A nucleolus egy nem membránon belüli intranukleáris részegység [1] , amely kivétel nélkül minden eukarióta szervezetben megtalálható. Fehérjékből és ribonukleoproteinekből álló komplexum , amely rRNS-géneket – nukleoláris szervezőket – tartalmazó DNS szakaszok körül képződik . A nucleolus fő funkciója a riboszómális alegységek képzése.
A nucleolusban három fő szerkezeti komponens található, amelyek a riboszóma biogenezisének különböző szakaszainak felelnek meg : a fibrilláris centrum (FC), a sűrű fibrilláris komponens (DFC) és a szemcsés komponens (GC). A mitózis kezdetén a sejtmagokat szétszerelik, majd a mitózis végén újra összeszerelik. Jelenleg vannak adatok a nukleolusok részvételéről olyan folyamatokban, amelyek nem kapcsolódnak riboszóma biogenezishez, például stresszválaszban, jelfelismerő részecskék összeállításában ; ráadásul a nucleolus számos vírussal kölcsönhatásba lép. A nucleolus részt vesz számos emberi betegség kialakulásában, beleértve a rákot és esetleg a neurodegeneratív és autoimmun betegségeket .
A magokat először Felice Fontana olasz természettudós fedezte fel 1774-ben. A magról az első megbízható leírást egymástól függetlenül Rudolf Wagner (1835) és Gabriel Gustav Valentin (1836 és 1839) készítette. 1898-ban Thomas Montgomery monumentális monográfiát adott ki a nucleolusról Munkája 346 kézzel írott rajzot tartalmazott különféle biológiai objektumok magjairól és magjairól. Az 1930-as években több kutató ( S. G. Navashin , Emil Heitz , Barbara McClintock ) kimutatta, hogy a magok a kromoszómák speciális régióiban keletkeznek, amelyeket nukleoláris szervezőknek neveznek [2] . Az 1940-es években RNS-t fedeztek fel a sejtmagokban, ami megmagyarázta a nucleolus lúgos festékekkel szembeni affinitását az RNS savas természetéből adódóan [3] .
A nucleolus funkciói sokáig nem voltak egyértelműek; Az 1950-es évekig azt hitték, hogy a nucleolus anyaga egyfajta tartalék, amely a sejtosztódás során felhasználódik és elveszik [4] . Az 1960-as években egy sor ondós kísérlet eredményeit publikálták, amelyek kimutatták, hogy a sejtmag a riboszóma biogenezisének helye. 1969-ben Oscar Miller és Barbara Beatty először elektronmikroszkóp segítségével tette láthatóvá a működő riboszómális géneket [5] [6] . A következő években a nukleolusok vizsgálatának fő irányai a szerkezetük, a riboszómák összeállításának folyamata, valamint a riboszómák különböző szerkezeti komponenseinek meghatározása volt. A századfordulón kezdtek megjelenni adatok a nucleolus új funkcióiról, amelyek semmilyen módon nem kapcsolódnak a riboszóma biogeneziséhez [7] .
A nucleolus a legszembetűnőbb látható magszerkezet, amely az összes eukarióta szervezetben megtalálható. Sokáig azt hitték, hogy az egyetlen sejtmag hiányzó organizmus a Diplomonad Giardia lamblia , de a közelmúltban egy nagyon kicsi sejtmagot is leírtak [8] . A nucleolus az eukarióta sejt legsűrűbb szerkezete. A nucleolus sűrűsége a magas fehérjetartalomnak köszönhető (akár 70-80% száraz tömeg). A sejtmag a fehérjén kívül 5-14% RNS-t és 2-12% DNS-t tartalmaz [4] [9] .
Az elektronmikroszkópos vizsgálat három szerkezeti komponenst tárt fel ebben a nem membrán organellumában, amelyek a riboszóma biogenezisének különböző szakaszainak felelnek meg: fibrilláris centrum (FC), sűrű fibrilláris komponens (DFC) és granuláris komponens (GC). A rostos centrumokat körülbelül 5 nm átmérőjű fibrillák alkotják ; részben sűrűn tömörülő rostok veszik körül, amelyek sűrű fibrilláris komponenst alkotnak. A szemcsés komponens 15-20 nm átmérőjű szemcsékből áll. A humán fibroblasztok magjaiban a sűrű fibrilláris komponens a nukleolus térfogatának 15%-át, a szemcsés komponens pedig 75%-át teszi ki. A magasabb rendű növények sejtmagjában sokkal magasabb a PFC aránya. A Saccharomyces cerevisiae élesztő sejtmagjaiban csak PFC és HA található. Feltételezik, hogy a PC, a PFC és a HA fejlődése egy kétrészes rendszerrel kezdődött, amelyben a PC és a PFC összetevőit keverték [10] .
A S. cerevisiae élesztőben a nucleolus kiterjedt érintkezésbe kerül a sejtmag burkával . A magasabb rendű eukariótákban a magok a nukleáris burkon vagy annak közelében helyezkednek el. A HeLa sejtekben a magmembrán invaginációi több nukleoláris csatornát képeznek, amelyek közvetlenül érintkeznek a mag közepén található nucleolusszal. Ezeknek a csatornáknak a funkciói nem ismertek. A sejtmagok kölcsönhatásba lépnek a nukleáris laminával is , és a laminák részt vesznek a kromatin szerveződésében. A Lamin B1 -ről kimutatták, hogy fenntartja a funkcionális nukleoláris plaszticitást, és részt vesz a sejtmag és a sejtmagok szerkezeti átszervezésében a mitózis után [11] .
A kromatin a nucleolus számos területén megtalálható. A kondenzált kromatin a nucleolus perifériáján, valamint a szemcsés komponensben, míg a nem kondenzált kromatin a sűrű fibrilláris komponensben és a fibrilláris centrumokban található. Feltételezzük, hogy a fibrilláris centrumokban található DNS filamentumok megfelelnek az rDNS-nek (nukleoláris szervezőknek) [12] . A nucleolus specifikus fehérjéket (például a Nop90 szkleroderma antigént a nukleoláris szervezők régiójában) inszertál a kromatinba a nukleoláris határon, hogy elválassza magát a mag többi részétől, így a nukleolust gyakran heterokromatin veszi körül [13] . Megállapították, hogy a növények sejtmaghoz kapcsolódó kromatin doménekkel (NAD ) rendelkeznek [ 14] [15] [16] .
A nucleolus perifériáján található a perinukleoláris kompartment , egy dinamikus szerkezet, amely nagyszámú RNS-kötő fehérjét , valamint RNS-polimeráz III -at tartalmaz [17] .
Minden sejtmag speciális DNS-szekvenciák - nukleoláris szervezők - körül jön létre. A nukleoláris szervezők olyan rDNS gének, amelyek tandem ismétlődések soraiban állnak össze, és távtartókkal vannak elválasztva . A nukleoláris szervezők és a PC-k sűrűn kapcsolódó, 6-10 nm vastagságú fibrillákból állnak, mindkettő RNS-polimeráz I-et tartalmaz, és egy egyedülálló tulajdonság jellemzi őket - az ezüstsókkal való festődés képessége (argirofilitás) [18] . Elektronmikroszkópban az rRNS gének halszálkás típusú struktúrákat alkotnak, amelyekben az oldalsó ívelt szálak pre-rRNS transzkriptumok, az ágban ülő szemcsék pedig RNS polimeráz I molekulák [19] .
Emberben a 43 kb méretű rRNS ismétlődő egységek (kilobázisok) körülbelül 400 kópiája található az összes akrocentrikus kromoszómán ( 13. , 14. , 15. , 21. és 22. kromoszóma ). Azonban nem minden nukleoláris DNS-t képviselnek nukleoláris szervezők: például a növények is tartalmaznak ismétlődő szekvenciákat nem kódoló pszeudogéneket , tRNS - géneket és RNS-polimeráz II -vel átírt géneket [15] .
A fibrilláris centrumokat az rDNS (nukleoláris szervezők), az RNS polimeráz I alegységei , a DNS topoizomeráz I és az UBTF transzkripciós faktor jelenléte jellemzi . Lényegében a fibrilláris centrumok az inaktív rDNS és intergenikus távtartók sűrűn tömörült tandem ismétlődései. Sok sejttípusban csak néhány rDNS gének transzkripciósan aktívak, annak ellenére, hogy a többi szintén a sejtmagban található [20] . Az rDNS transzkripciója nem a PC belsejében, hanem a perifériáján történik. A különböző vonalú sejtek sejtmagjaiban változatos számú, különböző méretű PC található, és a fibrilláris centrumok száma fordítottan arányos a méretükkel. A differenciált humán limfociták sejtmagjai egyetlen fibrilláris centrumot tartalmaznak. Ha egy limfocitában aktiválódik a sejtciklus , akkor megindul benne a riboszómák képződése, és az egyetlen fibrilláris centrum feloldódik, mivel megindul a benne található rDNS gének transzkripciója és sűrű fibrilláris komponens képződik. Így a fibrilláris centrumok az rDNS transzkripciós gépezet inaktív komponenseit tartalmazzák [21] .
A sűrű fibrilláris komponens a fibrilláris centrumoknál kisebb elektronsűrűségű fibrillákból áll [22] . A sűrű fibrilláris komponens újonnan szintetizált rRNS transzkriptumokat tartalmaz (pre-rRNS 45S [23] ); ráadásul az rRNS-feldolgozás korai szakaszai zajlanak benne . Itt lokalizálódnak az rRNS feldolgozás korai szakaszában részt vevő fehérjék, mint például a fibillarin és a Nopp140, valamint a kis nukleoláris RNS -t tartalmazó ribonukleoprotein komplexek (snoRNS [24] az angol small nucleolar szóból ). A fibrillarin, amely metiltranszferázként funkcionál , jó markerként szolgál a PFC számára [25] .
A szemcsés komponens általában a nucleolus perifériáján helyezkedik el, bár egyes esetekben a rostos és szemcsés komponensek egyenletesen oszlanak el a sejtmagban. Ez utóbbi esetben a rostos-szemcsés komponensek gyakran fonalas struktúrákat - nukleolonémákat , vagy körülbelül 100-200 nm vastagságú, fénymikroszkóppal is megkülönböztethető (különleges kontrasztú) nukleoláris szálakat alkotnak. A nukleolonémákban a 15 nm vastag szemcséken kívül sok vékony rost található, amelyek csomókat képezhetnek [26] . A szemcsés komponenst alkotó szemcsék nagy valószínűséggel éretlen 60S riboszomális alegységeknek felelnek meg. A tömör magvakban a szemcsék sűrűn tömöttek, míg az elágazó magvakban hálózatot alkotnak. A HA-ban az 5.8S és a 28S rRNS feldolgozása , valamint nagy riboszomális alegységek (60S) összeállítása megy végbe. Az olyan fehérjék, mint a nukleofoszmin , Bop1 , Nop52, RRP1B , nukleosztemin és az exoszóma komplex PM-Scl 100 alegysége szolgálhatnak GA markerként [27]
A sejtmagban lévő magvak számát fejlődési vagy differenciálódási foka határozza meg , méretük pedig a riboszóma szintézis szintjétől függ. Ebben az esetben a sejtben lévő magok maximális számát a nukleoláris szervezők száma határozza meg, ráadásul a nagy poliploid sejtmagokban mindig több a mag. Így a karmos békának két kromoszómája van, amelyek nukleoláris szervezőket hordoznak, és ebből következően általában 1-2 sejtmag [28] .
Az osztódó sejtekben , amelyek aktívan szintetizálják a riboszómákat, a magok mérete 0,5-7 mikron átmérőjű. A legtöbb rákos sejtnek nagyobb magja van, mint a normál sejteknek abban a szövetben és szervben , amelyből származtak. Az agresszív emlőráksejtek esetében a sejtmag mérete 30%-kal nő a daganat kialakulásával. A differenciálódott sejtekben a riboszómák képződése lecsökken vagy teljesen leáll (például vörösvértestekben és limfocitákban ), és sejtmagjuk mérete 0,1-0,3 mikronra csökken [9] .
Az alsóbbrendű eukarióták sejtmagjai szerkezetükben különböznek a jól tanulmányozott emlős magvaktól . Például az iszappenész, a Dictyostelium [ sejtmagjaiban nincsenek megkülönböztethető alrekeszek, és a mag a belső magmembránhoz kapcsolódik. A riboszóma összeépülése az egész sejtmagban előfordulhat. Az rDNS nem a sejtmag közepén található, mint a legtöbb más organizmusban, hanem a periféria mentén. Ráadásul ebben a szervezetben az rDNS nem a kromoszómákon helyezkedik el, hanem egy lineáris palindromikus extrakromoszómális DNS-fragmentum, amelynek 20%-a rRNS-t kódol [29] . Az rRNS gének extrakromoszómális elrendeződése olyan alacsony eukariótákra is jellemző, mint a Tetrahymena pyriformis csillós és az élesztő [30] . A Leishmania major egysejtű parazitában az 5S rRNS gének nem sorakoznak tandem sorokban, mint más eukariótákban; ehelyett ennek a génnek csak 11 kópiája van szétszórva az RNS-polimeráz III által átírt egyéb gének között [31] . Az Aspergillus penészgombában a sejtmag érintkezik a magmembránnal, mint az élesztőben, de konvex alakú, mint a Dictyosteliumban [32] . A Daphnia rákfélékben a magja kerek, és a magmembrán mellett helyezkedik el, de nem érintkezik vele. A Neurospora gombában a nucleolus szerkezete hasonló a Daphniához [33] .
A HA és a PFC súlyossága, valamint egyéb szerkezeti jellemzők lehetővé teszik a sejtmagok több szerkezeti típusának megkülönböztetését: retikuláris (nukleolonémiás), kompakt, gyűrűs, reziduális (nyugalmi) és szegregált [34] .
A retikuláris típusú magvak a legtöbb sejtben megtalálhatók, mind az állati, mind a növényi sejtben. Az ilyen nukleolusok nukleolonémiás szerkezetűek, a PFC és a HA jól fejlettek, de az FC-k gyakran gyengén expresszálódnak az aktív transzkripció miatt [34] .
A nucleolus kompakt típusa a retikuláris típustól kevésbé kifejezett nukleolonemalis szerkezetben és nagyobb FC előfordulási gyakoriságban tér el. Kompakt nukleolusok találhatók az aktívan osztódó sejtekben, például a növényi merisztémasejtekben és a szövettenyésztő sejtekben . Nyilvánvalóan a kompakt és a retikuláris típusok átjuthatnak egymásba [34] .
A gyűrű alakú típus állati sejtekben található. Az ilyen típusú magvak fénymikroszkópban úgy néznek ki, mint egy gyűrű optikailag fényes központi zónával, amely egy firilláris központ, amelyet rostok és szemcsék vesznek körül. Tipikus gyűrűs magvak találhatók az alacsony transzkripciós szinttel rendelkező sejtekben, például limfocitákban és endotheliocitákban [35] .
A maradék magvak olyan sejtekben rejlenek, amelyek teljesen elvesztették az rRNS szintetizálásának képességét: normoblasztok , differenciált enterociták , a tüskés rétegének sejtjei és mások. Kis méretük és kondenzált kromatin környezetük miatt gyakran nehéz megkülönböztetni őket fénymikroszkóp alatt. Néha aktiválódhatnak, és aktív retikuláris vagy kompakt formát ölthetnek [36] .
A szegregált típusú magvak olyan sejtekben fordulnak elő, amelyekben az rRNS szintézis leáll az antibiotikumok hatására , például az aktinomicin D és az amfotericin és más vegyszerek hatására, vagy a DNS és a fehérjeszintézis károsodik a mitomicin , a puromicin és számos rákkeltő hatás hatására . A nucleolus különböző komponensei izolálódnak egymástól, de a nucleolus térfogata fokozatosan csökken [36] .
A sejtciklus során a sejtmagok szétesése a profázisban történik , és az összeszerelésük a telofázisban kezdődik . A profázisban szétszedett nukleolusokból visszamaradt fehérjekomplexeket és ribonukleoproteineket használják a leánysejtekben a magok összeállítására [37] .
A sejtmagok szétszerelése a korai profázisban kezdődik, és az utolsó lépés az rDNS transzkripció leállítása. Még korábban, az RNS polimeráz I leállása és a nukleáris burok tönkremenetele előtt a nucleolus elhagyja az RNS-t feldolgozó fehérjéket és a snoRNP-t [24] , és a kromoszómák felszínén fixálódik, ismeretlen módszerrel megtartva. Úgy tűnik, hogy a ciklin-dependens kináz 1 [ és a ciklin B [38] komplexe kulcsszerepet játszik a nucleolus szétszedésének szabályozásában .
A nucleolus összeszerelése a transzkripció aktiválásával kezdődik a nukleoláris szervezők területén. Azonban a transzkripció aktiválása önmagában nem elegendő; A nucleolus összeállítása a fehérjék és snoRNP-k feldolgozásától is függ. Telofázisban a kromoszómák közelében gyűlnek össze, és pontozott klasztereket képeznek, amelyeket prenukleoláris testeknek neveznek. A sejtciklus G1 fázisában a fehérjék szabályozott mozgása megy végbe a prenukleoláris testekből a nukleoláris szervezők felé, aminek következtében a nukleoláris kompartmentek fokozatos összeépülése következik be: fibrilláris centrumok, sűrű fibrilláris komponens és granuláris komponens [39] .
Kimutatták, hogy az RNS-polimeráz II Alu - tartalmú transzkriptumai, az úgynevezett AluRNS [40] , a sejtingerekre adott válaszként és a sejtciklus során a nukleoláris összeállítás fontos szabályozói .
Az alacsonyabb rendű eukarióták egyes csoportjaiban a sejtmagok viselkedése a mitózis során eltér a fent leírtaktól; különösen az euglenoidokban és a hemimastigidekben a mitózis során végig fennmaradhat [41] .
A nukleolusok izolálására szolgáló módszerek fejlesztése az ismert nukleoláris fehérjék listáját 100-ról 6000-re bővítette. A proteomikai elemzés több mint 200 növényi fehérjét és több mint 6000 humán fehérjét azonosított, amelyek a nukleolusokkal együtt ürülnek ki. Kimutatták, hogy a bimbózó élesztőben a nukleoláris fehérjék körülbelül 90%-a homológ az emberi nukleoláris fehérjék között. Így a nucleolus proteom az evolúció során erősen konzervált maradt . A nukleoláris fehérjéket funkcionális csoportokba sorolják, és a nukleoláris fehérjéknek csak 30%-a kapcsolódik riboszómális alegységek kialakulásához [42] .
Nukleoláris lokalizációs jelet ( NoLS ) mutattak ki számos állandó nukleoláris fehérjére . Azonban sok nucleolus-rezidens fehérje nem rendelkezik nukleoláris lokalizációs jellel [43] . Feltételezhető, hogy a nukleoláris lokalizációs jelre a fehérje sejtmagban való megtartásához van szükség, nem pedig annak szállítására [44] . Egyes források említik a retenciós jeleket a nucleolusban ( angolul Nucleolar retention signal, NoRS ), bár a NoLS és a NoRS között nem mutattak ki különbséget [45] . Feltételezik, hogy számos nukleoláris fehérje folyamatosan mozog a sejtmag körül, és bejuthat a sejtmagba és elhagyhatja azt. A sejtmagban való mozgásuk azonban lelassul, valószínűleg számos kölcsönhatás miatt más nukleoláris fehérjékkel, valamint célpontjaikkal; a mozgást lassító hatása miatt a legtöbb ilyen fehérje a sejtmagban található. A nukleoláris nukleinsavak olyan szerkezeti fehérjéket toboroznak, amelyek más nukleoláris molekulákat toboroznak . Ezek a toborzó nukleoláris fehérjék közé tartozik az UBTF , a fibillarin , a nukleolin és a nukleofoszmin . Az UBTF gén zavarai hibás sejtmagok képződését okozzák [46] . Egyes fehérjék csak bizonyos körülmények között, például DNS-károsodás, celluláris stressz és mitózis [47] esetén kerülnek be a sejtmagba .
Számos, a nucleolusra jellemző fehérje egy másik nukleáris testben , a Cajal-testben is lokalizálódik , így úgy tűnik, hogy e testek között szoros kapcsolat van [48] [49] . Kimutatták, hogy a Cajal-testek és a sejtmagok között különösen szoros fizikai kapcsolat figyelhető meg a transzkripció-szuppresszió körülményei között [50] . Kimutatták , hogy a Cajal testek részt vesznek a sejtmagok képződésében az egér oociták fejlődése során [51] .
A nucleolus kulcsfontosságú funkciója a riboszóma alegységek képzése az eukarióta sejtekben [20] . Sok nukleoláris fehérje azonban teljesen más funkciókat lát el, például részt vesz a celluláris stresszre adott válaszban [52] , és kölcsönhatásba lép a vírusfehérjékkel [53] . A nucleolus jelfelismerő részecskéket is összeállít [54] .
A riboszómák képződése az rDNS gének RNS polimeráz I általi transzkripciójával kezdődik. Az rRNS szintézis az, amely meghatározza a sejt növekedési és szaporodási képességét , és szinte minden rájuk ható sejtút közvetlenül szabályozza az rRNS szintézist. Emlősökben az rRNS génklaszterek körülbelül 30 kb hosszú intergenikus spacer és körülbelül 14 kb hosszú pre-rRNS kódoló régiók ismétlődő egységei . Magasabb gerincesekben az rRNS gén egy prekurzor transzkriptumot kódol, amelyet kis nukleoláris RNS-ek részvételével ko- vagy poszttranszkripciósan módosítanak , így végül egy 18 S, 5,8 S és 28 S rRNS molekula keletkezik belőle, amely alkotják a "keret" riboszómákat [55] . Az RNS-polimeráz I által közvetített transzkripció elindításához számos specifikus transzkripciós faktorra van szükség, mint például az UBTF-re és egy promoterszelektivitási faktorra , amelyet emberben SL1-nek, egerekben TIF-IB-nek neveznek. Az UBTF számos nukleoláris DNS-kötő fehérje, amely aktiválja az RNS polimeráz I transzkripcióját, és a fibrilláris centrumok markereként szolgál [56] .
Ahogy az első RNS-polimeráz molekula áthalad az rRNS-gének egyik transzkripciós egységén, a következő RNS-polimeráz a szabad helyre kerül, és új RNS-t szintetizál. A végtermék a 45S pre-rRNS. Ahogy a pre-rRNS szintetizálódik, riboszómális fehérjékbe burkolják, amelyek a citoplazmából jutnak be a sejtmagba . Az rRNS transzkripciós termékei alkotják a PC körüli PFC zónát. A 45S rRNS szétválása után kisebb molekulákra hasad, amelyek 40S és 60S riboszomális alegységeket eredményeznek. A kis alegységek körülbelül 30 perc alatt szintetizálódnak a sejtmagban, míg a nagy alegységek szintézise körülbelül egy órát vesz igénybe. Az éretlen 60S alegység a sejtmagban kapcsolódik egy harmadik (a 28S és 5,8S mellett) rRNS-molekulához, az 5S rRNS-hez. Az újonnan képződött alegységek nukleáris pórusokon keresztül jutnak ki a sejtmagból a citoplazmába. A teljes 80S riboszóma azután jön létre, hogy a kis alegység az mRNS -hez , majd a nagy alegységhez kötődik [57] .
Az RNS polimeráz I által közvetített transzkripciós megnyúlást elősegítik a kromatint átalakító fehérjék, például a nukleofoszmin (B23), a nukleolin és a FACT . Az RNS-polimeráz I általi transzkripció-terminációs mechanizmusok az evolúció során konzerváltak maradtak. A terminátorelemeket a DNS-kötő fehérjék ismerik fel; ugyanakkor felismernek olyan specifikus szekvenciákat, amelyek összehúzódnak az RNS-polimeráz I-gyel, és elindítják a transzkripció befejeződését. Egerekben 10 Sal-boxnak nevezett terminátorelem csoportosul több száz bázispárra a pre-rRNS-t kódoló régiótól lefelé, és hosszú pirimidin - pályák szegélyezik őket . Egy hasonló terminátor elem, amelyet To-nak nevezünk , közvetlenül az rDNS promoter előtt helyezkedik el. Kimutatták, hogy a nukleoláris fehérje TTF-I kötődik a Sal-boxokhoz, és megállítja az RNS polimeráz I megnyúlását [58] . T 0 szükséges promoter elem [59] . Azt is kimutatták, hogy az RNS-polimeráz I által végrehajtott transzkripciót elősegítik az aktin és a miozin nukleáris formái [60] . Ezenkívül különféle növekedési faktorok szabályozása alatt áll [61] , és a sejt elhelyezkedési körülményeitől, például a tápanyagellátástól függően is változhat [62] . Különféle onkogének és tumorszuppresszor gének szabályozzák [63] . A nukleoláris fehérjék a topoizomerázokkal kölcsönhatásba lépve részt vehetnek a nucleolus transzkripciójának szabályozásában (például a BLM nukleoláris fehérje kölcsönhatásba lép a topoizomeráz I-gyel) [64] .
A nucleolus sok nem kódoló RNS-t tartalmaz, amelyeket kis nukleoláris RNS-eknek (snoRNS-eknek) neveznek. Az egyes konzervált motívumok jelenlététől függően több osztályba sorolhatók , és a legnagyobb számban a H/ACA-box, illetve C/D-box motívumokat tartalmazó két osztály található. A snoRNS-ek különféle fehérjékhez kötődnek, és kis nukleoláris ribonukleoproteineket (snoRNP-ket) képeznek, amelyek fontos szerepet játszanak az rRNS feldolgozásában és érésében [65] [66] . A legtöbb snoRNP katalizálja a nukleotid módosításokat , de néhány snoRNP részt vesz a prekurzor transzkriptum (pre-rRNS) hasításában [67] . A snoRNP-ket a Nopp140 és a melasz néven ismert speciális chaperonok juttatják a sejtmagba [68] .
A riboszómaképződés az egyik legenergiaigényesebb folyamat az eukarióta sejtben, és erősen összefügg a sejtciklussal és a sejtproliferációval. Kimutatták, hogy a riboszómaképződés aktiválása gyors sejtnövekedést és osztódást okoz. Számos, a riboszómák képződését szabályozó fehérjefaktor közvetlenül is részt vesz a sejtciklus egyes szakaszaiban élesztőben és emlősökben egyaránt. A riboszóma biogenezisét szabályozó mechanizmusok a sejtciklus G1 fázisában is működnek, és kommunikálnak a G1 fázisból az S fázisba átmenő fehérjékkel , ennek eredményeként a sejt osztódhat vagy nem osztódhat, a sejtciklus intenzitásától függően. a riboszómaképződés folyamata [69] .
A nucleolusról kimutatták, hogy kulcsszerepet játszik a p53 -Mdm2 hurok szabályozásában. A p53 és az Mdm2 főként nukleoplazmatikus fehérjék, a p53 a legfontosabb fehérje, amely felelős a sejt stresszre adott válaszáért (DNS-károsodás, onkogén aktiváció , riboszóma-zavarok), míg az Mdm2 ennek negatív szabályozója. Az ARF tumorszuppresszor fehérje egy nukleoláris fehérje, amely elnyomja az Mdm2 munkáját, gátolja annak E3 ubiquitin ligázként való aktivitását vagy izolálja a sejtmagban, aminek eredményeként a p53 fehérje stabilizálódik és aktiválódik. Ezenkívül az ARF a sejtöregedés kulcsfontosságú szabályozója [70] . Egy másik nukleoláris fehérje, a nukleofoszmin (B23) részt vesz a celluláris stresszre adott válaszban. El tudja izolálni az ARF-et a sejtmagban, és a helyzettől függően a B23 onkogénként vagy tumorszuppresszor génként működik. Ezenkívül a nukleolin és a B23 részt vehet a sérült DNS helyreállításában [71] . A p53 a sejtmagban a riboszóma biogenezisében fellépő zavarokra adott válaszként sejtciklus-leállás formájában sejtválaszt is indukálhat [72] .
A nucleolus más módon is részt vehet a stresszre adott válaszban. Például hipotenziós körülmények között a sejtmag számos kis magvakká alakul, amelyek, amikor a sejt normális állapotba kerül, összeolvadnak egymással, és nukleolusokat képeznek. Érdekes módon az egyik legfontosabb nukleoláris fehérje, a nukleofoszmin nem halmozódik fel a sejtmagvakban, hanem a nukleolusok és a nukleoplazma között kering [73] .
A jelfelismerő részecskék (SRP ) mindenütt jelenlévő citoplazmatikus ribonukleoprotein komplexek, amelyek egyes riboszómákat juttatnak a durva endoplazmatikus retikulumba (ER) a szintetizált membrán és a szekretált fehérjék további kotranszlációs transzlokációja érdekében. Az SRP először egy növekvő szekretált vagy membráncsatorna szignálpeptidjét ismeri fel, amint az kilép a riboszómából. Továbbá az SRP átmenetileg leállítja a fehérjeszintézist, és a szintetizált fehérjével együtt a riboszómát az ER citoplazmatikus oldalára szállítja, és további fehérjeszintézis megy végbe az ER-be való transzlokációjával egyidejűleg [74] . Amikor az SRP részét képező, fluoreszcensen jelölt RNS-t egy emlős sejt magjába juttatták, az nagyon gyorsan a sejtmagban kötött ki. Egy idő után a nucleolusban a fluoreszcencia szintje csökkent, de a citoplazma bizonyos területein nőtt [75] . Az SRP RNS lokalizációja nem köthető a nucleolus három doménjének egyikéhez: a lokalizációs terület a teljes sejtmagon keresztül futott [76] . Kimutatták, hogy az SRP RNS szintézisének és a tulajdonképpeni SRP összeállításának utolsó szakaszai a sejtmagban zajlanak [77] .
A cisztein - proteáz katepsinek fontos szerepet játszanak az aktivált makrofágok munkájában . Az endoszómákban és lizoszómákban fontos szerepet játszanak a szerzett immunválasz (antigénfeldolgozás és -prezentáció ), valamint a veleszületett immunválasz (a Toll-szerű receptorok aktiválása ) kialakulásában. A közelmúltban kimutatták, hogy ezek a cisztein-proteázok és inhibitoraik a sejtmagban és a sejtmagban is bizonyos funkciót töltenek be. Így a makrofágok aktiválásakor a katepszin L és a Spia3g inhibitor lokalizálódik a sejtmagban [78] .
Kimutatták, hogy növényekben egyes nukleoláris fehérjék részt vehetnek a nukleoláris kromatin és a telomerszerkezet fenntartásában [15] .
Élesztőben az mRNS -ek a sejtmagba irányítódnak, ha a nukleocitoplazmatikus transzport, az rRNS biogenezis vagy az mRNS feldolgozás károsodott [79] .
Inaktív formában, amikor az rRNS gének transzkripciója csökken, a nukleoláris szervezőt egyetlen nagy fibrilláris központ képviseli. A riboszómális DNS ezen a ponton kondenzálódik (vagyis kompaktan össze van hajtva). Amikor a nucleolus aktivációja megkezdődik, az rDNS dekondenzációja megtörténik, és a fibrilláris centrum perifériáján kezdődik. Ennek eredményeként RNP-transzkriptumok képződnek, amelyek éréskor szemcséket képeznek - riboszómák prekurzorai, amelyek az aktivált nukleolusz perifériáját foglalják el. A transzkripció további erősödésével egyetlen fibrilláris centrum több kisebbre bomlik, amelyeket teljesen dekompaktált (azaz kibontott) rDNS-régiók kapcsolnak egymáshoz. Minél intenzívebb a transzkripció, annál több kis FC van a nucleolusban, amelyek kapcsolódnak egymáshoz és PFC-vel körülvéve. Ha az rDNS aktiválása befejeződött, akkor az összes FC dekondenzálódik, és az aktív rDNS a PFC-ben van. A nucleolus inaktiválásakor ismét FC-k keletkeznek és egyesülnek egymással, méretük megnő, a PFC aránya csökken. Amikor a nucleolus teljesen inaktiválódik, csak egy nagy gömb alakú FC képviseli (legfeljebb 4-5 µm), amelyet egy kondenzált kromatinréteg vesz körül. Az inaktivált nucleolus szerkezetileg közel áll a mitotikus kromoszómák nukleoláris szervezőihez. Az ilyen átalakulásokat a nucleolus aktiválásának, illetve dezaktivációjának nevezik [80] .
Bár a sejtekben sok riboszomális DNS-gén másolata van, nem mindegyiket használják fel rRNS képzésére. Kimutatták, hogy az aktív és néma rDNS-géneket különböző epigenetikai jegyek jellemzik. Például a csendes rDNS gének CpG metilációval rendelkeznek , ami a heterokromatin és a transzkripciósan inaktív génekre jellemző, míg az aktív gének nem rendelkeznek ezzel a jellel. Az rDNS hipometilációját is megfigyelték bizonyos ráktípusokban, különösen a tüdőrákban és a hepatocelluláris karcinómában . Ugyanakkor bizonyíték van arra is, hogy a CpG metiláció pozitív szerepet játszik az rRNS szintézisében és feldolgozásában [81] .
Kimutatták, hogy a DNS-metiláció által okozott rRNS- géncsendesítési minták a sejtosztódás során átkerülnek a szülősejtből a leánysejtekbe [82] . Az rDNS-gének elhallgatása nem csak a DNS-módosítással, hanem a hisztonokon lévő speciális jelekkel is összefüggésbe hozható . Megállapítást nyert, hogy az aktív rDNS-gének heterokromatin jeleket szereznek a sejt energiastátuszában és differenciálódásában bekövetkezett változásokra válaszul, és ezek a jelek nem biztos, hogy a CpG metilációval kapcsolatosak [83] . Számos csendes rDNS gén található az extranukleoláris térben, és gyakran a perinukleoláris heterokromatinhoz kapcsolódnak (míg az aktív rDNS gének a fibrilláris komponensben a nucleolusban találhatók), például a centromer heterokromatin. Úgy gondolják, hogy ezeknek a géneknek a csendes állapota és heterokromatin állapota a rekombinációs fehérjék sejtmagjához való korlátozott hozzáférésnek köszönhető . Hozzájárulhatnak a nucleolus és a nucleus szerkezetéhez is [84] . Végül bizonyíték van arra, hogy a női test sejtjeiben a nucleolus egy inaktivált X-kromoszómához kapcsolódik [85] .
Az érett emlős oociták, valamint az emlős embrió hasításának nagyon korai stádiumában lévő blastomerek inaktív atipikus magvakat tartalmaznak, amelyek jelentősen eltérnek az érett sejtek magvaktól, és csak sűrű fibrilláris komponenst tartalmaznak [86] . Ezeket nucleolus prekurzor testeknek (NPB ) nevezik , és úgy gondolják, hogy tárolóhelyként szolgálnak a molekulák számára, amelyekből az embrió fejlődésével anyagot veszik a tipikus aktív magvak összeállításához. Az emberi embrionális pronukleuszokban lévő zárványtestek száma és eloszlása egyszerű non-invazív indikátorként szolgálhat a további embrionális fejlődéshez [87] . Amikor a petesejtek meiózisba lépnek, a sejtmagok sűrű fibrilláris komponense szétesik, és bejut a citoplazmába, a sejtmag pedig láthatatlanná válik a megtermékenyítésig és a pronucleusok kialakulásáig [86] .
2003 - ban kimutatták , hogy a progenitor testek mikrosebészeti technikákkal eltávolíthatók egy teljesen érett sertés petesejtekből . A sejtmag eltávolításának ezt a módszerét enukleolációnak , az eltávolított sejtmagot pedig nukleoloplasztnak nevezik . Ebben az esetben a testeket bizonyos mennyiségű petesejt citoplazmával izolálják, amelyet vitelline membrán borít . A petesejtek túlélik ezt a műveletet, és elérhetik a II. metafázisú osztódást; így a nucleolus nem játszik jelentős szerepet az emlős petesejtek érésében. Ez szokatlannak tűnik, mivel az élesztősejtekben és a szomatikus sejtekben a nucleolus fontos szerepet játszik a metafázisból az anafázisba való átmenetben . Mindazonáltal kimutatták, hogy a nucleolus továbbra is szükséges az emlős oociták érésének kezdetének szabályozásához [88] . Kimutatták a nucleolus transzplantáció lehetőségét emlős oocitákban [89] .
A nucleolus részt vesz számos fertőző és nem fertőző emberi betegség kialakulásában. Az alábbiakban a nucleolus szerepét a különböző betegségcsoportok kialakulásában tárgyaljuk.
A különböző csoportokból származó vírusok ( DNS-tartalmú , RNS-tartalmú , retrovírusok ) olyan fehérjéket kódolnak, amelyek a fertőzés során a sejtmagban lokalizálódnak. Ilyen vírusok például a herpes simplex vírus [90] , a citomegalovírusok [91] , a flavivírusok [92] , az influenza A vírus [93] és a HIV [94] . Néhány ilyen vírus, például a himlővírusok , a citoplazmában, míg a herpeszvírusok és az adenovírusok a sejtmagban replikálódnak. A HIV-1 replikáció kezdeti szakaszai a citoplazmában, további aktivitása pedig a sejtmagban jelentkezik [53] . A nucleolus tartalmazhat néhány szubvirális ágenst is, például hepatitis delta vírust , szatelliteket és viroidokat [95] . A vírusok kölcsönhatásba léphetnek a sejtmaggal, hogy átvegyék az irányítást a gazdasejt működése felett, és nukleoláris fehérjéket toborozhassanak, hogy elősegítsék saját replikációjukat és a vírusgénexpresszió szabályozását [ 96] . Például a nucleolus két HIV génexpressziós szabályozónak ad otthont, a Tat és a Rev [97] . A vírusok sejtmaggal való kölcsönhatásának vizsgálata segíthet új vírusellenes terápia kifejlesztésében [98] .
Számos emberi örökletes betegség , mint például a Diamond-Blackfan anémia , az 5q-szindróma Treacher- Collins -szindróma és a -Diamond- szindróma riboszómák képződéséhez szükséges fehérjefaktorok rendellenességeiből ered. Ezeket a betegségeket észrevehető pleiotrópia jellemzi, amely sokféle szövet károsodásában nyilvánul meg, és a tünetek súlyossága és listája különböző betegeknél eltérő. Ezeket a betegségeket a következő jelek jellemzik különböző kombinációkban: vérképzési zavarok , fejlődési rendellenességek és rákra való hajlam. Az ilyen betegségeket, amelyek az érett riboszómák alkotórészeit kódoló gének változásán és/vagy a riboszómák képződésében szerepet játszó tényezőkön alapulnak, riboszomopathiáknak [99] nevezzük .
Mivel a riboszóma szintézis sebessége határozza meg a sejtek szaporodási képességét, a sejtmagban a riboszómák szintézisének zavarai gyakran rákos daganatok kialakulásához vezetnek. Például a nucleolusok számának, méretének és morfológiájának rendellenességei gyakran összefüggésbe hozhatók az emlőrák kialakulásával és későbbi kialakulásával [100] . Az emlőrák markere az argirofil (azaz ezüstsókkal festett ) nukleoláris szervezők [101] ; emellett a nucleolus modulálni tudja az ösztrogénreceptort , amely kulcsszerepet játszik az ilyen típusú rák kialakulásában [102] . A nucleolus azonban elnyomja a daganatokat is; a nucleolus olyan tumorszuppresszor géneket tartalmaz , mint a BRCA1 , ARF, p53, retinoblasztóma fehérje (RB) és PTEN , valamint HOTS [103] . Az alábbi táblázat felsorolja azokat a nukleoláris fehérjéket, amelyek részt vesznek a különféle rákok kialakulásában [104] .
Fehérje | Funkció | Betegség |
---|---|---|
CKAP5 | Közvetlenül a mikrotubulusokhoz kötődik , elengedhetetlen az orsó pólusainak stabilitásához és megfelelő szervezéséhez |
Májrák Vastagbélrák Myeloma _ |
GLTSCR1 | Ismeretlen funkciók | Meningioma oligodendroglioma |
GLTSCR2 | Szabályozza a PTEN foszforilációját és stabilitását. Részt vesz a sejtproliferációban és az apoptózisban |
Pajzsmirigyrák Asztrocitóma Petefészekrák Nyelőcsőrák Vastagbélrák Tüdőrák |
GNB2L1 | A 40S riboszomális alegység alkotóeleme. Megköti és stabilizálja a protein kináz C -t. Elnyomja az Src kinázok aktivitását |
Emlőrák Tüdőrák Szájrák Melanoma |
Nukleosztemin | Kölcsönhatásba lép a p53-mal. Fontos az őssejtek szaporodásához | Nyelőcsőrák Agyrák Mellrák Méhnyakrák _ |
KDM2B | Központi szerepe a hiszton demetilációban . Elnyomja az rDNS transzkripciót | Leukémia limfóma |
MAGED2 | Szabályozó p53 | Vékonybélrák Vastagbélrák Mellrák Vakbélrák |
mKi67 | Szükséges a sejtproliferációhoz, részt vesz az rRNS szintézis korai szakaszában |
Tüdőrák Mellrák Vastagbélrák Gyomorrák Veserák Limfóma |
Nucleolin | Részt vesz a riboszómák kialakulásában és érésében | Vastagbélrák Leukémia Méhnyakrák Melanoma Hasnyálmirigyrák |
NOP2 | Szabályozza a sejtciklust, expresszálódik az S-fázisban, rosszindulatú, de nem nyugvó sejtekben fordul elő |
Tüdőrák Mellrák Prosztatarák Vastagbélrák Szájüregi rák |
Nukleofoszmin | Az ARF/p53 beállítása. Részt vesz a riboszóma biogenezisében, proliferációjában, hiszton összeállításában, centroszóma megkettőződésében , fehérje chaperonként működik |
Prosztatarák Hólyagrák Mellrák Leukémia Limfóma Vastagbélrák |
PCNA | Részt vesz a DNS-replikációban , DNS polimeráz kofaktor δ | Hasnyálmirigyrák Mellrák Májrák Gyomorrák |
Prohibitin | Az RB szuppresszor fehérjéhez kötődik, szabályozhatja a proliferációt | Emlőrák Nyelőcsőrák Vastagbélrák Gyomorrák |
PRAME | Főleg melanomasejtek által expresszált antigén. A T-killers felismerte . Transzkripciós represszorként funkcionál |
Leukémia Melanoma Tüdőrák Veserák Szarkóma Emlőrák Neuroblasztóma Medulloblasztóma |
RAP1A | Megköti a Ras kis GTPázok szupercsaládjának fehérjéit . Ellensúlyozza a RAS-t | Oropharyngealis rák Melanoma Hasnyálmirigyrák Prosztatarák |
Az egyik hipotézis szerint a nucleolus részt vesz az autoimmun betegségek kialakulásában [13] . Az is lehetséges, hogy ez az organellum részt vehet a Parkinson-kór kialakulásában [105] . Itt lokalizálható a tau fehérje is, amelyet az utóbbi időben az Alzheimer-kór kialakulásával hoznak összefüggésbe [106] . A nucleolus fontos szerepet játszhat a szem fejlődésében és a retina neurodegeneratív betegségeiben is [107] . A nukleoláris fehérje, a nukleosztemin az osteoarthritis markereként szolgálhat [108] .
Tematikus oldalak | |
---|---|
Szótárak és enciklopédiák | |
Bibliográfiai katalógusokban |
|
eukarióta sejtszervecskék _ | |
---|---|
endomembrán rendszer | |
citoszkeleton | |
endoszimbionták | |
Egyéb belső organellumok | |
Külső organellumok |
sejtmag | |||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Nukleáris membrán / Nukleáris lamina |
| ||||||||
nucleolus |
| ||||||||
Egyéb |
|