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| 細胞生物学 | |
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| 動物細胞図 | |
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細胞核（ラテン語のnucleus またはnuculeus 「 核、種子」、複数形はnucleiに由来）は、真核細胞にある膜で囲まれた細胞器官です。真核細胞は通常 1 つの核しか持ちませんが、哺乳類の赤血球など、いくつかの種類の細胞には核がなく、破骨細胞など他のいくつかの種類の細胞には多数の核があります。核を構成する主な構造は、細胞器官全体を包み、その内容物を細胞質から隔離する二重膜である核膜と、機械的なサポートを追加する核内の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、複数の染色体に編成されています。染色体とは、DNA を保護し、編成するヒストンなどのさまざまなタンパク質が点在する長いDNA鎖です。これらの染色体内の遺伝子は、細胞機能を促進するような構造になっています。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で細胞の活動を制御します。
核膜は大きな分子を透過できないため、核膜を越えた分子の核輸送を制御するために核孔が必要である。核孔は両方の核膜を横切っており、小さな分子やイオンの自由な移動を可能にしながら、より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る必要があるチャネルを提供する。タンパク質やRNAなどの大きな分子の孔を通じた移動は、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サブコンパートメントはないが、独特のタンパク質、RNA分子、および染色体の特定の部分で構成される核体が多数存在する。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。
染色体
細胞核には、染色体と呼ばれる構造に編成された複数の線状 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。人間の細胞 1 つあたり、約 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、これらはクロマチンと呼ばれる DNA タンパク質複合体に編成され、細胞分裂の間、クロマチンは核型でおなじみの明確な染色体を形成するのが見られます。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つの種類があります。ユークロマチンは、あまりコンパクトでないDNA形式で、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]もう一方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式で、あまり転写されないDNAを含んでいます。 この構造はさらに、特定の細胞タイプまたは特定の発達段階でのみヘテロクロマチンとして構成される遺伝子で構成される通性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で構成される構成性ヘテロクロマチンに分類されます。[3]間期には、クロマチンは個別のパッチに組織化され、[4]染色体領域と呼ばれます。[5]一般的に染色体のユークロマチン領域に見られる活性遺伝子は、染色体の領域境界に向かって配置される傾向があります。[6]
特定の種類のクロマチン組織、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、一般的な免疫系機能不全の一部として多発性硬化症と共存することも観察されています。 [8]
核構造とランドマーク
核には細胞のDNA のほぼ全てが含まれており、核マトリックスと呼ばれる繊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の膜に包まれています。核膜は、核質と呼ばれる核内の液体を細胞の残りの部分から分離しています。核の大きさは細胞の大きさと相関しており、この比率はさまざまな細胞の種類や種にわたって報告されています。[9]真核生物では、多くの細胞の核は通常、細胞容積の 10% を占めています。[10] : 178 核は動物細胞の中で最大の細胞器官です。[11] : 12 ヒトの細胞では、核の直径は約 6 マイクロメートル(μm) です。[10] : 179
核膜と核孔
核膜は、内核膜と外核膜の2つの膜で構成され、核孔が開けられています。[10] : 649 これらの膜は一緒になって、細胞の遺伝物質を残りの細胞内容物から分離し、核が細胞の残りの部分とは異なる環境を維持できるようにしています。 核の大部分の周囲に近接して配置されているにもかかわらず、2つの膜は形と内容物が大きく異なります。 内膜は核内容物を取り囲み、核を定義する境界を提供します。[11] : 14 内膜内に埋め込まれ、さまざまなタンパク質が中間径フィラメントに結合して核に構造を与えます。[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 小胞体膜の一部である外核膜には、膜を越えてタンパク質を活発に翻訳しているリボソームが散りばめられています。[10] : 649 2つの膜の間の空間は核周腔と呼ばれ、小胞体腔と連続しています。[10] : 649
哺乳類の核膜には、核膜を貫通する3000～4000個の核膜孔複合体（NPC）がある。 [10] : 650 各NPCには、内膜と外膜が融合する位置に8回対称のリング状構造が含まれている。[12] NPCの数は細胞の種類によって大きく異なり、小さなグリア細胞には数百個しかないが、大きなプルキンエ細胞には約20,000個ある。[10] : 650 NPCは、核質と細胞質の間で分子を選択的に輸送する。[13]核膜孔複合体は、ヌクレオポリンと呼ばれる約30種類のタンパク質から構成される。[10] : 649 孔の分子量は約6000万～8000万ダルトンで、約50種類（酵母）から数百種類（脊椎動物）のタンパク質で構成される。[11] : 622–4 孔の全直径は 100 nm ですが、分子が自由に拡散する隙間は、孔の中心に調節システムがあるため、わずか 9 nm 程度しかありません。このサイズにより、小さな水溶性分子が選択的に通過できる一方で、核酸や大きなタンパク質などの大きな分子が核に不適切に出入りすることが防止されます。これらの大きな分子は、代わりに核に能動的に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、細胞質に達する一連の糸状の延長部が付いています。どちらの構造も、核輸送タンパク質へ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、核内輸送因子ファミリーと呼ばれる輸送因子によって媒介されるプロセスで、細孔複合体を通って輸送される。核内への移動を媒介する核内輸送因子はインポーチンとも呼ばれ、核外への移動を媒介する核内輸送因子はエクスポーチンと呼ばれる。ほとんどの核内輸送因子は、その積荷と直接相互作用するが、アダプタータンパク質を使用するものもある。[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や、細胞間シグナル伝達に関与する他の脂溶性小分子は、細胞膜を通過して細胞質に拡散し、そこで核内に輸送される核受容体タンパク質に結合する。核内では、リガンドに結合すると転写因子として機能する。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する。[1] : 488
核ラミナ
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面に組織化された網目構造を形成し、一方、核膜の細胞質面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、染色体と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る。他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ネットワークに組み込まれる。[16] [17]エメリンやネスプリンなどの膜の細胞質面にあるラミンは、細胞骨格に結合して構造的サポートを提供する。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ている。 [18] [19]この構造は蛍光顕微鏡で観察できる。ベールの実際の機能は明らかではないが、核小体から排除され、間期に存在する。[20]ベールを構成するラミン構造（ LEM3など）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る。[21]
他の中間径フィラメントの成分と同様に、ラミンモノマーには、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するアルファヘリックスドメインが含まれています。これらの二量体構造のうち2つは、反平行配置で並んで結合し、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のうち8つは、横方向の配置を形成し、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られたり分解されたりするため、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ると、ラミノパシーと呼ばれる一連のまれな遺伝性疾患が発生します。最も顕著なラミノパシーはプロジェリアと呼ばれる疾患群で、この疾患を患うと早期老化が見られます。関連する生化学的変化が老化表現型を引き起こす正確なメカニズムは十分に解明されていません。[22]
核小体
核小体は、核内に見られる核小体として知られる、膜のない個別の高密度染色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、核小体でのリボソームの組み立ては、核小体成分の一時的な会合をもたらし、さらなるリボソームの組み立てを促進し、したがってさらなる会合を促進する。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ステップでは、 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前駆体を形成する。これは2つの大きなrRNAサブユニット（5.8S、28S）と小さなrRNAサブユニット 18Sに切断される。[10] : 328 [24]転写、転写後処理、およびrRNAの組み立ては核小体で行われ、小さな核小体RNA（snoRNA）分子の助けを借りて行われる。その一部は、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のスプライスされたイントロンに由来する。組み立てられたリボソームサブユニットは、核孔を通過する最大の構造である。[1] : 526
電子顕微鏡で観察すると、核小体は3つの区別できる領域で構成されていることがわかります。最も内側の原繊維中心(FC) は、密な原繊維成分(DFC) (フィブリラリンとヌクレオリンを含む) に囲まれており、その周囲を顆粒成分(GC) (タンパク質ヌクレオフォスミンを含む) が囲んでいます。rDNAの転写はFCまたはFC-DFC境界で行われるため、細胞内でrDNAの転写が増加すると、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で行われ、リボソームサブユニットへのタンパク質の組み立てを含む後半のステップはGCで行われます。[24]
継ぎ目の斑点
スペックルは、プレメッセンジャーRNAスプライシング因子が豊富に含まれる核内構造であり、哺乳類細胞の核質のインタークロマチン領域に位置している。[25]蛍光顕微鏡レベルでは、サイズと形状が異なる不規則な点状の構造として現れ、電子顕微鏡で観察するとインタークロマチン顆粒 のクラスターとして見られる。スペックルは動的な構造であり、そのタンパク質とRNAタンパク質成分の両方が、活性転写部位を含む他の核部位とスペックル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と連携して、特定の遺伝子の活性を直接高めることができる。さらに、スペックルに関連する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る。[26]
スペックルの構成、構造および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[27]スプライシングsnRNP [28] [29]および premRNA 処理に必要なその他のスプライシングタンパク質の組織化を理解するためのモデルを提供してきました。[27]細胞の変化する要件のため、これらの小体の構成と位置は、mRNA の転写と特定のタンパク質のリン酸化による調節に応じて変化します。[30]スプライシングスペックルは、核スペックル (核スペック)、スプライシング因子コンパートメント (SF コンパートメント)、インタークロマチン顆粒クラスター (IGC)、およびB スナーポソームとしても知られています。[31] B スナーポソームは、両生類の卵母細胞核とショウジョウバエの胚に見られます。両生類の核の電子顕微鏡写真では、B スナーポソームは単独で、またはカハール小体に付着して現れます。[32]核スペックルはもともとスプライシング因子の貯蔵場所であると考えられていましたが、[33]最近の研究では、遺伝子とpremRNA基質をスペックルの近くに配置することでpremRNAスプライシングの運動効率が向上し、最終的にはスプライシングの調節によってタンパク質レベルが向上することが実証されました。[34]
カハールの遺体と宝石
核には通常、カハール小体またはコイル小体（CB）と呼ばれる1～10個のコンパクトな構造が含まれており、その直径は細胞の種類や種によって異なりますが、0.2～2.0μmです。[35]電子顕微鏡で見ると、カハール小体は絡まった糸のボールのように見え、 [36]コイリンというタンパク質が密集して分布しています。[37] CBは、RNA処理、具体的には核小体小RNA（snoRNA）と核小体小RNA （snRNA）の成熟、およびヒストンmRNAの修飾に関連するさまざまな役割に関与しています。[35]
カハール小体と類似しているのがカハール小体の双子、または宝石で、その名前は双子座に由来し、CBと密接な「双子」関係にあることを示している。宝石はCBとサイズと形が似ており、実際、顕微鏡下では実質的に区別がつかない。[37] CBとは異なり、宝石には小さな核リボ核タンパク質（snRNP）は含まれていないが、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おり、その機能はsnRNPの生合成に関連している。宝石はCBのsnRNP生合成を助けると考えられているが、[38]顕微鏡による証拠から、CBと宝石は同じ構造の異なる発現であるという説もある。[37]その後の超微細構造研究により、宝石はカハール小体の双子であり、違いはコイリン成分にあることが示された。カハール小体はSMN陽性でコイリン陽性であり、宝石はSMN陽性でコイリン陰性である。[39]
その他の核機関
核には、サンティアゴ・ラモン・イ・カハールが初めて説明した核小体（核小体、核スペックル、カハール小体など）のほかにも、さまざまな核小体が含まれています。これらには、多形性間期核小体連合（PIKA）、前骨髄球性白血病（PML）小体、および準スペックルが含まれます。これらのドメインのいくつかについてはほとんどわかっていませんが、核質が均一な混合物ではなく、むしろ組織化された機能的サブドメインを含むことを示している点で重要です。[41]
その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いくつかの症例では小さな核内桿体の存在が報告されている。この疾患は典型的にはアクチンの変異に起因し、桿体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る。[43]
PIKA および PTF ドメイン
PIKAドメイン、または多形性間期核小体関連は、1991年に顕微鏡研究で初めて記述されました。それらの機能は不明ですが、活発なDNA複製、転写、またはRNA処理に関連しているとは考えられていませんでした。[44]それらは、小さな核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個別のドメインと関連することがしばしば発見されています。[45]
PML核体
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発癌性ドメインなど、さまざまな名前で知られています。[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ています。核内には、カハール小体や分裂小体とともに見られることが多いです。[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ます。これは、PML核小体がほとんどの重要な生物学的プロセスに必要ではないことを示しています。[47]
パラスペックル
2002年にフォックスらによって発見されたパラスペックルは、核のクロマチン間空間にある不規則な形の区画です。[48] 最初に記録されたのはHeLa細胞で、核あたり10～30個が一般的ですが、[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、組織切片にも存在することが知られています。[50]その名前は核内での分布に由来しています。「パラ」は平行の略で、「スペックル」は常に近接しているスプライシングスペックルを指します。[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[51]として機能するようです。 [52]さらに、パラスペックルは細胞代謝活動の変化に応じて変化する動的構造です。それらは転写依存性であり[48]、RNAポリメラーゼIIの転写がない場合、パラスペックルは消え、その関連するタンパク質成分（PSP1、p54nrb、PSP2、CFI（m）68、およびPSF）はすべて核小体に三日月形の核周小体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ます。細胞周期では、パラスペックルは間期中および有糸分裂の終期を除くすべての期間中に存在します。2つの娘核が形成される終期中はRNAポリメラーゼIIの転写がないため、タンパク質成分は代わりに核周小体キャップを形成します。[50]
ペリクロマチン線維
ペリクロマチン線維は電子顕微鏡でのみ観察できる。転写活性のあるクロマチンの隣に位置し、活発なプレmRNA処理が行われる場所であると考えられている。[33]
クラストソーム
クラストソームは小さな核小体（0.2～0.5μm）で、周囲にカプセルがあるため厚いリング状になっていると説明される。[40]この名前はギリシャ語のklastos（壊れた）とsoma（体）に由来している。[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、検出が困難である。クラストソームは核内の高タンパク質分解条件下で形成され、活動が低下するか、細胞がプロテアソーム阻害剤で処理されると分解する。[40] [53]細胞内にクラストソームがほとんど存在しないことは、クラストソームがプロテアソームの機能に必要ではないことを示している。[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る。[55]これらの核小体には、プロテアソームとその基質の触媒サブユニットと調節サブユニットが含まれており、クラストソームがタンパク質を分解する場所であることを示している。[54]
関数
核は、細胞質内の翻訳場所から隔離された遺伝子転写の場所を提供し、原核生物では利用できないレベルの遺伝子制御を可能にします。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の複製を媒介することです。 [1] ：171
細胞区画化
核膜は核の内容物を制御し、必要に応じてそれらを細胞質の残りの部分から分離します。これは、核膜の両側のプロセスを制御するために重要です。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、主要な参加者が核に移動され、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ダウンレギュレーションします。この制御メカニズムは、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、解糖の最初のステップを担う酵素であり、グルコースからグルコース-6-リン酸を形成します。後にグルコース-6-リン酸から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と、制御タンパク質がヘキソキナーゼを核に移動し、[56]そこで核タンパク質と転写抑制複合体を形成し、解糖に関与する遺伝子の発現を低下させます。[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を担う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 への物理的アクセスから分離します。これにより、低レベルの不適切な遺伝子発現も防止されます。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、シグナル伝達分子TNF-αによって開始されるシグナル経路に応答して転写が誘導され、細胞膜受容体に結合してシグナル伝達タンパク質がリクルートされ、最終的に転写因子 NF-κB が活性化されます。NF -κB タンパク質の核局在化シグナルにより、NF-κB タンパク質は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]
区画化により、細胞はスプライスされていないmRNAの翻訳を防ぐことができます。[58]真核生物のmRNAにはイントロンが含まれており、翻訳されて機能的なタンパク質を生成する前に除去する必要があります。スプライシングは、mRNAが翻訳のためにリボソームによってアクセスされる前に核内で行われます。核がなければ、リボソームは新しく転写された（未処理の）mRNAを翻訳し、奇形や機能しないタンパク質を生成します。[1] : 108–15
レプリケーション
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 期に複製が起こります。停滞した 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、 複製工場という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 鎖がベルトコンベアのように通過する、固定された「工場」領域に向かって集中していることを意味します。[59]
遺伝子発現
遺伝子発現はまず転写から始まり、DNAを鋳型としてRNAが作られる。タンパク質をコードする遺伝子の場合、このプロセスで作られたRNAはメッセンジャーRNA（mRNA）であり、その後リボソームによって翻訳されてタンパク質が形成される。リボソームは核外にあるため、作られたmRNAは輸出される必要がある。[60]
核は転写が行われる場所であるため、転写を直接媒介するか、転写の過程の調節に関与するさまざまなタンパク質も含まれています。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するRNA分子を合成するRNAポリメラーゼ、DNAの超らせん構造の量を変えてDNAの巻き戻しと巻き戻しを助けるトポイソメラーゼ、および発現を調節するさまざまな転写因子が含まれます。[61]
プレmRNAの処理
新しく合成された mRNA 分子は一次転写産物またはプレ mRNAとして知られています。これらは細胞質に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 はタンパク質の翻訳に使われるのではなく分解されます。3 つの主な修飾は5' キャッピング、3'ポリアデニル化、およびRNA スプライシングです。核内では、プレ mRNA は異種リボ核タンパク質粒子(hnRNP) と呼ばれる複合体内のさまざま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領域であるイントロンがプレmRNAから除去され、残りのエクソンが接続されて1つ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発生しますが、多くのエクソンを持つ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 多くのプレmRNAは複数の方法でスプライシングされ、異なるタンパク質配列をコードする異なる成熟mRNAを生成します。このプロセスは選択的スプライシングとして知られており、限られた量のDNAから多種多様なタンパク質を生成することができます。[62]
ダイナミクスと規制
核輸送
大きな分子の核への出入りは、核膜孔複合体によって厳密に制御されている。小さな分子は制御なしに核内に入ることができるが、[63] RNAやタンパク質などの高分子は、核内に入るためにインポーチンと呼ばれる会合核輸送体、核外へ出るためにエクスポーチンを必要とする。細胞質から核へ輸送されなければならない「貨物」タンパク質には、インポーチンが結合する核局在シグナルと呼ばれる短いアミノ酸配列が含まれており、核から細胞質へ輸送されるものは、エクスポーチンが結合する核外輸送シグナルを運ぶ。インポーチンとエクスポーチンの貨物輸送能力は、分子グアノシン三リン酸（GTP）を加水分解してエネルギーを放出する酵素であるGTPaseによって制御されている。核輸送における重要なGTPaseはRanであり、核にあるか細胞質にあるかに応じて、GTPまたはGDP（グアノシン二リン酸）のいずれかに結合する。インポーチンは積荷から解離するためにRanGTPに依存するのに対し、エクスポーチンは積荷に結合するためにRanGTPを必要とする。[14]
核内への輸送は、インポーチンが細胞質内で貨物と結合し、核孔を通って核内に輸送することに依存している。核内では、RanGTPがインポーチンから貨物を分離する働きをし、インポーチンが核から出て再利用できるようにする。核外輸送も同様で、インポーチンはRanGTPによって促進されるプロセスで核内で貨物と結合し、核孔を通って出て、細胞質内で貨物から分離する。[64]
転写後修飾が完了した後、成熟したmRNAと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果たすため、この品質管理メカニズムは重要である。エクソンの不完全な切除やアミノ酸の誤った組み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。したがって、細胞質に到達した不完全な修飾RNAは翻訳に利用されるのではなく分解される。[1]
組み立てと分解
核は、その生涯の間に、細胞分裂の過程で、またはアポトーシス（プログラムされた細胞死のプロセス）の結果として、分解または破壊される可能性がある。これらのイベント中に、核の構造要素（核膜とラミナ）は、体系的に分解される可能性がある。ほとんどの細胞では、核膜の分解が有糸分裂前期の終わりを示します。ただし、この核の分解は有糸分裂の普遍的な特徴ではなく、すべての細胞で発生するわけではありません。一部の単細胞真核生物（酵母など）は、いわゆる閉鎖有糸分裂を起こし、核膜はそのまま残ります。閉鎖有糸分裂では、娘染色体が核の反対極に移動し、その後核が2つに分裂します。ただし、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有糸分裂を起こします。その後、娘染色体は有糸分裂紡錘体の反対極に移動し、新しい核がその周りに再び集まります。[1] : 854
開放性有糸分裂における細胞周期のある時点で、細胞は分裂して2つの細胞を形成する。このプロセスを可能にするためには、新しい娘細胞のそれぞれが完全な遺伝子セットを持っていなければならないが、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となる。これは、複製された染色体、姉妹染色分体が微小管に付着し、微小管が異なる中心体に付着することによって起こる。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ることができる。多くの細胞では、中心体は核の外側の細胞質に位置しており、核膜があると微小管は染色分体に付着できない。[65]そのため、細胞周期の前期から前中期頃までの初期の段階では、核膜は解体されている。[18]同様に、同じ時期に核ラミナも分解され、このプロセスはCDC2タンパク質キナーゼなどのタンパク質キナーゼによるラミンのリン酸化によって制御されます。[66]細胞周期の終わりに向かって、核膜が再形成され、ほぼ同時に、ラミンの脱リン酸化によって核ラミナが再構築されます。[66]
しかし、渦鞭毛藻類では、核膜はそのまま残り、中心体は細胞質内に位置し、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有糸分裂）。他の多くの原生生物（繊毛虫、胞子虫など）や真菌では、中心体は核内にあり、それらの核膜も細胞分裂中に分解しません。[67]
アポトーシスは、細胞の構造成分が破壊され、細胞が死に至る制御されたプロセスです。アポトーシスに関連する変化は、例えばクロマチンの凝縮や核膜とラミナの崩壊など、核とその内容物に直接影響を及ぼします。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、カスパーゼはラミンタンパク質を切断して、核の構造的完全性を低下させます。ラミンの切断は、初期アポトーシス活性のアッセイで、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不十分であり、ラミンが核のアポトーシス分解につながるイベントを開始する役割を果たしていることを示唆しています。[18]ラミンアセンブリ自体の阻害は、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に侵入するのを防ぐバリアとして機能します。一部のウイルスは、複製および/または集合するために核内のタンパク質にアクセスする必要があります。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集合し、内核膜を通って出芽して外に出ます。このプロセスは、内膜の核面にあるラミナの分解を伴います。[18]
疾患関連のダイナミクス
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のではないかと疑われていた。現在では、病的状態（例えば、エリテマトーデス）下ではIgGが核内に入り込む可能性があるという証拠が集まっている。[69]
細胞あたりの核数
真核細胞のほとんどは通常単一の核を持っていますが、核を持たないものや複数の核を持つものもあります。これは、哺乳類の赤血球の成熟のように正常な発達の結果である場合もあれば、細胞分裂の失敗の結果である場合もあります。[70]
無核細胞
無核細胞には核がないため、分裂して娘細胞を作ることができない。最もよく知られている無核細胞は哺乳類の赤血球、または赤血球である。赤血球もミトコンドリアなどの他の細胞小器官を欠いており、主に肺から体の組織に酸素を運ぶ輸送容器として機能している。赤血球は骨髄で赤血球生成を経て成熟し、そこで核、細胞小器官、リボソームを失う。核は赤芽球から網状赤血球への分化の過程で排出され、網状赤血球は成熟赤血球の直接の前駆体となる。[71]変異原の存在により、未熟な「微小核」赤血球が血流に放出される可能性がある。[72] [73]無核細胞は、一方の娘細胞に核がなく、もう一方に核が2つあるという欠陥のある細胞分裂によっても発生する。
多核細胞
多核細胞には複数の核が含まれる。原生動物のほとんどのアカンサス亜科種[75]と菌根菌の一部[ 76 ]は、天然に多核細胞を持つ。他の例としては、細胞ごとに 2 つの核を持つ Giardia 属の腸内寄生虫が挙げられる。 [77] 繊毛虫は、1 つの細胞に体細胞大核と生殖系列小核の 2 種類の核を持つ。 [ 78 ]ヒトでは、筋細胞や合胞体とも呼ばれる骨格筋細胞が発達中に多核化し、その結果、細胞の周辺近く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限に確保される。[1]ヒトの他の多核細胞には、骨細胞の一種である破骨細胞がある。多核細胞と二核細胞はヒトでも異常である可能性がある。例えば、単球とマクロファージの融合から生じる細胞は巨大多核細胞として知られており、炎症を伴うことがあり[79]、腫瘍形成にも関与していることが示唆されている[80] 。
多くの渦鞭毛藻類は2つの核を持つことが知られています。他の多核細胞とは異なり、これらの核には2つの異なるDNA系統が含まれています。1つは渦鞭毛藻類由来、もう1つは共生珪藻類由来です。[81]
進化
真核細胞の主要な特徴である核の進化的起源については、多くの憶測が飛び交ってきた。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るわけではない。[82] [83] [84]
「共栄養モデル」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作られたと提唱している。（古細菌と細菌ドメインの生物には細胞核がない。[85]）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定されている。この理論は、真核生物のミトコンドリアと葉緑体の起源に関する定説に類似しており、これらは原始真核生物と好気性細菌の間の同様の共生関係から発達したと考えられている。[86] 1つの可能性は、古細菌宿主のミトコンドリアの起源に続いて、核膜が新しい膜システムとして発生したということである。[87]核膜は、原ミトコンドリアによって生成される活性酸素種によるダメージからゲノムを保護する役割を果たしていた可能性がある。 [88]核の古細菌起源は、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遺伝子が類似し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、真核細胞が細菌起源であることを裏付けている。[89]
2つ目のモデルは、共生段階を経ずに細菌から原始真核細胞が進化したというものである。このモデルは、原始的な孔やその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ス亜綱細菌の存在に基づいている。 [90] 同様の提案では、真核生物のような細胞である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されている。[91]
最も議論の多いモデルは、ウイルスによる真核生物の感染によって、膜で囲まれた核が他の真核生物の特徴とともに発生したという仮説である。この仮説は、線状 DNA 鎖、mRNA のキャッピング、タンパク質への強固な結合 (ヒストンをウイルスエンベロープに例える) など、真核生物とウイルスの類似点に基づいている。この仮説の 1 つのバージョンでは、核が貪食作用と連動して進化し、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が観察されていることから、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発生したと提案している。 [93] [94]性別の進化に関する未解決の問題は、ウイルスによる真核生物の仮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は、核は単一の祖先細胞から発生し、第二の外側の細胞膜を進化させたと示唆している。その後、元の細胞を囲む内側の膜が核膜となり、リボソームサブユニットなどの内部で合成された細胞成分が通過するための精巧な孔構造を進化させた。[96]
歴史
核は最初に発見された細胞小器官である。おそらく最も古い保存された絵は、初期の顕微鏡学者アントニー・ファン・レーウェンフック（1632-1723）の作品に遡る。彼はサケの赤血球に「内腔」、つまり核を観察した。[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ており[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説明している。ブラウンは顕微鏡で蘭を研究していたとき、花の外層の細胞の中に「乳輪」または「核」と呼んだ不透明な領域を観察した。[100]彼は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生成に役割を果たしていると提唱し、「細胞芽細胞」（「細胞形成者」）という名前を導入した。彼は、新しい細胞が「細胞芽細胞」の周りに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、細胞が分裂によって増殖することをすでに説明しており、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」などによって新たに生成されるという考えは、ロバート・レマック（1852年）とルドルフ・ヴィルヒョウ（1855年）の研究と矛盾していた。彼らは、細胞は細胞によってのみ生成される（「すべての細胞が細胞である」）という新しいパラダイムを決定的に広めた。核の機能は不明のままであった。[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、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示唆した初めての事例であった。これは、種の完全な系統発生は胚発生中に繰り返され、最初の有核細胞が「モネルラ」（原始的原形質（「ウルシュライム」）の構造のない塊）から生成されるというエルンスト・ヘッケルの理論とは矛盾していた。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ていた。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自分の観察結果を確認した。エドゥアルト・ストラスブルガーは1884年に植物について同様の結果を発表した。これにより、核が遺伝において重要な役割を果たすことが示された。1873年、アウグスト・ヴァイスマンは、母系生殖細胞と父系生殖細胞が遺伝において同等であると仮定した。核が遺伝情報の担い手として機能することは、 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てから初めて明らかになった。こうして染色体遺伝理論が発展した。[101]
参照
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さらに読む
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- 核ラミンの構造とさまざまな役割を説明するレビュー記事
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- 核輸送に関するレビュー記事では、メカニズムの原理とさまざまな輸送経路について説明しています。
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- 核についてのレビュー記事。細胞内小器官内の染色体の構造を説明し、核小体やその他の核下小体について記述しています。
- Pennisi E (2004 年 8 月). 「進化生物学。核の誕生」。Science . 305 ( 5685): 766–8. doi :10.1126/science.305.5685.766. PMID 15297641. S2CID 83769250.
- 原子核の進化に関するレビュー記事。さまざまな理論を解説している。
- ポラードTD、アーンショウWC（2004）。細胞生物学。フィラデルフィア：サンダース。ISBN 978-0-7216-3360-2。
- 細胞生物学に焦点を当てた大学レベルの教科書。核輸送や核下ドメインを含む核の構造と機能に関する情報が含まれています。
外部リンク
ウィキメディア・コモンズには、細胞核に関連するメディアがあります。
- 「核」。MBInfo。
- 「細胞核について学ぶ」。cellnucleus.com。アルバータ大学腫瘍学部による核の構造と機能を紹介する Web サイト。
- Bickmore W.「核タンパク質データベース」。医学研究会議ヒト遺伝学ユニット。核コンポーネントに関する情報。
- 「核コレクション」。画像とビデオのライブラリ。アメリカ細胞生物学会。2006 年 11 月 12 日時点のオリジナルからアーカイブ。核を説明する査読済みの静止画像とビデオクリップが含まれています。
- Gall JG、McIntosh JR (編)。「核膜と核輸入部」。細胞生物学のランドマーク論文。2006 年 11 月 17 日時点のオリジナルよりアーカイブ。核に関するデジタル化された解説と重要な研究論文へのリンクが含まれています。画像とビデオのライブラリでオンラインで公開されています。2011年6月10日にアメリカ細胞生物学会のWayback Machineにアーカイブされています。
- 「ヒト抗体によって生成される細胞質パターン」。AntibodyPatterns.com。2007年 1月2 日時点のオリジナルからアーカイブ。