Nuclear Speckles ( etwa „Kernsprenkel“), auch Interchromatin Granule Clusters (IGC) genannt, sind Bereiche im Zellkern, die mit Spleißfaktoren angereichert sind. Sie befinden sich in den Interchromatin-Regionen des Nukleoplasmas von Säugerzellen. Immunfluoreszenzmikroskopisch betrachtet, erscheinen sie in der Regel als unregelmäßig geformte, unterschiedlich große Strukturen im Zellkern. Pro Zellkern finden sich 20 bis 50 Speckles. Diese Objekte sind dynamische Strukturen: Ihre Bestandteile können sich kontinuierlich mit dem Nukleoplasma und anderen Kernbereichen austauschen, einschließlich aktiver Transkriptionsstellen.
In ihnen reichern sich in hoher lokaler Konzentration snRNPs und andere Spleißfaktoren an. Das Vorhandensein vieler anderer Faktoren, die an der mRNA-Produktion durch die RNA-Polymerase II beteiligt sind, in den Speckles unterstützt ihre enge Beziehung zur Genexpression. Obwohl die meisten Speckles anscheinend keine DNA enthalten, können dennoch hochexprimierte Gene im Zusammenhang mit Speckles gefunden werden. Dies stimmt überein mit einer wichtigen Rolle der Speckles bei der Koordination der Bereitstellung und/oder des Recyclings von Faktoren für die Transkription und der mRNA-Prozessierung.
Studien über die Zusammensetzung, Struktur und Dynamik von Speckles haben ein wichtiges Paradigma für das Verständnis der funktionellen Organisation des Kerns und der Dynamik der Genexpressionsmaschine geliefert.
Geschichte Nuclear Speckles wurden zuerst als Speicher- und Modifikationsstellen für Spleißfaktoren erkannt. Weitere Studien über Transkription und mRNA-Reifung und -Export zeigten eine allgemeinere Rolle der Speckles für das Spleißen im RNA-Stoffwechsel.
Die erste detaillierte Beschreibung der Nuclear Speckles wurde 1910 von Santiago Ramón y Cajal erstellt. Ramón y Cajal benutzte saure Anilinfärbungen, um Strukturen zu identifizieren, die er als „grumos hialinas“ bezeichnete. Der Begriff „Speckle“ wurde erstmals 1961 von J. Swanson Beck nach der Untersuchung von Rattenleberabschnitten geprägt. Zwei Jahre zuvor wurden diese Flecken von Hewson Swift auf elektronenmikroskopischer Ebene identifiziert. Er bezeichnete sie als Interchromatinpartikel. Eine Verbindung wurde zu diesem Zeitpunkt noch nicht hergestellt. Swift beobachtete, dass diese Partikel nicht zufällig verteilt waren, sondern in lokalisierten „Wolken“ auftraten. Zytochemische Analysen zeigten, dass sie RNA enthielten. Der erste Zusammenhang zwischen Prä-mRNA-Spleißung und Nuclear Speckles oder den Interchromatin Granule Clustern ergab sich jedoch aus einer Untersuchung der Verteilung von snRNPs mit Anti-Spleißfaktor-spezifischen Antikörpern, die ein gesprenkeltes Verteilungsmuster von snRNPs in Zellkernen zeigte. Mit fortschreitender Forschung zu den Nuclear Speckles wurden jedoch zusätzliche Funktionen entdeckt.
Aufbau Der menschliche Interphasen-Zellkern enthält 20–50 Nuclear Speckles mit einem Durchmesser von einem bis zu mehreren Mikrometern. Durch elektronenmikroskopische Aufnahmen wurde festgestellt, dass ein einzelnes Nuclear Speckle aus Punkten (Interchromatin-Granule) mit einem Durchmesser von 20–25 nm besteht. Diese sind durch feine Fibrillen zu einem Cluster verbunden. Ihre Größe und Form kann sich dynamisch ändern. Sie kann zwischen verschiedenen Zelltypen variieren und hängt von zahlreichen Faktoren ab, darunter u. a. den zellulären ATP-Werten, dem Phosphorylierungsstatus verschiedener Proteine, der Transkription von stress-aktivierten Genen und die Transkription und Spleißung der RNA-Polymerase II. Die Hemmung der Transkription durch die RNA-Polymerase II oder des Spleißens führt zur Anhäufung von Proteinen in vergrößerten Nuclear Speckles. Nach Beseitigung dieser Hemmung kann die normale Größe der Speckles wieder hergestellt werden. Für einige der Komponenten der Speckles wurde ein Zielsignal identifiziert. Die Arginin/Serin-reiche Domäne (RS-Domäne) einiger SR-Prä-mRNA-Spleißfaktoren hat sich als notwendig und ausreichend erwiesen, um Speckles als Ziel für diese Proteine zu definieren.
Die biophysikalischen Eigenschaften der Nuclear Speckles und des Nukleoplasmas unterscheiden sich nicht wesentlich. Speckles sind etwas dichter als das umgebende Nukleoplasma, und die Proteinkonzentrationen (zwischen 115 und 162 mg/ml) sind in beiden Kompartimenten ähnlich. Obwohl Nuclear Speckles hochdynamische Strukturen sind und ihre Komponenten ständig im Fluss sind, bleiben Speckles klar vom Nukleoplasma getrennt. Bei der Isolierung aus den Kernen von Mausleberzellen blieben sie stabil und widerstandsfähig gegenüber nachfolgenden Schritten im Aufreinigungsverfahren.
Es ist allgemein akzeptiert, dass der Zusammenbau der Nuclear Speckles von den Interaktionen zwischen deren einzelnen Komponenten abhängt. Neben strukturierten Proteindomänen spielen Low-Complexity-Regions (LCRs) eine wichtige Rolle bei Protein-Protein- und Protein-RNA-Interaktionen. LCRs sind repetitive Sequenzen von Aminosäuren in Proteinen und sind sehr flexibel. Diese LCRs sind in den Proteinen der Nuclear Speckles überrepräsentiert. LCRs können die Eigenschaften eines Proteins nach posttranslationaler Modifikation oder bei Proteinpartnerbindung dauerhaft oder vorübergehend verändern. So werden Proteine, die LCRs enthalten, reguliert und sorgen damit dafür, dass zelluläre Prozesse angepasst werden können. Der Abbau oder Mutation in diesen LCR-Regionen verändert die Protein-Protein-Interaktionen, Protein-RNA-Interaktionen, Protein-Funktionen oder die Lokalisierung von Proteinen zu den Nuclear Speckles.
Die Trennung von Proteinen in den Nuclear Speckles ermöglicht diesen den Schutz vor ungünstigen Wechselwirkungen und gewährleistet die Integrität von Nuclear Speckles trotz des Fehlens einer Lipidgrenze.
Zusammensetzung mini|Regulation der Genexpression durch Proteine in Nuclear Speckles: Die RNA-Verarbeitung, vom Ort der Transkription bis zum Kernexport, wird durch mehrere Proteine reguliert, die in Nuclear Speckles lokalisiert sind. Der Weg der RNA-Prozessierung im Zellkern beginnt mit der Transkriptionsinitiierung. Mehrere Proteine, von denen viele in Nuclear Speckles vorkommen, sind für die Verarbeitung des primären Transkripts verantwortlich, einschließlich Spleißen, m6A-Modifikation, 3′ Endverarbeitung und Export. In der Abbildung sind Beispiele für Proteine mit bekannten Funktionen in Transkription und RNA-Reifung dargestellt (grüne Punkte). Darüber hinaus ist eine große Gruppe anderer mit Nuclear Speckles assoziierter Proteine indirekt an der präzisen Regulation der RNA-Verarbeitung beteiligt (rote Punkte) Ähnlich wie andere membranlose Körper mit flüssigkeitsähnlichen Eigenschaften zeichnen sich Nuclear Speckles durch den dynamischen Austausch von Komponenten innerhalb des Nukleoplasmas aus. Sie teilen sich einige Proteine mit anderen Kernkörpern. So werden beispielsweise spleißosomale snRNPs vor ihrem Transport in die Nuclear Speckles in Cajal-Körpern zusammengebaut. Zudem regeln sie die Reifung der 3′ Enden von Histon-Transkripten in Histon-Locus-Körpern (HLB).
Die Anzahl der Proteine, die in Nuclear Speckles gefunden wurden, hat durch mikroskopische und proteomische Studien erheblich zugenommen. Proteine der Nuclear Speckles sind an mehreren Schritten der nukleären Genexpressionsregulation beteiligt, wie z. B. epigenetische Regulation, Transkriptionsaktivator- und Repressorfunktionen, Transkriptionselongation und -terminierung, Spleißen, 3′ Ende-Verarbeitung, mRNA-Modifikation und -Export. Die Lokalisation, Wechselwirkungen und der Abbau dieser Proteine wird durch Regulierungsproteine der Nuclear Speckles reguliert. Zu diesen gehören Proteinkinasen und Proteine, die an der Phosphoinositid-Signalisierung, der Organisation des Cytoskeletts und der Ubiquitinierung beteiligt sind.
Proteinkinasen Post-translationale Proteinmodifikationen, die Proteineigenschaften verändern können, gehören zu den wichtigsten Funktionen der Nuclear Speckles. Basierend auf ihrer Proteinzusammensetzung scheinen Nuclear Speckles Kernzentren für die Proteinphosphorylierung, Methylierung, Acetylierung, Ubiquitinierung und SUMOylierung zu sein. Da mehr als 30 % der menschlichen Proteine phosphoryliert werden können und Kinase-codierende Gene ca. 2,4 % der proteincodierenden menschlichen Gene ausmachen, ist die Proteinphosphorylierung ein grundlegender Regulationsmechanismus.
Insgesamt wurden (bis 2017) 31 Proteinkinasen in Nuclear Speckles gefunden und die Substrate vieler Proteinkinasen identifiziert. Da viele Proteine der Nuclear Speckles an verschiedenen Genexpressionsschritten beteiligt sind, die in verschiedenen zellulären Kompartimenten stattfinden, hat sich die Kontrolle des Transfers dieser Proteine zwischen Kern und Zytoplasma als wichtiges Instrument der Genexpressionsregulierung etabliert. Die reversible Proteinphosphorylierung spielt eine wichtige Rolle bei der korrekten zellulären Lokalisierung von Nuclear Speckle-Proteinen, einschließlich der SRSF-Proteine (Serine and arginine rich splicing factors). Die SRSF-Phosphorylierung/Dephosphorylierung dient als kritischer Mechanismus, der sowohl das Spleißen als auch die Proteinzusammensetzung in Nuclear Speckles beeinflusst. Dementsprechend führt eine erhöhte Aktivität oder Überexpression vieler Nuclear Speckle-Kinasen zu einem Abbau der Speckles. Dies weist auf eine Rolle der Kinasen bei der Erhaltung der Nuclear Speckles hin. Die Kinasen der Nuclear Speckles sind also Mediatoren, die verschiedene Signale über nukleäre Genexpressionsregulationsereignisse integrieren und anpassen, um das zelluläre Gleichgewicht zu halten.
PI Signaling Derivate von Phosphoinositol (PI) fungieren als eine weitere große Gruppe von Signalmolekülen, die für die Funktion der Nuclear Speckles relevant sind. Im Zellkern sind PIs an der Regulation der Genexpression beteiligt, einschließlich Chromatinmodifikation, Prä-mRNA-Reifung und mRNP-Export. Zahlreiche Nuclear-Speckle-Proteine sind direkt (bei PI-Bindung) oder indirekt von PIs durch die Aktivität von PI-abhängigen regulatorischen Proteinen (z. B. Proteinkinasen oder Ubiquitin-Ligasen) betroffen.
Immer mehr Hinweise deuten darauf hin, dass PIs in Nuclear Speckles lokalisiert sind. Darüber hinaus interagieren PI-modifizierende Enzyme, die Phosphate aus PIs hinzufügen oder entfernen oder hydrolysieren, in Nuclear Speckles miteinander. Dies deutet darauf hin, dass einige PI-Derivate in Nuclear Speckles hergestellt werden. Bisher (2017) wurden mehr als zwanzig Proteine, die an der PI-Signalisierung beteiligt sind, in Nuclear Speckles gefunden.PIs können aufgrund der Funktionalität ihrer nachgeschalteten Signalproteine, zu denen mehrere prominente NS-Proteinkinasen gehören, einen erheblichen Einfluss auf die Nuclear Speckles-Funktion haben. Zusammengenommen bestärken diese Tatsachen die Ansicht, dass Nuclear Speckles nukleäre Knotenpunkte für die PI-Produktion und Signalisierung sind, die für die Proteinlokalisierung in Nuclear Speckles und deren Komponenten sowie für die Regulierung von Transkription, Transkriptreifung, Spleißung und Export wichtig sind.
Organisation des Cytoskeletts In proteomischen Studien wurden verschiedene Arten von Strukturproteinen in Nuclear Speckles identifiziert. Einige Studien zeigten, dass cytoskelettalen Proteine wie Lamine, Myosine und Tubulin Komponenten der Nuclear Speckles sind. Cytoskelettumlagerungen werden durch Nuclear-Speckles-Proteine reguliert, die an der PI-Signalisierung und der Calciumsignalisierung beteiligt sind. Dies deutet darauf hin, dass die funktionellen Zusammenhänge zwischen PIs, Calcium und Cytoskelettproteinen im Zytoplasma bei Nuclear Speckles ähnlich sind. Proteine, die in der Organisation des Cytoskeletts involviert sind, tragen zur Bildung des Zellkerns bei, regulieren aber auch die Transkription.
Ubiquitinierung und SUMOylierung