Triploidsus

Triploidsus on liigiomase kromosoomikomplekti kolmekordsus indiviidi (raku) kromosoomistikus.

Polüploidsus

Polüploidsus (inglise polyploidy) on indiviidi (raku) kromosoomikomplektide paljukordsus; haplofaasis (sugurakkudes) on kromosoomikomplekte rohkem kui üks (n > x) ja diplofaasis (viljastatud munarakkudes) rohkem kui kaks, tähistatakse (2n > 2x).

Polüploidsuse astet määratletakse diplofaasi kromosoomistiku kordsuse kaudu. Nõnda saab tuletada tri-, tetra-, heksa-, oktaploidsust ja nii edasi.

Polüploidsus on laialt levinud taimeriigis, loomariigis harva. Inimesele on polüploidsus reeglina surmav. Üliharva on sündinud ka triploidsusega lapsi.

Nähtust, kus ainult osa organismi (näiteks mõne koe või elundi) rakkudest on polüploidsed, nimetatakse polüsomaatiaks. See on paljude organismide (kaasa arvatud inimese) puhul normaalne nähtus.

Haplodiploidsus

Haplodiploidsus (inglise haplodiploidy) tähendab, et ühe soo organismidel on haploidsed rakud ja teisel sool diploidsed rakud.

Kõige sagedamini on isastel haploidsed rakud ja emastel diploidsed rakud (kuid võib olla ka vastupidi). Sellistel liikidel on isased arenenud viljastamata munadest ja emased viljastatud munadest. Haplodiploidsust on leitud putukate hulgast, eriti sipelgate, mesilaste ja herilaste seast.

Ploidsus

Ploidsus (inglise ploidy) on samatüübiliste ehk homoloogiliste kromosoomide või liigiomaste kromosoomikomplektide kordsus indiviidi (raku) kromosoomistikus.

Enamiku eukarüootsete organismide elutsüklis vahelduvad kahekordselt erinevad ploidsusfaasid – gameetne haplofaas ja sügootne diplofaas.

Lähte kromosoomikomplekti arvu organismis kutsutakse monoploidsuse arvuks, mida tähistatakse "x"-ga. Rakkude ploidsus võib muutuda organismis. Inimesel on valdav osa rakke diploidsed (üks kromosoomikomplekt pärineb emalt ja teine isalt), aga sugurakud (spermid ja munarakud) on haploidsed.

Haplo- ja diploidsuse vahepealne juht on haplodiploidsus, mille korral ühe soo organismidel on haploidsed rakud ja teisel sool diploidsed rakud. Kõige sagedamini on isastel haploidsed rakud ja emastel diploidsed rakud.

Lisaks nendele kolmele ploidsuse tüübile võib kromosoomikomplekt olla mitmes kordsuses (üle kahe; polüploidsus)), ebavõrdses kordsuses (aneuploidsus) või võrdkordsuses (euploidsus).

Euploidsus

Euploidsus (inglise euploidy) on kromosoomistiku võrdkordsus, genoomi kõigi kromosoomide (erandiks võivad olla sugukromosoomid) võrdne arv indiviidil (rakus).

Euploidsuse vastand on aneuploidsus.

Genoom

Genoom on ühes liigiomases kromosoomikomplektis (haploidne kromosoomistik) sisalduv geneetiline materjal. Genoomi iseloomustatakse kromosoomide arvu ja tüüpide, DNA koguse, DNA nukleotiidjärjestuse tüüpide, geenide arvu ja vastastikuse paiknemise ja teiste taoliste tunnuste kaudu.

Inimese genoomi moodustavad 24 kromosoomi: 22 autosoomi ja 2 gonosoomi, X ja Y. Inimese haploidne (sugurakkude) genoom koosneb seega 23-st kromosoomist; keharakud (somaatilised rakud) on aga diploidsed, st neis on 46 kromosoomi. Igas organismi diploidses rakus (välja arvatud punastes verelibledes) sisaldub kaks kogu organismi genoomi.

Genoomi mõistet kasutatakse ka rakuorganellide geneetilise struktuuri tähistamiseks, näiteks mitokondrigenoom ja 

plastiidigenoom.

Genoommutatsioonid

Genoommutatsioonid tähendavad indiviidi normaalse liigiomase kromosoomistiku arvuline muutus, kas kogu kromosoomikomplekti kordne muutus

1. euploidsus
2. polüploidsus

või üksikute kromosoomide arvu muutus

1. aneuploidsus

Genoommutatsioonid on omased lihtsamatele organismidele, peamiselt taimed ja seened. Loomadel esineb g-mutatsioone harvem ja nende olemus on piiratud. Mõned autosoomid võivad esineda 3-kordsuses. Sugukromosoomide arvu muutusega võib esineda naistel (X, XXX, XXXX jne), meestel (XYY, XXY, XXXY)

Genoommutatsioonide tekkepõhjused

• Endomitoos
• Viljastumisel osaleb diploidne gameet
• Ristuvad erineva kromosoomi arvuga vanemad
• Häired meioosis

Levinud on ka inimeste poolt tahtlikult muudetud taimede kromosoomide üldarvu muutus, nn polüploidid. See põhjustab teatud taimedel saagikuse suurenemist.

Geeni avaldumine

Geeniekspressioon ehk geeni avaldumine ehk geeni ekspressioon on organismi geneetilise info avaldumine – protsess, mille käigus geenides sisalduv pärilik materjal avaldub RNA või valguna. Kitsamalt on see mingi konkreetse geeni põhjal läbi erinevate vaheetappide valgu sünteesimine.

Geeniekspressioonil on kolm olulisemat etappi: geenist mRNA jäljendi loomine ehk transkriptsioon; mRNAst mittevajalike osade – intronite väljalõikamine ehk splaising; mRNA põhjal ribosoomides valguahela sünteesimine ehk translatsioon.

Ekspressiooni mehhanismid

Geeni ekspressiooni algsaadus on DNA, vahesaadus RNA ja lõppsaadus on valk.

Transkriptsioon on RNA süntees DNA maatritsilt.

Translatsioon on ribosoomides mRNA põhjal valguahela süntees.

Ekspressiooni regulatsioon

Organismi erinevate rakkude DNA on üldjuhul identne. Kuid kui võrrelda omavahel ühe organismi erinevaid rakutüüpe, siis on raske uskuda, et nii erinevad rakud võivad sisaldada täpselt samasuguseid geene. Bioloogid arvasidki algselt, et diferentseerumise käigus kaotab rakk selektiivselt osa oma geenidest. Tänapäeval on selgunud, et rakkude diferentseerumine on üldjuhul hoopis geenide valikulise ekspressiooni tulemus. Hulkrakses organismis esinev rakutüüpide mitmekesisus on põhjustatud sellest, et rakkude samasuguselt DNA-lt sünteesitakse erinevates rakkudes erinevaid RNA ja valkude molekule.

Informatsioon DNA-lt valguni kandub mitme etapina, kõiki neid etappe on võimalik reguleerida. Rakk võib oma aktiivsete valkude tootmist kontrollida järgmistel viisidel:

• kontrollides, kui sageli ja millal transkribeeritakse vastavat geeni – kontroll transkriptsiooni tasemel
• kontrollides, kuidas toimub primaarse transkripti splaising või mõni muu modifikatsioon – kontroll RNA protsessingu tasemel
• kontrollides, milliseid tuumas toodetud mRNA molekule viiakse tsütoplasmasse, kus toimub valkude süntees – kontroll RNA transpordi tasemel
• kontrollides, milliste tsütoplasmas leiduvate mRNA molekulide kaasabil toodetakse ribosoomides valke – kontroll translatsiooni tasemel
• selektiivselt lagundades mõnesid mRNA molekule tsütoplasmas – kontroll mRNA degradatsiooni tasemel
• selektiivselt aktiveerides või inaktiveerides toodetud valke või transportides neid erinevatesse raku osadesse – posttranslatsiooniline kontroll

Geeni ekspressiooni reguleerimine annab rakule kontrolli struktuuri ja funktsiooni üle, see on raku diferentseerumise, morfogeneesi, paindlikkuse ja kohastumise aluseks.

Organell

Organell on eri talitlusega rakuosa, mis on ümbritsetud sisemembraaniga. Organellid on näiteks mitokondrid, kloroplastid, plastiidid. Organelle leidub kõigi eukarüootide rakkudes. Prokarüootidel organellid enamasti puuduvad. Organellid on arvatavasti endosümbiootilise päritoluga.

Lisaks organellidele on rakkudes muid spetsialiseeritud talitlusega osi, mida nimetatakse organoidideks ja mis pole rakutaolise ehitusega. Sellised on näiteks viburid, vakuoolid, ribosoomid ja teised.

Histoonid

Histoonid on väiksed aluselised valgud (koosnevad 102–135 aminohappest), mida leidub eukarüootide tuumas. Need on põhilised kromatiini valgud, mille ümber keerdub DNA ja need mängivad suurt rolli geenide regulatsioonis. Histoonide funktsiooniks on osaleda DNA kokkupakkimisel, et viimane mahuks rakutuuma. Näiteks inimese iga rakk sisaldab lahtikeeratult umbes 1,8 meetrit DNA-d, aga kui DNA keerdub histoonide ümber, siis moodustunud kromatiini suurus on umbes 90 mikromeetrit.

Skemaatiline joonis, mis näitab, kuidas nukleosoomsed histoonid moodustavad nukleosoomi

Klassifikatsioon

Viis peamist histooni on H1/H5, H2A, H2B, H3 ja H4. Nukleosoomsed histoonid on H2A, H2B, H3 ja H4. H1 ja H5 nukleosoomide vahelise alaga seonduvad histoonid. Nukleosoomi südamiku moodustavad nukleosoomsed histoonid, mida leidub nukleosoomis igat molekuli 2 eksemplari, seega on nukleosoomi südamikus kokku 8 histooni molekuli. Ümber nukleosoomi südamiku kerdub 147 aluspaari pikkune DNA lõik 1,65 korda. Kahe nukleosoomi vahele jääb DNA lõik (5,9 – 7 nm) kuhu seondub histoon H1, mis vastutab DNA pakkimise eest kõrgemat järku struktuuridesse. Histoonide abil kokku pakitud DNA struktuuri nimetatakse kromatiiniks. Kromatiinis on nukleosoomidega DNA pakitud fiibriks, mille läbimõõt on 0,3 mikromeetrit.

Nukleosoomi struktuur

Nukleosoomi südamiku moodustavad kaks H2A-H2B dimeeri ja H3-H4 tetrameer, need kaks dimeeri ja tetrameer moodustavad omavahel peaaegu sümmeetrilised osad. Neljal südamikuhistoonil on suhteliselt sarnane struktuur ja nad on evolutsiooni käigus tugevalt konserveerunud. Kasutades elektronide paramagneetilise resonantsi spinnide märgistamise tehnoloogiat, mõõtsid Briti teadlased nukleosoomide vaheline kauguse, mis on 59 – 70 Å. On olemas viit tüüpi histoon-DNA interaktsioone:

• Heliks-dipool, mis tekib α-heeliksis, DNA, H2B,H3 ja H4 vahel. See interaktsioon põhjustab positiivse laengu kogunemine negatiivselt laetud fosfatrühma kõrval.
• Vesinikside DNA ja histoonide amiidirühma vahel.
• Mittepolaarne interaktsioon histooni ja DNA desoksüriboosi vahel.
• Elektrostaatiline vastastikmõju ja vesinikside aluselise aminohappe (eriti lüsiin ja arginiin) ja DNA fosfaatrühma vahel.
• Mittespetsiifiline H3 ja H2B N-terminaalsete sabade seondumine DNA molekuli väikese vaoga.

Histoonid läbivad post-translatsioonilisi modifikatsioone, millest enamik toimub nende N-terminaalsetel sabadel. Histoonidel esineb erinevaid post-translatsioonilisi modifikatsioone, millest levinumad on metüleerimine, atsetüleerimine, forsforüleerimine, sumoüleerimine, ubikvitineerimine, ADP-ribosüleerimine. Need protsessid osalevad geenide regulatsioonis.

Ajalugu

Histoonid avastas 1884. aastal Albrecht Kossel. Kuni 1990-ndate alguseni arvati, et histoonid on eukarüotse DNA pakkematerjal, sest sel ajal usuti, et transkriptsiooni aktiveerib valk-DNA ja valk-valk interaktsioon koos palja DNAga, nagu bakteris. Michael Grunstein näitas 1980ndatel pärmirakkudega töötades, et eukarüootsed histoonid represseerivad geenide transkriptsiooni ja transkriptsiooni aktivaatorite funktsioon on ületada see repressioon. Tänapäeval teame, et histoonidel on geeniekspressioonis nii positiine kui ka negatiivne roll.

Funktsioon

Post-translatsioonilised modifikatsioonid

Post-translatsioonilised modifikatsioonid mõjutavad histoonide interaktsioone DNA ja tuuma valkudega. Histoonidel H3 ja H4 on pikad sabad, mis ulatuvad nukleosoomist välja ja mida saab mitmest kohast kovalentselt modifitseerida. H2A, H2B ja H3 histoonide puhul on võimalik ka histooni tuumas asuvate aminohapete modifitseerimine. Samal ajal võib toimuda ühel histoonil/nukleosoomil mitu modifikatsiooni ja need kombinatsioonid moodustavad niinimetatud histooni koodi. Erinevad modifikatsioonid mängivad suurt rolli geenide regulatsioonis, DNA reparatsioonis, kromosoomi kondensatsioonis (mitoos) ja spermatogeneesis (meioos). Histoonide modifikatsioonide kirjeldamiseks kasutatav nomenklatuur:

• Histooni nimi (H3, H4, H2A, H2B, H1)
• Aminohappejäägi nime tähistamiseks kasutatakse suurt tähte (näiteks K-lüsiin) ja number selle järel näitab aminohappejäägi positsiooni valgus.
• Modifikatsiooni tüüp (Me: metüülrühm, P: fosfaatrühm, Ac: atsetüülrühm, Ub: ubikvitiin)
• Modifikatsioonide arv (ainult metülatsiooni kohta: 1,2 või 3 – mono-, di-, tri-metülatsioon)

Histoonide modifikatsioonid transkriptsiooni regulatsioonis:

Modifikatsioonide tüüp	Histoonid
	H3K4	H3K9	H3K14	H3K27	H3K79	H4K20	H2BK5
mono-metülatsioon	aktivatsioon	aktivatsioon	aktivatsioon		aktivatsioon[11][12]	aktivatsioon[11]	aktivatsioon[11]
di-metülatsioon		repressioon		repressioon	aktivatsioon[12]
tri-metülatsioon	aktivatsioon	repressioon		repressioon	aktivatsioon,[12] repressioon[11]		repressioon[13]
atsetülatsioon		aktivatsioon	aktivatsioon

Geenide transkriptsioon

Aktiivse transkriptsiooniga seostatakse tavaliselt kaht histoonide modifikatsiooni:

• H3K4Me3 (histooni H3 lüsiini 4 trimetülatsioon) aktiivsete geenide promootoris.

H3K4 trimetülatsiooni viib läbi COMPASS kompleks. Vaatamata selle kompleksi säilitamisele, ei ole täiesti selge, mis rolli see modifikatsioon mängib transkriptsioonis. See on siiski hea aktiivse promootori märk ja selle histooni modifikatsiooni tase geeni promootoralas on korrelatsioonis geeni transkriptsiooni aktiivsusega.

• H3K36Me3 (histooni H3 lüsiini 36 trimetülatsioon) aktiivse geeni kodeerivas alas.

H3K36 trimetülatsioon toimub tänu ensüümile metüültransferaas SET2. See valk seostub RNA polümeraas II ja H3K36Me3 tähistab aktiivset geeni traskribeerimist. H3K36Me3 märgise tunneb ära Rpd3 histooni deatsetülaasi kompleks, mis eemaldab atsetüülgrupid ümbritsevatelt histoonidelt, aidates seeläbi kromatiini kokku pakkida ning takistab transkriptsiooni algatamist valest kohast. Kromatiini pakkumine takistab transkriptsioonifaktorite juurdepääsu DNA-le ja vähendab uue transkriptsioonitsükli algamise tõenäosust. See protsess aitab seega tagada, et transkriptsioon ei katke.

Geenide represseerimine

Geenide represseerimisega seostatakse tavaliselt kolme histoonide modifikatsiooni:

• Histooni H3 lüsiin 27 trimetülatsioon (H3K27Me3)
• Histoonide H3 lüsiin 9 di- ja trimetülatsioon (H3K9Me2/3)

H3K9Me2/3 on heterokromatiini iseloomustav märge ning see modifikatsioon on tugevalt seotud geeni repressiooniga. Heterokromatiini moodustumist on kõige põhjalikumalt uuritud pärmis Schizosaccharomyces pombe. H3K9Me2/3 toimib seondumise kohana Sw6-le (heterokromatiin 1 või HP1, teine klassikaline heterokromatiini marker), mis omakorda põhjustab repressiooni, olles signaaliks histooni modifikaatoritele, nagu histoonide deatsetülaas ja histoonide metüültransferaas.

• Histooni H3 lüsiin 20 trimetülatsioon (H4K20Me3)

See modifikatsioon on tihedalt seotud heterokromatiiniga, aga selle funktsionaalne tähtsus on siiani ebaselge.

Bivalentsed promootorid

Histoonide modifikatsioonide analüüs embrüonaalsetes tüvirakkudes (ja teistes tüvirakkudes) näitas, et paljude geenide promootorid omavad nii H3K4Me3 kui ka H3K27Me3 modifikatsioone. Teiste sõnadega on promootoritel üheaegselt nii transkriptsiooni aktivatsiooni kui ka repressiooni toetavad histoonide modifikatsioonid. See omapärane kombinatsioon tähistab geene, mis on tasakaalus transkriptsiooniks. Need modifikatsioonid pole vajalikud tüvirakkudele, kuid äärmiselt vajalikud pärast diferentseerumist. Kui rakud hakkavad diferentseeruma, siis bivalentsete promootorite aktivatsiooni või repressiooni kaudu toimub rakkude tüübi määramine. Vastavalt keskkonnast tulevatele signaalidele toimub teatud geenide aktivatsioon või repressioon.

Teised funktsioonid

DNA kahjustus

• Histooni H2AX seriin 139 fosforülisatsioon

Fosforüleeritud H2AX (gamma H2AX) on DNA kaheahelalise kahjustuse marker. H2AX fosforüleeritakse kohe pärast DNA ahelate katke tuvastamist. Siis moodustatakse pikendatud domeen (palju kilobase) kahjustamise kohast mõlemal pool. Gamma H2AX toimib seondumise kohana valku MDC1-ks, mis omakorda värbab DNA parandamises osalevad valgud. Seega moodustab gamma H2AX olulise osa DNA reparatsiooni mehhanismis, mis tagab genoomi stabiilsust.

• Histoonide H3 lüsiin 56 atsetülatsioon (H3K56Ac)

H3K56Ac on vajalik genoomi stabiilsuse tagamiseks. H3K56 atsetüleerib p300/Rtt109 kompleksi. H3 K56 deatsetüleeritakse kiiresti piirkonnas, kus esineb DNA kahjustus. H3K56 atsetülatsioon on vajalik ka replikatsioonikahvlite stabiliseerimiseks.

Rakutuum

Rakutuum on kahekihilise membraaniga ümbritsetud rakuorganell, mis esineb tsütoplasmas vaid eukarüootidel. Rakutuum hõlmab umbes 10% raku kogu ruumalast ja sinna on koondunud peaaegu kogu rakus olev geneetiline materjal. Tuumas sisalduv DNA on tihedalt kokku pakitud histoonide abil ja moodustab kromosoomi. Rakutuuma ülesandeks on säilitada ja edasi anda geneetilist materjali ning kontrollida raku elutegevust läbi geeniekspressiooni. Rakutuuma katab tuumaümbris, mille välimine membraan on ühenduses tsütoplasmavõrgustikuga. Sisemist membraani toetavad seestpoolt tuuma lamiinid. Sisemise ja välimise tuumamembraani vahele jääb perinukleaarne ruum. Tuumamembraani läbivad teatud vahemike järel tuuma poori kompleksid, mis reguleerivad karüoplasma ja tsütoplasma vahelist transporti. Kompleksi suudavad passiivse transpordi teel läbida ioonid ja väikesed molekulid ning aktiivse transpordi abil suuremad molekulid. Tuumas esineb ka erinevaid intranukleaarseid kehi, millest tähtsaim ja ka mikroskoobis enim märgatav on tuumake. Tuumakese peamine ülesanne on ribosoomi subühikute moodustamine rRNA-st ja valkudest.

Loomarakk. 1. Tuumake 2. Rakutuum 3.Ribosoom 4. Vesiikul 5. Karedapinnaline tsütoplasmavõrgustik 6. Golgi kompleks 7. Tsütoskelett 8. Siledapinnaline tsütoplasmavõrgustik 9. Mitokonder 10. Vakuool 11. Tsütosool 12. Lüsosoom 13. Tsentriool

Ajalugu

Ehitus

Loomorganismides on tuum kõige suurem rakusisene organell. Imetajate rakkudes on tuuma läbimõõt keskmiselt 6 mikromeetrit (μm). Rakutuum sisaldab karüoplasmat, mis on tsütoplasmasarnane viskoosne vedelik.

Tuumaümbris ja poorid

Tuumaümbris, mida teatakse ka tuumamembraani nime all, koosneb kaksikmembraanist, kus need on üksteisega paralleelsed ja asetsevad teineteisest 10–50 nanomeetri (nm) kaugusel. Tuum on täielikult ümbritsetud tuumamembraaniga, mis eraldab geneetilist materjali tsütoplasmast ja kaitseb makromolekulide sissetungimise eest tsütoplasmast karüoplasmasse.

Tuumapoorid

Tuumaümbrist läbistavad teatud vahemaade tagant umbes 100 liiki valkudest (selgroogsetel) koosnevad tuuma poori kompleksid (nuclear pore complex – NPC). Keskmiselt on imetajatel rakutuumas 3000–4000 poori. Kompleksi moodustavaid valke nimetatakse ka nukleoporiinideks. NPC-d omavad oktagonaalset sümmeetriat ning sellise kompleksi molekulmass on umbes 125 miljonit daltonit. Poori läbimõõt on keskmiselt 100 nm. Kanali sisemine läbimõõt on selles oleva regulatoorse süsteemi tõttu vaid 9 nm. Seetõttu ei saa makromolekulid ilma aktiivse transpordi abita tsütoplasmast tuuma liikuda.

Rakutuumas sünteesitakse suurel hulgal erinevaid makromolekule (ribosoomide subühikud, mRNA, tRNA), mis talitlevad tsütoplasmas. Samas moodustatakse tsütoplasmas erinevaid valke (DNA- ja RNA-polümeraase, geenide regulaatorvalke), mis peavad lõpuks jõudma rakutuuma. Üks ja seesama tuumapoor on võimeline molekule transportima mõlemasuunaliselt.

Valkude transport läbi tuumapoori

Selleks, et makromolekulid (molekulmassiga üle 60 000 Da) saaksid liikuda tuuma ja tsütoplasma vahel, on vajalikud tuuma poori kompleksid, aktiivse transpordi läbiviimine ning teatud signaalide olemasolu, mis lubaks transporti läbi viia. Lisaks on vajalik ka teatud temperatuur ja ATP energia olemasolu. Passiivse difusiooni teel saavad tuumapoorist läbi liikuda vaid ioonid ja väikesed valgu molekulid (molekulmass alla 5000 Da).

Importiiniks kutsutaks üht valku viiest, mis tunneb ära NLS-järjestusega karüofiilse valgu ning seob selle tuumapoori valkudele. Valkude pääsemiseks läbi tuumapoori karüoplasmasse on vajalik teatud aminohappeline (AH) järjestus, mis sisaldab tavaliselt Arg-i ja Lys-i. Sellist AH järjestust nimetatakse nukleaarse lokalisatsiooni signaaliks (NLS), see on lühike 5–12 AH-d sisaldav järjestus. Esineb kaht peamist tüüpi NLS: kas lühikesed nelja- kuni seitsmealuselisest aminohappest koosnevad järjestused või pikemad kaheosalised NLS-id, mis koosnevad kahest aluseliste aminohapete plokist, mida eraldab umbes kümme aminohapet.

Ka valkude transpordiks tuumast tsütoplasmasse on vajalikud teatud signaaljärjestused, kuid neid kutsutakse NES (nuclear export signal) signaalideks. NES-signaaljärjestuses on vajalikud hüdrofoobsed aminohapped (Leu ja Ile), mis esinevad teatud kindlas asetuses. Enamik valke, mis sisaldavad NLS-signaali, sisaldavad ka NES-signaaljärjestust, sest valke, mida tuumas enam vaja ei ole, ei ole võimalik tuumas lagundada ja sellised valgud tuleb transportida tagasi tsütoplasmasse.

Tuumake

Raku tuum elektronmikroskoobi all, kus tuumake on värvunud tumedaks

Tuumakeseks nimetatakse tuumas asetsevat häguste piiridega eristatavat moodustist, millel puudub membraan. Tuumake moodustub tuumakese organisaatorpiirkonna (NOR) ümber, see on koht kromosoomis, mis sisaldab rRNA e ribosomaalse RNA geene. NOR-id paiknevad kromosoomi lühikeste õlgade otstes. Tuumakese peamiseks ülesandeks on rRNA süntees ja ribosoomi subühikute moodustamine. Inimesel esineb diploidses rakus 10 NOR-i ja neis paikneb tihedalt koos umbes 200 rRNA geeni. Kui teoreetiliselt võiks tuumas esineda 10 tuumakest, siis tavaliselt moodustavad nad tihedalt koos ühe suure tuumakese. Ka ei toimu kõigilt geenidelt samaaegne rRNA transkriptsioon ning seetõttu on tuumakesi vähem nähtaval.

Elektronmikroskoopiliselt on võimalik eristada tuumakeses 3 piirkonda: 1. tihe fibrillaarne komponent, mis sisaldab sünteesitavat RNA-d; 2. granulaarne komponent, mis sisaldab formeeruvaid ribosoomi partikleid; 3. fibrillaarne tsenter, mis sisaldab DNA-d mida parasjagu ei transkribeerita.

Tuumakese suurus oleneb sellest, kui suures mahus toimub transkriptsioon. Rakkudes, kus toimub intensiivne valkude süntees, võib tuumake hõivata tuuma ruumalast kuni 25%.

Esimese sammuna moodustatakse RNA polümeraas I abiga 45S pre-rRNA, millest edasise töötluse teel saadakse 4 erinevat rRNA-d (28 S, 5.8 S, 5S ja 18 S RNA), mis liidetakse, kas ribosoomi suure (60S) või väikese (40S) subühiku koosseisu.

Kromosoomid

 

Hiire raku tuum, kus DNA on värvitud siniseks. Kromosoom 2 (punane) and kromosoom 9 (roheline) kindlaks määratud alad tuumas, mis on värvitud

Enamik raku DNAst on koondunud kromosoomidesse, mis asetsevad rakutuumas. Igas inimese rakus on umbes 2 m DNAd. Suurema osa rakutsüklist on kromosoomid dekondenseerunud ning esineb valkude ja DNA kompleks, mida nimetatakse kromatiiniks. Mitoosi või meioosi ajal kromosoomid kondenseeruvad ja muutuvad nähtavaks valgusmikroskoobist vaadates. Metafaasi aegsete kromosoomide kuju, suurus ja arv määravad karüotüübi, mis on igale liigile iseloomulik. Interfaasi ajal ei paikne kromosoomid mitte juhuslikult, vaid neil on oma kindlad territooriumid. Kromosoomi osad, millelt toimub aktiivne transkriptsioon, võivad oma kohalt nihkuda. Väike hulk DNA-st on koondunud ka mitokondrisse.

Kromatiini saab jagada vastavalt oma ehitusele 2 alatüübiks. Kromatiini osa, mis on nähtav valgusmikroskoobis, nimetatakse eukromatiiniks. Eukromatiin sisaldab geene, mida transkribeeritakse tihedamini ning seetõttu paikneb eukromatiin ka hajusamalt ja tuuma keskel. Kromatiini piirkond, kus DNA on rohkem kokkupakitud, nimetatakse heterokromatiiniks. Heterokromatiin sisaldab vähesel määral geene. Peamiselt koosneb ta kõrgelt korduvatest DNA järjestustest, mis vastutavad kromosoomi struktuursete osade nagu telomeeride ja tsentromeeride moodustamise eest. Seetõttu nimetatakse seda osa kromatiinist ka konstitutiivseks heterokromatiiniks. Kuna heterokromatiini aladelt ei toimu tihedat traskriptsiooni, siis paikneb see peamiselt membraani läheduses.

Tuuma funktsioon

Tuuma peamiseks ülesandeks on geeni ekspressiooni, DNA replikatsiooni reguleerimine ja kontroll. Tuum võimaldab hoida eukarüootidel DNA replikatsiooni ja RNA transkriptsiooni eraldatud tsütoplasmas olevast translatsioonist. See võimaldab prokarüootidest efektiivsemat geeni regulatsiooni.

Geeni ekspressioon

Geeni ekspressiooni esimene etapp on transkriptsioon, mille käigus DNA ahela abil sünteesitakse RNA ahel. Selle tulemusena moodustub mRNA, mis peab läbima translatsiooni, et moodustuks valk. Enne translatsiooni algust peab mRNA liikuma tuumast tsütoplasmasse.

Tuum sisaldab transkriptsiooni läbiviimiseks vajalikke valke, näiteks helikaasi, RNA polümeraasi ja topoisomeraasi, lisaks veel erinevaid traskriptsioonifaktoreid. Helikaas vastutab DNA kaksikahela lahtikeeramise eest, et RNA polümeraas saaks sellele kinnituda. RNA polümeraas sünteesib kasvavat RNA molekuli. Topoisomeraas keerab DNA ahelat lahti ja kinni.

Pre-mRNA töötlus

Transkriptsiooni tulemusel saadakse pre-mRNA. Seejärel peab see läbima töötluse tuumas, mille käigus saadakse mRNA, mis saab liikuda tsütoplasmasse. Kui mRNA ei läbi vajalikke modifikatsioone, siis selline mRNA lagundatakse tsütoplasmas ning seda ei kasutata translatsiooniks.

Kolm peamist töötluse etappi on 1) 5-otsa7-metüülguanosiini mütsi lisamine, mis on töötluse esimene etapp 2) 3-otsapol(A)saba lisatakse pärast transkriptsiooni lõppu 3) RNA splaissimine, mille käigus splaissosoom eemaldab intronid ning liidab kokku järelejäänud eksonid. Imetajate geenides on aga võimalik eksone ühendada alternatiivse splaissingu abil mitut moodi. Sel juhul on ühelt pre-mRNAlt võimalik saada erinevaid produkte.

Mitme tuumaga ja tuumatud rakud

Inimese punased vererakud nagu ka teiste imetajate punased vererakud on tuumatud

Kuigi enamikul rakkudest esineb vaid üks tuum, on eukarüootide hulgas ka rakutüüpe, mis on tuumatud või hulktuumsed. Tuumatud rakud on näiteks imetajate küpsed punased vererakud e erütrotsüüdid, mis ei sisalda ka mitokondreid. Samas võib tuuma puudumine olla ka vigase rakujagunemise tagajärg. Tuumatud rakud ei ole võimelised jagunema.

Hulgituumsed rakud on enamikul Acantharia liikidel ja mükoriisadel. Kaks tuuma raku kohta on aga sooleparasiitidel Giardiatel. Arengu käigus on hulktuumsed ka inimese skeletilihaseid moodustavad rakud