thumb|upright=1.2|Microscopische opname van een zoogdiercel. De celkern is blauw gekleurd met DAPI, de mitochondriën oranje en het cytoskelet groen.
De celkern of nucleus is het door een membraan omsloten deel van een cel waarin het genetisch materiaal (DNA) is opgeslagen. Alle levende wezens waarvan de cellen een kern bevatten, behoren tot de eukaryoten: dit zijn de planten, dieren, schimmels en diverse eencelligen.
In de celkern ligt het DNA georganiseerd in chromosomen. Het DNA regelt de productie van eiwitten, die maken dat het hele organisme kan functioneren: alle erfelijke eigenschappen worden aangestuurd door informatie uit de celkern. Hierdoor wordt de celkern ook wel gezien als het 'controlecentrum' van de cel. Stoornissen in de organisatie van de celkern kunnen enkele ernstige medische aandoeningen veroorzaken.
De inhoud van de celkern, het kernplasma, wordt omsloten door een dubbel kernmembraan. Dit membraan bevat duizenden kernporiën; grote kanaalvormige complexen die het transport van moleculen tussen kern en cytoplasma reguleren. Bij dierlijke cellen wordt de celkern aan de binnenzijde verstevigd door een netwerk van filamenten, de zogeheten lamina.
Microscopisch onderzoek heeft door de eeuwen heen geleid tot een steeds gedetailleerder begrip van deze interne organisatie. De kern reguleert bijvoorbeeld in welke mate de DNA-strengen verpakt zijn, en huist gespecialiseerde lichaampjes, zoals de nucleolus, die van belang zijn voor de productie van verwerking van RNA. Nog altijd vormen deze principes een belangrijk onderwerp binnen de celbiologie.
Structuur Eukaryoten zijn organismen die hun genetisch materiaal (DNA) opslaan in een afzonderlijk cellulair compartiment (organel), de celkern of nucleus. Tot de eukaryoten behoren complexe levensvormen: de dieren, planten, schimmels, algen en vele eencelligen (protisten).
In dierlijke cellen is de celkern het grootste organel, dat met behulp van een lichtmicroscoop over het algemeen duidelijk zichtbaar is. Bij zoogdieren bereikt de celkern meestal een grootte van ongeveer 6 micrometer (μm), wat overeenkomt met ongeveer 10% van het totale celvolume. De inhoud van de celkern wordt het kernplasma genoemd. Het kernplasma bevat de eiwitten en moleculen die nodig zijn voor het in stand houden en tot expressie brengen van het genetisch materiaal.
Kernmembraan en poriën
Het kernmembraan vormt een flexibele barrière rond de celkern en scheidt het genetisch materiaal van het omringende cytoplasma. Het voorkomt dat macromoleculen vrijelijk kunnen diffunderen tussen het kernplasma en het cytoplasma. Het kernmembraan bestaat uit twee parallel aan elkaar afgezette membranen die gescheiden zijn door een tussenruimte van 10 tot 50 nanometer (nm). De ruimte tussen de membranen wordt perinucleaire ruimte genoemd. Het buitenste kernmembraan loopt door in het endoplasmatisch reticulum.
Kernporiën, de holle eiwitcomplexen die het moleculair verkeer in en uit de celkern verzorgen, zijn gelijkmatig over het kernmembraan verspreid. Ze zijn samengesteld uit zogeheten nucleoporines. De poriecomplexen zijn zeer groot: ze hebben een molecuulgewicht van ongeveer 120 miljoen dalton. Het kanaal waardoorheen moleculen getransporteerd worden heeft een diameter van 40–60 nm. Dit is groot genoeg om macromoleculen, zoals eiwitten, RNA-moleculen en ribosoomdelen te laten passeren. Deze moleculen worden selectief – dat wil zeggen via speciale transportmechanismen – in en uit de celkern vervoerd.
In zoogdieren bevat de celkern ongeveer 3000 tot 4000 kernporiën. Visualisatie van het kernporiecomplex met de elektronenmicroscoop heeft duidelijk gemaakt dat het een ringstructuur betreft met achtvoudige rotatiesymmetrie. Deze ring ligt op de plek waar de binnenste en buitenste membranen fuseren (in elkaar omklappen) en zo een opening vormen. Aan de ring is een korfvormige structuur gehecht die zich uitstrekt naar het kernplasma, en acht dradige filamenten die in het cytoplasma reiken. Beide structuren dienen om passage van transporteiwitten te reguleren.
Nucleaire lamina In dierlijke cellen is de celkern verstevigd door de zogenaamde nucleaire lamina, ook wel kernlamina genoemd. Dit is een vezelig netwerk van intermediaire filamenten aan de binnenzijde van het kernmembraan dat nodig is voor het handhaven van structuur, vorm en beweeglijkheid. De kernlamina is een verankeringspunt voor de kernporiën en chromosomen. Tevens speelt het een rol bij de gereguleerde expressie van het genetisch materiaal.
De kernlamina is voornamelijk opgebouwd uit het eiwit lamine. De laminen worden als monomeren gesynthetiseerd in het cytoplasma. Via poriën gaan de eiwitten de celkern in, waar ze na samenvoeging met andere eiwitten worden opgenomen in het netwerk. Aan de buitenzijde van het kernmembraan binden speciale lamine-eiwitten (emerinen en nesprinen). Zij gaan interacties aan met het cytoskelet en zorgen daarmee dat de celkern zich op een vaste plek binnen het cytoplasma positioneert.
Defecten in lamina-eiwitten kunnen ernstige gevolgen hebben voor de cel en het organisme. Mutaties in genen die coderen voor laminen of geassocieerde eiwitten veroorzaken een groep erfelijke aandoeningen die bekendstaan als laminopathieën, waaronder spierdystrofieën, cardiomyopathieën en het vroegtijdige verouderingssyndroom progeria.
thumb|600px|center|Driedimensionale fluorescentie-opnames van een dierlijke celkern vanuit drie invalshoeken. De celkern bevindt zich in een vroeg stadium van deling (profase). De chromosomen (rood) zijn al gecondenseerd voor mitose. Het omliggende kernmembraan en inwendige kernlamina (groen) begint te desintegreren.
Chromosomen De celkern bevat het grootste deel van het genetisch materiaal van de cel. Bij veel eukaryoten is het DNA in de kern rond eiwitten gewonden die histonen worden genoemd. Gedurende het grootste deel van de celcyclus – met name de periode waarin de cel niet deelt – zijn de histonen in elkaar vastgedraaid tot compacte draden (chromatine). Wanneer de cel zich gereedmaakt voor de mitose, wordt het chromatine gedeeltelijk ontrold om het DNA te kopiëren. Wanneer al het DNA gekopieerd is, trekt het zich samen tot staafvormige structuren, de chromosomen. Dit proces is doorgaans goed zichtbaar onder de lichtmicroscoop. Tijdens de celdeling splitsen de chromosomen uiteen in gelijke kopieën, zodat twee dochtercellen kunnen ontstaan die allebei beschikken over een identiek genoom.
De verdeling van het chromatine over de celkern is niet uniform door verschillende mate van ontvouwing ten behoeve van DNA-transcriptie. Het chromatine dat minder compact en vrijer in de celkern ligt wordt euchromatine genoemd. Het bevat de genen die veelvuldig door de cel tot expressie worden gebracht en dus voortdurend toegankelijk moeten zijn voor enzymen. Het chromatine dat daarentegen dichter is opgevouwen wordt heterochromatine genoemd. Het bevindt zich meer aan de randen van de celkern en bevat het DNA dat weinig of niet door enzymen afgelezen wordt, zoals de sequenties van telomeren of centromeren.
250px|Doorsnede van twee dierlijke celkernen325px|Ruimtelijke opname van twee dochterkernenDoorsnede van twee dierlijke celkernen. De chromosomen zijn rood, het kernmembraan is blauw en de microtubuli zijn groen gekleurd. Schaal: 5 μm.Ruimtelijke opname van twee dochterkernen. Deze dierlijke dochtercellen zijn in het laatste stadium van de deling: telofase. Het spoelfiguur is bruin, het cytoskelet groen en de nog gecondenseerde chromosomen blauw.
Bij verschillende auto-immuunziekten, waaronder systemische lupus erythematodes (SLE), richt het immuunsysteem zich tegen bepaalde onderdelen van het chromatine, zoals de nucleosomen of andere chromosomale bestanddelen. Dergelijke antilichamen staan bekend als antinucleaire antistoffen (ANA's) en vormen een primair kenmerk van diverse systemische auto-immuunziekten. ANA's spelen een belangrijke rol bij de ziektediagnostiek.
Nucleolus thumb|left|upright|Elektronenmicroscopische opname van een celkern. De donkere vlek is de nucleolus.
De nucleolus is de meest opvallende structuur in de celkern, met geluk zelfs zichtbaar te krijgen onder een lichtmicroscoop. Het bestaan ervan werd al in de 19e eeuw door cytologen beschreven. De belangrijkste functie van de nucleolus is de productie van ribosomen, de celstructuren die verantwoordelijk zijn voor eiwitsynthese. In tegenstelling tot veel andere structuren in de cel wordt de nucleolus niet omgeven door een membraan. De nucleolus is een aggregaat van macromoleculen, waaronder ribosomaal RNA (rRNA), chromatine, ribosomale eiwitten en verschillende enzymen die betrokken zijn bij ribosoomvorming.
De grootte van de nucleolus hangt logischerwijze nauw samen met de hoeveelheid ribosomen die een cel produceert. In cellen met een hoge eiwitsynthese, zoals actief delende cellen, is de nucleolus sterk vergroot en kan een aanzienlijk deel (tot wel 25%) van het kernvolume innemen. De nucleolus is meerfasig en vertoont vloeistofachtige dynamiek.
In de nucleolus wordt rDNA door RNA-polymerase I overgeschreven naar een lang pre-rRNA-molecuul. Dit pre-rRNA wordt vervolgens verwerkt en samengevoegd met ribosomale eiwitten tot kleine en grote ribosomale subeenheden. Deze processen worden ondersteund door small nucleolar RNA's (snoRNA), die betrokken zijn bij de modificatie en vouwing van rRNA. Daarnaast is de nucleolus ook betrokken bij de productie, verwerking en assemblage van andere niet-coderende RNA-moleculen, zoals transfer-RNA en telomerase.
Overige kernlichamen thumb|upright=1.3|Elektronenmicroscopische opname van het kernplasma. Bovenaan ligt een Cajallichaam. Rechts zijn componenten van de nucleolus te zien.
Hoewel de term kernlichaam in informele zin vaak gebruikt wordt om de nucleolus aan te duiden, zijn er verschillende andere membraanloze structuren binnen de celkern ontdekt met gespecialiseerde functies. De belangrijkste hiervan zijn de cajallichamen, speckles en PML-lichamen.
Celbiologen vermoeden dat deze kernlichaampjes ontstaan om processen zoals RNA-processing efficiënt gelokaliseerd te laten verlopen. Het is lastig om de precieze functie van deze kleine compartimenten te achterhalen, mede omdat hun vorm, aantal en samenstelling sterk verandert naarmate cellen de celcyclus doorlopen. Sommige kernlichaampjes verschijnen alleen onder omstandigheden van celstress of bepaalde ziektemechanismen.
Onderzoek naar deze structuren heeft duidelijk gemaakt dat de celkern geen homogeen compartiment is, maar een ruimtelijk sterk georganiseerde omgeving waarin verschillende moleculaire processen lokaal worden geconcentreerd.
Cajallichamen In de meeste eukaryoten bevat de celkern één of meerdere cajallichamen. Het zijn bolvormige structuren, met een diameter van 200–2000 nm, afhankelijk van het celtype. Ze bestaan onder meer uit het zelf-oligomeriserende eiwit coiline. De voornaamste functie van cajallichamen is de maturatie (rijping) van snRNP's (small nuclear ribonucleoproteins). Deze snRNP's zijn onderdeel van het spliceosoom, het complex dat betrokken is bij het verwijderen van introns uit pre-mRNA.
Naast de cajallichamen komen de vergelijkbare gemini-lichamen of gems in de celkern voor. Gems lijken qua structuur sterk op cajallichamen: de twee zijn onder de elektronenmicroscoop praktisch niet te onderscheiden. Ze zijn echter elk opgebouwd uit verschillende eiwitcomponenten. Gems en cajallichamen co-lokaliseren meestal en het exacte verschil in functie tussen de twee lichaampjes is nog niet opgehelderd.
thumb|upright|Kernlichaampjes zichtbaar gemaakt met een fluorescent eiwit. (1) cytoplasma, (2) kernmembraan, (3) nucleolus, (4) paraspeckles.
Speckles