✨Nhân tế bào

phải|nhỏ|[[HeLa|Tế bào HeLa được nhuộm DNA nhân bằng thuốc nhuộm Hoechst huỳnh quang. Những tế bào trung tâm và nằm rìa bên phải đang ở kỳ trung gian, do đó có thể nhận diện toàn bộ nhân của chúng. Ở bên trái, tế bào đang trải qua nguyên phân và DNA của nó bị cô đặc lại.]]

Nhân tế bào (, ) là một bào quan có màng bao bọc nằm ở tế bào nhân thực. Tế bào nhân thực thường có duy nhất một nhân, nhưng một số ít loại tế bào (chẳng hạn như tế bào hồng cầu của động vật có vú) không có nhân, còn một số ít khác gồm tế bào hủy xương có nhiều nhân. Cấu trúc chính tạo nên nhân là màng nhân, một lớp màng kép bao bọc toàn bộ bào quan và tách biệt nội bào trong khỏi tế bào chất; chất nền nhân là mạng lưới nằm trong nhân giúp bổ sung hỗ trợ cơ học.

Nhân tế bào chứa gần như mọi bộ gen của tế bào. DNA nhân thường được tổ chức thành nhiều nhiễm sắc thể – các chuỗi DNA dài lấm chấm với nhiều protein (ví dụ như histone) để bảo vệ và tổ chức DNA. Gen nằm bên trong những nhiễm sắc thể này được xây dựng cấu trúc để thúc đẩy chức năng tế bào. Nhân có chức duy trì tính toàn vẹ của gen và kiểm soát hoạt động của tế bào nhờ điều hòa biển hiện gen.

Do màng nhân không để cho các đại phân tử thấm qua, lỗ nhân buộc phải điều hòa khâu vận chuyển nhân của phân tử qua màng. Lỗ nhân đi qua màng nhân, cung cấp kênh ion để cho đại phân tử phải được vận chuyển chủ động nhờ protein vận chuyển, đồng thời tạo điều kiện cho các tiểu phân tử và ion chuyển động tự do. Chuyển động của đại phân tử như protein và RNA qua lỗ nhân là quan trọng với cả biểu hiện gen và giúp duy trì nhiễm sắc thể. Mặc cho nội nhân không chứa bất kì khoang có màng nào, một số thể nhân vẫn tồn tại và cấu thành từ các protein, phân tử RNA và đặc biệt là các phần của nhiễm sắc thể độc nhất. Phổ biến nhất trong số này là nhân con tham gia vào lắp ráp ribosome.

Cấu trúc

phải|nhỏ|280x280px|Sơ đồ nhân chỉ ra màng nhân bên ngoài rải rác [[ribosome, lỗ nhân, DNA (phức hợp thành chất nhiễm sắc) và nhân con.]] Nhân chứa gần như toàn bộ DNA của tế bào, bao quanh là mạng lưới sợi trung gian được gọi là chất nền nhân, và nó được bao bọc trong màng kép được gọi là màng nhân. Màng nhân bao bọc tách dịch bên trong nhân (được gọi là chất nhân) khỏi phần còn lại của tế bào. Kích cỡ của nhân tương quan với kích cỡ tế bào, tỷ lệ này được thông báo ở hàng loạt loại và chủng tế bài. Ở sinh vật nhân thực, nhân ở nhiều tế bào thường chiếm 10% dung tích tế bào. Nhân là bào quan lớn nhất ở tế bào động vật. Ở tế bào người, đường kính của nhân đạt mức xấp xỉ 6 micrômét (µm). 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 khoảng vài trăm phức hợp lỗ nhân, còn tế bào Purkinje lớn có khoảng 20.000 phức hợp lỗ nhân. Phức hợp lỗ nhân gồm khoảng 30 protein khác nhau được gọi là nucleoporin.

Đa số protein, tiểu đơn vị ribosome và một vài RNA được vận chuyển qua phức hợp lỗ nhân theo quy trình do họ yếu tố vận chuyển làm trung gian được gọi là karyopherin. Những karyopherin làm trung gian cho vận chuyển dẫn vào nhân được gọi là importin, tại đây chất vận chuyển trung gian khỏi nhân được gọi là exportin. Đa phần karyopherin tương tác trực tiếp cargo, dẫu vậy một vài karyopherin sử dụng protein thích ứng. Các hormone steroid (như cortisol và aldosterone, cũng như những phân tử hòa tan lipid nhỏ tham gia vào khâu truyền tín hiệu liên tế bào) có thể xuyên qua màng tế bào và đi vào chất nhân, ở đây chúng liên kết với protein thụ thể nhân được đưa vào nhân. Tại đó chúng có vai trò làm yếu tố phiên mã khi liên kết với phối tử; trong trường hợp thiếu phối tử, nhiều thụ thể như thế có chức năng làm deacetylase histone để ức chế biểu hiện gen.

Lamina được cấu thành bởi đa số là protein lớp nhân. Giống như mọi protein, lớp nhân được tổng hợp ở chất nhân rồi sau được vận chuyển đến nội nhân, nơi đây chúng được lắp ráp rồi chuyển vào mạng lưới lamina sẵn có. Lớp nhân có ở mặt bào tan của màng (như emerin và nesprin) liên kết với khung tế bào để hỗ trợ về mặt cấu trúc. Lớp nhân cũng được phát hiện bên trong chất nhân, nơi đây chúng tại nên cấu trúc cân đối khác được gọi là lưới chất nhân (nucleoplasmic veil) nhìn được bằng kính hiển vi huỳnh quang. Chức năng thật sự của lưới chất nhân hiện chưa rõ, bất chấp nó bị đẩy khỏi nhân và hiện đang ở kỳ trung gian. Cấu trúc lớp nhân tạo nên lưới, ví dụ như LEM3, liên kết với chất nhiễm sắc và việc phá cấu trúc của chúng làm kiềm chế vận chuyển gen mã hóa-protein.

Như thành phần của các sợi trung gian khác, monomer của lớp nhân chứa miền xoắn alpha do hai monomer sử dụng để xoắn vào nhau, tạo nên cấu trúc dimer được gọi là coiled coil. Kế đến hai trong số những cấu trúc dimer này đối nhau theo sắp xếp đối song song để tạo nên protein bốn phần gọi là một sợi proto (protofilament). Tám sợi proto tạo nên sắp xếp bên bị xoắn lại tạo thành sợi (filament) kiểu dây thừng. Những sợi này có thể bị bó lại hoặc tách ra linh hoạt, tức là những thay đổi về độ dài của sợi phụ thuộc vào tỷ lệ cạnh tranh của việc bỏ hay thêm sợi.

Nhiễm sắc thể

nhỏ|200x200px|Nhân [[nguyên bào sợi của chuột có DNA được nhuộm xanh. Những vùng nhiễm sắc thể riêng biệt của nhiễm sắc thể số 2 (đỏ) và nhiễm sắc thể số 9 (xanh lục) được nhuộm bằng kỹ thuật lai huỳnh quang tại chỗ.]] Nhân tế bào chứa đa số vật liệu di truyền của tế bào theo dạng nhiều phân tử DNA tuyến tính được tổ chức thành thành các cấu trúc gọi là nhiễm sắc thể. Mỗi tế bào ở người chứa khoảng hai mét DNA. Vùng dị nhiễm sắc là dạng DNA đặc hơn và chứa DNA ít được phiên mã. Cấu trúc này được phân loại thành vùng dị nhiễm sắc ngẫu nhiên, gồm các gen được tổ chức thành dị nhiễm sắc chỉ ở những loại tế bào hoặc giai đoạn phát triển nhất định, và vùng dị nhiễm sắc cơ định gồm các thành phần cấu trúc nhiễm sắc thể như telomere và tâm động. Ở kỳ trung gian, chất nhiễm sắc tự tổ chức thành các mảng riêng lẻ rời rạc, gọi là vùng nhiễm sắc thể. Những gen hoạt động (thường có ở vùng nguyên nhiễm sắc của nhiễm sắc thể) có xu hường nằm ở phía ranh giới vùng nhiễm sắc thể.

Những kháng thể chống lại các loại tổ chức chất nhiễm sắc nhất định (mà cụ thể là nucleosome) có liên quan tới một số bệnh tự miễn, chẳng hạn như lupus ban đỏ hệ thống. Chúng được gọi là kháng thể kháng nhân (ANA) và còn được xem là có liên quan tới bệnh đa xơ cứng nằm trong rối loạn hệ miễn dịch chung.

Nhân con

nhỏ|200x200px|[[Ảnh hiển vi|Ảnh chụp hiển vi điện tử một nhân tế bào, chỉ ra nhân con được nhuộm màu tối]] Nhân con là cấu trúc lớn nhất trong số các cấu trúc không màng, dày đặc, rời rạc và được nhuộm màu, gọi là thể nhân nằm ở nhân. Nó hình thành quanh các đoạn lặp liên tiếp của rDNA, mã hóa DNA cho RNA ribosome (rRNA). Những vùng này gọi là vùng tổ chức nhân con (NOR). Vai trò chính của nhân con là tổng hợp rRNA và lắp ráp ribosome. Sự gắn kết cấu trúc của nhân con phụ thuộc vào hoạt độ của nó, vì lắp ráp ribosome ở nhân con dẫn tới liên kết tạm thời các thành phần nhân con, và dẫn tới nhiều liên kết hơn nữa. Các quan sát hỗ trợ cho mô hình này cho thấy việc vô hiệu rDNA dẫn đến trộn lẫn các cấu trúc nhân con.

Ở bước đầu tiên của lắp ráp ribosome, một protein gọi là RNA polymerase I phiên mã rDNA, tạo thành tiền thân của đại tiền rRNA. Nó được tách thành hai tiểu đơn vị rRNA lớn – 5.8S và 28S, cùng tiểu đơn vị rRNA nhỏ 18S. Phiên mã, xử lý hậu phiên mã và lắp ráp rRNA diễn ra ở nhân con nhờ sự hỗ trợ của các phân tử RNA nhân con nhỏ (snoRNA), một vài trong số chúng có nguồn gốc từ các intron cắt nối từ RNA thông tin mã hóa gen liên quan tới chức năng ribosome. Tiểu đơn vị lắp ghép ribosome là những cấu trúc lớn nhất đi qua lỗ nhân. tại đây nó tạo một phức hợp ức chế phiên mã bằng protein nhân để giảm biểu hiện gen liên quan đến đường phân.

Nhằm kiểm soát gen được phiên mã, tế bào tách một vài protein yếu tố dịch mã chịu trách nhiệm điều hòa biểu hiện gen khi tiếp xúc vật lý với DNA, cho đến khi chúng được những con đường truyền tín hiệu khác kích hoạt. Thậm chí quá trình này còn ngăn cản các cấp độ thấp của biểu hiện gen không phù hợp. Ví dụ, ở trường hợp gen bị NF-κB-kiểm soát (chúng tham gia vào hầu hết các phản ứng viêm), phiên mã được kích hoạt để phản ứng với con đường truyền tín hiệu, chẳng hạn như con đường ấy được phân tử tín hiệu TNF-α khởi đầu, liên kết với thụ thể màng tế bào, dẫn tới việc huy động các protein tín hiệu rồi sau cùng kích hoạt yếu tố phiên mã NF-κB. Tín hiệu định vị nhân trên protein NF-κB tạo điều kiện cho yếu tố này được vận chuyển qua lỗ nhân và tiến vào nhân, rồi nó kích thích phiên mã của gen đích. mRNA nhân thực chứa các intron buộc phải bị xóa bỏ trước khi được dịch mã để tạo protein chức năng. Khâu tách intron được hoàn tất bên trong nhân trước mRNA có thể bị ribosome tiếp cận để dịch mã. Trong trường hợp không có nhân, ribosome dịch mã cho mRNA mới được phiên mã, dẫn tới protein bị biến dị và mất chức năng.

Biểu hiện gen

nhỏ|[[Nhà máy phiên mã trong khâu phiên mã, nhấn mạnh khả năng phiên mã nhiều gen cùng lúc. Sơ đồ gồm 8 RNA polymerase, tuy nhiên số lượng có thể khác nhau tùy theo loại tế bào. Hình ảnh còn đưa vào yếu tố phiên mã và một lỗ, lõi protein.]] Biểu hiện gen lần đầu tham gia phiên mã, trong đó DNA được dùng làm khuôn để tạo RNA. Ở trường hợp gen mã hóa protein - mà sản phẩm do RNA tạo ra từ quá trình này là RNA thông tin (mRNA), sau đấy nó cần được ribosome dịch mã để tạo protein. Vì ribosome nằm ngoài nhân, sản phẩm RNA cần phải xuất khẩu.

Vì nhân là nơi phiên mã, nó còn chứa hàng loạt protein trực tiếp điều hòa phiên mã hoặc tham gia vào điều hòa quá trình. Những protein này gồm có helicase (chất tháo gỡ phân tử DNA sợi đôi để tạo điều kiện tiếp cận nó), RNA polymerase (chất liên kết với promoter DNA để tổng hợp phân tử RNA đang phát triển), topoisomerase (chất thay đổi lượng DNA siêu xoắn, giúp nó cuốn lại và tháo gỡ), cũng như hàng loạt yếu tố phiên mã điều hòa biểu hiện.

Xử lý tiền mRNA

Phân tử mRNA mới tổng hợp được gọi là phiên mã sơ cấp hay tiền mRNA. Chúng phải trải qua điều chỉnh sau phiên mã ở nhân trước khi được vận chuyển ra tế bào chất; mRNA xuất hiện ở tế bào chất mà không cần những điều chỉnh này bị phân hủy thay vì sử dụng để dịch mã protein. Ba điều chỉnh chính là gắn "mũ" ở đầu 5', gắn "đuôi" polyadenyl (PolyA) ở đầu 3' và cắt ghép RNA. Trong khi ấy ở nhân, tiền mRNA liên kết với hàng loạt protein ở các phức hợp gọi là hạt ribonucleoprotein không đồng nhất (hnRNPs). Việc gắn "mũ" ở đầu 5' diễn ra ở khâu đồng phiên mã là bước đầu tiên ở khâu điều chỉnh sau phiên mã. Đuôi 3' poly-adenine chỉ được thêm vào sau khi phiên mã được hoàn tất.