El nucléolo es, con mucho, la subestructura más fácilmente reconocible en el núcleo eucariota , y puede verse mediante el uso de una variedad de colorantes, así como por microscopía de contraste de fase. De hecho, en la levadura en ciernes, el nucléolo único ocupa casi la mitad del núcleo. Las células de otras especies suelen tener múltiples nucléolos. El nucléolo es una fábrica de ribosomas, compuesta por ácido desoxirribonucleico (ADN), ácido ribonucleico (ARN) y proteínas. En el nucléolo, una larga molécula precursora de ARN ribosómico (ARNr) se transcribe a partir del ADN, se procesa en tres ARN maduros y se empaqueta junto con proteínas específicas para formar las subunidades ribosómicas grandes y pequeñas. Una vez que las subunidades se han ensamblado, se transportan fuera del nucléolo al citoplasma para su uso en la traducción (síntesis de proteínas).
Los nucléolos no son estructuras estáticas. Se desensamblan durante la mitosis y se reforman a principios de la fase G1. La formación de los nucleolos no provoca la expresión de los genes del ARNr . Más bien, los nucleolos son el resultado de la transcripción y el procesamiento del ARNr.
Visto al microscopio electrónico, un nucléolo tiene dos partes distintas: el componente fibrilar y el componente granular. El componente fibrilar puede subdividirse en dos compartimentos: el componente fibrilar denso y el centro fibrilar. Los centros fibrilares contienen grandes cantidades de ARN polimerasa I, que transcribe el ARNr. Se cree que la transcripción de los genes de ARNr se produce en la interfaz entre el componente fibrilar denso y el centro fibrilar. Las etapas posteriores del ensamblaje del ribosoma tienen lugar en el componente granular.
Los cromosomas humanos contienen cinco regiones organizadoras nucleolares (llamadas NOR), situadas en los brazos cortos de los cromosomas 13, 14, 15, 21 y 22. En los humanos, cada NOR contiene aproximadamente cien copias del gen del ARNr repetidas en tándem. Los NORs de diferentes cromosomas suelen juntarse en la interfase. Por lo tanto, un solo nucléolo suele estar formado por genes de ARNr de dos o más NOR diferentes. Algunas especies sólo tienen un único cromosoma portador de NOR y, por tanto, un único nucléolo.
Además de la función bien establecida de los nucléolos en el ensamblaje de los ribosomas, las pruebas recientes sugieren que los nucléolos también están implicados en varios otros procesos celulares, incluyendo el ensamblaje y la modificación de varias pequeñas ribonucleoproteínas (RNPs), el secuestro de importantes proteínas reguladoras del ciclo celular, la exportación de otros ARN no ribosomales y el control de la senescencia o el envejecimiento celular.