Envuelta nuclear y trfico entre el ncleo y el citoplasma LA EXISTENCIA DEL NCLEO ES LA CARACTERSTICA PRINCIPAL que diferencia las clulas eucariotas de las clulas procariotas. Por contener el genoma celular, el ncleo sirve de almacn de la informacin gentica y como centro de control celular. La replicacin del ADN, la trascripcin y el procesamiento del ARN ocurren en el interior del ncleo, y slo la ltima etapa de la expresin gnica (traduccin) tiene lugar en el citoplasma. Debido a que la envuelta nuclear separa el genoma del citoplasma, la expresin gnica est regulada por mecanismos exclusivos de los organismos eucariotas. Mientras que los ARNM procariotas son traducidos a la que vez que ocurre la trascripcin, los ARNM eucariotas sufren procesos postranscripcionales (p. ej., corte-empalme o splicng) antes de ser transportados desde el ncleo al citoplasma. La presencia de un ncleo, por tanto, permite que la expresin gnica sea regulada por mecanismos postranscripcionales, como el splicing alternativo. Debido a que la envuelta nuclear limita el acceso de las protenas al material gentico, proporciona nuevas posibilidades para el control de la expresin gnica a nivel de la trascripcin. Por ejemplo, la expresin de algunos genes eucariotas se controla a travs de la regulacin del transporte de los factores de transcripcin desde el citoplasma al ncleo -un mecanismo de regulacin transcripcional inexistente en procariotas-. Por lo tanto, la separacin entre el genoma y el lugar de la traduccin del ARNM desempea un papel fundamental en la expresin gnica en las clulas eucariotas. Envuelta nuclear y trfico entre el ncleo y el citoplasma La envuelta nuclear separa el contenido del ncleo del citoplasma y proporciona un armazn estructura al ncleo. Las membranas nucleares actan como una barrera selectiva que impide el libre paso de las molculas entre el interior nuclear y el citoplasma, mantenindolos como dos compartimentos metablicamente independientes. Los nicos canales en la envuelta nuclear estn representados por los complejos de poro nucleares, que permiten un intercambio controlado de molculas entre el ncleo y el citoplasma. El trfico selectivo de protenas y ARNs a travs de los complejos de poro nucleares no slo mantiene la composicin interna del ncleo sino que tiene un papel clave en la regulacin de la expresin gnica. Estructiira de la envuelta nuclear La envuelta nuclear, posee una estructura compleja, constituida por dos membranas nucleares, la lmina nuclear en su cara interna y por los complejos de poro nucleares (Fig. 8. l). El ncleo est delimitado por un sistema de dos membranas concntricas, las membranas nucleares interna y externa. La membrana nuclear externa se contina con la membrana del retculo endoplsmico, por lo que hay una comunicacin directa entre el espacio intermembrana y el lumen del retculo endoplsmico. Adems la membrana nuclear externa es funcionalmente

NataliaLa ClulaCoopers Marban Madrid 002 Edicin

similar a la del retculo endopismico (vase Cap. 9) y tambin posee ribosomas adheridos a su superficie citopiasmtica. Por el contrario, la membrana nuclear interna tiene protenas nicas que son especficas para el ncleo. La funcin principal de las membranas nucleares es actuar como una barrera que separa el contenido del interior nuclear del citoplasma. Como otras membranas celulares, la membrana nuclear es una bicapa fosfolipdica, permeable slo a pequeas molculas apolares (vase Fig. 2.49). Otras molculas son incapaces de difundir a travs de esta bicapa fosfolipdica. Las membranas interna y

externa se unen en los complejos de poro nuclear, siendo los nicos canales que permiten el paso de pequeas molculas polares y de macromolculas a travs de la envuelta nuclear (Fig. 8.2). Como se estudiar en la seccin siguiente, el complejo del poro nuclear es una estructura compleja responsable del trfico selectivo de protenas y de ARNs entre el ncleo y el citoplasma.

Figura 8.2 Micrografa electrnica que muestra los poros nucleares Figura 8.3 Micrografa electrnica de la lmina nuclear. La lmina es una red de filamentos por debajo de la membrana nuclear interna (De U. Aebi L. Cohn, L. buhle y L. Gerace 1986 Nature 323 -560) Subyacente a la membrana nuclear interna se localiza la lamina nuclear una red fibrosa que proporciona soporte estructura al ncleo (Fig. 8.3). La lmina nuclear est compuesta por una o varias protenas relacionadas llamadas laminas Por ejemplo, la mayora de las clulas de mamferos contienen cuatro tipos distintos de lminas llamadas A, B,, B, y C. Todas las lminas son protenas fibrosas de 60 a 80 Kilodaltons (kDa), relacionadas con las protenas de los filamentos intermedios de citoesqueleto (vase Cap. 1 l). Al igual que las otras protenas de los

filamentos intermedios, las lminas se ensamblan entre ellas para formar filamentos (Fig. 8.4). El primer nivel de asociacin es la interaccin entre dos lminas para formar un dmero en el que las zonas Y-hlice de dos polipptidos estn enrolladas una alrededor de otra en una estructura llamada ,,bobina o espiral enrollada (coiled coi@. Los dmeros se asocian entre s dando lugar a los filamentos que constituyen la lmina nuclear. La asociacin entre las lminas y la membrana nuclear interna est facilitada por la adicin postraduccional de lpidos -en particular, la prenilacin de los residuos de cistena carboxilo terminales (vase Fig. 7.30)-. Adems, las lminas interaccionan con protenas de la membrana nuclear interna que permiten que los filamentos se organicen en una malla y median su unin a la membrana.

Adems de proporcionar un soporte estructura al ncleo, se piensa que la lmina nuclear sirve como punto de anclaje de la cromatina. La cromatina se organiza en grandes lazos de ADN, algunos de los cuales parece que se unen a la envuelta nuclear. Las lminas se unen a la cromatina y median la interaccin de sta con la envuelta nuclear. Complejo del poro nuclear Los complejos del poro nuclear son los nicos canales a travs de los cuales pueden viajar pequeas molculas polares, iones y macromolculas (protenas y ARNS) entre el ncleo y el citoplasma. El complejo del poro nuclear es una estructura muy grande con un dimetro de aproximadamentel 20 nm y un peso molecular estimado de aproximadamente 125 millones de daltons -unas 30 veces el tamao de un ribosoma-. En los vertebrados, el complejo del poro nuclear est compuesto por 50-1 00 protenas distintas. Mediante el control del trfico de molculas entre el ncleo y el citoplasma, el complejo del poro nuclear tiene un papel fundamental en la fisiologa de todas las clulas eucariotas. Las molculas de ARN que son sintetizadas en el ncleo deben ser exportadas de manera eficiente al

citoplasma, donde intervienen en la sntesis de protenas. Por otro lado, las protenas necesarias para las funciones nucleares (p. ej., factores de transcripcin) deben entrar en el ncleo procedentes de los lugares de sntesis en el citoplasma. Adems, muchas protenas sufren un trasiego continuo entre el ncleo y el citoplasma. Por lo tanto, el trfico regulado de protenas y ARNs a travs de complejo de poro nuclear determina la composicin de ncleo y desempea un papel fundamental en la expresin gnica.

Dependiendo de su tamao, las molculas pueden pasar a travs de complejo de poro nuclear mediante uno de dos mecanismos diferentes (Fig. 8.5). Las molculas pequeas y algunas protenas con un peso molecular inferior a 50 kDa. pasan libremente a travs de la envuelta nuclear en ambas

direcciones: de citoplasma al ncleo o de ncleo al citoplasma indistintamente. Estas molculas difunden de manera pasiva a travs de los canales acuosos abiertos, los cuales tienen un dimetro estimado de aproximadamente 9 nm, en el interior del

complejo de poro nuclear. La mayora de las protenas y ARNS, sin embargo, no son capaces de pasar por estos canales abiertos. Estas macromolculas atraviesan el complejo del poro nuclear mediante un proceso activo, en el que las protenas y los ARNs adecuados son reconocidos y transportados selectivamente en una nica direccin (de ncleo al citoplasma o de citoplasma al ncleo). El trfico de estas molculas tiene lugar a travs de canales regulados en el interior de complejo de poro nuclear que, en respuesta a seales adecuadas, se pueden abrir hasta alcanzar un dimetro de ms de 25 nm -un espacio suficiente para acomodar a los grandes complejos ribonucleoprotenicos, como las subunidades ribosmicas. Es a travs de estos canales regulados por donde son importadas selectivamente las protenas desde el citoplasma al ncleo, mientras que los ARNs son exportados desde el ncleo al citoplasma.

La visualizacin de los complejos de poro nuclear por microscopa electrnica revela una estructura con una simetra de octmero organizada alrededor de un canal central grande (Fig. 8.6), que es la va que utilizan las protenas yios ARNs para atravesar la envuelta nuclear. Otros estudios estructurales ms detallados, incluyendo el anlisis de imgenes por ordenador, han permitido construir modelos tridimensionales del complejo de poro nuclear (Fig. 8.7). Estos modelos muestran que el complejo del poro nuclear est formado por ocho radios ensamblados alrededor de un canal central. Estos radios estn unidos a dos anillos, uno en la superficie nuclear y otro en la citopiasmtica, y esta estructura de radio-anillo est anclada a la envuelta nuclear en los sitios de fusin entre las membranas nuclear interna y externa. Filamentos de protenas se extienden desde el anillo citoplasmtico y nuclear, formndose una estructura caracterstica en forma de cesta en el lado nuclear. El canal central tiene un dimetro aproximado de 40 nm, suficientemente ancho como para dejar pasar las partculas de mayor tamao que atraviesan la envuelta nuclear. Contiene una estructura llamada transportador central, a travs de cual se cree que tiene lugar el transporte activo de las macromolculas.

Transporte selectivo de protenas desde y hacia el ncleo El mecanismo de trfico selectivo a travs de la envuelta nuclear se encuentra mejor caracterizado en el caso de las protenas que son importadas desde el citoplasma al ncleo. Estas protenas son las responsables de todas las caractersticas de la estructura y de la funcin de genoma; incluyen las histonas, las ADN polimerasas, las ARN polimerasas, factores de transcripcin, factores de splicing y muchas otras. Estas protenas se etiquetan para ser destinadas al ncleo con secuencias de aminocidos especficas, denominadas, seales de localizacin nuclear que dirigen su transporte a travs de complejo de poro nuclear. Alan Smith y colaboradores, en 1984, caracterizaron en detalle la primera seal de localizacin nuclear. Estos investigadores estudiaron el antgeno T del virus de simio SV40, una protena codificada por el virus que inicia la replicacin del ADN vira en las clulas infectadas (vase Cap. 5). Como era de esperar en una protena que interviene en la replicacin, el antgeno T se suele localizar en el ncleo. La seal responsable para su localizacin nuclear se identific al encontrarse que una mutacin en un nico residuo de lisina impide que el antgeno T se transporte al ncleo, lo que da lugar a su acumulacin en el citoplasma de la clula infectada. Estudios posteriores caracterizaron la seal de localizacin nuclear del antgeno T como una secuencia formada por siete aminocidos:

Pro-Lys-Lys-Lys-Arg-Lys-Val. Esta secuencia no slo era necesaria para el transporte nuclear de antgeno T, sino que al aadirse a otras protenas, normalmente citopiasmticas, causaba su acumulacin en el ncleo. Desde entonces se han identificado seales de localizacin nuclear en muchas otras protenas. La mayora de estas secuencias, como la del antgeno T, son cortas y ricas en aminocidos bsicos (lisina y arginina). En muchos otros casos, sin embargo, los aminocidos que forman la seal de localizacin nuclear estn juntos pero no necesariamente contiguos en la secuencia. Por ejemplo, la seal de localizacin nuclear de la nucleopiasmina (una protena que participa en el ensamblaje de la cromatina) consta de dos partes: una secuencia Lys-Arg separada por diez aminocidos de otra secuencia de cuatro lisinas (Fig. 8.8). Tanto las secuencias Lys-Arg como Lys-Lys-Lys-Lys son necesarias para el transporte nuclear, pero los diez aminocidos entre estas secuencias pueden sufrir mutaciones sin afectar al transporte nuclear. Debido a que esta secuencia de localizacin nuclear est compuesta por

dos elementos separados, se denomina secuencia bipartita. Parece ser que motivos bipartitos similares actan como seales de localizacin en muchas otras protenas nucleares, e incluso puede que sean ms frecuentes que la seal de localizacin nuclear sencilla del antgeno T.

Organizacin interna del ncleo El ncleo es ms que un simple almacn en el que la cromatina, los ARNs y las protenas nucleares se mueven libremente en una solucin acuosa. Por el contrario, el ncleo parece tener una estructura interna que organiza el material gentico y localiza algunas funciones nucleares en sitios concretos. El aspecto ms evidente de la organizacin interna de ncleo es el nuclolo, que como se explicar en la seccin siguiente, es el lugar donde se transcriben los genes de ARNR y donde se ensamblan las subunidades ribosmicas. Debido a la organizacin de los cromosomas y a la posible localizacin de algunas funciones, como la replicacin de ADN y el procesamiento de los pre-ARNm, se piensa que existen otros componentes que participan en la estructura interna del ncleo. Cromosomas y estructura de orden superior de la cromatina La cromatina se condensa durante la mitosis para formar los cromosomas compactos metafsicos que se distribuirn a los ncleos hijos (vase Fig. 4.12). Durante la interfase, una parte de la cromatina

(heterocromatina) permanece muy condensada y es transcripcionalmente inactiva; el resto de la cromatina (eucromatina) est descondensada y distribuida por todo el ncleo (Fig. 8.15). Las clulas contienen dos tipos de heterocromatina. La heterocromatina constitutiva est formada por secuencias de ADN que nunca se transcriben, como las secuencias satlite localizadas en los centrmeros de los cromosomas. La heterocromatina facultativa contiene secuencias que no se transcriben en la clula observada, pero que s se transcriben en otros tipos celulares. Por lo tanto, la cantidad de heterocromatina facultativa vara dependiendo de la actividad transcripcional de la clula. La mayor parte de la heterocromatina se localiza en la periferia de ncleo, posiblemente porque una de las principales protenas asociadas a la heterocromatina se une a otra protena de la membrana nuclear interna.

El fenmeno de inactivacin del cromosoma X es un ejemplo del papel de la heterocromatina en la expresin gnica. En muchos animales, incluyendo los humanos, las hembras tienen dos cromosomas X y los machos tienen un cromosoma X y un cromosoma Y. El cromosorna X posee miles de genes que no estn presentes en el pequeo cromosoma Y (vase Fig. 4.26). De este modo las hembras tienen el doble de genes localizados en el cromosoma X que los machos. A pesar de estas diferencias, las clulas de as hembras y de los machos tienen la misma cantidad de protenas codificadas por los genes de cromosoma X. Esto es debido a un mecanismo de compensacin de dosis en el que uno de los cromosomas X de las clulas de las hembras se inactiva en etapas tempranas de desarrollo, transformndose en heterocromatina. Por consiguiente, slo una copia de cromosoma X est disponible para la transcripcin tanto en las clulas femeninas como en las masculinas. El mecanismo de inactivacin de cromosoma X es un proceso fascinante aunque todava no se conoce completamente; parece ser que interviene un ARN regulador que recubre el cromosoma X inactivo e induce su conversin en heterocromatina.

Figura 8.17

Aunque la cromatina interfsica parece que se distribuye uniformemente, los cromosomas realmente se disponen de manera organizada y se dividen en distintos dominios funcionales que desempean un papel fundamental en la regulacin de la expresin gnica. La distribucin no aleatoria de la cromatina dentro del ncleo interfsico fue sugerida por primera vez en 1885 por C. Rabl, que propuso que cada cromosoma ocupaba una zona concreta, con los centrmeros y los telmeros adheridos a lados opuestos de la envuelta nuclear (Fig. 8.16). Este modelo bsico de organizacin cromosmica fue confirmado unos 100 aos despus (en 1984) mediante estudios detallados de los cromosomas politnicos de las glndulas salivares de Drosophila. En vez de localizarse al azar, enrollados unos con otros, se encontr que cada cromosoma ocupaba un lugar determinado en el interior nuclear (Fig. 8.17). Los cromosomas estn ntimamente asociados a la envuelta nuclear en muchos puntos, con los centrmeros y telmeros agrupados en polos opuestos.

Cada uno de los cromosomas tambin ocupa una zona distinta en el ncleo de las clulas de

mamfero (Fig. 8.18). Los genes que se transcriben activamente parece que se localizan en la periferia de estas zonas, prximos a unos canales que separan los cromosomas. Se cree que los ARNs recin transcritos son liberados a estos canales entre los cromosomas, donde tiene lugar el procesamiento del ARN.

Al igual que el ADN en los cromosomas metafsicos (vase Fig. 4.13), la cromatina de los ncleos interfsicos parece que est organizada en dominios en forma de bucle que contienen de 50 a 100 Kb de ADN. Un buen ejemplo de esta organizacin en dominios en forma de bucle lo representan los cromosomas de oocitos de anfibios, con una alta tasa de transcripcin; en estos, las regiones de ADN que se transcriben activamente se visualizan como grandes bucles de cromatina descondensada (Fig. 8.19).

Dominios funcionales en el interior del ncleo La organizacin interna del ncleo tambin se refleja en la localizacin de algunos procesos en distintos sitios del ncleo. Actividades como la replicacin del ADN y el procesamiento del pre-ARNm, en vez de tener lugar en todo el interior nuclear, se localizan en estructuras subnucleares concretas o dominios. Sin embargo, la naturaleza y funcin de estas subestructuras nucleares todava no estn claras, y la comprensin de la organizacin del interior nuclear en dominios funcionales es un campo inexplorado de la biologa celular.

Lugares agrupados de replicacin de ADN. El ADN recin replicado se marc tras una exposicin breve de las clulas a bromodeoxiuridina, que se incorpora al ADN en lugar de la timidina. Esta sustitucin permite detectar el ADN recin sintetizado por inmunofluorescencia tras el marcaje de los ncleos con un anticuerpo contra bromodeoxiuridina. Obsrvese que el ADN recin replicado se localiza en agrupaciones distribuidas por todo el ncleo. (Cortesa de Ronald Berezny, SUNY/Buffalo.)

Los ncleos de las clulas de mamfero parecen contener sitios agrupados de replicacin del ADN, en los cuales tiene lugar la replicacin de mltiples molculas de ADN. Estos sitios discretos de replicacin del ADN se han caracterizado mediante experimentos que permiten visualizar en el interior de los ncleos celulares la sntesis de nuevas molculas de ADN (Fig. 8.20). Esto se consigui marcando las clulas con bromodeoxiuridina -un anlogo de la timidina que puede ser incorporado al ADN y detectado marcndolo con anticuerpos fluorescentes-. En tales experimentos, el ADN recin sintetizado se detect en, aproximadamente, 200 agrupaciones discretas distribuidas por todo el ncleo. Dado que una clula diploide de mamfero posee aproximadamente 4.000 orgenes de replicacin activos en un momento determinado, cada de estas agrupaciones de replicacin del ADN debe contener unas 40 horquillas de replicacin. Por lo tanto, parece ser que la replicacin tiene lugar en estructuras grandes que contienen mltiples complejos de replicacin organizad distintos dominios funcionales, denominados fbricas de replicacin.

Nuclolo

La subestructura que ms destaca en el ncleo es el nuclolo (vase Fig. 8.1), que es el sitio donde tiene lugar la transcripcin y el procesamiento del ARNr, y el ensamblaje de los ribosomas. Como se explic en el captulo anterior, las clulas necesitan una gran cantidad de ribosomas para satisfacer la necesidad de sntesis de protenas. Por ejemplo, las clulas de mamfero en continuo crecimiento contienen entre 5 y 10 millones de ribosomas, que deben sintetizarse cada vez que la clula se divide. El nuclolo es una fbrica de produccin de ribosomas, diseada para cubrir las necesidades de produccin a gran escala de los ARNr y de ensamblaje de las subunidades ribosmicas.

Genes de ARN ribosmico y organizacin del nuclolo El nuclolo no est rodeado por ningn sistema de membranas y se organiza alrededor de las regiones de los cromosomas que contienen los genes para los ARNr 5,8S, 18S y 28S. Los ribosomas eucariotas contienen cuatro tipos de ARN, denominados 5S, 5,8S, 18S y 28S (vase Fig. 7.4). Los ARNr 5,8S, 18S y 28S son transcritos como una nica unidad en el nuclolo por la ARN polimerasa I, dando lugar a un ARN precursor ribosmico 45S (Fig. 8.22). Este pre-ARNr 45S es procesado y da lugar al ARN 18S de la subunidad ribosmica 40S (pequea) y a los ARNr 5,8S y 28S de la subunidad ribosmica 60S (grande). El ARNr 5S, que tambin forma parte de la subunidad ribosmica 6OS, se transcribe fuera del nuciolo por la ARN polimerasa III. Las clulas contienen mltiples copias de los genes de ARNr para poder satisfacer la demanda de transcripcin de un elevado nmero de molculas de ARNr. El genoma humano por ejemplo, contiene aproximadamente unas 200 copias del gen que codifica para los ARNr 5,8S, 18S y 28S, y aproximadamente 2.000 copias del gen que codifica para el ARNr 5S. Los genes del ARNr 5,8S, 18S y 28S se disponen en tndem en cinco cromosomas humanos diferentes (cromosomas 13, 14, 15, 21 y 22); los genes para el ARNr 5S se localizan en una nica secuencia en tndem en el cromosoma 1. La importancia de la produccin de ribosomas resulta particularmente evidente en los oocitos, en los que los genes para los ARNr estn amplificados para ayudar a la sntesis de la gran cantidad de ribosomas necesarios durante el desarrollo embrionario temprano. En los oocitos de Xenopus, los genes para el ARNr estn amplificados aproximadamente 2.000 veces, lo que permite que exitan un milln de copias por clula. Estos genes de ARNR estn distribuidos entre miles de nuciolos (Fig. 8.23), originndose en total cerca de 1012 ribosomas por oocito.

Morfolgicamente, los nuclolos constan de tres regiones diferenciadas: el centro fibrilar, el componente fibrilar denso y el componente granular (Fig. 8.24). Estas tres zonas posiblemente reflejan la progresin de las etapas de transcripcin del ARNr, procesamiento, y ensamblaje de ribosomas. Los genes para los ARNr se localizan en el centro fibrilar, y su transcripcin se produce en la zona que limita el centro fibrilar y el componente fibrilar denso. El procesamiento de los pre-ARNr empieza en el componente fibrilar denso y contina en el componente granular, donde el ARNr se ensambla con las protenas ribosmicas para formar una subunidad prerribosmica casi completa, preparada para ser transportada al citoplasma.

Figura 8.23 Nucleolos en oocitos de anfibio. Los genes ARNr amplificados en los oocitos de Xenopus se agrupan en muchos nucleolos (puntos oscuros). (de D.D.Brown e I.B David 1968 Science 160:272) Despus de cada divisin celular, los nuclolos se forman alrededor de las regiones cromosmicas que contienen los genes para los ARNr 5,8S, 18S y 28S, y que por esta razn se denominan (NOR). La formacin de los nuclolos requiere la transcripcin del pre-ARNr 45S, que parece ser que dirige la fusin de los cuerpos prenucleolares que contienen los factores implicados en el procesamiento y otros componentes del nuclolo. Por lo tanto, en la mayora de las clulas, los nuclolos que estn inicialmente separados se fusionan para formar un nico nuclolo.

Figura 8.24 Estructura del nucleolo en la micrografa electronica se ilustra el centro fibrilar

El tamao del nuclolo depende de la actividad metablica de la clula, siendo los nuclolos ms grandes en aquellas clulas con una alta actividad de sntesis de protenas. Esta variacin se debe fundamentalmente a las diferencias en el tamao del componente granular, lo que refleja la tasa de sntesis de ribosomas.

Figura 8.25 Transcripcin y procesamiento del ARNr Cada regin de organizacin nuclear contiene un grupo de genes de ARNr repetidos en tndem y que estn separados entre s por regiones de ADN espaciador que no se transcribe. Estos genes son transcritos activamente por la ARN polimerasa I, lo que permite que la transcripcin se pueda visualizar fcilmente por microscopa electrnica (Fig. 8.25). En las micrografas electrnicas, cada uno de los genes de ARNr colocados en tndem se encuentra rodeado de cadenas de ARN en crecimiento densamente empaquetadas, dando lugar a una estructura en forma de, "rbol de navidad". La alta densidad de las cadenas de ARN en crecimiento es debida a la gran cantidad de molculas de ARN polimerasa, presentes en una densidad mxima de, aproximadamente, una polimerasa por cada cien pares de bases del ADN molde.

Figura 8.26

El transcrito primario de los genes de ARNr es el pre-ARNr 45S de gran tamao, que contiene los ARNr 18S, 5,8S y 28S, adems de las regiones espaciadoras transcritas (Fig. 8.26). Dos espaciadores externos que son transcritos se localizan en los extremos 5'y 3'de los pre-ARNr, y dos espaciadores internos se sitan entre las secuencias de los ARNr 18S, 5,8S y 28S. La etapa inicial del procesamiento es una escisin dentro del espaciador externo cerca del extremo 5' del pre-ARNr, que tiene lugar durante las etapas iniciales de la transcripcin. Esta escisin necesita la RNP nucleolar pequea U3 (vase posteriormente) que se une al extremo 5' del pre-ARNr, formando las caractersticas protuberancias que se observan en la Figura 8.25. Una vez finalizada la transcripcin, se elimina el espaciador del extremo 3' de la molcula. En las clulas humanas, tras esta etapa se produce una escisin en el extremo 5'de la regin 5,8S originando dos precursores, uno del ARNr 18S y otro que contiene el 5,8S y el 28S. Escisiones posteriores originan los ARNr maduros. Este

procesamiento sigue un modelo similar en otras especies, aunque hay ciertas diferencias en el orden de algunas escisiones.

Adems de las escisiones, el procesamiento del pre-ARNr implica importantes modificaciones en las

bases nitrogenadas, debido a la adicin de grupos metilo a algunas bases concretas y a residuos de ribosa, y por la conversin de uridina en pseudouridina (vase Fig. 6.38). En las clulas animales, el procesamiento del pre-ARNr implica la metilacin de aproximadamente cien restos de ribosa y 10 bases, adems de la formacin de cerca de cien pseudouridinas. La mayora de estas modificaciones ocurren durante o inmediatamente despus de la sntesis del pre-ARNr, aunque algunas tienen lugar en etapas posteriores del procesamiento del pre-ARNr. El procesamiento del pre-ARNr requiere la intervencin de protenas y ARNs localizados en el nuclolo. La participacin de ARNs nucleares pequenos (ARNsn) en el procesamiento del pre-ARNm ya se explic en el Captulo 6. Los nuclolos contienen un gran nmero (aproximadamente 200) de que intervienen en el procesamiento del pre-ARNr. Al igual que los ARNsn de los espliceosomas, los ARNsno estn unidos a protenas, formando RNPsno. Cada RNPsno est constituida por un nico ARNsno asociado a ocho o diez protenas. Las RNPsno se unen al pre-ARNr para formar un complejo de procesamiento de manera anloga a como se forman los espliceosomas en el pre-ARNm.

Algunos ARNsno son los responsables de la fragmentacin del pre-ARNr en productos 18S, 5,8S

y 28S. Por ejemplo, el ARNsno nucleolar ms abundante es el U3'y est presente en unas 200.000 copias por clula. Como ya se ha dicho, U3 es necesario para la escisin inicial del pre-ARNr que se produce en las regiones espaciadoras transcritas de extremo 5'. De manera similar, el ARNsno U8 provoca la escisin de pre-ARNr en ARNR 5,8S y 28S y el ARNsno U22 es responsable de la fragmentacin del pre-ARNr para dar lugar al ARNR 18S.

Figura 8.27 Papel de los ARNs en la modificacion de las bases sel pre-ARNr. Los ARNs no contienen pequeas secuencias complementarias al ARNs. El apareamiento de bases entre los ARNr dirige a las enzimas que catalizan la modificacin de bases Sin embargo, la funcin de la mayora de los ARNsno es dirigir las modificaciones de bases especficas del pre-ARNr, incluyendo la metilacin de residuos especficos de ribosa y la formacin de pseudouridinas (Fig. 8.27). La mayora de los ARNsno contienen secuencias cortas de, aproximadamente, 15 nucletidos que son complementarias a secuencias de los ARNr 18S y 28S.

Estas regiones complementarias incluyen los sitios de modificacin de bases en el ARNr. Mediante el apareamiento de bases con regiones especficas del preARNr, los ARNsno actan como ARNs guas que dirigen a las enzimas que catalizan la metilacin de las ribosas o la conversin de uridina en pseudouridina, al sitio adecuado de la molcula de pre-ARNr. Ensamblaje de ribosomas La formacin de los ribosomas implica el ensamblaje del ARN ribosmico precursor con las protenas ribosmicas y con el ARNR 5S (Fig. 8.28). Los genes que codifican para las protenas ribosmicas se transcriben fuera del nuciolo por la ARN polimerasa II, originando ARNm que son traducidos en los ribosomas citoplasmticos. Las protenas ribosmicas se transportan posteriormente desde el citoplasma al nuclolo, donde se ensamblan con los ARNr para formar partculas prerribosmicas. Aunque los genes para el ARNr 5S tambin se transcriben fuera del nuclolo, en este caso por la ARN polimerasa III, se ensamblan igualmente en el interior del nuclolo para formar las partculas prerribosmicas.

Figura 8.28

La asociacin de las protenas ribosmicas con el ARNr comienza mientras ocurre la sntesis del ARNr, y ms de la mitad de las protenas ribosmicas estn unidas al pre-ARNr antes de su procesamiento. Las restantes protenas ribosmicas y el ARNr 5S se incorporan a las partculas prerribosmicas mientras tiene lugar la escisin del pre-ARNr. Las subunidades ribosmicas ms pequeas, que contienen slo ARNr 18S, maduran ms rpidamente que las subunidades grandes, que contienen ARNr 28S, 5,8S y 5S. Por lo tanto, la mayora de las partculas prerribosmicas del nuclolo son precursores de las subunidades grandes. Las etapas finales de la maduracin de los ribosmicas se continan con la salida de las partculas prerribosmicas al citoplasma, formando las subunidades ribosmicas eucariotas 40S y 60S.