweisen. Der Transkriptionsprozess (Passage des DNA-Moleküls zu RNA, die als erster Schritt der Genexpression angesehen wird) findet an den Grenzen der fibrillären Zentren und der dichten fibrillären Komponente statt.

Die Verarbeitung der prä-ribosomalen RNA erfolgt in der dichten fibrillären Komponente und der Prozess erstreckt sich bis zur granulären Komponente. Die Transkripte akkumulieren in der dichten fibrillären Komponente und die nukleolären Proteine ​​befinden sich ebenfalls in der dichten fibrillären Komponente. In dieser Region findet der Zusammenbau der Ribosomen statt.

Nachdem dieser Prozess des Zusammenbaus der ribosomalen RNA mit den notwendigen Proteinen kulminiert, werden diese Produkte in das Cytoplasma exportiert.

Die granuläre Komponente ist reich an Transkriptionsfaktoren (SUMO-1 und Ubc9 sind einige Beispiele). Typischerweise ist der Nukleolus von Heterochromatin umgeben; Es wird angenommen, dass diese kompaktierte DNA eine Rolle bei der Transkription von ribosomaler RNA spielen könnte.

Bei Säugetieren wird die ribosomale DNA in den Zellen verdichtet oder zum Schweigen gebracht. Diese Organisation scheint für die Regulation der ribosomalen DNA und für den Schutz der genomischen Stabilität wichtig zu sein.

Nucleolar organisierende Region

In dieser Region (NOR) sind gruppierte Gene (ribosomale DNA), die für ribosomale RNA kodieren.

Die Chromosomen, aus denen diese Regionen bestehen, variieren je nach Art der Studie. Beim Menschen finden sie sich in den Satellitenregionen der akrozentrischen Chromosomen (das Zentromer befindet sich in der Nähe eines der Enden), speziell in den Paaren 13, 14, 15, 21 und 22.

Die Einheiten der DNA-Ribosomen bestehen aus der transkribierten Sequenz und einem externen Spacer, die für die Transkription durch die RNA-Polymerase I notwendig sind.

In Promotoren für ribosomale DNA können zwei Elemente unterschieden werden: ein zentrales Element und ein stromaufwärts gelegenes Element (stromaufwärts)

Funktionen

Ribosomale RNA-bildende Maschinerie

Der Nukleolus kann als eine Fabrik mit allen notwendigen Komponenten für die Biosynthese der Ribosomenvorläufer angesehen werden.

Ribosomale oder ribosomale RNA (ribosomale Säure), üblicherweise als rRNA abgekürzt, ist ein Bestandteil von Ribosomen und beteiligt sich an der Synthese von Proteinen. Diese Komponente ist für alle Linien von Lebewesen lebenswichtig.

Ribosomale RNA ist mit anderen Proteinkomponenten assoziiert. Diese Vereinigung führt zu ribosomalen Vorstufen. Die Klassifizierung von ribosomaler RNA wird üblicherweise mit einem "S" -Buchstaben angegeben, der die Svedberg-Einheiten oder den Sedimentationskoeffizienten angibt.

Organisation von Ribosomen

Ribosomen werden von zwei Untereinheiten gebildet: dem größten oder größten und dem kleinsten oder kleinsten.

Die ribosomale RNA von Prokaryoten und Eukaryoten ist differenzierbar. In Prokaryoten ist die große Untereinheit 50S und besteht aus ribosomaler RNA 5S und 23S, ähnlich ist die kleine Untereinheit 30S und besteht nur aus 16S ribosomaler RNA.

Im Gegensatz dazu besteht die Hauptuntereinheit (60S) aus ribosomaler RNA 5S, 5.8S und 28S. Die kleine Untereinheit (40S) besteht ausschließlich aus 18S ribosomaler RNA.

Die Gene, die die ribosomalen RNAs 5.8S, 18S und 28S kodieren, befinden sich im Nukleolus. Diese ribosomalen RNAs werden als einzelne Einheit innerhalb des Nukleolus durch RNA-Polymerase I transkribiert. Dieser Prozess führt zu einem 45S-RNA-Vorläufer.

Der ribosomale RNA-Vorläufer (45S) muss in seine 18S-Komponenten ausgeschnitten werden, die zur kleinen Untereinheit (40S) und zu 5,8S und 28S der großen Untereinheit (60S) gehören.

Die fehlende ribosomale RNA, 5S, wird außerhalb des Nukleolus synthetisiert; Im Gegensatz zu seinen Homologen wird das Verfahren durch RNA-Polymerase III katalysiert.

Transkription von ribosomaler RNA

Eine Zelle benötigt eine hohe Anzahl an ribosomalen RNA-Molekülen. Es gibt mehrere Kopien der Gene, die für diese Art von RNA kodieren, um diese sehr hohen Anforderungen zu erfüllen.

Zum Beispiel gibt es nach den im menschlichen Genom gefundenen Daten 200 Kopien für ribosomale RNA 5.8S, 18S und 28S. Für die 5S-ribosomale RNA gibt es 2000 Kopien.

Der Prozess beginnt mit der 45S ribosomalen RNA. Es beginnt mit dem Entfernen des Abstandshalters nahe dem 5'-Ende. Wenn der Transkriptionsprozess abgeschlossen ist, wird der verbleibende Abstandshalter, der am 3'-Ende angeordnet ist, entfernt. Nach nachfolgenden Eliminierungen wird reife ribosomale RNA erhalten.

Darüber hinaus erfordert die Verarbeitung von ribosomaler RNA eine Reihe wichtiger Modifikationen in ihren Basen, wie Methylierungsverfahren und die Umwandlung von Uridin in Pseudouridin.

Anschließend erfolgt die Zugabe von Proteinen und RNAs im Nukleolus. Unter diesen sind die kleinen nukleolären RNAs (nRNAs), die an der Trennung von ribosomalen RNAs in den Produkten 18S, 5.8S und 28S beteiligt sind.

Die nRNAs besitzen Sequenzen, die komplementär zu ribosomaler RNA 18S und 28S sind. Daher können sie die Basen der Vorläufer-RNA modifizieren, bestimmte Regionen methylieren und an der Bildung von Pseudouridin teilnehmen.

Zusammenbau von Ribosomen

Die Bildung von Ribosomen umfasst die Bindung des ribosomalen RNA-Vorläufers zusammen mit ribosomalen Proteinen und 5S. Die beteiligten Proteine ​​werden von der RNA-Polymerase II im Zytoplasma transkribiert und müssen zum Nukleolus transportiert werden.

Die ribosomalen Proteine ​​beginnen mit der ribosomalen RNA zu assoziieren, bevor die Trennung der 45S ribosomalen RNA erfolgt. Nach der Trennung werden die verbleibenden ribosomalen Proteine ​​und 5S-ribosomale RNA hinzugefügt.

Die Reifung von 18S ribosomaler RNA erfolgt schneller. Schließlich werden die "prä-ribosomalen Partikel" in das Zytoplasma exportiert.

Andere Funktionen

Zusätzlich zur Biogenese von Ribosomen haben neue Forschungen gezeigt, dass der Nukleolus eine multifunktionale Einheit ist.

Der Nukleolus ist auch an der Prozessierung und Reifung anderer Arten von RNA beteiligt, wie z. B. snRNPs (Protein- und RNA-Komplexe, die sich mit prä-Messenger-RNA kombinieren, um das Spleißosom oder den Spleißkomplex zu bilden) und bestimmten RNA-Transfers. , microRNA und andere Ribonukleoprotein-Komplexe.

Durch die Analyse des Nukleolus-Proteoms wurden Proteine ​​gefunden, die mit der Prä-Messenger-RNA-Prozessierung, Zellzykluskontrolle, Replikation und DNA-Reparatur assoziiert sind. Die Konstitution von Nukleolusproteinen ist dynamisch und verändert sich unter verschiedenen Umweltbedingungen und zellulärem Stress.

Es gibt auch eine Reihe von Pathologien, die mit der inkorrekten Funktion des Nukleolus assoziiert sind. Unter diesen sind Diamond-Blackfan-Anämie und neurodegenerative Erkrankungen wie Alzheimer und Huntington-Krankheit.

Bei Patienten mit Alzheimer ändert sich der Expressionsgrad des Nukleolus im Vergleich zu gesunden Patienten.

Der Nukleolus und Krebs

Mehr als 5000 Studien haben die Beziehung zwischen der malignen Proliferation von Zellen und der Aktivität des Nukleolus gezeigt.

Das Ziel einiger Untersuchungen besteht darin, die Nukleolusproteine ​​für klinische Diagnosezwecke zu quantifizieren. Mit anderen Worten, es versucht, die Proliferation von Krebs zu evaluieren, wobei diese Proteine, insbesondere B23, Nukleolin, UBF und Untereinheiten der RNA-Polymerase I, als Marker verwendet werden.

Auf der anderen Seite wurde gefunden, dass das B23-Protein direkt mit der Entwicklung von Krebs in Verbindung steht. In ähnlicher Weise sind andere nukleoläre Komponenten an der Entwicklung von Pathologien wie akuter promyelozytischer Leukämie beteiligt.

Der Nukleolus und die Viren

Es gibt genügend Beweise, um zu bestätigen, dass Viren, sowohl von Pflanzen als auch von Tieren, die Nukleolus-Proteine ​​benötigen, um den Replikationsprozess zu erreichen. Es gibt Veränderungen im Nukleolus hinsichtlich seiner Morphologie und seiner Proteinzusammensetzung, wenn die Zelle eine virale Infektion erfährt.

Es wurde eine große Anzahl von Proteinen gefunden, die aus DNA- und RNA-Sequenzen stammen, die Viren enthalten und sich im Nukleolus befinden.

Viren haben verschiedene Strategien, die es ihnen ermöglichen, sich in dieser subnuklearen Region zu befinden, wie beispielsweise virale Proteine, die "Signale" enthalten, die sie zum Nukleolus tragen. Diese Markierungen sind reich an den Aminosäuren Arginin und Lysin.

Die Lokalisierung des Virus im Nukleolus erleichtert seine Replikation und zusätzlich scheint es eine Voraussetzung für seine Pathogenität zu sein.

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