Ein Zellkern oder Nukleus ( „Kern“) ist ein im Cytoplasma gelegenes, meist rundlich geformtes Organell der eukaryotischen Zelle, welches das Erbgut enthält. Mit nukleär oder karyo (altgriechisch κάρυον káryon „Kern“) wird ein Bezug auf den Zellkern ausgedrückt, das nukleäre Genom heißt (im Gegensatz zu dem in peripheren Organellen) beispielsweise auch Karyom. Die Wissenschaft vom Zellkern wird auch Karyologie genannt.
Beschreibung Der Zellkern ist das Hauptmerkmal zur Unterscheidung zwischen Eukaryoten (Lebewesen mit abgegrenztem Zellkern) und Prokaryoten (Lebewesen ohne abgegrenzten Zellkern, also Bakterien und Archaeen). Er enthält den größten Teil des genetischen Materials der eukaryotischen Zellen in Form von mehreren Chromosomen (Kern-DNA oder nukleäre DNA). Weitere Gene finden sich in den Mitochondrien und eher ausnahmsweise in Hydrogenosomen sowie bei Algen und Landpflanzen auch in Chloroplasten und anderen Plastiden. Die meisten Zellen enthalten genau einen Kern. Es gibt jedoch auch Ausnahmen (Syncytium); beispielsweise enthalten Myotuben, die durch Verschmelzung von Myoblasten entstehen, mehrere Kerne (polynukleäre Zellen). Der Kern selbst ist durch eine Kernhülle oder Kernmembran, die zum Schutz des Erbguts sowie der Regulierung des Stofftransports zwischen Nucleoplasma und Cytoplasma dient, vom sie umgebenden Cytoplasma abgetrennt. In Embryonen der Fruchtfliege teilen sich Kerne sehr schnell, ohne dass zunächst trennende Zellmembranen entstehen. Reife Erythrozyten der Säuger enthalten keinen Kern mehr, er wird während der Reifung abgestoßen.
Wichtige Vorgänge, die innerhalb des Zellkerns ablaufen, sind DNA-Replikation (die Duplizierung des in Form von DNA vorliegenden genetischen Materials) und Transkription (das Erstellen einer mRNA-Kopie eines gegebenen DNA-Abschnitts, der oft, aber nicht immer, einem Gen entspricht).
Aufbau 323x323px|mini|alternativtext=|1. Kernhülle 1a. äußere Membran 1b. innere Membran 2. Nucleolus 3. Karyoplasma 4. Chromatin 4a. Heterochromatin 4b. Euchromatin 5. Ribosomen 6. Kernporen Der Zellkern, welcher bei Säugern typischerweise einen Durchmesser von 5 bis 16 µm hat, ist das im Mikroskop am leichtesten zu erkennende Organell der Zelle. Er wird durch die Kernhülle, bestehend aus zwei biologischen Membranen, der inneren und äußeren Kernmembran, begrenzt, welche die sogenannte perinukleäre Zisterne (Breite 10–15 nm, gefestigt von Mikrofilamenten – Dicke 2 bis 3 nm), umschließen. Die Gesamtdicke der Kernhülle beträgt etwa 35 nm. Die äußere Kernmembran geht fließend in das raue Endoplasmatische Retikulum (rER) über und hat wie dieses auch Ribosomen auf ihrer Oberfläche. Die innere Kernmembran grenzt an einen 20–100 nm breiten „Filz“, der Kernlamina (Lamina fibrosa nuclei), die aus Laminen, einer Gruppe von Intermediärfilamenten, besteht, welche den Zellkern stützt und die innere Membran vom Chromatin des Zellkerns trennt.
Zellkerne können je nach Zelltyp sehr unterschiedlich aussehen. Meistens sind sie kugelförmig oder oval. In einigen Zellen sehen sie eher geweihförmig aus. Manchmal kann der Zellkern in knotenartige Abschnitte untergliedert sein, so beim rosenkranzförmigen Zellkern der Trompetentierchen. Auch die Granulocyten der Säuger enthalten gelappte Kerne.
Durch die in der Kernhülle enthaltenen Kernporen, die ca. 25 % der Oberfläche bedecken, findet der aktive Stoffaustausch (z. B. rRNA oder mRNA) zwischen dem Kern und dem Zellplasma, gesteuert von einem Kernporenkomplex, statt. Regulatorische Proteine gelangen aus dem Cytoplasma in den Zellkern, Transkriptionsprodukte wie die mRNA werden zur Proteinsynthese, die an den Ribosomen des Cytoplasmas stattfindet, aus dem Kern in das Plasma exportiert. Die Flüssigkeit im Kern wird auch als Karyoplasma bezeichnet. Zellkerne können durch Anfärben der DNA lichtmikroskopisch hervorgehoben werden, z. B. durch die Feulgen-Färbung, durch Giemsa oder durch Fluoreszenzfarbstoffe wie DAPI.
Das Vorhandensein einer Kernmatrix wurde erstmals in den 1970er Jahren vorgeschlagen. Ihre Existenz ist jedoch weiterhin umstritten.
Das im Zellkern vorhandene Erbgut der Zelle befindet sich in den Chromosomen, d. h. mehreren zu Chromatin verpackten DNA-Fäden, die neben der DNA auch Proteine wie Histone enthalten. Neben den Histonen kommen auch andere Kernproteine, wie z. B. DNA-Polymerasen und RNA-Polymerasen, weitere Transkriptionsfaktoren sowie Ribonukleinsäuren im Kern vor.
Nukleärkörper Lichtmikroskopisch fallen in vielen Zellkernen ein oder mehrere rundliche Gebilde auf, die Kernkörperchen oder Nucleoli. Sie enthalten die Gene für ribosomale RNA (rRNA). Hier werden die Untereinheiten der Ribosomen gebildet, welche durch die Kernporen ins Cytoplasma gelangen. Nucleoli enthalten im Vergleich zum Rest des Kerns nur geringe Konzentrationen von DNA, stattdessen mehr RNA. Andere „Körperchen“ des Zellkerns lassen sich nur durch spezielle Färbetechniken darstellen, etwa durch Antikörperfärbung. Die Funktion dieser Körperchen ist meistens noch unbekannt. Hierunter fallen etwa „Speckles“ (Ansammlungen von Faktoren, die für Splicing benötigt werden), Cajal-Körper oder PML-Körper. Die räumliche Trennung der unterschiedlichen Komponenten bestimmter Kernkörperchen könnte die molekularen Wechselwirkungen in der extrem überfüllten Umgebung im Kern effizienter ermöglichen. +Vermutete FunktionZentrale KomponentenTypische Größe (μm)Typische AnzahlNucleolusHerstellung von Ribosomen durch Transkription und Verarbeitung von rRNA und dem Aufbau ribosomaler Untereinheiten. Spielt eine Rolle bei der Modifikation und Herstellung anderer nukleärer RNAs und RNPs. Reguliert den Verlauf des Zellzyklus durch Sequestrierung und Modifizierung vieler Proteine.RNA pol I3–8 0,5–81–4Nuclear speckles (ICG)Lagerung, Zusammenbau und Modifikation von Spleißfaktoren.Prä-mRNA-Spleißfaktoren, SRSF2, SRSF1, Malat12–3 0,5–1,820–50Nuclear stress bodiesRegulierung von Transkription und Spleißen unter Stress. Enthält Satelliten III non-coding RNAs. Präzise Funktion noch nicht festgelegt.HSF1, HAP1–2 0,3–3,02–6 2–10Histone locus body (HLB)Synthese von Histon-GenenNPAT, FLASH,U7 snRNP0,2–1,22–4Cajal-Körper/GemsHerstellung, Reifung und Recycling von snRNPs. Spielt auch eine Rolle beim Zusammenbau der Telomerase und der Regulierung der Telomerasenverlängerung.Coilin, SMN0,2–1,5 0,1–2,00–10PML-KörperRegulierung der Genomstabilität, DNA-Reparatur, Kontrolle der Transkription, VirenabwehrPML Protein0,1–1,0 0,3–1,010–30ParaspecklesmRNA-Regulation, RNA-BearbeitungNEAT1/MENε/βncRNAs PSP1, p54nrb/NONO0,2–1 0,52–20 10–20Perinukleares KompartimentPosttranskriptionelle Regulation einer Teilmenge von pol III RNAs in Tumor-Zellen.PTB, CUGBP0,2–1,01–2 1–4Polycomb (PcG)-BodyPolycomb Group (PcG)-Komplexe sind an der Genrepression durch epigenetische Modifikation des Chromatin und durch die Regulierung der Kernorganisation ihrer Zielgene beteiligt.Bmi1, Pc20,3–1,012–16OPT DomäneAngereichert mit Transkriptionsfaktoren Oct1 und PTF. Teilweise Kolokalisation mit Transkriptionsstellen. Vorwiegend in der späten G1-Phase nachgewiesen. Zerfällt bei Transkriptionshemmung.1,0–1,51–3Sam68 KernkörperchenKonzentriert Sam68 und Sam68-ähnliche Proteine SLM-1 und SLM-2. Zerfällt bei Transkriptionshemmung. Höchstwahrscheinlich angereichert mit RNA.0,6–1,01–5Cleavage bodyAngereichert mit den Spaltungsfaktoren CstF 64 kDa und CPSF 100 kDa und dem DEAD Boxprotein DDX1. Wird überwiegend in der S-Phase erkannt und ist nicht von der Transkriptionshemmung betroffen.0,2–1,01–4ClastosomesDiese Körper konzentrieren Proteinsubstrate für den proteasomalen Abbau. Vorwiegend bei stimulierter Aktivität des Proteasoms erkannt. Es zerfällt bei proteasomaler Hemmung. Bildet sich als Reaktion auf Reize, die die proteasomabhängige Proteolyse aktivieren.19S, 20S Proteasome0,2–1,20–3SUMO bodyAngereichert mit SUMO-1 und SUMO-konjugierendem Enzym Ubc9. Konzentriert die Transkriptionsfaktoren pCREB, CBP, c-Jun.1–31–3PIKAunbekannt (polymorphic interphase karyosomal association)
Anordnung der Chromosomen mini|Zellkern eines Fibroblasten der Maus. Durch Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung (FISH) wurden die Territorien der Chromosomen 2 (rot) und 9 (grün) angefärbt. DNA-Gegenfärbung in Blau. Ein Klick auf das Bild öffnet eine Tafel mit weiteren Beispielen auch aus anderen Zelltypen der Maus.
Chromosomen nehmen während der Interphase abgegrenzte Bereiche im Zellkern ein, die Chromosomenterritorien. Deren Existenz wurde zuerst von Carl Rabl (1885) und Theodor Boveri (1909) vorgeschlagen, der direkte Nachweis gelang erst 1985 mit Hilfe der Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung.Schardin et al.: Specific staining of human chromosomes in Chinese hamster x man hybrid cell lines demonstrates interphase chromosome territories. Hum. Genet. 71: 281, 1985. PMID 2416668.Manuelidis: Individual interphase chromosome domains revealed by in situ hybridization. Hum. Genet. 71: 288, 1985. PMID 3908288.
Die Verteilung des Chromatins und somit der Chromosomen innerhalb des Zellkerns erscheint auf den ersten Blick zufällig: Die Anordnung der Chromosomen zueinander wechselt von Kern zu Kern, Nachbarn in einem können im nächsten weit auseinanderliegen. Seit den 1990er Jahren konnten jedoch einige Ordnungsprinzipien gefunden werden. Die DNA-Replikation erfolgt während der S-Phase nicht gleichmäßig, sondern an manchen Stellen der Chromosomen früher, an anderen später. Frühe oder späte Replikation sind dabei Eigenschaften, die für alle Abschnitte der Chromosomen in einem gegebenen Zelltyp konstant sind. Es stellte sich heraus, dass sich früh replizierte Bereiche vorwiegend im Inneren des Kerns befinden, während spät replizierte Bereiche vorwiegend an der Kernhülle und um die Nucleoli herum lokalisiert sind.O'Keefeet al.: Dynamic organization of DNA replication in mammalian cell nuclei: spatially and temporally defined replication of chromosome-specific alpha-satellite DNA sequences. J. Cell Biol. 116: 1095, 1992. Zusammenfassung und Volltext beim Journal of Cell Biology (englisch). Für die Anordnung der Chromosomenterritorien im Zellkern wurde beobachtet, dass Chromosomen mit hoher Gendichte bevorzugt in der Mitte des Kerns liegen, während Chromosomen mit niedriger Gendichte häufiger an der Peripherie zu finden sind. Für manche Zelltypen wurde auch beschrieben, dass kleine Chromosomen eher in der Mitte liegen, während große außen sind.Cremer and Cremer: Chromosome territories, nuclear architecture and gene regulation in mammalian cells. Nat Rev Genet 2: 292, 2001. PMID 11283701. Beide Motive sind dabei miteinander vereinbar.
Kernteilung Bei der Mitose und der Meiose, den bei eukaryotischen Zellen vorkommenden Arten der Kernteilung, verschwindet der Zellkern zeitweilig, weil die Kernhülle während des Teilungsvorgangs aufgelöst wird. Während Chromosomen in der Interphase keine lichtmikroskopisch sichtbaren Abgrenzungen ausbilden, kondensieren sie für die Kernteilung zu den kompakten Metaphase-Chromosomen. In dieser Transportform wird das Erbgut auf die Tochterzellen verteilt. Nach der Teilung bilden sich die Kernhüllen um die Chromosomen der Tochterzellen wieder aus und die Chromosomen dekondensieren wieder.
Forschungsgeschichte mini|links|hochkant=1.5|Rote Blutkörperchen des Lachses mit Zellkernen, gezeichnet von Leeuwenhoek, 1719 mini|Oben: Zellkern eines menschlichen, männlichen Fibroblasten, in dem alle 24 verschiedenen Chromosomen (Chromosomenpaare 1–22 sowie X und Y) per Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung mit je einer unterschiedlichen Kombination von insgesamt 7 Fluorochromen angefärbt wurden. Gezeigt ist eine mittlere Ebene in einem dekonvolvierten Bildstapel, der mit Weitfeld-Fluoreszenzmikroskopie aufgenommen wurde.Unten: Falschfarbendarstellung aller Chromosomenterritorien, die in dieser Fokusebene sichtbar sind, nach Computer-Klassifikation.