Ядерный поровый комплекс | |
---|---|
Подробности | |
Идентификаторы | |
латинский | пора нуклеарис |
МеШ | Д022022 |
ТН | Н1.00.01.2.01005 |
ФМА | 63148 |
Анатомическая терминология [править на Wikidata] |
Ядерный поровый комплекс ( NPC ) — это большой белковый комплекс, дающий начало ядерной поре . Ядерные поры находятся в ядерной оболочке , которая окружает ядро клетки в эукариотических клетках . Ядерная оболочка усеяна большим количеством ядерных пор, которые обеспечивают доступ различным молекулам к нуклеоплазме и цитоплазме и обратно . Небольшие молекулы могут легко диффундировать , но другие более крупные молекулы должны быть транспортированы . [1]
Комплекс ядерных пор состоит преимущественно из белков, известных как нуклеопорины (Nups). Каждый человеческий NPC состоит примерно из 1000 отдельных белковых молекул из эволюционно консервативного набора из 35 различных нуклеопоринов. [2] В 2022 году около 90% структуры человеческого NPC было выяснено в открытой и закрытой конформации и опубликовано в специальном выпуске Science, представленном на обложке. [3] [4] [5] [6] В 2024 году была решена структура ядерной корзины, что завершило определение структуры NPC. [7]
Около половины нуклеопоринов охватывают домены соленоидных белков , такие как альфа-соленоиды или бета-пропеллерные складки, а иногда и то и другое как отдельные структурные домены . Напротив, оставшиеся нуклеопорины демонстрируют характеристики «исконно развернутых» или внутренне неупорядоченных белков , характеризующихся высокой гибкостью и отсутствием упорядоченной третичной структуры . Эти неупорядоченные белки, называемые FG-нуклеопоринами (FG-Nups), содержат множественные повторы фенилаланина и глицина ( повторы FG ) в своих аминокислотных последовательностях. [8] FG-Nups является одним из трех основных типов нуклеопоринов, обнаруженных в NPC. Два других — это трансмембранные Nups и каркасные Nups. Трансмембранные Nups состоят из трансмембранных альфа-спиралей и играют жизненно важную роль в закреплении NPC на ядерной оболочке. Скелетные клетки Nups состоят из альфа-соленоидных и бета-пропеллерных складок и создают структурный каркас NPC. [9]
Основная функция ядерных поровых комплексов заключается в обеспечении избирательного мембранного транспорта различных молекул через ядерную оболочку. Это включает транспортировку РНК и рибосомальных белков из ядра в цитоплазму , а также белков (таких как ДНК-полимераза и ламины ), углеводов , сигнальных молекул и липидов , перемещающихся в ядро. Примечательно, что ядерный поровый комплекс (NPC) может активно опосредовать до 1000 транслокаций на комплекс в секунду.
Эволюционно консервативные особенности в последовательностях, которые кодируют нуклеопорины, регулируют молекулярный транспорт через ядерную пору. [10] [11] Транспорт, опосредованный нуклеопоринами, не влечет за собой прямых затрат энергии, а вместо этого опирается на градиенты концентрации, связанные с циклом RAN (цикл ядерного белка, связанного с Ras).
Количество ядерных поровых комплексов варьируется в зависимости от типа клеток и различных стадий жизненного цикла клетки, при этом в клетках позвоночных обычно обнаруживается около 1000 NPC. [12] Человеческий ядерный поровый комплекс (hNPC) представляет собой существенную структуру с молекулярной массой 120 мегадальтон (МДа). [13] Каждый NPC состоит из восьми белковых субъединиц, окружающих фактическую пору, образуя внешнее кольцо. Кроме того, эти субъединицы проецируют белок в форме спицы над каналом поры. Центральная область поры может иметь структуру, похожую на пробку; однако ее точная природа остается неизвестной, и пока не определено, представляет ли она фактическую пробку или просто груз, временно захваченный при транзите.
Ядерный поровый комплекс (NPC) является важнейшей клеточной структурой с диаметром около 120 нанометров у позвоночных. Его канал варьируется от 5,2 нанометров у людей [14] до 10,7 нм у лягушки Xenopus laevis , с глубиной около 45 нм. [15] Кроме того, мРНК, будучи одноцепочечной, имеет толщину в диапазоне от 0,5 до 1 нм. NPC млекопитающих имеет молекулярную массу около 124 мегадальтон (МДа), включающую около 30 отдельных белковых компонентов, каждый в нескольких копиях. NPC млекопитающих содержат около 800 нуклеопоринов каждый, которые организованы в отдельные подкомплексы NPC. [16] Напротив, дрожжи Saccharomyces cerevisiae обладают меньшей массой, оцениваемой всего в 66 МДа. [17]
Ядерный поровый комплекс (NPC) служит высокорегулируемым шлюзом для транспорта молекул между ядром и цитоплазмой. Эта сложная система обеспечивает селективный проход для молекул, включая белки, РНК и сигнальные молекулы, обеспечивая надлежащую клеточную функцию и гомеостаз. Небольшие молекулы, такие как белки, вода и ионы, могут диффундировать через NPC, но грузы (>40 кДа ), такие как РНК и белок, требуют участия растворимых транспортных рецепторов. [18]
Крупнейшее семейство ядерных транспортных рецепторов — это кариоферины, также известные как импортины или экспортины . Это суперсемейство ядерных транспортных рецепторов, которые облегчают транслокацию белков, РНК и рибонуклеарных частиц через NPC в процессе, зависящем от гидролазы Ran GTP. [19] Это семейство далее подразделяется на подсемейства кариоферина -α и кариоферина -β. Другие ядерные транспортные рецепторы включают NTF2 и некоторые NTF2-подобные белки.
Для объяснения механизма транслокации были предложены три модели:
Ядерные белки синтезируются в цитоплазме и должны быть импортированы через NPC в ядро. Импорт может быть направлен различными сигналами, из которых лучше всего охарактеризован сигнал ядерной локализации (NLS). [20] Известно несколько последовательностей NLS, обычно содержащих консервативную последовательность с основными остатками, такими как PKKKRKV. Любой материал с NLS будет захвачен импортинами в ядро. [ необходима цитата ]
Импорт начинается с связывания Importin-α с последовательностью NLS грузовых белков, образуя комплекс. Затем Importin-β присоединяется к Importin-α, облегчая транспорт к NPC. [ необходима цитата ]
Когда комплекс достигает NPC, он диффундирует через пору без необходимости в дополнительной энергии. При входе в ядро RanGTP связывается с Importin-β и вытесняет его из комплекса. Затем белок восприимчивости к клеточному апоптозу (CAS), экспортин, который в ядре связан с RanGTP, вытесняет Importin-α из груза. Таким образом, NLS-белок остается свободным в нуклеоплазме. Комплекс Importinβ-RanGTP и Importinα-CAS-RanGTP диффундирует обратно в цитоплазму, где GTP гидролизуются до GDP, что приводит к высвобождению Importinβ и Importinα, которые становятся доступными для нового раунда импорта NLS-белка. [ необходима цитата ]
Хотя транслокация через NPC не зависит от энергии, общий цикл импорта требует гидролиза двух молекул GTP, что делает его активным транспортным процессом. Цикл импорта питается ядерно-цитоплазматическим градиентом RanGTP. Этот градиент возникает из-за исключительной ядерной локализации RanGEFs, белков, которые обменивают GDP на GTP на молекулах Ran. Таким образом, в ядре наблюдается повышенная концентрация RanGTP по сравнению с цитоплазмой. [ необходима цитата ]
В дополнение к ядерному импорту, некоторые молекулы и макромолекулярные комплексы, такие как субъединицы рибосомы и матричные РНК , требуют экспорта из ядра в цитоплазму. Этот процесс экспорта отражает механизм импорта по сложности и важности. [ необходима цитата ]
В классическом сценарии экспорта белки с последовательностью ядерного экспорта (NES) образуют гетеротримерный комплекс с экспортином и RanGTP внутри ядра. Примером такого экспортина является CRM1. Этот комплекс впоследствии транслоцируется в цитоплазму , где происходит гидролиз GTP, высвобождая белок, содержащий NES. Полученный комплекс CRM1-RanGDP возвращается в ядро, где RanGEF катализируют обмен GDP на GTP на Ran, пополняя источник энергии системы. Весь этот процесс зависит от энергии и потребляет одну молекулу GTP. Примечательно, что экспортная активность, опосредованная CRM1, может быть ингибирована такими соединениями, как лептомицин B
Различные пути экспорта через NPC для различных классов РНК. Экспорт РНК опосредован сигналами, при этом сигналы ядерного экспорта (NES) присутствуют в РНК-связывающих белках, за исключением тРНК, у которой отсутствует адаптер. Примечательно, что все вирусные РНК и клеточные РНК ( тРНК , рРНК , U snRNA , микроРНК ), за исключением мРНК, зависят от RanGTP. Для ядерного экспорта мРНК необходимы консервативные факторы экспорта мРНК. Факторами экспорта являются Mex67/Tap (большая субъединица) и Mtr2/p15 (малая субъединица). [ необходима цитата ]
У высших эукариот экспорт мРНК считается зависимым от сплайсинга. Сплайсинг привлекает комплекс белка TREX к сплайсированным сообщениям, служа адаптером для TAP, низкоаффинного РНК-связывающего белка. Однако существуют альтернативные пути экспорта мРНК, которые не полагаются на сплайсинг для специализированных сообщений, таких как гистоны. Недавние исследования также предполагают взаимодействие между экспортом, зависимым от сплайсинга, и одним из этих альтернативных путей экспорта мРНК для секреторных и митохондриальных транскриптов. [21]
Поскольку NPC регулирует доступ к геному, его присутствие в значительных количествах на стадиях клеточного цикла, характеризующихся высокими скоростями транскрипции, имеет решающее значение. Например, циклические клетки млекопитающих и дрожжей удваивают количество NPC в ядре между фазами G1 и G2. Аналогично, ооциты накапливают обильные NPC в ожидании быстрой митотической активности во время раннего развития. Более того, интерфазные клетки должны поддерживать генерацию NPC для поддержания постоянных уровней NPC, так как некоторые из них могут получить повреждения. Более того, некоторые клетки могут даже увеличивать количество NPC из-за возросшей потребности в транскрипции. [22]
Существует несколько теорий относительно того, как собираются NPC. Поскольку иммунодеплеция определенных белковых комплексов, таких как комплекс Nup 107–160, приводит к образованию ядер без пор, кажется вероятным, что комплексы Nup участвуют в слиянии внешней мембраны ядерной оболочки с внутренней, а не слияние мембраны начинает формирование поры. [ необходима цитата ] Существует несколько способов, которыми это может привести к образованию полного NPC.
Во время митоза NPC, по-видимому, разбирается поэтапно, за исключением низших эукариот, таких как дрожжи, у которых разборка NPC не происходит во время митоза. [25] Периферические нуклеопорины , такие как Nup153, Nup98 и Nup214, диссоциируют от NPC. Остальные, которые можно считать каркасными белками , остаются стабильными в виде цилиндрических кольцевых комплексов внутри ядерной оболочки. Считается, что эта разборка периферических групп NPC в значительной степени обусловлена фосфатом, поскольку некоторые из этих нуклеопоринов фосфорилируются во время стадий митоза. Однако фермент, участвующий в фосфорилировании, неизвестен in vivo. У многоклеточных животных (которые подвергаются открытому митозу) NE быстро деградирует после потери периферических Nups. Причина этого может быть связана с изменением архитектуры NPC. Это изменение может сделать NPC более проницаемым для ферментов, участвующих в деградации NE, таких как цитоплазматический тубулин, а также позволяет проникать ключевым митотическим регуляторным белкам. У организмов, которые претерпевают полуоткрытый митоз, таких как нитчатый гриб Aspergillus nidulans , 14 из 30 нуклеопоринов разбираются с основной структурой каркаса, что обусловлено активацией киназ NIMA и Cdk1, которые фосфорилируют нуклеопорины и открывают ядерные поры [26] [27], тем самым расширяя ядерную пору и позволяя проникать митотическим регуляторам. [28]
У грибов , проходящих закрытый митоз , где ядро остается нетронутым, изменения в барьере проницаемости ядерной оболочки приписываются изменениям в пределах NPC. Эти изменения облегчают проникновение митотических регуляторов в ядро. Исследования Aspergillys nidulans показывают, что состав NPC, по-видимому, зависит от митотивной киназы NIMA. NIMA потенциально фосфорилирует нуклеопорины Nup98 и Gle2/Rae1, что приводит к ремоделированию NPC. [29] Это ремоделирование обеспечивает проникновение в ядро белкового комплекса cdc2/cyclinB и различных других белков, включая растворимый тубулин. Каркас NPC остается нетронутым на протяжении всего закрытого митоза. Это, по-видимому, сохраняет целостность ядерной оболочки. [ необходима цитата ]