8.1

8. stavba a funkce buněčného jádra

Jádro

V každé buňce, která se může dělit. Uchovává genetickou informaci buňky. Největší a nejvýznamnější buněčná organela. Regulace diferenciace a maturace buňky, replikace a přenos genetické informace do nové buňky, syntéza informační mRNA, transferové tRNA a ribosomální rRNA a jejich transport do cytoplasmy. Jedno, více nebo žádné (černevá krvinka, svalová buňka).

            Části – jaderná membrána (vnější a vnitřní list), jadérko, karyoplazma, hetero a euchromatin, ribozomy, jaderné póry.

            Velikost - konkrétní rozměry jsou rozmanité. Průměrně se uvádí 5–10 mikrometrů (nervová 3–18). V typickém případě představuje asi 10 % objemu buňky. Nejmenší na konci mitózy, největší na konci interfáze. Souvisí s počtem chromozomových sad.

            Tvar – přizpůsobuje se tvaru buňky. V typickém případě jsou kulovitá či mírně protáhlá. Některá jsou lalokovitá, několikanásobně segmentovaná (neutrofilní granulocyty).

            Počet – ve většině buněk se obyčejně vyskytuje jen jedno jádro, ale jsou i výjimky (prvoci, houby). I u mnohobuněčných živočichů existují mnohojaderné buňky (osteoklasty, hepatocyty, rhambdomyocyty). Jsou i buňky bezjaderné (neplnohodnotné), jako červené krvinky, buňky, které tvoří lýko.

                       Syncytium – splynutí několika jednojaderných buněk.

                       Plazmodium – dělením jádra bez následného rozdělení buňky.

            Struktura – váček obklopený dvěma fosfolipidovými membránami, tvořícími dohromady tzv. jadernou membránu (karyolemu), ta je na vnitřní straně vyztužena systémem intermediárních filament, tzv. jadernou laminou. Uvnitř jádra se nachází karyoplazma, tedy vlastně cytoplazma s charakteristický jaderným složením. Obsahuje především chromatin, tedy jadernou DNA a sní asociované proteiny (histony). Kromě chromatinu lze v jádře najít ještě jadérko a další drobné struktury.

Jaderný obal – útvar obklopující jádro buňky, který je tvořen dvěma fosfolipidovými membránami. Vnitřní membrána pomáhá stabilizovat chromatin v jádře, vnější je spojena s endoplazmatickým retikulem. S cytosolem je jádro propojeno skrze tuto membránu pomocí jaderných pórů. Na vnitřní membránu se váže jaderná lamina, síť proteinů dodávající jádru mechanickou odolnost, na kterou se váže heterochromatin. Vnější membrána připomíná membránu hrubého endoplasmatického retikula a stejně jako ona nese navázané ribozomy. Perinukleární cisterna je ohraničena vnitřní a vnější membránou a pokračuje jako endoplazmatické reikulum. Ribozomy umístěné na vnější membráně syntetizují proteiny do tohoto prostoru (20 – 40nm).

Jaderný pór – rozměrný molekulární komplex mnoha proteinů vyskytující se v jaderné membráně eukaryotických buněk. Má oktogonální tvar. Umožňuje selektivní transport látek přes membránu jádra. Každá buňka obsahuje několik tisíc pórů (až 3000). Celý finální válcovitý útvar je z průřezu symetrický a má osmiúhelníkový tvar. Na vnější straně membrány vybíhají filamenta, na vnitřní straně (v jádře) je košovitý útvar. Vnitřní kruh a dva vnější kruhy.

Nukleoporiny – proteiny, ze kterých se jaderný pór skládá, každý se několikrát opakuje. V jejich struktuře se často střídá fenylalanin a glycin, tyto FG oblasti jsou vystaveny na vnitřním povrchu póru a zřejmě hrají důležitou roli v transportu látek.

Transport – v jadrném póru se odehrává prakticky veškerý membránový transport mezi cytosolem a jádrem. Tento transport je obousměrný a poměrně efektivní (když buňka replikuje svoji DNA, musí skrz každý pór projít každou minutu 100 histonů)

Import – strukturní proteiny, histony, enzymy, signální molekuly, ribozomální proteiny.

Export – ribozomální podjednotky, RNA, proteiny

Pasivní transport – malé molekuly do velikosti 5kDa (3nm) prochází jaderným pórem zcela volně, na základě pasivního transportu. Se zvyšující se velikostí se tato možnost zhoršuje, pokud má protein 17kDa, tak na základě prosté difúze vyrovná koncentraci mezi cytosolem a jádrem na kratší dobu, protein o velikosti 60kDa už neprochází téměř vůbec. Bariéra je neuspořádaná a samoskladná.

Transport pomocí receptorů – všechny proteiny větší než 60kDa a které se samostatně nedostanou přes jadernou membránu, mají ve své primární sekvenci tzv. jaderný lokalizační signál (NLS), bohatý na lysin a arginin (makromolekuly v nativním stavu). Tento signál umožňuje rozpoznání specifickými vektory, s nimiž následně kýžený protein projde jaderným pórem. Jaderný exportní signál (NES) slouží zase k vynášení proteinů z jádra ven.

Karyoferiny – skupina proteinů zapojená do transportu. Většina proteinů je potřeba pro průchod póry. Mohou se chovat jako importiny (pomáhají proteinům do jádra), nebo exportiny (pomáhají jim z jádra). Importin β je typ karyoferinu, který umožňuje transport proteinu do jádra. Váže importin α, který váže protein před tím než jde do jádra, nebo může protein vázat sám.

Ran gradient – Ran je malý protein (25kDa), který je zapojen do transportu dovnitř a vně jádra během interfáze a taky zapojen v mitóze. Ran je důležitý pro přemístění RNA a proteinů přes jaderné póry. Ran existuje v buňce ve dvou formách – RanGDP a RanGTP, které mezi sebou přecházejí. Ran může volně přecházet po buňce, ale lokálně rozdílná koncentrace RanGDP a RanGTP vytváří koncentrační gradient, který se chová jako signál pro další buněčné pochody. RanGDP více mimo jádro, RanGTP více v jádře. Ran je zapojen do transportu proteinů přes jadernou membránu reakcí s karyoferiny a změnou jejich schopnosti vázat a uvolňovat molekuly. Proteiny obsahující NLS jsou navázány importiny a transportovány do jádra. V jádře, RanGTP se váže na importin a uvolňuje protein (náklad). Protein, který potřebuje ven z jádra do cytoplazmy se váže na exportin v komplexu s RanGTP. Hydrolýzou RanGTP na RanGDP, vně jádra se komplex ozpadá a protein je uvolněn.

Export mRNA nezávisí na Ran gradientu. Export kompetentní mesengerové ribonukleoproteiny (mRNPs) – mRNA s navázanými proteiny – mRNA není in vivo „holá“, ale je vždy ve spojení s proteiny. Transportní faktory, viry.

Jaderná lamina – síťovitá vrstva proteinů přiléhající na vnitřní stěnu vnitřní jaderné membrány. Tvořena specifickým typem cytoskeletu, tzv. intermediárními filamenty. Ty se v tomto případě v procesu polymerace z tzv. jaderných laminů spojují do dvourozměrné struktury. Jaderná lamina je k vnitřní membráně jádra připojena díky vazbě na jaderné póry a další integrální membránové proteiny, mimo to se však s laminou váže i chromatin.

Laminy – proteiny tvořící hustou síť intermediárních filament na vnitřním povrchu buněčného jádra. Vyztužují tak jadernou membránu a chrání jádro.

Laminopatie – skupina genetických onemocnění způsobených mutacemi v genech kódujících proteiny jaderné laminy. Více než 20 syndromů.

Emeryho-Dreifusova svalová dystrofie – onemocnění, které způsobuje svalovou slabost. Obvykle se začíná projevovat v dětství nebo v období dospívání. Charakteristickými znaky jsou časný vývoj kontraktur loktů a Achillových šlach a postižení srdce.

Dilatující kardiomyopatie – onemocnění myokardu charakterizované rozšířením srdečních oddílů, což způsobuje sníženou ejekční funkci levé nebo obou komor.

Progerie – nemoc, která způsobuje předčasný a urychlený rozvoj stařeckého vzhledu a typických chorob stáří (aterosklerózy, osteoporózy, nádorů) se zkrácením délky života. Hutchinsonův-Gilfordův syndrom, Wernerův syndrom.

Chromatin – neboli jaderná hmota je komplex DNA a proteinů, které dohromady tvoří nukleohistonové vlákno. V jádře, kde neprobíhá jaderné dělení, se nachází chromatin ve 2 podobách, heterochromatin a euchromatin.

Struktura – volné vlákno DNA je namotáno na histony, čímž vzniknou nukleosomy (2x (H2A, H2B, H3, H4)). Oblast DNA pevně přichycená v nukleosomu na histon je méně přístupná pro transkripci než oblast vlána DNA mezi nukleosomy. Struktura tvořená vláknem DNA, které je v pravidelných intervalech obtočené okolo histonů se nazývá beads-on-string, protože připomíná korálky na niti. Při kondenzaci chromatinu při buněčném dělení se vlákno s nukleozomy stáčí jako telefonní kabel do smyček zvaných solenoidy. Tyto smyčky jsou tu a tam přichyceny na proteinové lešení, čímž vytváří záhyby (histony H1 a H5). Toto lešení se záhyby DNA se stáčí, aby utvořilo chromosom.

Euchromatin – málo spiralizovaný chromatin (pouze forma solenoidu). Slabě namotaná (kondenzovaná) forma chromatinu, často pod aktivní transkripcí. Nejaktivnější část genomu v buňce. Světle se barvící, prodloužený, otevřený, méně kompaktní. Aktivní transkripce na heterochromatin (ochrana genů, kontrola exprese genů). „Vždy zaplý“ je ten, který kóduje proteiny pro základní funkce buňky.

Heterochromatin – vysoce spiralizovaná forma. Místo neaktivní transkripce. Lokalizován na periferii jádra a kolem jadérka. Tvoří centromery a telomery. Obsahuje méně přístupné části DNA. Když se buňka rozdělí, obě dceřiné buňky obdrží heterochromatin ze stejných regionů DNA.

Konstitutivní – repetitivní, formuje centromery nebo telomery. Funguje i jako atraktor pro další expresní nebo represní signály.

Fakultativní – nerepetitivní, za určitých podmínek se může rozvolnit struktura a probíhat transkripce (vývojové geny)

DNA (deoxyribonukleová kyselina) – molekula, která nese genetické informace pro růst, vývoj, funkci a reprodukci všech živých organismů a některých virů. Biologická makromolekula – polymer v podobě řetězce nukleotidů.

Objev – popsána 1869 švýcarským lékařem Frierichem Miescherem, když zkoumal složení hnisu z obvazů. Množství nukleových kyselin nazýval nuklein. Na počátku 20. století P. Levene rozpoznal, že DNA je z cukrů, fosfátů a dusíkatých bazí.

Avaryho-MacLeodův-McCartyho experiment – série pokusů s transformací pneumokoků z roku 1944, která zjistila, že DNA je genetickým materiálem buňky. Navazoval na Griffithův experiment (1928) – míchal živé a mrtvé kmeny pneumokoků s viry (živý bez + mrtvý s = živý s)

Další důkaz z roku 1952 (Hersheyho-Chasové experiment). 1953 James D. Watson a Francis Crick představili dvoušroubovicový model DNA. 1957 F. Crick předložil pravidla popisující vztahy mezi DNA, RNA a proteiny (centrální dogma molekulární biologie). 1958 Heselsonův-Stablův experiment – poznání replikace DNA. Na počátku 60. let H. G. Khorana, R. W. Hollex a M. W. Nirenberg rozluštili genetický kód.

Struktura - velmi dlouhý lineární řetězec nukleotidů. Zastoupení různých nukleotidů a jejich sekvencí v polynukleotidovém řetězci nazýváme primární strukturou.

Nukleotid – tvořen spojením organické dusíkaté zásady (báze), pentózy a kyseliny fosforečné. Bez kyseliny fosforečné nukleosid. Kyselina fosforečná se estericky váže na 3. nebo 5. atom pentózy (deoxyribózy). Dusíkatá báze se váže s pentózou glykozidovou vazbou. Puriny – Adenin (6-aminopurin), Guanin (2-amino-6-oxopurin). Pyrimidiny – Thymin (2, 6-dioxo-5-metylpyrimidin), Cytozin (6-amino-2-oxopyrimidin).

Polynukleotidový řetězec – jednotlivé nukleotidy jsou v řetězci vázány esterickou vazbou mezi fosfátovou skupinou jednoho nukleotidu (na 3C) a 5C pentózy druhého. V ose se střídá kys. fosforečná a pentóza, báze odstupují. Na jednom konci je fosfátová skupina (5´konec), na druhém pentóza (3´konec) = polarizován. Celkový počet pospojovaných nukleotidů, vzájemný poměr čtyř různých nukleotidů a jejich sekvence v řetězci charakterizuje jednotlivé druhy nukleových kyselin.

Molekula DNA je tvořena zpravidla dvěma polynukleotidovými řetězci, které probíhají vedle sebe a jsou navzájem spojeny vodíkovými můstky mezi bázemi. Výjimečně (u některých virů) jednovláknová. Oba řetězce probíhají antiparalelně, tj. na jednom konci molekuly je 3´konec jednoho a 5´konec druhého řetězce. Sekvence nukleotidů v obou řetězcích je na sobě závislá. Je-li v jednom řetězci cytozin, v druhém naproti němu je guanin (pár C-G), naproti adeninu je vždy thymin (A-T), obecně naproti purinu je pyrimidin. Protilehlé báze jsou spolu vázány vodíkovými můstky. Poměr A-T/C-G je pro daný druh DNA vždy konstantní. Nukleotidové sekvence v molekulách nukleových kyselin představují jistou informaci, kterou molekula nese. Některé druhy DNA mají oba konce navzájem spojené – cirkulární (viry, prokaryontní chromozomy, plazmidy, mitochondrie, chloroplasty). Sekundární strukturou je dvoušroubovice DNA. Nejčastěji je pravotočivá, u opakujících se purinů a pyrimidinů může být levotočivá. Stabilizaci zajišťují vodíkové můstky mezi komplementárními bazemi a hydrofobní interakce.

Denaturace – oddělení obou řetězců úplné nebo lokální (teplota, iontové síly, močovina), reverzibilní.

Depolymerace – přerušení obou vláken přibližně ve stejném místě (větší energie, působení enzymů)

                                   Lokalizace – jaderná a mimojaderná

Jaderná – DNA, která kóduje pořadí AK v polypeptidu nebo RNA. Která má funkci kontrolní a řídící. Zvláštní typy DNA mají specifické funkce v chromozomech, např. centromery a telomery.

Mimojaderná – u člověka se nachází v mitochondriích. Je odlišné od eukaryotického, ale podobné prokaryotickému. Má cirkulární uspořádání.

                                   Velikost – lidský genom až 2 metry.

Organizace – DNA se organizuje do chromozomů. Dvouvlákno se nabalí na proteiny (histony), nabalená na 8 histonů tvoří nukleozom. Dalším stáčením vzniká 30nm tlustá šroubovice.

Histony – bílkoviny bazického typu. Bílkoviny s hojným zastoupením bazických AK lysinu a argininu. H1, H2A, H2B, H3, H4, H5. H2A, H2B, H3, H4 tvoří oktamer, kolem kterého se omotává DNA a tvoří nukleozom (10nm). H1 a H5 jsou spojující. K nukleozomům se připojují zevně, nejsou součástí oktameru. Mají význam v dalším svinování nukleozomového řetězce do závitů vyššího řádu, solenoidu (jedna otáčka 8 – 10 nukleozomů). Solenoid = chromatinové vlákno (30nm). Patří k evolučně nejkonzervativnějším bílkovinám, tzn. že jejich struktura se v průběhu evoluce měnila velmi málo.

Remodelace chromatinu  - kontrola genové exprese. Modifikace histonů (acetylace, metylace, fosforylace). Fosforylace H1 souvisí s kondenzací chromozomů. Acetylace souvisí se změnami kondenzace chromozomů a regulací genové aktivity. SMC proteiny působí rozklad ATP, které se účastní organizace chromozomů (structural maintenance of chromosomes). Koheziny jsou proteinové komplexy, které u sebe drží sesterské chromatidy. Kondenziny jsou bílkovinné komplexy ze dvou SMC proteinů v jádře a účastní se kondenzace chromozomů.

Jadérko – neohraničená jaderná struktura. Spíše než o samostatnou organelu jde o funkční oblast jádra, která je tvořena sekvencemi satelitů akrocentrických chromozomů 13, 14, 15, 21, 22, které na svých kratších ramenou nesou nukleolární organizátor, kolem kterého se formují proteiny, DNA a RNA. Tvořena subregiony FC (fibrillar center), DFC (dense fibrillar component), GC (granular component). Struktura je proměnlivá, prochází cyklickými změnami. Oblasti chromozomů tvořící jadérko obsahují geny pro rRNA, z čehož plyne hlavní funkce. Hraje roli v buněčném dělení, buněčném cyklu, proliferaci a odpovědi na stres. Jednou ze součástí jsou ribonucleoproteiny, RNA

            Choroby

Wernerův syndrom – jedná se o dědičné onemocnění způsobené mutací genu WRN, který kóduje DNA helikázu, která má vliv na tvorbu inaktivních forem telomeráz (RNP sloužící k ochraně telomer).

Bloomův syndrom – dědičný syndrom chromosomální nestability. Postižený gen normálně kóduje DNA helikázu.

Dyskeratosis kongenita – dědičné onemocnění slabé „údržby“ telomer, kvůli počtu genetických mutací.

C-myc – gen, který kóduje protein zapojený do buněčného cyklu, apoptosy. Mutace genu způsobí, že je permanentně „zapnutý“ a to vede k neregulované expresi mnoha genů, což může způsobit rakovinu.

Virové infekce – vir se dostane do jadérka pomocí NTS (nuclear targeting signal), který za normálních okolností umožňuje správné umístění proteinu dovnitř nebo ven z jadérka.

HIV – Rev je protein klíčový pro regulaci exprese HIV proteinu. Rev gen obsahuje NLS, který dovoluje Rev proteinu dostat se do jádra, kde je zapojen do exportu mRNAs strukturálních genů HIV. Když není Rev protein, mRNAs jsou zadrženy v jádře, což zabraňuje jejich translaci.