Nukleolus je nemembránový intranukleární subkompartment [1] vlastní všem eukaryotním organismům bez výjimky. Jde o komplex proteinů a ribonukleoproteinů , který se tvoří kolem úseků DNA , které obsahují geny rRNA – nukleolární organizátory . Hlavní funkcí jadérka je tvorba ribozomálních podjednotek.
V jadérku existují tři hlavní strukturální složky odpovídající různým stádiím biogeneze ribozomu : fibrilární centrum (FC), hustá fibrilární složka (DFC) a granulární složka (GC). Na začátku mitózy jsou jadérka rozebrána a na konci mitózy jsou opět sestavena. V současné době existují údaje o účasti jadérek na procesech nesouvisejících s biogenezí ribozomů, například při stresové reakci, sestavování částic rozpoznávajících signál ; kromě toho jadérko interaguje s mnoha viry. Jadérko se podílí na vývoji mnoha lidských onemocnění, včetně rakoviny a možná i neurodegenerativních a autoimunitních onemocnění .
Nukleoly poprvé objevil italský přírodovědec Felice Fontana v roce 1774. První spolehlivé popisy jadérka nezávisle na sobě vytvořili Rudolf Wagner (1835) a Gabriel Gustav Valentin (1836 a 1839). V roce 1898 Thomas Montgomery monumentální monografii o jadérku. Jeho dílo obsahovalo 346 ručně psaných kreseb jader a jadérek z různých biologických objektů. Ve třicátých letech minulého století několik výzkumníků ( S. G. Navashin , Emil Heitz , Barbara McClintock ) ukázalo, že jadérka vznikají ve speciálních oblastech chromozomů zvaných nukleolární organizátory [2] . Ve 40. letech 20. století byla v jadérkách objevena RNA, což vysvětlovalo afinitu jadérka k alkalickým barvivům díky kyselé povaze RNA [3] .
Po dlouhou dobu nebyly funkce jadérka jasné; Až do 50. let 20. století se věřilo, že substance jadérka je jakousi rezervou, která se využívá a ztrácí při dělení buněk [4] . V 60. letech 20. století byly publikovány výsledky řady klíčových experimentů, které ukázaly, že jadérko je místem biogeneze ribozomů. V roce 1969 Oscar Miller a Barbara Beattyová poprvé vizualizovali fungující ribozomální geny pomocí elektronového mikroskopu [5] [6] . V následujících letech bylo hlavními směry studia jadérek studium jejich struktury, procesu skládání ribozomů a určování různých strukturních složek ribozomů. Na přelomu století se začaly objevovat údaje o nových funkcích jadérka, nijak nesouvisejících s biogenezí ribozomů [7] .
Nukleolus je nejvýraznější viditelná jaderná struktura nalezená ve všech eukaryotických organismech. Dlouhou dobu se věřilo, že jediným organismem postrádajícím jadérka je Diplomonad Giardia lamblia , ale nedávno bylo popsáno i velmi malé jadérko [8] . Nukleolus je nejhustší struktura eukaryotické buňky. Hustota jadérka je dána vysokým obsahem bílkovin (až 70-80 % sušiny). Kromě bílkovin obsahuje jadérko 5–14 % RNA a 2–12 % DNA [4] [9] .
Elektronová mikroskopie odhalila tři strukturní složky v této nemembránové organele odpovídající různým stádiím biogeneze ribozomů: fibrilární centrum (FC), hustou fibrilární složku (DFC) a granulární složku (GC). Fibrilární centra jsou tvořena fibrilami o průměru asi 5 nm ; jsou částečně obklopeny hustě zabalenými fibrilami tvořícími hustou fibrilární složku. Granulovaná složka se skládá z granulí o průměru 15–20 nm. V jádrech lidských fibroblastů tvoří hustá fibrilární složka 15 % objemu jadérka a granulární složka tvoří 75 %. V jadérkách vyšších rostlin je podíl PFC mnohem vyšší. V jadérkách kvasinek Saccharomyces cerevisiae se nacházejí pouze PFC a HA. Bylo navrženo, že vývoj PC, PFC a HA začal dvoudílným systémem, ve kterém byly složky PC a PFC smíchány [10] .
U kvasinky S. cerevisiae má jadérko rozsáhlý kontakt s jaderným obalem . U vyšších eukaryot jsou jadérka umístěna na jaderném obalu nebo v jeho blízkosti. V buňkách HeLa tvoří invaginace jaderné membrány několik nukleolárních kanálů, které jsou v přímém kontaktu s jadérkem umístěným ve středu jádra. Funkce těchto kanálů nejsou známy. Nukleoly také interagují s jadernou laminou a laminy se podílejí na organizaci chromatinu. Bylo prokázáno, že Lamin B1 udržuje funkční nukleolární plasticitu a podílí se na strukturální reorganizaci jádra a jadérek po mitóze [11] .
Chromatin se nachází v několika oblastech jadérka. Kondenzovaný chromatin se nachází na periferii jadérka, stejně jako v granulární složce, zatímco nekondenzovaný chromatin se nachází v husté fibrilární složce a fibrilárních centrech. Předpokládá se, že vlákna DNA nalezená ve fibrilárních centrech odpovídají rDNA (nukleolární organizátory) [12] . Jadérko vkládá specifické proteiny (např. sklerodermický antigen Nop90 v oblasti nukleolárních organizátorů) do chromatinu na nukleolární hranici, aby se oddělilo od zbytku jádra, takže jadérko je často obklopeno heterochromatinem [13] . Bylo zjištěno, že rostliny mají chromatinové domény spojené s jadérkem (NAD ) [ 14] [15] [16] .
Na periferii jadérka je perinukleolární kompartment , dynamická struktura obsahující velké množství RNA-vazebných proteinů , stejně jako RNA polymerázu III [17] .
Každé jadérko se tvoří kolem speciálních sekvencí DNA – nukleolárních organizátorů. Nukleolární organizátoři jsou geny rDNA sestavené v řadách tandemových repetic a oddělené spacery . Nukleolární organizéry a PC se skládají z hustě asociovaných fibril o tloušťce 6 až 10 nm, obě obsahují RNA polymerázu I a vyznačují se unikátní vlastností – schopností barvit se stříbrnými solemi (argyrofilita) [18] . V elektronovém mikroskopu jsou geny rRNA pozorovány jako struktury typu rybí kosti, ve kterých jsou laterální zakřivené řetězce pre-rRNA transkripty a granule sedící ve větvi jsou molekuly RNA polymerázy I [19] .
U lidí je přibližně 400 kopií 43 kb opakujících se jednotek rRNA (kilobází) umístěno na všech akrocentrických chromozomech (chromozomech 13 , 14 , 15 , 21 a 22 ). Ne všechna nukleolární DNA je však reprezentována nukleolárními organizátory: rostliny například obsahují také pseudogeny , které nekódují sekvence repetic , geny tRNA a geny transkribované RNA polymerázou II [15] .
Fibrilární centra jsou charakterizována přítomností rDNA (nukleolárních organizátorů), podjednotek RNA polymerázy I , DNA topoizomerázy I a transkripčního faktoru UBTF . V podstatě jsou fibrilární centra hustě nabalená tandemová opakování neaktivní rDNA a intergenových spacerů. U mnoha buněčných typů jsou transkripčně aktivní pouze některé geny rDNA, a to navzdory skutečnosti, že zbytek se také nachází v jadérku [20] . K transkripci rDNA nedochází uvnitř, ale na periferii PC. V jadérkách buněk různých linií se nachází různorodý počet PC různých velikostí a počet fibrilárních center nepřímo souvisí s jejich velikostí. Nukleoly diferencovaných lidských lymfocytů obsahují jediné fibrilární centrum. Je-li v lymfocytu aktivován buněčný cyklus , pak v něm začíná tvorba ribozomů a jediné fibrilární centrum se vyřeší, neboť začíná transkripce v něm obsažených genů rDNA a vzniká hustá fibrilární složka. Fibrilární centra tedy obsahují neaktivní složky transkripčního aparátu rDNA [21] .
Hustá fibrilární složka se skládá z fibril s nižší elektronovou hustotou než fibrilární centra [22] . Hustá fibrilární složka obsahuje nově syntetizované rRNA transkripty (pre-rRNA 45S [23] ); navíc v něm probíhají rané fáze zpracování rRNA . Zde jsou lokalizovány proteiny podílející se na raných fázích zpracování rRNA, jako je fibrillarin a Nopp140, a také ribonukleoproteinové komplexy obsahující malou nukleolární RNA (snoRNA [24] z anglického small nucleolar ). Fibrillarin, který funguje jako methyltransferáza , slouží jako dobrý marker pro PFC [25] .
Granulovaná složka se obvykle nachází na periferii jadérka, i když v některých případech jsou fibrilární a granulární složka v jadérku rozmístěny rovnoměrně. V druhém případě tvoří fibrilárně-granulární složky často vláknité struktury - nukleolonémy nebo nukleolární filamenta o tloušťce asi 100-200 nm a rozlišitelné i světelným mikroskopem (se zvláštním kontrastem). U nukleolonémů je kromě granul o tloušťce 15 nm mnoho tenkých fibril, které mohou tvořit shluky [26] . Granule tvořící granulární složku s největší pravděpodobností odpovídají nezralým 60S ribozomálním podjednotkám. U kompaktních jadérek jsou granule hustě zabaleny, zatímco u rozvětvených jadérek tvoří síť. V HA dochází ke zpracování 5,8S a 28S rRNA a také k sestavení velkých ribozomálních podjednotek (60S). Jako GA markery mohou sloužit proteiny jako nukleofosmin , Bop1 , Nop52, RRP1B , nukleostemin [en a podjednotka PM-Scl 100 exosomového komplexu [27]
Počet jadérek v jádře buňky je dán stupněm jeho vývoje nebo diferenciace a jejich velikost závisí na úrovni syntézy ribozomů . Maximální počet jadérek v buňce je v tomto případě určen počtem nukleolárních organizátorů, navíc ve velkých polyploidních jádrech je jadérek vždy více. Žába drápatá má tedy dva chromozomy nesoucí nukleolární organizátory a v důsledku toho obvykle 1–2 jadérka [28] .
V dělících se buňkách , které aktivně syntetizují ribozomy, se velikost jadérek pohybuje od 0,5 do 7 mikronů v průměru. Většina rakovinných buněk má větší jadérko než normální buňky ve tkáni a orgánu , ze kterého pocházejí. V případě agresivních buněk rakoviny prsu dochází ke zvětšení velikosti jadérka o 30 % s rozvojem nádoru. V diferencovaných buňkách se tvorba ribozomů snižuje nebo úplně zastavuje (například v erytrocytech a lymfocytech ) a velikost jejich jadérek se snižuje na 0,1–0,3 mikronu [9] .
Nukleoly nižších eukaryot se strukturou liší od dobře prozkoumaných savčích jadérek . Například v jadérkách slizké plísně Dictyostelium nejsou žádné rozlišitelné podkompartmenty a jadérko je spojeno s vnitřní jadernou membránou. Sestavení ribozomu může probíhat v celém jadérku. rDNA se nenachází ve středu jadérka, jako u většiny ostatních organismů, ale podél periferie. Navíc rDNA v tomto organismu není umístěna na chromozomech, ale tvoří lineární palindromický extrachromozomální fragment DNA, z nichž 20 % kóduje rRNA [29] . Extrachromozomální uspořádání genů rRNA je také charakteristické pro tak nízká eukaryota, jako jsou ciliátní Tetrahymena pyriformis a kvasinky [30] . U jednobuněčného parazita Leishmania major se geny 5S rRNA neseřadí do tandemových řad, jako u jiných eukaryot; místo toho je pouze 11 kopií tohoto genu rozptýleno mezi různými jinými geny transkribovanými RNA polymerázou III [31] . U plísně Aspergillus je jadérko v kontaktu s jadernou membránou, jako u kvasinek, ale má konvexní tvar, jako u Dictyostelium [32] . U korýšů Daphnia je jadérko kulaté a nachází se vedle jaderné membrány, ale nepřichází s ní do kontaktu. U houby Neurospora je struktura jadérka podobná jako u Daphnia [33] .
Závažnost HA a PFC, stejně jako další strukturální rysy, umožňují rozlišit několik strukturálních typů jadérek: retikulární (nukleolonemické), kompaktní, prstencové, reziduální (klidové) a segregované [34] .
Nukleoly retikulárního typu jsou vlastní většině buněk, živočišných i rostlinných. Taková jadérka mají nukleolonemickou strukturu, PFC a HA jsou dobře vyvinuté, ale FC jsou často špatně exprimovány kvůli aktivní transkripci [34] .
Kompaktní typ jadérka se od retikulárního typu liší méně výraznou nukleolonemální strukturou a vyšší frekvencí výskytu FC. Kompaktní jadérka se nacházejí v aktivně se dělících buňkách, jako jsou rostlinné meristémové buňky a buňky tkáňové kultury . Kompaktní a retikulární typy do sebe zřejmě mohou přecházet [34] .
Prstencový typ se nachází v živočišných buňkách. Nukleoly tohoto typu ve světelném mikroskopu vypadají jako prstenec s opticky jasnou centrální zónou, což je firilární centrum, obklopené fibrilami a granulemi. Typická prstencová jadérka se nacházejí v buňkách s nízkou úrovní transkripce, jako jsou lymfocyty a endoteliocyty [35] .
Zbytková jadérka jsou vlastní buňkám, které zcela ztratily schopnost syntetizovat rRNA: normoblasty , diferencované enterocyty , buňky ostnaté vrstvy kožního epitelu a další. Často je obtížné je rozlišit pod světelným mikroskopem kvůli jejich malé velikosti a okolí s kondenzovaným chromatinem. Někdy se mohou aktivovat a získat aktivní retikulární nebo kompaktní formu [36] .
Segregovaný typ jadérek se vyskytuje v buňkách, ve kterých je syntéza rRNA zastavena působením antibiotik , například aktinomycinu D a amfotericinu a dalších chemikálií, nebo je syntéza DNA a proteinů poškozena působením mitomycinu , puromycinu a mnoha karcinogenů . Různé složky jadérka se od sebe izolují, ale objem jadérka se postupně zmenšuje [36] .
Během buněčného cyklu dochází v profázi k rozkladu jadérek a jejich sestavování začíná v telofázi . Proteinové komplexy a ribonukleoproteiny, které zbyly z profázně rozložených jadérek, se používají k sestavení jadérek v dceřiných buňkách [37] .
Demontáž jadérek začíná v časné profázi a jejím posledním krokem je zastavení transkripce rDNA. Ještě dříve, před vypnutím RNA polymerázy I a destrukcí jaderného obalu, jadérko opouští proteiny zpracovávající RNA a snoRNP [24] a fixuje se na povrchu chromozomů, zadržených neznámou metodou. Zdá se, že klíčovou roli v regulaci rozkladu jadérka hraje komplex cyklin-dependentní kinázy 1 [ a cyklinu B [38] .
Sestavení jadérka začíná aktivací transkripce v oblasti nukleolárních organizátorů. Samotná aktivace transkripce však nestačí; Sestavení jadérka také závisí na zpracování proteinů a snoRNP. V telofázi se shromažďují v blízkosti chromozomů a vytvářejí tečkované shluky známé jako prenukleolární tělíska. Během G1 fáze buněčného cyklu dochází k regulovanému pohybu proteinů z prenukleolárních tělísek do nukleolárních organizátorů, díky čemuž dochází k postupnému skládání nukleolárních kompartmentů: fibrilárních center, husté fibrilární komponenty a granulární komponenty [39] .
Bylo ukázáno, že transkripty RNA polymerázy II obsahující Alu , nazývané AluRNA [40] , jsou důležitými regulátory nukleolárního sestavení v reakci na buněčné podněty a během buněčného cyklu .
U některých skupin nižších eukaryot se chování jadérek během mitózy liší od chování popsaného výše; zejména u euglenoidů a hemimastigidů může přetrvávat během mitózy [41] .
Vývoj metod pro izolaci jadérek rozšířil seznam známých nukleolárních proteinů ze 100 na 6 000. Proteomická analýza identifikovala více než 200 rostlinných proteinů a více než 6 000 lidských proteinů vylučovaných společně s jadérky. Bylo ukázáno, že asi 90 % nukleolárních proteinů v pučících kvasinkách má homology mezi lidskými nukleolárními proteiny. Proteom nukleolu tak zůstal během evoluce vysoce konzervovaný . Nukleolární proteiny jsou klasifikovány do funkčních skupin, přičemž pouze 30 % nukleolárních proteinů je spojeno s tvorbou ribozomálních podjednotek [42] .
Nukleolární lokalizační signál ( NoLS ) byl ukázán pro řadu permanentních nukleolárních proteinů . Mnoho proteinů rezidentních v jádřečku však nemá nukleolární lokalizační signál [43] . Předpokládá se, že nukleolární lokalizační signál je potřeba spíše k udržení proteinu v jadérku než k jeho dodání [44] . Některé zdroje zmiňují retenční signály v jadérku ( anglicky Nucleolar retenční signál, NoRS ), ačkoli nebyl prokázán žádný rozdíl mezi NoLS a NoRS [45] . Předpokládá se, že mnoho nukleolárních proteinů se neustále pohybuje kolem jádra a mohou do jadérka vstupovat i opouštět. Jejich pohyb v jadérku je však zpomalen, možná kvůli četným interakcím s jinými nukleolárními proteiny, stejně jako s jejich cíli; v důsledku účinku zpomalení pohybu jsou takové proteiny nejpočetnější v jadérku. Nukleolární nukleové kyseliny rekrutují strukturální proteiny, které rekrutují další nukleolární molekuly . Tyto rekrutující nukleolární proteiny zahrnují UBTF , fibrillarin , nukleolin a nukleofosmin . Poruchy v genu UBTF způsobují tvorbu defektních jadérek [46] . Některé proteiny se rekrutují do jadérka pouze za určitých okolností, jako je poškození DNA, buněčný stres a mitóza [47] .
Mnoho proteinů charakteristických pro jadérko je také lokalizováno v jiném jaderném těle , známém jako Cajalovo tělo , takže se zdá, že mezi těmito tělísky existuje úzký vztah [48] [49] . Bylo prokázáno, že zvláště těsné fyzické spojení mezi Cajalovými tělísky a jadérky je pozorováno za podmínek potlačení transkripce [50] . Byla prokázána účast Cajalových tělísek na tvorbě jadérek během vývoje myších oocytů [51] .
Klíčovou funkcí jadérka je tvorba ribozomových podjednotek v eukaryotických buňkách [20] . Mnohé nukleolární proteiny však plní zcela odlišné funkce, například se podílejí na reakci na buněčný stres [52] a interagují s virovými proteiny [53] . Nukleolus také shromažďuje částice rozpoznávající signál [54] .
Tvorba ribozomů začíná transkripcí genů rDNA pomocí RNA polymerázy I. Je to syntéza rRNA, která určuje schopnost buňky růst a proliferovat , a téměř všechny buněčné dráhy, které je ovlivňují, přímo regulují syntézu rRNA. U savců jsou shluky genů rRNA opakující se jednotky intergenových spacerů o délce přibližně 30 kb a oblasti kódující pre-rRNA o délce přibližně 14 kb. U vyšších obratlovců gen rRNA kóduje prekurzorový transkript, který je ko- nebo post-transkripčně modifikován za účasti malých nukleolárních RNA tak, že se z něj nakonec vytvoří jedna molekula 18S, 5,8S a 28S rRNA, která tvoří „rámcové“ ribozomy [55] . Iniciace transkripce zprostředkované RNA polymerázou I vyžaduje řadu specifických transkripčních faktorů, jako je UBTF a faktor selektivity promotoru , označovaný jako SL1 u lidí a TIF-IB u myší. UBTF je četný nukleolární protein vázající DNA, který aktivuje transkripci RNA polymerázou I a slouží jako marker fibrilárních center [56] .
Když první molekula RNA polymerázy prochází jednou transkripční jednotkou genů rRNA, další RNA polymeráza sedí na volném místě a syntetizuje novou RNA. Konečným produktem je 45S pre-rRNA. Jak je pre-rRNA syntetizována, je obalena ribozomálními proteiny, které vstupují do jádra z cytoplazmy . Jsou to produkty transkripce rRNA, které tvoří zónu PFC kolem PC. Po separaci 45S rRNA je štěpena na menší molekuly, které dávají vzniknout 40S a 60S ribozomálním podjednotkám. Malé podjednotky se v jadérku syntetizují asi za 30 minut, zatímco syntéza velkých podjednotek trvá asi hodinu. Nezralá podjednotka 60S se v jadérku spojí s třetí (kromě 28S a 5,8S) molekulou rRNA, 5S rRNA. Nově vytvořené podjednotky vystupují z jádra do cytoplazmy jadernými póry. Kompletní ribozom 80S se vytvoří poté, co se malá podjednotka naváže na mRNA a poté na velkou podjednotku [57] .
Transkripční prodloužení zprostředkované RNA polymerázou I je usnadněno proteiny remodelujícími chromatin, jako je nukleofosmin (B23), nukleolin a FACT . Mechanismy ukončení transkripce RNA polymerázou I zůstaly během evoluce zachovány. Terminátorové prvky jsou rozpoznávány proteiny vázajícími DNA; současně rozpoznávají specifické sekvence, které se stahují s RNA polymerázou I a zahajují ukončení transkripce. U myší je 10 terminátorových elementů nazývaných Sal boxy seskupeno několik set párů bází po směru od kódující oblasti pre-rRNA a lemováno dlouhými pyrimidinovými trakty. Podobný terminátorový prvek, označený To , je umístěn přímo proti směru promotoru rDNA. Bylo prokázáno, že nukleolární protein TTF-I se váže na Sal-boxy a zastavuje elongační RNA polymerázu I [58] . To je nezbytný promotorový prvek [ 59 ] . Bylo také prokázáno, že transkripci prováděnou RNA polymerázou I usnadňují jaderné formy aktinu a myosinu [60] . Navíc je pod regulací různých růstových faktorů [61] , a může se měnit i v závislosti na podmínkách, ve kterých se buňka nachází, jako je například přísun živin [62] . Je regulován různými onkogeny a tumor supresorovými geny [63] . Nukleolární proteiny se mohou podílet na regulaci transkripce v jadérku interakcí s topoizomerázami (například nukleolární protein BLM interaguje s topoizomerázou I) [64] .
Nukleolus obsahuje mnoho nekódujících RNA nazývaných malé nukleolární RNA (snoRNA). Jsou rozděleny do několika tříd v závislosti na přítomnosti určitých konzervovaných motivů a nejpočetnější jsou dvě třídy obsahující motivy H/ACA-box a C/D-box. snoRNA se váží na různé proteiny a tvoří malé nukleolární ribonukleoproteiny (snoRNP), které hrají důležitou roli při zpracování a zrání rRNA [65] [66] . Většina snoRNP katalyzuje modifikace nukleotidů , ale některé snoRNP se podílejí na štěpení prekurzorového transkriptu (pre-rRNA) [67] . snoRNP jsou dodávány do jadérka specializovanými chaperony známými jako Nopp140 a melasa [68] .
Tvorba ribozomů je jedním z energeticky nejnáročnějších procesů v eukaryotické buňce a je silně spojena s buněčným cyklem a buněčnou proliferací. Bylo prokázáno, že aktivace tvorby ribozomů způsobuje rychlý růst a dělení buněk. Mnoho proteinových faktorů, které regulují tvorbu ribozomů, se také přímo účastní některých fází buněčného cyklu jak u kvasinek, tak u savců. Mechanismy, které řídí biogenezi ribozomů, fungují také během G1 fáze buněčného cyklu a komunikují s proteiny, které provádějí přechod z G1 fáze do S fáze , v důsledku čehož se buňka může nebo nemusí dělit v závislosti na intenzitě proces tvorby ribozomů [69] .
Ukázalo se, že jadérko hraje klíčovou roli v regulaci smyčky p53 -Mdm2. p53 a Mdm2 jsou převážně nukleoplazmatické proteiny, přičemž p53 je nejdůležitější protein odpovědný za reakci buňky na stres (poškození DNA, aktivace onkogenu , poruchy ribozomů), zatímco Mdm2 slouží jako jeho negativní regulátor. Tumor supresorový protein ARF je nukleolární protein, který potlačuje práci Mdm2, inhibuje jeho aktivitu jako E3 ubikvitin ligázy nebo ji izoluje v jadérku, v důsledku čehož je protein p53 stabilizován a aktivován. ARF je navíc klíčovým regulátorem buněčného stárnutí [70] . Další nukleolární protein známý jako nukleofosmin (B23) se podílí na reakci na buněčný stres. Dokáže izolovat ARF v jadérku a v závislosti na situaci působí B23 jako onkogen nebo tumor supresorový gen. Nukleolin a B23 se navíc mohou podílet na opravě poškozené DNA [71] . p53 může také vyvolat buněčnou odpověď ve formě zástavy buněčného cyklu v reakci na poruchy biogeneze ribozomů v jadérku [72] .
Jadérko se může do reakce na stres zapojit i jinými způsoby. Například za podmínek hypotenze se jadérko promění v četná malá jadérka, která, když se buňka přenese do normálních podmínek, se navzájem spojí a vytvoří jadérka. Je zajímavé, že jeden z nejdůležitějších nukleolárních proteinů, nukleofosmin, se nehromadí v jadérkách, ale cirkuluje mezi jadérky a nukleoplazmou [73] .
Částice rozpoznávající signály (SRP ) jsou všudypřítomné cytoplazmatické ribonukleoproteinové komplexy, které dodávají některé ribozomy do hrubého endoplazmatického retikula (ER) pro další kotranslační translokaci do ER syntetizovaných membránových a secernovaných proteinů. SRP nejprve rozpozná signální peptid rostoucího sekretovaného nebo membránového kanálu, když opouští ribozom. Dále SRP dočasně zastavuje syntézu proteinů a dodává ribozom se syntetizovaným proteinem na cytoplazmatickou stranu ER a k další syntéze proteinu dochází současně s jeho translokací do ER [74] . Když byla fluorescenčně značená RNA, která je součástí SRP, zavedena do jádra savčí buňky, velmi rychle skončila v jadérku. Po nějaké době se hladina fluorescence v jadérku snížila, ale v určitých oblastech cytoplazmy se zvýšila [75] . Lokalizaci SRP RNA nelze vázat na jednu ze tří domén jadérka: oblast lokalizace procházela celým jadérkem [76] . Bylo prokázáno, že poslední fáze syntézy SRP RNA a sestavení vlastního SRP probíhají v jadérku [77] .
Cysteinové proteázové katepsiny hrají důležitou roli v práci aktivovaných makrofágů . V endozomech a lysozomech hrají důležitou roli při tvorbě získané imunitní odpovědi (zpracování a prezentace antigenu ), stejně jako vrozené imunitní odpovědi (aktivace Toll-like receptorů ). Nedávno se ukázalo, že tyto cysteinové proteázy a jejich inhibitory mají některé funkce také v jádře a jadérku. Po aktivaci makrofágů jsou tedy katepsin L a inhibitor Spia3g lokalizovány v jadérku [78] .
Bylo prokázáno, že u rostlin se některé nukleolární proteiny mohou podílet na udržování nukleolárního chromatinu a struktury telomer [15] .
U kvasinek jsou mRNA směrovány do jadérka, pokud byl narušen nukleocytoplazmatický transport, biogeneze rRNA nebo zpracování mRNA [79] .
V neaktivní formě, kdy je redukována transkripce genů rRNA, je nukleolární organizátor reprezentován jedním velkým fibrilárním centrem. Ribozomální DNA je v tomto bodě kondenzovaná (tj. kompaktně složená). Když začíná aktivace jadérka, dochází k dekondenzaci rDNA, která začíná na periferii fibrilárního centra. V důsledku toho vznikají RNP transkripty, které při zrání tvoří granule - prekurzory ribozomů, které obsazují periferii aktivovaného jadérka. Při dalším posilování transkripce se jediné fibrilární centrum rozpadne na řadu menších, které jsou navzájem spojeny zcela dekompaktovanými (tedy rozvinutými) oblastmi rDNA. Čím intenzivnější je transkripce, tím více malých FC v jadérku, spojených mezi sebou a obklopených PFC. Pokud je aktivace rDNA dokončena, pak jsou všechny FC dekondenzovány a aktivní rDNA je v PFC. Při inaktivaci jadérka se opět tvoří FC a vzájemně se spojují, zvětšují se a podíl PFC klesá. Když je jadérko zcela inaktivováno, je reprezentováno pouze jedním velkým kulovitým FC (až 4–5 µm) obklopeným vrstvou kondenzovaného chromatinu. Inaktivované jadérko je strukturálně blízké nukleolárním organizátorům mitotických chromozomů. Takové transformace se nazývají aktivace a deaktivace jadérka [80] .
Přestože buňky mají mnoho kopií genů ribozomální DNA, ne všechny se používají k tvorbě rRNA. Bylo prokázáno, že aktivní a tiché rDNA geny jsou charakterizovány různými epigenetickými znaky. Například tiché rDNA geny mají CpG metylaci , která je charakteristická pro heterochromatin a transkripčně neaktivní geny, zatímco aktivní geny tuto značku nemají. Hypomethylace rDNA byla také pozorována u některých typů rakoviny, zejména rakoviny plic a hepatocelulárního karcinomu . Existují však také důkazy o pozitivní roli metylace CpG při syntéze a zpracování rRNA [81] .
Bylo ukázáno, že vzory umlčování genu rRNA způsobené metylací DNA se přenášejí z rodičovské buňky do dceřiných buněk během buněčného dělení [82] . Umlčení genů rDNA může být spojeno nejen s modifikací DNA, ale také se speciálními značkami na histonech . Bylo zjištěno, že aktivní geny rDNA získávají heterochromatinové značky v reakci na změny energetického stavu a diferenciace buňky a tyto značky nemusí souviset s metylací CpG [83] . Řada tichých genů rDNA se nachází v extranukleolárním prostoru a je často spojena s perinukleolárním heterochromatinem (zatímco aktivní geny rDNA jsou umístěny v jadérku ve fibrilární složce), například centromerický heterochromatin. Má se za to, že tichý stav a heterochromatinový stav těchto genů je způsoben omezeným přístupem k jadérku rekombinačních proteinů . Mohou také přispívat ke struktuře jadérka a jádra [84] . Konečně existují důkazy, že v buňkách ženského těla je jadérko spojeno s inaktivovaným chromozomem X [85] .
Zralé savčí oocyty, stejně jako blastomery velmi raných fází štěpení savčího embrya, obsahují neaktivní atypická jadérka, která se výrazně liší od jadérek zralých buněk a obsahují pouze hustou fibrilární složku [86] . Říká se jim prekurzorová tělíska jadérek (NPB ) a má se za to, že slouží jako skladovací místa pro molekuly, z nichž se při vývoji embrya odebírá materiál k sestavení typických aktivních jadérek. Počet a distribuce inkluzních tělísek v lidských embryonálních pronukleech může sloužit jako jednoduchý neinvazivní indikátor dalšího embryonálního vývoje [87] . Když oocyty vstoupí do meiózy, hustá fibrilární složka jadérek se rozpadne a vstoupí do cytoplazmy a jadérko se stane neviditelným až do oplodnění a vytvoření pronukleí [86] .
V roce 2003 bylo prokázáno, že progenitorová tělíska mohou být odstraněna mikrochirurgickými technikami z plně zralého prasečího oocytu . Tato metoda odstranění jadérka se nazývá enukleolace a jadérko, které je odstraněno, se nazývá nukleoloplast . V tomto případě jsou tělíska izolována s určitým množstvím cytoplazmy oocytů pokrytých vitelinovou membránou . Oocyty tuto operaci přežijí a mohou dosáhnout dělení metafáze II; jadérko tedy nehraje významnou roli při zrání oocytů savců. Zdá se to neobvyklé, protože v buňkách kvasinek a somatických buňkách hraje jadérko důležitou roli při přechodu z metafáze do anafáze . Nicméně se ukázalo, že jadérko je stále nezbytné pro regulaci začátku zrání savčích oocytů [88] . Byla prokázána možnost transplantace jadérka v oocytech savců [89] .
Jadérko se podílí na vzniku mnoha infekčních i neinfekčních lidských onemocnění. Úloha jadérka ve vývoji různých skupin onemocnění je diskutována níže.
Viry z různých skupin ( obsahující DNA , RNA obsahující , retroviry ) kódují proteiny, které jsou lokalizovány v jadérku během infekce. Mezi takové viry patří například virus herpes simplex [90] , cytomegaloviry [91] , flaviviry [92] , virus chřipky A [93] a HIV [94] . Některé z těchto virů, jako jsou poxviry , se replikují v cytoplazmě, zatímco herpesviry a adenoviry se replikují v jadérku. Počáteční stadia replikace HIV-1 probíhají v cytoplazmě a jeho další aktivita probíhá v jadérku [53] . Nucleolus může také hostit některé subvirové agens, jako je virus hepatitidy delta , satelity a viroidy [95] . Viry mohou interagovat s jadérkem, aby převzaly kontrolu nad funkcí hostitelské buňky a získaly nukleolární proteiny, aby usnadnily vlastní replikaci a regulaci exprese virových genů [ 96] . Například jadérko je domovem dvou regulátorů genové exprese HIV, Tat a Rev [97] . Studie toho, jak viry interagují s jadérkem, může pomoci vyvinout novou antivirovou terapii [98] .
Několik lidských dědičných chorob , jako je Diamond-Blackfanova anémie , 5q syndrom Treacher -Collinsův syndrom a Schwachmann- syndrom , z abnormalit proteinových faktorů nezbytných pro tvorbu ribozomů. Tato onemocnění se vyznačují výraznou pleiotropií , která se projevuje narušením mnoha typů tkání a závažnost a seznam příznaků se u různých pacientů liší. Tato onemocnění jsou charakterizována následujícími příznaky v různých kombinacích: poruchy krvetvorby , vývojové anomálie a predispozice k rakovině. Taková onemocnění, která jsou založena na změnách v genech kódujících základní části zralých ribozomů a/nebo faktorech podílejících se na tvorbě ribozomů, se nazývají ribozomopatie [99] .
Protože rychlost syntézy ribozomů určuje schopnost buněk proliferovat, poruchy syntézy ribozomů v jadérku často vedou k rozvoji rakovinných nádorů. Například abnormality v počtu, velikosti a morfologii jadérek jsou často spojeny se vznikem a následným rozvojem rakoviny prsu [100] . Markerem rakoviny prsu jsou argyrofilní (tj. obarvené stříbrnými solemi ) nukleolární organizátory [101] ; kromě toho může jadérko modulovat estrogenový receptor , který hraje klíčovou roli ve vývoji tohoto typu rakoviny [102] . Nukleolus však může mít i supresivní účinek na nádory; jadérko obsahuje tumor supresorové geny , jako je BRCA1 , ARF, p53, retinoblastomový protein (RB) a PTEN , stejně jako HOTS [103] . Níže uvedená tabulka uvádí nukleolární proteiny podílející se na rozvoji různých rakovin [104] .
Protein | Funkce | Choroba |
---|---|---|
CKAP5 | Váže se přímo na mikrotubuly , což je nezbytné pro stabilitu a správnou organizaci vřetenových pólů |
Rakovina jater Rakovina tlustého střeva Myelom |
GLTSCR1 | Funkce neznámé | Meningiom Oligodendrogliom |
GLTSCR2 | Reguluje fosforylaci a stabilitu PTEN. Podílí se na buněčné proliferaci a apoptóze |
Rakovina štítné žlázy Astrocytom Rakovina vaječníků Rakovina jícnu Rakovina tlustého střeva Rakovina plic |
GNB2L1 | Součást ribozomální podjednotky 40S. Váže a stabilizuje protein kinázu C. Potlačuje aktivitu Src kináz |
Rakovina prsu Rakovina plic Rakovina ústní dutiny Melanom |
Nukleostemin | Interaguje s p53. Důležité pro proliferaci kmenových buněk | Rakovina jícnu Rakovina mozku Rakovina prsu Rakovina děložního čípku |
KDM2B | Centrální role v demetylaci histonů . Potlačuje transkripci rDNA | Leukémie Lymfom |
MAGED2 | Regulátor p53 | Rakovina tenkého střeva Rakovina tlustého střevaRakovina prsu Rakovina slepého střeva |
mKi67 | Nezbytný pro buněčnou proliferaci, zapojený do raných fází syntézy rRNA |
Rakovina plic Rakovina prsu Rakovina tlustého střeva Rakovina žaludku Rakovina ledvin Lymfom |
Nukleolin | Podílí se na tvorbě a zrání ribozomů | Rakovina tlustého střeva Leukémie Rakovina děložního čípku Melanom Rakovina slinivky břišní |
NOP2 | Reguluje buněčný cyklus, je exprimován během S-fáze, vyskytuje se v maligních, ale ne klidových buňkách |
Rakovina plic Rakovina prsu Rakovina prostaty Rakovina tlustého střeva Rakovina ústní dutiny |
Nukleofosmin | Upraví ARF/p53. Podílí se na biogenezi ribozomů, proliferaci, sestavování histonů, zdvojování centrosomů , funguje jako proteinový chaperon |
Rakovina prostaty Rakovina močového měchýře Rakovina prsu Leukémie Lymfom Rakovina tlustého střeva |
PCNA | Podílí se na replikaci DNA , kofaktor DNA polymerázy δ | Rakovina slinivky břišní Rakovina prsu Rakovina jater Rakovina žaludku |
Prokhibitin | Váže se na RB supresorový protein, může regulovat proliferaci | Rakovina prsu Rakovina jícnu Rakovina tlustého střeva Rakovina žaludku |
PRAME | Antigen exprimovaný převážně buňkami melanomu. Uznávaný T-killery . Funguje jako transkripční represor |
Leukémie Melanom Rakovina plic Rakovina ledvin Sarkom Rakovina prsu Neuroblastom Meduloblastom |
RAP1A | Váže proteiny Ras superrodiny malých GTPáz . Působí proti RAS | Orofaryngeální karcinom Melanom pankreatu Karcinom prostaty |
Podle jedné hypotézy se jadérko podílí na vzniku autoimunitních onemocnění [13] . Je také možné, že se tato organela může podílet na rozvoji Parkinsonovy choroby [105] . Zde může být lokalizován i protein tau , který je v poslední době spojován s rozvojem Alzheimerovy choroby [106] . Nukleolus může také hrát důležitou roli ve vývoji oka a neurodegenerativních onemocněních sítnice [107] . Nukleolární protein nukleostemin může sloužit jako marker osteoartrózy [108] .
Tematické stránky | |
---|---|
Slovníky a encyklopedie | |
V bibliografických katalozích |
|
organely eukaryotických buněk | |
---|---|
endomembránový systém | |
cytoskelet | |
Endosymbionti | |
Jiné vnitřní organely | |
Vnější organely |
buněčného jádra | |||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Nukleární membrána / Nuclear lamina |
| ||||||||
jadérko |
| ||||||||
jiný |
|