Diagramma del nucleo che mostra la membrana nucleare esterna costellata di ribosomi, i pori nucleari, il DNA (complessato come cromatina) e il nucleolo.
Il nucleo contiene quasi tutto il DNA della cellula, circondato da una rete di filamenti intermedi fibrosi e avvolto in una doppia membrana chiamata “involucro nucleare”. L’involucro nucleare separa il fluido all’interno del nucleo, chiamato nucleoplasma, dal resto della cellula., La dimensione del nucleo dipende dalla dimensione della cellula in cui è contenuto, con un nucleo che occupa tipicamente circa l ‘ 8% del volume totale della cellula. Il nucleo è il più grande organello nelle cellule animali.:12 Nelle cellule di mammifero, il diametro medio del nucleo è di circa 6 micrometri (µm).
Involucro nucleare e pori
L’involucro nucleare è costituito da due membrane, una interna e una esterna.,: 649 Insieme, queste membrane servono a separare il materiale genetico della cellula dal resto del contenuto cellulare e permettono al nucleo di mantenere un ambiente distinto dal resto della cellula. Nonostante la loro stretta apposizione attorno a gran parte del nucleo, le due membrane differiscono sostanzialmente per forma e contenuto. La membrana interna circonda il contenuto nucleare, fornendo il suo bordo di definizione.: 14 Incorporato all’interno della membrana interna, varie proteine legano i filamenti intermedi che danno al nucleo la sua struttura.,: 649 La membrana esterna racchiude la membrana interna ed è continua con la membrana del reticolo endoplasmatico adiacente.: 649 Come parte della membrana del reticolo endoplasmatico, la membrana nucleare esterna è costellata di ribosomi che stanno attivamente traducendo le proteine attraverso la membrana.:649 Lo spazio tra le due membrane, detto “spazio perinucleare”, è continuo con il lume del reticolo endoplasmatico.: 649
I pori nucleari, che forniscono canali acquosi attraverso l’involucro, sono composti da più proteine, collettivamente denominate nucleoporine., I pori sono circa 60-80 milioni di dalton in peso molecolare e consistono in circa 50 (nel lievito) a diverse centinaia di proteine (nei vertebrati).: 622-4 I pori hanno un diametro totale di 100 nm; tuttavia, lo spazio attraverso il quale le molecole si diffondono liberamente è largo solo circa 9 nm, a causa della presenza di sistemi regolatori all’interno del centro del poro. Questa dimensione consente selettivamente il passaggio di piccole molecole idrosolubili, impedendo molecole più grandi, come acidi nucleici e proteine più grandi, di entrare o uscire in modo inappropriato dal nucleo., Queste grandi molecole devono essere trasportate attivamente nel nucleo. Il nucleo di una tipica cellula di mammifero avrà circa 3000-4000 pori in tutto il suo involucro, ognuno dei quali contiene una struttura a forma di anello ottuplice simmetrica in una posizione in cui le membrane interne ed esterne si fondono. Attaccato all’anello è una struttura chiamata canestro nucleare che si estende nel nucleoplasma e una serie di estensioni filamentose che raggiungono nel citoplasma. Entrambe le strutture servono a mediare il legame con le proteine di trasporto nucleare.,: 509-10
La maggior parte delle proteine, subunità ribosomiali e alcuni RNA vengono trasportati attraverso i complessi dei pori in un processo mediato da una famiglia di fattori di trasporto noti come carioferine. Quelle carioferine che mediano il movimento nel nucleo sono anche chiamate importine, mentre quelle che mediano il movimento fuori dal nucleo sono chiamate esportine. La maggior parte delle carioferine interagisce direttamente con il loro carico, anche se alcuni usano proteine adattatrici., Gli ormoni steroidei come il cortisolo e l’aldosterone, così come altre piccole molecole liposolubili coinvolte nella segnalazione intercellulare, possono diffondersi attraverso la membrana cellulare e nel citoplasma, dove legano le proteine del recettore nucleare che vengono trafficate nel nucleo. Lì servono come fattori di trascrizione quando legati al loro ligando; in assenza di un ligando, molti di questi recettori funzionano come le deacetilasi dell’istone che reprimono l’espressione genica.,: 488
Lamina nucleare
Nelle cellule animali, due reti di filamenti intermedi forniscono al nucleo un supporto meccanico: la lamina nucleare forma una rete organizzata sulla faccia interna dell’involucro, mentre un supporto meno organizzato è fornito sulla faccia citosolica dell’involucro. Entrambi i sistemi forniscono supporto strutturale per l’involucro nucleare e siti di ancoraggio per cromosomi e pori nucleari.
La lamina nucleare è composta principalmente da proteine lamine., Come tutte le proteine, le lamine vengono sintetizzate nel citoplasma e successivamente trasportate all’interno del nucleo, dove vengono assemblate prima di essere incorporate nella rete esistente di lamina nucleare. I lamini trovati sulla faccia citosolica della membrana, quali emerin e nesprin, legano al citoscheletro per fornire il supporto strutturale. Lamins inoltre sono trovati dentro il nucleoplasma in cui formano un’altra struttura regolare, conosciuta come il velo nucleoplasmico, che è visibile facendo uso della microscopia di fluorescenza., La funzione effettiva del velo non è chiara, sebbene sia esclusa dal nucleolo ed è presente durante l’interfase. Le strutture lamine che compongono il velo, come LEM3, legano la cromatina e interrompendo la loro struttura inibisce la trascrizione dei geni codificanti proteine.
Come i componenti di altri filamenti intermedi, il monomero laminico contiene un dominio alfa-elicoidale utilizzato da due monomeri per avvolgersi l’uno intorno all’altro, formando una struttura di dimero chiamata bobina arrotolata., Due di queste strutture dimeriche poi si uniscono fianco a fianco, in una disposizione antiparallele, per formare un tetramero chiamato protofilamento. Otto di questi protofilamenti formano una disposizione laterale che viene attorcigliata per formare un filamento simile a una corda. Questi filamenti possono essere assemblati o smontati in modo dinamico, il che significa che i cambiamenti nella lunghezza del filamento dipendono dai tassi concorrenti di aggiunta e rimozione del filamento.
Mutazioni nei geni della lamina che portano a difetti nell’assemblaggio del filamento causano un gruppo di malattie genetiche rare note come laminopatie., La laminopatia più notevole è la famiglia di malattie conosciute come progeria, che causa la comparsa di invecchiamento precoce nei suoi malati. L’esatto meccanismo con cui i cambiamenti biochimici associati danno origine al fenotipo invecchiato non è ben compreso.
Cromosomi
Un nucleo di fibroblasti di topo in cui il DNA è macchiato di blu., I territori cromosomici distinti del cromosoma 2 (rosso) e del cromosoma 9 (verde) sono colorati con ibridazione fluorescente in situ.
Il nucleo cellulare contiene la maggior parte del materiale genetico della cellula sotto forma di molecole di DNA lineari multiple organizzate in strutture chiamate cromosomi. Ogni cellula umana contiene circa due metri di DNA.:405 Durante la maggior parte del ciclo cellulare questi sono organizzati in un complesso DNA-proteina noto come cromatina, e durante la divisione cellulare la cromatina può essere visto per formare i cromosomi ben definiti familiari da un cariotipo., Una piccola frazione dei geni della cellula si trova invece nei mitocondri.: 438
Esistono due tipi di cromatina. Euchromatin è la forma meno compatta del DNA e contiene i geni che sono espressi frequentemente dalla cellula. L’altro tipo, heterochromatin, è la forma più compatta e contiene il DNA che è trascritto raramente., Questa struttura è ulteriormente classificata in eterocromatina facoltativa, costituita da geni organizzati come eterocromatina solo in determinati tipi di cellule o in determinati stadi di sviluppo e eterocromatina costitutiva costituita da componenti strutturali cromosomici come telomeri e centromeri. Durante l’interfase la cromatina si organizza in singole patch discrete, chiamate territori cromosomici. I geni attivi, che si trovano generalmente nella regione eucromatica del cromosoma, tendono ad essere localizzati verso il confine del territorio del cromosoma.,
Gli anticorpi contro alcuni tipi di organizzazione della cromatina, in particolare i nucleosomi, sono stati associati a una serie di malattie autoimmuni, come il lupus eritematoso sistemico. Questi sono noti come anticorpi anti-nucleari (ANA) e sono stati osservati anche in concerto con la sclerosi multipla come parte della disfunzione generale del sistema immunitario.,
Nucleolo
Un microscopio elettronico di un nucleo cellulare, che mostra l’oscuro macchiato nucleolo
Il nucleolo è la più grande delle discrete densamente colorati, membraneless strutture noti come corpi nucleare trova nel nucleo. Si forma intorno ripetizioni tandem di rDNA, DNA codifica per RNA ribosomiale (rRNA). Queste regioni sono chiamate regioni organizzatore nucleolare (NOR)., I ruoli principali del nucleolo sono sintetizzare rRNA e assemblare ribosomi. La coesione strutturale del nucleolo dipende dalla sua attività, poiché l’assemblaggio ribosomiale nel nucleolo provoca l’associazione transitoria di componenti nucleolari, facilitando un ulteriore assemblaggio ribosomiale e quindi un’ulteriore associazione. Questo modello è supportato da osservazioni che l’inattivazione di rDNA provoca la mescolanza di strutture nucleolari.
Nella prima fase dell’assemblaggio del ribosoma, una proteina chiamata RNA polimerasi trascrive rDNA, che forma un grande precursore pre-rRNA., Questo è scisso in due grandi subunità rRNA-5.8 S e 28S, e una piccola subunità rRNA 18S.:328 La trascrizione, l’elaborazione post-trascrizionale e l’assemblaggio di rRNA avviene nel nucleolo, aiutato da piccole molecole di RNA nucleolare (snoRNA), alcune delle quali sono derivate da introni impiombati da RNA messaggeri che codificano geni correlati alla funzione ribosomiale. Le subunità ribosomiali assemblate sono le più grandi strutture passate attraverso i pori nucleari.,: 526
Quando osservato al microscopio elettronico, il nucleolo può essere visto essere costituito da tre regioni distinguibili: i centri fibrillari più interni (FCS), circondati dalla componente fibrillare densa (DFC) (che contiene fibrillarina e nucleolina), che a sua volta è delimitata dalla componente granulare (GC) (che contiene la proteina nucleofosmina). La trascrizione del rDNA si verifica nell’FC o al confine FC-DFC e, pertanto, quando la trascrizione del rDNA nella cellula viene aumentata, vengono rilevati più FCS., La maggior parte della scissione e della modifica degli RRNA si verifica nel DFC, mentre gli ultimi passaggi che coinvolgono l’assemblaggio delle proteine sulle subunità ribosomiali si verificano nel GC.
Altri corpi nucleari
Oltre al nucleolo, il nucleo contiene un certo numero di altri corpi nucleari. Questi includono corpi cajali, gemelli di corpi Cajali, associazione cariosomiale interfase polimorfica (PIKA), corpi leucemia promielocitica (PML), paraspeckles e macchie di splicing., Sebbene si sappia poco di un certo numero di questi domini, sono significativi in quanto mostrano che il nucleoplasma non è una miscela uniforme, ma piuttosto contiene sottodomini funzionali organizzati.
Altre strutture subnucleari appaiono come parte di processi patologici anormali. Ad esempio, la presenza di piccole barre intranucleari è stata riportata in alcuni casi di miopatia nemalina. Questa circostanza deriva tipicamente dalle mutazioni in actina e le aste stesse consistono dell’actina mutante come pure di altre proteine citoscheletriche.,
Corpi e gemme Cajal
Un nucleo contiene tipicamente tra uno e dieci strutture compatte chiamate corpi Cajal o corpi arrotolati (CB), il cui diametro misura tra 0,2 µm e 2,0 µm a seconda del tipo di cellula e della specie. Se visti al microscopio elettronico, assomigliano a sfere di filo aggrovigliato e sono foci densi di distribuzione per la proteina coilina. Le CBS sono coinvolte in una serie di ruoli diversi relativi all’elaborazione dell’RNA, in particolare la maturazione del piccolo RNA nucleolare (snoRNA) e del piccolo RNA nucleare (snRNA) e la modifica dell’mRNA dell’istone.,
Simili ai corpi Cajal sono i Gemelli dei corpi Cajal, o gemme, il cui nome deriva dalla costellazione dei Gemelli in riferimento alla loro stretta relazione “gemella” con CBs. Le gemme sono simili per dimensioni e forma alla CBS, e infatti sono praticamente indistinguibili al microscopio. A differenza della CBs, le gemme non contengono piccole ribonucleoproteine nucleari (snRNPs), ma contengono una proteina chiamata sopravvivenza del motoneurone (SMN) la cui funzione si riferisce alla biogenesi snRNP., Si ritiene che le gemme aiutino la CBs nella biogenesi snRNP, anche se è stato anche suggerito dalla prova di microscopia che CBs e gemme sono diverse manifestazioni della stessa struttura. Studi ultrastrutturali successivi hanno dimostrato gemme di essere gemelli di corpi Cajal con la differenza di essere nella componente coilin; Corpi Cajal sono SMN positivo e coilin positivo, e le gemme sono SMN positivo e coilin negativo.
Domini PIKA e PTF
I domini PIKA, o associazioni cariosomiali interfase polimorfiche, sono stati descritti per la prima volta in studi di microscopia nel 1991., La loro funzione rimane poco chiara, anche se non si pensava che fossero associati alla replicazione attiva del DNA, alla trascrizione o all’elaborazione dell’RNA. Sono stati trovati per associare spesso con i domini discreti definiti dalla localizzazione densa del fattore di trascrizione PTF, che promuove la trascrizione di piccolo RNA nucleare (snRNA).
Corpi PML
Corpi leucemia promielocitica (corpi PML) sono corpi sferici trovati sparsi in tutto il nucleoplasma, misurando circa 0,1–1,0 µm., Sono conosciuti da un certo numero di altri nomi, tra cui nuclear domain 10 (ND10), Kremer bodies e PML oncogenic domains. I corpi di PML prendono il nome da uno dei loro componenti principali, la proteina promielocitica della leucemia (PML). Sono spesso visti nel nucleo in associazione con corpi Cajal e corpi di scissione. I topi Pml -/ -, che non sono in grado di creare corpi PML, si sviluppano normalmente senza evidenti effetti negativi, dimostrando che i corpi PML non sono necessari per la maggior parte dei processi biologici essenziali.,
Splicing speckles
Le macchioline sono strutture subnucleari che sono arricchite in fattori di splicing dell’RNA pre-messaggero e si trovano nelle regioni intercromatine del nucleoplasma delle cellule di mammifero. A livello di microscopio a fluorescenza appaiono come strutture irregolari e punteggiate, che variano in dimensioni e forma, e quando esaminate al microscopio elettronico sono viste come gruppi di granuli di intercromatina., Le macchioline sono strutture dinamiche e sia i loro componenti proteici che RNA-proteine possono scorrere continuamente tra le macchioline e altre posizioni nucleari, inclusi i siti di trascrizione attivi. Studi sulla composizione, struttura e comportamento delle macchioline hanno fornito un modello per comprendere la compartimentazione funzionale del nucleo e l’organizzazione del macchinario di espressione genica che splicing snRNPs e altre proteine di splicing necessarie per l’elaborazione pre-mRNA., A causa delle mutevoli esigenze di una cellula, la composizione e la posizione di questi corpi cambiano in base alla trascrizione e alla regolazione dell’mRNA tramite fosforilazione di proteine specifiche. Le macchioline d’impionbatura inoltre sono conosciute come le macchioline nucleari (granelli nucleari), i compartimenti d’impionbatura di fattore (compartimenti di SF), i gruppi del granello di interchromatin (IGC) e gli snurposomes di B.Gli snurposomi B si trovano nei nuclei degli ovociti anfibi e negli embrioni di Drosophila melanogaster. B gli snurposomi appaiono da soli o attaccati ai corpi Cajali nei micrografi elettronici dei nuclei anfibi., Le IGC funzionano come siti di stoccaggio per i fattori di splicing.
Paraspeckles
Scoperto da Fox et al. nel 2002, i paraspeckles sono compartimenti di forma irregolare nello spazio intercromatino del nucleo. Prima documentato in cellule HeLa, dove ci sono generalmente 10-30 per nucleo, paraspeckles sono ora noti per esistere anche in tutte le cellule primarie umane, linee cellulari trasformate, e sezioni di tessuto., Il loro nome deriva dalla loro distribuzione nel nucleo; il ” para “è l’abbreviazione di parallelo e le” macchioline ” si riferiscono alle macchioline di splicing a cui sono sempre in prossimità.
I paraspeckles sequestrano proteine nucleari e RNA e quindi sembrano funzionare come una spugna molecolare coinvolta nella regolazione dell’espressione genica. Inoltre, i paraspeckles sono strutture dinamiche che vengono alterate in risposta ai cambiamenti nell’attività metabolica cellulare., Sono dipendenti dalla trascrizione e in assenza di trascrizione di RNA Pol II, il paraspeckle scompare e tutti i suoi componenti proteici associati (PSP1, p54nrb, PSP2, CFI(m)68 e PSF) formano un cappuccio perinucleolare a forma di mezzaluna nel nucleolo. Questo fenomeno è dimostrato durante il ciclo cellulare. Nel ciclo cellulare, i paraspeckles sono presenti durante l’interfase e durante tutta la mitosi eccetto per telophase. Durante la telofase, quando si formano i due nuclei figlia, non c’è trascrizione di RNA Pol II quindi i componenti proteici formano invece un cappuccio perinucleolare.,
Fibrille di pericromatina
Le fibrille di pericromatina sono visibili solo al microscopio elettronico. Si trovano vicino alla cromatina trascrizionalmente attiva e si ipotizza che siano i siti di elaborazione pre-mRNA attiva.
Clastosomi
I clastosomi sono piccoli corpi nucleari (0,2–0,5 µm) descritti come aventi una spessa forma ad anello dovuta alla capsula periferica attorno a questi corpi. Questo nome deriva dal greco klastos, rotto e soma, corpo. I clastosomi non sono tipicamente presenti nelle cellule normali, rendendole difficili da rilevare., Si formano in condizioni proteolitiche elevate all’interno del nucleo e si degradano una volta che c’è una diminuzione dell’attività o se le cellule vengono trattate con inibitori del proteasoma. La scarsità di clastosomi nelle cellule indica che non sono necessari per la funzione del proteasoma. Lo stress osmotico ha anche dimostrato di causare la formazione di clastosomi. Questi corpi nucleari contengono subunità catalitiche e regolatorie del proteasoma e dei suoi substrati, indicando che i clastosomi sono siti per degradare le proteine.
