Zellkern -
Cell nucleus

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Zellen-Biologie
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Bestandteile einer typischen tierischen Zelle:
  1. Nukleolus
  2. Kern
  3. Ribosom (Punkte als Teil von 5)
  4. Vesikel
  5. Raues endoplasmatisches Retikulum
  6. Golgi-Apparat (oder Golgi-Körper)
  7. Zytoskelett
  8. Glattes endoplasmatisches Reticulum
  9. Mitochondrium
  10. Vakuole
  11. Zytosol (Flüssigkeit, die Organellen enthält ; mit der Zytoplasma umfasst )
  12. Lysosom
  13. Zentrosom
  14. Zellmembran

In der Zellbiologie ist der Zellkern (pl. nuclei ; von lateinisch nucleus oder nuculeus , was Kern oder Samen bedeutet ) eine membrangebundene Organelle, die in eukaryontischen Zellen vorkommt . Eukaryoten haben normalerweise einen einzelnen Kern, aber einige Zelltypen, wie die roten Blutkörperchen von Säugetieren , haben keine Kerne , und einige andere, einschließlich Osteoklasten, haben viele . Die Hauptstrukturen des Kerns sind die Kernhülle , eine Doppelmembran, die die gesamte Organelle umschließt und ihren Inhalt vom zellulären Zytoplasma isoliert ; und die Kernmatrix (die die Kernlamina umfasst ), ein Netzwerk innerhalb des Kerns, das mechanische Unterstützung hinzufügt, ähnlich wie das Zytoskelett die Zelle als Ganzes trägt.

Der Zellkern enthält das gesamte Genom der Zelle , mit Ausnahme der kleinen Menge mitochondrialer DNA und in Pflanzenzellen der Plastiden- DNA. Kern-DNA ist als mehrere lange lineare Moleküle in einem Komplex mit einer Vielzahl von Proteinen , wie zB Histone , organisiert, um Chromosomen zu bilden . Die Gene innerhalb dieser Chromosomen sind so strukturiert , dass sie die Zellfunktion fördern. Der Zellkern erhält die Integrität der Gene und kontrolliert die Aktivitäten der Zelle, indem er die Genexpression reguliert – der Zellkern ist daher das Kontrollzentrum der Zelle.

durch die Poren ist sowohl für die Genexpression als auch für die Aufrechterhaltung der Chromosomen erforderlich.

Obwohl das Innere des Kerns keine membrangebundenen Subkompartimenten enthält, sind seine Inhalte nicht einheitlich, und eine Reihe von Kernkörpern bestehen, von einzigartigen Proteine, RNA - Moleküle, und bestimmte Teile der Chromosomen aus. Der bekannteste davon ist der Nukleolus , der hauptsächlich am Zusammenbau von Ribosomen beteiligt ist . Nach der Produktion im Nukleolus werden Ribosomen in das Zytoplasma exportiert, wo sie Boten-RNA translatieren .

Strukturen

Schema des Kerns, der die mit Ribosomen besetzte äußere Kernmembran, Kernporen, DNA (als Chromatin komplexiert ) und den Nukleolus zeigt .

Der Zellkern enthält fast die gesamte DNA der Zelle, umgeben von einem Netzwerk aus faserigen Zwischenfilamenten und umhüllt von einer Doppelmembran, die als „ Kernhülle “ bezeichnet wird. Die Kernhülle trennt die Flüssigkeit im Kern, das sogenannte Nukleoplasma , vom Rest der Zelle. Die Größe des Kerns hängt von der Größe der Zelle ab, in der er enthalten ist, wobei ein Kern typischerweise etwa 8% des gesamten Zellvolumens einnimmt. Der Zellkern ist die größte Organelle in tierischen Zellen. In Säugerzellen beträgt der durchschnittliche Durchmesser des Kerns etwa 6 Mikrometer (µm).

Kernhülle und Poren

Querschnitt einer Kernpore auf der Oberfläche der Kernhülle (1). Andere Diagrammetiketten zeigen (2) den Außenring, (3) Speichen, (4) Korb und (5) Filamente.

Die Kernhülle besteht aus zwei Membranen , einer inneren und einer äußeren Kernmembran. Zusammen dienen diese Membranen dazu, das genetische Material der Zelle vom Rest des Zellinhalts zu trennen, und ermöglichen dem Zellkern, eine Umgebung aufrechtzuerhalten, die sich vom Rest der Zelle unterscheidet. Trotz ihrer engen Anordnung um einen Großteil des Zellkerns unterscheiden sich die beiden Membranen in Form und Inhalt erheblich. Die innere Membran umgibt den Kerninhalt und bildet seine definierende Kante. Eingebettet in die innere Membran binden verschiedene Proteine ​​die Zwischenfilamente, die dem Zellkern seine Struktur verleihen. Die äußere Membran umschließt die innere Membran und ist kontinuierlich mit der angrenzenden Membran des endoplasmatischen Retikulums . Als Teil der Membran des endoplasmatischen Retikulums ist die äußere Kernmembran mit Ribosomen besetzt , die Proteine ​​aktiv durch die Membran translatieren. Der Raum zwischen den beiden Membranen, der als "perinukleärer Raum" bezeichnet wird, schließt sich an das Lumen des endoplasmatischen Retikulums an .

Kernporen , die wässrige Kanäle durch die Hülle bereitstellen, bestehen aus mehreren Proteinen, die zusammen als Nukleoporine bezeichnet werden . Die Poren sind etwa 60 bis 80.000.000 Dalton in Molekulargewicht und bestehen aus etwa 50 (in Hefe ) bis zu mehreren hundert Proteinen (in Vertebraten ). Die Poren haben einen Gesamtdurchmesser von 100 nm; die Lücke, durch die Moleküle frei diffundieren, ist jedoch aufgrund des Vorhandenseins von Regulationssystemen im Zentrum der Pore nur etwa 9 nm breit. Diese Größe ermöglicht selektiv den Durchgang kleiner wasserlöslicher Moleküle, während größere Moleküle, wie beispielsweise Nukleinsäuren und größere Proteine, daran gehindert werden, unangemessen in den Kern einzutreten oder diesen zu verlassen. Diese großen Moleküle müssen stattdessen aktiv in den Kern transportiert werden. Der Kern einer typischen Säugerzelle weist in seiner Hülle etwa 3000 bis 4000 Poren auf, von denen jede eine achtfach symmetrische ringförmige Struktur an einer Position enthält, an der die innere und die äußere Membran verschmelzen. An dem Ring ist eine Struktur , die genannte Kernkorb , der in die Nukleoplasma erstreckt, und eine Reihe von fadenförmigen Erweiterungen , dass Reichweite in das Zytoplasma. Beide Strukturen dienen dazu, die Bindung an Kerntransportproteine ​​zu vermitteln.

, die die Genexpression unterdrücken.

Kernlamina

In tierischen Zellen bieten zwei Netzwerke von Zwischenfilamenten dem Kern mechanische Unterstützung: Die Kernlamina bildet ein organisiertes Geflecht auf der Innenseite der Hülle, während auf der zytosolischen Seite der Hülle weniger organisierte Unterstützung bereitgestellt wird. Beide Systeme bieten strukturelle Unterstützung für die Kernhülle und Verankerungsstellen für Chromosomen und Kernporen.

, binden Chromatin und das Aufbrechen ihrer Struktur hemmt die Transkription von Protein-kodierenden Genen.

Wie die Komponenten anderer Zwischenfilamente enthält das laminierte Monomer eine alpha-helikale Domäne, die von zwei Monomeren verwendet wird, um sich umeinander zu winden und eine Dimerstruktur zu bilden, die als Coiled-Coil bezeichnet wird . Zwei dieser Dimerstrukturen verbinden sich dann Seite an Seite in einer antiparallelen Anordnung zu einem Tetramer, das als Protofilament bezeichnet wird . Acht dieser Protofilamente bilden eine seitliche Anordnung, die zu einem seilartigen Filament verdrillt ist . Diese Filamente können dynamisch montiert oder demontiert werden, was bedeutet, dass Längenänderungen des Filaments von den konkurrierenden Geschwindigkeiten der Filamentzugabe und -entfernung abhängen.

Mutationen in Lamin-Genen, die zu Defekten in der Filamentanordnung führen, verursachen eine Gruppe seltener genetischer Störungen, die als Laminopathien bekannt sind . Die bemerkenswerteste Laminopathie ist die Familie von Krankheiten, die als Progerie bekannt sind und bei ihren Patienten zu vorzeitigem Altern führen . Der genaue Mechanismus, durch den die assoziierten biochemischen Veränderungen zum gealterten Phänotyp führen, ist nicht gut verstanden.

Chromosomen

Ein Mausfibroblastenkern, in dem DNA blau gefärbt ist. Die unterschiedlichen Chromosomenterritorien von Chromosom 2 (rot) und Chromosom 9 (grün) werden durch Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung gefärbt .

Der Zellkern enthält den größten Teil des genetischen Materials der Zelle in Form von mehreren linearen DNA-Molekülen, die in Strukturen organisiert sind, die Chromosomen genannt werden . Jede menschliche Zelle enthält etwa zwei Meter DNA. Während des größten Teils des Zellzyklus sind diese in einem DNA-Protein-Komplex organisiert, der als Chromatin bekannt ist, und während der Zellteilung kann das Chromatin die wohldefinierten Chromosomen bilden, die von einem Karyotyp bekannt sind . Ein kleiner Teil der Gene der Zelle befindet sich stattdessen in den Mitochondrien .

Es gibt zwei Arten von Chromatin. Euchromatin ist die weniger kompakte DNA-Form und enthält Gene, die häufig von der Zelle exprimiert werden. Der andere Typ, Heterochromatin , ist die kompaktere Form und enthält DNA, die selten transkribiert wird. Diese Struktur wird weiter kategorisiert in fakultatives Heterochromatin , das aus Genen besteht, die nur in bestimmten Zelltypen oder in bestimmten Entwicklungsstadien als Heterochromatin organisiert sind, und konstitutives Heterochromatin , das aus chromosomalen Strukturkomponenten wie Telomeren und Zentromeren besteht . Während der Interphase organisiert sich das Chromatin in diskrete einzelne Flecken, die als Chromosomenterritorien bezeichnet werden . Aktive Gene, die im Allgemeinen in der euchromatischen Region des Chromosoms zu finden sind, neigen dazu, sich an der Territoriumsgrenze des Chromosoms zu befinden.

Antikörper gegen bestimmte Typen der Chromatinorganisation, insbesondere Nukleosomen , wurden mit einer Reihe von Autoimmunerkrankungen , wie systemischem Lupus erythematodes, in Verbindung gebracht . Diese werden als antinukleäre Antikörper (ANA) bezeichnet und wurden auch zusammen mit Multipler Sklerose als Teil einer allgemeinen Dysfunktion des Immunsystems beobachtet.

Nukleolus

Eine elektronenmikroskopische Aufnahme eines Zellkerns, die den dunkel gefärbten Nukleolus zeigt

Der Nukleolus ist die größte der diskreten dicht gefärbt, membranlosen Strukturen bekannt als Kernkörperchen gefunden im Kern. Es bildet sich um Tandem-Wiederholungen von rDNA , DNA, die für ribosomale RNA (rRNA) kodiert . Diese Regionen werden nukleoläre Organisatorregionen (NOR) genannt. Die Hauptaufgaben des Nukleolus bestehen darin, rRNA zu synthetisieren und Ribosomen zusammenzubauen . Der strukturelle Zusammenhalt des Nukleolus hängt von seiner Aktivität ab, da der ribosomale Zusammenbau im Nukleolus zu einer vorübergehenden Assoziation nukleolärer Komponenten führt, was den weiteren ribosomalen Zusammenbau und damit die weitere Assoziation erleichtert. Dieses Modell wird durch Beobachtungen gestützt, dass die Inaktivierung von rDNA zu einer Vermischung von nukleolären Strukturen führt.

Im ersten Schritt des Ribosomenaufbaus transkribiert ein Protein namens RNA-Polymerase I rDNA, die einen großen Prä-rRNA-Vorläufer bildet. Diese wird in zwei große rRNA-Untereinheiten5.8S und 28S – und eine kleine rRNA-Untereinheit 18S gespalten . Die Transkription, die posttranskriptionelle Verarbeitung und der Zusammenbau von rRNA erfolgt im Nukleolus, unterstützt durch kleine nukleoläre RNA (snoRNA)-Moleküle, von denen einige von gespleißten Introns von Messenger-RNAs abgeleitet sind , die Gene kodieren, die mit der ribosomalen Funktion in Verbindung stehen. Die zusammengebauten ribosomalen Untereinheiten sind die größten Strukturen, die durch die Kernporen geleitet werden .

Unter dem Elektronenmikroskop betrachtet , besteht der Nukleolus aus drei unterscheidbaren Regionen: den innersten fibrillären Zentren (FCs), umgeben von der dichten fibrillären Komponente (DFC) (die Fibrillarin und Nukleolin enthält ), die wiederum von die granuläre Komponente (GC) (die das Protein Nukleophosmin enthält ). Die Transkription der rDNA erfolgt entweder in der FC oder an der FC-DFC-Grenze, und daher werden, wenn die rDNA-Transkription in der Zelle erhöht wird, mehr FCs nachgewiesen. Der größte Teil der Spaltung und Modifikation von rRNAs findet in der DFC statt, während die letztgenannten Schritte, die den Proteinaufbau an den ribosomalen Untereinheiten beinhalten, in der GC erfolgen.

Andere Kernkörper

Subnukleare Strukturgrößen Strukturname Strukturdurchmesser
Art.-Nr.
Cajal Körper 0,2–2,0 µm Klastosomen 0,2-0,5 µm PIKA 5 µm PML-Körper 0,2–1,0 µm Paraspeckles 0,5–1,0 µm Flecken 20–25 nm und Splicing-Speckles. Obwohl über eine Reihe dieser Domänen wenig bekannt ist, sind sie insofern von Bedeutung, als sie zeigen, dass das Nukleoplasma keine einheitliche Mischung ist, sondern organisierte funktionelle Unterdomänen enthält.

Andere subnukleäre Strukturen treten als Teil abnormaler Krankheitsprozesse auf. Zum Beispiel wurde in einigen Fällen von Nemalin-Myopathie über das Vorhandensein kleiner intranukleärer Stäbchen berichtet . Dieser Zustand resultiert typischerweise aus Mutationen in Aktin , und die Stäbchen selbst bestehen aus mutiertem Aktin sowie anderen Zytoskelettproteinen.

Cajal Körper und Edelsteine

Ein Zellkern enthält typischerweise zwischen einer und zehn kompakten Strukturen, sogenannte Cajal-Körper oder Coiled-Bodies (CB), deren Durchmesser je nach Zelltyp und -spezies zwischen 0,2 µm und 2,0 µm beträgt. Unter dem Elektronenmikroskop ähneln sie Knäuel aus wirren Fäden und sind dichte Verteilungsschwerpunkte für das Protein Coilin . CBs sind an einer Reihe von verschiedenen Rollen in Bezug auf die RNA-Prozessierung beteiligt, insbesondere an der Reifung kleiner nukleolärer RNA (snoRNA) und kleiner nukleärer RNA (snRNA) sowie an der Histon-mRNA-Modifikation.

Ähnlich wie Cajal-Körper sind Zwillinge von Cajal-Körpern oder Edelsteinen, deren Name sich von der Zwillingskonstellation in Bezug auf ihre enge "Zwillings"-Beziehung zu CBs ableitet. Edelsteine ​​ähneln in Größe und Form CBs und sind unter dem Mikroskop praktisch nicht zu unterscheiden. Im Gegensatz zu CBs enthalten Edelsteine ​​keine kleinen nukleären Ribonukleoproteine (snRNPs), aber ein Protein namens Survival of Motoneuron (SMN), dessen Funktion mit der snRNP-Biogenese zusammenhängt. Es wird angenommen, dass Edelsteine ​​CBs bei der snRNP-Biogenese unterstützen, obwohl auch aus mikroskopischen Beweisen vorgeschlagen wurde, dass CBs und Edelsteine ​​unterschiedliche Manifestationen derselben Struktur sind. Spätere ultrastrukturelle Studien haben gezeigt, dass Edelsteine ​​Zwillinge von Cajal-Körpern sind, mit dem Unterschied in der Coilin-Komponente; Cajal-Körper sind SMN-positiv und Coilin-positiv und Edelsteine ​​sind SMN-positiv und Coilin-negativ.

PIKA- und PTF-Domänen

PIKA-Domänen oder polymorphe karyosomale Interphase-Assoziationen wurden erstmals 1991 in Mikroskopiestudien beschrieben. Ihre Funktion bleibt unklar, obwohl man nicht annahm, dass sie mit aktiver DNA-Replikation, Transkription oder RNA-Prozessierung in Verbindung stehen. Es wurde festgestellt, dass sie oft mit diskreten Domänen assoziieren, die durch eine dichte Lokalisierung des Transkriptionsfaktors PTF definiert sind, der die Transkription von kleiner nukleärer RNA (snRNA) fördert .

PML-Körper

Promyelozytäre Leukämiekörperchen (PML-Körper) sind kugelförmige Körper, die über das Nukleoplasma verstreut gefunden werden und etwa 0,1–1,0 µm messen. Sie sind unter einer Reihe anderer Namen bekannt, darunter nukleare Domäne 10 (ND10), Kremer-Körper und onkogene PML-Domänen. PML-Körper sind nach einem ihrer Hauptbestandteile benannt, dem promyelozytischen Leukämieprotein (PML). Sie werden oft im Kern in Verbindung mit Cajal-Körpern und Spaltungskörpern gesehen. Pml-/- Mäuse, die keine PML-Körper bilden können, entwickeln sich normal ohne offensichtliche negative Auswirkungen, was zeigt, dass PML-Körper für die meisten essentiellen biologischen Prozesse nicht benötigt werden.

Spleißen von Sprenkeln

Speckles sind subnukleäre Strukturen, die mit Prä-Messenger-RNA-Spleißfaktoren angereichert sind und sich in den Interchromatin-Regionen des Nukleoplasmas von Säugerzellen befinden. Auf fluoreszenzmikroskopischer Ebene erscheinen sie als unregelmäßige, punktförmige Strukturen, die in Größe und Form variieren, und bei elektronenmikroskopischer Untersuchung werden sie als Cluster von Interchromatin-Granulat gesehen . Speckles sind dynamische Strukturen, und sowohl ihre Protein- als auch ihre RNA-Protein-Komponenten können kontinuierlich zwischen Speckles und anderen Kernorten, einschließlich aktiver Transkriptionsstellen, zirkulieren. Speckles können mit p53 als Verstärker der Genaktivität arbeiten, um die Aktivität bestimmter Gene direkt zu verstärken. Darüber hinaus sind Speckle-assoziierende und nicht-assoziierende p53-Genziele funktionell unterschiedlich.

Studien zu Zusammensetzung, Struktur und Verhalten von Speckles haben ein Modell zum Verständnis der funktionellen Kompartimentierung des Zellkerns und der Organisation der Genexpressionsmaschinerie zum Spleißen von snRNPs und anderen Spleißenproteinen geliefert, die für die Prä-mRNA-Prozessierung notwendig sind. Aufgrund der sich ändernden Anforderungen einer Zelle ändert sich die Zusammensetzung und Lage dieser Körper entsprechend der mRNA-Transkription und -Regulierung durch Phosphorylierung spezifischer Proteine. Die Splicing-Speckles werden auch als Nuclear-Speckles (nukleare Speckles), Splicing-Faktor-Kompartimente (SF-Kompartimente), Interchromatin-Granula-Cluster (IGCs) und B-Snurposomen bezeichnet . B-Snurposomen werden in den Eizellenkernen der Amphibien und in Embryonen von Drosophila melanogaster gefunden . B-Snurposomen erscheinen allein oder an den Cajal-Körpern befestigt in den elektronenmikroskopischen Aufnahmen der Amphibienkerne. IGCs fungieren als Speicherorte für die Spleißfaktoren.

Paraspeckles

Entdeckt von Fox et al. im Jahr 2002 sind Paraspeckles unregelmäßig geformte Kompartimente im Interchromatinraum des Zellkerns. Erstmals in HeLa-Zellen dokumentiert, wo es im Allgemeinen 10–30 pro Kern gibt, sind Paraspeckles nun auch in allen menschlichen Primärzellen, transformierten Zelllinien und Gewebeschnitten bekannt. Ihr Name leitet sich von ihrer Verteilung im Zellkern ab; das "para" ist die Abkürzung für parallel und die "speckles" beziehen sich auf die Spleißflecken, zu denen sie immer in unmittelbarer Nähe sind.

Pol II statt, so dass die Proteinkomponenten stattdessen eine perinukleoläre Kappe bilden.

Perichromatinfibrillen

Perichromatinfibrillen sind nur unter dem Elektronenmikroskop sichtbar. Sie befinden sich neben dem transkriptionell aktiven Chromatin und sind vermutlich die Orte der aktiven Prä-mRNA- Prozessierung.

Klastosomen

die Bildung von Klastosomen verursacht. Diese Kernkörper enthalten katalytische und regulatorische Untereinheiten des Proteasoms und seiner Substrate, was darauf hinweist, dass Klastosomen Orte für den Abbau von Proteinen sind.

Funktion

Der Kern stellt eine Stelle für die genetische Transkription bereit, die von der Translationsstelle im Zytoplasma getrennt ist, was ein Niveau der Genregulation ermöglicht, das Prokaryonten nicht zur Verfügung steht . Die Hauptfunktion des Zellkerns besteht darin, die Genexpression zu kontrollieren und die Replikation der DNA während des Zellzyklus zu vermitteln.

zu bilden .

Zellkompartimentierung

Die Kernhülle ermöglicht es dem Kern, seinen Inhalt zu kontrollieren und ihn bei Bedarf vom Rest des Zytoplasmas zu trennen. Dies ist wichtig, um Prozesse auf beiden Seiten der Kernmembran zu kontrollieren. In den meisten Fällen, in denen ein zytoplasmatischer Prozess eingeschränkt werden muss, wird ein wichtiger Teilnehmer in den Zellkern gebracht, wo er mit Transkriptionsfaktoren interagiert, um die Produktion bestimmter Enzyme im Stoffwechselweg herunterzuregulieren. Dieser Regulationsmechanismus tritt im Fall der Glykolyse auf , einem zellulären Weg zum Abbau von Glukose zur Energiegewinnung. Hexokinase ist ein Enzym, das für den ersten Schritt der Glykolyse verantwortlich ist und aus Glucose Glucose-6-Phosphat bildet . Bei hohen Konzentrationen von Fructose-6-Phosphat , einem Molekül, das später aus Glucose-6-Phosphat hergestellt wird, entfernt ein Regulatorprotein Hexokinase in den Zellkern, wo es einen Transkriptionsrepressorkomplex mit Kernproteinen bildet, um die Expression von Genen zu reduzieren, die an der Glykolyse beteiligt sind.

auf dem NF-κB-Protein ermöglicht den Transport durch die Kernpore und in den Zellkern, wo es die Transkription der Zielgene stimuliert.

Die Kompartimentierung ermöglicht es der Zelle, die Translation von ungespleißter mRNA zu verhindern. Eukaryotische mRNA enthält Introns, die entfernt werden müssen, bevor sie translatiert werden, um funktionelle Proteine ​​zu produzieren. Das Spleißen erfolgt innerhalb des Zellkerns, bevor Ribosomen auf die mRNA für die Translation zugreifen können. Ohne den Kern würden Ribosomen neu transkribierte (unprozessierte) mRNA übersetzen, was zu missgebildeten und nicht funktionsfähigen Proteinen führt.

Reproduzieren

Die Hauptfunktion des Zellkerns besteht darin, die Genexpression zu kontrollieren und die Replikation der DNA während des Zellzyklus zu vermitteln. Es wurde festgestellt, dass die Replikation auf eine lokalisierte Weise im Zellkern stattfindet. In der S-Phase der Interphase des Zellzyklus; Replikation stattfindet. Im Gegensatz zur traditionellen Ansicht, Replikationsgabeln entlang stagnierender DNA zu bewegen, entstand ein Konzept von Replikationsfabriken , was bedeutet, dass sich Replikationsgabeln auf einige immobilisierte "Fabrik"-Regionen konzentrieren, durch die die DNA-Matrizenstränge wie Förderbänder laufen.

Genexpression

Eine generische Transkriptionsfabrik während der Transkription, die die Möglichkeit hervorhebt, mehr als ein Gen gleichzeitig zu transkribieren. Das Diagramm enthält 8 RNA-Polymerasen, die Anzahl kann jedoch je nach Zelltyp variieren. Das Bild enthält auch Transkriptionsfaktoren und einen porösen Proteinkern.

Die Genexpression beinhaltet zunächst die Transkription, bei der DNA als Matrize verwendet wird, um RNA zu produzieren. Bei Genen, die für Proteine ​​kodieren, handelt es sich bei der dabei entstehenden RNA um Messenger-RNA (mRNA), die dann von Ribosomen zu einem Protein translatiert werden muss. Da sich Ribosomen außerhalb des Zellkerns befinden, muss die produzierte mRNA exportiert werden.

in der DNA ändern und ihr helfen, sich aufzuwickeln und abwickeln, sowie eine Vielzahl von Transkriptionsfaktoren, die die Expression regulieren.

Verarbeitung von prä-mRNA

Neu synthetisierte mRNA-Moleküle werden als primäre Transkripte oder Prä-mRNA bezeichnet. Sie müssen im Zellkern posttranskriptional modifiziert werden, bevor sie in das Zytoplasma exportiert werden; mRNA, die ohne diese Modifikationen im Zytoplasma erscheint, wird eher abgebaut als für die Proteintranslation verwendet. Die drei Hauptmodifikationen sind 5'-Capping , 3'- Polyadenylierung und RNA-Spleißen . Im Zellkern ist prä-mRNA mit einer Vielzahl von Proteinen in Komplexen assoziiert, die als heterogene Ribonukleoproteinpartikel (hnRNPs) bekannt sind. Die Zugabe des 5'-Caps erfolgt co-transkriptionell und ist der erste Schritt bei der post-transkriptionellen Modifikation. Der 3' poly- Adenin tail wird erst nach der Transkription hinzugefügt ist abgeschlossen.

RNA-Spleißen, das von einem Komplex namens Spleißosom durchgeführt wird , ist der Prozess, bei dem Introns oder DNA-Regionen, die nicht für Protein kodieren, aus der prä-mRNA entfernt und die verbleibenden Exons verbunden werden, um wieder ein einzelnes kontinuierliches Molekül zu bilden . Dieser Prozess tritt normalerweise nach 5'-Capping und 3'-Polyadenylierung auf, kann jedoch in Transkripten mit vielen Exons beginnen, bevor die Synthese abgeschlossen ist. Viele Prä-mRNAs können auf verschiedene Weise gespleißt werden, um verschiedene reife mRNAs zu produzieren, die für verschiedene Proteinsequenzen kodieren . Dieses Verfahren ist als alternatives Spleißen bekannt und ermöglicht die Produktion einer großen Vielfalt von Proteinen aus einer begrenzten Menge an DNA.

Dynamik und Regulierung

Nuklearer Transport

Macromolecules , wie RNA und Proteine , wird aktiv transportiert über die Kernmembran in einem Prozess namens der Ran - GTP Kerntransportzyklus.
, die entweder an GTP oder GDP (Guanosindiphosphat) gebunden ist, je nachdem, ob sie sich im Kern oder im Zytoplasma befindet. Während Importine auf RanGTP angewiesen sind, um sich von ihrer Fracht zu trennen, benötigen Exportine RanGTP, um sich an ihre Fracht zu binden.

Der Kernimport hängt davon ab, dass das Importin seine Ladung im Zytoplasma bindet und durch die Kernpore in den Zellkern transportiert. Innerhalb des Zellkerns trennt RanGTP die Fracht vom Importin, sodass das Importin den Zellkern verlassen und wiederverwendet werden kann. Der Kernexport ist ähnlich, da das Exportin die Ladung im Kern in einem durch RanGTP erleichterten Prozess bindet, durch die Kernpore austritt und sich im Zytoplasma von seiner Ladung trennt.

Es existieren spezialisierte Exportproteine ​​für die Translokation von reifen mRNA und tRNA in das Zytoplasma, nachdem die posttranskriptionelle Modifikation abgeschlossen ist. Dieser Qualitätskontrollmechanismus ist aufgrund der zentralen Rolle dieser Moleküle bei der Proteintranslation wichtig. Die Fehlexpression eines Proteins aufgrund unvollständiger Exzision von Exons oder Fehleinbau von Aminosäuren könnte negative Folgen für die Zelle haben; daher wird unvollständig modifizierte RNA, die das Zytoplasma erreicht, eher abgebaut als bei der Translation verwendet.

Montage und Demontage

Im Laufe seines Lebens kann ein Zellkern abgebaut oder zerstört werden, entweder im Zuge der Zellteilung oder als Folge der Apoptose (der Prozess des programmierten Zelltods ). Während dieser Ereignisse können die strukturellen Bestandteile des Kerns – die Hülle und die Lamina – systematisch abgebaut werden. In den meisten Zellen markiert die Auflösung der Kernhülle das Ende der Prophase der Mitose. Diese Zerlegung des Zellkerns ist jedoch kein universelles Merkmal der Mitose und tritt nicht in allen Zellen auf. Einige einzellige Eukaryoten (zB Hefen) durchlaufen eine sogenannte geschlossene Mitose , bei der die Kernhülle intakt bleibt. Bei der geschlossenen Mitose wandern die Tochterchromosomen zu entgegengesetzten Polen des Zellkerns, der sich dann in zwei Teile teilt. Die Zellen höherer Eukaryoten durchlaufen jedoch normalerweise eine offene Mitose , die durch den Zusammenbruch der Kernhülle gekennzeichnet ist. Die Tochterchromosomen wandern dann zu den entgegengesetzten Polen der mitotischen Spindel, und um sie herum ordnen sich neue Kerne wieder an.

An einem bestimmten Punkt während des Zellzyklus in der offenen Mitose teilt sich die Zelle, um zwei Zellen zu bilden. Damit dieser Prozess möglich ist, muss jede der neuen Tochterzellen über einen vollständigen Gensatz verfügen, ein Prozess, der die Replikation der Chromosomen sowie die Trennung der einzelnen Sätze erfordert. Dies geschieht, indem sich die replizierten Chromosomen, die Schwesterchromatiden , an Mikrotubuli anheften , die wiederum an verschiedene Zentrosomen angeheftet sind . Die Schwesterchromatiden können dann an getrennte Stellen in der Zelle gezogen werden. In vielen Zellen befindet sich das Zentrosom im Zytoplasma außerhalb des Zellkerns; die Mikrotubuli könnten sich in Gegenwart der Kernhülle nicht an die Chromatiden anlagern. Daher wird in den frühen Stadien des Zellzyklus, beginnend in der Prophase und bis um die Prometaphase herum , die Kernmembran abgebaut. Ebenso wird im gleichen Zeitraum auch die Kernschicht zerlegt, ein Prozess, der durch die Phosphorylierung der Schichten durch Proteinkinasen wie die CDC2-Proteinkinase reguliert wird . Gegen Ende des Zellzyklus wird die Kernmembran neu gebildet, und ungefähr zur gleichen Zeit werden die Kernschichten durch Dephosphorylierung der Schichten wieder zusammengesetzt.

Bei Dinoflagellaten bleibt jedoch die Kernhülle intakt, die Zentrosomen befinden sich im Zytoplasma und die Mikrotubuli kommen in Kontakt mit Chromosomen, deren zentromere Regionen in die Kernhülle eingebaut sind (die sogenannte geschlossene Mitose mit extranuklearer Spindel). Bei vielen anderen Protisten (z. B. Ciliaten , Sporozoen ) und Pilzen sind die Zentrosomen intranukleär, und ihre Kernhülle zerlegt sich auch während der Zellteilung nicht.

Apoptose ist ein kontrollierter Prozess, bei dem die strukturellen Bestandteile der Zelle zerstört werden, was zum Tod der Zelle führt. Veränderungen im Zusammenhang mit der Apoptose wirken sich direkt auf den Kern und seinen Inhalt aus, beispielsweise bei der Kondensation von Chromatin und dem Zerfall der Kernhülle und -lamina. Die Zerstörung der Lamin-Netzwerke wird durch spezialisierte apoptotische Proteasen, sogenannte Caspasen , kontrolliert , die die Lamin-Proteine ​​spalten und so die strukturelle Integrität des Zellkerns abbauen. Die Laminspaltung wird manchmal als Laborindikator der Caspase-Aktivität in Assays für frühe apoptotische Aktivität verwendet. Zellen, die mutierte Caspase-resistente Lamins exprimieren, weisen einen Mangel an nuklearen Veränderungen im Zusammenhang mit Apoptose auf, was darauf hindeutet, dass Lamins eine Rolle bei der Initiierung der Ereignisse spielen, die zum apoptotischen Abbau des Nukleus führen. Die Hemmung der Lamin-Assemblierung selbst ist ein Induktor der Apoptose.

Die Kernhülle fungiert als Barriere, die verhindert, dass sowohl DNA- als auch RNA-Viren in den Zellkern eindringen. Einige Viren benötigen Zugang zu Proteinen innerhalb des Zellkerns, um sich zu replizieren und/oder zusammenzusetzen. DNA-Viren, wie das Herpesvirus, replizieren und assemblieren im Zellkern und treten durch Knospung durch die innere Kernmembran aus. Dieser Vorgang wird von der Demontage der Lamina auf der Kernfläche der inneren Membran begleitet.

Zunächst wurde vermutet, dass Immunglobuline im Allgemeinen und Autoantikörper im Besonderen nicht in den Zellkern gelangen. Inzwischen gibt es Hinweise darauf, dass unter pathologischen Bedingungen (zB Lupus erythematodes ) IgG in den Zellkern gelangen kann.

Kerne pro Zelle

Die meisten eukaryotischen Zelltypen haben normalerweise einen einzigen Kern, aber einige haben keine Kerne, während andere mehrere haben. Dies kann auf eine normale Entwicklung, wie bei der Reifung der roten Blutkörperchen von Säugetieren , oder auf eine fehlerhafte Zellteilung zurückzuführen sein.

Kernlose Zellen

Menschlichen roten Blutkörperchen fehlen, wie denen anderer Säugetiere, Kerne. Dies geschieht als normaler Teil der Entwicklung der Zellen.

Eine kernlose Zelle enthält keinen Kern und kann sich daher nicht teilen, um Tochterzellen zu produzieren. Die bekannteste kernlose Zelle ist das rote Blutkörperchen oder Erythrozyten von Säugetieren , dem auch andere Organellen wie Mitochondrien fehlen und das hauptsächlich als Transportgefäß dient, um Sauerstoff von der Lunge in das Körpergewebe zu transportieren. Erythrozyten reifen durch Erythropoese im Knochenmark , wo sie ihre Kerne, Organellen und Ribosomen verlieren. Der Kern wird während des Differenzierungsprozesses von einem Erythroblasten zu einem Retikulozyten ausgestoßen , der die unmittelbare Vorstufe des reifen Erythrozyten ist. Das Vorhandensein von Mutagenen kann die Freisetzung einiger unreifer "mikronukleärer" Erythrozyten in den Blutkreislauf induzieren. Kernlose Zellen können auch aus einer fehlerhaften Zellteilung entstehen, bei der einer Tochter ein Kern fehlt und die andere zwei Kerne hat.

Bei Blütenpflanzen tritt dieser Zustand in Siebrohrelementen auf .

Mehrkernige Zellen

Mehrkernige Zellen enthalten mehrere Kerne. Die meisten acantharean Arten von Protozoen und einige Pilze in Mykorrhiza haben natürlich mehrkernige Zellen. Andere Beispiele sind die Darmparasiten der Gattung Giardia , die zwei Kerne pro Zelle haben. Ciliaten haben zwei Arten von Kernen in einer einzelnen Zelle, einen somatischen Makronukleus und einen Keimbahn- Mikronukleus . Beim Menschen werden Skelettmuskelzellen , auch Myozyten und Synzytium genannt , während der Entwicklung mehrkernig; die resultierende Anordnung der Kerne nahe der Peripherie der Zellen ermöglicht maximalen intrazellulären Raum für Myofibrillen . Andere mehrkernige Zellen beim Menschen sind Osteoklasten, eine Art Knochenzelle . Mehrkernige und zweikernige Zellen können auch beim Menschen abnormal sein; zum Beispiel begleiten Zellen, die aus der Fusion von Monozyten und Makrophagen entstehen , die als mehrkernige Riesenzellen bekannt sind , manchmal eine Entzündung und sind auch an der Tumorbildung beteiligt.

Von einer Reihe von Dinoflagellaten ist bekannt, dass sie zwei Kerne haben. Im Gegensatz zu anderen mehrkernigen Zellen enthalten diese Zellkerne zwei verschiedene DNA-Linien: eine von der Dinoflagellate und die andere von einer symbiotischen Kieselalge .

Evolution

Als wichtigstes definierendes Merkmal der eukaryotischen Zelle war der evolutionäre Ursprung des Kerns Gegenstand vieler Spekulationen. Vier Haupthypothesen wurden vorgeschlagen, um die Existenz des Kerns zu erklären, obwohl noch keine weit verbreitete Unterstützung gefunden hat.

Das erste als "syntrophisches Modell" bekannte Modell schlägt vor, dass eine symbiotische Beziehung zwischen den Archaeen und Bakterien die kernhaltige eukaryotische Zelle geschaffen hat. (Organismen der Archaeen- und Bakteriendomäne haben keinen Zellkern.) Es wird vermutet, dass die Symbiose entstand, als alte Archaeen, ähnlich den modernen methanogenen Archaeen, eindrangen und in Bakterien lebten, die den modernen Myxobakterien ähneln und schließlich den frühen Kern bildeten. Diese Theorie ist analog zu der akzeptierten Theorie für den Ursprung eukaryotischer Mitochondrien und Chloroplasten , von denen angenommen wird, dass sie sich aus einer ähnlichen endosymbiotischen Beziehung zwischen Proto-Eukaryoten und aeroben Bakterien entwickelt haben. Der archaeale Ursprung des Kerns wird durch Beobachtungen gestützt, dass Archaeen und Eukarya ähnliche Gene für bestimmte Proteine, einschließlich Histone, haben . Beobachtungen, dass Myxobakterien beweglich sind, multizelluläre Komplexe bilden können und eukaryonähnliche Kinasen und G-Proteine besitzen, unterstützen einen bakteriellen Ursprung der eukaryotischen Zelle.

Ein zweites Modell schlägt vor, dass sich proto-eukaryotische Zellen aus Bakterien ohne ein endosymbiotisches Stadium entwickelt haben. Dieses Modell basiert auf der Existenz moderner Planctomyceten- Bakterien, die eine Kernstruktur mit primitiven Poren und anderen kompartimentierten Membranstrukturen besitzen. Ein ähnlicher Vorschlag besagt, dass sich zuerst eine eukaryontische Zelle, der Chronozyt , entwickelt und Archaeen und Bakterien phagozytiert , um den Zellkern und die eukaryontische Zelle zu erzeugen.

mit der Hypothese der viralen Eukaryontenbildung in Verbindung stehen könnte.

Ein neuerer Vorschlag, die Exomembran-Hypothese , legt nahe, dass der Zellkern stattdessen aus einer einzelnen Vorfahrenzelle stammt, die eine zweite äußere Zellmembran entwickelt hat; die die ursprüngliche Zelle umschließende innere Membran wurde dann zur Kernmembran und entwickelte zunehmend kompliziertere Porenstrukturen für den Durchgang von intern synthetisierten zellulären Komponenten wie ribosomalen Untereinheiten.

Geschichte

Älteste bekannte Darstellung von Zellen und ihren Kernen von Antonie van Leeuwenhoek , 1719
Zeichnung einer Chironomus- Speicheldrüsenzelle , die 1882 von Walther Flemming veröffentlicht wurde. Der Kern enthält polytäne Chromosomen .

Der Kern war die erste entdeckte Organelle. Die wahrscheinlich älteste erhaltene Zeichnung geht auf die frühe Mikroskopikerin Antonie van Leeuwenhoek (1632–1723) zurück. Er beobachtete ein "Lumen", den Zellkern, in den roten Blutkörperchen von Lachsen . Im Gegensatz zu roten Blutkörperchen von Säugetieren enthalten die von anderen Wirbeltieren noch Kerne.

Der Kern wurde auch 1804 von Franz Bauer und 1831 von dem schottischen Botaniker Robert Brown in einem Vortrag vor der Linnean Society of London ausführlicher beschrieben . Brown untersuchte Orchideen unter dem Mikroskop, als er einen undurchsichtigen Bereich in den Zellen der äußeren Schicht der Blüte beobachtete, den er "Areola" oder "Kern" nannte. Er schlug keine mögliche Funktion vor.

"). Die Funktion des Kerns blieb unklar.

Zwischen 1877 und 1878 veröffentlichte Oscar Hertwig mehrere Studien zur Befruchtung von Seeigel- Eiern, die zeigten, dass der Kern der Spermien in die Eizelle eindringt und mit ihrem Kern verschmilzt. Dies war das erste Mal, dass vorgeschlagen wurde, dass sich ein Individuum aus einer (einzelnen) kernhaltigen Zelle entwickelt. Dies stand im Widerspruch zu Ernst Haeckels Theorie, dass sich die komplette Phylogenie einer Art während der Embryonalentwicklung wiederholen würde, einschließlich der Erzeugung der ersten kernhaltigen Zelle aus einer „Monerula“, einer strukturlosen Masse von Ur-Protoplasma („ Urschleim “). Daher wurde schon länger die Notwendigkeit des Spermienkerns zur Befruchtung diskutiert. Hertwig bestätigte seine Beobachtung jedoch auch bei anderen Tiergruppen, darunter Amphibien und Weichtiere . Eduard Strasburger lieferte 1884 die gleichen Ergebnisse für Pflanzen. Dies ebnete den Weg, dem Kern eine wichtige Rolle bei der Vererbung zuzuweisen. Im Jahr 1873, August Weismann postuliert die Gleichwertigkeit der mütterlichen und väterlichen Keimzellen für die Vererbung. Die Funktion des Zellkerns als Träger der Erbinformation wurde erst später klar, als die Mitose entdeckt und die Mendelschen Regeln Anfang des 20. Jahrhunderts wiederentdeckt wurden; Daher wurde die Chromosomentheorie der Vererbung entwickelt.

Siehe auch

Verweise

Weiterlesen

Ein Übersichtsartikel über Kernlamine, der ihre Struktur und verschiedene Rollen erklärt
Ein Übersichtsartikel über den nuklearen Transport erklärt die Prinzipien des Mechanismus und die verschiedenen Transportwege
Ein Übersichtsartikel über den Kern, der die Struktur der Chromosomen innerhalb der Organelle erklärt und den Nukleolus und andere subnukleäre Körper beschreibt
Ein Übersichtsartikel über die Entwicklung des Kerns, der verschiedene Theorien erklärt
Ein Lehrbuch auf Universitätsniveau mit dem Schwerpunkt Zellbiologie. Enthält Informationen zur Kernstruktur und -funktion, einschließlich Kerntransport und subnuklearen Domänen