Wikipedia · einfach zusammengefasst · Stand
Nucleolus
Sie sind nach einer Kernteilung (Mitose) typischerweise in der Interphase zu finden und dienen dem Aufbau ribosomaler RNA. Im Nukleolus findet auch deren …
Inhalt5 Abschnitte
Begriff und zentrale Aufgabe
Der Nukleolus, auch Nucleolus oder Kernkörperchen genannt, ist ein etwa kugelförmiger, lichtmikroskopisch auffälliger Bereich des Nukleoplasmas im Zellkern einer eukaryotischen Zelle. Er ist nicht von einer Membran umgeben und daher kein membranbegrenztes Organell.
Nukleoli entstehen an bestimmten Chromosomenregionen, den Nukleolusorganisatorregionen (NOR). Ihre Hauptaufgabe ist die Biogenese von Ribosomen: Im Nukleolus wird ribosomale RNA (rRNA) gebildet, verarbeitet und mit ribosomalen Proteinen zu Vorstufen der kleinen 40S- und großen 60S-Untereinheit eukaryotischer Ribosomen zusammengesetzt. Diese Untereinheiten werden durch Kernporen ins Cytosol transportiert und bilden dort 80S-Ribosomen, die die Proteinbiosynthese ermöglichen – frei im Cytosol oder am rauen Endoplasmatischen Reticulum gebunden.
Lage, NOR und genetische Organisation
In jedem eukaryotischen Genom gibt es mindestens ein Chromosom mit einer Region, die einen Nukleolus entstehen lässt. Mehrere Nukleoli können getrennt bleiben oder miteinander verschmelzen. In menschlichen Zellen vereinigen sich die zehn zunächst gebildeten Nukleoli meist zu einem großen Nukleolus während der Interphase. In Zellen mit intensiver Proteinsynthese ist der Nukleolus besonders groß.
Die NOR enthalten aneinandergereihte Gene der ribosomalen DNA (rDNA). Diese repetitiven Sequenzen liegen häufig mehrfach bis tausendfach vor und werden mit hoher Aktivität transkribiert. Beim Menschen befinden sich die rDNA-Gene auf den kurzen p-Armen der akrozentrischen Chromosomen an den Genorten 13p12, 14p12, 15p12, 21p12 und 22p12. Pro NOR gibt es jeweils etwa 50 Sequenzwiederholungen; im diploiden Zellkern liegen insgesamt zehn Chromosomen mit NOR vor. Ob nach ihrer Verschmelzung noch alle NOR gleich aktiv sind, lässt sich kaum entscheiden.
Die Zahl und Lage der NOR unterscheiden sich zwischen Arten. Beispiele sind Chromosom 6 bei Zea mays, das X- beziehungsweise Y-Chromosom bei Drosophila melanogaster, Chromosom 4 bei mehreren Chironomus-Arten, die Chromosomen 8 und 10 beim Hausschwein, die Chromosomenarme 2q, 3q, 4q, 11q und 25q beim Hausrind sowie 13p, 14p, 15p, 21p und 22p beim Menschen. Bei Chironomus commutatus liegt die NOR in einem durch Translokation aus den chromosomalen Untereinheiten F+E+G entstandenen langen Chromosom, und zwar im Teil G.
Polytäne Chromosomen, wie sie etwa in Speicheldrüsen und Malpighi-Gefäßen von Fliegen- und Mückenlarven vorkommen, machen NOR besonders gut sichtbar. Bei Chironomus halophilus können die beiden elterlichen NOR unterschiedlich aktiv sein; dann entstehen trotz ihrer Nähe getrennte Nukleoli. Bei Pseudodiamesa branickii liegt die multiplizierte NOR als unabhängiges Chromatinnetz neben den Polytänchromosomen. Die starke Transkription verhindert dort, dass die Chromatiden der kleinen Chromosomen 4 zusammenbleiben.
Bildung von rRNA und Ribosomen
Die RNA-Polymerase I, ein DNA-abhängiges Enzym, liest die rDNA der NOR ab und bildet zunächst einen langen RNA-Einzelstrang, die 45S-prä-rRNA. Dieser wird in mehreren Schritten verändert und zerlegt. Daraus entstehen die rRNAs 18S, 5,8S und 28S. Gemeinsam mit der 5S-rRNA und ribosomalen Proteinen bilden sie die Vorstufen der Ribosomenuntereinheiten. Die Sedimentationszahl S beschreibt die Größe von RNA-Molekülen unter Beschleunigung in einer Ultrazentrifuge.
Die 5S-rRNA wird nicht innerhalb der NOR gebildet. Ihre Gene liegen außerhalb der Nukleolusorganisatorregionen und werden von der RNA-Polymerase III transkribiert. Beim Menschen befinden sie sich auf dem langen q-Arm von Chromosom 1, überwiegend in der Region 1q42.11–13; etwa ein Viertel liegt in 1q31. Bei Drosophila melanogaster enthält Chromosom 2 in der Region 56EF etwa 200 Kopien des 5S-rRNA-Gens. Bei Chironomus thummi liegen die 5S-rRNA-Sequenzen in der Region B3c–e des rechten Arms von polytärem Chromosom 2.
Ribosomale Proteine werden zunächst nach den Informationen ihrer mRNAs im Cytosol hergestellt. Danach gelangen sie durch Kernporen in den Nukleolus und verbinden sich dort mit den rRNAs. Die große Untereinheit enthält 28S-, 5,8S- und 5S-rRNA; die 18S-rRNA gehört zur kleinen Untereinheit. Der großen Untereinheit werden 49, der kleinen 33 zusätzliche Proteine zugeordnet. Die fertigen 60S- und 40S-Untereinheiten werden wieder ins Cytosol transportiert und können sich zu 80S-Ribosomen zusammenschließen.
Für die Verarbeitung der rRNA sind weitere Proteine erforderlich. Das nukleoläre prä-rRNA-prozessierende Protein NIP7 ist beispielsweise nötig, um reife 18S-rRNA für die kleine Ribosomenuntereinheit herzustellen. Das menschliche NIP7-Gen liegt auf Chromosom 16q22.1.
Struktur und Aktivität im Zellzyklus
Die Struktur des Nukleolus ergibt sich aus der räumlichen Abfolge von Transkription, rRNA-Prozessierung und Zusammenbau mit Proteinen. Elektronenmikroskopisch werden die faserartige Pars fibrosa und die körnige Pars granulosa unterschieden.
- In den fibrillären Komponenten der Pars fibrosa findet die Transkription der 45S-prä-rRNA durch RNA-Polymerase I statt.
- Die dicht fibrillären Komponenten liegen meist schalenförmig darum. Dort wird die 45S-rRNA in 28S-, 18S- und 5,8S-rRNA zerlegt.
- Die Pars granulosa bildet den größten Teil des Nukleolus. Ihr körniges Aussehen entsteht hauptsächlich durch präribosomale Partikel aus rRNA und assoziierten Proteinen.
Der Nukleolus ist während der Interphase aktiv und dann lichtmikroskopisch sichtbar. Vor Beginn der Mitose wird seine Struktur meist aufgelöst; er ist dann nicht mehr anfärbbar und während Metaphase und Anaphase inaktiv. Nach der Telophase beginnen die NOR der Tochterkerne wieder mit der Transkription und bilden neue Nukleoli. Eine besonders aktive NOR kann in der Metaphase weniger stark kondensiert sein als das übrige Chromosom. Diese locker verpackte Stelle heißt sekundäre Konstriktion; die Zentromer-Region wird dagegen als primäre Konstriktion bezeichnet. Eine Ausnahme ist die Nukleolenpersistenz: Bei manchen Arten bleiben Nukleoli während der Mitose erhalten und teilen sich in der Anaphase, etwa in den Wurzelspitzen der Gewöhnlichen Sonnenblume (Helianthus annuus).
Zur Darstellung im Lichtmikroskop können Zellpräparate 30 Minuten in einer Mischung aus einem Teil 1 % Ameisensäure und 2 % Gelatine sowie zwei Teilen 50 % Silbernitrat stehen und anschließend mit May-Grünwald gefärbt werden. Bevorzugt lässt sich der Nukleolus mit Uranylacetat darstellen. Mit einem Fluoreszenzmikroskop können mithilfe von anti-rA.dT-IgG molekulare rRNA-rDNA-Hybride in der NOR nachgewiesen werden.
Bedeutung für Forschung, Krankheiten und Viren
Die Forschungsgeschichte begann mit Rudolf Wagners Entdeckung des „Keimflecks“ im Jahr 1835. Später zeigten Untersuchungen an Xenopus laevis, dass die Zahl der Nukleoli mit der rRNA-Menge zusammenhängt: Ein heterozygotes Tier mit nur einem Nukleolus bildet halb so viel rRNA wie der Wildtyp mit zwei Nukleoli. Homozygote Mutanten ohne Nukleolus produzieren keine rRNA und sterben früh als Larven. Max Birnstiel und Hugh Wallace wiesen durch molekulare Hybridisierung nach, dass Nukleoli tatsächlich rDNA enthalten.
Der Nukleolus beeinflusst neben der Ribosomenbiogenese auch Stressantworten, Alterung, Lebensdauer und die Organisation des Genoms. Defekte stehen unter anderem mit dem Hutchinson-Gilford-Syndrom, einer Form vorzeitigen Alterns, und dem Diamond-Blackfan-Syndrom, einer Blutarmut, in Zusammenhang. Außerdem wird der Nukleolus als möglicher Hinweis auf Krebsentstehung oder als ursächlicher Faktor untersucht.
Bei der dominant vererbten, unheilbaren Huntington-Krankheit liegt die Ursache im veränderten Huntingtin-Gen auf Chromosom 4p16.3. Die Mutation stört die allgemeine Transkription. Davon ist auch das Nucleophosmin-Gen NPM1 auf Chromosom 5q35.1 betroffen: Das NPM1-Protein verliert seinen Bezug zum Nukleolus und kann dadurch den Krankheitsfortschritt anzeigen.
Bei Drosophila melanogaster vermindert die rezessive Mutation bobbed (bb) die Zahl der rDNA-Sequenzen in der NOR. Das verlangsamt das Larvenwachstum und verursacht kurze, dünne Rückenborsten; schwere homozygote Fälle sind tödlich. Männchen können sich über wenige Generationen durch wiederholtes Crossing-over zwischen X- und Y-Chromosom erholen. Dabei kann sich die rDNA bis zum 20-Fachen vergrößern.
Viele Viren beeinflussen Nukleoli. Bei Viren mit Replikation im Zellkern entstehen direkte Wechselwirkungen. Einige im Cytoplasma replizierende RNA-Viren bilden Proteine, die in den Zellkern gelangen und den Nukleolus ansteuern. Dadurch werden Nukleolus-Proteine umverteilt, was Transkription und Translation erheblich stören kann. Die veränderten Stoffwechselbedingungen unterstützen die Virusproduktion.
