Nucleolus

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Ein Nucleolus (von lateinisch nucleolus ‚Kernchen‘) oder Nukleolus, auch Kernkörperchen genannt, ist eine auffällige Struktur innerhalb des Zellkerns (Nukleus). Ein Nukleolus entsteht während der Interphase aus bestimmten Chromosomabschnitten. In jedem eukaryotischen Genom gibt es mindestens ein Chromosom, das einen Nukleolus entstehen lässt.[1] Besitzt ein diploider Zellkern mehrere solche Chromosomenpaare, können deren Nukleolen getrennt bleiben oder sich zu einem gemeinsamen Nukleolus vereinen. Beim Menschen verschmelzen zehn zunächst gebildete Nukleolen zu einem großen Nukleolus.

Jeder Nukleolus besteht aus ribosomaler RNA (rRNA) und deren Proteinen für Verpackung bzw. Transport. Jeder Nukleolus geht aus einem chromosomalen Genort hervor, der aus zahlreichen aneinandergereihten Genen ribosomaler DNA (rDNA) besteht. Von der rDNA wird die rRNA abgeschrieben, und zwar mit Hilfe der RNA-Polymerase I bzw. der RNA-Polymerase III. Die rDNA bildet über ihre ganze Länge die Nukleolusorganisatorregion (NOR), aus der ihr eigener Nukleolus hervorgeht. Mit der transkribierten rRNA und den passenden Proteinen werden im Nukleolus die beiden Untereinheiten der künftigen Ribosomen zusammengefügt. Die großen und die kleinen ribosomalen Untereinheiten gelangen durch die Kernporen in das Zytoplasma, wo sie schließlich als Ribosomen am Endoplasmatischen Retikulum die Proteinsynthese bewerkstelligen.

Organisation einer typischen eukaryotischen Tierzelle:
1. Nucleolus (Kernkörperchen)
2. Zellkern (Nukleus)
3. Ribosomen
4. Vesikel
5. Raues (Granuläres) ER (Ergastoplasma)
6. Golgi-Apparat
7. Cytoskelett
8. Glattes (Agranuläres) ER
9. Mitochondrien
10. Lysosom
11. Cytoplasma (mit Cytosol und Cytoskelett)
12. Peroxisomen
13. Zentriolen
14. Zellmembran

Ein Nukleolus ist eine Zellkernstruktur mit mehreren Funktionen: Einerseits ist er der größte „Puff“, der Genaktivität am eindrucksvollsten sichtbar macht; andererseits dient er als Prozessor und Speicher, der für den zellulären Stoffwechsel die Bauteile der Ribosomen bereitet und vorhält. Man kann also Nukleolen als die genetischen Ribosomen-Fabriken der Zelle ansehen.


Lage und Vorkommen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die meisten Gene für rRNAs liegen im menschlichen Genom in den Spitzen der kurzen p-Arme akrozentrischer Chromosomen, nämlich in Chromosom 13, 14, 15 sowie 21 und 22. Diese NORs liegen jeweils im Genort p12; jeder weist etwa 50 Sequenzwiederholungen auf. In einem diploiden menschlichen Zellkern sind also insgesamt zehn Chromosomen mit Nukleolus-Organisator-Regionen vorhanden, so dass theoretisch sich bis zu zehn Nucleolen pro Zellkern finden lassen sollten.[2] Normalerweise verfügt die Zelle jedoch nur über ein bis drei Kernkörperchen. Dies ist in der Tatsache begründet, dass nicht alle NORs in gleichem Ausmaß aktiv sind und außerdem mehrere NOR-Chromosomen sich einen Nukleolus „teilen“ können.

Die repetitiven Gene für die 5S-rRNAs liegen jedoch außerhalb der Nukleolusorganisatoren, und zwar im (langen) q-Arm des menschlichen Chromosoms 1.

Chromosomen mit einer NOR[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die folgende Tabelle weist notwendigerweise darauf hin, dass vom menschlichen Karyotyp keine Norm für die chromosomale Verteilung der NORs in den Genomen anderer Arten abzuleiten ist.

Spezies Karyotyp : Nukleolus auf Chromosom(en) Autoren
Zea mays 2n =20 1 Chromosom: #6 Silva et al, 2018.[3] McClintock 1929.[4]
Drosophila melanogaster 2n = 8,XY 1 Chromosom: X bzw. Y Warsinger-Pepe et al, 2020.[5]
Chironomus obtusidens 2n = 8 1 Chromosom: G Beermann 1962.[6]
Chironomus tentans 2n = 8 2 Chromosomen: #1, #2 Pelling 1964.[7]
Pseudodiamesa branickii 2n = 8 1 Chromosom: #4 Zacharias 1984.[8]
Sus scrofa Hausschwein 2n = 38,XY 2 Chromosomen: #8, #10 Mellink et al 1994.[9]

Rønne et al 1987.[10]

Bos taurus Hausrind 2n = 62,XY 5 Chromosomen: 2q, 3q, 4q, 11q, 25q Andraszek & Smalec 2012.[11]
Homo sapiens 2n = 46,XY 5 Chromosomen: 13p, 14p, 15p, 21p, 22p Mangan & McStay 2021.[12]

Van Sluisa et al 2020.[13]

Anzahl der 45S-rRNA-Gene aller NORs[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

In einer NOR wiederholen sich tandemartig mehrere identische Gene für die 45S-rRNA. Diese repetitiven Sequenzen ergeben eine oder mehrere NORs. Die folgende Tabelle zeigt die Gesamtzahl der Gene für die 45S-rRNA jeweils eines Genoms.[14][15] Von einer NOR werden als erstes Genprodukt die Moleküle der 45S-rRNA abgeschrieben, welche nachfolgend zu 28S, 18S- und 5,8S-rRNAs zerlegt werden.

Die Sedimentationszahl „S“ misst die Größe der RNA-Moleküle bei Beschleunigung in einer Ultrazentrifuge.

Spezies deutscher Name 45S-RNA-Gene
Saccharomyces cerevisiae Backhefe 140
Allium cepa Zwiebel 6950
Pisum sativum Erbse 3900
Triticum aestivum Weizen 6350
Bombyx mori Seidenspinner 240
Drosophila melanogaster Taufliege 200
Salmo salar Atlantischer Lachs 710
Gallus domesticus Haushuhn 200
Mus musculus Hausmaus 100
Homo sapiens Mensch 200

Gene für 5S-rRNAs[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Nicht in der rDNA der Nukleolusorganisatoren sind die repetitiven Gene für die 5S-rRNAs zu finden. Sie liegen im menschlichen Genom im (langen) q-Arm des Chromosoms 1. Die Mehrzahl dieser Gene wurde in der Region 1q42.11–q42.13 nachgewiesen.[16][17] Eine kleinere Fraktion, etwa ein Viertel der Gene für die 5S-rRNA, wurde etwas später in der Region 1q31 entdeckt.[18]

Bei der Taufliege befinden sich die Gene für die 5S-rRNA in Chromosom 2, Region 56EF. Getrennt davon, enthält das X-Chromosom, wie oben in der Tabelle gelistet, die NOR mit den Genen für 18S- und 28S-rRNA.[19]

Proteine für die rRNAs[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Gene für alle Proteine liegen in den Chromosomen. Von den Genen werden die entsprechenden mRNAs als Informationsboten abgeschrieben, die dann durch die Kernporen ins Zytoplasma gelangen. An den Ribosomen erfolgt, entsprechend der genetischen Information einer mRNA, die Biosynthese eines Proteins. Im Falle der Polymerasen für rRNA werden diese durch die Kernporen zurück in den Zellkern befördert, um an den für sie bestimmten Genorten von der rDNA die rRNA abzuschreiben.

Zwei Polymerasen für die rRNAs[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die rDNA in einer NOR wird von der RNA-Polymerase I abgelesen. Das DNA-abhängige Enzym synthetisiert die 45S-prä-rRNA. Dieses Vorprodukt wird im Nukleolus in mehreren Schritten zu den rRNAs 28S, 18S und 5.8S prozessiert.[20][21]

Die Genorte für die 5S-rRNAs liegen jedoch außerhalb der NORs. Die RNA-Polymerase III besorgt die Transkription der 5S-rRNA, welche vom ursprünglichen Genort abwandert und in den Nukleolus gelangt.[22]

Prozessproteine für die rRNAs[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Das nukleoläre prä-rRNA-prozessierende Protein NIP7 sei als Beispiel vorgestellt. Es ist nötig, um für die Biosynthese der kleinen Ribosomen-Untereinheiten reife 18S-rRNA herzustellen. Das Adjektiv im Namen betont, dass der Wirkbereich des NIP7 auf den Nukleolus beschränkt bleibt.[23] Das Gen für das NIP7 liegt im langen Arm des menschlichen Chromosoms 16, und zwar in 16q22.1.[24]

Zwei Ribosomen-Bauteile[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die ribosomalen Proteine werden aus dem Zytosol durch die Kernporen zum Nukleolus geschleust und dort verwertet. Zusammen mit diesen Proteinen bilden die rRNAs 28S, 5,8S und 5S die großen Untereinheiten der künftigen Ribosomen. Die 18S-RNA ist das Molekül für die kleine Untereinheit der künftigen Ribosomen. Die großen (60S) und die kleinen (40S) Ribosomen-Untereinheiten werden anschließend wieder ins Zytosol gebracht und gehen dort, nach ihrem Zusammenschluss zu 80S-Ribosomen, am rauen Endoplasmatischen Reticulum (ER) oder frei im Zytosol, ihrer Tätigkeit als Translationseinheiten nach (siehe Ribosom).

Funktion des Nukleolus[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Als Produktionsort der Ribosomen-Untereinheiten ist ein Nukleolus in der Interphase des Zellzyklus aktiv. In dieser Zeit erscheint das „Kernkörperchen“ im Lichtmikroskop. Das ist naheliegend, weil die Interphase die Hauptzeit des zellulären Stoffwechsels ist, gekennzeichnet von Proteinsynthese, die massenhaft Ribosomen erfordert. In Zellen mit intensiver Proteinsynthese ist der Nukleolus besonders groß.[25] Allerdings sind die Bildungsorte der Nukleolen während der mitotischen Interphase nicht ohne weiteres zu erkennen, weil die Chromosomen derweil völlig aufgelockert sind. Organe mit Polytänchromosomen bieten diesbezüglich einen diagnostischen Vorteil.

Bis zum Begin der Kernteilung werden die Nukleolen meist aufgebraucht: Ihre Struktur verschwindet und ist folglich auch nicht mehr anfärbbar. Die Nukleolen sind in der Mitose inaktiv, weil die Zellen zur Metaphase und Anaphase (fast) keine Proteine herstellen und deswegen vom Zellkern keine neue genetische Information brauchen.[26] Sollte während der Interphase eine NOR besonders aktiv gewesen sein, mag sie in manchen Metaphasen nicht so stark kondensieren wie das übrige Nukleolus-Chromosom. Diese Chromosomen-Stelle geringer Verpackung wird als sekundäre Konstriktion bezeichnet. (Als primäre Konstriktion gilt die Zentromer-Region.) Nach der Telophase nehmen die NORs der Tochterkerne die Transkription auf und bilden neue Nukleolen.

Keine Lehrbuchregel ohne Ausnahme. In manchen Arten bleiben die Nukleolen während der Mitose erhalten und teilen sich in der Anaphase. Für dieses Ausnahmephänomen steht das Stichwort „Nukleolenpersistenz“; ein Beispiel bieten die Wurzelspitzen der Gewöhnlichen Sonnenblume, Helianthus annuus.[27]

Struktur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Im Kernkörperchen selbst lassen sich Pars fibrosa und Pars granulosa unterscheiden. Die Pars fibrosa kann weiterhin in fibrilläre und dicht fibrilläre Komponenten untergliedert werden:

  • Die fibrillären Komponenten werden als mehrere rundlich, aufgehellte Bereiche im Nucleolus erkennbar. Hier findet durch die RNA-Polymerase I die Transkription von 45S-Prä-rRNA statt.
  • Die dicht fibrillären Komponenten liegen meist schalenförmig als dunkle Anteile um diese Transkriptionsbereiche angeordnet. Hier finden Zerschneidungen der 45S-rRNA in 28S-, 18S- und 5,8S-rRNA statt.

Die Pars granulosa stellt den größten Teil des Nucleolus dar. Ihr gekörntes Erscheinungsbild wird hauptsächlich durch die Synthese präribosomaler Partikel geprägt. Diese bestehen aus den verschiedenen rRNA-Formen und assoziierenden Proteinen, wobei der großen ribosomalen Untereinheit 49, der kleinen 33 zusätzliche Proteine zugeordnet werden.

Färbbarkeit[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Geschichte[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Erstes Interesse für die Nucleoli erregten John Gurdon und Donald Brown 1964, die beim Krallenfrosch Xenopus laevis entdeckten, dass 25 % von dessen Eiern keinen Nucleolus besaßen und allesamt nicht lebensfähig waren. Die Hälfte der Eier besaßen nur einen Nucleolus und 25 % besaßen zwei. Demnach mussten die Kernkörperchen einen lebensnotwendigen Bereich enthalten. 1966 zeigten Max Birnstiel und Hugh Wallace mit Hilfe von Hybridisierungsexperimenten, dass sie ribosomale DNA kodieren.

Krankheit und Nukleolen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Der Nukleolus reguliert nicht nur die Biogenese der Ribosomen, sondern ist auch für andere Zellfunktionen verantwortlich. Dazu zählen Antworten auf Stress, Alterung und Lebensdauer sowie die Genom-Organisation. Was menschliche Krankheiten anbelangt, spielen Nukleolus-Defekte eine Rolle, so beim vorzeitigen Altern im Hutchinson-Gilford-Syndrom oder bei der Blutarmut des Diamond-Blackfan-Syndroms.[31][32] Nicht zuletzt verdächtigt man den Nukleolus, die Krebsentstehung anzuzeigen oder ursächlich dabei mitzuwirken.[33][34]

Bei der Taufliege kommt eine Mutation bobbed (bb) vor. Den „gestutzten“ Körperbau verursacht ein Mangel an rDNA, der das Wachstum dramatisch verlangsamt und durchaus tödlich sein kann.[35] Von dieser genetischen Mangelkrankheit erholen sich Männchen über wenige Generationen, indem zwischen den Chromosomen X und Y mehrmals Crossing-over eintritt. Solche meiotische Rekombinationen ergeben eine „Magnifikation“, eine Vergrößerung der rDNA bis zum 20-Fachen. In der Modellvorstellung bildet die rDNA Ringe, die in den chromosomalen Genort eingefügt werden.[36][37]

Viren und Nukleolen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Viele Viren, deren Replikation in Zellkernen abläuft, lösen auch Wechselwirkungen mit den Nukleolen aus. Einige RNA-Viren, die im Zytoplasma repliziert werden, verursachen die Produktion gewisser Proteine, die in den Zellkern eindringen und dort den Nukleolus ansteuern.[38] Dadurch werden Nukleolus-Proteine in andere Bereiche der Wirtszelle umverteilt. So kommt es zu schwerwiegenden Auswirkungen auf Transkription und Translation. Die Veränderungen des zellulären Stoffwechsels dienen der Viren-Produktion.[39][40] – „Viren sind gelebtes Leben!“[41]

Literatur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. Wolfgang Beermann: Der Nukleolus als lebenswichtiger Bestandteil des Zellkerns. In: Chromosoma 11, 1960: 263–296.
  2. Walther Traut: Chromosomen: Klassische und molekulare Cytogenetik. Springer: Berlin, Heidelberg 1991: 189–193. ISBN 3-540-53319-2. → Seite 191: „Die maximale Zahl der Nukleolen entspricht der Zahl der aktiven NORs eines Zellkerns.“
  3. Jéssica Coutinho Silva, Carlos Roberto Carvalho, Wellington Ronildo Clarindo: Updating the maize karyotype by chromosome DNA sizing. In: PLoS ONE 13, 1, 2018: e0190428. PDF.
  4. Barbara McClintock: Chromosome morphology in Zea mays. In: Science 69, 1798, 1929: 629. Kurzmitteilung.
  5. Natalie Warsinger-Pepe, Duojia Li, Yukiko M Yamashita: Regulation of nucleolar dominance in Drosophila melanogaster. In: Genetics 214, 2020: 991–1004. PDF.
  6. Wolfgang Beermann: Riesenchromosomen. Springer, Wien 1962: → S. 21.
  7. Claus Pelling: Ribonukleinsäure-Synthese der Riesenchromosomen: Autoradiographische Untersuchungen an Chironomus tentans. In: Chromosoma 15, 1964: 71–122.
  8. Helmut Zacharias: Allocyclic behaviour and underreplication of the nucleolus chromosome in Pseudodiamesa (Chironomidae). In: Chromosoma 89, 1984: 263–273.
  9. Clemens H Mellink, A A Bosma, N A De Haan: Variation in size of Ag-NORs and fluorescent rDNA in situ hybridization signals in six breeds of domestic pig. In: Hereditas 120, 2, 1994: 141–149.
  10. Mogens Rønne, Vera Stefanova, Dino di Bernardino, Birger Strandby Poulsen: The R-banded karyotype of the domestic pig (Sus scrofa dornestica L.) . In: Hereditas 106, 1987: 219–231.
  11. Katarzyna Andraszek, Elżbieta Smalec: Structure of the nucleoli in domestic cattle spermatocytes. In: Folia Histochem Cytobiol 50, 3, 2012: 346–351. PDF.
  12. Hazel Mangan, Brian McStay: Human nucleoli comprise multiple constrained territories, tethered to individual chromosomes. In: Genes Dev 35, 7–8, 2021: 483–488. PDF.
  13. Marjolein van Sluisa, Chelly van Vuurena, Hazel Mangana, Brian McStay: NORs on human acrocentric chromosome p-arms are active by default and can associate with nucleoli independently of rDNA. In: Proc Natl Acad Sci USA 117, 19, 2020: 10368–10377. PDF.
  14. Adrian T Sumner: Chromosomes: Organisation and function. Blackwell, Oxford UK 2003; ISBN 0-632-05407-7. → Tab 11.1, S 134.
  15. Harris Busch, Lawrence Rothblum (eds): The cell nucleus. Vol X: rDNA, part A. Academic Press, New York 1982.
  16. Pernille Dissing Sørensen, B Lomholt, Sune Frederiksen, N Tommerup: Fine mapping of human 5S rRNA genes to chromosome 1q42.11-q42.13. In: Cytogenet Cell Genet 57, 1991: 26–29. Abstract.
  17. Pernille Dissing Sørensen, Sune Frederiksen: Characterization of human 5S rRNA genes. In: Nucleic Acids Res 19, 15. 1991: 4147–4151. PDF.
  18. B Lomholt, Sune Frederiksen, J Nederby Nielsen, C Hallenberg: Additional assignment of the human 5S rRNA genes to chromosome region 1q31. In: Cytogenet Cell Genet 70, 1995: 76–79. Abstract.
  19. James D Procunier, Kenneth D Tartof: Genetic analysis of the 5s RNA genes in Drosophila melanogaster. In: Genetics 81, 3, 1975: 515–523. PDF.
  20. Ingrid Grummt: Regulation of mammalian ribosomal gene transcription by RNA polymerase I. In: Progr Nucleic Acid Res Mol Biol 62, 1999: 109–154.
  21. Walter Traut: Chromosomen: Klassische und molekulare Cytogenetik. Springer, Berlin, Heidelberg1991. ISBN 3-540-53319-2. → Seite 192, Abb. 8.18: „Tandem-Repeats aktiver ribosomaler Transkriptionseinheiten aus dem Nukleolus einer Oocyte des Molches Pleurodeles“.
  22. Ian M Willis: RNA polymerase III: Genes, factors and transcriptional specificity. In: Eur J Biochem 212, 1993: 1–11.
  23. Luis G Morello, Cédric Hesling, Patrícia P Coltri, Beatriz A Castilho, Ruth Rimokh, Nilson I T Zanchin: The NIP7 protein is required for accurate pre-rRNA processing in human cells. In: Nucleic Acids Res 39, 2, 2011: 648–665. PDF.
  24. Matthew B Gross: Persönliche Mitteilung an OMIM: 2021. PDF.
  25. Eintrag Nucleolus im Lexikon der Biologie auf spektrum.de.
  26. Walter Traut: Chromosomen. 1991: S. 189.
  27. Georg Tischler: Handbuch der Pflanzenanatomie. Band II: Allgemeine Pflanzenkaryologie. 2. Hälfte: Kernteilung und Kernverschmelzung. Naturwissenschaftlicher Verlag, Berlin 1951. → Fig. 113, Seite 201.
  28. Yu Furusawa, Masashi Takahashi, Mariko Shima-Sawa, Osamu Yamamoto, Akira Yabuki: Argyrophilic nucleolar organizer regions staining for cytology smears in dogs and cats. In: J Vet Med Sci 82, 9, 2020: 1267–1270. PDF.
  29. Juan C Stockert. Uranyl-EDTA-Hematoxylin: A new selective staining technique for nucleolar material. In: Histochem 43, 1975: 313–322.
  30. Werner Büsen, J M Amabis, Orillio Leoncini, B D Stollar, F J S Lara: Immunofluorescent characterization of DNA.RNA hybrids on polytene chromosomes of Trichosia pubescens (Diptera, Sciaridae). In: Chromosoma 87, 1982: 247–262.
  31. Ursula Stochaj, Stephanie C Weber: Nucleolar organization and functions in health and disease. In: Cells 9, 2020: 526. PDDF.
  32. Kai Yang, Jie Yang, Jing Yi: Nucleolar Stress: Hallmarks, sensing mechanism and diseases. In: Cell Stress 2, 6, 2018: 125–140.PDF.
  33. Pietro Carotenuto, Annalisa Pecoraro, Gaetano Palma, Giulia Russo, Annapina Russo: Therapeutic approaches targeting nucleolus in cancer. In: Cells 8, 9, 2019: 1090. PDF.
  34. Davide Ruggero: Revisiting the nucleolus: From marker to dynamic integrator of cancer signaling. In: Sci Signal 5, 241, 2012: pe38. PDF.
  35. Roberto Weinmann: Regulation of ribosomal RNA and 5S RNA synthesis in Drosophila melanogaster: I. Bobbed mutants. In: Genetics 72, 1972: 267–276.PDF.
  36. Ferruccio Ritossa: Crossing-over between X and Y chromosomes during ribosomal DNA magnification in Drosophila melanogaster. In: Proc Natl Acad Sci USA 70, 7, 1973: 1950–1954. PDF.
  37. Lino C Polito, Daniela Cavaliere, Anna Zazo, Maria Furia: A study of rDNA magnification phenomenon in a repair-recombination deficient mutant of Drosophila melanogaster. In: Genetics 102, 1982: 39–48. PDF.
  38. Stephen M Rawlinson, Gregory W Moseley: The nucleolar interphase of RNA viruses. In: Cell Microbiol 17, 8, 2015: 1108-1120.
  39. Anna Greco: Involvement of the nucleolus in replication of human viruses. In: Rev Med Virol 19, 2009: 201–214. PDF.
  40. Julian A Hiscox: The nucleolus – a gateway to viral infection? In: Arch Virol 147, 2002: 1077–1089. PDF.
  41. Unbekannter Autor.

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Commons: Cell nucleolus – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien