Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Ядерная пора
Схема ядра клетки человека.svg
Схема ядра клетки человека. Ядерная пора обозначена слева внизу
NuclearPore crop.png
Ядерная пора. Вид сбоку. 1. Ядерная оболочка. 2. Наружное кольцо. 3. Спицы. 4. Корзина. 5. Нити. (Рисунок основан на изображениях, полученных с помощью электронной микроскопии)
Подробности
Идентификаторы
латинскийПорус ядерный
MeSHD022022
THH1.00.01.2.01005
FMA63148
Анатомическая терминология

Ядерные пор является частью большого комплекса белков , известным как поровый комплекс ядерным , который охватывает ядерную оболочку , которая является двойной мембраной , окружающей эукариотического ядро клетки . В ядерной оболочке клетки позвоночного имеется около 1000 комплексов ядерных пор (NPC), но это зависит от типа клетки и стадии жизненного цикла. [1] Комплекс ядерных пор человека (hNPC) имеет структуру 110 мегадальтон (МДа). Белки, составляющие комплекс ядерных пор, известны как нуклеопорины.; каждый NPC содержит по крайней мере 456 отдельных белковых молекул и состоит из 34 различных белков нуклеопоринов. [2] Около половины нуклеопоринов обычно содержат соленоидные белковые домены - либо альфа-соленоид, либо бета-пропеллерную складку, или в некоторых случаях оба как отдельные структурные домены . Другая половина демонстрирует структурные характеристики, типичные для «естественно развернутых» или внутренне неупорядоченных белков , то есть они являются очень гибкими белками, у которых отсутствует упорядоченная третичная структура. [3] Эти неупорядоченные белки представляют собой нуклеопорины FG , названные так потому, что их аминокислотная последовательность содержит много фенилаланина.- глициновые повторы. [4]

Комплексы ядерных пор позволяют транспортировать молекулы через ядерную оболочку. Этот транспорт включает РНК и рибосомные белки, перемещающиеся из ядра в цитоплазму, и белки (такие как ДНК-полимераза и ламины ), углеводы , сигнальные молекулы и липиды, перемещающиеся в ядро. Примечательно, что комплекс ядерных пор (NPC) может активно проводить 1000 транслокаций за комплекс в секунду. Хотя более мелкие молекулы просто диффундируют через поры, более крупные молекулы могут распознаваться с помощью определенных сигнальных последовательностей, а затем диффундировать с помощьюнуклеопорины в ядро ​​или из ядра. Недавно было показано, что эти нуклеопорины обладают специфическими эволюционно консервативными особенностями, закодированными в их последовательностях, которые дают представление о том, как они регулируют транспорт молекул через ядерную пору. [5] [6] Нуклеопорин-опосредованный транспорт напрямую не требует энергии, но зависит от градиентов концентрации, связанных с циклом RAN . Каждая из восьми белковых субъединиц, окружающих настоящую пору (внешнее кольцо), проецирует белок в форме спицы над каналом поры. Часто кажется, что центр поры содержит структуру, похожую на пробку. Пока неизвестно, соответствует ли это реальной пробке или это просто груз, пойманный в пути.

Размер и сложность [ править ]

У позвоночных весь комплекс ядерных пор имеет диаметр около 120 нанометров. [7] Диаметр канала колеблется от 5,2 нм у человека [8] до 10,7 нм у лягушки Xenopus laevis , а его глубина составляет примерно 45 нм. [9] мРНК, которая является одноцепочечной, имеет толщину примерно от 0,5 до 1 нм. [10] молекулярная масса от NPC млекопитающих составляет около 124 megadaltons (МД) [11] , и она содержит около 30 различных белковых компонентов, каждый из которых в большом количестве копий. [12] В отличие от дрожжей Saccharomyces cerevisiae меньше, с массой всего 66 МДа. [13]

Транспорт через ядерный поровый комплекс [ править ]

Дополнительная информация: Ядерный транспорт
Цикл Ран-ГТФ, ядерный импорт и ядерный экспорт
Ядерные поры, пластинка и хроматин

Мелкие частицы (до 30–60 кДа ) способны проходить через комплекс ядерных пор путем пассивной диффузии. [14] [15] Более крупные частицы также способны пассивно диффундировать через поры большого диаметра со скоростью, которая постепенно уменьшается с увеличением молекулярной массы. Для эффективного прохождения через комплекс требуются несколько белковых факторов [16] и, в частности, ядерные транспортные рецепторы, которые связываются с молекулами груза и опосредуют их транслокацию через NPC либо в ядро ​​( importins ), либо из него ( exportins ). Самым большим семейством ядерных транспортных рецепторов являются кариоферины., который включает в себя десятки импортинов и экспортинов; это семейство далее подразделяется на подсемейства кариоферин-α и кариоферин-β. Другие рецепторы ядерного транспорта включают NTF2 и некоторые NTF2-подобные белки.

Для объяснения механизма транслокации были предложены три модели:

  • Градиенты сходства вдоль центральной пробки
  • Броуновское сродство
  • Избирательная фаза

Импорт белков [ править ]

Основная статья: Сигнал ядерной локализации

Любой груз с обнаруженным сигналом ядерной локализации (NLS) будет предназначен для быстрой и эффективной транспортировки через поры. Известно несколько последовательностей NLS, обычно содержащих консервативную последовательность с основными остатками, такими как PKKKRKV . Любой материал с NLS будет приниматься импортинами в ядро.

Классическая схема импорта NLS-белка начинается с первого связывания импортина-α с последовательностью NLS, которая затем действует как мост для прикрепления импортина-β. Комплекс импортинβ-импортинα-груз затем направляется к ядерной поре и диффундирует через нее. Как только комплекс оказывается в ядре, RanGTP связывается с Importin-β и вытесняет его из комплекса. Затем клеточный белок предрасположенности к апоптозу (CAS), экспорттин, который в ядре связан с RanGTP, вытесняет Importin-α из груза. Таким образом, белок NLS свободен в нуклеоплазме. Комплекс Importinβ-RanGTP и Importinα-CAS-RanGTP диффундирует обратно в цитоплазму, где GTP гидролизуются до GDP, что приводит к высвобождению импортинаβ и Importinα, которые становятся доступными для нового раунда импорта NLS-белка.

Хотя груз проходит через пору с помощью белков-шаперонов, перемещение через пору не зависит от энергии. Однако весь цикл импорта требует гидролиза 2 ГТФ и, таким образом, зависит от энергии и должен рассматриваться как активный транспорт . Цикл импорта приводится в действие нуклео-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.

Экспорт белков [ править ]

Некоторые молекулы или макромолекулярные комплексы необходимо экспортировать из ядра в цитоплазму, как и субъединицы рибосомы и информационные РНК . Таким образом, существует механизм экспорта, аналогичный механизму импорта.

В классической схеме экспорта белки с ядерной экспортной последовательностью (NES) могут связываться в ядре с образованием гетеротримерного комплекса с экспортином и RanGTP (например, экспортином CRM1). Затем комплекс может диффундировать в цитоплазму, где гидролизуется GTP и высвобождается NES-белок. CRM1-RanGDP распространяется обратно в ядро, где GDP обменивается на GTP с помощью RanGEF. Этот процесс также зависит от энергии, поскольку он потребляет один GTP. Экспорт с помощью exportin CRM1 может подавляться лептомицином B.

Экспорт РНК [ править ]

См. Также: Генное гейтинг

Существуют разные пути экспорта через NPC для каждого существующего класса РНК . Экспорт РНК также опосредуется сигналом (NES); NES находится в РНК-связывающих белках (за исключением тРНК, у которой нет адаптера). Примечательно, что все вирусные РНК и клеточные РНК ( тРНК , рРНК , U-мяРНК , микроРНК) за исключением того, что мРНК зависят от RanGTP. Консервированные факторы экспорта мРНК необходимы для ядерного экспорта мРНК. Факторами экспорта являются Mex67 / Tap (большая субъединица) и Mtr2 / p15 (малая субъединица). Считается, что у высших эукариот экспорт мРНК зависит от сплайсинга, который, в свою очередь, привлекает белковый комплекс TREX к сплайсированным сообщениям. TREX функционирует как адаптер для TAP, который является очень плохим связывающим РНК белком. Однако существуют альтернативные пути экспорта мРНК, которые не зависят от сплайсинга для передачи специализированных сообщений, таких как гистоны. Недавние работы также подтверждают взаимодействие между зависимым от сплайсинга экспортом и одним из этих альтернативных путей экспорта мРНК для секреторных и митохондриальных транскриптов. [17]

Сборка NPC [ править ]

Ядро клетки с порами.

Поскольку NPC контролирует доступ к геному, важно, чтобы он существовал в больших количествах на стадиях клеточного цикла, где необходима большая транскрипция. Например, циклически повторяющиеся клетки млекопитающих и дрожжей удваивают количество NPC в ядре между фазами G1 и G2 клеточного цикла , а ооциты накапливают большое количество NPC, чтобы подготовиться к быстрому митозу, который существует на ранних стадиях развития. Межфазные клетки также должны поддерживать уровень генерации NPC, чтобы поддерживать постоянный уровень NPC в клетке, поскольку некоторые из них могут быть повреждены. Некоторые клетки могут даже увеличивать количество NPC из-за повышенной потребности в транскрипции. [18]

Теории сборки [ править ]

Есть несколько теорий относительно того, как собираются NPC. Поскольку иммунное истощение определенных белковых комплексов, таких как комплекс Nup 107–160, приводит к образованию беспористых ядер, кажется вероятным, что комплексы Nup участвуют в слиянии внешней мембраны ядерной оболочки с внутренней, а не то, что сплавление мембраны начинает образование поры. Есть несколько способов, которыми это может привести к формированию полноценного NPC.

  • Одна из возможностей состоит в том, что как белковый комплекс он связывается с хроматином . Затем он вставляется в двойную мембрану рядом с хроматином. Это, в свою очередь, приводит к сплавлению этой мембраны. Вокруг этого белкового комплекса в конечном итоге связываются другие, образуя NPC. Этот метод возможен во время каждой фазы митоза, поскольку двойная мембрана присутствует вокруг хроматина до того, как комплекс белков слияния мембран может быть вставлен. Постмитотические клетки могут сначала образовывать мембрану, в которую после образования вставляются поры.
  • Другая модель образования NPC - это образование препоры в качестве начала, а не единого белкового комплекса. Эта препора должна образовываться, когда несколько комплексов Nup объединяются и связываются с хроматином. Это будет иметь двойную мембранную форму вокруг себя во время митотической сборки. Возможные структуры препоров наблюдались на хроматине до образования ядерной оболочки (NE) с помощью электронной микроскопии. [19]Во время интерфазы клеточного цикла образование препоры должно происходить внутри ядра, причем каждый компонент транспортируется через существующие NPC. Эти Nups будут связываться с импортином, однажды образовавшись, предотвращая сборку препоры в цитоплазме. После переноса в ядро ​​Ran GTP будет связываться с импортином и заставлять его высвобождать груз. Этот Nup мог бы свободно формировать препору. Связывание импортинов , по крайней мере, было показано, чтобы доставить нуклеопорины Nup 107 и Nup 153 в ядро. [18] Сборка NPC - это очень быстрый процесс, но при этом возникают определенные промежуточные состояния, что наводит на мысль, что сборка происходит поэтапно. [20]

Разборка [ править ]

Во время митоза NPC, кажется, разбирается поэтапно. Периферические нуклеопоринытакие как Nup 153 Nup 98 и Nup 214 отделяются от NPC. Остальные, которые можно рассматривать как каркасные белки, остаются стабильными в виде комплексов цилиндрических колец внутри ядерной оболочки. Эта разборка периферических групп NPC в значительной степени считается управляемой фосфатом, поскольку некоторые из этих нуклеопоринов фосфорилируются на стадиях митоза. Однако фермент, участвующий в фосфорилировании, in vivo неизвестен. У многоклеточных животных (которые претерпевают открытый митоз) 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 сделать возможным проникновение ключевых белков-регуляторов митоза.У организмов, которые подвергаются полуоткрытому митозу, таких как нитчатый грибAspergillus nidulans , 14 из 30 нуклеопоринов отделяются от основной структуры каркаса за счет активации киназ NIMA и Cdk1, которые фосфорилируют нуклеопорины и открывают ядерные поры [21] [22], тем самым расширяя ядерные поры и позволяя проникать митотическим регуляторы. [23]

Сохранение целостности [ править ]

Было показано, что у грибов, которые претерпевают закрытый митоз (где ядро ​​не разбирается), изменение барьера проницаемости NE происходит из-за изменений внутри NPC и это то, что позволяет входить митотическим регуляторам. В Aspergillus nidulans на состав NPC, по-видимому, влияет митотическая киназа NIMA, возможно, путем фосфорилирования нуклеопоринов Nup98 и Gle2 / Rae1. Это ремоделирование, по-видимому, позволяет белковому комплексу cdc2 / cyclinB проникать в ядро, а также многим другим белкам, таким как растворимый тубулин. Каркас NPC остается неповрежденным на протяжении всего закрытого митоза. Похоже, что это сохраняет целостность NE.

Ссылки [ править ]

  1. ^ Мол, Герд G; Дивен, Ларри (1977). «Количественное определение комплексов ядерных пор в циклических клетках с различным содержанием ДНК» . Журнал клеточной биологии . 73 (3): 748–760. DOI : 10,1083 / jcb.73.3.748 . PMC  2111421 . PMID  406262 .
  2. ^ Lin, DH, Stuwe, T., Schilbach, S., Rundlet, EJ, Perriches, T., Mobbs, G.,… Hoelz, A. (2016). Архитектура сложного симметричного ядра ядерной поры. Наука, 352 (6283), aaf1015. http://doi.org/10.1126/science.aaf1015
  3. Перейти ↑ Denning D, Patel S, Uversky V, Fink A, Rexach M (2003). «Нарушение в комплексе ядерных пор: области повторов FG нуклеопоринов изначально развернуты» . Proc Natl Acad Sci USA . 100 (5): 2450–5. Bibcode : 2003PNAS..100.2450D . DOI : 10.1073 / pnas.0437902100 . PMC 151361 . PMID 12604785 .  
  4. Перейти ↑ Peters R (2006). Введение в ядерно-цитоплазматический транспорт: молекулы и механизмы . Методы Мол биол . Методы молекулярной биологии ™. 322 . С. 235–58. DOI : 10.1007 / 978-1-59745-000-3_17 . ISBN 978-1-58829-362-6. PMID  16739728 . Архивировано из оригинала на 2007-09-28 . Проверено 4 апреля 2007 .
  5. ^ Пейро, М .; Soheilypour, M .; Ли, Б.Л .; Мофрад, МРК (06.11.2015). «Эволюционно сохраненные особенности последовательности регулируют формирование сети FG в центре ядерного порового комплекса» . Научные отчеты . 5 : 15795. Bibcode : 2015NatSR ... 515795P . DOI : 10.1038 / srep15795 . PMC 4635341 . PMID 26541386 .  
  6. ^ Андо, Дэвид; Колвин, Майкл; Рексач, Майкл; Гопинатан, Аджай (16 сентября 2013 г.). «Кластеризация физических мотивов внутри изначально неупорядоченных последовательностей нуклеопоринов выявляет универсальные функциональные особенности» . PLOS ONE . 8 (9): e73831. Bibcode : 2013PLoSO ... 873831A . DOI : 10.1371 / journal.pone.0073831 . PMC 3774778 . PMID 24066078 .  
  7. ^ Вайни, Марк; Ярар, Дефне; Гиддингс-младший, Томас Х; Мастронарде, Дэвид Н. (1 ноября 1997 г.). «Количество и распределение ядерных поровых комплексов в клеточном цикле Saccharomyces cerevisiae путем трехмерной реконструкции из электронных микрофотографий ядерных оболочек» . Молекулярная биология клетки . 8 (11): 2119–2132. DOI : 10.1091 / mbc.8.11.2119 . PMC 25696 . PMID 9362057 .  
  8. ^ Мор, Дагмар; Фрей, Штеффен; Фишер, Торстен; Гюттлер, Томас; Герлих, Дирк (13 августа 2009 г.). «Характеристика барьера пассивной проницаемости ядерных поровых комплексов» . Журнал EMBO . 28 (17): 2541–2553. DOI : 10.1038 / emboj.2009.200 . PMC 2728435 . PMID 19680228 .  
  9. ^ Кеминер, Оливер; Питерс, Райнер (июль 1999 г.). «Проницаемость одиночных ядерных пор» . Биофизический журнал . 77 (1): 217–228. Bibcode : 1999BpJ .... 77..217K . DOI : 10.1016 / S0006-3495 (99) 76883-9 . PMC 1300323 . PMID 10388751 .  
  10. ^ Кузнецов, Юрий Г .; Дайджого, Сара; Чжоу, Цзяшу; Semler, Bert L .; Макферсон, А. (март 2005 г.). "Атомно-силовой микроскопический анализ РНК икосаэдрического вируса" (PDF) . Журнал молекулярной биологии . 347 (1): 41–52. DOI : 10.1016 / j.jmb.2005.01.006 . PMID 15733916 .  
  11. ^ Reichelt, R; Holzenburg, A; Buhle Jr., EL; Ярник, М; Энгель, А; Эби, Ю (1 апреля 1990 г.). «Корреляция между структурой и массовым распределением ядерного порового комплекса и отдельных компонентов порового комплекса» . Журнал клеточной биологии . 110 (4): 883–894. CiteSeerX 10.1.1.277.5930 . DOI : 10,1083 / jcb.110.4.883 . PMC 2116066 . PMID 2324201 .   
  12. ^ Альбер, Франк; Докудовская Светлана; Veenhoff, Liesbeth M .; Чжан, Вэньчжу; Киппер, Джулия; Девос, Дэмиен; Супрапто, Адисетиантари; Карни-Шмидт, Орит; Уильямс, Розмари; Chait, Брайан Т .; Раут, Майкл П .; Сали, Андрей (29 ноября 2007 г.). «Определение архитектур макромолекулярных сборок». Природа . 450 (7170): 683–694. Bibcode : 2007Natur.450..683A . DOI : 10,1038 / природа06404 . PMID 18046405 . S2CID 2171750 .  
  13. ^ Разгром MP, Блобель G (ноябрь 1993). «Выделение дрожжевого комплекса ядерной поры» . J. Cell Biol . 123 (4): 771–83. DOI : 10,1083 / jcb.123.4.771 . PMC 2200146 . PMID 8227139 .  
  14. ^ Родригес M, Dargemont C, Штутц F (3 августа 2004). «Ядерный экспорт РНК» . Биология клетки . 96 (8): 639–55. DOI : 10.1016 / j.biolcel.2004.04.014 . PMID 15519698 . S2CID 5876245 .  
  15. ^ Марфори М., Минотт А., Эллис Дж. Дж. И др. (Октябрь 2010 г.). «Молекулярные основы специфичности ядерного импорта и предсказания ядерной локализации» . Biochimica et Biophysica Acta . 1813 (9): 1562–77. DOI : 10.1016 / j.bbamcr.2010.10.013 . PMID 20977914 . 
  16. Перейти ↑ Reed R, Hurt E (февраль 2002 г.). «Консервативный механизм экспорта мРНК, связанный со сплайсингом пре-мРНК». Cell . 108 (4): 523–31. DOI : 10.1016 / S0092-8674 (02) 00627-X . PMID 11909523 . S2CID 2336486 .  
  17. ^ Ченик, C; и другие. (2011). «Геномный анализ показывает взаимодействие между интронами 5 'UTR и ядерным экспортом мРНК для секреторных и митохондриальных генов» . PLOS Genetics . 7 (4): e1001366. DOI : 10.1371 / journal.pgen.1001366 . PMC 3077370 . PMID 21533221 .  
  18. ^ a b Rabut G, Lénárt P, Ellenberg J (июнь 2004 г.). «Динамика организации ядерных поровых комплексов в клеточном цикле». Текущее мнение в клеточной биологии . 16 (3): 314–21. DOI : 10.1016 / j.ceb.2004.04.001 . PMID 15145357 . 
  19. Перейти ↑ 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. Перейти ↑ Kiseleva E, Rutherford S, Cotter LM, Allen TD, Goldberg MW (октябрь 2001 г.). «Этапы разборки и сборки комплекса ядерных пор во время митоза у ранних эмбрионов дрозофилы» . Журнал клеточной науки . 114 (Pt 20): 3607–18. PMID 11707513 . 
  21. ^ Маркосян, Сарин; Суреш, Суббулакшми; Османи, Айша Х .; Османи, Стивен А. (2015-02-15). «Nup2 нуждается в сильно дивергентном партнере, NupA, чтобы выполнять функции комплексов ядерных пор и области митотического хроматина» . Молекулярная биология клетки . 26 (4): 605–621. DOI : 10,1091 / mbc.E14-09-1359 . ISSN 1059-1524 . PMC 4325833 . PMID 25540430 .   
  22. ^ Де Соуза, Колин ПК; Османи, Айша Х .; Hashmi, Shahr B .; Османи, Стивен А. (2004). «Частичная разборка комплекса ядерных пор во время закрытого митоза у Aspergillus nidulans». Текущая биология . 14 (22): 1973–1984. DOI : 10.1016 / j.cub.2004.10.050 . ISSN 0960-9822 . PMID 15556859 . S2CID 14782686 .   
  23. ^ Соуза, Колин ПК Де; Османи, Стивен А. (2007-09-01). «Митоз, не только открытый или закрытый» . Эукариотическая клетка . 6 (9): 1521–1527. DOI : 10.1128 / EC.00178-07 . ISSN 1535-9778 . PMC 2043359 . PMID 17660363 .   

Внешние ссылки [ править ]

  • Изображение гистологии: 20104loa  - Система обучения гистологии в Бостонском университете
  • Nuclear + pore в Национальной медицинской библиотеке США по медицинским предметным рубрикам (MeSH)
  • Анимации Nuclear Pore Complex, архивированные 7 февраля 2009 г., находятся на Wayback Machine.
  • Иллюстрации комплекса ядерной поры. Архивировано 07 февраля 2009 г. в Wayback Machine.
  • Трехмерная электронная микроскопия структур NPC и составляющих белков из EM Data Bank (EMDB)
  • NCDIR - Национальный центр динамического взаимодействия [ постоянная мертвая ссылка ]