นิวเคลียสและเยื่อหุ้มนิวเคลียส

นิวเคลียสเป็นส่วนที่ถูกหุ้มด้วยเยื่อหุ้มซึ่งบรรจุจีโนมของเซลล์ และเป็นลักษณะเฉพาะของเซลล์ยูคาริโอต โดยมีเยื่อหุ้มนิวเคลียสซึ่งเป็นเยื่อหุ้มสองชั้นที่มีรูพรุนจากคอมเพล็กซ์ช่องนิวเคลียร์ (nuclear pore complexes) ทำหน้าที่ควบคุมการขนส่งโมเลกุลแบบเลือกผ่านระหว่างนิวเคลียสกับไซโทพลาสซึม และยังจัดระเบียบโครมาตินเชิงพื้นที่ในลักษณะที่ส่งผลต่อการแสดงออกของยีน

Definition

นิวเคลียสคือออร์แกเนลล์ของเซลล์ยูคาริโอตที่บรรจุ DNA โครโมโซมของเซลล์ โดยถูกหุ้มด้วยเยื่อหุ้มนิวเคลียส ซึ่งเป็นเยื่อหุ้มสองชั้นที่ต่อเนื่องกับเอนโดพลาสมิกเรติคูลัม และมีรูพรุนจากคอมเพล็กซ์ช่องนิวเคลียร์ที่ทำหน้าที่เป็นตัวกลางในการขนส่งระหว่างนิวเคลียสและไซโทพลาสซึม (nucleocytoplasmic transport)

Scope

บทความนี้ครอบคลุมโครงสร้างของนิวเคลียสและเยื่อหุ้ม รวมถึงเยื่อหุ้มสองชั้น, ลามินาของนิวเคลียส (nuclear lamina), คอมเพล็กซ์ช่องนิวเคลียร์, และการจัดระเบียบเชิงพื้นที่ของโครมาตินและนิวคลีโอลัส โดยถือว่านิวเคลียสเป็นหัวข้อโครงสร้างและอ้างอิงในชีววิทยาของเซลล์ รายละเอียดระดับโมเลกุลของการถอดรหัสและการจำลองแบบจะกล่าวถึงในบทความที่เกี่ยวข้อง และไม่มีการให้คำแนะนำทางคลินิก

Core questions

• เยื่อหุ้มนิวเคลียสแยกจีโนมออกจากไซโทพลาสซึมได้อย่างไร?
• คอมเพล็กซ์ช่องนิวเคลียร์เลือกสิ่งที่ผ่านระหว่างนิวเคลียสและไซโทพลาสซึมได้อย่างไร?
• โครมาตินถูกจัดระเบียบในสามมิติภายในนิวเคลียสได้อย่างไร?
• สัญญาณกลไกไปถึงจีโนมผ่านเยื่อหุ้มนิวเคลียสได้อย่างไร?

Key concepts

• เยื่อหุ้มนิวเคลียส (เยื่อหุ้มสองชั้น)
• คอมเพล็กซ์ช่องนิวเคลียร์
• ลามินาของนิวเคลียสและลามิน
• โครมาตินและอาณาเขตของโครโมโซม
• นิวคลีโอลัสและการสร้างไรโบโซม
• การขนส่งระหว่างนิวเคลียสและไซโทพลาสซึม
• เฮเทอโรโครมาตินและยูโครมาติน

Key theories

การส่งสัญญาณกลไกของนิวเคลียส (Nuclear mechanotransduction)

อูห์เลอร์และศิวะศังกรอธิบายว่าแรงกลที่ส่งผ่านโครงร่างเซลล์และเยื่อหุ้มนิวเคลียส (ผ่าน LINC complex และ lamina) เปลี่ยนแปลงการจัดระเบียบของโครมาตินและการแสดงออกของยีนได้อย่างไร โดยเชื่อมโยงรูปร่างของเซลล์และสภาพแวดล้อมทางกายภาพเข้ากับจีโนม

Mechanisms

เยื่อหุ้มนิวเคลียสประกอบด้วยเยื่อหุ้มชั้นในและชั้นนอกที่คั่นด้วยช่องว่างรอบนิวเคลียส (perinuclear space) ซึ่งต่อเนื่องกับลูเมนของเอนโดพลาสมิกเรติคูลัม เยื่อหุ้มชั้นในถูกบุด้วยลามินาของนิวเคลียส ซึ่งเป็นโครงข่ายของเส้นใยลามินอินเทอร์มีเดียตที่รองรับเยื่อหุ้มและยึดโครมาติน คอมเพล็กซ์ช่องนิวเคลียร์ทอดข้ามเยื่อหุ้มทั้งสองชั้นและทำหน้าที่เป็นประตูเลือกผ่าน โดยอนุญาตให้โมเลกุลขนาดเล็กผ่านได้อย่างอิสระ ขณะที่ควบคุมการขนส่งโปรตีนและ RNA ผ่านการทำงานร่วมกับตัวรับการขนส่ง (transport receptors) ภายในนิวเคลียส โครมาตินถูกจัดระเบียบอย่างไม่สุ่มเป็นอาณาเขตของโครโมโซม (chromosome territories) และเป็นโดเมนที่ทำงานและไม่ทำงานในการถอดรหัส และการจัดเรียงเชิงพื้นที่นี้ รวมถึงการประกอบไรโบโซมของนิวคลีโอลัส มีความเชื่อมโยงกับการควบคุมยีนและอาจได้รับอิทธิพลจากปัจจัยทางกลที่ส่งผ่านเยื่อหุ้ม

Clinical relevance

สถาปัตยกรรมของนิวเคลียสมีความเกี่ยวข้องกับพยาธิวิทยาเนื้อเยื่อ ซึ่งขนาด รูปร่าง และรูปแบบโครมาตินของนิวเคลียสให้ข้อมูลในการประเมินเนื้อเยื่อ และความผิดปกติของโปรตีนเยื่อหุ้มนิวเคลียสมีความสัมพันธ์กับโรคทางพันธุกรรม บทความนี้อธิบายโครงสร้างนิวเคลียสปกติเพื่อการอ้างอิงและการศึกษา และไม่ใช่พื้นฐานสำหรับการวินิจฉัยหรือการรักษา

Evidence & guidelines

ข้อมูลเชิงโครงสร้างและหน้าที่ในที่นี้อ้างอิงจากการทบทวนคอมเพล็กซ์ช่องนิวเคลียร์และการส่งสัญญาณกลไกของนิวเคลียส (nuclear mechanotransduction) การศึกษาเบื้องต้นเกี่ยวกับการจัดระเบียบของนิวเคลียส และตำรามาตรฐาน เป็นชีววิทยาของเซลล์เชิงพรรณนามากกว่าแนวทางปฏิบัติทางคลินิก

History

นิวเคลียสเป็นหนึ่งในออร์แกเนลล์แรกๆ ที่นักจุลทรรศน์ยุคแรกได้อธิบายไว้ และได้รับการยอมรับว่าเป็นตัวนำพาพันธุกรรมในช่วงปลายศตวรรษที่ 19 ต่อมา กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนได้แสดงให้เห็นเยื่อหุ้มสองชั้นและคอมเพล็กซ์ช่องนิวเคลียร์ และชีวเคมีได้ระบุลามินของลามินาของนิวเคลียส งานวิจัยล่าสุดได้ทำแผนที่การจัดระเบียบสามมิติของโครมาตินเป็นอาณาเขต และเชื่อมโยงกลไกของนิวเคลียสกับการควบคุมยีน เช่น ในการศึกษาว่านิวเคลียสของเซลล์รับแสงรูปแท่งจัดระเบียบโครมาตินใหม่ได้อย่างไร และในการทบทวนการส่งสัญญาณกลไกของนิวเคลียส

Debates

การจัดระเบียบเชิงพื้นที่ของจีโนมมีความแน่นอนเพียงใด?

ยังคงมีการถกเถียงกันว่าตำแหน่งของโครมาตินเป็นตัวขับเคลื่อนการแสดงออกของยีนอย่างแข็งขัน หรือเป็นเพียงการสะท้อนถึงการแสดงออกนั้นเป็นส่วนใหญ่ การสังเกตการณ์ เช่น สถาปัตยกรรมนิวเคลียร์แบบกลับด้านของเซลล์รับแสงรูปแท่งในเวลากลางคืน แสดงให้เห็นว่าการจัดระเบียบใหม่ที่รุนแรงเป็นไปได้และมีผลกระทบต่อการทำงาน แต่ทิศทางของสาเหตุยังคงอยู่ระหว่างการศึกษา

Key figures

• Michael P. Rout
• Caterina Strambio-De-Castillia
• G. V. Shivashankar
• Thomas Cremer

Seminal works

• strambio-decastillia-2010
• solovei-2009

Frequently asked questions

เยื่อหุ้มนิวเคลียสเป็นเยื่อหุ้มชั้นเดียวหรือไม่?

ไม่ใช่ เป็นเยื่อหุ้มสองชั้น โดยมีเยื่อหุ้มชั้นนอกต่อเนื่องกับเอนโดพลาสมิกเรติคูลัม และเยื่อหุ้มชั้นในถูกบุด้วยลามินาของนิวเคลียส ทั้งสองเชื่อมต่อกันที่คอมเพล็กซ์ช่องนิวเคลียร์

โมเลกุลขนาดใหญ่เข้าและออกจากนิวเคลียสได้อย่างไร?

ผ่านคอมเพล็กซ์ช่องนิวเคลียร์ ซึ่งอนุญาตให้โมเลกุลขนาดเล็กแพร่ผ่านได้อย่างอิสระ แต่ต้องอาศัยตัวรับการขนส่งในการนำโปรตีนและ RNA ขนาดใหญ่ข้ามผ่านในลักษณะที่เลือกและมีการควบคุม