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細胞核（ラテン語のnucleusまたはnuculeus「核、種子」に由来。複数形：nuclei）は、真核細胞に見られる膜で囲まれた細胞小器官です。真核細胞は通常、単一の核を持ちますが、哺乳類の赤血球など、核を持たない細胞型もいくつかあり、破骨細胞など、多数の核を持つ細胞型もいくつかあります。核を構成する主な構造は、細胞小器官全体を包み込み、その内容物を細胞質から隔離する二重膜である核膜と、核内にあり機械的な支持を与えるネットワークである核マトリックスです。
細胞核には、細胞のゲノムのほぼすべてが含まれています。核DNAは、多くの場合、複数の染色体（ヒストンなどの様々なタンパク質が付着した長いDNA鎖）に組織化されています。これらのタンパク質は、DNAを保護し、組織化する役割を果たしています。これらの染色体内の遺伝子は、細胞機能を促進するように構造化されています。核は遺伝子の完全性を維持し、遺伝子発現を調節することによって細胞の活動を制御しています。
核膜は大きな分子に対して不透過性であるため、核膜を介した分子の核内輸送を調節するには核孔が必要である。核孔は両方の核膜を貫通し、大きな分子はキャリアタンパク質によって能動的に輸送されなければならないチャネルを提供する一方で、小さな分子やイオンは自由に移動できる。タンパク質やRNAなどの大きな分子が核孔を通過することは、遺伝子発現と染色体の維持の両方に必要である。核の内部には膜で囲まれた区画はないが、独自のタンパク質、RNA分子、および染色体の特定の部分から構成される多数の核小体が存在する。これらのうち最もよく知られているのは、リボソームの組み立てに関与する核小体である。
細胞核には、染色体に組織化された複数の線状DNA分子の形で、細胞の遺伝物質の大部分が含まれています。ヒトの細胞には、およそ2メートルのDNAが含まれています。[ 1 ] : 405細胞周期のほとんどの間、このDNAはクロマチンと呼ばれるDNA-タンパク質複合体として存在し、細胞分裂中は、核型でおなじみの明確な染色体を形成します。細胞の遺伝子のごく一部は、代わりにミトコンドリアにあります。[ 1 ] : 438 クロマチンには2種類あります。ユークロマチンは、よりコンパクトでないDNA形態で、細胞によって頻繁に発現される遺伝子を含んでいます。 [ 2 ]もう1つのタイプであるヘテロクロマチンは、よりコンパクトな形態で、転写される頻度が低いDNAを含んでいます。この構造はさらに、特定の細胞型または特定の発生段階でのみヘテロクロマチンとして組織化される遺伝子からなる選択的ヘテロクロマチンと、テロメアやセントロメアなどの染色体構造成分からなる構成的ヘテロクロマチンに分類される。[ 3 ]間期には、クロマチンは個々の離散的なパッチに組織化され、[ 4 ]染色体テリトリーと呼ばれる。[ 5 ]一般的に染色体のユークロマチン領域に存在する活性遺伝子は、染色体のテリトリー境界付近に位置する傾向がある。[ 6 ]
特定の種類のクロマチン構造、特にヌクレオソームに対する抗体は、全身性エリテマトーデスなどの多くの自己免疫疾患と関連付けられています。[ 7 ]これらは抗核抗体（ANA）として知られており、全身性免疫系の機能不全の一部として多発性硬化症と併発することも観察されています。 [ 8 ]
核には細胞のDNAのほぼすべてが含まれており、核マトリックスと呼ばれる線維状の中間径フィラメントのネットワークに囲まれ、核膜と呼ばれる二重膜に包まれています。核膜は、核内の液体（核質と呼ばれる）を細胞の残りの部分から隔てています。核の大きさは細胞の大きさと相関しており、この比率は様々な細胞の種類や種で報告されています。[ 9 ]真核生物では、多くの細胞の核は通常、細胞体積の10%を占めています。[ 10 ] : 178核は動物細胞で最大の細胞小器官です。[ 11 ] : 12ヒト細胞では、核の直径は約6 マイクロメートル（μm）です。[ 10 ] : 179
核膜は、核孔によって穿孔された内核膜と外核膜の2つの膜から構成されています。[ 10 ] : 649これらの膜は、細胞の遺伝物質を細胞の他の内容物から分離し、核が細胞の他の部分とは異なる環境を維持できるようにする役割を果たします。核の大部分を囲むように密接に隣接しているにもかかわらず、2つの膜は形状と内容物において大きく異なります。内膜は核の内容物を囲み、その境界を形成します。[ 11 ] : 14内膜内に埋め込まれたさまざまなタンパク質は、核の構造を与える中間径フィラメントに結合します。[ 10 ] : 649外膜は内膜を囲み、隣接する小胞体膜と連続しています。[ 10 ] : 649小胞体膜の一部として、外核膜には、膜を介してタンパク質を活発に翻訳しているリボソームが点在しています。 [ 10 ] : 649 2つの膜の間の空間は核周囲腔と呼ばれ、小胞体腔と連続している。[ 10 ] : 649
哺乳類の核膜には、核膜を貫通する核孔複合体(NPC) が 3000 ～ 4000 個存在します。 [ 10 ] : 650各 NPC は、内膜と外膜が融合する位置に 8 回対称の環状構造を持っています。[ 12 ] NPC の数は細胞の種類によって大きく異なり、小型のグリア細胞には数百個程度しかなく、大型のプルキンエ細胞には約 20,000 個あります。[ 10 ] : 650 NPC は、核質と細胞質の間で分子を選択的に輸送します。[ 13 ]核孔複合体は、ヌクレオポリンと呼ばれる約 30 種類の異なるタンパク質で構成されています。[ 10 ] : 649孔の分子量は約 6000 万～ 8000 万ダルトンで、酵母では約 50 個から脊椎動物では数百個のタンパク質で構成されています。[ 11 ] : 622–4孔の直径は全体で100 nmですが、孔の中心に調節システムが存在するため、分子が自由に拡散できる隙間は約9 nmしかありません。このサイズにより、小さな水溶性分子は選択的に通過できますが、核酸や大きなタンパク質などの大きな分子が不適切に核に出入りするのを防ぎます。これらの大きな分子は、代わりに能動的に核内へ輸送される必要があります。リングには、核質に伸びる核バスケットと呼ばれる構造と、細胞質に伸びる一連のフィラメント状の突起が付着しています。これらの構造はどちらも、核輸送タンパク質との結合を媒介する役割を果たします。[ 1 ] : 509–10
ほとんどのタンパク質、リボソームサブユニット、および一部のRNAは、カリオフェリンと呼ばれる輸送因子ファミリーによって媒介されるプロセスで、孔複合体を通って輸送されます。核内への移動を媒介するカリオフェリンはインポーチンとも呼ばれ、核外への移動を媒介するカリオフェリンはエクスポーチンと呼ばれます。ほとんどのカリオフェリンは輸送物と直接相互作用しますが、アダプタータンパク質を使用するものもあります。[ 14 ]コルチゾールやアルドステロンなどのステロイドホルモン、および細胞間シグナル伝達に関与するその他の小さな脂溶性分子は、細胞膜を透過して細胞質に入り、そこで核内輸送される核内受容体タンパク質に結合します。核内では、リガンドに結合しているときは転写因子として機能します。リガンドがない場合、このような受容体の多くは、遺伝子発現を抑制するヒストン脱アセチル化酵素として機能します。[ 1 ] : 488
動物細胞では、2つの中間径フィラメントのネットワークが核に機械的な支持を与えている。核ラミナは核膜の内側に組織化された網目構造を形成し、一方、核膜の細胞質側にはそれほど組織化されていない支持が与えられている。どちらのシステムも核膜の構造的支持と染色体および核孔の固定部位を提供している。[ 15 ]
核ラミナは主にラミンタンパク質で構成されています。すべてのタンパク質と同様に、ラミンは細胞質で合成され、その後核内部に輸送され、そこで組み立てられてから既存の核ラミナのネットワークに組み込まれます。[ 16 ] [ 17 ]エメリンやネスプリンなど、膜の細胞質側に存在するラミンは、細胞骨格に結合して構造的なサポートを提供します。ラミンは核質内にも存在し、核質ベールと呼ばれる別の規則的な構造を形成します。 [ 18 ] [ 19 ]このベールは蛍光顕微鏡で観察できます。ベールの実際の機能は明らかではありませんが、核小体からは排除され、間期に存在します。[ 20 ] LEM3などのベールを構成するラミン構造はクロマチンに結合し、その構造を破壊するとタンパク質コード遺伝子の転写が阻害されます。[ 21 ]
他の中間径フィラメントの構成要素と同様に、ラミンモノマーは、2つのモノマーが互いに巻き付いてコイルドコイルと呼ばれる二量体構造を形成するために使用されるαヘリックスドメインを含んでいます。これらの二量体構造のうち2つが、逆平行配置で横に並んで結合し、プロトフィラメントと呼ばれる四量体を形成します。これらのプロトフィラメントが8つ横方向に配置され、ねじれてロープ状のフィラメントを形成します。これらのフィラメントは動的に組み立てまたは分解することができ、フィラメントの長さの変化は、フィラメントの追加と除去の競合する速度に依存します。[ 15 ]
ラミン遺伝子の変異によりフィラメントの組み立てに欠陥が生じ、ラミノパチーと呼ばれる一群のまれな遺伝性疾患が引き起こされる。最も有名なラミノパチーはプロジェリアと呼ばれる疾患群であり、この疾患を持つ人は早老症の症状が現れる。関連する生化学的変化がどのようにして老化表現型を引き起こすのか、その正確なメカニズムはよく分かっていない。[ 22 ]
核小体は、核内に存在する核小体と呼ばれる、濃く染色された膜のない離散構造の中で最大のものである。核小体は、リボソームRNA （rRNA）をコードするDNAであるrDNAのタンデムリピートの周りに形成される。これらの領域は核小体形成領域（NOR）と呼ばれる。核小体の主な役割は、rRNAを合成し、リボソームを組み立てることである。核小体の構造的凝集性は、その活性に依存しており、核小体内でのリボソームの組み立ては、核小体構成要素の一時的な結合をもたらし、さらなるリボソームの組み立て、ひいてはさらなる結合を促進する。このモデルは、rDNAの不活性化が核小体構造の混ざり合いをもたらすという観察によって裏付けられている。[ 23 ]
リボソーム組み立ての最初の段階では、 RNAポリメラーゼIと呼ばれるタンパク質がrDNAを転写し、大きなpre-rRNA前駆体を形成します。これは、2つの大きなrRNAサブユニット（5.8Sと28S）と1つの小さなrRNAサブユニット（ 18S）に切断されます。[ 10 ] : 328 [ 24 ] rRNAの転写、転写後処理、および組み立ては、核小体で行われ、リボソーム機能に関連する遺伝子をコードするメッセンジャーRNAのスプライシングされたイントロンから派生した小型核小体RNA（snoRNA）分子によって促進されます。組み立てられたリボソームサブユニットは、核膜孔を通過する最大の構造物です。[ 1 ] : 526
電子顕微鏡で観察すると、核小体は3つの区別可能な領域から構成されていることがわかります。最も内側の線維中心（FC）は、密な線維成分（DFC）（フィブリラリンとヌクレオリンを含む）に囲まれ、さらに顆粒成分（GC）（タンパク質ヌクレオフォスミンを含む）によって境界付けられています。rDNAの転写はFCまたはFC-DFC境界で起こるため、細胞内のrDNA転写が増加すると、より多くのFCが検出されます。rRNAの切断と修飾のほとんどはDFCで起こり、リボソームサブユニットへのタンパク質アセンブリを含む後続のステップはGCで起こります。[ 24 ]
スペックルは、哺乳類細胞の核質の染色質間領域に位置する、プレメッセンジャーRNAスプライシング因子が豊富に存在する核内構造である。[ 25 ] 蛍光顕微鏡レベルでは、サイズや形状が異なる不規則な点状構造として観察され、電子顕微鏡で観察すると、染色質間顆粒のクラスターとして観察される。スペックルは動的な構造であり、そのタンパク質成分とRNA-タンパク質成分の両方が、活性転写部位を含むスペックルと他の核内部位の間を継続的に循環することができる。スペックルは、遺伝子活性のエンハンサーとしてp53と協働し、特定の遺伝子の活性を直接的に高めることができる。さらに、スペックルと関連するp53遺伝子標的と関連しないp53遺伝子標的は、機能的に異なっている。[ 26 ]
斑点の構成、構造、挙動に関する研究は、核の機能的区画化と遺伝子発現機構の組織化を理解するためのモデルを提供してきた[ 27 ]。スプライシングsnRNP [ 28 ] [ 29 ]およびpre-mRNA処理に必要なその他のスプライシングタンパク質。[ 27 ]細胞の要求の変化により、これらの体の構成と位置は、特定のタンパク質のリン酸化によるmRNA転写と制御に応じて変化する。[ 30 ]スプライシング斑点は、核斑点（核斑）、スプライシング因子区画（SF区画）、染色質間顆粒クラスター（IGC）、およびBスヌルポソームとしても知られている。[ 31 ] Bスヌルポソームは、両生類の卵母細胞核およびショウジョウバエ胚 に見られる。 B スヌルポソームは、両生類の核の電子顕微鏡写真では単独で、またはカハール体に付着して現れます。[ 32 ]核斑は当初、スプライシング因子の貯蔵場所と考えられていましたが、[ 33 ]最近の研究では、遺伝子とプレ mRNA 基質を斑点の近くに配置することで、プレ mRNA スプライシングの速度効率が向上し、最終的にスプライシングの調節によってタンパク質レベルが上昇することが示されました。[ 34 ]
核には通常、カハール体またはコイル状体（CB）と呼ばれるコンパクトな構造が1～10個含まれており、その直径は細胞の種類や種によって 0.2μmから2.0μmの間である。 [ 35 ]電子顕微鏡で見ると、絡まった糸の球に似ており[ 36 ] 、タンパク質コイリンの分布が密集している。[ 37 ] CBは、RNAプロセシング、特に小型核小体RNA（snoRNA）および小型核RNA（snRNA）の成熟、ヒストンmRNAの修飾に関連するさまざまな役割に関与している。 [ 35 ]
カハール体と同様に、ジェミニ・オブ・カハール体、またはジェムと呼ばれるものがあり、その名前はCBとの密接な「双子」関係にちなんでジェミニ星座に由来しています。ジェムはCBと大きさや形が似ており、実際、顕微鏡下ではほとんど区別がつきません。[ 37 ] CBとは異なり、ジェムには小型核リボ核タンパク質（snRNP）は含まれていませんが、snRNP生合成に関連する機能を持つ運動ニューロン生存（SMN）と呼ばれるタンパク質が含まれています。ジェムはsnRNP生合成においてCBを助けると考えられていますが、[ 38 ]顕微鏡の証拠からCBとジェムは同じ構造の異なる発現であるとも示唆されています。[ 37 ]後期の超微細構造研究では、ジェムはカハール体の双子であり、違いはコイリン成分にあることが示されています。カハール体はSMN陽性かつコイリン陽性であり、ジェムはSMN陽性かつコイリン陰性です。[ 39 ]
上記でサンティアゴ・ラモン・イ・カハルが最初に記述した核小体（核小体、核斑、カハル小体など）以外にも、核には多くの他の核小体が存在する。これらには、多形性間期核小体集合体（PIKA）、前骨髄球性白血病（PML）小体、パラ斑などが含まれる。これらのドメインの多くについてはほとんど知られていないが、核質が均一な混合物ではなく、組織化された機能的なサブドメインを含んでいることを示す点で重要である。[ 41 ]
他の核内構造は、異常な疾患過程の一部として現れる。例えば、ネマリンミオパチーの一部の症例では、核内に小さな棒状構造が存在することが報告されている。この病態は通常、アクチンの変異によって引き起こされ、棒状構造自体は変異アクチンと他の細胞骨格タンパク質から構成されている。[ 43 ]
PIKAドメイン、または多型性間期核小体結合は、1991年に顕微鏡研究で初めて記述されました。その機能は不明のままですが、活発なDNA複製、転写、またはRNAプロセシングとは関連していないと考えられていました。[ 44 ]これらは、小型核RNA （snRNA）の転写を促進する転写因子PTFの密集した局在によって定義される離散ドメインとよく関連していることがわかっています。[ 45 ]
前骨髄球性白血病タンパク質（PML核小体）は、核質全体に散在する球状の小体で、大きさは約0.1～ 1.0μmです。核ドメイン10（ND10）、クレマー小体、PML発癌ドメインなど、他にも多くの名称で知られています。[ 46 ] PML核小体は、その主要成分の1つである前骨髄球性白血病タンパク質（PML）にちなんで名付けられました。核内では、カハール小体や分裂小体と関連して見られることがよくあります。[ 41 ] PML核小体を作ることができないPml-/-マウスは、明らかな悪影響もなく正常に発達し、PML核小体はほとんどの必須生物学的プロセスには必要ないことが示されています。[ 47 ]
2002年にFoxらによって発見されたパラスペックルは、核の染色質間空間にある不規則な形状の区画である。[ 48 ] 最初にHeLa細胞で記録され、核あたり通常10～30個存在する[ 49 ]パラスペックルは現在、すべてのヒト初代細胞、形質転換細胞株、および組織切片にも存在することが知られている。[ 50 ]その名前は核内での分布に由来しており、「para」はparallelの略で、「speckles」は常に近接しているスプライシングスペックルを指している。[ 49 ]
パラスペックルは核タンパク質とRNAを隔離し、遺伝子発現の調節に関与する分子スポンジとして機能するようです[ 51 ] 。 [ 52 ]さらに、パラスペックルは細胞の代謝活動の変化に応じて変化する動的な構造です。これらは転写に依存しており[ 48 ]、RNAポリメラーゼII転写がない場合、パラスペックルは消失し、関連するすべてのタンパク質成分（PSP1、p54nrb、PSP2、CFI(m)68、およびPSF）が核小体内に三日月形の核小体周囲キャップを形成します。この現象は細胞周期中に実証されています。細胞周期では、パラスペックルは間期と終期を除くすべての有糸分裂中に存在します。2つの娘核が形成される終期にはRNAポリメラーゼII転写がないため、タンパク質成分は代わりに核小体周囲キャップを形成します。[ 50 ]
ペリクロマチン線維は電子顕微鏡でのみ観察可能です。これらは転写活性クロマチンの隣に位置しており、活性なpre-mRNAプロセシングの部位であると推測されています。[ 33 ]
クラストソームは、核内の小さな構造体（0.2～0.5 μm）で、これらの構造体の周囲にある周辺カプセルによって厚い環状の形状をしていると説明されています。[ 40 ]この名前は、ギリシャ語のklastos ( κλαστός )、壊れた、およびsoma ( σῶμα )、体から来ています。[ 40 ]クラストソームは通常、正常な細胞には存在しないため、検出が困難です。これらは核内の高タンパク質分解条件下で形成され、活性が低下したり、細胞がプロテアソーム阻害剤で処理されたりすると分解されます。[ 40 ] [ 53 ]細胞内のクラストソームが少ないことは、プロテアソーム機能にクラストソームが必要ではないことを示しています。 [ 54 ]浸透圧ストレスもクラストソームの形成を引き起こすことが示されています。[ 55 ]これらの核小体にはプロテアソームの触媒サブユニットと調節サブユニットおよびその基質が含まれており、クラストソームがタンパク質分解の場であることを示している。[ 54 ]
核は、細胞質における翻訳の場所とは隔離された遺伝子転写の場を提供し、原核生物にはないレベルの遺伝子制御を可能にする。細胞核の主な機能は、細胞周期中の遺伝子発現を制御し、DNA複製を媒介することである。 [ 1 ]： 171
核膜は核の内容物を制御し、必要に応じて細胞質から分離します。これは核膜の両側のプロセスを制御する上で重要です。細胞質のプロセスを制限する必要があるほとんどの場合、主要な関与者が核に移動され、そこで転写因子と相互作用して、経路内の特定の酵素の産生を下方制御します。この制御機構は、グルコースを分解してエネルギーを生成する細胞経路である解糖の場合に発生します。ヘキソキナーゼは、グルコースからグルコース-6-リン酸を生成する解糖の最初のステップを担う酵素です。グルコース-6-リン酸から後に生成される分子であるフルクトース-6-リン酸の濃度が高い場合、制御タンパク質がヘキソキナーゼを核に移動させ、[ 56 ]核タンパク質と転写抑制複合体を形成して、解糖に関与する遺伝子の発現を減少させます。[ 57 ]
どの遺伝子が転写されるかを制御するために、細胞は遺伝子発現の調節に関与する一部の転写因子タンパク質を、他のシグナル伝達経路によって活性化されるまで、DNAへの物理的なアクセスから隔離します。これにより、不適切な遺伝子発現が低レベルであっても防止されます。たとえば、ほとんどの炎症反応に関与するNF-κB制御遺伝子の場合、転写は、シグナル伝達分子TNF-αによって開始されるシグナル伝達経路に応答して誘導されます。TNF-αは細胞膜受容体に結合し、シグナル伝達タンパク質の動員を引き起こし、最終的に転写因子NF-κBを活性化します。NF -κBタンパク質上の核局在シグナルにより、核孔を通って核内に輸送され、そこで標的遺伝子の転写を刺激します。[ 15 ]
細胞内区画化により、細胞はスプライシングされていないmRNAの翻訳を防ぐことができる。[ 58 ]真核生物のmRNAには、機能的なタンパク質を生成するために翻訳される前に除去されなければならないイントロンが含まれている。スプライシングは、mRNAがリボソームによって翻訳される前に核内で行われる。核がなければ、リボソームは新たに転写された（未処理の）mRNAを翻訳し、結果として奇形かつ機能しないタンパク質が生成される。[ 1 ]： 108-15
細胞核の主な機能は、遺伝子発現を制御し、細胞周期中にDNAの複製を仲介することです。[ 1 ] : 171複製は細胞核内で局所的に起こることがわかっています。細胞周期の間期のS期に複製が行われます。静止したDNAに沿って複製フォークが移動するという従来の考え方とは対照的に、 複製工場の概念が生まれました。これは、複製フォークが、テンプレートDNA鎖がコンベアベルトのように通過する、固定された「工場」領域に集中していることを意味します。[ 59 ]
遺伝子発現はまず転写から始まり、DNAが鋳型としてRNAが作られます。タンパク質をコードする遺伝子の場合、この過程で生成されるRNAはメッセンジャーRNA（mRNA）であり、タンパク質を形成するためにリボソームによって翻訳される必要があります。リボソームは核の外にあるため、生成されたmRNAは核外に輸送される必要があります。[ 60 ]
核は転写の場であるため、転写を直接媒介するタンパク質や、転写プロセスの調節に関与するタンパク質も多数含まれている。これらのタンパク質には、二本鎖DNA分子をほどいてアクセスしやすくするヘリカーゼ、 DNAプロモーターに結合して成長中のRNA分子を合成するRNAポリメラーゼ、DNAの超らせんの量を変化させて巻き取りとほどきを助けるトポイソメラーゼ、そして発現を調節する多数の転写因子が含まれる。[ 61 ]
新たに合成されたmRNA分子は、一次転写産物またはpre-mRNAとして知られています。これらは細胞質へ輸送される前に核内で転写後修飾を受けなければなりません。これらの修飾を受けずに細胞質に現れたmRNAは、タンパク質翻訳に利用されることなく分解されます。主な修飾は、 5'キャッピング、3'ポリアデニル化、およびRNAスプライシングの3つです。核内では、pre-mRNAはヘテロ核リボ核タンパク質粒子（hnRNP）と呼ばれる複合体の中で様々なタンパク質と結合しています。5'キャップの付加は転写と同時に起こり、転写後修飾の最初のステップです。3'ポリアデニンテールは転写が完了した後にのみ付加されます。[ 1 ]： 509-18
RNA スプライシングは、スプライソソームと呼ばれる複合体によって行われ、タンパク質をコードしない DNA 領域のイントロンが pre-mRNA から除去され、残りのエクソンが連結されて単一の連続した分子が再形成されるプロセスです。このプロセスは通常、5' キャッピングと 3' ポリアデニル化の後に行われますが、エクソンが多い転写産物では合成が完了する前に開始されることがあります。[ 1 ] : 494多くの pre-mRNA は、さまざまなタンパク質配列をコードするさまざまな成熟 mRNA を生成するために、複数の方法でスプライシングされることがあります。このプロセスは代替スプライシングとして知られており、限られた量の DNA からさまざまなタンパク質を生成することができます。[ 62 ]
核への大きな分子の出入りは、核膜孔複合体によって厳密に制御されています。小さな分子は制御なしで核に入ることができますが、[ 63 ] RNAやタンパク質などの高分子は、核に入るにはインポーチンと呼ばれる結合カリオフェリン、核から出るにはエクスポーチンを必要とします。細胞質から核へ輸送される「カーゴ」タンパク質は、核局在シグナルと呼ばれる短いアミノ酸配列を含み、これはインポーチンによって結合されます。一方、核から細胞質へ輸送されるものは、エクスポーチンによって結合される核外輸送シグナルを持っています。インポーチンとエクスポーチンがカーゴを輸送する能力は、グアノシン三リン酸（GTP）分子を加水分解してエネルギーを放出する酵素であるGTPアーゼによって制御されます。核輸送における主要なGTPアーゼはRanであり、核内か細胞質かによってGTPまたはGDP（グアノシン二リン酸）のいずれかに結合します。インポーチンはRanGTPに依存して積荷から解離するのに対し、エクスポーチンはRanGTPを必要として積荷に結合する。[ 14 ]
核への輸送は、インポーチンが細胞質でカーゴに結合し、核孔を通って核内に運ぶことに依存している。核内では、RanGTPがカーゴをインポーチンから分離し、インポーチンが核から出て再利用されることを可能にする。核からの輸送も同様で、エクスポーチンはRanGTPによって促進されるプロセスで核内でカーゴに結合し、核孔を通って出て、細胞質でカーゴから分離する。[ 64 ]
転写後修飾が完了した成熟mRNAおよびtRNAを細胞質へ輸送するための特殊な輸出タンパク質が存在する。これらの分子はタンパク質翻訳において中心的な役割を担っているため、この品質管理機構は重要である。エクソンの不完全な切除やアミノ酸の誤った取り込みによるタンパク質の誤った発現は細胞に悪影響を及ぼす可能性があるため、細胞質に到達した不完全に修飾されたRNAは翻訳に利用されるのではなく分解される。[ 1 ]
細胞核は、その生涯において、細胞分裂の過程、あるいはアポトーシス（プログラム細胞死）の結果として、分解または破壊されることがある。これらの過程において、核の構造要素である 核膜と核ラミナ は、系統的に分解される可能性がある。ほとんどの細胞では、核膜の分解は有糸分裂前期の終わりを示す。しかし、この核の分解は有糸分裂の普遍的な特徴ではなく、すべての細胞で起こるわけではない。一部の単細胞真核生物（例えば酵母）は、核膜がそのまま残るいわゆる閉鎖型有糸分裂を行う。閉鎖型有糸分裂では、娘染色体が核の両極に移動し、その後核が2つに分裂する。しかし、高等真核生物の細胞は通常、核膜の崩壊を特徴とする開放型有糸分裂を行う。娘染色体はその後、有糸分裂紡錘体の両極に移動し、その周囲に新しい核が再構築される。[ 1 ]： 854
開放型有糸分裂の細胞周期のある時点で、細胞は分裂して 2 つの細胞を形成します。このプロセスが可能であるためには、新しい娘細胞それぞれが完全な遺伝子セットを持っていなければなりません。このプロセスには、染色体の複製と、別々のセットの分離が必要です。これは、複製された染色体である姉妹染色分体が微小管に付着し、微小管がさらに異なる中心体に付着することによって起こります。その後、姉妹染色分体は細胞内の別々の場所に引っ張られます。多くの細胞では、中心体は核の外側の細胞質にあります。微小管は核膜が存在すると染色分体に付着することができません。[ 65 ]したがって、前期から前中期頃までの細胞周期の初期段階では、核膜は分解されます。[ 18 ]同様に、同じ時期に核ラミナも分解されるが、この過程はCDC2 プロテインキナーゼなどのプロテインキナーゼによるラミンのリン酸化によって制御されている。[ 66 ]細胞周期の終わりに近づくと、核膜が再形成され、ほぼ同時期に、ラミンの脱リン酸化によって核ラミナが再構築される。[ 66 ]
しかし、渦鞭毛藻類では、核膜はそのまま残り、中心体は細胞質に位置し、微小管は染色体と接触し、染色体のセントロメア領域は核膜に組み込まれます（いわゆる核外紡錘体を伴う閉鎖型有糸分裂）。他の多くの原生生物（例えば、繊毛虫類、胞子虫類）や菌類では、中心体は核内にあり、細胞分裂中に核膜も分解しません。[ 67 ]
アポトーシスは、細胞の構造成分が破壊され、細胞死に至る制御されたプロセスです。アポトーシスに伴う変化は、例えばクロマチンの凝縮や核膜およびラミナの崩壊など、核とその内容物に直接影響を与えます。ラミンネットワークの破壊は、カスパーゼと呼ばれる特殊なアポトーシスプロテアーゼによって制御され、ラミンタンパク質を切断し、核の構造的完全性を低下させます。ラミン切断は、初期アポトーシス活性のアッセイにおいて、カスパーゼ活性の実験室指標として使用されることがあります。[ 18 ]変異型カスパーゼ耐性ラミンを発現する細胞は、アポトーシスに関連する核の変化が欠如しており、ラミンが核のアポトーシス分解につながる事象の開始に役割を果たしていることが示唆されます。[ 18 ]ラミン集合の阻害自体がアポトーシスの誘導因子です。[ 68 ]
核膜は、DNAウイルスとRNAウイルスの両方が核内に入るのを防ぐ障壁として機能します。一部のウイルスは、複製や組み立てのために核内のタンパク質へのアクセスを必要とします。ヘルペスウイルスなどのDNAウイルスは、細胞核内で複製および組み立てを行い、内核膜からの出芽によって核外に放出されます。このプロセスには、内膜の核面にあるラミナの分解が伴います。[ 18 ]
当初は、免疫グロブリン全般、特に自己抗体は核内に入らないと考えられていた。現在では、病理学的条件下（例えば全身性エリテマトーデス）ではIgGが核内に入り得るという証拠が多数存在する。[ 69 ]
ほとんどの真核細胞は通常1つの核を持つが、核を持たないものもあれば、複数の核を持つものもある。これは、哺乳類の赤血球の成熟のように正常な発生の結果である場合もあれば、細胞分裂の異常の結果である場合もある。[ 70 ]
無核細胞は核を持たないため、分裂して娘細胞を生成することができません。最もよく知られている無核細胞は哺乳類の赤血球、または赤血球細胞で、ミトコンドリアなどの他の細胞小器官も欠いており、主に肺から体の組織へ酸素を運ぶ輸送容器として機能します。赤血球は骨髄での赤血球生成によって成熟し、そこで核、細胞小器官、リボソームを失います。核は、赤芽球から網状赤血球への分化の過程で排出されます。網状赤血球は成熟した赤血球の直前の前駆細胞です。[ 71 ]変異原の存在は、未成熟な「微小核」赤血球の一部を血流中に放出させる可能性があります。[ 72 ] [ 73 ]無核細胞は、一方の娘細胞が核を欠き、もう一方の娘細胞が2つの核を持つという欠陥のある細胞分裂によっても発生する可能性がある。
多核細胞は複数の核を含んでいます。ほとんどのアカントラ類原生動物[ 75 ]と菌根菌の一部の菌類[ 76 ]は、自然に多核細胞を持っています。他の例としては、細胞あたり2つの核を持つジアルジア属の腸内寄生虫があります[ 77 ]。繊毛虫は、1つの細胞に体細胞大核と生殖細胞小核の2種類の核を持っています[ 78 ] 。ヒトでは、筋細胞や合胞体とも呼ばれる骨格筋細胞は、発生中に多核化します。その結果、細胞の周辺部に核が配置されることで、筋原線維のための細胞内空間が最大になります[ 1 ]。ヒトの他の多核細胞は、骨細胞の一種である破骨細胞です。ヒトでは、多核細胞や二核細胞も異常である可能性があります。例えば、単球とマクロファージの融合によって生じる巨大多核細胞と呼ばれる細胞は、炎症に伴って出現することがあり[ 79 ]、腫瘍形成にも関与している[ 80 ] 。
渦鞭毛藻類の中には、2つの核を持つことが知られているものもある。他の多核細胞とは異なり、これらの核には2つの異なる系統のDNAが含まれている。1つは渦鞭毛藻由来、もう1つは共生珪藻由来である。[ 81 ]
真核細胞の主要な特徴である核の進化上の起源については、多くの憶測がなされてきた。核の存在を説明するために4つの主要な仮説が提唱されているが、いずれもまだ広く支持されていない。[ 82 ] [ 83 ] [ 84 ]
「共生モデル」として知られる最初のモデルは、古細菌と細菌の共生関係によって核を含む真核細胞が形成されたと提唱している。（古細菌ドメインと細菌ドメインの生物は細胞核を持たない。[ 85 ] ）この共生は、現代のメタン生成古細菌に似た古代の古細菌が、現代の粘液細菌に似た細菌に侵入してその中に生息し、最終的に初期の核を形成したときに始まったと仮説が立てられている。この理論は、原始真核生物と好気性細菌の間の同様の細胞内共生関係から発達したと考えられている真核生物のミトコンドリアと葉緑体の起源に関する受け入れられている理論と類似している。[ 86 ]一つの可能性として、核膜は古細菌宿主におけるミトコンドリアの起源に続いて新しい膜システムとして出現したということが考えられる。[ 87 ]核膜は、原始ミトコンドリアによって生成される有害な活性酸素種からゲノムを保護する役割を果たした可能性がある。 [ 88 ]核の起源が古細菌であることは、古細菌と真核生物がヒストンを含む特定のタンパク質の類似した遺伝子を持っているという観察によって裏付けられている。粘液細菌が運動性があり、多細胞複合体を形成でき、真核生物と同様のキナーゼとGタンパク質を持っているという観察は、真核細胞の細菌起源を裏付けている。[ 89 ]
2つ目のモデルでは、原始真核細胞は共生段階を経ずに細菌から進化したと提唱している。このモデルは、原始的な孔と他の区画化された膜構造を持つ核構造を持つ現代のプランクトミセトータ細菌の存在に基づいている。 [ 90 ] 同様の提案では、真核生物に似た細胞である仮説上のクロノサイトが最初に進化し、古細菌と細菌を貪食して核と真核細胞を生成したと述べている。[ 91 ]
最も議論を呼んでいるモデルであるウイルス性真核生物発生説は、膜に囲まれた核が他の真核生物の特徴とともに、原核生物がウイルスに感染したことから生じたと提唱している。この説は、線状DNA鎖、mRNAキャッピング、タンパク質への強固な結合（ヒストンをウイルスのエンベロープに類似させる）など、真核生物とウイルスの類似性に基づいている。この説の1つのバージョンでは、核は食作用と協調して進化し、初期の細胞「捕食者」を形成したと示唆している。[ 92 ]別のバージョンでは、現代のポックスウイルスと真核生物のDNAポリメラーゼの類似性に基づいて、真核生物はポックスウイルスに感染した初期の古細菌から生じたと提唱している。[ 93 ] [ 94 ]未解決の性進化の問題は、ウイルス性真核生物発生説に関連している可能性があると示唆されている。[ 95 ]
より最近の提案である外膜仮説では、核は単一の祖先細胞から発生し、その細胞が第二の外部細胞膜を進化させたとしている。元の細胞を囲む内部膜はその後核膜となり、リボソームサブユニットなどの内部合成された細胞成分の通過のために、ますます複雑な孔構造を進化させた。[ 96 ]
核は最初に発見された細胞小器官である。おそらく現存する最古の図は、初期の顕微鏡学者アントニ・ファン・レーウェンフック（1632～1723年）によるものである。彼はサケの赤血球に「内腔」、すなわち核を観察した。[ 97 ]哺乳類の赤血球とは異なり、他の脊椎動物の赤血球には核が含まれている。[ 98 ]
核は1804年にフランツ・バウアーによっても記述され[ 99 ] 、1831年にはスコットランドの植物学者ロバート・ブラウンがロンドンのリンネ協会での講演でより詳細に記述した。ブラウンは顕微鏡でランを研究していた際に、花の外層の細胞に不透明な領域があることに気づき、それを「アレオーラ」または「核」と呼んだ[ 100 ] 。彼はその潜在的な機能については示唆しなかった。
1838年、マティアス・シュライデンは核が細胞の生成に役割を果たしていると提唱し、「細胞芽細胞」（「細胞を作るもの」）という名称を導入した。彼は「細胞芽細胞」の周りに新しい細胞が集まっているのを観察したと信じていた。フランツ・マイエンはこの見解に強く反対し、すでに細胞が分裂によって増殖することを記述しており、多くの細胞には核がないと考えていた。細胞が「細胞芽細胞」によって、あるいは他の方法で新たに生成されるという考えは、細胞は細胞によってのみ生成されるという新しいパラダイム（「すべての細胞は細胞である」）を決定的に広めたロベルト・レマク（1852年）とルドルフ・フィルヒョウ（1855年）の研究と矛盾していた。核の機能は依然として不明であった。[ 101 ]
1877年から1878年にかけて、オスカー・ヘルトヴィヒはウニの卵の受精に関するいくつかの研究を発表し、精子の核が卵母細胞に入り込み、その核と融合することを示した。これは、個体が（単一の）有核細胞から発生することを初めて示唆したものであった。これは、エルンスト・ヘッケルの理論、すなわち、原始原形質の構造のない塊である「単核細胞」（「ウルシュライム」）から最初の有核細胞が生成されるなど、種の完全な系統発生が胚発生中に繰り返されるという理論と矛盾していた。そのため、受精における精子核の必要性については、かなり長い間議論された。しかし、ヘルトヴィヒは両生類や軟体動物を含む他の動物群でもこの観察結果を確認した。エドゥアルト・シュトラスブルガーは1884年に植物でも同じ結果を得た。これにより、遺伝において核が重要な役割を担うという考え方への道が開かれた。1873年、アウグスト・ヴァイスマンは、遺伝に関して母方と父方の生殖細胞が同等であると提唱した。核が遺伝情報の担体として機能していることが明らかになるのは、20世紀初頭に有糸分裂が発見され、メンデルの法則が再発見された後のことであり、こうして染色体遺伝説が発展した。[ 101 ]
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