Núcleo celular

Dra. María Beatriz Ruiz VelazcoFacultad de Medicina - USMP

núcleo • Organela limitada por la

envoltura nuclear.• Se encuentra en todas las

células eucariotas.• Aprox 10% vol celular.• Alberga casi todo el material

genético de la célula.• Contiene:

– ácidos nucléicos (DNA y RNA)– proteínas nucleares (histonas y

no histonas)• Centro de control.

núcleo

• Funciones:– Lugar de duplicación

del DNA.– Lugar de control

genético de las actividades celulares.

– Lugar donde se inicia el ensamblaje de los ribosomas a partir de RNA y proteínas específicas.

Empalme

TranscripciónReplicación y reparación

Apoptosis

Componentes estructurales

Envoltura nuclear, membrana externa se

continua con RE

Lamina nuclear es una malla de proteína filamentosa que reviste cara

nuclear de membrana internaComplejo de poro nuclear, penetra

envoltura nuclear en puntos de fusión de m

interna y m externa

Composición:•Envoltura nuclear•Lámina nuclear•Matriz nuclear•Cromosomas •Cuerpos subnucleares:

•Nucleolo

•…

Organización del núcleo celular (mamífero)

Composición:•Envoltura nuclear•Lámina nuclear•Matriz nuclear•Cromosomas •Cuerpos subnucleares:

•Nucleolo

•Cuerpos de Cajal (CB) y gemas

•Dominios PIKA y PTF

•Cuerpos PML

•Manchas de empalme (splicing speckles)

•Manchas paralelas (paraspeckles) o espacios intercromatina

Organización del núcleo celular (mamífero)

Lanctôt C et al. "Dynamic genome architecture in the nuclear space:regulation of gene expression in three dimensions". Nature Reviews Genetics (2007) :8; 2. 104-115 .

Envoltura nuclear

•Membrana externa nuclear•Membrana interna nuclear•Espacio intermembrana (10-50nm)•Poros nucleares

-100nm diámetro total-9nm diámetro del canal-3 000 a 4 000 poros-Complejo de poro nuclear (NPC)

Estructura del complejo de poro nuclear (NCP)

•Complejo molecular de simetría octogonal.

•30 veces más grande que ribosoma.

•Función: “portero” del núcleo

→media intercambio de moléculas entre nucleoplasma y citoplasma.

-Iones y metabolitos pequeños difunden a través del NCP.-Moléculas con masa >40kDa requieren transporte activo (carioferinas).

Filamentos citoplásmicos

Anillo citoplásmico

Andamio

Canal central

Anillo nuclear

Canastilla nuclear

Intercambio de moléculas a través del complejo de poro nuclear

Intercambio de moléculas a través del complejo de poro nuclear

• Importación de proteínas:– proteínas cargo contienen

secuencia específica de aa → señal de localización nuclear (NLS).

– intervienen:• Ran (GDP↔GTP)• Factor de transporte nuclear 2

(NTF2)• Importina α (se une a prot

cargo)• Importina β (interactúa con

nucleoporinas-FG)

• Exportación de proteínas, tRNAs y subunidades ribosomales:– contienen secuencia

específica de aa → señal de exportación nuclear (NES).

– Contienen NLS si ha de retornar al núcleo.

– Intervienen:• Ran (GDP↔GTP)• Factor de transporte nuclear

2 (NTF2)• Exportina 1• Exportina-t (exporta tRNAs)

IMPORTACIÓN A TRAVES DEL PORO NUCLEAR

12

3

4

5

6

78

9

EXPORTACIÓN A TRAVES DEL PORO NUCLEAR

12

3

4

5

6

7

Lamina nuclear

•Malla protéica delgada (20-50nm).

•Cubre cara nuclear de MIN.

•Se relaciona con proteínas integrales específicas de MIN y con cromatina.

•Indispensable en mantenimiento de integridad estructural de envoltura nuclear.

•Principales componentes:-Lamina nuclear tipo A-Lamina nuclear tipo B

Lamina nuclear: Laminopatías

•Enfermedades humanas asociadas con defectos en proteínas de envoltura nuclear.

-Distrofia muscular de Emery-Dreifuss-Cardiomiopatía dilatada-Lipodistrofia parcial familiar-Distrofia muscular cintura-extremidades-Charcot-Marie-Tooth tipo 2-Displasia mandibulo-acral-Progeria

•Mutación más común en gen de lamina tipo A (normalmente,mayoría de cells adultas la expresan).

Organización de la envoltura nuclear

Proteínas de la membrana interna nuclear:-Polipéptidos asociados a lamina 1 y 2 (LAP1 y LAP2).-LBR-Sun1-Sun2Proteínas reguladoras de genes:-HP1-BAFProteínas de la membrana externa nuclear:- Nesprin

ONM: membrana externa nuclear, INM: membrana interna nuclear , NCP: complejo de poro nuclear, ER: retículo endoplasmico.

Stewart C et al. Blurring the boundary: the nuclear envelope extends its reach. Science (2007); 318:1408-1412.

Complejo LINC (unión de nucleoesqueleto con citoesqueleto)

•Integra componentes nucleares, incluyendo dominios de cromatina, con estructuras de la superficie celular y extracelulares (en células de vertebrados).•Formado por:

•Proteína nesprina (m externa nuclear).

•Proteínas SUN (m interna nuclear).

Stewart C et al. Blurring the boundary: the nuclear envelope extends its reach. Science (2007); 318:1408-1412.

Nucleolo

•Área dedicada a la producción de ribosomas.•Se forma alrededor de repeticiones de DNA ribosomal (rDNA), que codifica RNA ribosomal.•NO está rodeado por membrana.

Producción de subunidades ribosomales

1

2

3

4

5

1. Transcripción de rRNA precursor

2. Empaquetamiento con proteínas ribosómicas citoplasmáticas

3. Formación de subunidades 40S y 60S

4. Salida de subunidades a través de poros nucleares

5. Ensamblaje → ribosoma maduro

Cromatina, cromosoma

•Cromatina: complejo fibroso formado por DNA y proteínas. (interfase)•Cromosoma: cromatina altamente condensada. (división celular)

Cromatina condensada cerca de envoltura nuclear, se fija a lamina nuclear

Cromatina difusa

Cromatina

•Complejo fibroso formado por DNA y proteínas.

Territorio de los 24 cromosomas humanos en el núcleo celular en

interfase

Cromatina

•Eucromatina:-DNA menos compacto-porción más activa del genoma (genes frecuentemente expresados).

•Heterocromatina:-DNA más compacto.-contiene DNA infrecuentemente transcrito.-Tipos:

-Constitutiva: en estado condensado en toda célula y en todo momento (DNA silencioso).

-Facultativa: cromatina específicamente inactivada durante ciertas fases de la vida del organismo (cromosoma X inactivo).

Cromosoma eucariótico

• Cromosoma eucariótico = molécula única DNA más proteínas asociadas.

• DNA extendido de un cromosoma = 3-4cm.• Cada célula diploide tiene 46 cromosomas (2m de DNA

aprox.)• Cuerpo humano tiene 25 000 millones de kilómetros de

DNA.

Cromosoma humano

Cromosoma: cromatina condensada, estructura visible durante división celular.

Centrómero, región de visible estrechamiento

Fibra de cromatina , constiituida por DNA y

proteínas

Clasificación de los cromosomas por la localización del centrómero:– Metacéntrico:

centrómero central.

– Submetacéntrico: centrómero cerca del centro.

– Acrocéntrico: centrómero cerca al extremo.

– Telocéntrico: centrómero al final de las cromátides.

• En cromosomas no metacéntricos:– Brazo corto es denominado brazo p (¨petit¨).– Brazo largo es denominado brazo q

Cariotipo humano: 23 pares de cromosomas (incluyendo cromosomas sexuales.

El centrómero ocupa posiciones características en los cromosomas homólogos

Estructura del cromosoma

• Conjunto de DNA y proteínas (cromatina = “hebras teñidas”):– DNA (cargada negativamente).– Proteínas histónicas y no histónicas.

Estructura del cromosoma

Histonas:– Sólo en eucariotas– Ricas en aminoácidos básicos (lisina y arginina)

cargadas positivamente.– Se sintetizan en la fase S del ciclo celular.

Histonas:– Responsables del

plegamiento y empaquetamiento del DNA (nucleosoma).

– Intervienen en regulación de genes.

– Tipos:• H1 (30 millones de

moléculas)• H2A (60 millones de

moléculas)• H2B “• H3 “• H4 “

• Nucleosoma:– 146-150 pares de bases (bp) de DNA

alrededor de octámero de histonas.– Primer nivel de compactación del genoma en

eucariotas.– DNA unido a nucleosoma es menos accesible

a factores reguladores que DNA libre de nucleosoma. (Skipper M. Eucariotic genomes in complete control. Nat Rev Mol

Cell Bio 2006 (7):709.

H2A H2B H3 H4 H4 H3 H2B H2A H1

150 pares de bases 50 pares de bases

Octámero de histona

octámero

octámero(80 pares de base por vuelta)

octámero

octámero

H1

H1

H1

N1

nucleoplasmina

RNA

H3 H4 H4 H3

H2A H2B

H3 H4 H4 H3H2A H2B

H2A H2B H2B H2AH3 H4 H4 H3X X

X

X

H3H4

H3H4

H1

DNA

DNA

DNA

Paso 1

Paso 2

Paso 3

Ensamblaje de nucleosomas

Estructura del cromosoma

Proteínas asociadas al DNA no histónicas:– N1– Nucleoplasmina– Proteína x– Proteínas de esqueleto o armazón protéico

armazón protéicono histónico

Armazón protéico no histónico

Solenoide

1er nivel de empaquetamiento

2do nivel de empaquetamiento

Empaquetamiento

COLAS DE HISTONAS:extremos NH2 y el extremo COOH (sólo H2A) intervienen en formación de solenoide

HISTONA H1 SE UNE A REGIONES ESPECÍFICAS DEL NUCLEOSOMA

EMPAQUETAMIENTO DEL NUCLEOSOMA ES MEDIADO POR LA HISTONA H1

Empaquetamiento del DNA en cromosoma mitótico

Nucleosomas forman “cuentas” en la “cuerda” de DNA.

Molécula de DNA se une a histonas formando gran

número de nucleosomas.

Grupos de nucleosomas se enrollan en vueltas cada vez más grandes hasta fibras de comatina supercondensada y

superenrollada

Las vueltas se unen para formar lazos.

Los lazos se enrollan mucho más, formando un cromosoma

Ciclo celular

Profesora: Dra. María Beatriz Ruiz Velazco

Facultad de Medicina - USMP

Ciclo celular• Secuencia regular y

repetitiva de crecimiento y división celular.

• Fases:– Interfase: proceso preparatorio

• G1• S• G2• G0

– División celular:• Mitosis: división del núcleo.• Citocinesis: división del citoplasma.

Interfase

Durante la interfase:• Duplica su DNA.• Sintetiza histonas y otras proteínas asoc a

DNA.• Produce reserva adecuada de organelas

para 2 células hijas.• Ensambla estructuras necesarias para

división celular.

Interfase G1:• Actividad

bioquímica intensa.

• Célula aumenta de tamaño.

• Aumento de proteínas, lípidos y organelas.

• Centrosomas inician separación y duplicación

Interfase G1:• Duración variable,

depende del tipo de célula.

• Algunas células ingresan a:

G0:• “quiescente” ¿?• Ausencia de señales para

mitosis• Represión activa de genes

necesarios para mitosis.• Re-ingreso depende de

señales internas y externas.

Interfase S:• Replicación de

DNA.• Síntesis de

histonas y otras proteínas asociadas a DNA.

Interfase G2:• Preparativos finales

para división celular.• Inicia condensación

de cromosomas recién duplicados.

• Duplicación completa de centrosomas.

• Inicio de ensamblaje de huso mitótico

Ciclo celular de célula eucariotaDivisión nuclear

(cariocinesis) ocurre en mitosis.

División de citoplasma (citocinesis) ocurre al final de la

fase M.

Células que no se dividen usualmente quedan retenidas en fase G1

DNA es replicado durante la fase S (entre fases G1 y G2)

Regulación del ciclo celular

Regulación del ciclo celular

• Influyen en crecimiento y división celular:– Falta de nutrientes.– Cambios en Tº y pH.– Contacto con células vecinas (inhibición dependiente

de la densidad).

– Hormonas– Factores de crecimiento– Interacción célula-célula– Interacción célula matriz extracelular.

La célula “decide” si va a dividirse o no.

Regulación del ciclo celular

Puntos de control del ciclo celular:

• Punto de “restricción” (punto R)• Punto de control en fase S

• Punto de control en la fase G2

• Punto de control en la fase M

Regulación del ciclo celular

Puntos de control del ciclo celular

• Punto de “restricción” (punto R):– En fase G1 tardía

– A veces antes de punto R, pasan de G1 a G0

– Pasado el punto R la célula está obligada a seguir el resto de las fases del ciclo y dividirse.

Regulación del ciclo celular

Puntos de control del ciclo celular

– Punto de control en la fase S:• Asegura que duplicación sólo ocurra una vez

por ciclo.

• Evalúa daño de DNA y presencia de fragmentos de Okasaki.

Regulación del ciclo celular

Puntos de control del ciclo celular

– Punto de control en la fase G2:

• Célula evalúa si está lista para entrar en mitosis.

• Mecanismo de seguridad, sólo entra en mitosis si ha duplicado correctamente su material genético.

• Evalúa daño de DNA.

Regulación del ciclo celular

Puntos de control del ciclo celular

– Punto de control en la fase M:• Durante metafase.

• detecta fallas en unión de fibras del huso al cinetocoro.

Regulación del ciclo celular

Sistema de control de ciclo celular:

– Ciclinas– Kinasas dependientes de ciclina (Cdk)– Complejo promotor de la

anafase/ciclosoma (APC/C)

Factor promotor de la fase M

Pone en marcha el mecanismo de la mitosis

La quinasa empieza a actuar

Pone en marcha el mecanismo de replicación del DNA

P

P

M

G1

S

G2

Cdk

ciclinamitótica

ciclina D

Control del ciclo

celular

Regulación del ciclo celular

• Kinasas dependientes de ciclina (Cdk):– Activan otras proteínas por fosforilación.– Se encuentran en niveles casi constantes

durante el ciclo celular.– En células eucariotas en todo el ciclo

celular.– Tipos:

• Cdk de G1 (Cdk4, Cdk6)• Cdk de Fase S (Cdk2)• Cdk de Fase M (Cdk1)

Regulación del ciclo celular

• Ciclinas:– Proteínas activadoras que se unen a

quinasas y regulan su actividad.

– Nivel varía a lo largo del ciclo celular.

– Tipos:• Ciclinas de G1 (ciclina D)

• Ciclinas de fase S (ciclinas E y A)

• Ciclinas mitóticas (ciclinas B y A).

Regulación del ciclo celular

• Ciclinas:– Ciclina mitótica:

• Se acumula gradualmente en fase G2.

• Se une a quinasa formando el complejo Cdk-ciclina (FPM).

• Fosforila proteínas específicas e induce cambios estructurales que inducen mitosis:

– Condensación de cromosomas (fosforilación H1).

– Desensamblado de la envoltura nuclear.

– Organización de los microtúbulos en el huso mitótico.

Regulación del ciclo celular

• Complejo promotor de anafase/ciclosoma (APC/C):– En núcleo de células en interfase y en todo el

citoplasma durante división celular.

– Degrada germinina (proteína que protege DNA recién sintetizado de re-replicación).

– Sin APC/C las células:• no podrían separar sus cromátidas hermanas en anafase.• no podrían salir de la mitosis y dividirse en dos células hijas.• No podrían iniciar los pasos necesarios para la replicación del

DNA en la fase S.

Ciclinas y kinasas dependientes de ciclinas (CDK)

Segregación de cromosomas durante la mitosis

Ciclinas y kinasas dependientes de ciclina en el ciclo celular

Cdk1 inicia mitosis

Señales mitogénicas estimulan síntesis

de ciclina DSupresores tumorales

pueden bloquear actividad de ciclina D

Ciclina D, ciclina E, Cdk4 y Cdk2 fosforilan RB, inactivándola

Punto R debe ser pasado para que continúe el ciclo

celularCdk2 estimula

replicación de DNA

Regulación del ciclo celular en neurona post mitótica

•Proteínas que activan ciclo celular.

•Proteínas que inhiben ciclo celular.

Gracias…