Buňky jsou nesmírně složité útvary, ve kterých se odehrává obrovské množství dějů. Pokud bychom přirovnali jádro lidské buňky k pokoji o 20 m², pak bychom tam museli vměstnat 46 lanek o tloušťce dvou milimetrů a celkové délce dvou tisíc kilometrů. Přitom tu probíhá tu přepis genů z DNA do RNA, nejrůznější molekuly RNA v jádře vyzrávají a pohybují se na místo určení. Obrovský exponenciální nárůst poznatků získaných nejrůznějšími metodami nedávno přivedl vědce k zásadnímu problému: Jak dát do souvislosti údaje o biochemických pochodech v buňce se strukturami pozorovanými v mikroskopu?
Díky speciálním přístrojům mohou nyní biologové označit nejrůznější útvary a bílkoviny fluorescenčními značkami a pozorovat, jak s nimi živá buňka manipuluje. Další přístroj je obdobou nám známějšího tomografu - zatímco ten používaný lékaři vytvoří prostorovou představu o orgánech lidského těla, elektronový mikroskop dokáže zobrazit 3D struktury buňky. Buněčné jádro popsal před více než 150 lety R. Brown. Dnes se o něj zajímají vědecké laboratoře po celém světě. Zájem samozřejmě pramení z toho, že jsou v jádře uloženi nositelé dědičné informace, chromozomy.
Zároveň je výzkum jádra zajímavý proto, že je postaven před několik zásadních problémů. Žijeme v éře genomiky, pořadí nukleotidů v jednotlivých lidských chromozomech je již v podstatě stanoveno a na základě této znalosti můžeme určit detailní uspořádání genů. Víme však stále velmi málo o tom, jak jsou chromozomy v jádře organizovány. Jak je možné, že jsou asi 2 m DNA v lidské buňce poskládány do jádra o průměru 10 μm? Navíc DNA musí být nejen uskladněna, ale během buněčného cyklu i zdvojena právě jen jednou, a to pod bedlivým dohledem mechanizmů zaručujících její bezchybné uchování. Pokoj (jádro) je vlascem (DNA) doslova přeplněn, neboť je v komplexu s proteiny, jimž ve srovnání s vlascem přísluší asi dvojnásobný objem. Výsledný nukleoproteinový komplex, zvaný též chromatin, sám o sobě zabírá desítky kubických metrů prostoru obývacího pokoje.
Jak je vůbec v tak složitém prostředí organizován přepis určitého genu? Připomeňme si základní etapy vyjádření genu (genové exprese) v jádře. Jeho první úrovní je transkripce - syntéza RNA podle předlohy DNA. Výsledkem je tzv. primární transkript. Transkripce se účastní několik desítek bílkovin v tzv. transkriptozomovém komplexu a ovlivňuje ho řada „návěstí“ na samotné molekule DNA, například promotorová sekvence, na kterou nasedá RNA-polymeráza, a různé regulační oblasti. Další stupeň genové exprese představuje vyzrávání primárního transkrutu spojené s jeho úpravami. Část informace obsažené v sekvenci vyzrálé mRNA je v cytoplazmě přeložena do sekvence aminokyselin v polypeptidovém řetězci.
Genová exprese zahrnuje i návazné kroky, především transport mRNA do cytoplazmy, úpravy syntetizované bílkoviny a její nasměrování do cílového působiště, které je často doprovázeno její chemickou modifikací. Množina přítomných proteinů a druh jejich modifikace určují funkční uspořádání příslušného buněčného kompartmentu. Jádro je strukturováno do kompartmentů a domén; interchromatinový prostor a jadérko hrají klíčové role. RNA je syntetizována na povrchu chromatinových struktur a po ukončení syntézy je uvolňována do interchromatinového prostoru, kde se sestavují multienzymové komplexy a probíhá metabolizmus RNA.
Chromatin v klidovém období buněčného cyklu mimo buněčné dělení je rozdělen na heterochromatin a euchromatin. Heterochromatin je silně kondenzovaný a neaktivní, zatímco euchromatin je méně kondenzovaný a účastní se transkripce. Hlavní význam jádra spočívá v přítomnosti většiny DNA buňky. V některých tkáních splývají buňky do syncytia. Jak ukázal Purkyně, všechny buňky pocházejí z mateřské buňky, která dává vznik buňkám dceřiným. Pro správné fungování těla je nutné, aby buňky dodržovaly určité zákonitosti a proliferovaly jen tehdy, když je to nezbytné.
Jadro dále obsahuje jadérko, které je v interfázi stabilně funkční a vytváří se z aktivních organizátorů jadérka na chromozomech. Tvorba ribozomů se odehrává v jadérku; ribozomální geny jsou uspořádány v organizátorech NOR na chromozomálních lokacích. Transkripční aktivita vede k vytvoření jadérka a k produkci ribozomálních složek, které jsou následně transportovány do cytoplazmy. Proces biosyntézy ribozomů zahrnuje 45S prekurzor rRNA a jeho vyzrávání, modifikaci a asociaci ribozomálních proteinů a 5S rRNA. Tyto procesy spolupracují v komplexu zvaném procesozom.
V perichromatinové oblasti interchromatinového prostoru probíhá transkripce na povrchu chromatinových struktur a většina primárních transkriptů obsahuje introny, které musí být vystřiženy před transportem RNA do cytoplazmy. Některé molekuly RNA musí být sestřihány až po transkripci a některé introny mohou být skládány spolu s exony během transkripce. Jaderný obal má dva listy a je prostoupen množstvím jaderných pórů, které umožňují transport mezi jádrem a cytoplazmou. Chromatin v jádře je komplex DNA a histonů; při dostatečné volnosti může dojít k transkripčním i replikacím mechanismům, zatímco v mitóze se chromatinu vytváří kondenzované chromozomy.
V interfázi se chromatinové teritoria organizují do domén a jejich uspořádání není náhodné; aktivní oblasti leží spíše uvnitř jádra, zatímco neaktivní na periferii. Regulační prvky a faktorové vazby vedou k euchromatinizaci, která rozvolňuje lokální chromatinu a umožňuje transkripci. Chromozomy v jádře vytvářejí oddělená teritoria a vzájemné uspořádání je důležité pro replikaci a exprese genů. Replikace probíhá v S-fázi, kdy vznikají replikační ohniska a replikační domény; replikační mechanizmy jsou organizovány do replikonů a jejich aktivita se ukončuje při kolizi s dalšími ohnisky. Replikace začíná zejména u sekvencí aktivních genů, které byly aktivní v předchozí fázi G1.
Genom člověka obsahuje řádově 100 000 genů, jejichž délka tvoří jen malé procento DNA. V interfázi dochází ke kondenzaci chromozomů a v mitóze k jejich charakteristické struktuře X; struktura chromatinu umožňuje rozlišit aktivity v rámci chromozomálního teritorium a uvnitř něj. Regulátory genu vyžadují rozsáhlé úseky DNA pro aktivní expresi a chromatin je organizován do nezávislých jednotek genové aktivity vymezených specifickými hraničními elementy; locus control region (LCR) u savců a scs/scs’ u drozofily jsou příklady. Aktivace nebo represe transkripce je často spojena s acetylací/deacetylací histonů a metylací/demetylací DNA; změny v chromatinu vedou k lokálním změnám v ekspresi genů.
Na buněčné úrovni vznikají replikační domény a ohniska, která mohou odpovídat subchromozomálním doménám. Heterochromatin hraje důležitou roli i při genové expresi - přesun genu z euchromatinu do heterochromatinu a doprovodná regulace Ikarosem mohou inaktovat geny. Jádro a jadérko hrají klíčovou roli v produkci ribozomů; některé složky jadérka zůstávají během mitózy vázány na organizátor chromozomů a po mitóze obnovují funkční jadérko. Získané poznatky ukazují na složitou a dynamickou organizaci chromatinu a jeho vliv na genovou expresi a replikaci, což je jádrem moderní buněčné biologie.
