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In order to investigate the DNA localization within Ehrlich tumor cell nucleoli during mitosis, two recent immunocytochemical methods using either an anti-DNA or an anti-bromodeoxyuridine (BrdU) monoclonal antibody have been applied. In both cases, the immunogold labeling has been performed on ultrathin sections of cells embedded either in Lowicryl K4M or in Epon, respectively. Identical results are observed with both immunocytochemical approaches. In the interphase nucleolus, besides the labeling of the perinucleolar chromatin shell and of its intranucleolar invaginations which penetrate into the nucleolar body and often terminate at the fibrillar centers, a few gold particles are also preferentially found towards the peripheral region of the fibrillar centers. In contrast, the dense fibrillar component and the granular component are never labeled. During mitosis, the fibrillar centers persist at the chromosomal nucleolus organizing regions (NOR's) and can be selectively stained by the silver method. However, these metaphase fibrillar centers are no longer decorated by the DNA- or BrdU antibodies. These results indicate that until the end of prophase, rRNA genes are present inside the fibrillar center material, disappear during metaphase and reappear in reconstituting nucleoli during telophase. Thus, fibrillar centers appear to represent structures sui generis, which are populated by rRNA genes only when the nucleolus is functionally active. In segregated nucleoli after actinomycin D treatment, the DNA labeling is exclusively restricted to the perinucleolar chromatin blocks. These findings also suggest that the DNA content of the fibrillar center material varies according to the rRNA transcription level of the cells. The results are discussed in the light of the present knowledge of the functional organization of the nucleolus.
Primary (giant) nuclei of the green algae Acetabularia mediterranea and A. major were studied by light and electron microscopy using in situ fixed material as well as manually isolated nuclear components. In addition, cytochemical reactions of nuclear structures and biochemical determinations of nuclear and cytoplasmic RNA and of genome DNA content were performed. The data obtained and the structures observed are interpreted as demonstralions of transcriptional activities of different gene classes. The most prominent class is the nucleolar cistrons of precursors of ribosomal RNA which occur highly repeated in clusters in the form of regularly alternating intercepts on deoxyribonucleoprotein axes of transcribed rDNA, the fibril-covered matrix units, and the fibril-free "spacer" segments. A description and a classification of the various structural complexes which seem to represent transcriptional activities is given. Quantitative evaluations of these arrangements are presented. The morphology and the dimensions of such structures are compared with the RNA molecular weight determinations and with the corresponding data reported from various animal cell systems. It is suggested that the formation of the giant nucleus is correlated with, and probably due to, an enormous amplification of transcriptionally active rDNA and packing of the extrachromosomal copies into the large nucleolar aggregate bodies.
In der vorliegenden Arbeit wurden Fusionsprodukte aus verschiedenen nukleolären Proteinen mit fluoreszierenden Proteinen (GFP und dsRed: rot fluoreszierendes Protein) in lebenden Zellen von Säugern und Xenopus laevis exprimiert und lokalisiert. Dadurch standen "Marker" für die drei Hauptkomponenten des Nukleolus zur Verfügung. Die dynamischen Eigenschaften dieser Fusionsproteine wurden quantitativ mit Hilfe von "Photobleaching"-Experimenten analysiert (FRAP: fluorescence recovery after photobleaching). Im einzelnen wurde durch die Untersuchung von RNA-Polymerase I der rDNA Transkriptionsort im fibrillären Zentrum des Nukleolus bestätigt. Die kinetischen Analysen von zwei pol I-Untereinheiten (RPA194 und RPA53) durch FRAP in transkriptionell aktiven und inaktiven Nukleoli erlaubten direkte Rückschlüsse auf die Transkriptionsdauer der rRNA-Gene in vivo. Die individuellen pol I-Untereinheiten bewegen sich rasch zwischen Nukleoplasma und Nukleolus und interagieren in den fibrillären Zentren mit dem rDNA-Promoter. Dann werden sie in produktive Transkriptionskomplexe integriert, die während der Elongationsphase, die bei Raumtemperatur etwa fünf Minuten dauert, stabil bleiben und erst nach der Termination dissoziieren. Zumindest ein Teil der Untereinheiten wandert anschließend in das Nukleoplasma. Die Ergebnisse widersprechen Modellen, welche die dichte fibrilläre Komponente als Transkriptionsort ansehen oder immobile RNA Polymerase I-Moleküle postulieren. Die Identifizierung des fibrillären Zentrums als rDNA-Transkriptionsort wurde durch die Koexpression der pol I-Untereinheiten mit Fibrillarin, einem Leitprotein der dichten fibrillären Komponente, ermöglicht. Durch die Expression der beiden Proteine als unterschiedlich fluoreszierende Fusionsproteine konnten die Orte der Transkription (die fibrillären Zentren) und die Orte der ersten Prozessierungsschritte, an denen Fibrillarin beteiligt ist (die dichte fibrilläre Komponente), in lebenden Zellen als direkt benachbarte, aber räumlich getrennte Kompartimente identifiziert werden. Die Rolle der granulären Komponente als Ort späterer Prozessierungschritte und Integration ribosomaler Proteine wurde durch die Expression von B23 und der ribosomalen Proteine L4, L5 und L10 verdeutlicht. Dabei wurde die nukleoläre Lokalisation von L10 erstmals belegt. In der Literatur wurde bisher angenommen, L10 würde erst im Cytoplasma mit Ribosomen assoziieren. Dies ist nicht der Fall, wie insbesondere Experimente mit Leptomycin B gezeigt haben. Diese Droge hemmt den CRM1-abhängigen Kernexport und führte zu einer deutlichen Akkumulation von L10-haltigen Präribosomen im Nukleoplasma von menschlichen Zellen. Schließlich sollte ein neues nukleoläres Protein von Xenopus laevis molekular charakterisiert werden, das mit verschiedenen Antikörpern in der granulären Komponente des Nukleolus lokalisiert wurde. Durch massenspektrometrische Analysen nach zweidimensionaler Gelelektrophorese wurden die Antigene überraschenderweise als Cytokeratin-Homologe identifiziert. Im Verlauf dieser Arbeit wurden drei bisher unveröffentlichte Cytokeratin 19 Isoformen von Xenopus kloniert, sequenziert und als GFP-Fusionsproteine exprimiert. Diese wurden allerdings wie reguläre Cytokeratine in cytoplasmatische Intermediärfilamente integriert und konnten, auch nach Translokation in den Zellkern durch ein experimentell eingefügtes Lokalisationssignal, nicht im Nukleolus nachgewiesen werden. Nach der Kotransfektion mit verschiedenen Zellkern-Proteinen wurde Cytokeratin 19 mit diesen in den Zellkern und mit nukleolären Proteinen in den Nukleolus transportiert. Obwohl diese Versuche auf einen "Huckepack"-Transportmechanismus für ein normalerweise cytoplasmatisches Protein hinweisen, konnte Cytokeratin 19 nicht spezifisch in der granulären Komponente des Nukleolus lokalisiert werden. Daher konnte bisher, trotz intensiver Bemühungen, die Identität des in der Immunfluoreszenz nachgewiesenen nukleolären Proteins leider nicht aufgeklärt werden.