Dr. Röhlich Pál prof. emeritus A sejtmag Dr. Röhlich Pál prof. emeritus ÁOK 2012/13 I. félév: A sejtbiológia alapjai 2012.09.18

A sejtmag mikroszkópos képe Alak: különböző sejttípusokban különböző és jellegzetes (kerek, megnyúlt, pálcika, lapos, karéjozott, vesealak …) Nagyság: mag/plazma arány, nagyság funkcionális állapottól is függ, sejttípusokban különböző Szám: általában 1, lehet több is (többmagvú óriássejt), magnélküli „sejtek „ (pl. vörösvértest, lencserost) óriássejtek létrejöhetnek: * sejtek fúziója révén (syncytium), pl. harántcsíkolt izomrost * a sejtmag osztódásával, melyet nem követ a cytoplasma osztódása (plasmodium), pl. megakaryocyta Fejlődő fehérvérsejtek (csontvelőkenet)  Csontvelői óriássejt (megakaryocyta)  

A sejtmag részei: kromatin: bazofilan festődő állomány, lehet laza szerkezetű (eukromatin) és tömött (heterokromatin), fő alkotóelemei a DNS és fehérjék magvacska (nucleolus): 1 v. több rögöcske, bazofil festődés, fő komponensei a rRNS és ribosoma előalakok magburok v. maghártya: a magot borító „hártya”, valójában kettős membrán pórusokkal heterokromatin magvacska eukromatin   magburok

A kromatin (DNS + fehérjék) A DNS-ről pár szóban A sejtmag legfontosabb komponense, a genetikai információ hordozója Hosszú, láncszerű makromolekula. Gerince: cukor – foszfát lánc (a cukor dezoxiribóz). A láncból oldalirányban N-tartalmú bázisok állnak ki. 4-féle bázis: adenin, guanin, thymin, cytosin. Építőegység: nukleotid (cukor+bázis+foszfát) Két párhuzamos lánc alkot egy DNS molekulát, ezeket a bázisok között H-hidak tartják össze. Ellentétes polaritás: 5’ vég mellett a másik láncon 3’ vég. Báziskomplementaritás: A-T és G-C között, a láncok tehát komplementerek. Két zseniális tulajdonság: 1. Kódolás: 4-féle bázis sorrendiségével 20-féle aminosavat és ezen keresztül sokezer különböző fehérjét kódol! (genetikai információ). 3 bázis (triplet) határoz meg a fehérjében 1 aminosavat. 2. Genetikai információ továbbadása: a DNS-láncok komplementaritása biztosítja a genetikai információ továbbadását új lánc szintézisekor (önreprodukció). DNS-hibák javításának a lehetősége is az ép szál segítségével. 

heterokromatin erősen kondenzált DNS, (itt nincs transzkripció) A DNS kondenzálódása A 2 m DNS elhelyezése egy kb. 10 µm-es térben! A DNS fehérjék segítségével feltekeredik, a létrejövő kompakt struktúra a kromatin. A DNS legtömörítettebb állapotában (metafáziskromoszóma) 10.000x-re rövidül meg. A nyugvó sejtmagban a DNS a kondenzálódás különböző szintjein van. DNS EM nyaklánc nucleosoma kromatinfonál EM kromatinfonál hurkok   FM  Nucleosoma: 8 db. erősen bázikus fehérjéből (H2A, H2B, H3, H4 histonból) felépülő lapos testecske (histon-oktamer), ennek oldalára tapad a DNS egy-egy hurokkal heterokromatin erősen kondenzált DNS, (itt nincs transzkripció) eukromatin laza DNS

Kromoszómák és kromatin Mi a kromoszóma molekuláris-biológiai és citológiai értelemben? Lineáris „kromoszóma”: minden egyes kromoszóma egy hosszú DNS molekulának felel meg (hisztonnal és egyéb fehérjékkel együtt). A DNS-replikáció után a két DNS molekula („kromoszóma”) egymáshoz kötve marad a centromer szintjében egészen a mitosis anafázisáig, nevük ilyenkor: kromatid. A sejtmag kromatinja a kromoszómák összessége, ezek a DNS-tömörítés különböző fokozatait mutatják egy átlagos sejtmagban: erősen kondenzált: heterokromatin, lazán vagy nem tömörült: eukromatin A sejtosztódás metafázisában látható kromoszómák a metafázis kromoszómák (l. később) A kromoszómák száma humán sejtben Haploid kromoszómakészlet: 23 különböző kromoszóma (22 autoszóma + 1 nemi kromoszóma) Diploid kromoszómakészlet (testi, szomatikus sejtekben): 46 kromoszóma: 1 haploid készlet az apától + 1 haploid készlet az anyától. Nemi kromoszómák: férfiban: XY, nőben: XX nőben Nőben az egyik X kromoszóma erősen kondenzált, heterokromatikus és inaktív: nemi kromatin vagy Barr-test). Sötét, heterokromatikus struktúra, többnyire a maghártya alatt (vékony nyilak). férfiban 

Lineáris kromoszómák  A DNS molekulák (lineáris kromoszómák) legfontosabb szakaszai a gének: ezek tartalmazzák a fehérjék és RNS-ek szintéziséhez szükséges utasításokat bázissorrend formájában (fehérje és RNS gének). Egyetlen kromoszóma több száz vagy akár ezer gént tartalmazhat. De: a DNS 90-95%-a „üres”, tehát nem tartalmaz kódoló szekvenciát. A közbülső DNS szakaszoknak különböző funkcióik lehetnek, ilyenek: a gének szabályozásában szerepet játszó, génregulációs proteineket kötő DNS-szakaszok (promotor, enhancer, silencer), ismétlődő (repetitív) szekvenciák (pl. a kromoszómák végein a telomerák vagy a centromera régió), transposonok (rövid, „ugráló” DNS szakaszok), kis gátló funkciójú RNSeket (miRNS, siRNS) kódoló szekvenciák, stb. Sok nem-kódoló DNS-szekvencia jelentősége még ma sem ismert. X-gén génregulációs helyei promotor A-gén kódoló szakasza X-gén replikációs kezdőhely telomera t-RNS gén telomera promotor Z-gén kódoló szakasza Y-gén génregulációs helyei ismétlődő szakaszok Z-gén regulációs helyei Y-gén promotor promotor centromera régió (ismétlődő szakaszok) rRNS-gének  Egy idealizált lineáris kromoszóma erősen egyszerűsített vázlata

A genetikai információ továbbadása I. DNS-replikáció (DNS-szintézis): új DNS-lánc szintézise a régi mentén a bázisok komplementaritása szerint. A replikáció jelentősége: a DNS megkettőződése a sejtosztódás előtt, így mindkét leánysejtbe ugyanaz a genetikai állomány kerül. A sejtmagban történik. Néhány jellegzetesség: a két régi lánc szétválik, a régi láncok mintául szolgálnak az új lánc szintéziséhez (bázis-komplementaritás!), az új lánc a 3’ végen nő új nukleotidok rákötődésével, DNS-polimeráz enzim közreműködésével. Óriási pontosság. Telomeráz.  

II. Transzkripció (RNS-szintézis) RNS szintézise DNS mentén: meghatározott információ „átírása” a DNS-ről egy új RNS darabra. RNS: egyetlen láncú nukleinsav, thymin helyett uracyl, dezoxiribóz helyett ribóz mRNS transzkripció: a génexpresszió 1. fázisa, a fehérjét kódoló gén átíródik mRNS-re. Átalakítás után kijut a cytoplasmába és ott a fehérjeszintézishez (transzláció) szolgáltatja a mintát. tRNS és rRNS transzkripció: tRNS és rRNS átírása a megfelelő génekről. Mindkét RNS (fehérjékhez kötve) a transzláció fontos segédeszköze a cytoplasmában. További kis RNS-ek transzkripciója.

A transzkripció vázlata  Mechanizmus: hasonló a DNS-replikációéhoz, de … RNS szintetizálódik, csak az egyik DNS-láncról (kodogén-lánc) történik átírás, start- és véghely a DNS-láncon, RNS-polimerázok, promotor 

A mRNS-transzkriptum átalakítása (processzálás) Végmódosítások: 5’ végen sapka (cap) kötődik rá: guanin-nukleotida, fordított helyzetben 3’ végen nagyszámú adenin-nukleotida szintetizálódik (polyadenyl-farok) Splicing: intronok kivágása Intronok: felesleges RNS-szakaszok, ezek kivágódnak, majd lebontódnak Exonok: megmaradó szakaszok, összekötésük után ezek alkotják a mRNS-t A splicingban kis RNS-protein komplexek (spliceosomák) játszanak szerepet A mRNS-hez fehérjék kötődnek 

A transzkripció szabályozása A génexpresszió szabályozása az élet egyik legfontosabb, központi mozzanata Szerepe: a szervezet kifejlődésekor (differenciálódás: bizonyos fehérjék megjelennek, mások letiltódnak) felnőtt szervezetben a környezethez való adaptálódás, sejtosztódás, külső jelekre válasz … A génexpresszió során az egyik legfontosabb szabályozási szint: a transzkripció szabályozása. Génregulációs helyek (génkontroll-régiók) a DNS-láncon. Ide génregulációs fehérjék (specifikus transzkripciós faktorok) kötődhetnek. Ezek együttese hat a promotor régióhoz kötődő fehérjék, az ún. általános transzkripciós faktorok és az RNS-polimeráz komplexére. Kedvező kölcsönhatás esetén az RNS-polimeráz megindul, és a start-bázistól kezdve RNS-t (primer transzkriptumot) szintetizál. 

Magburok („maghártya”) A mag széli struktúrái (kívülről befelé): 1. Magburok: perinuclearis cisterna (külső és belső membrán, köztük perinuclearis tér), kapcsolatban áll a durva felszínű endoplasmás reticulummal. Külső membránon ribosomák. Belső membránon kötőhelyek laminoknak és kromatinnak. maglamina: 10 nm-es filamentumokból álló rácsozat (lamin fehérjékből álló ún. intermedier filamentumok). A magburok mechanikai támasztéka, lebontásakor (pl. sejtosztódáskor) a burok vesiculákra esik szét. 2. Széli heterokromatin: kromoszómák általában kihorgonyzódnak a magburokhoz, heterokromatikus részük a maglaminához tapad. pórus cytoplasma külső membrán belső membrán a mag belső tere   A magburok keresztmetszete EM felvételen

A DNS a magburok által körülvett térbe záródik be A DNS a magburok által körülvett térbe záródik be. A cytoplasmával a közlekedést ellenőrzött kapuk, a magpórusok biztosítják. Bonyolult szerkezetű, óriási fehérjekomplexek (ún. póruskomplexek) illeszkednek a pórusokba, amelyeken szabályozott transzport zajlik a cytoplasma és a mag között. Pórusok a magburkon   Fagyasztva-tört preparátum, EM felv. Póruskomplexek a magburok lapszerinti metszetén, EM felv.

Pásztázó EM felvétel a magburok belső oldaláról A pórusok 8 széli komplexből állnak, középen csatorna, EM kép, negatív festés. A póruskomplex szerkezete    Számuk: több száz v. ezer/sejtmag Nagyság: 50 nm átmérő, centrális csatorna 10 (-25) nm Össztömeg: 125 millió Da, 30 különböző fehérje építi fel Pásztázó EM felvétel a magburok belső oldaláról

Transzport a magpórusokon keresztül Szükségessége: fehérjeszintézis a cytoplasmában történik, az ehhez szükséges eszközök (mRNS, tRNS, rRNS) a sejtmagban íródnak át a DNS-ről Magfehérjék a cytoplasmából a magba (ilyenek: replikációban, transzkripcióban, transzkripció-szabályozásban, RNS-processzálásban, DNS-kondenzálásban szerepet játszó, valamint RNS-kötő fehérjék) RNS kifelé a magból a cytoplasmába (mRNS, rRNS a hozzákötődő fehérjékkel és a tRNS) 50 kD-nál nagyobb molekulák speciális transzporttal jutnak át. A transzport sebessége: 500 molekula/sec, mindkét irányban! Magimport és export jelek: magfehérjéken rövid peptidszakasz(ok)  magimport jel rendben, fehérje a sejtmagban magimport jel hibás, fehérje a cytoplasmában marad A transzport mechanizmusa többféle. Jellemző példa: a fehérje magimportjelét egy importreceptor fehérje ismeri fel, ezt a komplexet a RanGDP fehérje viszi át a póruskomplex csatornáján a magba, ott a GDP GTP-re cserélődik a Ran fehérjén, mire a receptor elereszti a magfehérjét. A receptor a RanGTP-vel együtt visszajut a cytoplasmába.

Felhasznált illusztrációk forrása:  Röhlich: Szövettan, 3. kiadás, Semmelweis Kiadó Budapest  Alberts – Johnson – Lewis – Raff – Roberts – Walter: Molecular biology of the cell. 5. kiadás, Garland Science  Campbell – Reece: Biologie, Spektrum, Berlin  Röhlich: Saját prep. és/vagy felvétel, ill. rajz