NUCLEOLUS: EIGENSCHAFTEN, STRUKTUR, MORPHOLOGIE UND FUNKTIONEN - BIOLOGIE - 2025

Der Nucleolus ist eine Zellstruktur, die nicht durch eine Membran begrenzt ist und einer der bekanntesten Bereiche des Nucleus ist. Es wird als dichtere Region im Kern beobachtet und in drei Regionen unterteilt: dichte fibrilläre Komponente, fibrilläres Zentrum und körnige Komponente.

Es ist hauptsächlich für die Synthese und den Zusammenbau von Ribosomen verantwortlich. Diese Struktur hat jedoch auch andere Funktionen. Es wurden mehr als 700 Proteine ​​im Nucleolus gefunden, die nicht an Ribosomen-Biogeneseprozessen beteiligt sind. Ebenso ist der Nucleolus an der Entwicklung verschiedener Pathologien beteiligt.

Der erste Forscher, der die Nucleoluszone beobachtete, war F. Fontana im Jahr 1781, vor mehr als zwei Jahrhunderten. Mitte der 1930er Jahre konnte McClintock eine solche Struktur in seinen Experimenten mit Zea mays beobachten. Seitdem haben sich Hunderte von Untersuchungen darauf konzentriert, die Funktionen und die Dynamik dieser Region des Kerns zu verstehen.

Allgemeine Charakteristiken

Der Nucleolus ist eine herausragende Struktur, die sich im Nucleus eukaryotischer Zellen befindet. Es ist eine „Region“ in Form einer Kugel, da es keine Art von Biomembran gibt, die sie vom Rest der Kernkomponenten trennt.

Es kann unter dem Mikroskop als Subregion des Kerns gesehen werden, wenn sich die Zelle an der Grenzfläche befindet.

Es ist in Regionen organisiert, die NORs genannt werden (für sein Akronym im Englischen: chromosomale nukleolare Organisatorregionen), in denen sich die Sequenzen befinden, 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 zusammen organisiert.

Im Nucleolus erfolgt die Transkription, Verarbeitung und Assemblierung der Untereinheiten, aus denen die Ribosomen bestehen.

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

Nucleolus-Proteine ​​sind dynamisch und ihre Sequenz scheint während der gesamten Evolution konserviert worden zu sein. Von diesen Proteinen waren nur 30% mit der Ribosomenbiogenese assoziiert.

Struktur und Morphologie

Der Nucleolus ist in drei Hauptkomponenten unterteilt, die durch Elektronenmikroskopie unterscheidbar sind: die dichte fibrilläre Komponente, das fibrilläre Zentrum und die körnige Komponente.

Im Allgemeinen ist es von kondensiertem Chromatin umgeben, das als Heterochromatin bezeichnet wird. Im Nucleolus finden die Prozesse der Transkription von ribosomaler RNA, der Verarbeitung und des Zusammenbaus von ribosomalen Vorläufern statt.

Der Nucleolus ist eine dynamische Region, in der die Proteine, mit denen sich die Komponenten verbinden und die sich schnell von den Nucleolarkomponenten trennen können, einen kontinuierlichen Austausch mit dem Nucleoplasma (gelatineartige Substanz innerhalb des Nucleus) herstellen.

Bei Säugetieren variiert die Struktur des Nucleolus mit den Stadien des Zellzyklus. In der Prophase wird eine Desorganisation des Nucleolus beobachtet, die sich am Ende des mitotischen Prozesses wieder zusammensetzt. In den S- und G2-Phasen wurde eine maximale Transkriptionsaktivität im Nucleolus beobachtet.

Die Aktivität der RNA-Polymerase I kann durch verschiedene Phosphorylierungszustände beeinflusst werden, wodurch die Aktivität des Nucleolus während des Zellzyklus verändert wird. Die Stummschaltung während der Mitose erfolgt aufgrund der Phosphorylierung verschiedener Elemente wie SL1 und TTF-1.

Dieses Muster ist jedoch nicht bei allen Organismen gleich. Zum Beispiel ist in Hefe der Nucleolus während des gesamten Prozesses der Zellteilung vorhanden - und aktiv.

Fibrillenzentren

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 variieren je nach Zelltyp in Größe und Anzahl.

Ein bestimmtes Muster wurde in Bezug auf die Eigenschaften der fibrillären Zentren beschrieben. Zellen mit hoher Ribosomensynthese weisen eine geringe Anzahl von Fibrillenzentren auf, während Zellen mit reduziertem Metabolismus (wie Lymphozyten) größere Fibrillenzentren aufweisen.

Es gibt spezielle Fälle, beispielsweise bei Neuronen mit einem sehr aktiven Stoffwechsel, deren Nukleolus ein riesiges fibrilläres Zentrum hat, begleitet von kleinen kleineren Zentren.

Dichte fibrilläre Komponente und körnige Komponente

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

Die Verarbeitung von ribosomaler Prä-RNA erfolgt in der dichten fibrillären Komponente und der Prozess erstreckt sich auf die körnige Komponente. Die Transkripte reichern sich in der dichten fibrillären Komponente an und nukleolare Proteine ​​befinden sich auch in der dichten fibrillären Komponente. In dieser Region findet die Assemblierung von Ribosomen statt.

Nachdem dieser Assemblierungsprozess der ribosomalen RNA mit den erforderlichen Proteinen abgeschlossen ist, werden diese Produkte in das Zytoplasma exportiert.

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

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

Nucleolare Organisationsregion

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

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

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

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

Eigenschaften

Ribosomale RNA-Formungsmaschinen

Der Nucleolus kann als Fabrik mit allen Komponenten betrachtet werden, die für die Biosynthese von Ribosomenvorläufern erforderlich sind.

Ribosomale oder ribosomale RNA (Ribonukleinsäure), üblicherweise als rRNA abgekürzt, ist ein Bestandteil von Ribosomen und an der Synthese von Proteinen beteiligt. Diese Komponente ist für alle Abstammungslinien von Lebewesen von entscheidender Bedeutung.

Ribosomale RNA assoziiert mit anderen Komponenten einer Proteinnatur. Diese Bindung führt zu ribosomalen Voreinheiten. Die Klassifizierung der ribosomalen RNA wird im Allgemeinen zusammen mit einem Buchstaben "S" angegeben, der die Svedberg-Einheiten oder den Sedimentationskoeffizienten angibt.

Organisation von Ribosomen

Ribosomen bestehen aus zwei Untereinheiten: der großen oder großen und der kleinen oder kleinen.

Die ribosomale RNA von Prokaryoten und Eukaryoten ist differenzierbar. Bei Prokaryoten ist die große Untereinheit 50S und besteht aus ribosomalen 5S- und 23S-RNAs, ebenso ist die kleine Untereinheit 30S und besteht nur aus ribosomaler 16S-RNA.

Im Gegensatz dazu besteht die Hauptuntereinheit (60S) aus ribosomalen 5S-, 5,8S- und 28S-RNAs. Die kleine Untereinheit (40S) besteht ausschließlich aus 18S-ribosomaler RNA.

Im Nucleolus befinden sich die Gene, die für die ribosomalen RNAs 5.8S, 18S und 28S kodieren. Diese ribosomalen RNAs werden von der RNA-Polymerase I als einzelne Einheit innerhalb des Nucleolus transkribiert. Dieser Prozess führt zu einem 45S-RNA-Vorläufer.

Der ribosomale RNA-Vorläufer (45S) muss in seine 18S-Komponenten gespalten 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 Nucleolus synthetisiert. Im Gegensatz zu seinen Gegenstücken wird der Prozess durch die RNA-Polymerase III katalysiert.

Ribosomale RNA-Transkription

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

Basierend auf Daten, die im menschlichen Genom gefunden wurden, gibt es beispielsweise 200 Kopien für ribosomale 5,8S-, 18S- und 28S-RNAs. Für 5S-ribosomale RNA gibt es 2000 Kopien.

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

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

Anschließend erfolgt die Zugabe von Proteinen und RNAs im Nucleolus. Unter diesen befinden sich die kleinen nukleolaren RNAs (pRNA), die an der Trennung von ribosomalen RNAs in den 18S-, 5.8S- und 28S-Produkten beteiligt sind.

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

Ribosomenanordnung

Die Bildung von Ribosomen beinhaltet die Bindung der ribosomalen Eltern-RNA zusammen mit ribosomalen Proteinen und 5S. Die am Prozess beteiligten Proteine ​​werden von der RNA-Polymerase II im Zytoplasma transkribiert und müssen zum Nucleolus transportiert werden.

Ribosomale Proteine ​​beginnen mit ribosomalen RNAs zu assoziieren, bevor die Spaltung von 45S-ribosomaler RNA erfolgt. Nach der Trennung werden die verbleibenden ribosomalen Proteine ​​und die 5S-ribosomale RNA zugegeben.

Die Reifung der ribosomalen 18S-RNA erfolgt schneller. Schließlich werden die "preribosomalen Partikel" in das Zytoplasma exportiert.

Andere Funktionen

Neben der Biogenese von Ribosomen haben neuere Forschungen ergeben, dass der Nucleolus eine multifunktionale Einheit ist.

Der Nucleolus ist auch an der Verarbeitung und Reifung anderer Arten von RNA beteiligt, wie z. B. snRNPs (Protein-RNA-Komplexe, die sich mit Pre-Messenger-RNA zum Spleißosom oder Spleißkomplex verbinden) und bestimmte Transfer-RNAs. , microRNAs und andere Ribonukleoproteinkomplexe.

Durch die Analyse des Nucleolus-Proteoms wurden Proteine ​​gefunden, die mit der Verarbeitung von Prä-Messenger-RNA, der Kontrolle des Zellzyklus, der DNA-Replikation und der Reparatur assoziiert sind. Die Proteinkonstitution des Nucleolus ist dynamisch und ändert sich unter verschiedenen Umgebungsbedingungen und Zellstress.

Ebenso gibt es eine Reihe von Pathologien, die mit der fehlerhaften Funktion des Nukleolus verbunden sind. Dazu gehören Diamond-Blackfan-Anämie und neurodegenerative Erkrankungen wie Alzheimer und Huntington.

Bei Alzheimer-Patienten ändert sich das Expressionsniveau des Nucleolus im Vergleich zu gesunden Patienten.

Der Nukleolus und Krebs

Mehr als 5000 Studien haben die Beziehung zwischen maligner Zellproliferation und Nucleolusaktivität gezeigt.

Ziel einiger Untersuchungen ist die Quantifizierung von Nucleolus-Proteinen für klinisch-diagnostische Zwecke. Mit anderen Worten, das Ziel besteht darin, die Krebsproliferation unter Verwendung dieser Proteine ​​als Marker zu bewerten, insbesondere der Untereinheiten B23, Nucleolin, UBF und RNA-Polymerase I.

Andererseits wurde festgestellt, dass das B23-Protein in direktem Zusammenhang mit der Entwicklung von Krebs steht. Ebenso sind andere nukleolare Komponenten an der Entwicklung von Pathologien wie der akuten Promyelozyten-Leukämie beteiligt.

Der Nucleolus und die Viren

Es gibt genügend Beweise dafür, dass sowohl pflanzliche als auch tierische Viren Nucleolus-Proteine ​​benötigen, um den Replikationsprozess zu erreichen. Es gibt Veränderungen im Nucleolus hinsichtlich seiner Morphologie und seiner Proteinzusammensetzung, wenn die Zelle eine Virusinfektion erfährt.

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

Viren haben unterschiedliche Strategien, die es ihnen ermöglichen, sich in dieser subnuklearen Region zu lokalisieren, beispielsweise virale Proteine, die „Signale“ enthalten, die sie zum Nucleolus führen. Diese Tags sind reich an den Aminosäuren Arginin und Lysin.

Die Lokalisierung von Viren im Nucleolus erleichtert deren Replikation und scheint darüber hinaus eine Voraussetzung für ihre Pathogenität zu sein.

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