Il nucleo cellulare: funzioni e struttura negli eucarioti

Il Nucleo

Tipico degli eucarioti - Preposto:

• alla direzione dei processi che si svolgono nel citoplasma
• alla trasmissione dei caratteri ereditari da una generazione a quella successiva.

Relazioni Nucleo-Citoplasmatiche

• Le caratteristiche della cellula sono determinate dai messaggeri prodotti nel nucleo
• Anche il citoplasma però influenza l'attività del nucleo

L'Involucro Nucleare

è costituito da due membrane Ribosomi Cromatina Involucro nucleare Nucleolo Poro PORI NUCLEAR I 0 NUCLEOPLASMA Soluzione acquosa contenente la CROMATINA 0

Trasporto Nucleo-Citoplasma

RE rugoso Cromatina Nucleolo Pori nucleari 0.25 um Poro nucleare Involucro nucleare Nucleoplasma RE in comunicazione con la membrana esterna dell'involucro nucleare Membrana nucleare esterna Poro nucleare 2 um Proteine del poro nucleare Membrana nucleare interna

Trasporto di Macromolecole Dentro e Fuori dal Nucleo

Trascrizione e Maturazione dell'RNA

Replicazione del Cromosoma

DNA - rRNA mRNA tRNA Subunità ribosomali NUCLEO Proteine necessarie per la trascrizione Proteine necessarie per la replicazione del cromosoma Proteine ribosomali Sintesi proteica Polipeptide tRNA in allungamento Ribosoma mRNA CITOPLASMA Proteina completa

Pori Nucleari

Aperture di 70-80 nm Bidirezionali

• Trasporto nucleo-citoplasma Molecole superiori ai 9 nm richiedono meccanismi ATP dipendenti ER NP M NE H R NP 0.3 pm

Struttura dei Pori Nucleari

Struttura molto complessa costituita da 50 proteine diverse Nucleoporine Citoplasma Proteina integrale Ribosoma Membrana esterna Membrana interna Complesso del poro nucleare RE 72 Spazio intermembrana Lamina Eterocromatina

I Pori al TEM

pori nucleari pori nucleari €

I Pori al SEM

NP B B NP

Struttura del Poro Nucleare

NUCLEOPLASMA Complesso del poro nucleare Membrana nucleare interna 4-120 nm- "Cesto" di fibre Proteina di ancoraggio Lamina nucleare Subunità dell'anello Raggio Membrana nucleare esterna Trasportatore Fibra Reticolo endoplasmatico 8 Ribosomi CITOSOLCITOPLASMA Filamenti citoplasmatici Filamenti prossimali Trasportatore centrale Anello citoplasmatico Anello di raggi interno Involucro nucleare Raggio Anello di raggi esterno Anello nucleoplasmatico Canestro nucleare NUCLEOPLASMA

(a) Pori nucleari EdiSES Becker, Kleinsmith, Hardin Il Mondo della Cellula EdiSES 0,25 pm

Il Trasporto Attivo delle Proteine Attraverso i Pori Nucleari

proteina destinata al nucleo recettori di importazione nucleare fibrille del poro nucleare CITOSOL NUCLEO

Importazione Nucleare

CITOSOL NUCLEO NPC 3 NPC trasporta il complesso proteico nel nucleo; il processo richiede GTP Importina GTP 2 Il complesso proteico si lega a NPC NLS Proteina richiesta nel nucleo 1 La proteina che contiene il segnale NLS si lega all'importina e si sposta verso un poro nucleare

Le Vie di Comunicazione fra Interno del Nucleo e Citoplasma

citoplasma evaginazione dalla membrana esterna passaggio diretto nel canale del poro migrazione di vescicole evaginazione formazione di repliche dell'involucro (lamelle annulate) nucleoplasma

Involucro Nucleare

n Doppia membrana con spazio intermembrana Continuo con il RER n Dopo la mitosi, si riforma da elementi del RER n

Lamina Fibrosa

• All'interno della membrana nucleare Composta da Lamine - Filamenti Intermedi classe V n Strato elettrondenso di proteine

La Matrice e la Lamina Nucleare

Nucleo Citoplasma Fibre della matrice nucleare Lamina nucleare 1 μm (a) Connessione delle fibre della matrice nucleare alla lamina nucleare 1 pm (b) Vista superficiale della lamina nucleare

Nucleoplasma e Matrice Nucleare

• Materiale interno all'involucro nucleare tranne cromatina e nucleolo
• Costituito da proteine amorfe e metaboliti
• Le fibre costituiscono una sorta di "citoscheletro nucleare"

DNA e proteine associate (cromatina) reticolo endoplasmatico nucleolo centrosoma filamenti intermedi microtubuli poro nucleare lamina nucleare membrana nucleare esterna membrana nucleare interna 1 micron involucro nucleare

I Filamenti Intermedi Disposti Sotto la Membrana Nucleare

CITOSOL poro nucleare involucro nucleare lamina nucleare NUCLEO cromatina Pare che i filamenti intermedi della làmina nucleare forniscano siti di attacco per la cromatina.

La Cromatina

Proteine Nucleari

Istoni

• proteine basiche (pl 10-11) ricche in Arg, Lys e His
• peso molecolare 11 - 20 kD
• altamente conservate (5 classi di istoni sono presenti in tutti gli esseri viventi)
• sono sintetizzate contemporaneamente alla duplicazione del DNA
• le cinque classi di istoni sono: H1, H2A, H2B, H3, H4

Proteine Non Istoniche

• sono cariche negativamente o neutre
• peso molecolare 7 - 200 kD

Eucromatina ed Eterocromatina

Eucromatina Membrana nucleare Lamina nucleare Etero- cromatina Nucleolo Poro nucleare Reticolo endoplasmatico Ribosomi

Tipi di Cellule, Attività e Numero di Pori Nucleari

Nucleo di cellula pancreatica molto attiva (nucleo eucromatico). Nucleo di eritroblasto inattivo (nucleo eterocromatico). Eucromatina: cromatina meno condensata contenente DNA attivamente trascritto Eterocromatina: cromatina più condensata contenente DNA trascrizionalmente inattivo Alla divisione tutta la cromatina si impacchetta formando i cromosomi Cellule somatiche: 10 - 20 pori / micron2 Ovociti: 40-50 pori /micron2

Il Nucleo Osservato al TEM

eterocromatina nucleolo eucromatina involucro nucleare canali intercromatinici pori nucleari

L'Impacchettamento del DNA

-Nei procarioti: molecola circolare superavvolta (cromosoma batterico e plasmidi) -- Negli eucarioti si organizza in cromatina e cromosomi Superavvolgimento negativo DNA rilassato Superavvolgimento positivo Il filamento cromatinico è costituito da DNA e proteine. Cromatidio Il centromero è visibile come una regione di restringimento del DNA. Cromosoma Cromatidio cromosoma metafasico

I Nucleosomi

× H2A H2A H2B ~10 nm H3 DNA H4 H3 H2B DNA linker H4 Nucleosoma (8 molecole di istoni + 146 coppie di nucleotidi di DNA) Particella core del nucleosoma 0,05 pm

(B) (C) Nucleosome Histone core of nucleosome DNA H1 Histone octamer H1 histones Chromatin DNA "wrap" Linker DNA @ 2000 Sinauer Associates, Inc.

Struttura del Nucleosoma

50 nm collana di perle Nucleosoma La doppia elica di DNA avvolge il rocchetto di istoni costituito da otto molecole omonime. L'istone H1 si applica in corrispondenza del nucleosoma costituito da DNA e istoni. DNA Il CORE nucleosomico è costituito da un ottamero di istoni: H2A H2B H3 H4 IL DNA avvolge il CORE 1,7 volte (146 bp) L'istone H1 è invece associato al DNA linker

Diverso Grado di Condensazione di Eucromatina ed Eterocromatina

nucleo ottamerico DNA linker 10 nm Eucromatina (cromatina attiva). I nucleosomi sono distanziati tra di loro. PLH1 30 nm Eterocromatina (cromatina inattiva). Fibrilla di cromatina di 30 nm secondo il modello a solenoide che prevede l'interazione tra la fibra a nucleosomi di 10 nm e l'istone H1

Condensazione della Cromatina

Tratto condensato di cromosoma 30 nm Fibre di cromatina con nucleosomi addensati Organizzazione a «collana di perle» 11 nm + 2 nm 300 nm 700 nm 1400 nm Cromosoma metafasico Tratto disteso di cromatina Doppia elica del DNA Figura 3-8 Condensazione della cromatina. La figura mostra la progressiva condensazione della cromatina, fino alla formazione del cro- mosoma. EdiSES Gartner, Hiatt Istologia, III Ed. EdiSES

Doppia elica di DNA (diametro di 2 nm) 3 Istone H1 DNA Particella core del nucleosoma Istoni del core (8 subunità) Filamento di nucleosomi (diametro di 10 nm) Fibra di 30 nm Domini ad ansa Cromosoma metafasico Impalcatura proteica FIGURA 12.12 I diversi livelli di organizzazione della cromatina. La molecola di DNA nudo è avvolta intorno agli istoni a formare i nu- cleosomi, che rappresentano il primo livello di organizzazione della cromatina. I nucleosomi sono organizzati in fibre da 30 nm, che a loro volta si organizzano in domini ad anse. Quando le cellule si pre- parano alla mitosi, le anse si compattano ulteriormente nei cromo- somi mitotici (vedi anche Figura 14.13).

Diversi Gradi di Compattazione della Cromatina

DNA a doppia elica 2 nm forma della cromatina a collana di perle 10 nm fibra di cromatina formata da nucleosomi compattati 30 nm sezione di cromosoma in forma estesa 300 nm sezione condensata di cromosoma metafasico 12 700 nm cromosoma metafasico 1400 nm

Modello di Fibra Cromatinica

nucleosoma proteine che legano sequenze specifiche di DNA 30 nm Modello di fibra cromatinica. La struttura è interrotta da regioni ipersensibili alla digestione con DNasi I. In tali regioni sono presenti proteine che legano specifiche sequenze del DNA.

Formazione delle Anse

dominio ad ansa fibra riplegata da 30 nm alto livello di espressione dei geni nell'ansa enzimi che modificano gli istoni complessi che rimodellano la cromatina RNA polimerasi proteine che formano l'impalcatura del cromosoma Lo "scaffold" del cromosoma

T 2 nm DNA a doppia elica DNA linker 11 nm Istoni Nucleosoma (a) Nucleosomi ("collana di perle") 30 nm Nucleosoma (b) Fibra di cromatina di 30 nm Domini ad ansa 300 nm (c) Domini ad ansa 700 nm (d) Eterocromatina Cromatidi 1400 nm (e) Cromosoma duplicato e altamente condensato delle cellule in divisione

Modello di Laemmli

impalcatura proteica MODELLO DI LAEMMLI DNA ad anse- radiali e spirali microtubuli del fuso cinetocore Al centro del cromosoma si ha un'impalcatura proteica lungo la quale si avvolgono le fibrille di nucleosomi che, se privati di alcune proteine, sporgono sotto forma di anse.

Cromosoma Metafasico

Il filamento cromatinico è costituito da DNA e proteine. Cromatidio Il centromero è visibile come una regione di restringimento del DNA. Cromosoma Cromatidio

Il DNA Strutturale Altamente Ripetuto: Sequenze Centromeriche e Telomeriche

Localizzazione di sequenze specifiche Sequenze centromeriche ETEROCROMATINA COSTITUTIVA Sequenze telomeriche

Tipi di Cromosomi

cromosoma -costrizione secondaria centromero (costrizione primaria) U U telomero cromatide cromosoma METACENTRICO cromosoma SUBMETACENTRICO cromosoma ACROCENTRICO o TELOCENTRICO

Ogni specie possiede un corredo cromosomico caratteristico per numero e morfologia dei cromosomi . Specie con 2n = 24 cromosomi: metacentrici submetacentrici