Hücre çekirdeği ve yapısı hakkında bilgi verir misiniz?
DNA incelemesi için mavi Hoechst boyası ile boyanmış HeLa hücreleri. Ortadaki ve sağdaki hücre interfaz safhasında olduğundan çekirdeklerinin tamamı boyalıdır. Soldaki hücre ise çekirdek bölünmesi (mitoz) sürecindedir ve ayrılmış olan kromozomlar gözlemlenebilir.
Hücre çekirdeği, ya da nükleus, ökaryot hücrelerin çoğunda bulunan zarla kaplı bir organeldir. Hücrenin genetik bilgilerinin çoğu, hücre çekirdeğinin içinde katlı uzun doğrusal DNA molekülleri ile histon gibi birçok proteinin biraraya gelerek oluşturduğu kromozomlarda bulunur. Bu kromozomların içindeki genler hücrenin çekirdek genomunu oluşturur. Hücre çekirdeğinin işlevi bu genlerin bütünlüğünü devam ettirmek ve gen ekspresyonunu düzenleyerek hücre işlevlerini kontrol altında tutmaktır.
Çekirdeğin ana yapı elemanları, organelin tamamını kaplayan çift katmanlı bir zar olan ve içindekileri hücre sitoplazmasından ayrı tutan çekirdek kılıfı ile hücrenin tamamına destek sağlayan hücre iskeletine benzer ve çekirdeğe mekanik destek sağlayan ağ yapısındaki hücre lâminasıdır. Birçok molekülün çekirdek kılıfından geçememesi nedeniyle, moleküllerin hareketini sağlamak için çekirdek gözenekleri gerekir. Bu gözenekler çekirdek kılıfının her iki katmanını da geçer ve küçük moleküller ile iyonların serbest dolaşmasını sağlayan bir kanal oluştururlar. Proteinler gibi daha büyük moleküllerin hareketi daha kontrollüdür ve taşıyıcı proteinler tarafından kolaylaştırılan etkin bir taşıma işlemi gerektirir. Gözenekler sayesinde olan hareket hem gen ekspresyonu hem de kromozom sürekliliği için gerekli olduğundan çekirdek taşınımı hücre işlevi için çok büyük önem taşır.
Her ne kadar hücre çekirdeği içinde zarla kaplı cisimler bulunmasa da içindekiler aynı yapıda değildir ve özgün proteinler, RNA molekülleri ve DNA kümeleri gibi daha küçük cisimler bulunur. Bu cisimlerin içinde en çok bilineni ribozomların birleşmesinde görev alan çekirdekçiktir. Ribozomlar, çekirdekte üretildikten sonra sitoplazmaya taşınır ve orada mRNA’yı dönüştürürler.
Tarihçe
Hücre çekirdeği bulunan ilk organeldir ve 1802’de Franz Bauer tarafından tanımlanmıştır. [1] Daha sonra 1831 yılında İskoçyalı botanikçi Robert Brown tarafından Linnean Society of London’da yapılan bir konuşmada daha ayrıntılı olarak tanımlanmıştır. Mikroskopla orkideleri inceleyen Brown çiçeğin dış katmanlarındaki hücrelerde gözlemlediği donuk alana areola ya da nükleus (çekirdek) adını vermiştir. [2] Ancak olası bir işlev önermemiştir. 1838 yılında Matthias Schleiden hücre çekirdeğinin hücrelerin oluşmasında rol aldığını önererek hücre kurucu anlamına gelen sitoblast adını kullanmaya başladı. Sitoblastların etrafında yeni hücrelerin biriktiğini gözlemlediğine inandı. Hücrelerin bölünerek çoğaldığını göstermiş olan ve pek çok hücre tipinde çekirdek olmadığına inanan Franz Meyen bu görüşe şiddetle karşı çıkıyordu. Hücrelerin sitoblast ya da başka yolla baştan oluşması düşüncesi, hücrelerin yalnızca hücreler meydana geldiği paradigmasını (Omnis cellula e cellula) yayan Robert Remak (1852) ve Rudolf Virchow’un (1855) çalışmaları ile tezat oluşturuyordu. Hücre çekirdeğinin işlevi belirsiz olarak kaldı. [3] 1876 ve 1878 yılları arasında Oscar Hertwig, deniz kestanesi yumurtalarının döllenmesi üzerine yayımladığı çeşitli çalışmalarında sperm çekirdeğinin oosit içine girerek çekirdeğiyle kaynaştığını gösterdi. Bireyin tek çekirdekli bir hücreden gelişebileceği bu çalışmalar ile ilk defa olarak önerilmiştir. Bu teori Ernst Haeckelin, bir türün tüm soyoluşunun (phylogeny) embriyo gelişmesi sırasında tekrarlandığını, ve bu süreçte ilk çekirdekli hücrenin de Monerula adı verilen yapısız öncül mukus kütlesinden (Urschleim) yeniden oluştuğu teorisi ile çelişiyordu. Bu nedenle döllenme için sperm çekirdeğinin gerekliliği uzun bir süre tartışılmıştır. Ancak Hertwig gözlemlerini amfibyumlar ve yumuşakçalar gibi diğer hayvan grupları üzerinde de doğruladı. Eduard Strasburger de aynı sonuçlara bitkiler için ulaştı (1884). Bu çalışmalar hücre çekirdeğine kalıtımda önemli bir görev verilmesi fikrine yol açmıştır. 1873 yılında August Weismann kalıtımda ana ve baba eşey hücrelerinin eşdeğerde olduklarını koyutunu ileri sürdü. Hücre çekirdeğinin genetik bilgiyi taşıma işlevi ancak daha sonraları, mitoz bölünmenin keşfinden ve Mendel yasasının 20. yüzyılın başlarında tekrar bulunarak kalıtımda kromozom teorisinin oluşturulmasından sonra açığa kavuşmuştur. [3]
Yapı [değiştir]
Hücre çekirdeği hayvanlarda en büyük hücre organelidir.[4] Memeli hücrelerinde ortalama çap 11 ile 22 mikrometre (μm) arasındadır ve toplam hacmin yaklaşık 10% ‘unu kapsar. [5] İçinde bulunan visköz sıvıya nükleoplazma adı verilir, bu, çekirdek dışında bulunan sitoplazmaya benzer.
Çekirdek kılıfı ve gözenekleri
280px-Diagram_human_cell_nucleus_numbered_version.svg magnify-clip
Ökaryot hücre çekirdeği. (1) Çekirdek kılıfı, (1a) Dış zar, (1b) İç zar, (2) Çekirdekçik, (3) Nükleoplazma, (4) Kromatin, (4a) Heterokromatin, (4b) Ökromatin, (5) Ribozomlar, Çekirdek gözeneği.
250px-NuclearPore_crop.svg magnify-clip
Çekirdek kılıfı üzerinde bulunan bir çekirdek gözeneğinin kesiti. (1) Çekirdek kılıfı, (2) dış halka, (3) teker parmaklığı, (4) sepet, ve (5) flamanlar.
Çekirdek kılıfı birbirine paralel ve 10 ile 50 nanometre (nm) uzaklıkta iç ve dış iki zardan oluşur. Çekirdeği tamamen saran kılıf hücrenin genetik malzemesini sitoplazmadan ayırır ve makromoleküllerin nükleoplazma ile sitoplazma arasında serbest dolaşmasına engel olur. Çekirdek kılıfının dış zarı granüllü endoplazmik retikulum ile bağlantılıdır ve benzer şekilde üzerinde ribozomlar bulunur. Zarlar arasındaki boşluğa perinükleer boşluk denir ve granüllü endoplazmik retikulum lümeni ile bağlantılıdır.
Çekirdek kılıfı boyunca akış kanalları görevi yapan çekirdek porları nükleoporin adı verilen çoklu proteinlerden oluşmuştur. Gözeneklerin moleküler ağırlığı yaklaşık 125 milyon daltondur ve (ekmek mayasında) 50 ile (omurgalılarda) 100 kadar proteinden oluşurlar. Gözeneklerin toplam çapı 100 nm kadardır ancak merkezlerinde bulunan düzenleyici sistemler nedeniyle moleküllerin serbestçe dolaşabildiği açıklık 9 nm genişliğindedir. Bu boyuttaki açıklıktan suda çözünebilen küçük moleküller geçebilirken nükleik asit ve proteinler gibi daha büyük moleküller geçerek çekirdeğin içine giremez. Bu daha büyük moleküller aktif olarak çekirdeğin içine taşınmalıdır. Tipik bir memeli hücresinin çekirdek kılıfı üzerinde 3000 ile 4000 kadar gözenek bulunur ve bu porların her birinde, dış ve iç zarların birbirine kaynaştığı yerde, simit şeklinde sekizli ışınsal simetrik halka şeklinde yapılar bulunur. Bu halkalara, nükleoplazmaya uzanan çekirdek sepeti denilen yapılarla sitoplazmaya ulaşan ipliksi uzantılar bağlıdır. Her iki uzantı da çekirdek taşıyıcı proteinlerinin bağlanmasına yardımcı olur.
Proteinlerin çoğu, ribozomlardan oluşan alt birimler ve bazı RNA’lar karyoferin diye bilinen bir dizi taşıyıcı faktörün aracılık ettiği bir süreçle gözenek komplekslerinden geçerek taşınırlar. Çekirdek içine doğru olan harekete aracılık eden karyoferinlere importin, çekirdek dışına doğru olan harekete aracılık edenlere de eksportin denir. Karyoferinlerin çoğu taşıdıkları yükle doğrudan etkileşime girer ama bazıları yine de adaptör proteinler kullanır. Kortizol ve aldosteron gibi steroit hormonları ile hücrelerarası haberleşmede yer alan diğer yağda çözünen küçük moleküller hücre zarından difüzyonla sitoplazmaya geçer ve burada bağlandıkları nükleer reseptör proteinleri aracılığıyla çekirdek içine taşınırlar. Orada, eğer ligantlarına bağlı iseler transkripsiyon faktörleri olarak görev yapar; ligantların olmadığı durumda ise bu reseptörlerin çoğu gen ekspresyonunu baskılayan histon deasetilazlar olarak işlev gösterir.
Hücre iskeleti [değiştir]
Hayvan hücrelerinde iki ara filâment ağı hücre çekirdeğine mekanik destek sağlar: çekirdek lâminası kılıfın iç yüzünde organize bir ağyapısı oluşturur, kılıfın sitoplazmaya açık olan yüzündeki daha az organize bir destek yapı bulunur. Her iki sistem de çekirdek kılıfına yapısal destek sağlar, kromozomlar ve çekirdek porları içinde de tutunacak yerleri oluşturur.
Çekirdek lâminasının çoğu lamin proteinlerden oluşur. Tüm proteinler gibi laminler sitoplazmada sentezlenir; sonra çekirdek içine taşınır ve burada toplanarak çekirdek lâminasının varolan ağına katılırlar. Laminler ayrıca içinde bulundukları nükleoplazma içinde nükleoplazmik peçe (İng. nucleoplasmic veil) denen başka bir düzenli yapı oluştururlar, bu yapılar floresan mikroskobu kullanarak gözlemlenebilir. Bu peçenin gerçek işlevi açık değildir; çekirdekçik dışında kalmakta ve interfaz sırasında bulunmaktadırlar. Peçeyi oluşturan lamin yapıları kromatine bağlanır ve onların yapısının bozulması protein kodlayan genlerin transkripsiyonunu engellenmesine neden olur.
Ara iplikçıklerın diğer parçaları gibi lamin monomer bir alfa sarmal yapı barındırır. Bu yapıyı kullanan iki monomer birbirleri etrafında sarılarak sargılı sarmal adı verilen bir ikili (dimer) yapı oluşturur. Bu dimer yapıların iki tanesi daha sonra yanyana gelerek antiparalel bir düzende birleşerek protoiplikçik adında bir dörtlü (tetramer) oluşturur. Bu protoiplikçiklerin sekizi yanyana gelip burularak halat benzeri iplikçikler oluşturur. Bu iplikçikler dinamik olarak birleşip ayrışırlar, yani iplikçiklerin uzunluğundaki değişme, iplikçik eklenme ve çıkma hızlarına bağlıdır.
İplikçik birleşmesinde hatalara yol açan lamin genlerindeki mutasyonlar laminopatiler olarak bilinir. En tanınmış laminopati, yakalananlarda erken yaşlanma görünümüne sebep olan progeria hastalık ailesidir. Bununla ilişkili biyokimyasal değişikliklerin yaşlanmış fenotipe nasıl yol açtığı tam olarak anlaşılamamıştır.
Kromozomlar
Fare fibroblast çekirdeği. DNA mavi ile boyanmıştır. Fluoresan in situ hibridizasyon ile boyanmış kromozom 2 (kırmızı) ve kromozom 9’a (yeşil) ait bölgeler ayırt edilebiliyor.
Hücrenin genetik materyalinin büyük bir çoğunluğu hücre çekirdeğinde bulunur. Bu genetik materyal lineer DNA moleküllerinin oluşturduğu kromozom adı verilen çoklu yapılardan ibarettir. Hücre döngüsünin büyük bir kısmında bunlar kromatin adı verilen bir DNA-protein kompleksi halinde bulunur, hücre bölünmesi sırasında kromatin, karyotiplerde görülen yapılanmış kromozomlara dönüşür. Hücre genlerinin küçük bir kısmı da mitokondrilerde yer alır.
İki tip kromatin vardır. Ökromatin’de DNA daha az sıkışık bir şekildedir ve hücre tarafından sıklıkla kullanılan genleri barındırır. Diğer tip olan heterokromatin daha sıkışık olan DNA şeklidir ve seyrek olarak kullanılan genleri barındırır. Bunlar da, yalnızca bazı tip hücreler de ya da gelişimin bazı aşamalarında görülen genleri içeren seçmeli (fakültatif) heterokromatin ve telomer ile sentromer gibi kromozomun yapısal parçalarından oluşan yapısal heterokromatin olarak ikiye ayrılır. İnterfaz sırasında kromatin, kromozom bölgeleri adı verilen ayrık bölgeler olarak sekillenir. Genellikle kromozomun ökromatik bölgesinde bulunan etkin genler kromozomun bölge sınırına doğru yer almaya meyillidir.
Bazı kromatin yapılarına, özellikle de nükleozomları karşı olan antikorlar sistemik lupus eritematozis gibi bazı otoimmün hastalıklarla ilişkilendirilmektedir. Bunlar antinükleer antikor (ANA) olarak bilinir ve genel bağışıklık sistemi bozukluğunun bir parçası olarak multipl skleroz ile birlikte de gözlemlenmişlerdir. Progeria’da olduğu gibi otoimmün hastalıkların semptomlarını ortaya çıkarmada antikorların rolleri çok açık olarak bilinmemektedir.
Çekirdekçik
Bir hücre çekirdeğinin içinde koyu renkli çekirdekçiği de gösteren elektron mikrografı.
Çekirdekçik, çekirdeğin içinde bulunan ayrı, yoğun bir yapıdır. Etrafı bir zarla çevrili değildir ve bazen organelcik olarak da adlandırılır. Ribozomal RNAların (rRNA) DNA kodlaması olan rDNA’ların ardarda tekrarları çevresinde oluşurlar. Bu bölgelere çekirdekçik düzenleme bölgeleri denir (İng. ‘nucleolar organizer regions’; NOR). Çekirdekçiğin ana görevi rRNA sentezi yapmak ve ribozomları birleştirmektir. Çekirdekçiğin yapısal bütünlüğü etkinliğine bağlıdır. Çekirdekçik içindeki ribozom oluşumu çekirdekçik parçalarının geçici olarak biraraya gelmesi ile sonuçlanmakta, bu da daha fazla ribozom oluşumu ve daha çok biraraya gelmeyi kolaylaştırmaktadır. Bu modelleme rDNA’ların etkinsizleştirilmesinin çekirdekçik yapılarının birbirine karışmasına yol açtığı gözlemiyle desteklenmektedir.
Ribozom birleşiminin ilk adımı rDNA’ın RNA polimeraz adı verilen bir protein ile transkripsiyonu sonucu büyük pre-rRNA prekürsörlerinin oluşmasıdır. Bu, rRNA’nın 5.8S, 18S, ve 28S alt birimleri olarak kesilir.Ribozomal RNA’nın transkripsiyonu, post-transkripsiyon süreci ve ribozomal proteinlerle birleşmesi çekirdekçikte meydana gelir. Bu işlemlerde, küçük nükleolar RNA (snoRNA) molekülleri yardımcı olur (bu snoRNA’ların bazıları ribozom işlevleriyle ilgili proteinleri kodlayan mesajcı RNAlardan kesilen intronlardan oluşur). Oluşan ribozom altbirimleri çekirdek porlarından geçen en büyük yapılardır.
Elektron mikroskopu ile gözlemlendiğinde çekirdekçiğin belirgin üç ayrı bölgeden oluştuğu görülür: en içerideki ipliksi merkezler (İng. fibrillar centers, FCs), etrafındaki yoğun ipliksi öğe (İng. dense fibrillar component, DFC), ve onun çevresindeki granüllü öğe (İng. granular component, GC). rDNA’nın transkripsiyonu ya FC’de ya da FC-DFC sınırında oluşur, dolayısıyla hücredeki rDNA transkripsiyonu arttığında daha fazla FC gözlemlenir. rRNA’ların kesilmesi ve değişiminin çoğu DFC’de oluşur, buna karşın proteinlerin eklenmesiyle ribozom altbirimlerinin oluştuğu sonraki aşamalar GC’de oluşur.
Çekirdek içi yapı boyutları Yapı adı Yapı çapı Cajal cisimleri 0,2–2,0 µm[25] PIKA 5 µm PML cisimleri 0,2–1,0 µm[27] Paralel benekler 0,2–1,0 µm Benekler 20–25 nm Hücre çekirdeği içinde çekirdekçiğin dışında zarla çevrili olmayan başka belirgin yapılar da bulunur. Bunlar Cajal cisimleri, Halkalanmış yapılar Geminisi (İng. Gemini of coiled bodies), polimorfik interfaz karyosomal birleşme ((İng. polymorphic interphase karyosomal association, PIKA), promiyelositik lösemi cisimleri, paralel benekler (İng. paraspeckles) ve uç birleştirme benekleri (İng. splicing speckles). Bunların birçoğu hakkında çok az bilgi bulunsa da nükleoplazmanın tekdüze bir yapıya sahip olmadığı, aksine düzenli işlevsel altbirimlerden oluştuğunu göstermek açısından önemlidirler.
Diğer çekirdek içi yapılar anormal hastalık süreçlerinin bir parçası olarak ortaya çıkar. Örneğin bazı nemalin miyopati vakalarında küçük çekirdekiçi çubukçukların varlığı bildirilmiştir. Bu durum genel olarak aktin mutasyonları sonucu ortaya çıkar ve bu çubukçuklar mutasyona uğramış aktinlerden oluştuğu kadar diğer hücre iskeleti proteinlerinden de oluşur.
Cajal cisimleri ve gemler
Bir çekirdekte genel olarak 1 ile 10 arasında Cajal cismi ya da sarmal cisim (İng. coiled bodies, CB) adı verilen yoğun yapılar bulunur. Hücre tipine ve türüne göre bu yapıların çapı 0,2 µm ile 2,0 µm arasında değişir. Elektron mikroskobu altında bakıldıklarında birbirine dolanmış ip toplarına benzerler ve koilin proteini dağılımının yoğun olduğu noktalardır. Cajal cisimleri, RNA işlenmesinde, özellikle küçük nükleolar RNA (snoRNA) ve küçük nükleer RNA (snRNA) olgunlaşması ve histon RNA modifikasyonunda rol oynarlar.
Cajal cisimlerine benzer olarak sarmal cisim Geminileri ya da gemler vardır; bunların isimleri İkizler (Gemini) takımyıldızından gelir, onların Cajal cisimlerine olan “ikiz gibi” benzerliklerine bir atıftır bu. Gemlerin boyutları ve şekilleri Cajal cisimlerine çok benzer ve hatta mikroskop altında birbirlerinden ayırt edilemezler. Cajal cisimlerinin aksine gemlerde küçük nükleer ribonükleoprotein (snRNP) bulunmaz ancak, motor nöronların varisi (İng. survivor of motor neurons, SMN) adı verilen ve snRNP biogeneziyle bağlantılı bir protein bulunur. Gemlerin snRNP biyogenezinde Cajal cisimlerine yardımcı olduklarına inanılır, ancak mikroskop gözlemlerinden çıkan kanıtlara dayanarak Cajal cisimleri ve gemlerin aynı yapının farklı görünümleri olduğu da önerilmiştir.
PIKA ve PTF bölgeleri
PIKA bölgeleri, ya da polimorfik interfaz karyozomal birleşmeleri, ilk olarak mikroskop çalışmaları sonucu 1991’de tanımlandı. İşlevlerinin ne olduğu hâlâ anlaşılamamakla birlikte etkin DNA replikasyonu, transkripsiyonu ya da RNA süreci ile ilgili olmadığı sanılmaktadır. Sıklıkla snRNA’nın transkripsiyonuna önayak olan transkripsiyon faktörü PTF’in yoğun olarak bulunduğu belirgin bölgelerle birlikte görülürler.
Promiyelositik lösemi (PML) cisimleri nükleolazma içinde dağınık olarak bulunan 0,2–1,0 µm boyutlarındaki küresel yapılardır. Diğer adları arasında Nükleer bölge 10 (ND10), Kremer cisimleri, ve PML onkojen bölgeler de vardır. Çekirdek içinde genellikle Cajal cisimleri ve kesme cisimleri ile birlikte görülürler. Transkripsiyon düzenlemesiyle ilgili bir görevleri olduğu önerilmiştir.
Paralel benekler
Fox ve arkadaşları tarafından 2002 yılında bulunan paralel benekler çekirdeğin kromatin arası boşluğunda yeralan düzensiz şekilli bölümlerdir. İlk olarak çekirdek başına 10-30 arasında bulundukları HeLa hücrelerinde bulunan paralel beneklerin artık tüm insan primer hücrelerinde, transforme olmuş hücre hatlarında ve doku kesitlerinde bulunduğu bilinmektedir. Çekirdek içinde uç birleştirme beneklerine olan yakınlıkları nedeniyle paralel benekler adı verilmiştir.
Paralel benekler hücreiçi metabolik aktivitedeki değişikliklere bağlı olarak değişen dinamik yapılardır. Transkripsiyona bağımlıdırlar ve RNA Pol II transkripsiyonunun yokluğunda paralel benekler kaybolur ve kendisiyle ilgili olan tüm protein bileşenleri (PSP1, p54nrb, PSP2, CFI(m)68 ve PSF) çekirdekçik içinde yarımay şeklinde bir perinükleolar başlık oluşturur. Bu olguya hücre döngüsü sırasında rastlanır. Hücre döngüsünde, paralel benekler interfaz sırasında ve telofaz dışında tüm mitoz süresince mevcuttur. İki yavru çekirdeğin oluştuğu telofaz sırasında RNA Pol II transkripsiyonu olmadığından protein bileşenleri perinükleolar başlık oluşturur.
Uç birleştirme benekleri
Bazen interkromatin granül kümeleri olarak da adlandırılan benekler çok oranda uç birleştirici snRNPleri ve pre-mRNA işlenmesi için gerekli diğer uç birleştirme proteinleri içerir. Hücrenin değişen gereklilikleri nedeniyle bu cisimlerin yeri ve içeriği mRNA transkripsiyonuna ve özel proteinlerin fosforilasyon yoluyla düzenlenmesine göre değişkenlik gösterir.
