Nhân tế bào

Nhân tế bào (tiếng Anh: cell nucleus, từ Latinh nucleus hoặc nuculeus 'nhân, hạt') là một bào quan được bao bọc bởi màng nằm trong tế bào nhân thực. Thông thường, tế bào nhân thực chỉ có một nhân, nhưng một số loại tế bào (như tế bào hồng cầu của động vật có vú) không có nhân, trong khi một số khác như tế bào hủy xương có nhiều nhân. Nhân chủ yếu bao gồm màng nhân, lớp màng kép bao quanh bào quan và tách biệt nội bào với tế bào chất; chất nền nhân là mạng lưới trong nhân cung cấp hỗ trợ cơ học.

Nhân tế bào chứa hầu hết các gen của tế bào. DNA trong nhân thường được tổ chức thành các nhiễm sắc thể – chuỗi DNA dài kết hợp với nhiều protein (như histone) để bảo vệ và tổ chức DNA. Các gen trong nhiễm sắc thể được cấu trúc để hỗ trợ chức năng của tế bào. Nhân có vai trò duy trì sự toàn vẹn của gen và điều khiển hoạt động của tế bào thông qua việc điều hòa biểu hiện gen.

Vì màng nhân không cho phép các đại phân tử thấm qua, lỗ nhân phải điều chỉnh việc vận chuyển các phân tử qua màng. Lỗ nhân xuyên qua màng nhân, cung cấp kênh cho các đại phân tử phải được vận chuyển chủ động nhờ protein vận chuyển, đồng thời cho phép các tiểu phân tử và ion di chuyển tự do. Việc di chuyển của đại phân tử như protein và RNA qua lỗ nhân rất quan trọng cho biểu hiện gen và duy trì nhiễm sắc thể. Mặc dù nội nhân không chứa khoang màng, một số thể nhân vẫn tồn tại và bao gồm protein, phân tử RNA, và các phần của nhiễm sắc thể. Phổ biến nhất là nhân con, tham gia vào việc lắp ráp ribosome.

Hình dạng và cấu trúc

Nhân tế bào chứa hầu hết DNA của tế bào, được bao quanh bởi mạng lưới sợi trung gian gọi là chất nền nhân và bao bọc trong màng kép gọi là màng nhân. Màng nhân ngăn cách dịch trong nhân (chất nhân) với phần còn lại của tế bào. Kích thước của nhân tỷ lệ thuận với kích thước tế bào, và tỷ lệ này có thể thay đổi giữa các loại và chủng tế bào. Ở sinh vật nhân thực, nhân thường chiếm khoảng 10% thể tích tế bào. Nhân là bào quan lớn nhất trong tế bào động vật. Ở tế bào người, đường kính nhân khoảng 6 micromet (µm).

Các lỗ và màng nhân

Màng nhân bao gồm hai lớp màng (màng trong và màng ngoài), cùng với các lỗ nhân. Các màng này phối hợp để ngăn cách vật liệu di truyền của tế bào với phần còn lại của tế bào, đồng thời giữ cho môi trường bên trong nhân khác biệt so với phần còn lại của tế bào. Mặc dù hai màng nằm sát nhau quanh nhân, chúng khác biệt rõ rệt về hình dạng và chức năng. Màng trong bao bọc nội dung nhân, tạo ranh giới rõ ràng. Gắn vào màng trong là các protein liên kết với sợi trung gian tạo cấu trúc cho nhân. Màng ngoài bao bọc màng trong và liên kết với lưới nội chất bên cạnh. Là phần của lưới nội chất, màng ngoài có gắn ribosome giúp vận chuyển protein qua màng. Khoảng trống giữa hai màng được gọi là không gian quanh nhân, giúp liên kết với lòng ống của lưới nội chất.

Trong tế bào động vật có vú, có từ 3000 đến 4000 phức hợp lỗ nhân (NPC) xuyên qua màng. Mỗi phức hợp lỗ nhân có cấu trúc dạng vòng đối xứng tám phần tại giao điểm của màng trong và màng ngoài. Số lượng phức hợp lỗ nhân có thể khác nhau đáng kể giữa các loại tế bào; tế bào thần kinh đệm nhỏ chỉ có vài trăm phức hợp, trong khi tế bào Purkinje lớn có khoảng 20.000 phức hợp. Phức hợp lỗ nhân cho phép vận chuyển chọn lọc các phân tử giữa chất nhân và bào tương. Phức hợp này bao gồm khoảng 30 protein gọi là nucleoporin, với khối lượng phân tử khoảng 60–80 triệu dalton và bao gồm từ 50 (ở nấm men) đến hàng trăm protein (ở động vật có xương). Đường kính tổng cộng của lỗ nhân là 100 nm, nhưng khoảng trống cho các phân tử khuếch tán tự do chỉ rộng khoảng 9 nm, nhờ hệ thống điều hòa ở trung tâm lỗ nhân. Kích cỡ này cho phép các phân tử hòa tan đi qua, còn các phân tử lớn hơn như acid nucleic và protein lớn phải được vận chuyển chủ động vào nhân. Cấu trúc gắn vào vòng được gọi là giỏ nhân, kéo dài vào chất nhân, trong khi một loạt sợi mở rộng vào bào tương. Cả hai cấu trúc đều giúp trung gian liên kết với protein vận chuyển nhân.

Hầu hết protein, tiểu đơn vị ribosome và một số RNA được vận chuyển qua phức hợp lỗ nhân bằng quá trình trung gian của các yếu tố vận chuyển gọi là karyopherin. Các karyopherin trung gian cho việc vận chuyển vào nhân được gọi là importin, trong khi chất trung gian xuất ra khỏi nhân gọi là exportin. Đa số karyopherin tương tác trực tiếp với hàng hóa, tuy nhiên một số sử dụng protein thích ứng. Các hormone steroid (như cortisol và aldosterone) và các phân tử hòa tan lipid nhỏ liên quan đến truyền tín hiệu liên tế bào có thể xuyên qua màng tế bào và vào chất nhân, nơi chúng liên kết với protein thụ thể nhân. Tại đây, chúng hoạt động như yếu tố phiên mã khi liên kết với phối tử; nếu thiếu phối tử, nhiều thụ thể này có chức năng như deacetylase histone để ức chế biểu hiện gen.

Lamina

Trong tế bào động vật, hai mạng lưới sợi trung gian hỗ trợ cơ học cho nhân: Lamina (hay còn gọi là Lưới lót màng nhân) tạo thành một tấm lưới tổ chức bên trong màng nhân, trong khi phần còn lại ít tổ chức hơn nằm ở mặt bào tương của màng nhân. Cả hai hệ thống này đều hỗ trợ cấu trúc cho màng nhân và cung cấp điểm neo cho nhiễm sắc thể và lỗ nhân.

Lamina chủ yếu bao gồm các protein lớp nhân. Như mọi loại protein khác, lớp nhân được tổng hợp trong chất nhân và sau đó được vận chuyển đến nội nhân, nơi chúng được lắp ráp và đưa vào mạng lưới lamina hiện có. Các protein lớp nhân trên mặt bào tương của màng (như emerin và nesprin) liên kết với khung tế bào để hỗ trợ cấu trúc. Lớp nhân cũng hiện diện trong chất nhân, tạo thành cấu trúc cân đối được gọi là lưới chất nhân (nucleoplasmic veil) có thể quan sát bằng kính hiển vi huỳnh quang. Chức năng thực sự của lưới chất nhân vẫn chưa được hiểu rõ, mặc dù nó bị loại ra khỏi nhân trong giai đoạn trung gian. Cấu trúc lớp nhân tạo thành lưới, chẳng hạn như LEM3, liên kết với chất nhiễm sắc và sự phá vỡ cấu trúc này làm giảm khả năng vận chuyển gen mã hóa protein.

Giống như các sợi trung gian khác, monomer của lớp nhân có miền xoắn alpha cho phép hai monomer xoắn vào nhau, tạo thành cấu trúc dimer gọi là coiled coil. Hai cấu trúc dimer này sau đó xếp chồng lên nhau theo cách song song để tạo thành một protein bốn phần gọi là sợi proto (protofilament). Tám sợi proto kết hợp lại để tạo thành cấu trúc xoắn dạng sợi (filament) giống như dây thừng. Những sợi này có thể bó lại hoặc tách ra linh hoạt, nghĩa là chiều dài của sợi thay đổi tùy thuộc vào tỷ lệ cạnh tranh của việc thêm hoặc loại bỏ sợi.

Các đột biến trong gen lớp nhân gây ra lỗi trong việc bó sợi và dẫn đến một nhóm bệnh di truyền hiếm gặp gọi là laminopathy. Bệnh laminopathy phổ biến nhất là progeria, gây lão hóa sớm ở những người mắc bệnh. Cơ chế chính xác của sự thay đổi sinh hóa dẫn đến hiện tượng lão hóa vẫn chưa được làm rõ.

Nhiễm sắc thể

Nhân tế bào chứa hầu hết vật liệu di truyền dưới dạng các phân tử DNA tuyến tính được sắp xếp thành các cấu trúc gọi là nhiễm sắc thể. Mỗi tế bào người có khoảng hai mét DNA. Trong phần lớn chu kỳ tế bào, nhiễm sắc thể tồn tại dưới dạng phức hợp DNA-protein gọi là chất nhiễm sắc, và trong giai đoạn phân bào, chất nhiễm sắc hình thành các nhiễm sắc thể rõ ràng như trong kiểu nhân đồ. Tuy nhiên, một phần nhỏ của gen tế bào nằm trong ty thể.

Có hai loại chất nhiễm sắc: Vùng nguyên nhiễm sắc là dạng DNA ít đặc hơn và chứa các gen thường xuyên hoạt động trong tế bào. Ngược lại, vùng dị nhiễm sắc là dạng DNA đặc hơn và chứa DNA ít được phiên mã. Cấu trúc này được phân chia thành vùng dị nhiễm sắc ngẫu nhiên, chứa các gen tổ chức thành dị nhiễm sắc chỉ ở một số loại tế bào hoặc giai đoạn phát triển cụ thể, và vùng dị nhiễm sắc cơ định, bao gồm các thành phần cấu trúc của nhiễm sắc thể như telomere và tâm động. Trong kỳ trung gian, chất nhiễm sắc tổ chức thành các mảng riêng lẻ gọi là vùng nhiễm sắc thể, với các gen hoạt động thường nằm ở ranh giới của những vùng này.

Kháng thể chống lại các tổ chức chất nhiễm sắc đặc biệt (như nucleosome) liên quan đến một số bệnh tự miễn, chẳng hạn như lupus ban đỏ hệ thống. Những kháng thể này được gọi là kháng thể kháng nhân (ANA) và có thể liên quan đến bệnh đa xơ cứng, một loại rối loạn hệ miễn dịch.

Nhân con

Nhân con là cấu trúc lớn nhất trong số các cấu trúc không có màng, dày đặc, phân tán và nhuộm màu nằm trong nhân. Nó hình thành xung quanh các đoạn lặp lại của DNA mã hóa RNA ribosome (rRNA), được gọi là vùng tổ chức nhân con (NOR). Vai trò chính của nhân con là tổng hợp rRNA và lắp ráp ribosome. Sự hình thành cấu trúc của nhân con phụ thuộc vào hoạt động của nó; quá trình lắp ráp ribosome tại nhân con dẫn đến việc liên kết tạm thời các thành phần nhân con và gia tăng liên kết. Quan sát cho thấy sự mất chức năng rDNA dẫn đến sự thay đổi trong cấu trúc nhân con.

Trong bước đầu tiên của quá trình lắp ráp ribosome, RNA polymerase I phiên mã rDNA để tạo ra tiền thân của đại tiền rRNA. Tiền thân này được phân chia thành hai tiểu đơn vị rRNA lớn – 5.8S và 28S, cùng với tiểu đơn vị rRNA nhỏ 18S. Quá trình phiên mã, xử lý hậu phiên mã và lắp ráp rRNA diễn ra tại nhân con với sự hỗ trợ của các phân tử RNA nhân con nhỏ (snoRNA), một số trong đó có nguồn gốc từ các intron cắt nối từ RNA thông tin mã hóa gen liên quan đến chức năng ribosome. Các tiểu đơn vị ribosome là những cấu trúc lớn nhất đi qua lỗ nhân.

Dưới kính hiển vi điện tử, nhân con có thể được phân chia thành ba vùng: tâm sợi (fibrillar center, FC) nằm ở trung tâm, xung quanh là thành phần sợi dày đặc (dense fibrillar component, DFC) chứa fibrillarin và nucleolin, và bao bọc ngoài cùng là thành phần hạt (granular component, GC) chứa protein nucleophosmin. Quá trình phiên mã rDNA xảy ra ở FC hoặc ở ranh giới giữa FC và DFC, vì vậy khi phiên mã rDNA tăng lên, các FC có thể gặp lỗi nhiều hơn. Phân tách và điều chỉnh rRNA chủ yếu xảy ra ở DFC, trong khi lắp ráp protein vào các tiểu đơn vị ribosome diễn ra ở GC.

Chức năng

Nhân là nơi tách biệt quá trình phiên mã di truyền khỏi vị trí dịch mã trong tế bào chất, cho phép các cấp độ điều hòa gen ở sinh vật nhân sơ. Chức năng chính của nhân tế bào là điều khiển biểu hiện gen và trung gian trong quá trình tái bản DNA trong chu kỳ tế bào.

Chia ngăn tế bào

Màng nhân đảm nhiệm vai trò kiểm soát nội dung trong nhân và tách biệt chúng khỏi phần còn lại của tế bào chất khi cần thiết. Đây là một bước quan trọng trong việc kiểm soát các quá trình ở cả hai mặt của màng nhân: Trong nhiều trường hợp cần điều chỉnh quá trình tế bào chất, một thành phần chính được chuyển vào nhân, nơi nó tương tác với các yếu tố phiên mã để giảm sự sản xuất của một số enzyme cụ thể. Cơ chế điều hòa này đặc biệt quan trọng trong con đường đường phân, con đường chuyển hóa glucose để tạo năng lượng. Hexokinase, enzyme chính trong bước đầu tiên của đường phân, tạo ra glucose-6-phosphate từ glucose. Khi nồng độ fructose-6-phosphate tăng, một phân tử từ glucose-6-phosphate được đưa vào nhân, nơi nó tạo ra một phức hợp ức chế phiên mã bằng protein nhân để giảm biểu hiện gen liên quan đến đường phân.

Để kiểm soát phiên mã của gen, tế bào tách một số protein yếu tố dịch mã chịu trách nhiệm điều chỉnh biểu hiện gen khi chúng tiếp xúc với DNA, cho đến khi các con đường truyền tín hiệu khác kích hoạt chúng. Quá trình này còn ngăn chặn các mức thấp của biểu hiện gen không mong muốn. Ví dụ, đối với các gen được kiểm soát bởi NF-κB (tham gia vào hầu hết các phản ứng viêm), phiên mã được kích hoạt qua con đường truyền tín hiệu, chẳng hạn như tín hiệu TNF-α kích thích liên kết với thụ thể màng tế bào, dẫn đến việc huy động các protein tín hiệu và cuối cùng kích hoạt yếu tố phiên mã NF-κB. Tín hiệu định vị nhân trên protein NF-κB cho phép yếu tố này di chuyển qua lỗ nhân và vào nhân, kích thích phiên mã của gen mục tiêu.

Việc chia ngắn giúp tế bào ngăn chặn quá trình dịch mã đối với mRNA chưa cắt nối. mRNA của nhân thực chứa các intron cần được loại bỏ trước khi dịch mã để tạo thành protein chức năng. Quá trình tách intron diễn ra trong nhân trước khi mRNA có thể tiếp cận ribosome để dịch mã. Nếu không có nhân, ribosome dịch mã mRNA mới phiên mã sẽ tạo ra protein bị lỗi và mất chức năng.

Tái bản

Chức năng chính của nhân tế bào là điều chỉnh biểu hiện gen và quản lý quá trình tái bản DNA trong chu kỳ tế bào. Tái bản DNA xảy ra vào một thời điểm nhất định trong nhân, đặc biệt là ở pha S của kỳ trung gian trong chu kỳ tế bào; đây là thời điểm mà việc nhân đôi DNA bắt đầu. Khác với quan điểm truyền thống cho rằng chạc tái bản di chuyển dọc theo chiều dài DNA, khái niệm về nhà máy tái bản (replication factories) cho rằng chạc tái bản tập trung ở một số vùng 'nhà máy' cố định, qua đó chuỗi DNA di chuyển như trên một băng chuyền.

Biểu hiện gen

Biểu hiện gen bắt đầu từ quá trình phiên mã, trong đó DNA được sử dụng làm khuôn mẫu để tổng hợp RNA. Đối với gen mã hóa protein, sản phẩm của quá trình này là RNA thông tin (mRNA), sau đó cần được ribosome dịch mã để tạo ra protein. Vì ribosome nằm ngoài nhân, mRNA cần được xuất khẩu ra ngoài.

Vì nhân là nơi phiên mã xảy ra, nó chứa nhiều loại protein trực tiếp điều chỉnh phiên mã hoặc tham gia vào quá trình này. Các protein này bao gồm helicase (chất tháo gỡ phân tử DNA sợi đôi để tạo điều kiện tiếp cận), RNA polymerase (chất liên kết với promoter DNA để tổng hợp RNA), topoisomerase (chất thay đổi lượng DNA siêu xoắn để giúp nó cuộn lại và tháo gỡ), cùng với nhiều yếu tố phiên mã điều chỉnh biểu hiện gen.

Chỉnh sửa tiền mRNA

Phiên mã sơ cấp, hay tiền mRNA, là phân tử mRNA mới được tổng hợp. Để có thể được vận chuyển ra tế bào chất, chúng cần trải qua các bước điều chỉnh sau phiên mã trong nhân; nếu không, mRNA sẽ bị phân hủy trước khi có cơ hội tham gia dịch mã protein. Ba bước điều chỉnh chính là gắn 'mũ' ở đầu 5', thêm 'đuôi' polyadenyl (PolyA) ở đầu 3', và cắt ghép RNA. Tiền mRNA liên kết với nhiều protein trong các phức hợp gọi là hạt ribonucleoprotein không đồng nhất (hnRNPs) trong nhân. Việc gắn 'mũ' ở đầu 5' bắt đầu đồng thời với phiên mã, trong khi đuôi poly-A chỉ được thêm vào sau khi phiên mã hoàn tất. Cắt ghép RNA, thực hiện bởi phức hợp thế cắt nối - spliceosome, là quá trình loại bỏ các intron và kết nối các exon để tạo thành một phân tử RNA liên tục. Quá trình này thường diễn ra sau khi gắn mũ đầu 5' và đuôi polyA đầu 3', nhưng có thể bắt đầu sớm hơn trước khi phiên mã hoàn tất với nhiều exon. Cắt ghép thay thế cho phép sản xuất nhiều dạng mRNA trưởng thành khác nhau từ một gen duy nhất, tạo ra các protein khác nhau từ cùng một lượng DNA.

• Nhân con (giải phẫu thần kinh)
• Khu vực nhân
• Nucleomorph

Chú thích

Liên kết ngoài