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Tema 7. Nucleo
Estructura y composición del núcleo celular
- Doble bicapa lipídica que forma la envuelta nuclear
-Membrana nuclear interna (INM) -Membrana nuclear externa (ONM)
- Complejos de poro nuclear (NPC)
- Lámina nuclear (laminas)
- Nucleoesqueleto
- Cuerpos nucleares
Función
- Transporte núcleo-citoplasma
- Organización de la cromatina
- Regulación de la expresión génica
- Conexión citoesqueleto-núcleoesqueleto
- División celular
Dinámica
-Desensamblaje y Ensamblaje en relación a la dinámica del ciclo celular. -Transporte bidireccional núcleo citoplasma.
Entre ambas membranas se delimita la cisterna perinuclear, que se continúa y forma una unidad con el retículo endoplasmico rugoso.
Estructura del Complejo de poro
Su número varía dependiendo del número de transcripciones de la célula. Las proteínas que forman los complejos de poro nucleares son conocidas como nucleoporinas. Las proteínas que forman los poros nucleares se asocian para formar 8 bloques que configuran un octágono regular y se organizan formando anillos:
-Anillo citoplasmático orientado hacia el citoplasma -Anillo radial o central 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 -Anillo nuclear que se encuentra en el nucleoplasma.
Además, desde cada bloque se proyectan fibrillas proteicas que van hacia el citoplasma denominadas fibras citoplasmáticas, y otras al interior del núcleo que reciben el nombre de fibras nucleares. Éstas últimas se conectan a otro conjunto de proteínas que forman una estructura cerrada llamada jaula nuclear o anillo distal.
Lámina nuclear
Entramado proteico que separa la membrana interna de la cromatina. Las principales proteínas que la componen se denominan laminas. Pertenecen a la familia de los filamentos intermedios. La lamina nuclear interacciona con proteínas integrales de la membrana nuclear interna como la Emerina y el receptor de Laminina B
La lamina nuclear interacciona también con los complejos de poro
Funciones
La desorganización y organización de la envuelta nuclear durante la división celular se debe a acciones enzimáticas sobre las láminas. Soporte para diversas reacciones relacionadas con la cromatina. Punto de anclaje del núcleo al citoesqueleto de la célula, lo que permite al núcleo situarse en una posición determinada dentro de la célula o moverse por su interior.
Las deficiencias en estas proteínas producen las enfermedades denominadas laminopatías, las cuales presentan núcleos desorganizados Síndrome de Hutchinson-Gilford. Los defectos no afectan por igual a todos los tejidos, por lo que puede que la expresión génica está alterada diferencialmente ya que se ve afectada la interacción entre la cromatina y la lámina nuclear.
Nucleoesqueleto o matriz nuclear
Las proteinas de la membrana nuclear actuan como enlace entre citoesqueleto y nucleoesqueleto Esto permite la regulacion de movimientos del nucleo en el interior celular y movimiento de los cromosomas El LINC (Enlazador de nucleoesqueleto y citoesqueleto) , formada por la interacción de nesprinas y proteínas sun en la envoltura nuclear con el citoesqueleto
Dinamica de envoltura nuclear durante la mitosis
La fosforilación de las laminas (serinas) induce el desensambla¡e de la lámina nuclear, que contribuye a la rotura de la envoltura nuclear. Se cree que la desfosforilación de las lamínas facilita la reversión de este proceso. Algúnas nucleoporinas y proteinas del interior de la membrana nuclear siguen un ciclo análogo de fosforilacion y desfosforilación; La envoltura nuclear se repliega alrededor de las cromátidas descondensadas. Por último, cuando progresa la descondensacion, estas estructuras se funden formando un solo núcleo completo.
La señal de localización nuclear (NLS) no se degrada una vez hayan penetrado las proteínas en el núcleo, puesto que ha de ser utilizada de nuevo tras la reorganización de la envuelta nuclear al finalizar la mitosis
Dinámica de las nucleoporinas durante la mitosis
Al mismo tiempo, diferentes proteinas de la membrana nuclear interna son fosforiladas y los NPC se desensamblan y se dispersan por el citosol. Durante este proceso algunas proteinas NPC se unen a los receptores de importación nuclear que desempeñan un papel importante en el reensamblaje de los NPC al final de la mitosis
Por otra parte, la proteína Ran GAP está localizada en las filamentos citoplasmáticos del NPC, de esta manera la concentración de RanGTP es mantenida baja en el citoplasma.
Así, la asimetría nucleo-citoplasma de la localización de los reguladores de Ran es la responsable de la creación de un gradiente de RanGTP a través de la envoltura nuclear y de los NPCs: Los niveles de RanGTP son más altos en el núcleo y más bajos en el citoplasma. Este gradiente de Ran-GTP dirige el transporte nucleocitoplasmático al regular el ensamblaje y el desesamblaje de los complejos de importación y de exportación.
Ran-GTP actúa así como una señal de posición definiendo el compartimento nuclear. Ran-GTP afecta la afinidad de los receptores de importe y exporte por sus respectivos cargos en una manera contrapuesta. Promueve la formación de complejos de exportación e induce la disociación de complejos de importación. Así, las exportinas pueden unir NES conteniendo proteínas solo en el núcleo en el que existe un alto nivel de RanGTP, mientras que las importinas pueden unir proteínas conteniendo NLS solo en el citoplasma donde los niveles de Ran-GTP son bajos.
Reciclaje de Ran GTP
Ran-GTP se convierte en Ran-GDP en el citoplasma Ran-GDP se convierte en Ran-GTP en el núcleo La localización de Ran-GDP en el citosol y de Ran-GTP en el núcleo es consecuencia de la localización de dos proteínas reguladoras de Ran: la proteína activadora de la actividad GTPasa de Ran (Ran-GAP) que se localiza en el citosol, y el factor intercambiador de guanina de Ran (Ran-GEF, que se encuentra unido a la cromatina y que, por lo tanto, se encuentra en el núcleo.
Componentes internos del núcleo
Cromatina interfásica
-Fibra de cromatina de 100 Å. Es conocido como <>. Está constituida por la fibra de ADN de 20 Å (doble hélice) asociada a histonas En el núcleo durante la interfase del ciclo celular de todas las células eucariotas, menos en los espermatozoides. Estructuralmente esta fibra de cromatina está constituida por una sucesión de nucleosomas..
-Segundo nivel de empaquetamiento o fibra de cromatina de 300 Å. Se le conoce como <>. Se forma por el enrollamiento sobre sí misma de la fibra de cromatina de 100 Å condensada. Durante la interfase, en el núcleo se
encuentra la mayor parte de la cromatina, la eucromatina, en forma de fibras de 100 Å.
- Tercer nivel de empaquetamiento. La fibra de 300 Å forma una serie de bucles, denominados dominios estructurales en forma de bucle
-Los niveles superiores de plegamiento no se conocen todavía con exactitud, pero en el cromosoma se ha observado un eje de proteínas SMC, que contiene histonas y topoisomerasas y que mantiene la estructura de los cromosomas condensados.
La cromatina se presenta en dos formas en el núcleo en interfase:
Eucromatina
Sin condesar y distribuida por todo el núcleo Los genes contenidos en la eucromatina se transcriben están activos y el ADN se replica como preparación para la división.
Heterocromatina
La heterocromatina es una estructura cromática que no altera su nivel de condensación permaneciendo condensadas durante la interfase y permaneciendo inactiva para la transcripción y la expresión génica, es por ello transcripcionalmente inactiva. La heterocromatina contiene secuencias de DNA altamente repetidas, como aquellas presentes en los centrómeros y telómeros. La heterocromatina se localiza principalmente en la periferia del núcleo cerca de la envoltura nuclear y la eucromatina en el interior del nucleoplasma.
Por otra parte la heterocromatína se subdivide en dos tipos:
- Heterocromatina constitutiva: aparece condensada en todos los tipos celulares, contiene pocos genes y está formada principalmente por secuencias repetitivas localizadas en grandes regiones coincidentes con centrómeros y telómeros cromosómicos.
- Heterocromatina facultativa: la cual solo se condensa en ciertos tipos celulares o en momentos especiales del desarrollo. Las secuencias de DNA en esta forma de cromatina tiene la facultad de que pueda ser empaquetada como heterocromatina sin ser transcrita en un tipo célular dado, pero que se empaquete como eucromatina y los genes codificados en la misma no permanezan silenciados en otros tipos celulares. Uno de los cromosomas del par X es activo y permanece eucromático mientras que el otro es heterocromático inactivo transcripcionalmente por ello y durante la interfase forma la cromatina sexual o corpúsculo de Barr.
Territorios cromosómicos
Los cromosomas no se organizan al azar, sino que forman estructuras altamente ordenadas dentro del espacio 3D del núcleo celular.
Cuerpos nucleares
Speckles
Son dominios nucleares enriquecidos en factores de “splicing”, particularmente snRNPs y proteínas de la familia SR (ricas en serina y arginina).
NUCLEOLO
Es una estructura nuclear, no un organulo nuclear Formado por ARN, proteínas y algo de ADN Muy dinamico, formandose y desorganizandose, dependiendo de la necesidad de la célula
-Centros fibrilares -Componente fibrilar denso rodeando los centros fibrilares -Componente granular -Intersticios nucleolares, componentes intergranulares -Cromatina peri e intranucleolar (no esta dentro del nucleolo)
Composicion del nucleolo
- Polimerasa I y Factores de transcripción
- ADNr
- ARNr (RNA 5S, y RNA precursor que dará lugar a RNA 5,8S, RNA 18S y RNA 28S).
- 100 snoRNPs
- Partículas prerribosómicas
- 85 proteínas ribosómicas
Arquitectura molecular
Los genes ribosomales mayores se localizan en el ADNr que se encuentran en múltiples copias en los cromosomas portadores de NOR (Región Organizadora Nucleolar). En humanos hay 5 cromosomas portadores de NOR (13, 14, 15, 21, 22). Las unidades de transcripción del ARN ribosómico se agrupan en tándem.
Sintesis de ribosomas
SÍNTESIS DE ARNr
Las moléculas de ARNr de 28S, 18S y 5’8 S se sintetizan en el nucleolo a partir de genes ribosómicos localizados en unas zonas específicas de los cromosomas (organizadores nucleolares). Cuando los genes transcriben precursores estos se disponen perpendicularmente al resto de la molécula de ADN (en árbol de navidad). A continuación se produce el procedimiento de maduración
El ARN 5S de la subunidad menor se origina en el núcleo a partir de genes situados fuera del nucleolo (de diferentes cromosomas). Una vez sintetizado se transporta al nucleolo donde se une a la subunidad mayor.
En los ribosomas de eucariotas se encuentran presentes 4 tipos de rRNA: un RNA de 18S en la subunidad menor, y tres RNA de 28S, 5,8S y 5S en la subunidad mayor. Cada unidad de transcripción nucleolar consiste en dos segmentos de DNA, uno mudo (no se transcribe) y otro que se transcribe. La cadena transcrita de RNA se dispone perpendicularmente a la cadena de DNA y su longitud aumenta conforme se llega al final del DNA que se transcribe, porque, a medida que la RNA polimerasa I va recorriendo el gen, copia la cadena de DNA y añade al RNA los nucleótidos complementarios del DNA copiado. De esta manera, todas las cadenas de RNA que forman son iguales, aunque hasta el final del gen no están completas. Una vez completas constituyen el RNA prerribosómico, que es el primer transcrito y que dará lugar a tres de los rRNA.
SÍNTESIS DE PROTEÍNAS RIBOSÓMICAS
Se sintetizan en el citoplasma y emigran al núcleo donde se unen al ARNr a nivel del nucleolo.
ENSAMBLAJE DE ARNr Y PROTEÍNAS
Las proteínas estructurales se unen al ARN 45S durante la 1ª fase. Las proteínas separables lo hacen posteriormente.
TRANSVASE DE SUBUNIDADES RIBOSÓMICAS AL CITOPLASMA.
Al unirse finalmente las moléculas de ARNr a las proteínas se forman las subunidades que pasan, a través de los poros nucleares, al citoplasma.
ARNs ribosómicos
Todos los RNA originados en el nucléolo provienen del transcrito primario de 45S, que debe sufrir un procesamiento. Este RNA de 45S se encuentra asociado a diversas proteínas, nucleolina y snRNP, formando partículas de 80S. Estas proteínas son importadas del citoplasma. En las partículas de 80S se encuentra también incluido otro tipo de RNA de 5S, de origen no nucleolar. En su síntesis interviene la RNA polimerasa III, que también sintetiza el tRNA. Las partículas ribonucleoproteícas de RNA de 45S permanecen unos 15 minutos en la parte fibrilar del nucléolo. A continuación, este RNA va a sufrir una serie de cambios. Lo primero que ocurre es que el RNA de 45S pierde parte de la cadena y se transforma en RNA de 41S. Parte de este RNA de 41S va a transformarse en RNA de 20S y, finalmente, en RNA de 18S. Este último y sus proteínas forman partículas de 40S que constituyen las subunidades ribosómicas menores, las cuales emigran al citoplasma.
