ATLAS de HISTOLOG´
IA
VEGETAL y ANIMAL
CITOLOG´
IA
4-N´ucleo
Pilar Molist
Manuel A. Pombal
Manuel Meg´ıas
Depto. de Biolog´ıa Funcional y Ciencias de la Salud
Facultad de Biolog´ıa
Universidad de Vigo
(Versi´on: Mayo 2011)
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Estructura y funciones de la envuelta nuclear y el nucleolo, Apuntes de Biología
La estructura y funciones de la envuelta nuclear y el nucleolo, incluyendo su papel en la organización del adn, la regulación del movimiento de macromoléculas entre el interior nuclear y el citoplasma, y el control del trasiego de moléculas entre ambos compartimentos. Se describe la composición molecular de la envuelta nuclear, las proteínas transmembrana que interactúan con la cromatina y la lámina nuclear, y las funciones de la lámina nuclear en mantener la estructura de la envuelta nuclear y servir de punto de anclaje del núcleo al citoesqueleto. Además, se discuten las poros nucleares y su papel en el transporte nucleocitoplasmático.
Tipo: Apuntes
2012/2013
1 / 16
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ATLAS de HISTOLOG´IA
VEGETAL y ANIMAL
CITOLOG´IA
4-N´ucleo
Pilar Molist Manuel A. Pombal Manuel Meg´ıas
Depto. de Biolog´ıa Funcional y Ciencias de la Salud Facultad de Biolog´ıa Universidad de Vigo (Versi´on: Mayo 2011)
1. N ´UCLEO
El n´ucleo es la estructura que caracteriza a las c´elulas eucariotas. Es el compartimento donde se encuentra el ADN y toda la maquinaria necesaria para transcribir su informaci´on a ARN y para replicarse. Normalmente aparece un solo n´ucleo por c´elula, aunque en algunos casos hay m´as de uno como ocurre en los osteoclastos, en las fibras musculares esquel´eticas o en los epitelios de algunos invertebrados. La forma nuclear es variable y se suele adaptar a la forma celular, aunque no siempre es as´ı. Por ejemplo, los neutr´ofilos de la sangre poseen n´ucleos multilobulados. La localizaci´on habitual del n´ucleo es en el centro de la c´elula, pero tambi´en puede situarse en otras posiciones m´as perif´ericas. As´ı, en las c´elulas secretoras se puede localizar en la parte basal de la c´elula y en las musculares esquel´eticas se dispone en las proximidades de la membrana plasm´atica.
Figura 1: Distintos tipos de n´ucleos. A. C´elulas epiteliales de la ves´ıcula biliar de hu- manos con los n´ucleos redondeados. B Monocito de la sangre con el n´ucleo arri˜nonado. C. Neutr´ofilos de la sangre con los n´ucleos multilobulados. D. Vista parcial de una c´elula muscular multinucleada, con los n´ucleos situados en zona perif´erica (flechas).
El n´ucleo consta de dos componentes que se pueden distinguir morfol´ogicamente: la envuelta nuclear y el nucleoplasma. La envuelta nuclear separa el nucleoplasma del citoplasma. En ella se encuentran las puertas que comunican estos dos espacios, los poroso nucleares, que permiten el intercambio de mol´eculas en los dos sentidos pero de una manera espec´ıfica y regulada. En el nucleoplasma se encuentra el ADN y
2. ENVUELTA NUCLEAR
La envuelta nuclear separa f´ısicamente al nucleoplasma (cromatina y dem´as componentes del interior nuclear) del citoplasma y regula el movimiento de macromol´eculas entre ellos, establece la forma nuclear y contribuye a la organizaci´on interna del n´ucleo ya que aporta lugares de anclaje para la cromatina. La envuelta nuclear est´a formada por una membrana doble, externa e interna, quedando entre ambas un espacio intermembranoso de aproximadamente 25-40 nm, formando todos estos elementos las denominas cisternas perinucleares. La membrana externa se contin´ua con la del ret´ıculo endoplasm´atico y posee ribosomas adheridos. La membrana interna contiene una composici´on molecular diferente y posee prote´ınas transmembrana que interact´uan con la cromatina y con la l´amina nuclear, el otro componente de la envuelta nuclear. Existe una comunicaci´on entre la membrana nuclear interna y externa en la periferia de los poros nucleares. ¿Qu´e mantiene las diferencias en la composici´on de ambas membranas? Parece existir un mecanismo de retenci´on selectiva. Las prote´ınas se sintetizan en el ret´ıculo endoplasm´atico que llegan a la membrana interna por difusi´on, pero s´olo aquellas que interaccionan con las prote´ınas de la l´amina nuclear o de la cromatina se mantienen aqu´ı. La l´amina nuclear es un entramado proteico que separa la membrana interna de la envuelta nuclear de la cromatina. En mam´ıferos tiene un espesor de 20 a 25 nm. Las principales prote´ınas que la componen se denominan l´aminas, que se encuentran en dos isoformas: tipo A (l´aminas A y C) y tipo B (l´aminas B1 y B2/3). Pertenecen a la familia de los filamentos intermedios. Estas prote´ınas se disponen en forma de malla cubriendo toda la cara interna de la envuelta nuclear a la cual est´an unidas por un lado y por el otro a la cromatina. La asociaci´on ´ıntima entre la membrana interna de la envuelta nuclear y la l´amina nuclear se produce gracias a la existencia de al menos 20 prote´ınas localizadas en la membrana interna. Una de sus principales funciones de la l´amina nuclear es la de mantener la estructura de la envuelta nuclear. Las deficiencias en estas prote´ınas producen las enfermedades denominadas laminopat´ıas, las cuales presentan n´ucleos desorganizados y pueden llevar a la muerte celular o a la fragilidad de la envuelta nuclear. La desorganizaci´on y organizaci´on de la envuelta nuclear durante la divisi´on celular se debe a acciones enzim´aticas sobre las l´aminas. La forma nuclear cambia cuando cambia la expresi´on de las prote´ınas que forman la l´amina nuclear, lo cual es observable durante el desarrollo embrionario, la diferenciaci´on celular o
Figura 2: Esquema de la estructura de la envuelta nuclear. Est´a formada por una mem- brana externa, por el espacio intermembrana, por la membrana interna y por la l´amina nuclear. La membrana externa se contin´ua con el ret´ıculo endoplasm´atico. Los poros nu- cleares se encuentran insertos en interrupciones puntuales de la envuelta nuclear.
ciertas patolog´ıas celulares. Otra de las funciones de la l´amina nuclear es servir de soporte para diversas reacciones relacionadas con la cromatina. Pero adem´as sirve de punto de anclaje del n´ucleo al citoesqueleto de la c´elula, lo que permite al n´ucleo situarse en una posici´on determinada dentro de la c´elula o moverse por su interior. En la envuelta nuclear se encuentran los poros nucleares, que son los responsables de controlar el trasiego de mol´eculas entre el interior del n´ucleo y el citoplasma, y que veremos en el siguiente apartado. ¿Por qu´e una c´elula necesita separar el ADN del citoplasma, cuando esto le supone un considerable consumo de recursos? Entre la razones m´as evidentes est´an: a) Estabilidad g´enica: la confinaci´on del genoma en un compartimento contribuye a preservar la estabilidad del ADN, que es mayor que en procariotas, teniendo en cuenta que estamos hablando de una enorme cantidad de ADN. b) Permite la regulaci´on de la expresi´on g´enica a un nivel impensable para los procariotas. Por ejemplo, el acceso o no a los factores de transcripci´on. Los factores de transcripci´on son mol´eculas que regulan la expresi´on g´enica y son sintetizados en el citoplasma. Para su acci´on deben ser transportados al interior celular. Las cascadas de se˜nalizaci´on empiezan
3. POROS NUCLEARES
Las cisternas de la envuelta nuclear (dos membranas m´as el especio entre ambas), dejan unos huecos entre ellas donde se encuentran los poros nucleares. Estos son grandes complejos moleculares visibles con el´ microscopio electr´onico y denominados en su conjunto complejo del poro. Son la puerta de comunicaci´on entre n´ucleo y citoplasma y todo el transporte nucleocitoplasm´atico se da a trav´es de ellos. Hay que tener en cuenta que no son estructuras transmembrana como ocurr´ıa con las prote´ınas integrales, sino que se podr´ıan considerar como complejos proteicos asociados a las membranas de la envuelta nuclear. Los poros nucleares son muy numerosos en las c´elulas que requieren un alto tr´ansito de sustancias entre el n´ucleo y el citoplasma como por ejemplo en las c´elulas que se est´an diferenciando. Se considera que puede haber unos 11 poros por μm^2 , lo que equivale a unos 3000 a 4000 poros por n´ucleo. El di´ametro de un poro nuclear es de unos 80 nm pero el espacio ´util para el trasiego de las mol´eculas que se transportan es de unos 50 nm.
Figura 3: Esquema de la estructura proteica de los poros nucleares. (Modificado de Beck et al., 2007)
Las prote´ınas que forman parte del complejo del poro se denominan nucleoporinas. En las levaduras hay unas 30 prote´ınas distintas en cada poro nuclear, mientras que en los metazoos pueden ser 40 o m´as. Se cree que un poro de una c´elula de mam´ıferos contiene unas 400 nucleoporinas, ya que muchas de ellas se encuentran repetidas. Las prote´ınas que forman los poros nucleares se asocian para formar 8 bloques que configuran un oct´agono regular y se organizan formando anillos: el anillo citoplasm´atico orientado hacia el citoplasma, el anillo radial situado en el hueco que deja la envuelta nuclear y es responsable de anclar el complejo del poro a las membranas de la envuelta nuclear y el anillo nuclear que se encuentra en el nucleoplasma. Adem´as, desde cada bloque se proyectan fibrillas proteicas que van hacia el citoplasma denominadas fibras citoplasm´aticas, y otras al interior del n´ucleo que reciben el nombre de fibras nucleares. Estas ´´ ultimas se conectan a otro conjunto de prote´ınas que forman una estructura cerrada llamada jaula nuclear o anillo distal.
Figura 4: Imagen tomada con un microscopio electr´onico de la envuelta nuclear con dos constricciones que se corresponden con dos poros nucleares.
Los poros nucleares contienen un canal acuoso de unos 90 nm de longitud y entre 45 y 50 nm de di´ametro cuando est´a en reposo, pero que se puede expandir cuando realiza transporte activo. El canal puede permitir el paso libre de peque˜nas mol´eculas (menores de 60 kDa) pero restringir el movimiento de otras de mayor tama˜no con potencial papel
que gasta energ´ıa. Las mol´eculas Ran pueden estar en tres estados: Ran-GTP, Ran-GDP y Ran. El paso de un estado a otro est´a mediado por otras enzimas. En el nucleoplasma hay una mayor concentraci´on de Ran-GTP, mientras que en el citplasma abunda la Ran-GTP. Las prote´ınas que tienen que ser importadas al nucleoplasma necesitan poseer una secuencia de amino´acidos o p´eptido se˜nal de entrada y las que tienen que ser exportadas un p´eptido se˜nal de salida. Estas secuencias de amino´acidos ser´an reconocidas por las importinas o por las exportinas, respectivamente. Las prote´ınas de los poros nucleares no interaccionan directamente con las prote´ınas transportadas sino son las importinas y las exportinas. Estos complejos importina-prote´ına o exportina-prote´ına utilizan los gradientes de las mol´eculas Ran-GTP o Ran-GDP para cruzar los poros nucleares y llevar sus cargas al otro lado. Adem´as de prote´ınas, las mol´eculas de ARN deben tambi´en atravesar los poros nucleares. El mecanismo que usan los distintos tipos de ARN para ser transportados difieren entre s´ı, pero todos est´an mediados por un mecanismo de asociaci´on con prote´ınas. El exporte de ARNt sigue un mecanismo en el que es reconocido por una exportina denominada exportina-t, que tambi´en se une a una Ran-GTP. El mecanismo de exportaci´on de los ARNr no se conoce muy bien. Los ARNm no utilizan, en su mayor´ıa el sistema de transporte mediado por Ran-GTP sino el mediado est´a mediado por dos prote´ınas que forman el complejo Tap/Nxt, el cual interacciona con las nucleoporinas y posibilita el transporte con gasto de ATP. Una peque˜na cantidad de ARNm parece usar la prote´ınas Crm1, siendo en este caso un transporte dependiente del gradiente creado por las prote´ınas Ran.
Bibliograf´ıa espec´ıfica
Beck M, Lucic V, Forster F, Baumeister W, Medalia O. Snapshots of nuclear pore complexes in action captured by cryo-electron tomography. 2007. Nature 449:611-615. Carmody SR, Wente SR. mRNA nuclear export at a glance. 2009. Journal of cell science 122:1933-1937.
4. CROMATINA
El nucleoplasma, rodeado por la envuelta nuclear, contiene la cromatina, la cual se puede considerar como el ADN (´acido desoxirribonucleico) m´as todas las mol´eculas relacionadas con su organizaci´on, fundamentalmente histonas. El ADN est´a formado por 4 desoxirribonucle´otidos (abreviado como nucle´otidos). Cada nucle´otido contiene una sucesi´on de tres componentes: base, pentosa y grupo fosfato. Las bases son cuatro, dos p´uricas: adenina (A) y guanina (G), y dos pirimid´ınicas: timina (T) y citosina (C). La pentosa es la desoxiribosa. Cada base se une a una pentosa formando un desoxinucle´osido. Cada desoxirribonucle´osido se une un grupo fostato por un carbono de la pentosa form´andose un desoxirribonucle´otido. As´ı, una cadena de ADN est´a formado por una sucesi´on de nucle´otidos unidos entre s´ı por los grupos fosfato. Esto es una cadena simple pero el ADN est´a formado por dos cadenas simples gracias a la complementariedad que existe entre las bases A y T y entre G y C, las cuales establecen uniones del tipo puentes de hidr´ogeno. Las dos hebras son antiparalelas, es decir, que en los extremos tenemos el carbono 3’ de una cadena y el 5’ de la otra. Ambas se disponen en forma de doble h´elice de unos 2.5 nm de anchura. Los nucle´otidos no s´olo est´an en el ADN. Pueden estar formando parte de otras mol´eculas con funciones totalmente diferentes. Por ejemplo el ATP (adenos´ın trifosfato) es la mol´ecula de transferencia energ´etica, o el AMPc (adenos´ın monofostato c´ıclico) que es un segundo mensajero celular muy importante.
El ADN no se encuentra libre en el n´ucleo sino asociado a prote´ınas como las histonas y a otras prote´ınas implicadas en su procesamiento, formando en conjunto la cromatina. Las histonas son prote´ınas asociadas al ADN que determinan su organizaci´on. Hay dos tipos: las nucleos´omicas que son cuatro (H2A, H2B, H3 y H4) y la histona H1. Las cuatro histonas nucleos´omicas son las responsables de formar junto con el ADN los denominados nucleosomas, que son la unidad estructural b´asica de la cromatina. En menor proporci´on hay otras prote´ınas que pueden estar asociadas al ADN. Entre ellas se encuentran todas las prote´ınas responsables de la expresi´on (transcripci´on), s´ıntesis (replicaci´on) y empaquetamiento del ADN. Cuando se observa al microscopio electr´oncio un n´ucleo de una c´elula en interfase aparecen zonas claras y oscuras. Las oscuras se corresponden mayoritariamente con cromatina compactada, denominada
Figura 7: Imagen tomada con un microscopio electr´onico de transmisi´on. Se observan n´ucleos (indicados con una N) de c´elulas ependimarias de la m´edula espinal de un pez. Los asteriscos negros indican eucromatina, menos compactada y por tanto m´as clara. Los asteriscos blancos se˜nalan heterocromatina, m´as densa y por tanto m´as compactada.
heterocromatina como la eucromatina. Es interesante se˜nalar que cuando se ha producido la divisi´on celular y se vuelven a desempaquetar a los cromosomas, la cromatina de cada uno de ellos suele ocupar un territorio concreto dentro del interior nuclear. Es decir, en el interior del n´ucleo no existe una madeja enredada de cromatina correspondiente a cromosomas diferentes sino un espacio compartimentado donde cada cromosoma suele ocupar una regi´on del nucleoplasma m´as o menos delimitada donde cada cromosoma descondensa su cromatina.
5. NUCL´EOLO
El nucl´eolo es un compartimento nuclear formado por cromatina y visible al microscopio ´optico. Las c´elulas de mam´ıferos contienen desde 1 a 5 nucl´eolos. Sus dimensiones var´ıan dependiendo de la actividad de la c´elula y puede llegar a ser muy grande, del orden de micr´ometros de di´ametro. Normalmente las c´elulas que est´an realizando una gran s´ıntesis proteica poseen nucl´eolos grandes. Durante la mitosis desaparece, permitiendo a la la cromatina que lo forma reorganizarse para constituir los cromosomas.
Figura 8: Imagen de las neuronas motoras del rombenc´efalo de la lamprea. EL nucl´eolo aparece como un punto oscuro en el interior del n´ucleo (flechas).
En el nucl´eolo se dan procesos relacionados con la generaci´on de los ribosomas: s´ıntesis y maduraci´on del ARN ribos´omico (ARNr) y ensamblaje de las subunidades ribos´omicas. El ensamblaje de las subunidades ribos´omicas es un proceso curioso de trasiego de mol´eculas entre el citoplasma y el nucleoplasma. Primero se transcriben los genes de dichas prote´ınas, que se localizan fuera de la cromatina nucleolar. Este´ ARNm debe salir al citosol donde es traducido a prote´ınas por los ribosomas libres. Estas prote´ınas entrar´an en el n´ucleo y llegan hasta el nucl´eolo. Aqu´ı se asocian con los ARNr para formar las subunidades ribos´omicas que deber´an ser exportadas de nuevo al citosol atravesando otra vez los poros nucleares. As´ı, la visibilidad del nucl´eolo se debe a que muchos genes que producen ARNr se est´an transcribiendo, a que hay muchas prote´ınas implicadas en el procesamiento de ese primer transcrito,
c´elula necesita. La estrategia de las c´elulas es tener muchas copias de esos genes. Las c´elulas humanas contienen unas 200 copias de sus genes para el precursor de los ARNr. Estas copias se encuentran repartidas en 5 cromosomas diferentes. Adem´as, las ARN polimerasas I presentan una gran afinidad por los promotores de estos genes. Todos estas copias se agrupan formando el nucl´eolo. Hay un tipo de ARNr cuyo gen no se encuentra formando parte del nucle´olo. Es el caso del ARNr 5S, uno de los ARNr que forman el ribosoma, del cual existen unas 20000 copias del gen y es transcrito por la polimerasa tipo III. Los transcritos primarios de ARNr tienen que cortarse y procesarse para formar los distintos tipos de ARNr que formar´an el ribosoma: ARNr 18S, ARNr 28S y ARNr 5.8S. El ARNr 5S, como hemos dicho, proviene de otra regi´on nuclear. El proceso de maduraci´on de este ARNr preribos´omico se lleva a cabo por otras mol´eculas de ARN denominadas ARN nucleares peque˜nos. En el nucl´eolo se est´an produciendo constantemente estos transcritos primarios a la vez que se procesan. Las dos subunidades ribos´omicas tendr´an ARNr diferentes: la mayor 5.8S, 28S y 5S, y la menor 18S.