Nukleus

NUKLEUS

1. STRUKTURA (hromozomske teritorije, nukleusne organele)
2. FUNKCIJA (formiranje nukleusnih prekursora za sintezu proteina u citoplazmi)

Saznanja o ćelijama do kojih se došlo posredstvom novih citoloških metoda i kombinacijom citoloških sa metodima molekularne biologije, biohemije, strukturne biologije bacila su potpuno novo svetlo na organizaciju nukleusa kao ćelijske organele. Dosadašnja saznanja predstavljala su nukleus kao najvažniju, centralnu organelu ćelije, osnovni kriterijum po kome se eukarioti razlikuju od prokariota ″zaduženu″ za pakovanje dugačkih molekula DNK koji u okviru svake vrste čine genom. Takođe, nukleus je izdvajan kao kompartment ćelije u kome se odigravaju esencijalni procesi za ćeliju: (1) transkripcija molekula RNK i biogeneza preribozoma u smislu ″opsluživanja″ translacione mašinerije (sinteze proteina) u citoplazmi, i (2) replikacije/reparacije molekula DNK u smislu održavanja stabilnosti, umnožavanja i diseminacije genoma tokom života ćelije. Danas se uviđa da je nukleus po značaju za ćeliju potpuno ravnopravan sa ostalim organelama.

Ipak, tokom života ćelije (ćelijski ciklus sisarske ćelije) nukleus ima potpuno »podeljenu« organizaciju: interfazni je orjentisan na formiranje prekursora citoplazmatične translacione mašine, a mitotički na pravilnu segregaciju genoma i održanje funkcije ćerki ćelija. Kako je 90 % ćelija adultnog sisarskog organizma u stanju diferenciranosti (Go faza ćelijskog ciklusa) i nema mitotički potencijal (nikada ne prolazi ostale faze ćelijskog ciklusa i mitozu) može se, citološki, razmatrati organizacija interfaznog nukleusa diferencirane ćelije u kontekstu sinteze prekursora potrebnih za translaciju u citoplazmi, tj. sintezu proteina.

Interfazna, diferencirana ćelija ima citološke zadatke da nasledni materijal (diploidna garnitura/homologi hromozomi) spakuje u nukleus dijametra do 10 mikrometara, a da pri tome
aktivni geni budu pristupačni za transkripciju (iRNK, rRNK, tRNK), obradi iRNK, rRNK, i da obrađen, upakovan materijal iRNK, tRNK i preribozoma »transportuje« u citoplazmu.

Struktura interfaznog nukleusa diferencirane ćelije
Kako je to bilo nekad

Struktura interfaznog nukleusa proučavana pola veka na elektronskim mikrografijama bila je identična onoj na nivou svetlosnog mikroskopa: unutrašnjost nukleusa je iz hromatina
koji se po bojenim karakteristikama »deli« na tamni- heterohromatin i svetli-euhromatin i strukturno uobličenog nukleolusa. Nikakva pravilnost u rasporedu genoma nije bila uočljiva
iako se znalo za mitotičke hromozome.

Naime, jedina citološki uočljiva organizacija genoma ćelije postojala je u mitozi. U mitozi ćelija sisara (otvorena ortomitoza) nukleus gubi svoju interfaznu organizaciju, nukleusni ovoj vizuelno nestaje i hromatin se transformiše (kondenzacijom) u set strukturno uobličenih mitotičkih hromozoma definisane strukture (označavaju se i kao metafazni hromozomi jer se najbolje vide i proučavaju u metafazi mitoze). Svaka vrsta ima tačno određeni broj mitotičkih hromozoma. Citogenetičke studije metafaznih hromozoma pokazuju stalnost njihove organizacije: na krajevima hromozoma su regioni koji se označavaju kao telomere. Centromera je primarno suženje i u odnosu na njen položaj metafazni hromozomi se klasifikuju kao metacentrični, telocentrični, akrocentrični itd. Telo hromozoma pruža se od centromere ka telomerama, i u odnosu na položaj centromere »deli« se na kraći i duži krak.

Neki hromozomi (kod čoveka je pet takvih hromozoma) poseduju i sekundarno suženje. Bojenje Gimsa metafaznih hromozoma »otkrilo« je još jednu stalnu strukturu: tamne (G) i svetle (R) trake (pruge) na telu hromozoma. Biohemijskim i molekularno-biološkim metodima utvrđeno je da su svetle trake regioni bogati G-C parovima (aktivni geni, rano replicirajući geni DNK), dok su tamne trake bogate A-T parovima (heterohromatin, »besmisleno ponavljajuće« sekvence, kasno replicirajući regioni). Sa punim pravom G i R trake mogle su se poistovetiti sa hetero-, tj. eu-hromatinom, respektivno. Ovo otkriće postavilo je centralno citološko pitanje: »Da li ovakva organizacija postoji i u interfaznom jedru, odnosno da li postoji interfazni hromozom kao organizacioni kontrapunkt mitotičkog hromozoma«?

 
Kako je to danas: organizacija interfaznog hromozoma
Interfazni hromozom zaista poseduje sve organizacione domene mitotičkog, metafaznog hromozoma (telomere, centromere, sekundarna suženja, G i R trake) koji su na specifičan način uobličeni u nukleusu. Njegova organizacija studirana je na modelu hromozoma limfocita i HeLa ćelija (a-g). Svaki od homologih interfaznih hromozoma okupira u nukleusu diskretnu teritoriju koja se naziva hromozomskom teritorijom (najčešće nisu lokalizovani jedan pored drugog). Većina hromozomskih teritorija lokalizovana je uz nukleusni ovoj iako postoje i centralno pozicionirani hromozomi.

(a) Interfazni hromozom limfocita broj 18 leži na nukleusnoj lamini, telomerama je vezan za nukleusni ovoj (preko lamine i specifičnih receptora unutrašnje membrane nukleusnog ovoja, vidi *Organizacija nukleusne lamine). Telo hromozoma u vidu hromozomske teritorije radijalno se pruža ka centru nukleusa i »naslanja« na nukleolus. Površina hromozomske teritorije oivičava interhromozomski prostor i nije glatka jer na sebi nosi brojne duboke uvrate i izvrate sa hromatinsime petljama (aktivni geni su na površini hromozomske teritorije). Celokupni interfazni hromozom upakovan je u tu strukturuhromozomsku teritoriju- pomoću nukleoskeleta. Sekvence DNK hromozoma kojima se vezuje za nukleoskelet specifične su po broju i rasporedu za svaki od hromozoma.

(b) Centromera je u slučaju hromozoma 18 humanog limfocita prikačena za nukleusnu laminu. To je transkripciono inaktivan domen. Centromera (a kod kvasca i telomere) ima sposobnost gašenja gena: aktivacijom geni se udaljuju od centromere, a gašenjem joj se približavaju.

(c) Stupanj kondenzacije je različit u okviru jedne hromozomske teritorije. Konstitutivni heterohromatin se nalazi uz nukleusnu laminu, delimično u unutrašnjosti hromozomske teritorije (srž) i kao nukleolusni heterohromatin (na vrhu). Konstitutivni euhromatin je lokalizovan na površini hromozomske teritorije. Ostali, veći deo hromozoma u stanju je dinamičke izmene između fakultativnog hetero- i euhromatina (ako je potrebna transkripcija napr. gena 23 koji je u unutrašnjosti hromozomske teritorije i visoko kondenzovan, heterohromatičan doći će do njegove aktivacije i on će rasplitanjem preći u euhromatin i pomeriti se ka površini teritorije, i obrnuto).

(d) Raspored regiona interfaznog hromozoma bogatih A-T i G-C parovima, odnosno regiona siromašnih genima/bogatih genima je relativno stalan unutar hromozomske teritorije.
Genima-siromašni hromatin lociran je na periferiji, u bliskom kontaktu sa nukleusnom laminom u nivou nukleusnog ovoja i infoldacijom lamine u srž teritorije kao i oko nukleolusa.
Genima-bogati hromatin lociran je između.

(e) Funkcioni domeni interfaznog hromozoma su petljaste strukture sa kojih se aktivno transkribuje. Interhromozomski kompartment nukleusa (interhromozomski kanali) »prihvata«
transkripte, obrađuje ih i transportuje u formi multimernih kompleksa splajsozoma.