ΚΕΦΑΛΑΙΟ 9. Ο πυρήνας. Ακαδημαϊκές Εκδόσεις 2011 Το κύτταρο-μια Μοριακή Προσέγγιση 1

Transcript

1 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 9 Ο πυρήνας Ακαδημαϊκές Εκδόσεις 2011 Το κύτταρο-μια Μοριακή Προσέγγιση 1

2 ΕΙΚΟΝΑ 9.1 Ο πυρηνικός φάκελος. (Α) Φωτογραφία ηλεκτρονικού μικροσκοπίου που δείχνει έναν πυρήνα. Η εσωτερική και η εξωτερική πυρηνική μεμβράνη ενώνονται στα σύμπλοκα των πυρηνικών πόρων (βέλη). (Β) Φωτογραφία ηλεκτρονικού μικροσκοπίου που δείχνει τη συνέχεια της εξωτερικής πυρηνικής μεμβράνης με το ενδοπλασματικό δίκτυο. (Γ) Σχηματική αναπαράσταση του πυρηνικού φακέλου. Η εσωτερική πυρηνική μεμβράνη επενδύεται από την πυρηνική λάμινα, η οποία χρησιμεύει ως θέση προσάρτησης της χρωματίνης. (A, David M. Phillips/Photo Researchers, Inc. B, ευγενική προσφορά του Dr. Werner W. Franke, German Cancer Research Center, Heidelberg/Γερμανικό Κέντρο Αντικαρκινικής Έρευνας, Χαϊδελβέργη.) Ακαδημαϊκές Εκδόσεις 2011 Το κύτταρο-μια Μοριακή Προσέγγιση 2

3 ΕΙΚΟΝΑ 9.2 Φωτογραφία ηλεκτρονικού μικροσκοπίου που δείχνει πυρηνικούς πόρους. Σε αυτό το παρασκεύασμα πυρηνικού φακέλου που έχει υποστεί τεμαχισμό υπό ψύξη διακρίνονται πολλοί πυρηνικοί πόροι (βέλη). (Don W. Fawcett/Photo Researchers, Inc.) Ακαδημαϊκές Εκδόσεις 2011 Το κύτταρο-μια Μοριακή Προσέγγιση 3

4 ΕΙΚΟΝΑ 9.3 Φωτογραφία ηλεκτρονικού μικροσκοπίου που δείχνει την πυρηνική λάμινα. Η λάμινα είναι ένα δίκτυο ινιδίων που βρίσκεται κάτω από την εσωτερική πυρηνική μεμβράνη και εκτείνεται στο εσωτερικό του πυρήνα. (Από τη δημοσίευση των U. Aebi, J. Cohn, L. Buhle και L. Gerace, Nature 323: 560.) Ακαδημαϊκές Εκδόσεις 2011 Το κύτταρο-μια Μοριακή Προσέγγιση 4

5 ΕΙΚΟΝΑ 9.4 Μοντέλο συναρμολόγησης των λαμινών. Τα πολυπεπτίδια λαμίνης σχηματίζουν διμερή στα οποία οι κεντρικές περιοχές α-έλικας δύο πολυπεπτιδικών αλυσίδων τυλίγονται η μία γύρω από την άλλη. Στην περαιτέρω συναρμολόγηση μπορεί να συνεισφέρουν η κατά σειρά σύνδεση των διμερών, με την οποία σχηματίζονται γραμμικά πολυμερή, και η πλευρική σύνδεση των πολυμερών, με την οποία σχηματίζονται δομές υψηλότερης οργάνωσης. Ακαδημαϊκές Εκδόσεις 2011 Το κύτταρο-μια Μοριακή Προσέγγιση 5

6 ΕΙΚΟΝΑ 9.5 Η πυρηνική λάμινα. Η εσωτερική πυρηνική μεμβράνη περιέχει αρκετές διαμεμβρανικές πρωτεΐνες, όπως είναι η εμερίνη και ο υποδοχέας της λαμίνης Β (LBR, Lamin B Receptor), που αλληλεπιδρούν με τις λαμίνες του πυρήνα. Οι λαμίνες και οι πρωτεΐνες που συνδέονται με αυτές αλληλεπιδρούν επίσης με τη χρωματίνη. Ακαδημαϊκές Εκδόσεις 2011 Το κύτταρο-μια Μοριακή Προσέγγιση 6

7 ΕΙΚΟΝΑ 9.6 Κυκλοφορία μορίων μέσω των συμπλόκων των πυρηνικών πόρων. Τα μικρά μόρια και μικρές πρωτείνες (20-40 kda) μπορούν να διέλθουν ταχύτατα, με παθητική διάχυση, από ανοικτούς διαύλους του συμπλόκου του πυρηνικού πόρου. Αντίθετα, τα μακρομόρια (πρωτεΐνες και RNA) μεταφέρονται με έναν επιλεκτικό μηχανισμό που απαιτεί κατανάλωση ενέργειας. Ακαδημαϊκές Εκδόσεις 2011 Το κύτταρο-μια Μοριακή Προσέγγιση 7

8 ΕΙΚΟΝΑ 9.7 Φωτογραφία ηλεκτρονικού μικροσκοπίου που δείχνει σύμπλοκα πυρηνικών πόρων. Στην κάτοψη αυτή διακρίνονται μεμονωμένα σύμπλοκα πυρηνικών πόρων, τα οποία αποτελούνται από οκτώ δομικές υπομονάδες που περιβάλλουν έναν κεντρικό δίαυλο. (Ευγενική προσφορά του Dr. Ron Milligan, The Scripps Research Institute.) Ακαδημαϊκές Εκδόσεις 2011 Το κύτταρο-μια Μοριακή Προσέγγιση 8

9 ΕΙΚΟΝΑ 9.8 Μοντέλο του συμπλόκου του πυρηνικού πόρου. Το σύμπλοκο αποτελείται από ένα συγκρότημα οκτώ ακτίνων προσδεδεμένων σε δακτυλίους στην κυτταροπλασματική και στην πυρηνική πλευρά του πυρηνικού φακέλου. Το συγκρότημα δακτυλίων-ακτίνων περιβάλλει έναν κεντρικό δίαυλο. Από τον κυτταροπλασματικό δακτύλιο εκτείνονται κυτταροπλασματικά ινίδια, ενώ από τον πυρηνικό δακτύλιο εκτείνονται ινίδια που σχηματίζουν τον πυρηνικό κάλαθο. Ακαδημαϊκές Εκδόσεις 2011 Το κύτταρο-μια Μοριακή Προσέγγιση 9

10 ΕΙΚΟΝΑ 9.9 Σήματα πυρηνικού εντοπισμού. Το σήμα πυρηνικού εντοπισμού του αντιγόνου Τ αντιστοιχεί σε μια ενιαία αλληλουχία αμινοξέων. Αντίθετα, το σήμα πυρηνικού εντοπισμού της νουκλεοπλασμίνης είναι διπαραγοντικό, καθώς αποτελείται από δύο αλληλουχίες, μία Lys-Arg και μία Lys-Lys-Lys-Lys, μεταξύ των οποίων μεσολαβεί ένα μεσοδιάστημα δέκα αμινοξέων. Ακαδημαϊκές Εκδόσεις 2011 Το κύτταρο-μια Μοριακή Προσέγγιση 10

11 ΕΙΚΟΝΑ 9.11 Μεταφορά πρωτεϊνών μέσω του συμπλόκου του πυρηνικού πόρου. Η μεταφορά μιας πρωτεΐνης μέσω του συμπλόκου του πυρηνικού πόρου ξεκινά με την αναγνώριση της αλληλουχίας πυρηνικού εντοπισμού της (NLS, Nuclear Localization Sequence) από έναν υποδοχέα πυρηνικής μεταφοράς (ιμπορτίνη). Το σύμπλοκο της πρωτεΐνης-φορτίου με την ιμπορτίνη προσδένεται σε ειδικές πρωτεΐνες του πυρηνικού πόρου στα κυτταροπλασματικά ινίδια. Στη συνέχεια, μεταφέρεται μέσω του πυρηνικού πόρου, καθώς προσδένεται διαδοχικά σε πρωτεΐνες που βρίσκονται όλο και βαθύτερα στο εσωτερικό του. Στην πυρηνική πλευρά του πόρου, το σύμπλοκο φορτίου/ιμπορτίνης διασπάται λόγω της πρόσδεσης Ran/GTP στην ιμπορτίνη. Η αλλαγή διαμόρφωσης της ιμπορτίνης εκτοπίζει την πρωτεΐνη-φορτίο και την απελευθερώνει στο εσωτερικό του πυρήνα. Το σύμπλοκο ιμπορτίνης-ran/gtp εξάγεται και πάλι από τον πυρήνα μέσω του πυρηνικού πόρου και η πρωτεΐνη ενεργοποίησης της GTPάσης (Ran GAP) υδρολύει το GTP, που φέρει η Ran, προς GDP, προκαλώντας απελευθέρωση της ιμπορτίνης στο κυτταρόπλασμα. Ακαδημαϊκές Εκδόσεις 2011 Το κύτταρο-μια Μοριακή Προσέγγιση 11

12 ΕΙΚΟΝΑ 9.10 Κατανομή της Ran/GTP μεταξύ των δύο πλευρών του πυρηνικού φακέλου. Η άνιση κατανομή της Ran/GTP μεταξύ των δύο πλευρών του πυρηνικού φακέλου διατηρείται χάρη στον εντοπισμό της πρωτεΐνης ενεργοποίησης της GTPάσης Ran (Ran GAP, Ran GTPase-Αctivating Protein) στο κυτταρόπλασμα και του παράγοντα ανταλλαγής νουκλεοτιδίων γουανίνης Ran (Ran GEF, Ran Guanine nucleotide Exchange Factor) στον πυρήνα. Στο κυτταρόπλασμα, η Ran GAΡ (η οποία προσδένεται στα κυτταροπλασματικά ινίδια του συμπλόκου του πυρηνικού πόρου) ενεργοποιεί την υδρόλυση του GTP που είναι προσδεδεμένο στη Ran, οδηγώντας σε μετατροπή της Ran/GTP σε Ran/GDP. Η Ran/GDP εισέρχεται στον πυρήνα με τη βοήθεια του δικού της μεταφορέα NTF2. Στον πυρήνα, η Ran GEF ενεργοποιεί την ανταλλαγή του GDP που είναι προσδεδεμένο στη Ran με GTP, οδηγώντας σε μετατροπή του Ran/GDP σε Ran/GTP. Κατά συνέπεια, το εσωτερικό του πυρήνα διατηρεί μια υψηλή συγκέντρωση Ran/GTP Ακαδημαϊκές Εκδόσεις 2011 Το κύτταρο-μια Μοριακή Προσέγγιση 12

13 ΕΙΚΟΝΑ 9.12 Εξαγωγή πρωτεϊνών από τον πυρήνα. Στον πυρήνα σχηματίζονται σύμπλοκα μεταξύ πρωτεϊνώνφορτίων που φέρουν σήματα πυρηνικής εξαγωγής (NES, Nuclear Export Signals, αλληλουχία 4 υδρόφοβων αμινοξέων, συχνά είναι αλληλουχίες λευκίνης, LxxxLxxLxL), εξπορτινών και Ran/GTP. Μετά τη διέλευση από το σύμπλοκο του πυρηνικού πόρου, η Ran GAP ενεργοποιεί την υδρόλυση του προσδεδεμένου GTP, οδηγώντας σε σχηματισμό Ran/GDP και απελευθέρωση της πρωτεΐνης-φορτίου και της εξπορτίνης στο κυτταρόπλασμα. Ακαδημαϊκές Εκδόσεις 2011 Το κύτταρο-μια Μοριακή Προσέγγιση 13

14 ΠΙΝΑΚΑΣ 9.1 Καρυοφερίνες με γνωστά υποστρώματα Ακαδημαϊκές Εκδόσεις 2011 Το κύτταρο-μια Μοριακή Προσέγγιση 14

15 ΕΙΚΟΝΑ 9.13 Ρύθμιση της εισαγωγής μεταγραφικών παραγόντων στον πυρήνα. Ο μεταγραφικός παράγοντας NF-κΒ διατηρείται στο κυτταρόπλασμα υπό μορφή ανενεργού συμπλόκου με την πρωτεΐνη ΙκΒ, η οποία καλύπτει την αλληλουχία πυρηνικού εντοπισμού του (NLS). Όταν δεχτεί τα κατάλληλα εξωκυτταρικά σήματα, η ΙκΒ φωσφορυλιώνεται και αποικοδομείται μέσω πρωτεόλυσης, επιτρέποντας την εισαγωγή του NF-κΒ στον πυρήνα. Ο μεταγραφικός παράγοντας Pho4 του σακχαρομύκητα διατηρείται στο κυτταρόπλασμα λόγω της φωσφορυλίωσης ενός καταλοίπου σερίνης που βρίσκεται κοντά στην αλληλουχία πυρηνικού εντοπισμού του. Η ρυθμιζόμενη αποφωσφορυλίωση του καταλοίπου αυτού οδηγεί σε έκθεση του NLS και επιτρέπει μεταφορά του Pho4 στον πυρήνα. Ακαδημαϊκές Εκδόσεις 2011 Το κύτταρο-μια Μοριακή Προσέγγιση 15

16 ΕΙΚΟΝΑ 9.14 Μεταφορά ενός συμπλόκου ριβονουκλεοπρωτεΐνης. Τα ριβοσωμικά RNA μεταφέρονται εκτός του πυρήνα αφού δημιουργηθούν οι υπομονάδες 60S και 40S σαν σύμπλοκα με ειδικές πρωτείνες με τη βοήθεια της καρυοφερίνης Crm1. Τα κύτταρα των σιελογόνων αδένων των εντόμων παράγουν ευμεγέθη σύμπλοκα ριβονουκλεοπρωτεΐνης (RNΡ), τα οποία περιέχουν kb RNA και έχουν συνολική μάζα περίπου 30 εκατομμύρια Da. Σε αυτή τη σειρά φωτογραφιών ηλεκτρονικού μικροσκοπίου παρουσιάζονται (Α) η πρόσδεση ενός τέτοιου RNΡ σε ένα σύμπλοκο πυρηνικού πόρου και (Β-Δ) η αποδίπλωση του RNA κατά τη μεταφορά του στο κυτταρόπλασμα. (Από τη δημοσίευση των H. Mehlin et al., Cell 69: 605.) Ακαδημαϊκές Εκδόσεις 2011 Το κύτταρο-μια Μοριακή Προσέγγιση 16

17 ΕΙΚΟΝΑ 9.16 Ετεροχρωματίνη σε μεσοφασικούς πυρήνες. Η ευχρωματίνη είναι κατανεμημένη σε ολόκληρο τον πυρήνα. Η ετεροχρωματίνη υποδεικνύεται με τρίγωνα και ο πυρηνίσκος με βέλος. Η ετεροχρωματίνη διαχωρίζεται σε ιδιοσυστατική (αλληλουχίες DNA που γενικά δεν μεταγράφονται) και σε δυνητική ετεροχρωματίνη που περιέχει αλληλουχίες που δεν μεταγράφονται σε αυτό το κύτταρο ή τη συγκεκριμένη στιγμή) (Ευγενική προσφορά των Ada L. Olins και Donald E. Olins, Oak Ridge National Laboratory.) Ακαδημαϊκές Εκδόσεις 2011 Το κύτταρο-μια Μοριακή Προσέγγιση 17

18 ΕΙΚΟΝΑ 9.18 Οργάνωση των χρωμοσωμάτων της Drosophila. (Α) Μοντέλο του πυρήνα, στο οποίο παρουσιάζονται με διαφορετικά χρώματα οι βραχίονες των πέντε χρωμοσωμάτων. Υποδεικνύονται oι θέσεις των τελομερών και των κεντρομερών. (Β) Παρουσιάζονται οι δύο βραχίονες του χρωμοσώματος 3, προκειμένου να φανεί ο τοπολογικός διαχωρισμός των χρωμοσωμάτων. (Από τη δημοσίευση των D. Matdog et al., Nature 308: 414.) Ακαδημαϊκές Εκδόσεις 2011 Το κύτταρο-μια Μοριακή Προσέγγιση 18

19 ΕΙΚΟΝΑ 9.19 Οργάνωση των χρωμοσωμάτων στον πυρήνα των θηλαστικών. (Α) Ανιχνευτές επαναλαμβανόμενων αλληλουχιών του χρωμοσώματος 4 χρησιμοποιήθηκαν για πείραμα υβριδισμού σε ένα ανθρώπινο κύτταρο. Τα δύο αντίγραφα του χρωμοσώματος 4, το οποίο ταυτοποιείται με τον φθορισμό κίτρινου χρώματος, καταλαμβάνουν διακριτές επικράτειες μέσα στον πυρήνα. (Β) Μοντέλο οργάνωσης των χρωμοσωμάτων. Τα χρωμοσώματα καταλαμβάνουν διακριτές επικράτειες, οι οποίες χωρίζονται μεταξύ τους με διαχρωμοσωμικές περιοχές, όπου θεωρείται ότι λαμβάνουν χώρα η επεξεργασία και η μεταφορά του RNA. (Α, ευγενική προσφορά του Thomas Cremer, Ludwig Maximilians University, από τη δημοσίευση των A. I. Lamond και W. C. Earnshaw, 1999, Science 280: 547.) Ακαδημαϊκές Εκδόσεις 2011 Το κύτταρο-μια Μοριακή Προσέγγιση 19

20 Πυρηνίσκος και η επεξεργασία του rrna ΕΙΚΟΝΑ 9.25 Τα γονίδια του ριβοσωμικού RNA. Το γονιδίωμα του ανθρώπου περιέχει 200 περίπου αντίγραφα του γονιδίου που κωδικοποιεί τα 18S, 5,8S και 28S rrna (χρωμοσώματα 13, 14, 15, 21, 22) και περίπου 2000 αντίγραφα του γονιδίου που κωδικοποιεί το 5S rrna. Κάθε γονίδιο rrna αποτελεί μια μονάδα μεταγραφής που περιέχει τα 18S, 5,8S και 28S rrna, καθώς και μεσοδιαστήματα μεταγραφόμενων αλληλουχιών. Τα γονίδια rrna οργανώνονται σε συστοιχίες διαδοχικών επαναλήψεων, οι οποίες χωρίζονται μεταξύ τους από μεσοδιαστήματα μη μεταγραφόμενου DNA. Ακαδημαϊκές Εκδόσεις 2011 Το κύτταρο-μια Μοριακή Προσέγγιση 20

21 ΕΙΚΟΝΑ 9.28 Μεταγραφή γονιδίων rrna. Φωτογραφία ηλεκτρονικού μικροσκοπίου που δείχνει τη χρωματίνη του πυρηνίσκου. Φαίνονται τρία γονίδια rrna χωρισμένα μεταξύ τους από μεσοδιαστήματα μη μεταγραφόμενου DNA. Κάθε γονίδιο rrna περιβάλλεται από μια συστοιχία αυξανόμενων αλυσίδων RNA, σχηματίζοντας μια δομή που θυμίζει χριστουγεννιάτικο δέντρο. (Ευγενική προσφορά του O. L. Miller, Jr.) Ακαδημαϊκές Εκδόσεις 2011 Το κύτταρο-μια Μοριακή Προσέγγιση 21

22 ΕΙΚΟΝΑ 9.29 Επεξεργασία του pre-rrna. Το μετάγραφο 45S pre-rrna των ανώτερων ευκαρυωτών περιέχει εξωτερικά μεσοδιαστήματα μεταγραφόμενης αλληλουχίας (ETS, External Transcribed Spacers) στα δύο άκρα του και εσωτερικά μεσοδιαστήματα μεταγραφόμενης αλληλουχίας (ΙTS, Internal Transcribed Spacers) ανάμεσα στις αλληλουχίες των 18S, 5,8S και 28S rrna. Το pre-rrna υπόκειται σε επεξεργασία μέσω μιας σειράς τομών, από τις οποίες παράγονται τα ώριμα rrna. Ακαδημαϊκές Εκδόσεις 2011 Το κύτταρο-μια Μοριακή Προσέγγιση 22

23 ΕΙΚΟΝΑ 9.31 Συναρμολόγηση του ριβοσώματος. Οι ριβοσωμικές πρωτεΐνες εισάγονται από το κυτταρόπλασμα στον πυρηνίσκο και αρχίζουν να συναρμολογούνται πάνω στο pre-rrna πριν ακόμη αρχίσει η επεξεργασία του. Κατά την επεξεργασία του pre-rrna συναρμολογούνται επιπλέον ριβοσωμικές πρωτεΐνες και το 5S rrna (το οποίο συντίθεται σε άλλη περιοχή του πυρήνα), ώστε να σχηματιστούν προριβοσωμικά σωμάτια. Τα τελικά στάδια ωρίμανσης λαμβάνουν χώρα μετά την εξαγωγή των προριβοσωμικών σωματίων στο κυτταρόπλασμα και οδηγούν στον σχηματισμό των ριβοσωμικών υπομονάδων 40S και 60S. Ακαδημαϊκές Εκδόσεις 2011 Το κύτταρο-μια Μοριακή Προσέγγιση 23