ลักษณะของนิวคลีโอลัสโครงสร้างสัณฐานวิทยาและหน้าที่ - ชีววิทยา

นิวคลีโอลัสเป็นโครงสร้างของเซลล์ที่ไม่ถูกคั่นด้วยเมมเบรนซึ่งเป็นพื้นที่ที่โดดเด่นที่สุดแห่งหนึ่งของนิวเคลียส สังเกตได้ว่าเป็นบริเวณที่หนาแน่นขึ้นในนิวเคลียสและแบ่งออกเป็นสามส่วน ได้แก่ ส่วนประกอบของเส้นใยหนาแน่นศูนย์ไฟบริลาร์และส่วนประกอบที่เป็นเม็ด

มีหน้าที่หลักในการสังเคราะห์และประกอบไรโบโซม อย่างไรก็ตามโครงสร้างนี้ยังมีฟังก์ชั่นอื่น ๆ พบโปรตีนมากกว่า 700 ชนิดภายในนิวคลีโอลัสที่ไม่เกี่ยวข้องกับกระบวนการทางชีวภาพของไรโบโซม ในทำนองเดียวกันนิวคลีโอลัสมีส่วนร่วมในการพัฒนาพยาธิสภาพที่แตกต่างกัน

นักวิจัยคนแรกที่สังเกตเขตนิวคลีโอลัสคือเอฟฟอนทานาในปี 1781 เมื่อกว่าสองศตวรรษที่แล้ว จากนั้นในช่วงกลางทศวรรษที่ 1930 McClintock สามารถสังเกตเห็นโครงสร้างดังกล่าวในการทดลองของเขากับ Zea mays ตั้งแต่นั้นมาการสืบสวนหลายร้อยครั้งได้มุ่งเน้นไปที่การทำความเข้าใจหน้าที่และพลวัตของบริเวณนิวเคลียสนี้

ลักษณะทั่วไป

นิวคลีโอลัสเป็นโครงสร้างที่โดดเด่นซึ่งอยู่ภายในนิวเคลียสของเซลล์ยูคาริโอต มันเป็น "พื้นที่" ในรูปทรงกลมเนื่องจากไม่มีไบโอเมมเบรนชนิดใดที่แยกมันออกจากส่วนอื่น ๆ ของส่วนประกอบนิวเคลียร์

สามารถมองเห็นได้ภายใต้กล้องจุลทรรศน์เป็นพื้นที่ย่อยของนิวเคลียสเมื่อเซลล์อยู่ที่ส่วนต่อประสาน

มีการจัดระเบียบในภูมิภาคที่เรียกว่า NORs (สำหรับคำย่อในภาษาอังกฤษ: chromosomal nucleolar organisation region) ซึ่งจะพบลำดับที่เข้ารหัสไรโบโซม

ยีนเหล่านี้อยู่ในบริเวณเฉพาะของโครโมโซม ในมนุษย์พวกมันถูกจัดเรียงควบคู่กันในบริเวณบริวารของโครโมโซม 13, 14, 15, 21 และ 22

ในนิวคลีโอลัสการถอดความการประมวลผลและการประกอบของหน่วยย่อยที่ประกอบเป็นไรโบโซมเกิดขึ้น

นอกเหนือจากการทำงานแบบดั้งเดิมแล้วนิวคลีโอลัสยังเกี่ยวข้องกับโปรตีนในการยับยั้งเนื้องอกตัวควบคุมวัฏจักรของเซลล์และแม้แต่โปรตีนจากไวรัส

โปรตีนนิวคลีโอลัสเป็นแบบไดนามิกและลำดับของมันดูเหมือนจะได้รับการอนุรักษ์ตลอดวิวัฒนาการ จากโปรตีนเหล่านี้มีเพียง 30% เท่านั้นที่เกี่ยวข้องกับการสร้างไรโบโซมทางชีวภาพ

โครงสร้างและสัณฐานวิทยา

นิวคลีโอลัสแบ่งออกเป็นสามองค์ประกอบหลักซึ่งแยกแยะได้ด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน: ส่วนประกอบของไฟบริลลาร์หนาแน่นศูนย์ไฟบริลลาร์และส่วนประกอบที่เป็นเม็ด

โดยทั่วไปจะล้อมรอบด้วยโครมาตินควบแน่นเรียกว่าเฮเทอโรโครมาติน ในนิวคลีโอลัสกระบวนการถอดความของไรโบโซมอาร์เอ็นเอการประมวลผลและการประกอบสารตั้งต้นของไรโบโซมเกิดขึ้น

นิวคลีโอลัสเป็นพื้นที่พลวัตซึ่งโปรตีนที่ส่วนประกอบสามารถเชื่อมโยงและแยกออกจากส่วนประกอบของนิวคลีโอลาร์ได้อย่างรวดเร็วทำให้เกิดการแลกเปลี่ยนอย่างต่อเนื่องกับนิวคลีโอพลาสซึม (สารเจลาตินัสภายในนิวเคลียส)

ในสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมโครงสร้างของนิวคลีโอลัสจะแตกต่างกันไปตามขั้นตอนของวัฏจักรของเซลล์ ในการทำนายจะสังเกตเห็นความระส่ำระสายของนิวคลีโอลัสและจะรวมตัวอีกครั้งเมื่อสิ้นสุดกระบวนการไมโทซิส มีการสังเกตกิจกรรมการถอดเสียงสูงสุดในนิวคลีโอลัสในระยะ S และ G2

กิจกรรมของ RNA polymerase I สามารถได้รับผลกระทบจากสถานะต่างๆของฟอสโฟรีเลชันดังนั้นจึงปรับเปลี่ยนกิจกรรมของนิวคลีโอลัสในระหว่างวัฏจักรเซลล์ การปิดเสียงระหว่างไมโทซิสเกิดขึ้นเนื่องจากฟอสโฟรีเลชันขององค์ประกอบต่างๆเช่น SL1 และ TTF-1

อย่างไรก็ตามรูปแบบนี้ไม่พบบ่อยในสิ่งมีชีวิตทุกชนิด ตัวอย่างเช่นในยีสต์นิวคลีโอลัสมีอยู่และมีฤทธิ์อยู่ในระหว่างกระบวนการแบ่งเซลล์ทั้งหมด

ศูนย์ Fibrillary

ยีนที่เป็นรหัสของไรโบโซมอาร์เอ็นเออยู่ในศูนย์ไฟบริลลาร์ ศูนย์กลางเหล่านี้เป็นบริเวณที่ชัดเจนล้อมรอบด้วยส่วนประกอบของไฟบริลลาร์ที่หนาแน่น ศูนย์ไฟบริลลาร์มีขนาดและจำนวนแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับชนิดของเซลล์

มีการอธิบายรูปแบบบางอย่างเกี่ยวกับลักษณะของศูนย์ไฟบริลลาร์ เซลล์ที่มีการสังเคราะห์ไรโบโซมสูงมีจำนวนศูนย์ไฟบริลลาร์ต่ำในขณะที่เซลล์ที่มีการเผาผลาญลดลง (เช่นลิมโฟไซต์) จะมีศูนย์ไฟบริลลาร์ที่ใหญ่กว่า

มีบางกรณีเช่นในเซลล์ประสาทที่มีการเผาผลาญที่ทำงานอยู่มากซึ่งนิวคลีโอลัสมีศูนย์ไฟบริลลาร์ขนาดยักษ์พร้อมด้วยศูนย์เล็ก ๆ

ส่วนประกอบเส้นใยหนาแน่นและส่วนประกอบที่เป็นเม็ด

ส่วนประกอบของไฟบริลาร์ที่หนาแน่นและศูนย์ไฟบริลลาร์ถูกฝังอยู่ในส่วนประกอบที่เป็นเม็ดซึ่งแกรนูลมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 15 ถึง 20 นาโนเมตร กระบวนการถอดความ (ทางผ่านของโมเลกุลดีเอ็นเอไปยัง RNA ซึ่งถือเป็นขั้นตอนแรกของการแสดงออกของยีน) เกิดขึ้นที่ขีด จำกัด ของศูนย์ไฟบริลลาร์และในส่วนประกอบของไฟบริลลาร์ที่หนาแน่น

การประมวลผลก่อน RNA ของไรโบโซมเกิดขึ้นในส่วนประกอบของไฟบริลลาร์ที่หนาแน่นและกระบวนการขยายไปยังส่วนประกอบที่เป็นเม็ด การถอดเสียงสะสมอยู่ในส่วนประกอบของไฟบริลาร์ที่หนาแน่นและโปรตีนนิวคลีโอลาร์ก็อยู่ในส่วนประกอบของไฟบริลาร์ที่หนาแน่น มันอยู่ในภูมิภาคนี้ที่เกิดการรวมตัวของไรโบโซม

หลังจากกระบวนการประกอบของไรโบโซมอาร์เอ็นเอกับโปรตีนที่จำเป็นเสร็จสิ้นผลิตภัณฑ์เหล่านี้จะถูกส่งออกไปยังไซโทพลาสซึม

ส่วนประกอบแบบละเอียดนั้นอุดมไปด้วยปัจจัยการถอดเสียง (SUMO-1 และ Ubc9 เป็นตัวอย่างบางส่วน) โดยปกตินิวคลีโอลัสจะถูกล้อมรอบด้วยเฮเทอโรโครมาติน ดีเอ็นเอที่ถูกบดอัดนี้คิดว่ามีบทบาทในการถอดความ RNA ของไรโบโซม

ในสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม DNA ของไรโบโซมในเซลล์จะถูกบีบอัดหรือทำให้เงียบ องค์กรนี้ดูเหมือนจะมีความสำคัญต่อการควบคุมดีเอ็นเอของไรโบโซมและเพื่อการปกป้องเสถียรภาพของจีโนม

พื้นที่จัดระเบียบนิวเคลียร์

ในภูมิภาคนี้ (NOR) ยีน (ribosomal DNA) ที่จัดกลุ่มรหัสสำหรับไรโบโซมอลอาร์เอ็นเอ

โครโมโซมที่ประกอบขึ้นเป็นภูมิภาคเหล่านี้แตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับชนิดพันธุ์ที่อยู่ระหว่างการศึกษา ในมนุษย์พบได้ในบริเวณบริวารของโครโมโซมอะโครเซนตริก (เซนโตรเมียร์อยู่ใกล้ปลายด้านใดด้านหนึ่ง) โดยเฉพาะในคู่ 13, 14, 15, 21 และ 22

หน่วย DNA ของไรโบโซมประกอบด้วยลำดับที่ถอดเสียงและตัวเว้นวรรคภายนอกที่จำเป็นสำหรับการถอดความโดย RNA polymerase I

ในโปรโมเตอร์สำหรับ DNA ของไรโบโซมสามารถแยกแยะองค์ประกอบได้สององค์ประกอบ: องค์ประกอบกลางและองค์ประกอบที่อยู่ต้นน้ำ (ต้นน้ำ)

คุณสมบัติ

Ribosomal RNA เครื่องจักรขึ้นรูป

นิวคลีโอลัสถือได้ว่าเป็นโรงงานที่มีส่วนประกอบทั้งหมดที่จำเป็นสำหรับการสังเคราะห์ทางชีวภาพของสารตั้งต้นของไรโบโซม

ไรโบโซมหรือไรโบโซมอาร์เอ็นเอ (กรดไรโบนิวคลีอิก) เรียกโดยทั่วไปว่า rRNA เป็นส่วนประกอบของไรโบโซมและมีส่วนร่วมในการสังเคราะห์โปรตีน ส่วนประกอบนี้มีความสำคัญต่อสิ่งมีชีวิตทุกสายพันธุ์

Ribosomal RNA เชื่อมโยงกับส่วนประกอบอื่น ๆ ของโปรตีน ผลผูกพันนี้ส่งผลให้หน่วยตั้งต้นของไรโบโซม การจำแนกประเภทของไรโบโซมอลอาร์เอ็นเอโดยทั่วไปจะมีตัวอักษร "S" ซึ่งระบุหน่วย Svedberg หรือค่าสัมประสิทธิ์การตกตะกอน

องค์กรของไรโบโซม

ไรโบโซมประกอบด้วยหน่วยย่อยสองหน่วย: ใหญ่หรือใหญ่และเล็กหรือรอง

ไรโบโซมอาร์เอ็นเอของโปรคาริโอตและยูคาริโอตแตกต่างกัน ในโปรคาริโอตหน่วยย่อยขนาดใหญ่คือ 50S และประกอบด้วย 5S และ 23S ribosomal RNAs ในทำนองเดียวกันหน่วยย่อยขนาดเล็กคือ 30S และประกอบด้วย 16S ribosomal RNA เท่านั้น

ในทางตรงกันข้ามหน่วยย่อยหลัก (60S) ประกอบด้วย 5S, 5.8S และ 28S ribosomal RNAs หน่วยย่อยขนาดเล็ก (40S) ประกอบด้วย 18S ไรโบโซมอาร์เอ็นเอ

ในนิวคลีโอลัสเป็นยีนที่เป็นรหัสสำหรับไรโบโซมอาร์เอ็นเอ 5.8S, 18S และ 28S RNA ของไรโบโซมเหล่านี้ถูกถ่ายทอดเป็นหน่วยเดียวภายในนิวคลีโอลัสโดย RNA polymerase I กระบวนการนี้ทำให้เกิดสารตั้งต้น 45S RNA

สารตั้งต้นของไรโบโซมอลอาร์เอ็นเอ (45S) กล่าวว่าจะต้องถูกแยกออกเป็นส่วนประกอบ 18S ซึ่งเป็นของหน่วยย่อยขนาดเล็ก (40S) และถึง 5.8S และ 28S ของหน่วยย่อยขนาดใหญ่ (60S)

RNA ไรโบโซมอลที่หายไป 5S ถูกสังเคราะห์นอกนิวคลีโอลัส กระบวนการนี้จะถูกเร่งปฏิกิริยาโดย RNA polymerase III ซึ่งแตกต่างจากคู่ของมัน

การถอดความ RNA ของไรโบโซม

เซลล์ต้องการโมเลกุลไรโบโซมอลอาร์เอ็นเอจำนวนมาก มีสำเนาของยีนหลายชุดที่กำหนดรหัสสำหรับ RNA ประเภทนี้เพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดขั้นสูงเหล่านี้

ตัวอย่างเช่นจากข้อมูลที่พบในจีโนมมนุษย์มี 200 สำเนาสำหรับ 5.8S, 18S และ 28S ไรโบโซมอาร์เอ็นเอ สำหรับ 5S ribosomal RNA มีจำนวน 2,000 ชุด

กระบวนการนี้เริ่มต้นด้วย 45S ribosomal RNA เริ่มต้นด้วยการถอดตัวเว้นระยะใกล้กับปลาย 5 ′ เมื่อกระบวนการถอดเสียงเสร็จสมบูรณ์ตัวเว้นวรรคที่เหลืออยู่ที่ปลาย 3′จะถูกลบออก หลังจากการลบในภายหลังจะได้รับไรโบโซมอาร์เอ็นเอที่โตเต็มที่

นอกจากนี้การประมวลผลของไรโบโซมอาร์เอ็นเอจำเป็นต้องมีการปรับเปลี่ยนที่สำคัญหลายชุดในฐานของมันเช่นกระบวนการของเมธิเลชันและการเปลี่ยนยูริดีนเป็นเทียม

ต่อจากนั้นการเพิ่มโปรตีนและ RNA ที่อยู่ในนิวคลีโอลัสจะเกิดขึ้น ในจำนวนนี้คือ RNA นิวคลีโอลาร์ขนาดเล็ก (pRNA) ซึ่งมีส่วนร่วมในการแยกไรโบโซมอาร์เอ็นเอในผลิตภัณฑ์ 18S, 5.8S และ 28S

PRNA มีลำดับเสริมกับ 18S และ 28S ribosomal RNAs ดังนั้นจึงสามารถปรับเปลี่ยนฐานของสารตั้งต้น RNA, methylating บางบริเวณและมีส่วนร่วมในการสร้าง pseudouridine

การประกอบไรโบโซม

การสร้างไรโบโซมเกี่ยวข้องกับการจับกันของไรโบโซมอาร์เอ็นเอแม่ร่วมกับโปรตีนไรโบโซมและ 5S โปรตีนที่เกี่ยวข้องในกระบวนการนี้ถูกถ่ายทอดโดย RNA polymerase II ในไซโตพลาสซึมและต้องถูกขนส่งไปยังนิวคลีโอลัส

โปรตีนไรโบโซมเริ่มเชื่อมโยงกับไรโบโซมอาร์เอ็นเอก่อนที่จะเกิดความแตกแยกของไรโบโซมอลอาร์เอ็นเอ 45S หลังจากแยกแล้วจะมีการเพิ่มโปรตีนไรโบโซมที่เหลือและ 5S ไรโบโซมอลอาร์เอ็นเอ

18S ribosomal RNA maturation เกิดขึ้นเร็วกว่า ในที่สุด "อนุภาคพรีโบโซม" จะถูกส่งออกไปยังไซโทพลาสซึม

ฟังก์ชั่นอื่น ๆ

นอกเหนือจากการกำเนิดทางชีวภาพของไรโบโซมแล้วงานวิจัยล่าสุดพบว่านิวคลีโอลัสเป็นเอนทิตีที่มีหลายฟังก์ชัน

นิวคลีโอลัสยังเกี่ยวข้องกับการประมวลผลและการเจริญเติบโตของ RNA ประเภทอื่น ๆ เช่น snRNPs (โปรตีนและ RNA เชิงซ้อนที่รวมกับ RNA ก่อนส่งสารเพื่อสร้าง Spliceosome หรือ Splice Complex) และ RNA การถ่ายโอนบางชนิด , microRNAs และสารประกอบเชิงซ้อนไรโบนิวคลีโอโปรตีนอื่น ๆ

จากการวิเคราะห์โปรตีโอมของนิวคลีโอลัสพบโปรตีนที่เกี่ยวข้องกับการประมวลผลก่อนส่งสาร RNA การควบคุมวัฏจักรของเซลล์การจำลองแบบและการซ่อมแซมดีเอ็นเอ โครงสร้างโปรตีนของนิวคลีโอลัสเป็นแบบไดนามิกและมีการเปลี่ยนแปลงภายใต้สภาวะแวดล้อมและความเครียดของเซลล์ที่แตกต่างกัน

ในทำนองเดียวกันมีหลายโรคที่เกี่ยวข้องกับการทำงานที่ไม่ถูกต้องของนิวคลีโอลัส ซึ่งรวมถึงโรคโลหิตจาง Diamond - Blackfan และความผิดปกติของระบบประสาทเช่นอัลไซเมอร์และโรคฮันติงตัน

ในผู้ป่วยอัลไซเมอร์มีการเปลี่ยนแปลงระดับการแสดงออกของนิวคลีโอลัสเมื่อเทียบกับผู้ป่วยที่มีสุขภาพดี

นิวคลีโอลัสและมะเร็ง

การศึกษามากกว่า 5,000 ชิ้นแสดงให้เห็นถึงความสัมพันธ์ระหว่างการเพิ่มจำนวนเซลล์มะเร็งและกิจกรรมของนิวคลีโอลัส

เป้าหมายของการตรวจสอบบางอย่างคือการหาปริมาณโปรตีนนิวคลีโอลัสเพื่อวัตถุประสงค์ในการวินิจฉัยทางคลินิก กล่าวอีกนัยหนึ่งจุดมุ่งหมายคือเพื่อประเมินการแพร่กระจายของมะเร็งโดยใช้โปรตีนเหล่านี้เป็นเครื่องหมายโดยเฉพาะหน่วยย่อย B23 นิวคลีโอลิน UBF และ RNA polymerase I

ในทางกลับกันพบว่าโปรตีน B23 เกี่ยวข้องโดยตรงกับการพัฒนาของมะเร็ง ในทำนองเดียวกันส่วนประกอบของนิวคลีโอลาร์อื่น ๆ ก็มีส่วนเกี่ยวข้องกับการพัฒนาพยาธิสภาพเช่นมะเร็งเม็ดเลือดขาวชนิดโพรมิโอโลไซติกเฉียบพลัน

นิวคลีโอลัสและไวรัส

มีหลักฐานเพียงพอที่จะระบุว่าไวรัสทั้งจากพืชและสัตว์ต้องการโปรตีนนิวคลีโอลัสเพื่อให้ได้กระบวนการจำลองแบบ มีการเปลี่ยนแปลงในนิวคลีโอลัสทั้งในด้านสัณฐานวิทยาและองค์ประกอบของโปรตีนเมื่อเซลล์สัมผัสกับการติดเชื้อไวรัส

พบโปรตีนจำนวนมากที่มาจากลำดับ DNA และ RNA ที่มีไวรัสและอยู่ในนิวคลีโอลัส

ไวรัสมีกลยุทธ์ที่แตกต่างกันที่ช่วยให้สามารถค้นหาในบริเวณย่อยนิวเคลียร์นี้ได้เช่นโปรตีนของไวรัสที่มี "สัญญาณ" ที่นำไปสู่นิวคลีโอลัส แท็กเหล่านี้อุดมไปด้วยกรดอะมิโนอาร์จินีนและไลซีน

ตำแหน่งของไวรัสในนิวคลีโอลัสทำให้เกิดการจำลองแบบได้ง่ายขึ้นและดูเหมือนว่าจะเป็นข้อกำหนดสำหรับการก่อโรค

อ้างอิง

Boisvert, FM, van Koningsbruggen, S. , Navascués, J. , & Lamond, AI (2007) นิวคลีโอลัสมัลติฟังก์ชั่น ธรรมชาติทบทวนอณูชีววิทยาของเซลล์, 8 (7), 574–585
Boulon, S. , Westman, BJ, Hutten, S. , Boisvert, F.-M. , & Lamond, AI (2010) นิวคลีโอลัสภายใต้ความเครียด เซลล์โมเลกุล, 40 (2), 216–227
คูเปอร์, ซม. (2000). เซลล์: แนวทางระดับโมเลกุล พิมพ์ครั้งที่ 2. Sinauer Associates Sirri, V. , Urcuqui-Inchima, S. , Roussel, P. , & Hernandez-Verdun, D. (2008) นิวคลีโอลัส: ร่างกายนิวเคลียร์ที่น่าสนใจ Histochemistry and Cell Biology, 129 (1), 13–31.
Horký, M. , Kotala, V. , Anton, M. , และ WESIERSKA - GADEK, J. (2002) นิวคลีโอลัสและอะพอพโทซิส พงศาวดารของสถาบันวิทยาศาสตร์แห่งนิวยอร์ก, 973 (1), 258-264
Leung, AK, & Lamond, AI (2003) พลวัตของนิวคลีโอลัส Critical Reviews ™ใน Eukaryotic Gene Expression, 13 (1).
Montanaro, L. , Treré, D. , & Derenzini, M. (2008). นิวคลีโอลัสไรโบโซมและมะเร็ง วารสารพยาธิวิทยาอเมริกัน, 173 (2), 301–310 http://doi.org/10.2353/ajpath.2008.070752
Pederson, T. (2554). นิวคลีโอลัส มุมมองของ Cold Spring Harbor ในชีววิทยา, 3 (3), a000638
Tsekrekou, M. , Stratigi, K. , & Chatzinikolaou, G. (2017). นิวคลีโอลัส: ในการบำรุงรักษาและซ่อมแซมจีโนม International Journal of Molecular Sciences, 18 (7), 1411.

ลักษณะของนิวคลีโอลัสโครงสร้างสัณฐานวิทยาและหน้าที่ - ชีววิทยา - 2025