Nucleolus

Der Nukleolus ist die größte Struktur im Zellkern eukaryotischer Zellen. Seine Hauptaufgabe ist die Produktion von Ribosomen, aber er hilft auch beim Zusammenbau von Signalerkennungspartikeln und ist daran beteiligt, wie eine Zelle auf Stress reagiert. Er besteht aus Proteinen, DNA und RNA und bildet sich um bestimmte Chromosomenregionen, die als nukleoläre Organisatorregionen bezeichnet werden. Wenn der Nukleolus nicht richtig funktioniert, kann dies zu mehreren menschlichen Erkrankungen führen, die als Nukleolopathien bezeichnet werden, und Forscher untersuchen ihn als Ziel für die Krebstherapie.

Der Nukleolus wurde erstmals in den 1830er Jahren mit einem Hellfeldmikroskop gesehen. 1839 schrieb Theodor Schwann, dass Matthias Schleiden kleine Körperchen in Zellkernen bemerkt hatte, die er „Kernkörperchen“ nannte. Eine englische Übersetzung von 1947 bezeichnete diese Struktur als „nucleolus“. Viele Jahre lang war seine Funktion unbekannt. Das änderte sich 1964, als John Gurdon und Donald Brown Nukleolen in Eiern des Krallenfroschs untersuchten. Sie fanden heraus, dass Eier ohne Nukleolus nicht überleben konnten, während diejenigen mit einem oder zwei überlebten. Dies zeigte, dass der Nukleolus für das Leben essentiell ist. 1966 bewies Max L. Birnstiel mit seinem Team mittels Nukleinsäurehybridisierung, dass die DNA im Nukleolus für ribosomale RNA kodiert.

Unter einem Elektronenmikroskop zeigt der Nukleolus drei Hauptteile: das fibrilläre Zentrum (FC), die dichte fibrilläre Komponente (DFC) und die granuläre Komponente (GC). Ribosomale DNA wird im FC transkribiert. Die DFC enthält das Protein Fibrillarin, das bei der Verarbeitung der rRNA hilft. Die GC enthält Nukleophosmin, ein weiteres Protein, das am Ribosomenaufbau beteiligt ist.

Diese dreiteilige Struktur ist typisch für höhere Eukaryoten und könnte sich aus einer einfacheren zweiteiligen Anordnung entwickelt haben, als Anamnia den Amnioten wich. Einige Nukleolen, insbesondere in Pflanzen, haben auch einen klaren zentralen Bereich, der als nukleoläre Vakuole bezeichnet wird. Pflanzliche Nukleolen enthalten oft hohe Eisenkonzentrationen, anders als die in menschlichen und tierischen Zellen. Forscher können die Nukleolusstruktur und -dynamik mittels Fluoreszenzprotein-Markierung und FRAP untersuchen oder den Nukleolus mit Antikörpern gegen das PAF49-Protein markieren.

Obwohl eine typische menschliche Zelle zehn Nukleolus-Organisatorregionen hat, sind normalerweise nur ein oder zwei Nukleolen gleichzeitig sichtbar, und mehrere NORs kombinieren sich oft, um jeden Nukleolus zu bilden.

Der Ribosomenaufbau im Nukleolus erfordert zwei der drei eukaryotischen RNA-Polymerasen: Pol I und Pol III. Zuerst transkribiert die RNA-Polymerase I rRNA-Gene als eine Einheit. Diese Transkription hängt von mehreren Faktoren ab, wie UAF, TBP und CBF in Hefe oder SL1, UBF und anderen Initiationsfaktoren beim Menschen. Pol I produziert die meisten rRNA-Transkripte (28S, 18S und 5.8S), während Pol III die 5S-rRNA separat transkribiert.

Das anfängliche Transkript ist eine lange 45S-Prä-rRNA, die interne und externe transkribierte Spacer enthält. Diese Spacer werden durch Prozessierung entfernt, die von kleinen nukleolären RNAs (snoRNAs) gesteuert wird, die an spezifische Sequenzen binden und als Teil kleiner nukleolärer Ribonukleoproteine (snoRNPs) wirken. Nach der Prozessierung sind die rRNA-Untereinheiten bereit, zu größeren ribosomalen Untereinheiten zusammengebaut zu werden.

In Hefe befindet sich die 5S-rDNA im intergenischen Spacer und wird von Pol III innerhalb des Nukleolus transkribiert. In höheren Eukaryoten und Pflanzen liegt die 5S-DNA außerhalb der Nukleolus-Organisatorregion und wird von Pol III im Nukleoplasma transkribiert, bevor sie sich den anderen ribosomalen Komponenten anschließt.