stringtranslate.com

Ядерная пора

Ядерная пора — это канал в составе комплекса ядерной поры ( NPC ), большого белкового комплекса, обнаруженного в ядерной оболочке эукариотических клеток . Ядерная оболочка (NE) окружает ядро ​​клетки, содержащее ДНК , и облегчает избирательный мембранный транспорт различных молекул.

Комплекс ядерной поры в основном состоит из белков, известных как нуклеопорины (Nups). Каждый человеческий NPC состоит по меньшей мере из 456 отдельных белковых молекул, с 34 различными белками нуклеопоринами , [1] в 2022 году было известно 90% структуры, [2] затем в 2024 году была расшифрована ядерная корзина. [3] Около половины нуклеопоринов охватывают домены соленоидных белков, такие как альфа-соленоиды или складки бета-пропеллера , а иногда и то и другое как отдельные структурные домены . Напротив, остальные 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 - глицина (повторы FG) в своих аминокислотных последовательностях. [4] FG-Nups — один из трех основных типов нуклеопоринов , обнаруженных в NPC. Два других — трансмембранные Nups и каркасные Nups. Трансмембранные Nups состоят из трансмембранных α-спиралей и играют важную роль в закреплении NPC на ядерной оболочке . Каркасные Nups состоят из складок α-соленоида и β-пропеллера и создают структурный каркас NPC. [5]

Основная функция ядерных поровых комплексов заключается в содействии избирательному мембранному транспорту 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. В то время как более мелкие молекулы могут пассивно диффундировать через поры, более крупные молекулы часто идентифицируются специфическими сигнальными последовательностями и облегчаются нуклеопоринами для пересечения ядерной оболочки.

Эволюционно консервативные особенности в последовательностях, которые кодируют нуклеопорины , регулируют молекулярный транспорт через ядерную пору. [6] [7] Опосредованный нуклеопоринами транспорт не влечет за собой прямого расхода энергии, а вместо этого опирается на градиенты концентрации, связанные с циклом RAN (Ras-связанный ядерный белковый цикл).

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. [8] Человеческий ядерный поровый комплекс (hNPC) представляет собой существенную структуру с молекулярной массой 120 мегадальтон (МДа). [9] 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.

Комплекс ядерных пор: размер и состав

Ядерный поровый комплекс (NPC) является важнейшей клеточной структурой с диаметром около 120 нанометров у позвоночных. Его канал варьируется от 5,2 нанометров у людей [10] до 10,7 нм у лягушки Xenopus laevis , с глубиной около 45 нм. [11] 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. [12] Напротив, дрожжи Saccharomyces cerevisiae обладают меньшей массой, оцениваемой всего в 66 МДа. [13]

Транспорт через комплекс ядерных пор

Цикл Ran-GTP, который управляет импортом и экспортом РНК и белков через ядерный белковый комплекс.
Сканирующая и иллюминационная микроскопия ядерных пор, пластинки и хроматина .

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. [14]

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. [15] 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:

Импорт белков

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). [16] 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 ]

Экспорт белков

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

Экспорт РНК

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. [17]

Ассамблея ВСНП

Ядро клетки, содержащее ядерные поры.

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. [18]

Теории сборки

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.

Разборка

Во время митоза NPC, по-видимому, разбирается поэтапно, за исключением низших эукариот, таких как дрожжи, у которых разборка NPC не происходит во время митоза. [21] Периферические нуклеопорины , такие как Nup 153, Nup 98 и Nup 214, 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, in vivo неизвестен. 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 [22] [23], тем самым расширяя ядерную пору и позволяя проникать митотическим регуляторам. [24]

Сохранение целостности

У грибов, проходящих закрытый митоз , где ядро ​​остается нетронутым, изменения в барьере проницаемости ядерной оболочки (NE) приписываются изменениям в 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. [25] 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 NE. [ необходима цитата ]

Ссылки

  1. ^ Lin, DH, Stuwe, T., Schilbach, S., Rundlet, EJ, Perriches, T., Mobbs, G., ... Hoelz, A. (2016). Архитектура симметричного ядра комплекса ядерной поры. Science, 352(6283), aaf1015. http://doi.org/10.1126/science.aaf1015
  2. ^ Mosalaganti S, Obarska-Kosinska A, Siggel M, Taniguchi R, Turoňová B, Zimmerli CE и др. (10 июня 2022 г.). «Прогнозирование структуры на основе ИИ расширяет возможности интегративного структурного анализа ядерных пор человека». Science . 376 (6598): eabm9506. doi :10.1126/science.abm9506. ISSN  0036-8075. PMID  35679397. Архивировано из оригинала 16 мая 2024 г. . Получено 16 мая 2024 г. .
  3. ^ Singh D, Soni N, Hutchings J, Echeverria I, Shaikh F, Duquette M и др. (9 августа 2024 г.). «Молекулярная архитектура ядерной корзины». Cell . doi : 10.1016/j.cell.2024.07.020 .
  4. ^ Field MC, Rout MP (3 апреля 2019 г.). «Время пор: эволюционное происхождение ядра и комплекса ядерных пор». F1000Research . 8 : 369. doi : 10.12688/f1000research.16402.1 . PMC 6449795 . PMID  31001417. 
  5. ^ Наг Н., Сасидхаран С., Уверский В.Н., Саудагар П., Трипати Т. (апрель 2022 г.). «Фазовое разделение FG-нуклеопоринов в комплексах ядерных пор». Biochimica et Biophysical Acta (BBA) - Исследования молекулярных клеток . 1869 (4): 119205. doi : 10.1016/j.bbamcr.2021.119205 . ПМИД  34995711.
  6. ^ Peyro M, Soheilypour M, Lee BL, Mofrad MR (ноябрь 2015 г.). «Эволюционно консервативные особенности последовательностей регулируют формирование сети FG в центре комплекса ядерных пор». Scientific Reports . 5 : 15795. Bibcode :2015NatSR...515795P. doi :10.1038/srep15795. PMC 4635341 . PMID  26541386. 
  7. ^ Ando D, Colvin M, Rexach M, Gopinathan A (16 сентября 2013 г.). "Физическая кластеризация мотивов в последовательностях внутренне неупорядоченных нуклеопоринов выявляет универсальные функциональные особенности". PLOS ONE . ​​8 (9): e73831. Bibcode :2013PLoSO...873831A. doi : 10.1371/journal.pone.0073831 . PMC 3774778 . PMID  24066078. 
  8. ^ Адам СА (2001). «Комплекс ядерных пор». Геномная биология . 2 (9): REVIEWS0007. doi : 10.1186/gb-2001-2-9-reviews0007 . PMC 138961. PMID  11574060 . 
  9. ^ Ibarra A, Hetzer MW (февраль 2015 г.). «Ядерные поровые белки и контроль функций генома». Genes & Development . 29 (4): 337–349. doi :10.1101/gad.256495.114. PMC 4335290. PMID  25691464 . 
  10. ^ Mohr D, Frey S, Fischer T, Güttler T, Görlich D (сентябрь 2009 г.). «Характеристика пассивного барьера проницаемости комплексов ядерных пор». The EMBO Journal . 28 (17): 2541–2553. doi :10.1038/emboj.2009.200. PMC 2728435. PMID  19680228 . 
  11. ^ Maimon T, Medalia O (2010). «Перспективы комплекса ядерных пор метазоа». Nucleus . 1 (5): 383–386. doi :10.4161/nucl.1.5.12332. ISSN  1949-1034. PMC 3037531 . PMID  21326819. 
  12. ^ Kutay U, Jühlen R, Antonin W (1 декабря 2021 г.). «Митотическая разборка и повторная сборка комплексов ядерных пор». Trends in Cell Biology . 31 (12): 1019–1033. doi : 10.1016/j.tcb.2021.06.011. hdl : 20.500.11850/518955 . ISSN  0962-8924. PMID  34294532. Архивировано из оригинала 8 февраля 2024 г. Получено 12 февраля 2024 г.
  13. ^ Turton HE, Dawes IW, Grant CM (1997). «Saccharomyces cerevisiae проявляет адаптивный ответ на малоновый диальдегид, опосредованный yAP-1». Journal of Bacteriology . 179 (4): 1096–1101. doi :10.1128/jb.179.4.1096-1101.1997. ISSN  0021-9193. PMC 178803 . PMID  9023189. 
  14. ^ "Комплекс ядерных пор - обзор | Темы ScienceDirect". www.sciencedirect.com . Архивировано из оригинала 15 февраля 2024 г. . Получено 15 февраля 2024 г. .
  15. ^ "Karyopherin - an overview | ScienceDirect Topics". www.sciencedirect.com . Архивировано из оригинала 15 февраля 2024 г. . Получено 15 февраля 2024 г. .
  16. ^ Görlich D (1 июня 1997 г.). «Импорт ядерного белка». Current Opinion in Cell Biology . 9 (3): 412–419. doi :10.1016/S0955-0674(97)80015-4. hdl : 11858/00-001M-0000-002D-1CC5-E . ISSN  0955-0674. PMID  9159081.
  17. ^ Cenik C, Chua HN, Zhang H, Tarnawsky SP, Akef A, Derti A и др. (апрель 2011 г.). «Анализ генома выявляет взаимодействие между интронами 5'UTR и экспортом ядерной мРНК для секреторных и митохондриальных генов». PLOS Genetics . 7 (4): e1001366. doi : 10.1371/journal.pgen.1001366 . PMC 3077370 . PMID  21533221. 
  18. ^ ab Rabut G, Lénárt P, Ellenberg J (июнь 2004 г.). «Динамика организации комплекса ядерной поры в течение клеточного цикла». Current Opinion in Cell Biology . 16 (3): 314–321. doi :10.1016/j.ceb.2004.04.001. PMID  15145357.
  19. ^ Sheehan MA, Mills AD, Sleeman AM, Laskey RA, Blow JJ (январь 1988 г.). «Этапы сборки репликационно-компетентных ядер в бесклеточной системе из яиц Xenopus». Журнал клеточной биологии . 106 (1): 1–12. doi :10.1083/jcb.106.1.1. PMC 2114961. PMID  3339085 . 
  20. ^ Киселева Е., Резерфорд С., Коттер Л.М., Аллен Т.Д., Голдберг М.В. (октябрь 2001 г.). «Шаги разборки и повторной сборки комплекса ядерной поры во время митоза у ранних эмбрионов дрозофилы». Journal of Cell Science . 114 (Pt 20): 3607–3618. doi :10.1242/jcs.114.20.3607. PMID  11707513. Архивировано из оригинала 13 сентября 2019 г. . Получено 4 ноября 2008 г. .
  21. ^ Hampoelz B, Andres-Pons A, Kastritis P, Beck M (6 мая 2019 г.). «Структура и сборка комплекса ядерной поры». Annual Review of Biophysics . 48 (1): 515–536. doi :10.1146/annurev-biophys-052118-115308. ISSN  1936-122X. PMID  30943044. Архивировано из оригинала 26 апреля 2021 г. Получено 14 февраля 2024 г.
  22. ^ Markossian S, Suresh S, Osmani AH, Osmani SA (февраль 2015 г.). «Nup2 требует сильно дивергентного партнера, NupA, для выполнения функций в комплексах ядерных пор и митотическом хроматиновом регионе». Молекулярная биология клетки . 26 (4): 605–621. doi :10.1091/mbc.E14-09-1359. PMC 4325833. PMID  25540430 . 
  23. ^ De Souza CP, Osmani AH, Hashmi SB, Osmani SA (ноябрь 2004 г.). «Частичная разборка комплекса ядерной поры во время закрытого митоза у Aspergillus nidulans». Current Biology . 14 (22): 1973–1984. Bibcode : 2004CBio...14.1973D. doi : 10.1016/j.cub.2004.10.050 . PMID  15556859. S2CID  14782686.
  24. ^ De Souza CP, Osmani SA (сентябрь 2007 г.). «Митоз, а не просто открытый или закрытый». Eukaryotic Cell . 6 (9): 1521–1527. doi :10.1128/EC.00178-07. PMC 2043359. PMID  17660363 . 
  25. ^ Liu HL, De Souza CP, Osmani AH, Osmani SA (15 января 2009 г.). «Три белка комплекса грибковых трансмембранных ядерных пор Aspergillus nidulans необязательны в присутствии неповрежденного комплекса An-Nup84-120». Молекулярная биология клетки . 20 (2): 616–630. doi :10.1091/mbc.E08-06-0628. ISSN  1059-1524. PMC 2626566. PMID 19019988  . 

Внешние ссылки

На Викискладе есть медиафайлы по теме «Ядерная пора» .