Projekt prof. Rašky: "Jadérko: Nejen továrna na ribosomy" ****************************************************************************************** * Projekt prof. Rašky: "Jadérko: Nejen továrna na ribosomy" ****************************************************************************************** Jadérko (nukleolus) je jadernou organelou (subkompartmentem) a v mikroskopu se jeví jako n jaderná struktura. Právě proto bylo, na rozdíl od jádra objeveného zhruba o 50 let později těsně před Velkou francouzskou revolucí. Určení jeho funkce v buňce, resp. určení jeho "hl funkce, jsme se dočkali v šedesátých letech 20. století. Teprve tehdy bylo prokázáno, že j ribosomální geny a představuje továrnu na ribosomy. Jak se však zmíníme, nukleolus nám při a nálezy z posledních let svědčí o řadě neribosomálních (nekanonických) funkcí jadérka. Jadérko je místem přepisu (transkripce) ribosomálních genů do ribosomální RNA. Nejprve se dlouhý prekursor ribosomálních molekul RNA, sestávající (v lidské buňce) ze sekvence bezmá nukleotidů. Prekursor prochází složitým procesem vyzrávání a je z něho vyštěpeno několika vzájemně odlišných ribosomálních RNA. Ty představují organizační centrum pro vytváření mal ribosomálních podjednotek, které sestávají z ribosomálních RNA a desítek různých ribosomál (bílkovin). Malé i velké podjednotky, které jsou již v podstatě vyzrálé, putují z jadérka jaderné póry se dostávají do cytoplazmy a v cytoplazmě poté dochází seskupením jedné malé ribosomální podjednotky k vytvoření funkčního ribosomu. Ribosomy, a tedy i jadérka, jsou pro život buňky nepostradatelné, neboť jejich prostřednic v cytoplazmě k překladu informace uložené v podobě sekvence nukleotidů mediátorové RNA (me mRNA) do sekvence aminokyselin syntetizovaných proteinů, tj. dochází k proteosyntéze. Na r rovněž k proteosyntéze ribosomálních proteinů, přičemž příslušné molekuly mRNA jsou syntet pro jednotlivé ribosomální proteiny v jádře mimo jadérka. Vytvořené molekuly mRNA pro ribo odtud putují do cytoplazmy a na cytoplazmatických ribosomech dojde k syntéze ribosomálních putují do jádra a do jadérka, kde se stávají součástí nově vytvářených ribosomálních podje ░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░ A.░Dva░roztažené░transkribující░ribosomální░geny░z░oocytu░obojživelníků ░ve░snímku░z░elekt pořízen░po░rozbití░jadérka░hypotonickým░roztokem.░Ve░snímku░je░patrna░molekula░DNA░(t.j.░d která░představuje░centrální░osu.░Na░ni░nasedají░nascentní░molekuly░prekursorů░ribosomální░ ░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░ postupně░narůstajícímu░počtu░nukleotidů░zabudovaných░do░molekuly░prekursoru.░Konce░nascent složenou░z░neribosomální░RNA░a░neribosomálních░proteinů.░Tato░částice░hraje░důležitou░úloh Geny░jsou░odděleny░vmezeřenou░sekvencí░DNA░ (malá░šipka),░která░není░přepisována.░Černá░ús ░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░ transkribujících░ribosomálních░genů░se░nazývá░"vánoční░stromeček",░neboť░DNA░molekula░přip ribosomální░RNA░jeho░větve.░Vzhledem░ke░složitosti░tzv.░chromatinových░struktur░se░bohužel oocytů░hmyzu░a░obojživelníků,░nedaří░podobné░snímky░"vánočních░stromečků"░pořídit.░░░░░░░░ ░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░ Velikost a počet jadérek v jádře do značné míry souvisí s úrovní metabolismu buňky. Metabo aktivní buňky mohou vykazovat jedno či dvě drobná jadérka, vysoce aktivní buňky mají zprav obrovských jadérek. Například "spící" lidské lymfocyty periferní krve obvykle vykazují jed o průměru zhruba jednoho mikrometru, ale po aktivaci (např. po antigenní stimulaci) mohou vykazovat i více jadérek o průměru několika mikrometrů. Popsané rozdíly v morfologii a poč souvisejí s úrovní syntézy ribosomální RNA. Takto jsme velmi zjednodušeně shrnuli základní fakta o jadérku jako továrně na ribosomy. O regulace biogeneze ribosomů je dnes v popředí zájmu mnoha badatelských skupin a teprve v 2 tomto ohledu svědky exponencionálního nárůstu vědomostí. Podařilo se tak zodpovědět řadu z nicméně syntetický pohled na regulaci tvorby ribosomů stále chybí. Není např. známo, jak b potřeby reguluje produkci ribosomů. Doposud byl všeobecně přijímán názor, že syntéza ribos je regulována současně s produkcí ribosomálních RNA. Toto paradigma je zjevně rozbito. Výs studie s lidskými buňkami ukázaly, že ribosomální proteiny jsou ve srovnání se syntézou ri RNA produkovány v nadbytku, přičemž značná část těchto proteinů není použita při tvorbě ri podjednotek a je degradována. Navazující problém souvisí s existencí neaktivních a aktivní NORy dané buňky mohou být plně umlčené, tj. na tandemově uspořádaných ribosomálních genech nedochází k syntéze ribosomální RNA, zatímco aktivní NORy obsahují geny syntetizující ribo Mechanizmus přechodu z aktivního do neaktivního NORu v závislosti na změně proteosyntetick resp. pochodu obráceného, není dostatečně probádán. Rovněž není u lidských buněk znám rozs jednotlivých genů v rámci daného aktivního NORu. Doposud se všeobecně soudilo, že pokud je pak všechny geny NORu jsou vysoce transkripčně aktivní. Toto paradigma je rovněž nyní vyvr z nedávné doby prokázaly, že v rámci jednoho tandemu ribosomálních genů u kvasinek lze ved geny vysoce aktivní, tak i prakticky neaktivní. Je možné říci, že jsou to právě bílkovin mravenčí práci. Potřeba proteosyntézy je neustálý přísun nových a nových ribosomů ribosomální RNA odpovídá zpravidla více To je zajištěno tím, že buňky obsahují d (v rostlinných buňkách i tisíce genů), k somatické (diploidní) buňce se jedná zhr akrocentrických chromosomů (chromosomy 1 buňka obsahuje celkem 22 párů chromosomů chromosomy X nebo chromosomy X a Y). Rib skupinách za sebou, v tandemu, a tyto sk nukleolární organizátory, neboli NORy (N akrocentrických chromosomů se tak v jeji desítkami ribosomálních genů. Jadérka nepředstavují trvalou buněčnou s interfázi, tj. v údobí mezi dvěma buněčn dělení dojde k útlumu syntézy ribosomáln konci dělení dojde k reaktivaci tvorby r se opakující se ribosomální sekvence zpr ░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░obsahujících NOR shlukují a účastní se t B-D.░Elektronmikroskopické░mapování░transkripce░riNárůst našich vědomostí o jadérku byl vý genů░v░ultratenkém░řezu░jadérka░lidských░HeLa░buněmodel umožňuje jednoduše využít genetick obsahuje░jako░transkripčně░aktivní░geny░výlučně░ričasto, ne však vždy, platí i u buněk vyš ░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░  Buňky░do░nascentních░RNA░molekul░zabudovaly░běhemTak se pomocí molekulárně biologických a minut░modifikovaný░nukleotid,░který░je░možné░specise v konečně analýze používají in vitro tzv.░zlatými░komplexy.░V░tomto░případě░byl░použit░díky kvasinkovému modelu charakterizovat ░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░ obsahující░zlatou░kuličku░o░průměru░6░nm.░B░předstv biogenezi ribosomů. Nicméně ještě nedá pohled░na░jadérko,░C░a░D░detaily░snímku░v░B░(v░B░vorganismů důležitý aspekt poznání - kore čtverci).░Zlaté░kuličky░(šipky░v░C░a░D)░vytvářejí░v jadérku s nukleolárními strukturami po ░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░ zlatých░kuliček░představují░řezy░skrze░"vánoční░stbuňky i jadérka potřebovala miliony a mi které░jsou░v░buňce░kompaktovány░a░různě░v░prostoruoptimální interakci svých komponent. Tu tomto░ohledu░je░zajímavé░porovnat░délku░jednoho░plbezbuněčném systému. Proto se ░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░ ribosomálního░genu░v░A░s░velikostí░jadérka░v░B.Bílá úsečka v B░odpovídá░0.2░mikrometru,░bílé░úsečky░v░C░a░D░odpovídají 0.5 ░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░ mikrometrům.░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░░ dnes mnoho badatelských skupin zabývá molekulární buněčnou biologií, která integruje bioch biologii a buněčnou biologii, a zkoumá buňku (a jadérko) i v buněčném kontextu. Úspěch mol biologie byl dán rozvojem nových typů mikroskopů a nových mikroskopických přístupů pro stu snad především přístupů umožňujících pozorování buněk v čase. V těchto přístupech jsou v ž označeny mikroskopicky detegovatelnou značkou specifické proteiny (je možné označit i spec RNA; je rovněž možné sledovat iontové změny apod.) a je v čase sledován jejich osud v buňc Získané výsledky přinesly mimo jiné i obrovské překvapení pro 21. století. Všeobecně se vě její jádro či jadérko jsou dynamické struktury. Ukázalo se však, že buněčné komponenty, vč a jadérkových proteinů, jsou ve své valné většině nesrovnatelně více dynamické než se před Jaderné proteiny difundují více méně volně skrze jaderný prostor včetně jadérka a střední (residence time) většiny jadérkových proteinů v nukleolu je jen několik desítek vteřin. Ih otázka: Co vlastně stojí za existencí jadérka a jeho ustálenou (steady-state) strukturou b Ještě na začátku tohoto století se všeobecně soudilo, že transkripční aktivita ribosomální existencí jadérka a jeho ustálenou stukturou. Toto paradigma již neplatí, neboť bylo proká ribosomálních genů je pro to podmínkou nutnou, ne však podmínkou dostačující. Ostatně souč je i většina neaktivních NORů, které tak přispívají (neznámým způsobem) ke strukturní inte Integrita jadérka je zjevně uchována skrze interakci určitých proteinů s ribosomálními gen k vytvoření více méně stabilního komplexu. Ten představuje strukturní základ, který umožní vytvoření komplexní množiny jadérkových interakcí v jakémsi "superkomplexu". Nukleoplazmat neustále vyměňují s tímto nukleolárním superkomplexem, přičemž "steady-state" struktura ja výsledkem toho, že doba setrvání jadérkových proteinů v nukleolu je o jeden či více řádů d setrvání proteinů, které nejsou jadérku vlastní a které nenajdou v jadérku partnery, se kt reagovat. Na jadérko lze tedy pohlížet jako na "steady-state" strukturu, která je v dynami okolní nukleoplazmou. V souvislosti s jadérkem se podařilo významně prohloubit funkční popis nukleolárních struk metabolických procesů v nich probíhajících (viz obrázek). Mimo jiné také ultrastrukturální nascentních molekul ribosomální RNA, a tedy i aktivních ribosomálních genů. Mikroskopické umožnily identifikovat, i když prozatím jen u kvasinek, řadu kroků v maturaci prekursoru r Zásadní pokrok v našich vědomostech o jadérku byl umožněn zavedením funkční proteomické an především u lidských buněk. Na samém začátku 21. století bylo v jadérku lidské buňky ident než 200 různých bílkovin. S adventem jadérkové proteomiky to v roce 2002 bylo již na 350 b 2005 již bezmála 700 proteinů. Současné výsledky analýzy izolovaných jadérek z různých typ svědčí o přítomnosti více než 2 000 proteinů, přičemž ne všechny proteiny byly identifikov všech vyšetřovaných buněčných typů (dr. Angus Lamond, osobní sdělení). Funkční proteomická analýza jadérka napomohla zodpovědět řadu "ribosomálních" otázek, ale a rozšířila vědomosti o neribosomálních funkcích jadérka. Ukazuje se, že jadérko má úlohu buněčného cyklu, senescenci a regulaci funkce telomerasy, aktivitách onkogenů a supresorů stresových situacích buňky, metabolismu molekul mRNA, maturaci "mimojadérkových" molekul R virové infekce. Proč jadérko vykazuje tolik neribosomálních aktivit není známo. Vzhledem k nárůstu vědomostí o jadérku je však zřejmé, že se v blízké budoucnosti dočkáme odpovědí na souvisejících s ribosomálními i neribosomálními funkcemi jadérka. A zřejmě i řady překvape prof. RNDr. Ivan Raška, DrSc., Ústav buněčné biologie a patologie, 1. LF UK v Praze a Oddělení buněčné biologie FgÚ AV ČR Poděkování: Toto sdělení bylo podpořeno granty 304/04/0692, MSM0021620806, LC535 a AV0Z501 Doporučená literatura: Raška I., Shaw P., Cmarko D. (2006). Curr. Opin. Cell Biol., 18, 325-334. Raška I., Shaw P., Cmarko D. (2006). Int. Rev. Cytol., 255, 177-235. Obr. A. Zdroj: Alberts et al. Molecular Biology of the Cell, 4. vydání (2002), str. 305, F Obr. B-D. Zdroj: J. Cell Biology, 157, 743-748, 2002.