เยื่อหุ้มนิวเคลียส

เยื่อหุ้มนิวเคลียส  เป็นชั้นของลิพิดไบเลเยอร์ (lipid bilayer) ในเซลล์ยูแคริโอต ซึ่งทำหน้าที่ห่อหุ้มนิวเคลียสของเซลล์ที่ห่อหุ้มสารพันธุกรรม 
เยื่อหุ้มนิวเคลียสประกอบด้วยเยื่อหุ้มสองชั้นที่สร้างจากชั้นไขมันสองชั้น (Lipid bilayer membrane) ได้แก่ เยื่อหุ้มด้านในของนิวเคลียส (Inner nuclear membrane) และเยื่อหุ้มด้านนอกของนิวเคลียส (Outer nuclear membrane) พื้นที่ระหว่างเยื่อหุ้มทั้งสองเรียกว่า ช่องว่างระหว่างเยื่อหุ้มนิวเคลียส (Perinuclear space) ซึ่งโดยปกติจะมีความกว้างประมาณ 10–50 นาโนเมตร โดยเยื่อหุ้มด้านนอกนั้นมีการเชื่อมต่อกับเยื่อหุ้มของเอนโดพลาสมิกเรติคูลัม (Endoplasmic reticulum) นอกจากนี้เยื่อหุ้มนิวเคลียสยังมีรูพรุนจำนวนมากที่เรียกว่ารูพรุนของนิวเคลียส (Nuclear pores) ซึ่งช่วยให้วัตถุต่าง ๆ เคลื่อนที่ระหว่างไซโทซอล (Cytosol) และนิวเคลียสได้ นอกจากนี้ยังมีโปรตีนในกลุ่มอินเทอร์มีเดียท ฟิลาเมนท์ (Intermediate filament) ที่เรียกว่าลามิน(Lamin) ที่รวมตัวกันสร้างโครงสร้างที่เรียกว่านิวเคลียร์ลามินา (Nuclear lamina) ซึ่งอยู่ภายในของเยื่อหุ้มด้านในของนิวเคลียส โดยโครงสร้างนี้มีหน้าที่ในการค้ำจุนเชิงโครงสร้างให้แก่นิวเคลียส
โครงสร้าง.
เยื่อหุ้มนิวเคลียสประกอบด้วยเยื่อหุ้มสองชั้นที่สร้างจากเยื่อไขมันสองชั้น ได้แก่เยื่อหุ้มนิวเคลียสด้านใน และเยื่อหุ้มนิวเคลียสด้านนอก เยื่อหุ้มทั้งสองนี้เชื่อมต่อกันด้วยรูพรุนของนิวเคลียส เยื่อหุ้มนิวเคลียสได้รับการค้ำจุนโครงสร้างโดยอินเทอร์มีเดียท ฟิลาเมนท์สองชุด โดยชุดแรกได้ก่อตัวเป็นโครงข่ายภายในที่เรียกว่านิวเคลียร์ลามินาอยู่บริเวณเยื่อหุ้มด้านใน ส่วนอีกชุดหนึ่งก่อตัวเป็นโครงข่ายที่หลวมกว่า ณ บริเวณด้านนอกเพื่อค้ำจุนโครงสร้างจากภายนอก รูปร่างของเยื่อหุ้มนิวเคลียสโดยแท้จริงนั้นไม่มีรูปร่างที่แน่นอน (Irregular) โดยมีการยื่นยืดหดอย่างสม่ำเสมอ ซึ่งสามารถสังเกตได้ผ่านกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน
เยื่อหุ้มชั้นนอก.
เยื่อหุ้มนิวเคลียสชั้นนอกนั้นมีขอบเขตที่ใช้ร่วมกับเอนโดพลาสมิกเรติคูลัม แต่ถึงแม้ว่าจะมีการเชื่อมต่อทางกายภาพซึ่งกันและกัน แต่เยื่อหุ้มด้านนอกของนิวเคลียสมีโปรตีนในความเข้มข้นที่สูงกว่าเยื่อหุ้มของเอนโดพลาสมิกเรติคูลัมเป็นอย่างมาก โปรตีนเนสพริน (Nesprin - Nuclear envelope spectrin repeat proteins) ทั้งสี่ชนิดที่พบในสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมนั้นมีปรากฏอยู่ในเยื่อหุ้มด้านนอกของนิวเคลียส โดยเนสปรินทำหน้าที่เชื่อมต่อเส้นใยโครงร่างของเซลล์ (Cytoskeletal filaments) เข้ากับโครงร่างของนิวเคลียส (Nucleoskeleton) การเชื่อมต่อที่อาศัยเนสปรินกับโครงร่างเซลล์นี้มีบทบาทในการกำหนดตำแหน่งของนิวเคลียสและในหน้าที่การรับรู้เชิงกลของเซลล์ โปรตีนในกลุ่ม KASH domain ของเนสปริน-1 และเนสปริน-2 เป็นส่วนหนึ่งของโครงสร้าง LINC complex (Linker of nucleoskeleton and cytoskeleton) ซึ่งสามารถจับกับองค์ประกอบของโครงร่างเซลล์ได้โดยตรง เช่น เส้นใยแอคตินหรือจับกับโปรตีนในช่องว่างระหว่างเยื่อหุ้มนิวเคลียสได้เช่นกัน สำหรับเนสปริน-3 และเนสปริน-4 นั้นอาจมีบทบาทในการขนถ่ายวัตถุขนาดใหญ่ โดยเนสปริน-3 เชื่อมต่อกับโปรตีนเพล็คติน และเชื่อมต่อเยื่อหุ้มนิวเคลียสกับเส้นใยอินเทอร์มีเดียท ฟิลาเมนท์ในไซโทพลาซึม ในขณะที่เนสปริน-4 เชื่อมต่อกับโปรตีนไคเนซิน-1 (Kinesin-1) ซึ่งเป็นโปรตีนขนส่ง นอกจากนี้ เยื่อหุ้มนิวเคลียสด้านนอกยังมีบทบาทในกระบวนการพัฒนาโดยการหลอมรวมเข้ากับเยื่อหุ้มด้านในเพื่อสร้างรูพรุนของนิวเคลียส
เยื่อหุ้มชั้นใน.
"อ่านเพิ่มเติม: โปรตีนของเยื่อหุ้มนิวเคลียสชั้นใน"
เยื่อหุ้มนิวเคลียสด้านในทำหน้าที่ห่อหุ้มนิวคลีโอพลาสซึม (Nucleoplasm) และถูกปกคลุมด้วยนิวเคลียร์ลามินา ซึ่งเป็นโครงตาข่ายของอินเทอร์มีเดียท ฟิลาเมนท์ที่ช่วยเสริมความมั่นคงให้กับเยื่อหุ้มนิวเคลียส รวมถึงมีบทบาทในการทำงานของโครมาติน เยื่อหุ้มด้านในเชื่อมต่อกับเยื่อหุ้มด้านนอกผ่านรูพรุนของนิวเคลียส ซึ่งเจาะทะลุผ่านเยื่อหุ้มทั้งสอง แม้ว่าเยื่อหุ้มทั้งสองและเอนโดพลาสมิกเรติคูลัมจะเชื่อมต่อกัน แต่โปรตีนที่ฝังตัวอยู่ในเยื่อหุ้มมักจะคงอยู่ในตำแหน่งเดิมแทนที่จะกระจายตัวไปตามเครือข่ายที่เชื่อมต่อกัน นอกจากนี้ เยื่อหุ้มด้านในยังประกอบด้วยเครือข่ายเส้นใยที่เรียกว่านิวเคลียร์ลามินา ซึ่งมีความหนาประมาณ 10–40 นาโนเมตร และมีบทบาทสำคัญในการเสริมความแข็งแรงให้กับเยื่อหุ้มนิวเคลียส
การกลายพันธุ์ในยีนที่เกี่ยวข้องในการเข้ารหัสโปรตีนของเยื่อหุ้มนิวเคลียสด้านในสามารถก่อให้เกิดโรคในกลุ่มลามิโนพาธี (Laminopathy) ได้
รูพรุนของนิวเคลียส.
"บทความหลัก: รูพรุนของนิวเคลียส"
เยื่อหุ้มนิวเคลียสนั้นมีรูพรุนประมาณหนึ่งพันรู ซึ่งถูกเจาะเป็นรูโดยโครงสร้างรูพรุนของนิวเคลียส (Nuclear pore complexes) โดยแต่ละโครงสร้างมีขนาดประมาณ 100 นาโนเมตร และมีช่องด้านในที่กว้างประมาณ 40 นาโนเมตร โครงสร้างเหล่านี้ประกอบด้วยโปรตีนที่เรียกว่านิวคลีโอพอริน (Nucleoporin) ซึ่งทำหน้าที่เชื่อมโยงเยื่อหุ้มด้านในและเยื่อหุ้มด้านนอกของนิวเคลียสเข้าด้วยกัน
การแบ่งเซลล์.
ในระยะ G2 ซึ่งเป็นระยะย่อยของระยะอินเตอร์เฟส (interphase) เยื่อหุ้มนิวเคลียสจะเพิ่มพื้นที่ผิวและเพิ่มจำนวนรูพรุนของนิวเคลียสเป็นสองเท่า ซึ่งในสิ่งมีชีวิตยูคาริโอต เช่น ยีสต์ (Yeast) ที่มีการแบ่งเซลล์แบบไมโทซิสแบบปิด (Closed mitosis) นั้นเยื่อหุ้มนิวเคลียสจะยังคงอยู่ในสภาพเดิมตลอดกระบวนการแบ่งเซลล์ ในการแบ่งเซลล์นั้นเส้นใยสปินเดิล (Spindle fibers) อาจก่อตัวขึ้นภายในเยื่อหุ้ม หรือเจาะทะลุผ่านเยื่อหุ้มโดยไม่ทำให้มันฉีกขาด ในยูคาริโอตชนิดอื่น เช่น สัตว์และพืช เยื่อหุ้มนิวเคลียสจำเป็นต้องสลายตัวในระยะโพรเมทาเฟส (Prometaphase) ของการแบ่งเซลล์แบบไมโทซิส เพื่อให้เส้นใยสปินเดิลเข้าถึงโครโมโซมที่อยู่ภายในได้ อย่างไรก็ตาม กระบวนการสลายตัวและการสร้างใหม่ของเยื่อหุ้มนิวเคลียสยังไม่ได้รับการศึกษาจนเข้าใจได้อย่างสมบูรณ์
การสลายตัว.
ในสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมนั้นเยื่อหุ้มนิวเคลียสสามารถสลายตัวภายในเวลาไม่กี่นาที โดยเป็นไปตามลำดับขั้นตอนในระยะเริ่มต้นของกระบวนการทางไมโทซิส ขั้นแรก M-Cdk จะทำการเชื่อมโลเลกุลกลุ่มฟอสเฟต (Phosphorylate) เข้ากับพอลิเพปไทด์ของนิวคลีโอพอริน และพวกมันบางส่วนจะถูกคัดเลือกเพื่อนำออกจากโครงสร้างรูพรุนของนิวเคลียสอย่างเฉพาะเจาะจง หลังจากนั้น โครงสร้างรูพรุนของนิวเคลียสที่เหลือจะสลายตัวพร้อมกัน หลักฐานทางชีวเคมีได้แสดงให้เห็นว่าโครงสร้างรูพรุนของนิวเคลียสจะสลายตัวเป็นชิ้นส่วนที่เสถียรแทนที่จะสลายเป็นชิ้นส่วนขนาดเล็กของพอลิเพปไทด์ นอกจากนี้ M-Cdk ยังทำการเชื่อมต่อกลุ่มฟอสเฟตเข้ากับองค์ประกอบของแผ่นนิวเคลียร์ลามินาซึ่งเป็นโครงสร้างที่ค้ำจุนเยื่อหุ้มนิวเคลียสอีกด้วย ส่งผลให้นิวเคลียร์ลามินาสลายตัว และเยื่อหุ้มนิวเคลียสแยกออกเป็นถุงเวสิเคิลขนาดเล็ก ภาพถ่ายจากกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนและกล้องจุลทรรศน์ฟลูออเรสเซนส์ให้หลักฐานที่ชัดเจนว่าเยื่อหุ้มนิวเคลียสถูกดูดซึมโดยเอนโดพลาสมิกเรติคูลัม ทั้งนี้เนื่องจากมีการพบโปรตีนในนิวเคลียสที่ในสภาวะปกตินั้นไม่ได้ปรากฏอยู่ในเอนโดพลาสมิกเรติคูลัมเกิดขึ้นในระหว่างการแบ่งเซลล์แบบไมโทซิส
นอกจากการสลายตัวของเยื่อหุ้มนิวเคลียสในระยะโพรเมทาเฟสของการแบ่งเซลล์แบบไมโทซิสแล้ว เยื่อหุ้มนิวเคลียสยังสามารถเกิดการแตกออกมาได้ในเซลล์สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมที่เคลื่อนที่ (Migrating cells) ในระยะอินเตอร์เฟสของวัฏจักรเซลล์ (Cell cycle) การแตกออกมานี้เกิดขึ้นชั่วคราว และมีแนวโน้มว่าเป็นผลจากการเปลี่ยนรูปของนิวเคลียส
กระบวนการซ่อมแซมเยื่อหุ้มนิวเคลียสที่แตกออกนี้เกิดขึ้นอย่างรวดเร็ว โดยอาศัยกลไกที่ขึ้นอยู่กับโครงสร้างคัดแยกเอนโดโซมที่จำเป็นต่อการขนส่ง (Endosomal Sorting Complexes Required for Transport - ESCRT) ซึ่งประกอบด้วยโปรตีนเชิงซ้อนในไซโทซอล นอกจากนี้ในระหว่างที่เยื่อหุ้มนิวเคลียสแตกออกย่อมเกิดความเสียหายแก่ดีเอ็นเอเกลียวคู่แบบขาดออกจากกันได้
ด้วยเหตุนี้ ความสามารถของเซลล์ในการเอาตัวรอดเมื่อต้องเคลื่อนที่ผ่านสภาพแวดล้อมที่คับแคบนั้นดูเหมือนว่าจะขึ้นอยู่กับประสิทธิภาพของกลไกซ่อมแซมเยื่อหุ้มนิวเคลียสและดีเอ็นเอ
การสลายตัวของเยื่อหุ้มนิวเคลียสที่ผิดปกติถูกพบในโรคกลุ่มลามิโนพาธีและในเซลล์มะเร็ง ซึ่งส่งผลให้เกิดการกระจายตัวผิดตำแหน่งของโปรตีนภายในเซลล์ อันนำมาซึ่งการเกิดไมโครนิวเคลียส (Micronucleus) และความไม่เสถียรของจีโนม
การสร้างใหม่.
กระบวนการที่เยื่อหุ้มนิวเคลียสถูกสร้างขึ้นใหม่ในระยะเทโลเฟสของการแบ่งเซลล์แบบไมโทซิสนั้นยังคงเป็นหัวข้อที่มีการถกเถียงกันอยู่ โดยมีสองทฤษฎีหลักที่เสนอไว้ ได้แก่
ต้นกำเนิดของเยื่อหุ้มนิวเคลียส.
การศึกษาเปรียบเทียบจีโนม, วิวัฒนาการ และต้นกำเนิดของเยื่อหุ้มนิวเคลียสนำไปสู่ข้อเสนอว่านิวเคลียสเกิดขึ้นในบรรพบุรุษยูคาริโอตดั้งเดิมหรือที่เรียกว่า “พรีคาริโอต” (Prekaryote) ซึ่งถูกกระตุ้นโดยความสัมพันธ์แบบอิงอาศัยระหว่างอาร์เคียและแบคทีเรีย มีแนวคิดหลายประการที่อธิบายถึงต้นกำเนิดเชิงวิวัฒนาการของเยื่อหุ้มนิวเคลียส เช่น การเว้าของเยื่อหุ้มเซลล์ (Plasma membrane) ในบรรพบุรุษโปรคาริโอต หรือการสร้างระบบเยื่อหุ้มใหม่หลังจากการก่อตัวของไมโทคอนเดรียดั้งเดิม (Proto-mitochondria) ในเซลล์เจ้าบ้านที่เป็นอาร์เคีย หนึ่งในความสามารถทางการปรับตัวที่สำคัญของเยื่อหุ้มนิวเคลียสอาจเป็นการทำหน้าที่เป็นเกราะป้องกันจีโนมจากอนุมูลออกซิเจน (Reactive oxygen species - ROS) ซึ่งถูกสร้างขึ้นโดยไมโทคอนเดรียดั้งเดิมของเซลล์ในยุคนั้น