UNIVERZITET U SARAJEVUPRIRODNO – MATEMATIČKI FAKULTET

ODSJEK ZA BIOLOGIJU

Jedro – Nucleus

Seminarski rad

Sarajevo, 2015.

1. SADRŽAJ

1. SADRŽAJ................................................................................................................................12. UVOD......................................................................................................................................23. O NUKLEUSU........................................................................................................................24. SUDJELOVANJE PORA NUKLEARNOG KOMPLEKSA U MORFOLOGIJI JEDRA

BILJAKA.................................................................................................................................35. ODNOS JEDRA, MITOHONDRIJA I PLASTIDA U ĆELIJI..............................................46. JEDARNA KONTROLA EKSPRESIJE GENA....................................................................57. ZAKLJUČAK..........................................................................................................................68. LITERATURA........................................................................................................................7

1

2. UVOD

U ovom seminarskom radu ćemo govoriti o jedru kao najznačajnijem obilježju eukariotske ćelije i naravno, pobliže ćemo objasniti njegovu građu i funkciju te nakon toga približiti ovu strukturu kroz razna istraživanja koja su izvršena na pojedinim biljnim vrstama.

3. O NUKLEUSU

Prije svega, bitno je spomenuti da je ova organela, sa svim svojim receptorima jedna od najbitnijih u ćelijskom organizmu i da uz pomoć svojih molekularnih mehanizama intercelularne komunikacije, kao visoko specijalizovana organela, pretstavlja administrativni centar ćelije.Jedro ima dvije glavne funkcije: sadrži genetičku informaciju koja je sadržana u molekuli DNK i koordinira aktivnošću ćelije, što uključuje diobu, rast i metabolizam ćelije.Sinteza proteina se odvija prema genetičkoj informaciji sadrzanoj u molekuli DNK. Uloga jedra je da selektivno kontroliše upotrebu određenih informacija, vršeći ekspresiju i represiju aktivnosti pojedinog gena. Jedro ima ulogu i u sintezi iRNK itRNK, koje su zajedno sa ribosomima uključene u proces sinteze proteina. Jedro je mjesto sinteze rRNK, koja se sintetiše u jedarcetu i koja učestvuje u izgradnji ribosoma. Prečnik jedra varira od 3 do 14 µm, mada moze biti i veći. Najčešće ima okrugao ili ovalan oblik, što najvećim dijelom zavisi od tipa ćelije i njene funkcije. Jedro je organela koja mijenja izgled tokom ćelijskog ciklusa, tako se njegov izgled u interfazi razlikuje od onog u mitozi. U interfazi ćelijske diobe se mogu uočiti sljedeći strukturni elementi: Jedrova membrana, hromatin, jedarce – nukleolus i nukleoplazma (Slika 1).

Slika 1. Struktura jedra (Preuzeto sa: http://pixshark.com/cell-nucleus-structure.htm)

2

4. SUDJELOVANJE PORA NUKLEARNOG KOMPLEKSA U MORFOLOGIJI JEDRA BILJAKA

Jedro je organela koja posjeduje dvostruku membranu koja odvaja nukleoplazmu od citoplazme. Kompleks nuklearnih pora, koji se proteže od unutrašnje do vanjske membrane, reguliše prolazak makromolekula iz nukleoplazme u citoplazmu i obrnuto.Razmjena molekula između nukleoplazme i citoplazme se odvija kroz pore nuklearnog kompleksa, koje se sastoje od raznolikog multiproteinskog kompleksa (Slika 2). Tijekom posljednjih godina, ostvaren je veliki napredak prilikom određivanja strukture nuklearnog kompleksa kod kvasca i životinjskih ćelija. Međutim, morfologija nuklearnog kompleka pora kod biljaka je dugo vremena bila zanemarena. Biljka kod koje je ovaj kopleks pomnije izučavan je Arabidopsis thaliana. Nuklearni proteini Arabidopsis thaliana su homologni humanim nuklearnim proteinima, osim jednog proteina nazvanog Nup136. Nup136 je uključen u procese cvjetanja i razvoj polena, što ukazuje na činjenicu da Nup136 ima značajnu fiziološlu ulogu u samoj reprodukciji biljke. Nup136 takođe određuje morfologiju jedra. Pokazano je da prekomjerna ekspresija Nup136-GFP indukuje razvoj jedra i njegovo izduživanje u različitim tipovima biljnih tkiva, a da nedostatak ovog proteina izaziva smanjenje veličine jedra. Smatrano je da je Nup 136 homolog životinjskom proteinu Nup153, iako ova dva proteina nemaju slične strukturne sekvence. Mehanizam kojim Nup136 sudjeluje u određivanju morfologije jedra se i dalje izučava. (Tamura & Hara-Nishimura, 2011)

Slika 2. Komponente pora nukleinskog kompleksa (Preuzeto sa: http://www.nature.com/nrm/journal/v14/n1/fig_tab/nrm3496_F3.html)

3

Kompleks nuklearnih pora je jedini put kojim se molekule (proteini i RNA) kreću od nukleoplazme do citoplazme i obrnuto. Ovaj kompleks je najveći multiproteinski kanal, koji se sastoji od oko 30 različitih nuklearnih proteina. Nuklearni proteini su klasifikovani u dvije kategorije. U prvu kategoriju spadaju subkompleksi Nup107- Nup160 i Nup93, a u drugu spadaju periferni nuklearni proteini koji se sastoje od Nup62 subkompleksa. Različitim analizama koje su rađene na Arabidopsis thaliana-i identifikovano je oko 30 nuklearnih proteina, od kojih 22 nisu ranije uočavana.Morfologija jedra varira u veličini i obliku, što zavisi od tkiva o kome se radi. Kako je već navedeno, Arabidopsis thaliana je modelna biljka i kao takva se koristi jer posjeduje morfoloski različita jedra u svojim tkivima, čiji oblici i veličina variraju. Tkivo korijena Arabidopsis thaliana-e je korišteno kao model na kome je posmatana diferencijacija ćelija. Pokazano je da morfologija jedra varira zavisno od stepena diferencijacije u ćelijama korijena. U zoni meristema, kako je pokazano, jedra su jako mala i sferična, jer su ćelije nediferencirane i aktivno se dijele. Nakon mitoze jedro povećava svoj volumen i zadržava sferičan oblik. Izduženo jedro je uočeno kod ćelija koje su diferencirane u epidermalno tkivo. Dobijeni rezultati posmatranja razvoja korijena Arabidopsis thaliana-e pokazuju da se oblik i veličina jedra mijenjaju tokom rasta ćelije. (Tamura & Hara-Nishimura, 2011)

5. ODNOS JEDRA, MITOHONDRIJA I PLASTIDA U ĆELIJI

Organele kao sto su hloroplasti su nekada bile slobodno-živuće cijanobakterije, a mitohondrije su bile slobodno-živuće proteobakterije. I hloroplasti i mitohondrije su zadržali ostatke njihovog eubakterijskog genoma i osim toga, gledano sa funkcionalnog stanovišta, zadržali su dosta više biohemijske sličnosti sa eubakterijama, nego sto je to reflektovano u njihovoj DNK. Nesrazmjernost između broja gena koje sadrži organela i broja eubakterijskih proteina koje sadrži je objašnjena pomoću „endosimbiotskog transfera gena“. Tokom evolucije organele su eksportovale svoje gene do jedra, a unosile produkte transkripcije uz pomoć „mašinerije proteina unosivača“, te su tako unošeni u organelu. Međutim, geni koji su se prenosili do jedra su tamo i ostali, čime je ovaj proces, s vremenom, koncentrisao genetički materijal organela u nuklearne hromosome. Budući da su procesi genske regulacije pod utjecajem nukleusa kompleksniji i povezaniji od onih koji su pod kontrolom organela i zbog toga sto organele prirodno pokušaju doći pod kontrolu nuklearnih regulatornih gena, regulatorni procesi organela su bili prvi koji su se odvijali između njih i jedra. (Martin & Herrmann, 1998)

4

6. JEDARNA KONTROLA EKSPRESIJE GENA

Ćelije biljaka posjeduju dva tipa organela koje produkuju energiju: hloroplaste, koji pretvaraju energiju sunčeve svjetlosti u hemijsku energiju, i mitohondrije, koje koriste skladištenu energiju prevodeći je u ATP. Ove organele uključuju hiljade proteina, od kojih je veliki dio kodiran nuklearnim genima. Pojedini geni, poput gena koji kodiraju proteine koji učestvuju u respiratornom lancu (u mitohondrijama), ili onih koji učestvuju u procesu fotosinteze (u hloroplastima), se nalaze u genomu tih organela. Održavanje funkcionalnosti ćelijske organele tokom ćelijskog rasta i razvoja zavisi uglavnom od nuklearnog genoma koji kodira većinu protena organele, a njihovi vlastiti genomi kodiraju ograničen, ali značajan broj proteina koji su potrebni u bitnim fiziološkim procesima. Dakle, posebni mehanizmi su neophodni za koordiniranje genske ekspresije u različitim dijelovima ćelije. Budući da nuklearni genom ima glavnu ulogu u biogenezi i u određivanju funkcionisanja ćelijskih procesa, posvećena je posebna pažnja prilikom analiza tkz. anterogradne regulacije, pomoću koje se kontroliše protok informacija iz jedra kroz citoplazmu do organela. Uz anterogradnu signalizaciju, u ćelijama se odvija i retrognadna signalizacija, koja se odvija preko signala koji emituju organele koji kontroliše ekspresiju gena u jedru (Slika 3). Jako dobar primjer retrogradnog transporta je ostvaren prilikom transporta molekula od hloroplasta ka jedru i od mitohondrija ka jedru. Kao takav, retrogradni transport uključuje više potencijalnih signalnih puteva koji se odvijaju pri abiotičkom stresu. (Yurina & Odintsova, 2011)

Retrogradna regulacija najbolje je proučena kod pupanja kvasca Saccharomyces cerevisiae i kod viših biljaka (Slika 4). Kod hloroplasta, retrogradna signalizacija je najčešće povezana sa redoksnim stanjem organele ili sa biosintezom hlorofila. Kao glavni signali koji potiču retrogradno signaliziranje su međuprodukti biosinteze tetrapirola i međuprodukti sinteze organelarnih proteina. Promjene u ekspresiji nuklearnih gena zavise od retrogradne signalizacije od strane plastida uključujući kontrolu transkripcije na više nivoa i sudjelovanje ABI4 transktipcijskog faktora. ROS, štetni produkat fotosinteze i mitohondrijskog disanja, može takođe poslužiti kao signalna molekula prenoseći signal od organela do jedra. Kako je ROS produkovan od oba tipa organela, u mogućnosti je da osigura koordiniranu ekspresiju nuklearnih gena koji kodiraju proteine plastida i mitohondrija na nivou transkripcije. Unatoč činjenici da su istraživanja o retrogradnom signaliziranju, tj. kretanju signalnih molekula od organele do jedra, kod biljaka predmet izučavanja vec nekoliko decenija, dostupni podaci još uvijek su necjeloviti. Molekule koje indukuju prenos signala su još uvijek nepoznate, kao i mehanizmi signalne transdukcije i komponente koje sačinjavaju tu signalnu kaskadu. Specifičnosti i interferencije između različitih signalnih puteva kod biljaka još uvijek nisu dovoljno poznate i razjašnjene. Korištenjem klasičnih i novijih metodoloških pristupa pomaže identifikaciji signalnih molekula koje učestvuju u mitohondrijalnoj retrogradnoj regulaciji. U daljnim istraživanjima se koriste tradicionalne biohemijske, genetičke, proteomičke i druge metode koje će pomoći da se identifikuju signalne molekule koje su „okidači“ retrogradnog signaliziranja i da se otkriju mehanizmi signalne transdukcije. (Yurina & Odintsova, 2011)

5

7. ZAKLJUČAK

Kroz ovaj rad smo se bavili problematikom uloge jedra, njegove morfologije i funkcije, a posebno smo obratili pažnju na učestvovanje jedra u putevima molekulske signalizacije. Nakon što smo se ukratko upoznali sa samom strukturom ove organele, prešli smo na neke, bar dosada, nepoznate stvari vezane za morfologiju i funkciju jedra. Nakon pobližeg bavljenja ovom temom, došli smo do zaključka da je jedro organela koje igra jednu od najznacajnijih uloga, kako u razmnožavanju, rastu i funkcionisanju ćelije, tako i u održavanju regulisanog rada ostalih ćelijskih organela. Kako jedro koristi pojedine molekule kao signalizatore i kako pojedine primljene molekule detektuje, još je vrlo aktivna tematika, jer se svakim danom otkriva novi učinak nekog receptora ili signalne molekule u putu koji vodi ka dosljednijem otkrivanju funkcionisanja njihovih puteva.

6

Slika 3. Anterogradni signalni put molekula (Preuzeto sa:

http://www.nature.com/nrg/journal/v9/n5/fig_tab/nrg2348_F2.html)

Slika 4. Retrogradni signalni put molekula (Preuzeto sa:

http://www.nature.com/nrg/journal/v9/n5/fig_tab/nrg2348_F3.html)

8. LITERATURA

(n.d.). Preuzeto sa http://pixshark.com/cell-nucleus-structure.htm(n.d.). Preuzeto sa http://www.nature.com/nrm/journal/v14/n1/fig_tab/nrm3496_F3.html(n.d.). Preuzeto sa http://www.nature.com/nrg/journal/v9/n5/fig_tab/nrg2348_F1.html(n.d.). Preuzeto sa http://www.nature.com/nrg/journal/v9/n5/fig_tab/nrg2348_F3.html(n.d.). Preuzeto sa http://www.nature.com/nrg/journal/v9/n5/fig_tab/nrg2348_F2.html

Martin, W., & Herrmann, R. G. (1998, May 1). Gene Transfer from Organelles to the Nucleus. Plant Physiology, 118, 9-17.

Tamura, K., & Hara-Nishimura, I. (2011). Involvement of the nuclear pore complex in morphology. Landes Bioscience, 168-172.

Yurina, N., & Odintsova, M. (2011). Plant Organelles-to-Nucleus Retrograde Signaling. In N. Yurina, & M. Odintsova, Abiotic Stress Response in Plants - Physiological, Biochemical and Genetic Perspectives (p. 346). Intech.

7