mini|hochkant=0.9|Ein Nukleolus ist ein besonderer Bereich im Zellkern (Nukleus)
Ein Nukleolus oder Nucleolus (von lateinisch nucleolus ‚Kernchen‘; Plural: nucleoli), auch Kernkörperchen genannt, ist ein lichtmikroskopisch auffälliger, etwa kugelförmiger Bereich des Nukleoplasmas innerhalb des Zellkerns (Nukleus) einer (eukaryotischen) Zelle. Nukleoli gehen aus bestimmten Chromosomenregionen hervor, den Nukleolusorganisatorregionen (NOR). Sie sind nach einer Kernteilung (Mitose) typischerweise in der Interphase zu finden und dienen dem Aufbau ribosomaler RNA. Im Nukleolus findet auch deren Zusammenbau mit ribosomalen Proteinen zu den Vorstufen von Ribosomen statt; sie ermöglichen die Proteinbiosynthese im Cytoplasma.
Lage und Vorkommen In jedem eukaryotischen Genom gibt es mindestens ein Chromosom, das einen Nukleolus entstehen lässt.Wolfgang Beermann: Der Nukleolus als lebenswichtiger Bestandteil des Zellkerns. In: Chromosoma 11, 1960: 263–296. Liegen innerhalb der Kernhülle mehrere solcher Nukleusorganisatoren vor, so können deren Nukleoli getrennt bleiben oder sich vereinen. Bei menschlichen Zellen verschmelzen die zehn zunächst gebildeten Nukleolen meist zu einem großen Nukleolus im Interphase-Kern. In Zellen mit intensiver Proteinsynthese ist der Nukleolus stets besonders groß.Eintrag Nucleolus im Lexikon der Biologie auf spektrum.de.
Jeder Nukleolus enthält Chromosomenabschnitte mit aneinandergereihten Genen sogenannter ribosomaler DNA (rDNA), an denen mit hoher Genaktivität die Transkription abläuft. Mit Hilfe der RNA-Polymerase I wird dabei jeweils ein RNA-Einzelstrang (45S-prä-ribosomale RNA) aufgebaut. Dieser wird anschließend so zerlegt, dass drei verschiedene Moleküle ribosomaler RNA (rRNA) entstehen: 18S- sowie 5,8S- und 28S-rDNA. Gemeinsam mit 5S-rRNA sind dies die funktionell grundlegenden Bausteine von Ribosomen. Sie bilden zusammen mit einer Reihe unterschiedlicher ribosomaler Proteine die Vorstufen der kleinen (40S-) und großen (60S-) Untereinheiten eukaryotischer Ribosomen.
Humangenetik mini|hochkant=1.3|Nukleolus im Nukleus einer HeLa-Zelle (elektronenmikroskopische Aufnahme) Im menschlichen Genom liegen die rDNA-Gene für rRNA jeweils auf den kurzen (p-)Armen der akrozentrischen Chromosomen an den Genorten 13p12, 14p12, 15p12 sowie 21p12 und 22p12. Die repetitiven DNA-Sequenzen der entsprechenden Nukleolusorganisatoren dieser Regionen weisen jeweils etwa 50 Sequenzwiederholungen pro NOR auf. In einem diploiden menschlichen Zellkern liegen also insgesamt zehn Chromosomen mit Nukleolus-Organisator-Regionen vor. Die in der Telophase zunächst gebildeten bis zu zehn kleinen NukleolenWalther Traut: Chromosomen: Klassische und molekulare Cytogenetik. Springer: Berlin, Heidelberg 1991: 189–193. ISBN 3-540-53319-2. → Seite 191: „Die maximale Zahl der Nukleolen entspricht der Zahl der aktiven NORs eines Zellkerns.“ vereinigen sich im Laufe der Interphase in vielen Zellkernen nicht selten zu einem großen, gemeinsamen Nukleolus. Dabei ist kaum zu entscheiden, ob noch alle NOR gleichermaßen aktiv sind.
Die DNA-Sequenzen für die 5S-rRNA liegen beim Menschen im langen (q-)Arm des Chromosoms 1. Auch bei anderen Spezies befinden sich die Gene für die 5S-rRNA außerhalb von Nukleolusorganisatorregionen.
Allgemeine Genetik mini|Chironomus halophilus: polytänes Chromosomenpaar 4, lichtmikroskopisch. L links, R rechts; N Nukleolus; BR Balbiani-Ring. Maßstab 10 µm Anders als etwa bei Pflanzen oder Wirbeltieren mit ihren kleinen Zellkernen der Interphase sind Nukleolen verhältnismäßig leicht an Polytänchromosomen zu beobachten, wie sie in Fliegen-Maden und Mücken-Larven vorkommen. Diese Insekten entwickeln in Speicheldrüsen und in Malpighi-Gefäßen riesige Zellkerne. In diesen ist eindeutig zu erkennen, welches der entsprechend großen Chromosomen eine NOR besitzt. Als Beispiel dient hier die Abbildung des polytänen Chromosompaares 4 aus einer larvalen Speicheldrüse der Zuckmücke Chironomus halophilus. Am linken Ende sind die elterlichen Chromatidenbündel getrennt und tragen unterschiedlich große Nukleolen, dunkel gefärbt mit Uranylacetat. Als Diagnose bietet sich an: Die beiden elterlichen NOR sind unterschiedlich aktiv, sie zeigen heterozygote Transkription. Obwohl sie nahe beieinander liegen, sind die beiden Nukleolen voneinander getrennt.
Chromosomen mit Nukleolusorganisator (NOR) Die folgende Tabelle zeigt, dass die Zahl nuklelolusorganisierender Regionen von Art zu Art verschieden sein kann. Spezies Karyotyp Chromosom mit NOR Autoren Zea mays 2n =20 #6 Silva et al, 2018.Jéssica Coutinho Silva, Carlos Roberto Carvalho, Wellington Ronildo Clarindo: Updating the maize karyotype by chromosome DNA sizing. In: PLoS ONE 13, 1, 2018: e0190428. McClintock 1929.Barbara McClintock: Chromosome morphology in Zea mays. In: Science 69, 1798, 1929: 629. doi:10.1126/science.69.1798.629Drosophila melanogaster 2n = 8,XY X bzw. Y Warsinger-Pepe et al, 2020.Natalie Warsinger-Pepe, Duojia Li, Yukiko M Yamashita: Regulation of nucleolar dominance in Drosophila melanogaster. In: Genetics 214, 2020: 991–1004. .Chironomus commutatus 2n = 6 FEG-Element Keyl 1960. Tafel 8.Hans-G Keyl: Die cytologische Diagnostik der Chironomiden: II. Diagnosen der Geschwisterarten Chironomus acidophilus n. sp. und Ch. uliginosus n. sp. In: Arch Hydrobiol 57, 1960: 187–195. → Tafel 8.Chironomus halophilus 2n = 8 #4 Keyl & Keyl 1959. Tafel 9.Hans-G Keyl, Ilse Keyl: Die cytologische Diagnostik der Chironomiden: I. Bestimmungstabelle für die Gattung Chironomus auf Grund der Speicheldrüsen-Chromosomen. In: Arch Hydrobiol 56, 1959: 43–57; Tafel 9.Chironomus obtusidens 2n = 8 G Beermann 1962.Wolfgang Beermann: Riesenchromosomen. Springer, Wien 1962: → S. 21.Chironomus plumosus 2n = 8 #4 Keyl & Keyl 1959. Tafel 10.Chironomus tentans 2n = 8 #1, #2 Pelling 1964.Claus Pelling: Ribonukleinsäure-Synthese der Riesenchromosomen: Autoradiographische Untersuchungen an Chironomus tentans. In: Chromosoma 15, 1964: 71–122.Pseudodiamesa branickii 2n = 8 #4 Zacharias 1984.Helmut Zacharias: Allocyclic behaviour and underreplication of the nucleolus chromosome in Pseudodiamesa (Chironomidae). In: Chromosoma 89, 1984: 263–273.Sus scrofa Hausschwein 2n = 38,XY #8, #10 Mellink et al 1994.Clemens H Mellink, A A Bosma, N A De Haan: Variation in size of Ag-NORs and fluorescent rDNA in situ hybridization signals in six breeds of domestic pig. In: Hereditas 120, 2, 1994: 141–149. Rønne et al 1987.Mogens Rønne, Vera Stefanova, Dino di Bernardino, Birger Strandby Poulsen: The R-banded karyotype of the domestic pig (Sus scrofa dornestica L.). In: Hereditas 106, 1987: 219–231.Bos taurus Hausrind 2n = 62,XY 2q, 3q, 4q, 11q, 25q Andraszek & Smalec 2012.Katarzyna Andraszek, Elżbieta Smalec: Structure of the nucleoli in domestic cattle spermatocytes. In: Folia Histochem Cytobiol 50, 3, 2012: 346–351. PDF.Homo sapiens 2n = 46,XY 13p, 14p, 15p, 21p, 22p Mangan & McStay 2021.Hazel Mangan, Brian McStay: Human nucleoli comprise multiple constrained territories, tethered to individual chromosomes. In: Genes Dev 35, 7–8, 2021: 483–488. . Van Sluisa et al 2020.Marjolein van Sluisa, Chelly van Vuurena, Hazel Mangana, Brian McStay: NORs on human acrocentric chromosome p-arms are active by default and can associate with nucleoli independently of rDNA. In: Proc Natl Acad Sci USA 117, 19, 2020: 10368–10377. . Für Chironomus commutatus ist aus seinem polytänen Chromosomensatz ein für diese Gattung ungewöhnlicher Karyotyp 2n = 6 abzuleiten. Der Nukleolus ist an ein langes Chromosom gebunden, das durch Translokation aus den chromosomalen Untereinheiten F+E+G zusammengesetzt ist. Die NOR liegt im Teil G, der ehemals – wie bei C. obtusidens – ein selbständiges Chromosom war.
Um den Karyotyp zu formulieren, darf man sich nicht immer auf den polytänen Satz berufen. Davor warnt die Zuckmücke Pseudodiamesa branickii: Auf den ersten Blick besitzt sie drei polytäne Chromosomenpaare. Doch keinem ist ein Nukleolus zuzuordnen. Tatsächlich zeigen mitotische Metaphasen 2n = 8 Chromosomen. Mit verschiedenen Methoden wurde die multiplizierte NOR in Riesenkernen als unabhängiges Chromatinnetz neben den Polytänchromosomen nachgewiesen. Die Transkription in der NOR ist so stark, dass die multiplizierten Chromatiden der beiden kleinen Chromosomen 4 nicht zusammenbleiben, sich nicht bündeln konnten. Diese Besonderheit bestätigt die NOR als den mächtigsten unter den aktiven Genorten, die in polytänen Elementen als Puffs (pʌfs; engl.) charakterisiert sind.
Anzahl der Transkriptionseinheiten für rRNA Auf der ribosomalen DNA (rDNA) von nukleolusorganisierenden Regionen wiederholen sich identische DNA-Sequenzen mehrfach bis tausendfach im Genom. Diese repetitiven Sequenzen können als verschiedene Transkriptionseinheiten für den Aufbau von rRNA gleichzeitig abgelesen werden. Bei dem Transkriptionsvorgang mittels RNA-Polymerase I wird jeweils als erstes Genprodukt ein längerer RNA-Einzelstrang aufgebaut, die sogenannte 45S-prä-rRNA. Diese wird anschließend verändert und so in mehrere Teile zerlegt, dass daraus je ein 18S-, 5,8S- und 28S-rRNA-Molekül hervorgehen, die Grundbausteine späterer Ribosomen. Die Sedimentationszahl S ist ein Maß für die Größe der RNA-Moleküle unter Beschleunigung in einer Ultrazentrifuge. Die folgende Tabelle führt exemplarisch – inzwischen überholte – Schätzungen der Gesamtzahl an Transkriptionseinheiten für 45S-prä-rRNA in verschiedenen einfachen (1n, 1c) Genomen auf:Adrian T Sumner: Chromosomes: Organisation and function. Blackwell, Oxford UK 2003; ISBN 0-632-05407-7. → Tab 11.1, S. 134.Harris Busch, Lawrence Rothblum (eds): The cell nucleus. Vol X: rDNA, part A. Academic Press, New York 1982.
mini|hochkant=1.3|Transkriptionseinheiten von rDNA für rRNA im Nukleolus einer Zuckmücke (Chironomus pallidivitatus; elektronenmikroskopische Aufnahme, etwa 40.000fache Vergrößerung). Die Präparationsmethode veröffentlichte der Autor 1993.Hans-H Trepte: Ultrastructural analysis of Balbiani ring genes of Chironomus pallidivittatus in different states of Balbiani ring activity. In: Chromosoma102, 1993: 433–445.
Spezies deutscher Name rRNA-GeneSaccharomyces cerevisiae Backhefe 140Allium cepa Zwiebel 6950Pisum sativum Erbse 3900Triticum aestivum Weizen 6350Bombyx mori Seidenspinner 240Drosophila melanogaster Taufliege 200Salmo salar Atlantischer Lachs 710Gallus domesticus Haushuhn 200Mus musculus Hausmaus 100Homo sapiens Mensch 200
Gene für 5S-rRNA Nicht in der rDNA der Nukleolusorganisatoren sind die repetitiven DNA-Sequenzen von Genen für die 5S-rRNA zu finden. Im menschlichen Genom liegen diese auf dem langen (q)-Arm des großen Chromosoms 1. Die Mehrzahl dieser Transkriptionseinheiten wurde in der Region 1q42.11–13 nachgewiesen,Pernille Dissing Sørensen, B Lomholt, Sune Frederiksen, N Tommerup: Fine mapping of human 5S rRNA genes to chromosome 1q42.11-q42.13. In: Cytogenet Cell Genet 57, 1991: 26–29. Abstract.Pernille Dissing Sørensen, Sune Frederiksen: Characterization of human 5S rRNA genes. In: Nucleic Acids Res 19, 15. 1991: 4147–4151. . etwa ein Viertel der Gene liegen in der Region 1q31.B Lomholt, Sune Frederiksen, J Nederby Nielsen, C Hallenberg: Additional assignment of the human 5S rRNA genes to chromosome region 1q31. In: Cytogenetics and Cell Genetics. Band 70, 1995, S. 76–79; Abstract.
Bei der Taufliege (Drosophila melanogaster) enthält das Chromosom 2 in Region 56EF die etwa 200 Kopien des Gens für 5S-rRNA. Getrennt davon enthält das X-Chromosom – wie in der obenstehenden Tabelle gelistet – die Region des Nucleolusorganisators mit den Genen für 18S- und 28S-rRNA.James D Procunier, Kenneth D Tartof: Genetic analysis of the 5S RNA genes in Drosophila melanogaster. In: Genetics. Band 81, Nr. 3, 1975, S. 515–523; .