NUCLI (2013)

Apunte Catalán
Universidad Universidad Autónoma de Barcelona (UAB)
Grado Genética - 1º curso
Asignatura Biologia Cel·lular
Año del apunte 2013
Páginas 12
Fecha de subida 18/10/2014
Descargas 28
Subido por

Descripción

Professora: Laura Tusell

Vista previa del texto

NUCLI L’origen del nucli s’explica, entre moltes altres teories, per la teoria cariogènica.
El nucli es troba envoltat per un embolcall nuclear, format per la membrana externa, l’espai perinuclear, la membrana interna i la làmina nuclear. A l’embolcall trobem porus nuclears, que són complexos molt grans que permeten que el nucli no estigui aïllat. La làmina nuclear està formada per filaments intermedis del citoesquelet i forma una xarxa que recorre per sota tot l’embolcall nuclear i dóna suport estructural al nucli. La membrana externa és contínua amb el RER, per la qual cosa també pot tenir ribosomes adherits traduint proteïnes.
A l’interior del nucli hi trobem la cromatina, de la que distingim la eucromatina, que es troba poc compactada i té funció transcripcional, i la heterocromatina, on trobem els gens silenciats compactats i sovint es troba unida a la membrana interna de l’embolcall nuclear. També hi tenim el nuclèol, que és una associació de DNA, RNA i proteïnes que modifiquen el DNA.
EMBOLCALL NUCLEAR Membrana nuclear interna Hi trobem proteïnes transmembranals que interactuen amb la cromatina o fixant la làmina nuclear.
La làmina nuclear està composta per 3 lamines (A, B i C), formades per filaments intermedis que polimeritzen i formen una xarxa que s’uneix a la membrana interna per proteïnes transmembranals o lípids. La làmina nuclear es pot observar amb fluorocroms i dóna suport estructural al nucli.
La làmina es desorganitza durant la mitosi i provoca el trencament de l’embolcall nuclear. Es torna a generar a la telofase. Aquesta desorganització comença quan les lamines es fosforilen; llavors es trenca la xarxa i queden trossos separats de la làmina nuclear, que també poden arrossegar trossos de l’embolcall. Durant la telofase, unes proteïnes desfosforilen les lamines, de manera que es pot tornar a formar la xarxa.
Porus nuclears Normalment trobem entre 3000 i 4000 porus en un nucli, depèn de l’activitat transcripcional de la cèl·lula que en trobem més o menys. Tenen un diàmetre de 120 nm, unes 30 vegades més grans que un ribosoma. Normalment l’obertura és de 9 nm, i es pot obrir fins a 26nm. Els porus són octàmers proteics.
Estan formats per 30 tipus diferents de proteïnes, de les quals les més importants són les nucleoporines, que també són una família de proteïnes que n’engloba de molts tipus.
Les FG-nucleoporines són riques en els aminoàcids fenilanina i glicina, i es troben decorant els filaments d’entrada, interior i sortida del porus. Formen com una mena de “caminet” que han de seguir els elements (ARNm, ARNr, proteïnes...) que volen travessar el porus. Per tant són molt importants en el transport entre citoplasma i nucli.
TRANSPORT NUCLI-CITOPLASMA Les proteïnes que es troben transmembranals a l’embolcall nuclear poden arribar per difusió a partir de la membrana del RER. Les que són de l’interior del nucli han d’ésser sintetitzades al citosol i importades a l’interior a través dels porus.
Les molècules solubles de menys de 60.000 Daltons poden passar pel porus de 9 nm, però si són més grans, necessiten un transport regulat amb consum d’energia per obrir més el porus (fins a 26 nm). Aquestes poden ser proteïnes, ARNm, ARNt o ARNr.
Seqüències d’importació i exportació 1. Importació: citosol->nucli: Les proteïnes tenen la SS NLS, que consisteix en la presència d’AA amb càrrega positiva. Això es tradueix en una gran presència de lisines i arginines. La SS no necessita ser un sol tros continu, pot estar desglossada.
La SS s’ha de trobar a la superfície de la proteïna, ja que es transporten plegades pel porus, i per tant ha de poder ser detectada pels receptors. Els receptors que reconeixen la SS NLS i transporten la proteïna durant la importació són les importines. Aquestes són proteïnes de la família de les carioferines.
2. Exportació: nucli->citosol: Les proteïnes tenen la SS NES, que conté molts AA leucines. Els receptors que la reconeixen i transporten les proteïnes a través dels porus són les exportines, també de la família de les carioferines.
Importació de proteïnes al nucli Les importines interaccionen amb les FG-nucleoporines. S’arrosseguen seguint el “caminet” que formaven aquestes, i així travessen el porus.
També és necessària pel procés una GTPasa monomèrica, la RAN. Com dins el nucli només trobarem GEF, dins el nucli hi haurà RAN-GTP. I al citosol només trobarem GAP, per tant només hi haurà RAN-GDP.
Un cop el complex importina+proteïna ha entrat al nucli, el RAN-GTP té afinitat per la importina i s’hi uneix, provocant un canvi conformacional d’aquesta que fa alliberar la proteïna. Ara el complex importina+RAN-GTP sortirà cap al citosol a través dels porus, amb la importina interaccionant amb les FG-nucleoporines.
Al citosol, el GAP hidrolitza el GTP, fent que RAN pateixi un canvi conformacional i alliberi la importina. Ara queda RAN-GDP que ha de tornar a entrar al nucli gràcies a l’acció d’un transportador, el NTF2.
Esquema de la importació de proteïnes al nucli.
Exportació de proteïnes al nucli A l’interior del nucli, les exportines s’uneixen a RAN-GTP, la qual cosa provoca un canvi conformacional a les exportines, que adquireixen més afinitat per la SS NES. Les exportines s’uneixen a la proteïna amb la SS i el complex proteïna+exportina+ +RAN-GTP travessa el porus (exportines interaccionen amb les FG-nucleoporines com ho feien les importines) i arriba al citosol.
Al citosol, una GAP hidrolitza el GTP, fent que RAN pateixi un canvi conformacional a RAN-GDP i s’alliberi tot. Les exportines soles tornen a entrar pels porus, i el RAN-GDP ho fa amb el transportador NTF2.
En aquestes importacions i exportacions, la SS no s’elimina mai (al contrari que en altres orgànuls, on la SS en l’extrem Nter es tallava). Això és perquè en la mitosi, quan es torna a crear el nucli en les cèl·lules filles, pot ser que algunes proteïnes del nucli quedin fora. Perquè puguin tornar a ser importades, han de tenir encara la SS. Per aquesta raó no es talla mai, ja que sinó s’haurien de sintetitzar noves proteïnes que continguessin la SS.
Per la exportació de ARNt i ARNr, aquests s’uneixen a proteïnes que tenen la SS NES i surten amb elles cap al citosol. Pel cas de l’ARNm és diferent.
ORGÀNULS SUBNUCLEARS Teòricament no s’haurien de dir orgànuls perquè no tenen una membrana que els envolti, només són zones on s’associen diverses molècules.
- - Nuclèol: s’hi sintetitza ARNr.
Cossos de Cajal i GEMS: participen en la formació de ribonucleoproteïnes del nucli. Aquestes poden ser snRNP o snoRNP. Les snRNP ajuden a la formació de l’RNAm i l’RNAt, i les snoRNP en la de l’RNAr. Totes aquestes partícules es van movent per modificar-se.
Grànuls intercromatínics: conté proteïnes de processament del pre-RNAm, és a dir, snRNP. Emmagatzema, uneix i modifica els factors de pre-RNAm.
Nuclèol És una estructura densa i esfèrica. Té la funció de transcriure l’ARNr i fer un preensamblatge de les dues subunitats ribosòmiques. El nuclèol és una agregació de macromolècules.
DNA: gens que codifiquen per l’ARNr precursor, gens que codifiquen per enzims que modifiquen l’ARNr i altres proteïnes. L’ADN que es troba al nuclèol és sempre de la part p de cromosomes acrocèntrics.
Exemple cromosomes acrocèntrics. La part p és la cromàtide més petita. Els cromosomes acrocèntrics són el 13, 14, 15, 21 i 22.
En interfase, l’ADN de les parts p dels cromosomes acrocèntrics coincideix en una mateixa zona: el nuclèol. (dibuix) En comptes, en la mitosi, quan es compacta la cromatina i es formen els cromosomes, el nucli es va fragmentant, perquè totes les parts d’ADN provinents de diferents cromosomes que convergien en el nuclèol es separen per anar cada una al seu respectiu cromosoma. A mida que es van formant els cromosomes, es va veient com si el nuclèol es fragmentés i se’n veuen molts, fins que es fragmenta tant que desapareix.
En aquest moment deixa d’haver-hi transcripció d’ARNr.
Un cop l’ARNr és transcrit, és modificat per les snoRNP.
El nuclèol el podem dividir en tres parts: - - Centre fibril·lar: hi ha la transcripció de DNA que codifica per RNAr.
Component fibril·lar dens: al voltant dels centres fibril·lars s’acumula l’ARNr transcrit. És una zona de processament i modificació (snoRNP).
Component granular: es dóna l’assemblatge d’ARNr per donar lloc a pre-ribosomes.
L’ADN que codifica per l’ARNr es troba en tàndems. Els tàndems són zones de l’ADN on hi ha dues unitats de transcripció molts juntes, i separades pel DNA espaiador. Tenen una alta freqüència de transcripció.
Diverses ARN-polimerases transcriuen una unitat de transcripció alhora. Per això veiem que en l’extrem 5’ hi ha un tros de RNAr molt petit transcrit, i conforme ens acostem a l’extrem 3’ els fragments són més grans.
Tàndem on es pot veure que els fragments en l’extrem 3’ són més llargs.
Durant la transcripció, hi ha modificacions, fetes per les snoRNP. Aquestes modificacions poden ser metilacions o canvis de bases, o talls de l’ARN, els resultats dels quals són els precursors de les subunitats ribosòmiques.
Si cada unitat transcripcional es transcrigués totalment, donaria lloc a una cadena d’ARNr 45s. Els talls fets per les snoRNP, ens donen tres fragments: - 18s: amb la unió d’una proteïna, donarà lloc a la subunitat petita del ribosoma.
28s i 5.8s: amb la unió d’aquests dos fragments i altres proteïnes, es formarà la subunitat gran del ribosoma.
Les proteïnes que s’uneixen amb els fragments de l’ARNr contenen la SS NES, que permetrà a l’ARNr sortir per la via d’exportació a través dels porus cap al citoplasma.
CROMATINA La complexitat d’un organisme no comporta un augment de la quantitat d’ADN o proteïnes que tingui. Per exemple: els humans tenen un ADN molt més curt que alguns amfibis o plantes, i només codifica per proteïnes un 1,5%.
En els humans, trobem que el 50% del DNA té seqüències úniques, de les quals només una petita porció codifica per proteïnes. L’altre 50% pertany a seqüències repetitives. Si es troben repetides moltes vegades, formen el DNA satèl·lit que trobem als telòmers, si es troben poc repetides, formen els tàndems que codifiquen per ARNr, histones o retrotransposons.
En els eucariotes, el DNA es troba distribuït en diferents cromosomes (46 en humans) dins el nucli. El DNA té gens, DNA espaiador i altres seqüències. Quan el DNA s’uneix a proteïnes, forma la cromatina.
Aquestes proteïnes poden ser: 1) Histones: són petites i s’han conservat amb molt poques alteracions durant l’evolució, per això són semblants en animals i vegetals. Són riques en AA àcids, com la lisina (Lys) i l’arginina (Arg). S’uneixen al DNA independentment de seqüències i l’empaqueten.
Les histones poden ser nucleosòmiques: H2A, H2B, H3 i H4; o poden ser del tipus H1, que es troba fora del nucleosoma.
2) No histones: normalment son grans i de caràcter àcid. S’uneixen al DNA gràcies a seqüències específiques. A més d’empaquetar i organitzar l’ADN, també ajuden en processos de replicació, transcripció, reparació, retrotranscripció...
En els procariotes, el DNA no és lineal, sinó que forma una molècula circular al citoplasma. Té molt poc DNA espaiador, per la qual cosa els gens es troben molt compactats. S’uneix amb unes proteïnes bàsiques anàlogues de les histones dels eucariotes, que l’estabilitza.
Empaquetament de la cromatina Es produeix durant l’anafase. És important empaquetar correctament el DNA perquè després es pugui separar bé i equitativament durant la mitosi.
L’empaquetament de la cromatina es pot dividir en dos nivells: - - 1r nivell: a partir de la doble hèlix d’ADN (2 nm Φ) es forma: o Rosari (10 nm Φ).
o Zig-zag / solenoide (30 nm Φ).
o Loops (300 nm Φ).
2n nivell: s’empaqueta en cromosomes la cromatina en forma de loops.
o Cromatina condensada (700 nm Φ).
o Cromosomes mitòtics (1400 nm Φ).
Primer nivell d’empaquetament Rosari: S’anomena així perquè en té l’aspecte.
S’obtenen imatges d’aquest empaquetament tractant la cromatina amb agents descondensants.
S’observa una cadena formada per diversos nucleosomes separats per un DNA espaiador.
Si es dirigeix un nucleosoma amb una solució amb alta concentració de nucleases, s’aconsegueix separar en: 147 parells de bases nitrogenades i un octàmer d’histones (2 H2A, 2 H2B, 2 H3 i 2 H4).
Les histones s’associen al centre de l’octàmer pels extrems Cter, i projecten a l’exterior del nucleosoma els extrems Nter.
Aquests poden patir modificacions com ara metilacions, acetilacions, fosforilacions...
Depenent de quines modificacions tinguin, produiran un empaquetament o un altre.
Els 147 parells de bases s’enrotllen al voltant del nucleosoma i s’hi uneixen mitjançant ponts d’hidrogen i interaccions hidrofòbiques. A més, com l’ADN té càrrega negativa, i les histones tenen AA carregats positivament, s’atrauen mútuament.
Zig-zag o solenoide: En la forma zig-zag els nucleosomes s’empaqueten formant el que el seu nom indica.
En el solenoide, els nucleosomes s’empaqueten formant una hèlix.
Per passar de l’empaquetament de rosari al de zig-zag o solenoide: 1) Una histona H1 s’uneix entre el nucleosoma i la cromatina sortint (DNA espaiador) i provoca un canvi de posició.
2) Es donen interaccions entre els extrems Nter de les histones H4 de diferents nucleosomes. Una lisina d’un extrem interacciona amb una altra d’un altre extrem, sempre entre histones H4.
3) Les proteïnes no histones o les característiques del DNA espaiador fan agafar a aquest empaquetament una estructura o una altra.
Empaquetament gràcies a la histona H1 (a l’esquerra) i interaccions entre cues d’histones H4 (a dalt).
Loops: Hi ha una matriu proteica no d’histones a la qual s’enllaça el DNA de 30 nm de Φ en forma de bucles (loops). D’aquesta manera, queden propers punts que estarien molt allunyats. (Dibuix).
Els loops a vegades tenen la cromatina descondensada a 10 nm de Φ. Això ocorre perquè la cromatina a aquest nivell d’empaquetament pot ser transcrita, ja que pot passar l’ARN-polimerasa per dins, i en l’empaquetament de 30 nm de Φ no. Per tant trobem descondensats aquells gens que s’expressen.
Recentment (fa un any) va sortir un “paper” que deia que l’empaquetament en un primer nivell de la cromatina sempre és en 10 nm, i que es troba en forma de serp, però que no s’empaqueta més.
Remodelació de la cromatina La cromatina no és estàtica i sovint pateix processos de remodelació causats per les modificacions que duen a terme certs complexos a les cues Nter de les histones. Hi ha un codi d’histones que relaciona un tipus de modificació (acetilació, metilació, fosforilació) amb una remodelació en concret. Les modificacions es fan sempre en lisines.
Per exemple, el complex de modificació A provoca una acetilació a la lisina 14 de l’extrem Nter de la histona H3. Aquest és un senyal que indica que els gens empaquetats en aquella zona s’han d’expressar. Llavors es duu a terme una relaxació de la cromatina, amb unes DNA-binding-protein i l’ARN-polimerasa pot passar a replicar per l’interior.
La cromatina també s’ha de relaxar quan hi ha processos de replicació de l’ADN.
Quan s’acaba la expressió, la cromatina torna a condensar-se en els nucleosomes.
Organització de la cromatina en interfase Durant la interfase diferenciem dos tipus de cromatina, segons l’empaquetament que té: heterocromatina i eucromatina.
L’heterocromatina representa un 10% del total del genoma. La cromatina s’hi troba molt condensada i sovint associada a la làmina nuclear. Està altament condensada, per la qual cosa s’observa de color fosc dins el nucli. És una zona on la replicació s’hi produeix tard, i hi ha molt poca transcripció: hi trobem els gens silenciats (les histones han patit metilacions) que no s’expressen. Hi ha l’heterocromatina constitutiva: ADN dels centròmers i telòmers; i la facultativa: cromosoma X inactiu.
L’eucromatina conté els gens transcripcionalment actius. Per això els loops de 30 nm de Φ han d’estar descondensats fins a 10 nm de Φ. Com que està poc empaquetada, s’observa com una zona més clara que l’heterocromatina al nucli. És una zona que es replica molt d’hora.
Organització de la cromatina en mitosi: 2n nivell d’empaquetament Trobem la màxima condensació de la cromatina en la metafase, quan es formen els cromosomes.
Als anys 70, es diferenciaven els cromosomes pel patró de bandes. Actualment, s’observen amb hibridacions in situ de sondes d’ADN fluorescents. Aquestes permeten identificar els cromosomes per colors i observar reorganitzacions (en cèl·lules tumorals).
La condensació màxima comença quan es fosforila la histona H1 i entren en acció les proteïnes SMC. Aquestes són les responsables de portar l’empaquetament de la cromatina a nivells més elevats. Se’n diferencien dos tipus: condensines i cohesines.
Les dues proteïnes SMC tenen la mateixa estructura: dímers que s’associen i tenen capacitat ATPàsica.
Les condensines fan superenrotllaments de la cadena de DNA gràcies a la hidròlisi d’ATP. Quan el cromosoma està totalment format, les trobem a l’interior de les cromàtides (color rosa de la foto).
Les cohesines mantenen les cromàtides germanes d’un cromosoma replicat després de dita replicació, fins la metafase. També ho fan hidrolitzant ATP, la qual cosa els permet “abraçar” les dues cromàtides mantenint-les juntes.
ESTRUCTURA DELS CROMOSOMES Cada cromosoma té diversos orígens de replicació. A més, tenen els centròmers i els telòmers, formats per heterocromatina constitutiva.
Centròmers Formats per DNA satèl·lit (heterocromàtic). Té una histona H3 normal i una de variant: H3V. L’estructura del centròmer és: - Cromatina que té histones H3 normals dimetilades a la lisina 4.
Cromatina que conté la histona H3V específica dels centròmers.
Cinetocor: placa proteica on s’ancoren els microtúbuls del fus mitòtic.
Els centròmers permeten als cromosomes segregar-se correctament durant la metafase de la mitosi, és a dir, que les cromàtides se separin bé. Les cohesines que les mantenien juntes desapareixen en l’anafase.
Telòmers Com l’ADN és una molècula lineal, l’extrem d’un cromosoma és igual que l’extrem d’un tros que s’ha trencat. Llavors hi hauria proteïnes que activarien els sistemes de reparació sobre els extrems cromosòmics.
Això no passa perquè els telòmers segellen els extrems dels cromosomes.
Es forma un llaç perquè no quedi cap extrem obert: l’extrem de l’ADN s’uneix mitjançant unes proteïnes específiques a una part interior de la cadena. És el que s’anomena llaç telomèric o T-loop.
Llaç telomèric o T-loop.
La seqüència del DNA telomèric ha variat molt poc durant l’evolució. De fet, tots els mamífers tenen la mateixa: TTAGGC.
Com que la DNA-polimerasa necessita primers per poder començar la replicació, que es fa en sentit 5’-3’, quan es replica el cromosoma es perd un tros de l’extrem de la molècula lineal d’ADN. Es perd aquell tros complementari del primer, que després es desenganxa.
Això fa que a cada replicació cel·lular, la seqüència d’ADN dels telòmers s’escurci, fins que arriba un punt en que és tant curta que no pot fer els loops. Llavors s’activen els sistemes de reparació perquè es reconeix l’extrem com un tros d’ADN trencat, i s’uneix el cromosoma al qual li ha passat això a un altre cromosoma amb el mateix problema.
El resultat és un cromosoma amb dos centròmers.
Els cromosomes amb dos centròmers poden tenir dificultats a l’hora de replicar-se. Això provoca inestabilitat genòmica i que s’entri en els cicles BFB (Breakage Fusion Bridge cycles).
ESTRUCTURA DELS CROMOSOMES EN INTERFASE Es vol saber quina posició dins el nucli ocupa cada cromosoma. S’intenta conèixer amb hibridacions de sondes, encara que fins el moment no hi ha res concloent.
Sabem que els cromosomes ocupen llocs determinats. Cada cromosoma té un territori determinat i exclusiu; fins i tot cada braç d’un mateix cromosoma té una posició determinada dins aquest territori. El que no sabem és quins patrons segueixen per ocupar-los. Fins ara les hipòtesis que semblen més encertades són: - Segons la llargada dels cromosomes.
Segons la densitat gènica.
Entre territoris trobem els complexos intercromàtics. Són complexos proteics on hi ha totes les proteïnes i enzims necessaris per transcriure, replicar, reparar, empaquetar...
Els gens actius o que sovint s’han de reparar haurien de ser a la perifèria del territori per ser més accessibles als complexes proteics. Els gens que no es transcriuen, és a dir, la heterocromatina, s’haurien de situar a l’interior del territori. Aquesta és la teoria que proposa la hipòtesi de la densitat de gens.
Si a més tenim en compte la llargada dels cromosomes, aquells que siguin més llargs tindran un territori més gran, i els més curts un territori més petit.
...