NUCLÈOL: CARACTERÍSTIQUES, ESTRUCTURA, MORFOLOGIA I FUNCIONS - BIOLOGIA - 2025

El nuclèol és una estructura cel·lular no delimitada per membrana, sent una de les zones més prominents de l'nucli. S'observa com una regió més densa en el nucli i es troba subdividida al seu torn en tres regions: component fibril·lar dens, centre fibril·lar i el component granular.

S'encarrega principalment de la síntesi i assemblatge dels ribosomes; no obstant això, aquesta estructura també posseeix altres funcions. S'han trobat més de 700 proteïnes dins el nuclèol que no estan implicats en processos de biogènesi dels ribosomes. De la mateixa manera, el nuclèol està implicat en el desenvolupament de diferents patologies.

El primer investigador en observar la zona de l'nuclèol va ser F. Fontana en 1781, fa més de dos segles. Després, a mitjans dels anys 30, McClintock va poder observar aquesta estructura en els seus experiments amb Zea mays. Des de llavors centenars d'investigacions s'han centrat en entendre les funcions i la dinàmica d'aquesta regió de l'nucli.

Característiques generals

El nuclèol és una estructura prominent situada a l'interior de l'nucli de les cèl·lules eucariotes. És una "regió" en forma d'esfera, ja que no existeix cap tipus de biomembrana que ho separi de la resta dels components nuclears.

Es pot observar sota el microscopi com una subregió de l'nucli quan la cèl·lula es troba a la interfase.

Està organitzat en regions anomenades NORs (per les seves sigles en anglès: chromosomal nucleolar organizer regions), on es troben les seqüències que codifiquen les ribosomes.

Aquests gens estan en regions puntuals dels cromosomes. En els humans es troben organitzats en tàndem a les regions satèl·lits dels cromosomes 13, 14, 15, 21 i 22.

En el nuclèol ocorre la transcripció, processament i acoblament de les subunitats que conformen els ribosomes.

A més de la seva funció tradicional, el nuclèol està relacionat amb proteïnes supressores de tumors, reguladors de l'cicle cel·lular i fins amb proteïnes provinents de virus.

Les proteïnes de l'nuclèol són dinàmiques i, a l'sembla, la seva seqüència s'ha conservat en el transcurs de l'evolució. D'aquestes proteïnes només un 30% s'ha associat a la biogènesi dels ribosomes.

Estructura i morfologia

El nuclèol es troba dividit en tres components principals, diferenciables per microscòpia electrònica: el component fibril·lar dens, el centre fibril·lar i el component granular.

Generalment, es troba envoltat per cromatina condensada, anomenada heterocromatina. En el nuclèol ocorren els processos de transcripció de l'ARN ribosomal, processament i acoblament dels precursors ribosomals.

El nuclèol és una regió dinàmica, on les proteïnes que els components poden associar-se i separar-se ràpidament dels components nucleolares, creant un intercanvi continu amb el nucleoplasma (substància gelatinosa interna de l'nucli).

En mamífers, l'estructura de l'nuclèol varia amb les etapes de l'cicle cel·lular. En la profase s'observa una desorganització de l'nuclèol i s'acobla novament a la fi de l'procés mitòtic. L'activitat màxima de transcripció en el nuclèol s'ha observat en les fases S i G2.

L'activitat de l'ARN polimerasa I es pot veure afectada per diferents estats de fosforilació, modificant així l'activitat de l'nuclèol durant el cicle cel·lular. El silenciament durant la mitosi passa per la fosforilació de diferent elements com SL1 i TTF-1.

No obstant això, aquest patró no és comú en tots els organismes. Per exemple, en llevats el nuclèol es troba present -i actiu- durant tot el procés de divisió cel·lular.

Centres fibril·lars

Els gens que codifiquen per l'ARN ribosomal s'ubiquen en els centres fibril·lars. Aquests centres són regions clares envoltades pels components fibril·lars densos. Els centres fibril·lars són variables en grandària i nombre, depenent de el tipus cel·lular.

S'ha descrit cert patró pel que fa a les característiques dels centres fibril·lars. Les cèl·lules que posseeixen alta síntesi de ribosomes posseeixen un nombre baix de centres fibril·lars, mentre que les cèl·lules amb metabolismes reduïts (com els limfòcits) posseeixen centres fibril·lars de major grandària.

Hi ha casos puntuals, com en les neurones amb un metabolisme molt actiu, el nuclèol posseeix un centre fibril·lar gegant, acompanyat de petits centres més petits.

Component fibril·lar dens i component granular

El component fibril·lar dens i els centres fibril·lars estan embeguts en el component granular, els grànuls posseeixen un diàmetre de 15 a 20 nm. El procés de transcripció (pas de la molècula d'ADN a ARN, considerat el primer pas de l'expressió gènica) passa en els límits dels centres fibril·lars i en el component fibril·lar dens.

El processament de el pre-ARN ribosomal ocorre en el component fibril·lar dens i el procés s'estén fins el component granular. Els transcrits s'acumulen en el component fibril·lar dens i les proteïnes nucleolars també se situen en el component fibril·lar dens. És en aquesta regió on passa l'acoblament dels ribosomes.

Després que culmina aquest procés d'acoblament de l'ARN ribosomal amb les proteïnes necessàries, aquests productes són exportats a l'citoplasma.

El component granular és ric en factors de transcripció (SUMO-1 i Ubc9 són alguns exemples). Típicament, el nuclèol es troba envoltat d'heterocromatina; es pensa que aquest ADN compactat pot tenir un paper en la transcripció de l'ARN ribosomal.

En els mamífers, l'ADN ribosomal en les cèl·lules es troba compactat o silenciat. Aquesta organització sembla ser important per a la regulació de l'ADN ribosomal i per al resguard de l'estabilitat genòmica.

Regió organitzadora nucleolar

En aquesta regió (NOR) es troben agrupats els gens (ADN ribosomal) que codifiquen per l'ARN ribosomal.

Els cromosomes que integren aquestes regions varien depenent de l'espècie d'estudi. En els humans es troben en les regions satèl·lits dels cromosomes acrocèntrics (el centròmer està localitzat a prop d'un dels extrems), específicament en els parells 13, 14, 15, 21 i 22.

Les unitats d'ADN ribosomes consisteixen en la seqüència transcrita i un espaiador extern necessari per a la transcripció per part de l'ARN polimerasa I.

En els promotors per l'ADN ribosomal es poden distingir dos elements: un de central i un element situat aigua amunt (upstream)

funcions

Maquinària de formació d'ARN ribosomal

El nuclèol pot ser considerat una fàbrica amb tots els components necessaris per a la biosíntesi dels precursors dels ribosomes.

L'ARN (àcid ribonucleic) ribosomal o ribosòmic, abreujat comunament com ARNr, és un component dels ribosomes i participa en les síntesi de les proteïnes. Aquest component és vital per a tots els llinatges d'éssers vius.

L'ARN ribosomal s'associa amb altres components de naturalesa proteica. Aquesta unió dóna com a resultat les presubunidades ribosomals. La classificació de l'ARN ribosomal ve donada generalment acompanyada d'una lletra «S», el que indica les unitats Svedberg o coeficient de sedimentació.

Organització dels ribosomes

Els ribosomes estan formats per dues subunitats: la major o gran i la petita o menor.

L'ARN ribosomal dels procariotes i els eucariotes és diferenciable. En els procariotes la subunitat gran és 50S i es compon d'ARN ribosomals 5S i 23S, igualment la subunitat petita és 30S i està composta solament per l'ARN ribosomal 16S.

En contrast, la subunitat gran (60S) es compon d'ARN ribosomals 5S, 5.8S i 28S. La subunitat petita (40S) està composta exclusivament d'ARN ribosomal 18S.

En el nuclèol es troben els gens que codifiquen per als ARN ribosomals 5.8S, 18S i 28S. Aquests ARN ribosomals són transcrits com una sola unitat dins el nuclèol per l'ARN polimerasa I. Aquest procés dóna com a resultat un precursor d'ARN de 45S.

Dit precursor d'ARN ribosomal (el 45S) ha de ser escindit en els seus components 18S, pertanyents a la subunitat petita (40S) i a l'5.8S i 28S de la subunitat gran (60S).

L'ARN ribosomal que falta, el 5S, és sintetitzat fora de l'nuclèol; a diferència dels seus homòlegs, el procés és catalitzat per l'ARN polimerasa III.

Transcripció de l'ARN ribosomal

Una cèl·lula necessita un nombre alt de molècules d'ARN ribosomal. Hi ha múltiples còpies dels gens que codifiquen per a aquest tipus d'ARN per complir amb aquests requeriments tan elevats.

Per exemple, segons les dades trobats en el genoma dels humans, hi ha 200 còpies per als ARN ribosomals 5.8S, 18S i 28S. Per l'ARN ribosomal 5S existeixen 2000 còpies.

El procés comença amb l'ARN ribosomal 45S. S'inicia amb l'eliminació de l'espaiador prop de l'extrem 5 '. Quan el procés de transcripció és completat, es remou el espaiador restant situat en l'extrem 3 '. Després d'eliminacions posteriors, s'obté l'ARN ribosomal madur.

A més, el processament de l'ARN ribosomal requereix d'una sèrie de modificacions importants en les seves bases, com a processos de metilació i conversió de uridina a pseudouridina.

Posteriorment passa l'addició de proteïnes i ARNs ubicats al nuclèol. Entre aquests es troba els ARN petits nucleolares (ARNpn), els quals participen en la separació dels ARN ribosomals en els productes 18S, 5.8S i 28S.

Els ARNpn posseeixen seqüències complementàries als ARN ribosomals 18S i 28S. Per això poden modificar les bases de l'ARN precursor, metilando certes regions i participant en la formació de pseudouridina.

Assemblatge dels ribosomes

La formació dels ribosomes comprèn la unió de l'ARN ribosomal precursor, juntament amb proteïnes ribosomals i el 5S. Les proteïnes involucrades en el procés són transcrites per l'ARN polimerasa II en el citoplasma i han de ser transportades fins al nuclèol.

Les proteïnes ribosòmiques es comencen a associar amb els ARN ribosomals abans que ocorri la separació de l'ARN ribosomal 45S. Després de la separació, s'afegeixen les proteïnes ribosomals restants i l'ARN ribosomal 5S.

La maduració de l'ARN ribosomal 18S passa més ràpid. Finalment, les "partícules preribosomales" són exportades a l'citoplasma.

altres funcions

A més de la biogènesi dels ribosomes, investigacions recents han trobat que el nuclèol és un ens multifuncional.

El nuclèol també està involucrat en el processament i maduració d'altres tipus d'ARN, com els snRNPs (complexos de proteïna i ARN que es combinen amb el pre-ARN missatger per formar el espliceosoma o complex de tall i entroncament) i certs ARN de transferències, microARN i altres complexos de ribonucleoproteínas.

Mitjançant l'anàlisi de l'proteoma de l'nuclèol s'han trobat proteïnes associades a el processament de pre-ARN missatger, a el control de l'cicle cel·lular, a la replicació ia la reparació de l'ADN. La constitució de proteïnes de l'nuclèol és dinàmica i canvia sota diferents condicions ambientals i d'estrès cel·lular.

Així mateix, hi ha una sèrie de patologies associades a l'funcionament incorrecte de l'nuclèol. Entre aquestes hi ha la anèmia de Diamond-Blackfan i desordres neurodegeneratius com l'Alzheimer i la malaltia de Huntington.

En els pacients amb Alzheimer ha un canvi en els nivells d'expressió de l'nuclèol, comparat amb pacients sans.

El nuclèol i el càncer

Més de 5000 estudis han evidenciat la relació existent entre la proliferació maligna de cèl·lules i l'activitat de l'nuclèol.

L'objectiu d'algunes investigacions és quantificar les proteïnes de l'nuclèol per a propòsits clínics de diagnòstic. En altres paraules, es busca avaluar la proliferació de el càncer utilitzant com a marcador aquestes proteïnes, específicament la B23, la nucleolina, la UBF i les subunitats de l'ARN polimerasa I.

D'altra banda, s'ha trobat que la proteïna B23 està relacionada directament amb el desenvolupament de el càncer. Igualment, altres components nucleolares estan implicats en el desenvolupament de patologies com la leucèmia promielocítica aguda.

El nuclèol i els virus

Hi ha evidència suficient per afirmar que els virus, tant de plantes com d'animals, necessiten de les proteïnes de l'nuclèol per aconseguir el procés de replicació. Existeixen canvis en el nuclèol, quant a la seva morfologia ia la seva composició proteica, quan la cèl·lula experimenta una infecció viral.

S'ha trobat un nombre important de proteïnes que provenen de seqüències d'ADN i ARN que contenen virus i estan localitzades en el nuclèol.

Els virus posseeixen diferents estratègies que els permeten situar-se en aquesta regió subnuclear, com proteïnes virals que contenen "senyals" que les porten a l'nuclèol. Aquestes etiquetes són riques en els aminoàcids arginina i lisina.

La ubicació dels virus en el nuclèol facilita la seva replicació i, a més, sembla ser un requisit per a la seva patogenicitat.

referències

1. Boisvert, FM, van Koningsbruggen, S., Navascués, J., & Lamond, AI (2007). The Multifunctional nucleolus. Nature reviews Molecular cell biology, 8 (7), 574-585.
2. Boulon, S., Westman, BJ, Hutten, S., Boisvert, F.-M., & Lamond, AI (2010). The Nucleolus under Stress. Molecular Cell, 40 (2), 216-227.
3. Cooper, CM (2000). The Cell: A Molecular Approach. 2nd edition. Sinauer Associates. Sirri, V., Urcuquí-Inchima, S., Roussel, P., & Hernandez-Verdun, D. (2008). Nucleolus: the Fascinating nuclear body. Histochemistry and Cell Biology, 129 (1), 13-31.
4. Horky, M., Kotala, V., Anton, M., & WESIERSKA-GADEK, J. (2002). Nucleolus and apoptosi. Annals of the New York Academy of Sciences, 973 (1), 258-264.
5. Leung, AK, & Lamond, AI (2003). The dynamics of the nucleolus. Critical Reviews ™ in Eukaryotic Gene Expression, 13 (1).
6. Montanaro, L., Treré, D., & Derenzini, M. (2008). Nucleolus, Ribosomes, and Cancer. The American Journal of Pathology, 173 (2), 301-310.
7. Pederson, T. (2011). The Nucleolus. Cold Spring Harbor Perspectives in Biology, 3 (3), a000638.
8. Tsekrekou, M., Stratigi, K., & Chatzinikolaou, G. (2017). The Nucleolus: In Genome Maintenance and Repair. International Journal of Molecular Sciences, 18 (7), 1411.