La matriz nuclear y la lámina nuclear son estructuras de soporte del

La matriz nuclear y la lámina nuclear son estructuras de soporte del núcleo
Entre el 80 y el 90% de la masa nuclear está constituida por fibras de cromatina, así que se podría
esperar que retirar la cromatina causara que el núcleo se colapsara en una masa relativamente
desestructurada. Sin embargo, a principios de los 70, los investigadores descubrieron que después de
que más del 95% de la cromatina se hubiera retirado por una combinación de tratamientos con
nucleasa y detergente permanecía una red fibrosa insoluble que retenía por completo la forma del
núcleo. Se pensaba que esta red denominada, la matriz nuclear (o nucleoesqueleto), ayudaba a
mantener la forma del núcleo y proporcionaba un esqueleto organizador para las fibras de cromatina.
Sin embargo, la existencia de la matriz nuclear no ha sido aceptada por todos los biólogos celulares. Las
fibras son sólo visibles en ciertas micrografías (Figura 18.31), llevando a los escépticos a cuestionarse
si son artefactos introducidos durante el procesamiento de la muestra.
En los últimos años, evidencias adicionales han reforzado la idea de la existencia de una matriz
estructural que organiza las actividades del núcleo. Por ejemplo, se sugiere una conexión estrecha
entre la matriz y las fibras de cromatina debido al descubrimiento de que las preparaciones de matriz
nuclear aisladas, siempre contienen pequeñas cantidades de DNA y RNA unidas estrechamente. Las
técnicas de hibridación de ácidos nucleicos han revelado que el DNA unido íntimamente es rico en
secuencias que se transcriben de forma activa en RNA. Además, cuando se incuban las células con
timidina-H3, un precursor radiactivo para la síntesis de DNA, se observa que el DNA radiactivo recién
sintetizado está asociado, de forma preferente, a la matriz nuclear. Estas observaciones sugieren que
la matriz nuclear puede estar implicada en el anclaje de las fibras de cromatina a localizaciones donde el
DNA o el RNA están siendo sintetizados, organizando de este modo al DNA para que se replique y se
transcriba de forma ordenada y quizás incluso proporcionando carriles que guíen y propulsen al RNA
mensajero recién formado hacia los poros nucleares para transportarlos al citoplasma.
núcleo
citoplasma
Lámina nuclear
— Fibras de la matriz nuclear
1µm
(a) Unión de las fibras de la matriz nuclear a la lámina nuclear
1µm
(b) Vista superficial de la lámina
Figura 18.31 La matriz nuclear y la lámina
nuclear
(a) Esta micrografía electrónica de una parte del
núcleo de una célula de mamífero muestra una
red ramificada de filamentos de la matriz
nuclear atravesando el núcleo.
Estos
filamentos parecen estar pegados a la lámina
nuclear, la densa capa de filamentos que limita
el lado del nucleoplasmático de la envuelta
nuclear.
(b) Vista superficial de la lámina nuclear de un
oocito de rana (METs).
Mientras que la naturaleza exacta y la significación funcional de la matriz nuclear se mantienen sin
esclarecer, el núcleo contiene otra estructura fibrosa cuyo papel ha sido definido con mayor claridad.
Esta estructura denominada la lámina nuclear, es una red de fibras densa y fina que limita la superficie
interna de la membrana nuclear interna y que ayuda a sostener a la envuelta nuclear. La lámina nuclear
tiene un espesor de entre 10 y 40 nm y está construida con filamentos intermedios fabricados con
proteínas denominadas láminas (tratadas en mayor detalle en el Capítulo 15). Al menos algunos de
estos filamentos parecen estar unidos a proteínas de la membrana nuclear interna. Además de
proporcionar soporte estructural para la envuelta nuclear, la lámina nuclear puede también
proporcionar lugares de anclaje para la cromatina, un tema al que nos referiremos en la siguiente
sección.
Las fibras de cromatina no están dispersas al azar en el núcleo
Aparte del momento de la división celular, las fibras de cromatina de una célula tienden a estar muy
extendidas y dispersas en el núcleo. Además, se podría suponer que las fibras de cromatina que
corresponden a cada cromosoma individual se distribuyen al azar y están muy entrelazadas dentro del
núcleo. Quizás, de forma sorprendente, este parece no ser el caso. En vez de eso, la cromatina de cada
cromosoma aparentemente tiene su propia localización. Esta idea se propuso por primera vez en 1885,
pero las evidencias de que es cierto en una gran variedad de células esperaban a las técnicas de la
biología molecular moderna. Recientemente, utilizando sondas de ácidos nucleicos que se hibridan con
el DNA de cromosomas específicos, varios grupos de investigación han demostrado que las fibras de
cromatina correspondientes a los cromosomas individuales ocupan compartimentos diferenciados
dentro del núcleo, referidos como «territorios cromosómicos» (Figura 18.32). Sin embargo, las
posiciones de estos territorios no parecen ser fijas. Varían de célula a célula del mismo organismo y
parecen cambiar durante el ciclo de vida de una célula, reflejando quizás cambios en la actividad de los
genes de los diferentes cromosomas.
Figura 18.32 Territorios cromosómicos.
Las células de pulmón de ratón se tiñen con
colorantes fluorescentes ligados a sondas de
ácidos nucleicos que hibridan específicamente
con el DNA de cromosoma 12 (rojo), cromosoma
14 (verde) o cromosoma I (azul). Esta vista de un
solo núcleo observado a microscopía de
fluorescencia muestra que el DNA de cada
cromosoma se localiza en una región específica
del núcleo (cada cromosoma está presente en
dos copias).
La envuelta nuclear ayuda a organizar la cromatina uniendo ciertos segmentos a sitios específicos
de la superficie interna de la envuelta, asociados estrechamente a los poros nucleares. Los
segmentos de cromatina que se unen de esta forma están muy compactados − es decir, son
heterocromatina −. En las micrografías electrónicas, este material aparece como una capa oscura
irregular alrededor de la periferia nuclear. La mayoría parece ser del tipo denominado
heterocromatina constitutiva, que aparece en una forma altamente condensada, prácticamente
todo el tiempo, en todas las células del organismo. El DNA de la heterocromatina constitutiva
consiste en DNA repetido de secuencia simple (recuerde que éstas son secuencias cortas que se
repiten en tándem y que no se transcriben). El centrómero y el telómero son dos regiones
importantes del cromosoma compuestas por heterocromatina constitutiva. En muchos casos,
los telómeros del cromosoma − secuencias de DNA altamente repetidas localizadas en los
extremos de los cromosomas − se unen a la envuelta nuclear en momentos diferentes a los de
la división celular.
A diferencia a la heterocromatina constitutiva, la heterocromatina facultativa varía con las
actividades concretas realizadas por la célula. Incluso, difiere de tejido a tejido, e incluso puede
variar a veces en una célula dada. La heterocromatina facultativa parece representar las
regiones del cromosoma que se han inactivado específicamente en un tipo celular concreto.
Normalmente la cantidad de heterocromatina facultativa es baja en las células embrionarias
pero puede ser importante en células muy diferenciadas. La formación de heterocromatina
facultativa puede ser además una manera fundamental de inactivar bloques enteros de
información genética durante el desarrollo.
El nucléolo está implicado en la formación de los ribosomas
Un componente estructural relevante del núcleo eucariota es el nucléolo, la fábrica de ribosomas
de la célula. Las células eucarióticas típicas contienen uno o dos nucléolos, pero la presencia de
más no es infrecuente; en ciertas situaciones, cientos o incluso miles pueden estar presentes.
Normalmente, el nucléolo es una estructura esférica que mide varias micras de diámetro, pero
se observan grandes variaciones en forma y tamaño. Debido a su gran tamaño relativo, los
nucléolos se ven fácilmente al microscopio óptico y se observaron por primera vez hace más de 200
años. Sin embargo, los componentes estructurales del nucléolo no se identificaron con claridad
hasta la llegada del microscopio electrónico en los años 50. En micrografías electrónicas de
cortes finos, cada nucléolo aparece como un orgánulo sin membrana que consiste en fibrillas y
gránulos (Figura 18.33). Las fibrillas contienen DNA que está siendo transcrito en RNA
ribosómico (rRNA), el componente RNA de los ribosomas. Los gránulos son moléculas de
rRNA empaquetados con proteínas (importadas desde el citoplasma) para formar subunidades
ribosomales. Como hemos visto antes, las subunidades ribosomales son posteriormente
exportadas a través de los poros nucleares hasta el citoplasma. Debido a su papel en la
síntesis de RNA, los nucléolos se marcan radiactivamente con intensidad cuando las células se
exponen a precursores de RNA radiactivos (Figura 18.34).
Figura 18.33 El nucléolo.
El nucléolo es una estructura intranuclear
prominente.
Es una masa de fibrillas y
gránulos. Las fibrillas son DNA y RNAr; los
gránulos son subunidades ribosomales de
reciente formación. Aquí se muestra el nucléolo
de una espermatogonia, una célula que da
lugar a los espermatozoides.
Figura 18.34 El nucléolo es un lugar de
síntesis de RNA.
Para demostrar el papel del nucléolo en la
síntesis del RNA, se le inyectó a una rata
3
citidina− H, un precursor de RNA marcado
radiactivamente. Cinco horas más tarde, se
retiró el tejido hepático y se sometió a una
autorradiografía. Los puntos negros sobre los
núcleos de esta autorradiografía indican que
3
el H se concentra en el nucléolo (MET).
La primera evidencia que asociaba al nucléolo con la formación de los ribosomas fue aportada a
principios de los años 60 por Robert Perry, que empleó un microhaz de luz ultravioleta para
destruir el nucléolo de células vivas. Tales células perdieron su capacidad para sintetizar rRNA,
sugiriendo que el nucléolo está implicado en la producción de ribosomas. Surgieron evidencias
adicionales a partir de estudios realizados por Donald Brown y John Gurdon en la rana de uñas
africana, Xenopus laevis. A través de cruces genéticos es posible producir embriones de
Xenopus a cuyas células les faltan los nucléolos. Brown y Gurdon descubrieron que tales
embriones, denominados mutantes anucleolados, no podían sintetizar rRNA y por tanto morían
durante el desarrollo temprano, implicando otra vez al nucléolo en la formación de
ribosomas.
Si el rRNA se sintetiza en el nucléolo, entonces las secuencias de DNA que codifican para este
RNA deben residir también en el nucléolo. Esta predicción se ha verificado mostrando que los
nucléolos aislados contienen una región organizadora del nucléolo (NOR del inglés nucleolus
organizer región), un tramo de DNA que lleva copias múltiples de los genes para rRNA. Estos
genes múltiples para rRNA aparecen en todos los genomas e incluso son un ejemplo
significativo de DNA repetido que porta información genética. El número de copias de los genes
de rRNA varía de forma significativa entre especies, las células animales, a menudo, contienen
cientos de copias pero las células de plantas normalmente contienen miles de copias. Las copias múltiples se agrupan en uno o más NOR, que pueden residir en más de un cromosoma;
en cada NOR, las copias múltiples del gen se disponen en tándem. Un único nucléolo puede
contener genes de rRNA derivados de más de un NOR. Por ejemplo, el genoma humano
tiene cinco NORs por cromosoma haploide, o diez por núcleo diploide, cada uno localizado
cerca del extremo de un cromosoma diferente. Pero en vez de diez nucléolos separados, el núcleo humano típico tiene un único nucléolo grande que contiene bucles de cromatina
derivados de diez cromosomas separados.
El tamaño del nucléolo está relacionado con su nivel de actividad. En las células que tienen una
elevada tasa de síntesis de proteínas y por tanto necesidad de muchos ribosomas, los nucléolos
tienden a ser grandes y cuentan con entre un 20 y un 25% del volumen total del núcleo. En células
menos activas, los nucléolos son mucho más pequeños. La principal diferencia es la cantidad de
componente granular presente. Las células que producen muchos ribosomas transcriben,
procesan y empaquetan grandes cantidades de rRNA y tienen niveles más altos de subunidades
ribosomales parcialmente completas y estables disponibles en el nucléolo, a lo que debe su
destacado componente granular.
El nucléolo desaparece durante la mitosis, por lo menos en las células de plantas superiores y de
animales. A medida que la célula se aproxima a la división, la cromatina se condensa en
cromosomas compactos, este hecho va acompañado por la reducción y posterior desaparición
del nucléolo. Esto se ajusta perfectamente a nuestros conocimientos actuales sobre la
composición y función del nucléolo: los bucles de cromatina del nucléolo extendidos dejan de ser
transcritos a medida que se enrollan y se pliega y cualquier proteína ribosomal o rRNA remanente
se dispersa o se degrada. A medida que la mitosis termina, la cromatina se desenrolla, las
regiones NOR forman bucles otra vez, y la síntesis de rRNA continúa. En las células humanas, es
la única ocasión en la que las 10 regiones NOR de los núcleos diploides son evidentes; a medida
que la síntesis de rRNA empieza otra vez, se hacen visibles diez pequeños nucléolos, cerca del
extremo de cada uno de los diez] cromosomas. A medida que estos nucléolos se hacen grandes,
se fusionan rápidamente en el único gran nucléolo que se observa en las células humanas que no
están en procesa de división.
Aunque su función principal está claramente relacionada con la producción de ribosomas, el
nucléolo contiene algunas moléculas cuya presencia sugiere un papel en otras actividades
adicionales, tales como la exportación desde el núcleo, la modificación química de pequeños
RNAs, e incluso el control de la división celular. Los microscopistas también han identificado
varios tipos de cuerpos nucleares pequeños que, como el nucléolo, son estructuras no rodeadas
por membrana compuestas por pequeñas fibras y/o gránulos con configuraciones peculiares. Se
han caracterizado varios tipos de cuerpos nucleares, cada uno contiene un grupo diferente de
proteínas residentes. Aunque los detalles no se conocen bien, se piensa que los cuerpos nucleares
desempeñan diversos papeles relacionados con el procesamiento manejo de moléculas de RNA
producidas en el núcleo.
Tomado de BECKER W. M. et alt: 2007, El mundo de la célula, 6ª edición, Editorial Pearson-Addison Westey