Сигнал или последовательность ядерной локализации ( NLS ) представляет собой аминокислотную последовательность, которая «маркирует» белок для импорта в ядро клетки посредством ядерного транспорта . [1] Обычно этот сигнал состоит из одной или нескольких коротких последовательностей положительно заряженных лизинов или аргининов, экспонированных на поверхности белка. [1] Различные белки, локализованные в ядре, могут иметь один и тот же NLS. [1] NLS выполняет функцию, противоположную сигналу ядерного экспорта (NES), который нацелен на белки из ядра.
Эти типы NLS можно далее классифицировать как однодольные или двудольные. Основные структурные различия между ними заключаются в том, что два основных аминокислотных кластера в двудольных NLS разделены относительно короткой спейсерной последовательностью (следовательно, двудольные - 2 части), тогда как однодольные NLS - нет. Первым обнаруженным NLS была последовательность PKKKRKV в большом Т-антигене SV40 (однодольный NLS). [2] NLS нуклеоплазмина , KR[PAATKKAGQA]KKKK, является прототипом повсеместного двудольного сигнала: два кластера основных аминокислот, разделенных спейсером из примерно 10 аминокислот. [3] Оба сигнала распознаются импортином α . Импортин α сам содержит двудольный NLS, который специфически распознается импортином β . Последний можно считать фактическим посредником импорта.
Челский и др . предложили консенсусную последовательность KK/RXK/R для однодольных NLS. [3] Таким образом, последовательность Челского может быть частью нижестоящего базового кластера двудольного NLS. Мекка и др . провели сравнительный мутагенез сигналов ядерной локализации Т-антигена SV40 (однодольный), C-myc (однодольный) и нуклеоплазмина (двудольный) и показали аминокислотные особенности, общие для всех трех. Впервые показана роль нейтральных и кислых аминокислот в повышении эффективности NLS. [4]
Ротелло и др . сравнили эффективность ядерной локализации слитых с eGFP NLS большого T-антигена SV40, нуклеоплазмина (AVKRPAATKKAGQAKKKKLD), EGL-13 (MSRRRKANPTKLSENAKKLAKEVEN), c-Myc (PAAKRVKLD) и TUS-белка (KLKIKRPVK) посредством быстрой внутриклеточной доставки белка. Они обнаружили значительно более высокую эффективность ядерной локализации c-Myc NLS по сравнению с SV40 NLS. [5]
Существует много других типов NLS, таких как кислый домен M9 hnRNP A1, последовательность KIPIK в репрессоре транскрипции дрожжей Matα2 и сложные сигналы U snRNP. Большинство этих NLS, по-видимому, распознаются непосредственно специфическими рецепторами семейства импортина β без вмешательства импортина α-подобного белка. [6]
Сигнал, который, по-видимому, специфичен для массово продуцируемых и транспортируемых рибосомальных белков [7, 8] , по-видимому, поступает со специализированным набором импортин-β-подобных ядерных рецепторов импорта. [9]
Недавно был предложен класс NLS, известный как PY-NLS, первоначально Lee et al. [10] Этот мотив PY-NLS, названный так из-за наличия в нем пары аминокислот пролин - тирозин , позволяет белку связываться с импортином β2 (также известным как транспортин или кариоферин β2), который затем перемещает белок-груз в ядро. . Определена структурная основа связывания PY-NLS, содержащегося в импортине β2, и разработан ингибитор импорта. [11]
Наличие ядерной мембраны, которая изолирует клеточную ДНК, является определяющей особенностью эукариотических клеток . Таким образом, ядерная мембрана отделяет ядерные процессы репликации ДНК и транскрипции РНК от цитоплазматического процесса производства белка. Белки, необходимые в ядре, должны быть направлены туда каким-то механизмом. Первое прямое экспериментальное исследование способности ядерных белков накапливаться в ядре было проведено Джоном Гердоном, когда он показал, что очищенные ядерные белки накапливаются в ядре ооцитов лягушки ( Xenopus ) после микроинъекции в цитоплазму. Эти эксперименты были частью серии, которая впоследствии привела к исследованиям ядерного перепрограммирования, имеющим непосредственное отношение к исследованиям стволовых клеток.
Наличие нескольких миллионов поровых комплексов в ядерной мембране ооцита и тот факт, что они, по-видимому, допускают множество различных молекул (инсулин, бычий сывороточный альбумин, наночастицы золота ), привели к мнению, что поры представляют собой открытые каналы и ядерные белки свободно проникают в ядро. через пору и должен накапливаться путем связывания с ДНК или каким-либо другим ядерным компонентом. Другими словами, считалось, что не существует конкретного механизма транспорта.
В 1982 году Дингуолл и Ласки показали, что эта точка зрения неверна. Используя белок под названием нуклеоплазмин, архетипический « молекулярный шаперон », они идентифицировали домен в белке, который действует как сигнал для проникновения в ядро. [12] Эта работа стимулировала исследования в этой области, и два года спустя первый NLS был идентифицирован в большом Т-антигене SV40 (или SV40, для краткости). Однако функциональный NLS не мог быть идентифицирован в другом ядерном белке просто на основании сходства с NLS SV40. Фактически, лишь небольшой процент клеточных (невирусных) ядерных белков содержал последовательность, подобную NLS SV40. Детальное исследование нуклеоплазмина выявило последовательность, состоящую из двух элементов, состоящих из основных аминокислот, разделенных спейсерным плечом. Один из этих элементов был похож на NLS SV40, но не был способен направлять белок в ядро клетки при присоединении к неядерному репортерному белку. Оба элемента являются обязательными. [13] Этот вид НУШ стал известен как двудольная классическая НУШ. Сейчас известно, что двудольные NLS представляют собой основной класс NLS, обнаруженный в клеточных ядерных белках [14] , а структурный анализ показал, как сигнал распознается белком-рецептором ( импортином α ) [15] (структурная основа некоторых однодольных NLS). также известно [16] ). Многие молекулярные детали импорта ядерных белков теперь известны. Это стало возможным благодаря демонстрации того, что импорт ядерного белка представляет собой двухэтапный процесс; ядерный белок связывается с комплексом ядерных пор в процессе, не требующем энергии. Далее следует энергозависимая транслокация ядерного белка через канал порового комплекса. [17] [18] Путем установления наличия двух отдельных стадий в этом процессе была установлена возможность идентификации вовлеченных факторов, что привело к идентификации импортинового семейства рецепторов NLS и GTPase Ran .
Белки попадают в ядро через ядерную оболочку. Ядерная оболочка состоит из концентрических мембран: внешней и внутренней. Внутренняя и внешняя мембраны соединяются в нескольких местах, образуя каналы между цитоплазмой и нуклеоплазмой. Эти каналы заняты комплексами ядерных пор (NPC), сложными мультибелковыми структурами, которые обеспечивают транспорт через ядерную мембрану.
Белок, транслируемый с помощью NLS, прочно связывается с импортином (он же кариоферин ), и вместе комплекс перемещается через ядерную пору. В этот момент Ran-GTP свяжется с комплексом импортин-белок, и его связывание приведет к потере сродства импортина к белку. Белок высвобождается, и теперь комплекс Ran-GTP/импортин выйдет обратно из ядра через ядерную пору. Белок , активирующий ГТФазу (GAP) в цитоплазме, гидролизует Ran-GTP до GDP, и это вызывает конформационные изменения Ran, в конечном итоге снижая его сродство к импортину. Импортин высвобождается, и Ran-ВВП возвращается обратно в ядро, где фактор обмена гуаниновых нуклеотидов (GEF) обменивает свой ВВП обратно на GTP.