Zellkern
Ein Zellkern oder Nukleus (Vorlage:LaS „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
[Bearbeiten]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).
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Elektronenmikroskopische Aufnahme des Zellkerns
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Zellkern aus Medicago truncatula
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Zwiebel (Allium cepa) Zellkern, 400×, jodgefärbt
Aufbau
[Bearbeiten]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.
<imagemap> Datei:Zellkern_Aufbau.svg|links|mini|405px|Aufbau eines Wirbeltier-Zellkerns. Einzelne Bereiche der Grafik verlinken auf den Artikel in der Wikipedia.
circle 402 341 90 Nucleolus circle 402 436 40 Cajal-Körper circle 260 404 40 PML-Körper rect 831 131 880 198 Kernpore rect 480 8 525 59 Kernpore circle 529 472 20 DNA-Reparatur circle 182 236 20 Transkriptionsfabrik poly 506 349 549 343 668 404 700 452 690 508 686 559 577 599 472 573 432 549 400 508 381 476 442 468 440 422 490 383 Chromosomenterritorium rect 151 93 220 163 Kernpore circle 216 307 20 centromerisches Heterochromatin mit Zentromer circle 178 345 20 DNA-Reparatur circle 145 341 20 DNA-Reparatur poly 216 91 280 65 353 38 406 28 464 18 482 18 484 44 406 46 317 67 258 95 224 115 Kernhülle poly 529 18 529 38 593 44 682 61 745 87 803 117 829 131 839 115 755 67 672 38 527 18 Kernhülle poly 218 117 218 125 250 107 317 79 365 63 406 54 484 50 482 40 424 44 363 54 321 67 268 91 220 111 Kernlamina poly 525 38 527 42 555 44 615 54 690 75 747 99 805 125 829 147 831 135 763 95 696 67 621 48 527 38 Kernlamina poly 222 119 234 129 274 115 315 117 337 89 381 75 412 75 476 63 482 46 377 56 238 111 228 119 Heterochromatin poly 525 44 525 59 589 83 615 91 623 101 648 113 686 103 720 111 773 153 813 153 831 153 775 111 672 69 589 46 527 44 Heterochromatin poly 355 258 432 246 458 226 446 198 440 141 494 127 434 67 337 87 321 113 258 115 222 159 240 218 Chromosomenterritorium poly 470 208 458 220 446 186 450 141 492 127 502 155 515 186 502 196 490 180 466 184 Nuclear Speckle circle 484 196 22 Paraspeckle circle 599 129 20 Transkriptionsfabrik circle 743 448 20 Transkriptionsfabrik circle 329 448 20 Polycomb-Körper circle 628 256 20 Polycomb-Körper circle 878 337 20 Transkriptionsfabrik
desc bottom-left </imagemap> Vorlage:Absatz
Nukleärkörper
[Bearbeiten]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.<ref>Vorlage:Literatur</ref>
| Vermutete Funktion<ref name="r1">Vorlage:Literatur</ref><ref name="r2">Vorlage:Literatur</ref><ref name="r3">Vorlage:Literatur</ref> | Zentrale Komponenten | Typische Größe (μm) | Typische Anzahl | |
|---|---|---|---|---|
| Nucleolus | Herstellung 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 I | 3–8<ref name="r1" />
0,5–8<ref name="r3" /> |
1–4 |
| Nuclear speckles (ICG) | Lagerung, Zusammenbau und Modifikation von Spleißfaktoren. | Prä-mRNA-Spleißfaktoren<ref name="r1" />, SRSF2, SRSF1, Malat1<ref name="r3" /> | 2–3<ref name="r1" />
0,5–1,8<ref name="r3" /> |
20–50 |
| Nuclear stress bodies | Regulierung von Transkription und Spleißen unter Stress.
Enthält Satelliten III non-coding RNAs. Präzise Funktion noch nicht festgelegt. |
HSF1, HAP | 1–2<ref name="r1" />
0,3–3,0<ref name="r3" /> |
2–6<ref name="r1" />
2–10<ref name="r3" /> |
| Histone locus body (HLB) | Synthese von Histon-Genen | NPAT, FLASH,U7 snRNP | 0,2–1,2<ref name="r1" /><ref name="r3" /> | 2–4<ref name="r1" /><ref name="r3" /> |
| Cajal-Körper/Gems | Herstellung, Reifung und Recycling von snRNPs. Spielt auch eine Rolle beim Zusammenbau der Telomerase und der Regulierung der Telomerasenverlängerung. | Coilin, SMN | 0,2–1,5<ref name="r1" />
0,1–2,0<ref name="r3" /> |
0–10 |
| PML-Körper | Regulierung der Genomstabilität, DNA-Reparatur, Kontrolle der Transkription, Virenabwehr | PML Protein | 0,1–1,0<ref name="r1" />
0,3–1,0<ref name="r3" /> |
10–30 |
| Paraspeckles | mRNA-Regulation, RNA-Bearbeitung | NEAT1/MENε/βncRNAs PSP1, p54nrb/NONO | 0,2–1<ref name="r1" />
0,5<ref name="r3" /> |
2–20<ref name="r1" />
10–20<ref name="r3" /> |
| Perinukleares Kompartiment | Posttranskriptionelle Regulation einer Teilmenge von pol III RNAs in Tumor-Zellen. | PTB, CUGBP | 0,2–1,0 | 1–2<ref name="r1" />
1–4<ref name="r3" /> |
| Polycomb (PcG)-Body | Polycomb Group (PcG)-Komplexe sind an der Genrepression durch epigenetische Modifikation des Chromatin und durch die Regulierung der Kernorganisation ihrer Zielgene beteiligt.<ref>Vorlage:Literatur</ref> | Bmi1, Pc2<ref name="r3" /> | 0,3–1,0<ref name="r2" /> | 12–16<ref name="r2" /> |
| OPT Domäne | Angereichert mit Transkriptionsfaktoren Oct1 und PTF. Teilweise Kolokalisation mit Transkriptionsstellen. Vorwiegend in der späten G1-Phase nachgewiesen. Zerfällt bei Transkriptionshemmung. | 1,0–1,5 | 1–3 | |
| Sam68 Kernkörperchen | Konzentriert Sam68 und Sam68-ähnliche Proteine SLM-1 und SLM-2. Zerfällt bei Transkriptionshemmung. Höchstwahrscheinlich angereichert mit RNA. | 0,6–1,0 | 1–5 | |
| Cleavage body | Angereichert 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. | 0,2–1,0 | 1–4 | |
| Clastosomes | Diese Körper konzentrieren Proteinsubstrate für den proteasomalen Abbau. Vorwiegend bei stimulierter Aktivität des Proteasoms erkannt. Es zerfällt bei proteasomaler Hemmung.<ref name="r2" /> Bildet sich als Reaktion auf Reize, die die proteasomabhängige Proteolyse aktivieren. | 19S, 20S Proteasome<ref name="r3" /> | 0,2–1,2 | 0–3 |
| SUMO body | Angereichert mit SUMO-1 und SUMO-konjugierendem Enzym Ubc9. Konzentriert die Transkriptionsfaktoren pCREB, CBP, c-Jun. | 1–3 | 1–3 | |
| PIKA | unbekannt<ref>Vorlage:Literatur</ref> (polymorphic interphase karyosomal association) |
Anordnung der Chromosomen
[Bearbeiten]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.<ref name="Schardin et al.">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.</ref><ref name="Manuelidis">Manuelidis: Individual interphase chromosome domains revealed by in situ hybridization. Hum. Genet. 71: 288, 1985. PMID 3908288.</ref>
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.<ref name="O'Keefe et al.">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).</ref> 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.<ref name="Cremer and Cremer">Cremer and Cremer: Chromosome territories, nuclear architecture and gene regulation in mammalian cells. Nat Rev Genet 2: 292, 2001. PMID 11283701.</ref> Beide Motive sind dabei miteinander vereinbar.
Kernteilung
[Bearbeiten]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
[Bearbeiten]Unten: Falschfarbendarstellung aller Chromosomenterritorien, die in dieser Fokusebene sichtbar sind, nach Computer-Klassifikation.
Der Zellkern ist das zuerst entdeckte Organell der Zelle. Die älteste erhaltene Zeichnung geht zurück auf den frühen Mikroskopiker Antoni van Leeuwenhoek (1632–1723). Dieser untersuchte rote Blutkörperchen des Lachses und beschrieb darin ein „Lumen“, den Zellkern.<ref>Antoni van Leeuwenhoek Opera Omnia, seu Arcana Naturae ope exactissimorum Microscopiorum detecta, experimentis variis comprobata, Epistolis ad varios illustres viros. J. Arnold et Delphis, A. Beman, Leiden 1719–1730. Zitiert nach Dieter Gerlach: Geschichte der Mikroskopie. Verlag Harry Deutsch, Frankfurt am Main 2009, ISBN 978-3-8171-1781-9.</ref> Im Gegensatz zu den roten Blutkörperchen der Säugetiere haben jene der anderen Wirbeltiere Zellkerne. Eine weitere Erwähnung erfolgte 1804 durch Franz Andreas Bauer.<ref name="Harris">Vorlage:Literatur</ref> 1831 wurde der Zellkern vom schottischen Botaniker Robert Brown in einem Vortrag vor der Linnéschen Gesellschaft in London als „areola“ beschrieben.<ref name="Robert Brown">Vorlage:Literatur</ref> Mögliche Bedeutungen erwähnte er nicht. Eine solche wurde zuerst 1838 von Matthias Schleiden vorgeschlagen, nämlich dass er eine Rolle bei der Bildung der Zelle spielt. Daher führte Schleiden den Namen „Cytoblast“ (Zellenbildner) ein. Er meinte beobachtet zu haben, dass sich neue Zellen an diesen Cytoblasten bildeten. Franz Julius Ferdinand Meyen widersprach entschieden der Ansicht, dass „der Zellenkern die Zelle selbst erzeuge“. Er hatte schon zuvor beschrieben, dass sich Zellen durch Teilung vermehren. Allerdings war Meyen auch der Ansicht, dass viele Zellen keine Zellkerne hätten. Überwunden wurde die Vorstellung einer Neubildung von Zellen erst durch die Arbeiten von Robert Remak (1852) und durch Rudolf Virchow (Omnis cellula e cellula, 1855), welcher die neue Lehre von der ausschließlichen Bildung von Zellen aus Zellen offensiv vertrat. Die Funktion des Zellkerns blieb weiter ungeklärt.
Christian Gottfried Ehrenberg hatte 1838 erstmals die Teilung eines Zellkerns beobachtet und auf dessen Rolle aufmerksam gemacht.<ref>Bärbel Häcker: Chromosomen. In: Werner E. Gerabek, Bernhard D. Haage, Gundolf Keil, Wolfgang Wegner (Hrsg.): Enzyklopädie Medizingeschichte. De Gruyter, Berlin / New York 2005, ISBN 3-11-015714-4, S. 261–262.</ref> Bei Orchideen entdeckte 1842 Robert Brown den Zellkern.<ref>Paul Diepgen, Heinz Goerke: Aschoff/Diepgen/Goerke: Kurze Übersichtstabelle zur Geschichte der Medizin. 7., neubearbeitete Auflage. Springer, Berlin/Göttingen/Heidelberg 1960, S. 35.</ref>
Von 1876 bis 1878 veröffentlichte Oscar Hertwig mehrere Studien über die Befruchtungsvorgänge des Seeigel-Eies, aus denen hervorging, dass der Zellkern des Spermiums in das Ei eindringt und dort mit dem Zellkern des Eies verschmilzt. Damit wurde zum ersten Mal behauptet, dass sich ein Individuum aus einer (einzelnen) kernhaltigen Zelle entwickle. Dies widersprach der von Ernst Haeckel vertretenen Ansicht, dass während der Embryonalentwicklung die gesamte Stammesgeschichte wiederholt würde, insbesondere auch die Entstehung der ersten kernhaltigen Zelle aus einer „Monerula“, einer strukturlosen Masse aus Urschleim. Die Notwendigkeit des Spermienkerns zur Befruchtung wurde daher noch lange Zeit kontrovers diskutiert. Hertwig bestätigte jedoch seine Befunde an anderen Tiergruppen, z. B. Amphibien und Mollusken. Eduard Strasburger kam an Pflanzen zum gleichen Ergebnis (1884). Dies ebnete den Weg, dem Kern eine wichtige Bedeutung bei der Vererbung zuzuweisen. Bereits 1873 hatte August Weismann die Gleichwertigkeit der mütterlichen und väterlichen Keimzellen für die Vererbung postuliert. Die Rolle des Kerns hierbei wurde erst später offenbar, nachdem die Mitose beschrieben wurde und Anfang des 20. Jahrhunderts die Mendel’schen Regeln wiederentdeckt wurden: Die Chromosomentheorie der Vererbung wurde entwickelt (siehe dort und Chromosom).
1874 isolierte Friedrich Miescher aus Zellkernen eine Substanz, die er als Nuclein bezeichnete (siehe Entdeckungsgeschichte im Artikel DNA). Nur wenige Jahre später kamen weitere Bestandteile wie Histone und Adenin (Albrecht Kossel) hinzu.<ref>Vorlage:Literatur</ref> 1996 wurde mit der Backhefe (Saccharomyces cerevisiae), die zu den Pilzen gehört, das erste Genom eines Eukaryonten veröffentlicht. Es ist erst seit dem 21. Jahrhundert möglich, das Genom, das Transkriptom oder durch Massenspektrometrie auch das Proteom einer Zelle zu einem bestimmten Zeitpunkt zu bestimmen, um sich so ein umfassendes Bild dieses Systems zu machen.
Siehe auch
[Bearbeiten]Literatur
[Bearbeiten]- T. Cremer: Von der Zellenlehre zur Chromosomentheorie. Springer Verlag, Berlin u. a., 1985, ISBN 3-540-13987-7 (online) (zur Geschichte; PDF; 6,1 MB)
Weblinks
[Bearbeiten]Vorlage:Commonscat Vorlage:Wiktionary
Einzelnachweise
[Bearbeiten]<references />
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