Función principal de nucleolo: Biogénesis de Ribosomas

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El nucleolo es el lugar donde tiene lugar la transcripción y el procesamiento del RNAr y del ensamblaje de las pre-subunidades de los ribosomas, el nucleolo es pues la fábrica de producción de los ribosomas. Los ribosomas de las células eucariotas contienen cuatro diferente moléculas de RNA ribosómico (RNAr): 28 S, 18 S, 5.8 S, y 5 S. La subunidad mayor 60S del ribosoma contiene los RNA ribosómicos 28 S, 5.8 S y 5 S, mientras que la subunidad menor 40S contiene el RNAr 18 S. Las tres RNAr moléculas, 18 S, 5.8 y 28 S son sintetizadas en el nucleolo, mientras que el 5S ARNr es sintetizado por la RNA polimerasa III fuera del mismo en otra región del nucleoplasma. Los ARNr constituyen el 80 % de las moléculas de ARN encontradas en una célula eucariota.

Las células contienen múltiples copias de los genes para los RNAr para poder satisfacer la demanda de transcripción de elevado número de moléculas de RNAr que son necesarias para sintetizar los ribosomas. Por ejemplo, las células de mamífero en continuo crecimiento contienen 5 y 10 millones de ribosomas, que deben sintetizarse cada vez que la célula se divide. Las células contienen por ello múltiplas copias de los genes RNAr. El genoma humano por ejemplo contiene aproximadamente unas doscientas copias del gen que codifica para los RNAr 28 S, 18 S, 5.8 S dispuestas de manera secuencial (en tándem) con un DNA espaciador que no se transcribe separando cada unidad repetida en cinco cromosomas humanos diferentes (13,14,15,21,22) y aproximadamente 200 copias del gen que codifica para el RNAr 5S en el cromosoma 1.

Síntesis y procesamiento de los RNAr

Los RNAr nucleolares 18 S, 5.8 y 28 S son sintetizados (transcriptos) por la RNA polimerasa I a partir de los genes (DNAr) que codifican los RNAr. Lo que permite que la transcripción se pueda visualizar fácilmente con microscopia electrónica, cada uno de los genes de ARNr están colocados en serie y se encuentran rodeado de ARN en crecimiento densamente empaquetados, (unidos a diferentes proteínas de procesamiento y ribosómicas) dando lugar a estructuras en forma típica de “arbol de navidad”.

El transcripto primario de los genes RNAr es un pre-RNAr (47S en células de mamífero) de gran tamaño que contiene los RNAr 5.8 S, 18S y 28S, dos espaciadores externos (ETS) que también son transcritos localizados en los extremos 5´ y 3´del pre-RNA y dos espaciadores internos (ITS) que se sitúan entre las secuencias de los RNAr 18s, 5.8 s y 28s. Así la estructura del pre-RNAR es: 5´-ETS-18S-ITS-5.8-ITS-28S-3´.

Mediante escisiones sucesivas (realizadas por endonucleasas específicas) de este transcrito primario se produce la liberación de los RNAr 5.8 S, 18S y 28S. Este procesamiento del pre-RNAr requiere de la intervención de un numerosas grupos de proteínas (unas 300) y RNAs localizados en el nucléolo, denominados RNAs nucleolares pequeños (RNAsno), los cuales al unirse a proteínas constituyen unas partículas denominadas proteínas ribonucleares pequeñas (abreviadamente RNPsno). Cada RNPsno está constituida por un único RNAsno asociado a ocho o diez proteínas. Las células humanas contienen aproximadamente 100 especies diferentes de snoRNP Por ejemplo la RNPsno llamada U3 es necesario para la escisión inicial del pre-RNAr que se produce en la ETS 5. De manera similar el RNPsno U8 provoca la escisión del pre-RNAr en RNAr 5.8 S, 18S y 28S, mientras que la RNPsno U22 es responsable de la fragmentación adicional de pre-RNAr para dar lugar al RNA 18 S.

Para alcanzar la madurez funcional los RNAr sufren una extensiva modificaciones covalentes, metilaciones de ciertas bases nitrogenadas y de residuos de ribosa (los grupos hidroxilos 2' (2'-O-metilación) o la conversión de uridina en pseudouridina (Ψ). Estas modificaciones que requieren de la actividad de las RPNsno, la mayoría de los RNAsno contienen secuencias cortas de 15 nucleótidos que son complementarias a las secuencias de los RNAr 18s y 28s que sirven para reconocer, seleccionar (e.g.los sitios de metilación) y dirigir a las enzimas que catalizan las modificaciones al sitio adecuado de las secuencias del pre-RNA. En las células animales el procesamiento de pre-RNAr 47S implica la metilación de aproximadamente cien restos de ribosa y 10 bases, además de la formación de cien pseudouridinas. La mayoría de estas modificaciones ocurre durante o inmediatamente después de la síntesis de pre-RNAr aunque algunas tienen lugar en etapas posteriores del procesamiento del pre-RNAr.

Ensamblaje de los ribosomas

Los RNAr maduros 5.8 S, 18S y 28S y el RNAr 5S se combinan en el nucleolo con las proteínas ribosómicas (importadas desde el citoplasma) para formar las subunidades ribosomales pre- 40S y pre-60S. Estas pre-subunidades son exportadas a través de los complejos del poro nucleares (NPCs) al citoplasma donde se termina la maduración.

Los genes que codifican para las diferentes proteínas ribosomales se transcriben fuera del nucleolo por la RNA polimerasa II, originando RNAm que son transportados a través de los NPCs al citoplasma donde son traducidos en proteínas ribosomales en los ribosomas citoplasmáticos. Las proteínas ribosomales son transportadas entonces de nuevo a través de los NPCs al nucleolo donde se ensamblan con los RNAr maduros para formar las partículas pre-ribosómicas.

La asociación de las proteínas ribosomicas con los RNAr tiene lugar a lo largo de la síntesis y procesamiento del pre-RNA. La maduración de la pre-subunidad mayor 60S sigue una ruta diferente de la menor 40S. La maduración de la subunidad pequeña que solo contiene RNAr 18S es más sencilla e implica cuatro escisiones en le pre-RNA 47S. La escisión final de la que resulta el RNAr 18S se produce tras el transporte de la subunidad 40S al citosol, mientras que la maduración de la subunidad 60S que contiene implica multiples escisiones del pre-RNA en el núcleo y se completa totalmente dentro del nucleolo. Por lo tanto la mayoría de las particulas preribosómicas del nucleolo son precursores de las subunidades grandes 60S. Las etapas finales de la maduración de los ribosomas siguen a la salida de las partículas preribosomales al citoplasma, formando las subunidades ribosómicas 40S y 60S maduras funcionalmente capaces de formar los ribosomas 80S encargados de llevar a cabo la síntesis de proteínas celulares.