En biología,
el núcleo
celular es
un orgánulo membranoso
que se encuentra en el centro de las células
eucariotas.
Contiene la mayor parte del material
genético celular,
organizado en múltiples moléculas lineales de ADN de
gran longitud formando complejos con una gran variedad
de proteínas como
las historias para
formar los cromosomas.
El conjunto de genes de
esos cromosomas se denomina genoma
nuclear.
La función del núcleo es mantener la integridad de esos genes y
controlar las actividades celulares regulando la expresión
génica.
Por ello se dice que el núcleo es el centro de control de la célula.
La
principal estructura que constituye el núcleo es la envoltura
nuclear,
una doble membrana que
rodea completamente alorgánulo y
separa ese contenido del citoplasma,
además de contar con poros
nucleares que
permiten el paso a través de la membrana para la expresión genética
y el mantenimiento cromosómico.
Historia
El
núcleo fue el primer orgánulo en ser descubierto. Probablemente, el
dibujo más antiguo que se conserva de este orgánulo se remonta a
uno de los primeros microscopistas, Anton van Leeuwenhoek
(1632–1723). Este investigador observó un hueco o "lumen",
el núcleo, en eritrocitos de salmón.1 Al contrario que los
eritrocitos de mamífero, los del resto de vertebrados son nucleados.
El núcleo también fue descrito en 1804 por Franz Bauer, y
posteriormente con más detalle por el botánico escocés Robert
Brown en una charla dictada ante la Sociedad linneana de Londres en
1831.2 Brown estaba estudiando la estructura microscópica de las
orquídeas cuando observó un área opaca, que llamó areola o
núcleo, en las células de la capa externa de la flor, si bien no
sugirió una función potencial para tal estructura.3 En 1838
Matthias Schleiden propuso que el núcleo desempeñaba un papel en la
generación de células, denominándolo por ello "citoblasto"
(constructor de células). Pensaba que había observado células
nuevas alrededor de estos "citoplasma". Feranz Meyen fue
un fuerte opositor de esta opinión habiendo descrito previamente
células que se multiplicaban por división y creyendo que muchas
células carecerían de núcleo. La idea de que las células se
podían generar de novo, bien por el "citoblasto" o bien de
otro modo, contradecía los trabajos de Robert Remak (1852) y Rudolf
Virchow (1855) quienes propagaron decisivamente el nuevo paradigma de
que las células solo eran generadas por otras células ("Omnis
cellula e cellula"). La función del núcleo permanecía sin
aclarar.4
Estructuras
El
núcleo es el orgánulo de mayor tamaño en las células animales.5
En las células de mamífero, el diámetro promedio del núcleo es de
aproximadamente 6 micrómetros (μm), lo cual ocupa aproximadamente
el 10 % del total del volumen celular.6 En los vegetales, el núcleo
generalmente presenta entre 5 a 25 µm y es visible con microscopio
óptico. En los hongos se han observado casos de especies con núcleos
muy pequeños, de alrededor de 0,5 µm, los cuales son visibles
solamente con microscopio electrónico. En las oósferas de Cycas y
de coníferas alcanza un tamaño de 0,6 mm, es decir que resulta
visible a simple vista.7
El
líquido viscoso de su interior se denomina nucleoplasma y su
composición es similar a la que se encuentra en el citosol del
exterior del núcleo.8 A grandes rasgos tiene el aspecto de un
orgánulo denso y esférico.
Envoltura
y poros nucleares
La
envoltura nuclear, también conocida como membrana nuclear, se
compone de dos membranas, una interna y otra externa, dispuestas en
paralelo una sobre la otra. Evita que las macromoléculas difundan
libremente entre el nucleoplasma y el citoplasma.9 La membrana
nuclear externa es continua con la membrana del retículo
endoplásmico rugoso (RER), y está igualmente tachonada de
ribosomas. El espacio entre las membranas se conoce como espacio o
cisterna perinuclear y es continuo con la luz del RER.
Lámina
nuclear
En
las células animales existen dos redes de filamentos intermedios que
proporcionan soporte mecánico al núcleo: la lámina nuclear forma
una trama organizada en la cara interna de la envoltura, mientras que
en la cara externa este soporte es menos organizado. Ambas redes de
filamentos intermedios también sirven de lugar de anclaje para los
cromosomas y los poros nucleares.6
La
lámina nuclear está compuesta por proteínas que se denominan
proteínas laminares. Como todas las proteínas, éstas son
sintetizadas en el citoplasma y más tarde se transportan al interior
del núcleo, donde se ensamblan antes de incorporarse a la red
preexistente.13 14 Las láminas también se encuentran en el interior
del nucleoplasma donde forman otra estructura regular conocida como
velo nucleoplásmico,15 que es visible usando interfase. Las
estructuras de las láminas que forman el velo se unen a la cromatina
y mediante la disrupción de su estructura inhiben la transcripción
de genes que codifican para proteínas.
Cromosomas
El
núcleo celular contiene la mayor parte del material genético
celular en forma de múltiples moléculas lineales de ADN conocidas
como cromatina, y durante la división celular ésta aparece en la
forma bien definida que se conoce como cromosoma. Una pequeña
fracción de los genes se sitúa en otros orgánulos, como las
mitocondrias o los cloroplastos de las células vegetales.
Nucléolo
El
nucléolo es una estructura discreta que se tiñe densamente y se
encuentra en el núcleo. No está rodeado por una membrana, por lo
que en ocasiones se dice que es un suborgánulo. Se forma alrededor
de repeticiones en tándem de ADNr, que es el ADN que codifica el ARN
ribosómico (ARNr). Estas regiones se llaman organizadores
nucleolares. El principal papel del nucléolo es sintetizar el ARNr y
ensamblar los ribosomas. La cohesión estructural del nucléolo
depende de su actividad, puesto que el ensamblaje ribosómico en el
nucléolo resulta en una asociación transitoria de los componentes
nucleolares, facilitando el posterior ensamblaje de otros ribosomas.
Este modelo está apoyado por la observación de que la inactivación
del ARNr da como resultado en la "mezcla" de las
estructuras nucleolares.
Otros
cuerpos subnucleares
Además
del nucléolo, el núcleo contiene una cierta cantidad de cuerpos
delimitados no membranosos. Entre éstos se encuentran loscuerpos
de Cajal (cuerpos
enrollados), los llamados "Géminis de los cuerpos enrollados"
(Gemini of coiled bodies, en inglés),
la denominada Asociación Cariosómica Polimórfica Interfásica
(PIKA, por sus siglas en inglés de
Polymorphic Interphase Karyosomal Association), los Cuerpos de la
Leucemia Promielocítica (PMLs, por sus siglas
en inglés de promyelocytic
leukaemia),
los "paraspeckles"
y los "specles de ayuste" o "motas de empalme"
("splicing speckles" en inglés).
Aunque se sabe poco sobre el número de estos dominios subnucleares,
son significativos en cuanto que muestran que el nucleoplasma no es
una mezcla uniforme, sino que más bien contiene subdominios
funcionales organizados.
Otras
estructuras subnucleares aparecen como parte de procesos patológicos.
Por ejemplo, se ha visto la presencia de pequeños bastones
intranucleares en algunos casos de miopatía
nemalínica.
Esta enfermedad se produce típicamente por mutaciones en el gen de
la actina,
y los bastones en sí mismos están constituidos por la actina
producida a partir de tales genes mutantes, así como otras proteínas
del citoesqueleto.
Cuerpos
de Cajal y GEMs
El
núcleo típico posee de 1 a 10 estructuras compactas
denominadas Cuerpos
de Cajal o
cuerpos enrollados (CBs, por sus siglas en inglés de
Coiled Bodies), cuyo diámetro mide entre 0,2 µm y 2,0 µm
dependiendo del tipo celular y especie.28 Cuando
se observan bajo el microscopio
electrónico,
se asemejan a ovillos de hilos enmarañados,29 y
son focos densos de distribución de la proteína coilina. Los
CBs están implicados en varios tipos distintos de funciones
relacionadas con el procesamiento de ARN, específicamente en la
maduración del ARN
nucleolar pequeño (snoRNA)
y el ARN
nuclear pequeño (snRNA),
y modificación del ARNm de histonas.28
Semejantes
a los cuerpos de Cajal se encuentran los "Geminis de cuerpos
enrollados o GEMs (por sus siglas en inglés de
Gemini of Coiled Bodies), cuyo nombre se deriva de la constelación
de Géminis por
su relación casi como de gemelos con los Cuerpos de Cajal. Los GEMs
son similares en forma y tamaño a éstos últimos, y de hecho son
virtualmente indistinguibles al microscopio.33 A
diferencia de los cuerpos de Cajal, no contienen snRNPs, pero
contienen una proteína que se denomina motoneurona
superviviente (SMN,
por sus siglas en inglés de survivor
of motor neurons),
cuya función se relaciona con la biogénesis del snRNP. Se cree que
los GEMs ayudan a los CBs en la biogénesis del snRNP,34 aunque
también se ha sugerido a partir de evidencias de microscopía que
los CBs y los GEMs son diferentes manifestaciones de la misma
estructura.33
Dominios
PIKA y PTF
Los
dominios PIKA, o Asociaciones Cariosómicas Polimórficas de
Interfase, fueron descritos por primera vez en estudios de
microscopía en 1991. Su función era y permanece poco clara, aunque
no se piensa que estén asociados con la replicación activa de ADN,
transcripción o procesamiento de ARN.35 Se
ha visto que frecuentemente se asocian con dominios discretos
definidos por localizaciones densas del factor
de transcripción PTF,
que promueve la transcripción del ARNnp.36
Cuerpos
PML
Los
cuerpos PML o de la proteína de la leucemia
promielocítica (PML,
por sus siglas en inglés de Promyelocytic
leukaemia)
son cuerpos esféricos que se encuentran dispersos en el
nucleoplasma, y que miden alrededor de 0,2–1,0 µm. Se conocen
por otros nombres, como dominio «nuclear 10» (ND10), «cuerpos de
Kremer», y «dominios oncogénicos PML». A menudo se ven en el
núcleo asociados con los cuerpos de Cajal. Se ha sugerido que
desempeñan un papel en la regulación de la transcripción.30
Paraspeckles
Descubiertos
en 2002, los paraspeckles son
compartimentos de forma irregular del espacio intercomunicador del
núcleo.37 Fueron
documentados por primera vez en células Helad,
donde por lo general se encuentran entre 10–30 por
núcleo,38 actualmente
se sabe que los paraspeckles también existen en todas las células
primarias humanas, los linajes de células transformadas y las
secciones de tejidos.39 Su
nombre se deriva de su distribución en el núcleo. El prefijo "para"
es una apócope de
"paralelo" y "speckles" (mancha o mota, en
inglés) se refiere a su proximidad a los "splicing speckles"
o motas de ayuste.38
Los
paraspeckles son estructuras dinámicas que se alteran en respuesta a
cambios en la actividad celular metabólica. Son dependientes de la
transcripción,37 y
en ausencia de transcripción de la ARN Pol II, los paraspeckles
desaparecen, y todas las proteínas asociadas que lo componen (PSP1,
p54nrb, PSP2, CFI(m)68 y PSF) forman un tapón perinucleolar en forma
de cuarto creciente en el nucleico. Este fenómeno se manifiesta
durante el ciclo
celular,
en el que están presentes en interfase y durante toda la mitosis,
excepto en telofase.
Durante la telofase, cuando los dos núcleos hijos se forman, no hay
transcripción por parte de la ARN polimerasa II, de modo que los
componentes proteicos forman en su lugar un tapón perinucleolar.
Speckles
En
ocasiones denominados agrupaciones
de gránulos intercromatínicos o compartimentos
de factores de ayuste,
los speckles, manchas o motas, son ricos en ARNnps procedentes
del ayuste y
otras proteínas del mismo proceso que se necesitan en el
procesamiento del pre-ARNm. Debido
a los requerimientos variables de la célula, la composición y
localización de estos cuerpos cambia de acuerdo a la transcripción
de ARNm y a la regulación vía fosforilación de
proteínas específicas.41
Cuerpos
de escisión
Llamados
Cleavage bodies, en inglés, se suelen encontrar asociados a los
cuerpos de Cajal, con un diámetro de 0,2 a 1,0 μm y en número de
1-10 por núcleo. A diferencia de otros cuerpos nucleares, aparecen
solamente durante determinados periodos del ciclo celular. Algunos de
estos contienen el complejo CPSF-100
(por sus siglas en inglés de cleavage and polyadenylation
specificity factor: factor
de especificidad para el corte y la poliadenilación),
y se pueden observar predominantemente durante las fases S y G,
mientras que los que contienen el factor de poliadenilación
CstF-64-containing se observan principalmente en la fase S. Están
asociados con el clúster
de genes de
la histona.42
Cuerpos
DDX1
Los
cuerpos DDX1 son agregados de la proteína DDX1, perteneciente a la
familia de helicasas de
ARN que contienen el motivo "DEAD box", se encuentran en un
número que varía de dos a cuatro. Puesto que parece que estos
cuerpos son reclutados en lugares en los que se ha producido daño en
el ADN que está hibridando con ADN, parece que estos cuerpos
desempeñan un papel en la reparación de zonas con rupturas de doble
cadena, facilitando la reparación guiada por patrón de regiones del
genoma transcripcionalmente activas.42
