Porów jądrowych - Nuclear pore

Porów jądrowych
Schemat ludzkiego jądra komórki.svg
Schemat ludzkiego jądra komórkowego. Pory jądrowe oznaczone w lewym dolnym rogu
Crop NuclearPore.png
Porów jądrowych. Widok z boku. 1. Koperta jądrowa. 2. Pierścień zewnętrzny. 3. Szprychy. 4. Koszyk. 5. Włókna. (Rysunek oparty jest na obrazach z mikroskopu elektronowego)
Detale
Identyfikatory
łacina Porus jądrowy
Siatka D022022
NS H1.00.01.2.01005
FMA 63148
Terminologia anatomiczna

Porów jądrowych jest częścią dużego kompleksu białka , znane jako kompleksu porów jądrowych , który obejmuje okryć jądrowych , który jest dwukrotnie membrana otaczająca eukariotycznej jądro komórkowe . W otoczce jądrowej komórki kręgowca znajduje się około 1000 kompleksów porów jądrowych (NPC), ale różnią się one w zależności od typu komórki i etapu cyklu życiowego. Ludzki kompleks porów jądrowych (hNPC) ma strukturę 110 megadaltonów (MDa). Białka tworzące kompleks porów jądrowych są znane jako nukleoporyny ; każdy NPC zawiera co najmniej 456 pojedynczych cząsteczek białkowych i składa się z 34 różnych białek nukleoporynowych. Około połowa nukleoporyn zazwyczaj zawiera solenoidowe domeny białkowe — albo alfa solenoid, albo beta-śmigło , albo w niektórych przypadkach obie jako oddzielne domeny strukturalne . Druga połowa wykazuje cechy strukturalne typowe dla „natywnie niesfałdowanych” lub wewnętrznie nieuporządkowanych białek , tj. są one wysoce elastycznymi białkami, które nie mają uporządkowanej struktury trzeciorzędowej. Te nieuporządkowane białka to nukleoporyny FG , nazywane tak, ponieważ ich sekwencja aminokwasowa zawiera wiele powtórzeń fenyloalaniny — glicyny .

Kompleksy porów jądrowych umożliwiają transport cząsteczek przez otoczkę jądrową. Transport ten obejmuje RNA i białka rybosomalne przemieszczające się z jądra do cytoplazmy oraz białka (takie jak polimeraza DNA i laminy ), węglowodany , cząsteczki sygnałowe i lipidy przemieszczające się do jądra. Warto zauważyć, że kompleks porów jądrowych (NPC) może aktywnie przeprowadzać 1000 translokacji na kompleks na sekundę. Chociaż mniejsze cząsteczki po prostu dyfundują przez pory, większe cząsteczki mogą być rozpoznawane przez specyficzne sekwencje sygnałowe, a następnie dyfundowane za pomocą nukleoporyn do lub z jądra. Niedawno wykazano, że te nukleoporyny mają specyficzne, zachowane ewolucyjnie cechy zakodowane w ich sekwencjach, które zapewniają wgląd w to, w jaki sposób regulują one transport cząsteczek przez pory jądrowe. Transport za pośrednictwem nukleoporyny nie wymaga bezpośrednio energii, ale zależy od gradientów stężeń związanych z cyklem RAN . Każda z ośmiu podjednostek białkowych otaczających właściwy por (pierścień zewnętrzny) wyrzuca białko w kształcie szprychy nad kanałem porowym. Środek porów często wydaje się zawierać strukturę podobną do korka. Nie wiadomo jeszcze, czy odpowiada to rzeczywistej wtyczce, czy jest to tylko ładunek zatrzymany w transporcie.

Rozmiar i złożoność

Cały kompleks porów jądra ma u kręgowców średnicę około 120 nanometrów. Średnica kanału waha się od 5,2 nanometra u człowieka do 10,7 nm u żaby Xenopus laevis , przy głębokości około 45 nm. mRNA, który jest jednoniciowy, ma grubość około 0,5 do 1 nm. Masa cząsteczkowa NPC ssaków wynosi około 124 megadaltonów (MDa) i zawiera około 30 różnych składników białkowych, każdy w wielu kopiach. Natomiast drożdże Saccharomyces cerevisiae są mniejsze, o masie zaledwie 66 MDa.

Transport przez kompleks porów jądrowych

Dalsze informacje: Transport jądrowy
Cykl Ran-GTP, import i eksport energii jądrowej
Pory jądrowe, blaszka i chromatyna

Małe cząstki (do 30–60 kDa ) są w stanie przejść przez kompleks porów jądrowych na drodze dyfuzji biernej. Większe cząstki są również zdolne do biernej dyfuzji przez dużą średnicę porów, z szybkością, która stopniowo maleje wraz z masą cząsteczkową. Wydajne przejście przez kompleks wymaga kilku czynników białkowych, a w szczególności receptorów transportu jądrowego, które wiążą się z cząsteczkami cargo i pośredniczą w ich translokacji przez NPC, albo do jądra ( importyny ), albo z niego ( eksportyny ). Największą rodziną receptorów transportu jądrowego są karioferyny , w skład których wchodzą dziesiątki zarówno importyn , jak i eksportyn ; rodzina ta jest dalej podzielona na podrodziny karioferyny-α i karioferyny-β. Inne receptory transportu jądrowego obejmują NTF2 i niektóre białka podobne do NTF2.

Zaproponowano trzy modele wyjaśniające mechanizm translokacji:

  • Gradienty powinowactwa wzdłuż centralnej wtyczki
  • Bramkowanie powinowactwa Browna
  • Faza selektywna

Import białek

Główny artykuł: sygnał lokalizacji jądrowej

Każdy ładunek z odsłoniętym sygnałem lokalizacji jądrowej (NLS) będzie przeznaczony do szybkiego i wydajnego transportu przez por. Znanych jest kilka sekwencji NLS, na ogół zawierających konserwatywną sekwencję z resztami zasadowymi, takimi jak PKKKRKV . Każdy materiał z NLS zostanie przeniesiony przez importyny do jądra.

Klasyczny schemat importu białka NLS zaczyna się od pierwszego wiązania importyny-α z sekwencją NLS, która następnie działa jako pomost dla przyłączenia importyny-β. Kompleks importinβ-importinα-cargo jest następnie kierowany do porów jądrowych i dyfunduje przez niego. Gdy kompleks znajdzie się w jądrze, RanGTP wiąże się z importyną-β i wypiera ją z kompleksu. Następnie komórkowe białko podatności na apoptozę (CAS), eksportyna, która w jądrze jest związana z RanGTP, wypiera importynę-α z ładunku. Białko NLS jest zatem wolne w nukleoplazmie. Kompleks Importyna β-RanGTP i Importyna α-CAS-RanGTP dyfunduje z powrotem do cytoplazmy, gdzie GTP są hydrolizowane do GDP, co prowadzi do uwolnienia Importyny β i Importiny α, które stają się dostępne dla nowej rundy importu białka NLS.

Chociaż ładunek przechodzi przez por z pomocą białek opiekuńczych, translokacja przez sam por nie jest zależna od energii. Jednak cały cykl importu wymaga hydrolizy 2 GTP, a zatem jest zależny od energii i musi być uważany za transport aktywny . Cykl importu jest zasilany przez gradient nukleocytoplazmatyczny RanGTP. Ten gradient wynika z wyłącznej lokalizacji jądrowej RanGEFs, białek, które wymieniają GDP na GTP na cząsteczkach Ran. Tak więc w jądrze występuje podwyższone stężenie RanGTP w porównaniu z cytoplazmą.

Eksport białek

Niektóre cząsteczki lub kompleksy makromolekularne muszą zostać wyeksportowane z jądra do cytoplazmy, podobnie jak podjednostki rybosomów i informacyjne RNA . Istnieje zatem mechanizm eksportu podobny do mechanizmu importu.

W klasycznym schemacie eksportu białka z sekwencją eksportu jądrowego (NES) mogą wiązać się w jądrze tworząc heterotrimeryczny kompleks z eksportyną i RanGTP (na przykład eksportyną CRM1). Kompleks może następnie dyfundować do cytoplazmy, gdzie GTP jest hydrolizowany i uwalniane jest białko NES. CRM1-RanGDP dyfunduje z powrotem do jądra, gdzie GDP jest wymieniane na GTP przez RanGEF. Proces ten jest również zależny od energii, ponieważ zużywa jeden GTP. Eksport z eksportyną CRM1 może być hamowany przez Leptomycynę B.

Eksport RNA

Zobacz także: bramkowanie genów

Istnieją różne ścieżki eksportu przez NPC dla każdej istniejącej klasy RNA . Eksport RNA jest również za pośrednictwem sygnału (NES); NES znajduje się w białkach wiążących RNA (z wyjątkiem tRNA, które nie ma adaptera). Warto zauważyć, że wszystkie wirusowe RNA i komórkowe RNA ( tRNA , rRNA , U snRNA , mikroRNA ) z wyjątkiem mRNA są zależne od RanGTP. Konserwatywne czynniki eksportu mRNA są niezbędne do eksportu mRNA do jądra. Czynniki eksportu to Mex67/Tap (duża podjednostka) i Mtr2/p15 (mała podjednostka). Uważa się, że u wyższych eukariontów eksport mRNA jest zależny od splicingu, który z kolei rekrutuje kompleks białkowy TREX do wiadomości splicingowych. TREX działa jako adapter dla TAP, który jest białkiem bardzo słabo wiążącym RNA. Istnieją jednak alternatywne szlaki eksportu mRNA, które nie opierają się na splicingu dla wyspecjalizowanych komunikatów, takich jak histony. Ostatnie prace sugerują również wzajemne oddziaływanie między eksportem zależnym od splicingu a jednym z tych alternatywnych szlaków eksportu mRNA dla transkryptów wydzielniczych i mitochondrialnych.

Zgromadzenie NPC

Jądro komórkowe z porami.

Ponieważ NPC kontroluje dostęp do genomu, ważne jest, aby występował on w dużych ilościach na etapach cyklu komórkowego, gdzie konieczna jest duża ilość transkrypcji. Na przykład, cykle komórek ssaków i drożdży podwajają ilość NPC w jądrze między fazą G1 i G2 cyklu komórkowego , a oocyty gromadzą dużą liczbę NPC, aby przygotować się do szybkiej mitozy, która występuje we wczesnych stadiach rozwoju. Komórki interfazowe muszą również utrzymywać poziom generowania NPC, aby utrzymać stały poziom NPC w komórce, ponieważ niektóre mogą ulec uszkodzeniu. Niektóre komórki mogą nawet zwiększyć liczbę NPC z powodu zwiększonego zapotrzebowania na transkrypcję.

Teorie montażu

Istnieje kilka teorii na temat tworzenia NPC. Ponieważ immunodeplecja niektórych kompleksów białkowych, takich jak kompleks Nup 107-160, prowadzi do tworzenia jąder bez porów, wydaje się prawdopodobne, że kompleksy Nup biorą udział w łączeniu zewnętrznej błony otoczki jądrowej z wewnętrzną, a nie że stapianie się membrany rozpoczyna tworzenie się porów. Istnieje kilka sposobów, w jakie może to doprowadzić do utworzenia pełnego NPC.

  • Jedną z możliwości jest to, że jako kompleks białkowy wiąże się z chromatyną . Następnie umieszcza się go w podwójnej membranie w pobliżu chromatyny. To z kolei prowadzi do stapiania się tej membrany. Wokół tego kompleksu białkowego inne ostatecznie wiążą się, tworząc NPC. Ta metoda jest możliwa podczas każdej fazy mitozy, ponieważ podwójna błona jest obecna wokół chromatyny, zanim kompleks białek fuzyjnych błony będzie mógł się wstawić. Komórki postmitotyczne mogą najpierw utworzyć błonę, w którą po utworzeniu wstawia się pory.
  • Innym modelem tworzenia NPC jest produkcja prepory jako początku, w przeciwieństwie do pojedynczego kompleksu białkowego. Ten prepor utworzyłby się, gdy kilka kompleksów Nup połączy się i zwiąże z chromatyną. Spowodowałoby to powstanie wokół niego podwójnej membrany podczas ponownego składania mitotycznego. Możliwe struktury preporów zaobserwowano na chromatynie przed utworzeniem otoczki jądrowej (NE) przy użyciu mikroskopii elektronowej. Podczas interfazy cyklu komórkowego powstanie prepor w jądrze, przy czym każdy składnik jest transportowany przez istniejące NPC. Te Nups po utworzeniu wiązałyby się z importyną, zapobiegając tworzeniu się preporów w cytoplazmie. Po przetransportowaniu do jądra Ran GTP wiązałby się z importyną i powodował uwolnienie ładunku. Ten Nup mógłby swobodnie tworzyć preporę. Wiązanie importyny ma co najmniej wykazano doprowadzić NUP 107 i 153 nucleoporins NUP do jądra. Montaż NPC jest bardzo szybkim procesem, jednak występują określone stany pośrednie, co prowadzi do przekonania, że ​​montaż odbywa się w sposób stopniowy.

Demontaż

Podczas mitozy NPC wydaje się rozkładać etapami. Obwodowych nucleoporins takie jak oddzielić od NPC NUP 153 NUP 98 i 214 NUP. Reszta, którą można uznać za białka szkieletowe, pozostaje stabilna, jako cylindryczne kompleksy pierścieniowe w otoczce jądrowej. Uważa się, że ten rozkład obwodowych grup NPC jest w dużej mierze napędzany fosforanami, ponieważ kilka z tych nukleoporyn jest fosforylowanych podczas etapów mitozy. Jednak enzym biorący udział w fosforylacji jest nieznany in vivo. W metazoan (które przechodzą otwartą mitozę) NE ulega szybkiej degradacji po utracie obwodowych Nups. Powodem tego może być zmiana architektury NPC. Ta zmiana może sprawić, że NPC będzie bardziej przepuszczalny dla enzymów biorących udział w degradacji NE, takich jak tubulina cytoplazmatyczna, a także umożliwi wejście kluczowych białek regulatora mitotycznego. W organizmach przechodzących półotwartą mitozę, takich jak grzyb nitkowaty Aspergillus nidulans , 14 z 30 nukleoporyn odłącza się od struktury szkieletu rdzenia, napędzane przez aktywację kinaz NIMA i Cdk1, które fosforylują nukleoporyny i otwierają pory jądrowe, poszerzając w ten sposób pory jądrowe i umożliwienie wejścia regulatorów mitotycznych.

Zachowanie integralności

Wykazano, u grzybów, które przechodzą mitozę zamkniętą (gdzie jądro się nie rozpada), że zmiana bariery przepuszczalności NE była spowodowana zmianami w obrębie NPC i umożliwia wejście regulatorów mitotycznych. W Aspergillus nidulans wydaje się, że na skład NPC wpływa mitotyczna kinaza NIMA, prawdopodobnie przez fosforylację nukleoporyn Nup98 i Gle2/Rae1. Ta przebudowa wydaje się umożliwiać kompleksowi białkowemu cdc2/cyklinaB wejście do jądra, jak również wielu innym białkom, takim jak rozpuszczalna tubulina. Rusztowanie NPC pozostaje nienaruszone podczas całej zamkniętej mitozy. Wydaje się, że zachowuje to integralność NE.

Bibliografia

Zewnętrzne linki