Compartimentação do Núcleo

1. Compartimentação do Núcleo Alves, Margarida; Duarte, Ana; Ferreira, Carina; Figueiredo, Catarina; Pereira, Mafalda Serviço de Biologia Celular e Molecular da Faculdade de Medicina da Universidade do Porto Introdução O núcleo celular é um organelo presente nas células eucarióticas que funciona como centro de controlo celular. Contém a informação genética sendo o local onde ocorre a duplicação do DNA e a sua transcrição. Apresenta invólucro nuclear, nucleoplasma, e nucléolo. É geralmente único e aproximadamente esférico. O invólucro nuclear é composto por duas membranas lipoproteicas, que se fundem nos complexos de poro nuclear os quais controlam o tráfego nuclear, núcleo – citosol. A informação genética encontra-se nas moléculas de DNA, sendo este organizado com a ajuda de proteínas básicas – histonas, formando a cromatina. A cromatina pode ser classificada em heterocromatina e eucromatina. Os nucléolos são específicos e compostos por cromatina, grande quantidade de RNA ribossómico e proteínas – a sua função está relacionada com a formação de ribossomas. O nucleoplasma é o componente mais fluido do núcleo, sendo responsável pela difusão molecular no interior do organelo. Nucléolo O nucléolo é a subestrutura mais evidente dentro do núcleo celular. Nele ocorre a transcrição dos RNAs ribossómicos (rRNAs) e o seu processamento, ocorrendo a síntese de ribossomas, necessários em quantidades variáveis, para síntese proteica. Para satisfazer as necessidades de transcrição de grande número de moléculas de rRNA, todas as células contêm inúmeras cópias dos seus genes. (no ser humano 250 cópias) O tamanho do nucléolo é directamente proporcional à taxa de síntese de ribossomas e de proteínas da célula. • Morfologicamente os nucléolos possuem 3 regiões distintas: • componente fibrilardenso onde ocorre a transcriçaõ pela RNA polimerase I e se inicia o processamento do pré-rRNA; • centro fibrilar que contem cópias dos genes do rRNA não transcritos activamente; • componente granularonde o processamento do pré-rRNA continua e se dá a união das proteínas ribossomais ao pré-rRNA. http://www.biochemj.org/bj/356/0297/bj3560297f02.jpg Matriz nuclear A matriz nuclear é definida como estrutura residual do núcleo, que se obtém após o processo de extracção e, é responsável pela forma e tamanho do núcleo. Subjacente à membrana nuclear interna, está a lâmina nuclear, uma rede fibrosa, que fornece suporte estrutural para o núcleo e também faz parte da matriz nuclear. A lâmina nuclear é composta por cerca de cinco proteínas, estruturalmente relacionadas da família dos filamentos intermediários, designadas por lâminas A, B, C, D e E. Uma das propostas para a estrutura do nucleosqueleto, considera que este é constituído não por filamentos, mas por canais utilizados para o transporte de RNA, em cuja superfície externa ( as lâminas) se ancoraria ao DNA. (1) Os ribossomas eucarióticos (80S), contêm 4 tipos de rRNA: 5S; 5.8S e 28S que fazem parte da subunidade grande (60S) e o rRNA 18S que constitui a subunidade pequena (40S). Molecular Biology of the cell, 4th ed., Alberts; 2002; Figure 6.63 http://spectorlab.cshl.edu/images/NucleusModel.jpg Cromatina As moléculas de DNA encontram-se no núcleo, sendo organizado com a ajuda de proteínas designadas histonas, formando a cromatina. Existem dois tipos de cromatina: ·Heterocromatina – encontra-se preferencialmente à periferia do núcleo e, é constituída por sequências de DNA que não codificam proteínas (genes transcricionalmente inactivos), permanece altamente condensada, sendo esta porção bem visível em microscopia. ·Eucromatina – distribui-se por todo o núcleo de forma descondensada, sendo constituída por genes que codificam proteínas, ou seja, genes transcricionalmente activos. O nucléolo não é circundado por membrana, organiza-se em torno dos cromossomas que contêm os genes para os rRNAs 5.8S; 18S e 28S. Forma-se e desagrega-se variando em número e em tamanho ao longo do ciclo celular. O invólucro nuclear A sua estrutura: O invólucro nuclear é uma estrutura complexa onde se identificam:    -  duas membranas concêntricas: a membrana nuclear externa e a membrana nuclear interna;       - a lâmina nuclear fibrosa; - complexos de poros nucleares. http://www.nanomedicine.com/NMI/Figures/8.48.jpg (2) THE CELL – A Molecular Approach, 2nd ed.; Cooper, 2000; Figure 8.1 c Durante a interfase, embora a cromatina pareça uniformemente distribuída, ela organiza-se em domínios funcionais distintos, que têm um papel muito importante na regulação da expressão genética. Esses domínios perecem ser em forma de ansa, contendo aproximadamente 50 a 100 Kb do DNA, e funcionam independentemente. A separação dos domínios cromossomais é feita por domínios intercromossomais; estes evitam que haja contacto entre cromatina de domínios diferenciais e interfiram na actividade uns dos outros. A cromatina torna-se muito condensada, durante a mitose, para formar os cromossomas, que vão ser distribuídos pelas células-filhas. THE CELL – A Molecular Approach, 2nd ed.; Cooper, 2000; Figure 8.22 THE CELL – A Molecular Approach, 2nd ed.; Cooper, 2000; Figure 8.18 b Os RNAs ribossomais 5.8S; 18S e 28S, são transcritos dentro do nucléolo pela RNA polimerase I a partir de uma única unidade de transcrição, produzindo um RNA precursor 45S. A transcrição do rRNA 5S ocorre fora do nucléolo e é catalisada pela RNA polimerase III. Os genes para este rRNA estão presentes no cromossoma 1. O gene dos rRNAs 5.8S; 18S e 28S estão organizados em série nos cromossomas 13, 14, 15, 21 e 22, sendo separados uns dos outros por uma sequência de DNA espaçador não transcrito. O transcrito primário – o rRNA45S – além dos RNAs ribossomais 5.8S; 18S e 28S, contém as regiões espaçadoras transcritas localizadas entre eles e nas extremidades do gene. (3) No processamento do pré-rRNA intervêm proteínas ribossomais e snoRNAs – pequenos RNAs nucleolares. Inicialmente ocorre a clivagem dentro do espaçador transcrito externo (ETS) próximo da extremidade 5’ do pré-rRNA 45S. Esta clivagem é feita pelo snoRNA U3, o snoRNA mais abundante do nucléolo. Segue-se a remoção do ETS da extremidae 3’. Depois, ocorre a clivagem na extremidade 5’ da região 5.8S que separa 2precursores, 1 para o rRNA 18S e outro para o rRNA 5.8S + 28S. O snoRNA U8 é responsável pela clivagem do pré-rRNA que forma os rRNAs 5.8S e 28S; o snoRNA é responsável pela clivagem do pré-rRNA que forma o rRNA 18S. THE CELL – A Molecular Approach, 2nd ed.; Cooper, 2000; Figure 8.26 O espaço entre a membrana nuclear externa e interna designa-se por cisterna perinuclear, o qual está em continuidade com as cisternas do retículo endoplasmático. Deste modo, a membrana nuclear externa apresenta na sua face citoplasmática ribossomas sendo funcionalmente similar às membranas do retículo endoplasmático. As membranas nucleares funcionam como barreira de separação dos componentes nucleares do citoplasmáticos. Subjacente à membrana nuclear interna encontra-se a lâmina nuclear fibrosa, rede fibrosa que fornece suporte estrutural ao núcleo e actua como local de ligação de cromatina. Esta lâmina é constituída por diferentes proteínas, sendo as lâminas A, B e C que se encontram em maior quantidade. A lâmina B é responsável pela ligação da lâmina nuclear fibrosa às membranas do invólucro nuclear, enquanto que as lâminas A e C são DNA-binding proteins sendo responsáveis pela estabilização da cromatina periférica no núcleo. • Outros domínios funcionais do núcleo • Domínios OPT (Oct1/ PTF/ Transcrição) • Os domínios OPT são sobretudo locais onde se concentram factores de transcrição necessários à acção das RNA polimerases. • Corpos Espiralados, Coiled bodies ou Corpos de Cajal • São pequenos bastonetes curvos de natureza ribonucleoproteica e contêm a proteína fibrilharina. São locais de reserva de componentes do splicing do RNA. Podem organizar e regular a expressão dos genes dos SnRNAs U1 e U2, acumulando os SnRNAs U1 e U2. Intervêm no processamento do RNAm e no amadurecimento do RNAr. • GEMS (Gemini of Coiled bodies) • Encontram-se associados aos corpos espiralados. Possuem SMN- uma proteína importante como factor de transcrição. Esta associa-se à proteína SIP-1 formando complexos com a proteína Sm que intervêm na formação, activação e regeneração do spliceossoma. Também contêm componentes do splicing. Os GEMS e os corpos espiralados estão juntos por uma proteína de ligação que pode ser a fibrilharina do corpo espiralado que tem capacidade de se ligar à SMN. • Corpos de Clivagem • Associam-se aos corpos espiralados em algumas fases do ciclo celular. São enriquecidos em factores de clivagem da extremidade 3’ dos RNAs. • Grânulos intercromatínicos • Surgem à periferia das regiões de cromatina condensada em associações de 30 a 50 grânulos ligados por fibrilas pericromatínicas; têm marcação autorradiográfica muito intensa. • Focos de transcrição • São locais de associação de enzimas (RNA polimerase II) em actividade e dos seus transcritos; localizam-se na área extra-nucleolar. • Focos de replicação • Estão distribuídos uniformemente pelo núcleo agrupando componentes da replicação do DNA (Factores de replicação, DNA polimerase α, DNA primase, Topoisomerase II, RNA polimerase II). Em determinados pontos, as membranas nucleares interna e externa fundem-se formando canais de natureza proteica que atravessam o invólucro nuclear que se designam por complexos de poros nucleares. Estes são os únicos canais por onde pequenas moléculas polares, iões e macromoléculas são capazes de se deslocar entre o núcleo e o citoplasma. Assim, o complexo de poro nuclear é responsável pelo trânsito selectivo de proteínas e RNAs entre núcleo e citoplasma. As pequenas moléculas são capazes de passar através de canais abertos no complexo de poros nucleares por difusão passiva, já as macromoléculas são transportadas por um mecanismo selectivo dependente de energia que actua para importar ou exportar proteínas e RNAs.     As proteínas ribossomais são sintetizadas no citoplasma sendo os seus genes transcritos pela RNA polimerase II. Estas proteínas são transportadas do citoplasma para o núcleolo onde são unidas com os pré-rRNAs para formar partículas pré-ribossomais. A associação da maioria das proteínas começa enquanto o pré.rRNA ainda está a ser sintetizado mas algumas, assim como o rRNA 5S, são incorporadas já durante a clivagem do mesmo. As partículas pré-ribossomais depois amadurecem, sendo transportadas para o citoplasma como subunidade grande (rRNAs 5S, 5.8S e 28S) e pequena do ribossoma ( rRNA 18S), sendo que a segunda amadurece mais rapidamente. A sua exportação a partir do núcleo, parece ser devida a sinais de exportação presentes nas proteínas ribossomais. THE CELL – A Molecular Approach, 2nd ed.; Cooper, 2000; Figure 85 O complexo de poro nuclear é constituído por oito complexos proteicos de sustentação ligados a anéis nas faces citoplasmática e nuclear do invólucro nuclear. O conjunto rodeia um canal central onde se situa o transportador central, através do qual ocorre o transporte molecular. O anel citoplasmático possui prolongamentos filamentosos os quais desempenham uma função no reconhecimento das moléculas a transportar. Também o anel nuclear estende filamentos que formam uma estrutura com forma de cesto nuclear. THE CELL – A Molecular Approach, 2nd ed.; Cooper, 2000; Figure 8.28 • Bibliografia: • Tese de doutoramento de Prof.a Dra. Delminda Neves apresentada à Universidade do Porto em 2001; • "The Cell. A Molecular approach."- 3rd ed. G.M. Cooper, AMS Press, U.S.A. 2004”;- "Molecular Biology of the Cell." – 4th ed., Alberts, Bray, Lewis, Raff, Roberts and Watson, Garland Publishing, Inc. New York, 2002. • (1)Razin e Gromova (1995) The channels model of nuclear matrix structure. Bio Essays 17, 443 - 450 (2)http://images.google.com/imgres?imgurl=http://cellbio.utmb.edu/cellbio/nucleus2.jpg&imgrefurl=http://cellbio.utmb.edu/cellbio/nucleus.htm&h=604&w=437&sz=62&tbnid=AwVlMdOIvrMJ:&tbnh=133&tbnw=96&hl=en&start=7&prev=/images%3Fq%3DNucleus%26hl%3Den%26lr%3D Agradecimentos: - Profª Dra. Delminda Neves pelo apoio prestado na elaboração deste trabalho. (3)http://images.google.com/imgres?imgurl=http://www.cbs.dtu.dk/staff/dave/roanoke/fg16_05a.jpg&imgrefurl=http://www.cbs.dtu.dk/staff/dave/roanoke/genetics980218.html&h=480&w=560&sz=36&tbnid=1_B6l61iIcgJ:&tbnh=112&tbnw=131&hl=en&start=12&prev=/images%3Fq%3DDNA%2Bcompaction%26hl%3Den%26lr%3D%26sa%3DG THE CELL – A Molecular Approach, 2nd ed.; Cooper, 2000; Figure 8.7