Jaderný pór - Nuclear pore

Jaderný pór
Diagram jádra lidské buňky. Svg
Schéma jádra lidské buňky. Nukleární póry označené vlevo dole
NuclearPore crop.png
Jaderný pór. Boční pohled. 1. Jaderná obálka. 2. Vnější kroužek. 3. Paprsky. 4. Košík. 5. Vlákna. (Kresba je založena na obrázcích elektronové mikroskopie)
Podrobnosti
Identifikátory
latinský Porusukleární
Pletivo D022022
TH H1.00.01.2.01005
FMA 63148
Anatomická terminologie

Nukleární pórů je součástí velkého komplexu proteinů , známý jako komplexní nukleární pórů , která se klene nad nukleární obálka , která je dvojitá membrána obklopující eukaryotického buněčného jádra . V jaderném obalu buňky obratlovců je přibližně 1000 komplexů jaderných pórů (NPC), ale liší se v závislosti na typu buňky a stádiu životního cyklu. Komplex lidských jaderných pórů (hNPC) má strukturu 110 megadaltonů (MDa). Proteiny, které tvoří komplex jaderných pórů, jsou známé jako nukleoporiny ; každá NPC obsahuje alespoň 456 jednotlivých molekul bílkovin a je složena z 34 odlišných proteinů nukleoporinu. Asi polovina nukleoporinů typicky obsahuje solenoidové proteinové domény- buď alfa solenoid nebo beta-vrtulový záhyb, nebo v některých případech oba jako oddělené strukturální domény . Druhá polovina vykazuje strukturální charakteristiky typické pro „nativně rozvinuté“ nebo vnitřně neuspořádané proteiny , tj. Jedná se o vysoce flexibilní proteiny, které postrádají uspořádanou terciární strukturu. Tyto neuspořádané proteiny jsou FG nukleoporiny, takzvaně proto, že jejich aminokyselinová sekvence obsahuje mnoho opakování fenylalaninu a glycinu .

Komplexy jaderných pórů umožňují transport molekul přes jaderný obal. Tento transport zahrnuje RNA a ribozomální proteiny pohybující se z jádra do cytoplazmy a proteiny (jako DNA polymeráza a lamináty ), sacharidy , signální molekuly a lipidy pohybující se do jádra. Je pozoruhodné, že komplex jaderných pórů (NPC) může aktivně provádět 1 000 translokací za komplex za sekundu. Ačkoli menší molekuly jednoduše difundují póry, větší molekuly mohou být rozpoznány specifickými signálními sekvencemi a poté mohou být difundovány pomocí nukleoporinů do nebo ven z jádra. Nedávno bylo ukázáno, že tyto nukleoporiny mají specifické evoluční konzervované znaky zakódované v jejich sekvencích, které poskytují vhled do toho, jak regulují transport molekul přes jaderný pór. Transport zprostředkovaný nukleoporinem nevyžaduje přímo energii, ale závisí na koncentračních gradientech spojených s cyklem RAN . Každá z osmi proteinových podjednotek obklopujících skutečný pór (vnější prstenec) promítá paprskovitý protein přes pórový kanál. Střed póru často vypadá, že obsahuje zástrčkovitou strukturu. Zatím není známo, zda to odpovídá skutečné zástrčce, nebo jde pouze o přepravovaný náklad.

Velikost a složitost

Celý komplex jaderných pórů má u obratlovců průměr asi 120 nanometrů. Průměr kanálu se pohybuje od 5,2 nanometrů u lidí po 10,7 nm u žáby Xenopus laevis s hloubkou zhruba 45 nm. mRNA, která je jednovláknová, má tloušťku přibližně 0,5 až 1 nm. Molekulová hmotnost savčího NPC je asi 124 megadaltons (MDA) a obsahuje přibližně 30 různých proteinové složky, z nichž každý ve více kopiích. Naproti tomu kvasinky Saccharomyces cerevisiae jsou menší, s hmotností pouze 66 MDa.

Transport komplexem jaderných pórů

Další informace: Jaderná doprava
Cyklus Ran-GTP, jaderný import a jaderný export
Jaderné póry, lamina a chromatin

Malé částice (až 30–60 kDa ) jsou schopny projít komplexem jaderných pórů pasivní difúzí. Větší částice jsou také schopny pasivně difundovat velkým průměrem póru rychlostí, která se s molekulovou hmotností postupně snižuje. Účinný průchod komplexem vyžaduje několik proteinových faktorů, a zejména receptory jaderného transportu, které se vážou na molekuly nákladu a zprostředkovávají jejich translokaci přes NPC, buď do jádra ( importiny ), nebo z něj ( exportiny ). Největší skupinou receptorů pro jaderný transport jsou karyopheriny , které zahrnují desítky importinů i exportinů ; tato rodina je dále rozdělena na podskupiny karyopherin-α a karyopherin-β. Mezi další receptory jaderného transportu patří NTF2 a některé proteiny podobné NTF2.

Byly navrženy tři modely k vysvětlení translokačního mechanismu:

  • Přechody afinity podél centrální zástrčky
  • Brownova afinitní brána
  • Selektivní fáze

Import bílkovin

Hlavní článek: Signál jaderné lokalizace

Jakýkoli náklad s exponovaným signálem jaderného lokalizačního signálu (NLS) bude určen k rychlé a efektivní přepravě pórem. Je známo několik sekvencí NLS, které obecně obsahují konzervovanou sekvenci se základními zbytky, jako je PKKKRKV . Jakýkoli materiál s NLS bude absorbován importy do jádra.

Klasické schéma importu NLS-proteinu začíná první vazbou importinu-α na sekvenci NLS, která poté funguje jako můstek pro připojení importinu-p. Komplex importinβ — importinα — náklad je pak nasměrován k jadernému póru a difunduje přes něj. Jakmile je komplex v jádru, RanGTP se váže na Importin-β a vytlačí jej z komplexu. Poté protein citlivý na buněčnou apoptózu (CAS), exportin, který je v jádru navázán na RanGTP, vytlačí Importin-α z nákladu. Protein NLS je tedy v nukleoplazmě volný. Komplex Importinβ-RanGTP a Importinα-CAS-RanGTP difunduje zpět do cytoplazmy, kde jsou GTP hydrolyzovány na HDP, což vede k uvolnění Importinβ a Importinα, které jsou k dispozici pro nové kolo importu NLS proteinů.

Přestože náklad prochází pórem za pomoci chaperonových proteinů, translokace skrz samotný pór není energeticky závislá. Celý dovozní cyklus však vyžaduje hydrolýzu 2 GTP a je tedy energeticky závislý a musí být považován za aktivní transport . Importní cyklus je poháněn nukleo-cytoplazmatickým RanGTP gradientem. Tento gradient vzniká exkluzivní nukleární lokalizací RanGEF, proteinů, které na molekulách Ran vyměňují HDP za GTP. V jádru je tedy ve srovnání s cytoplazmou zvýšená koncentrace RanGTP.

Export bílkovin

Některé molekuly nebo makromolekulární komplexy je třeba exportovat z jádra do cytoplazmy, stejně jako ribozomální podjednotky a poslové RNA . Existuje tedy mechanismus exportu podobný mechanismu importu.

V klasickém exportním schématu se proteiny s nukleární exportní sekvencí (NES) mohou vázat na jádro za vzniku heterotrimerního komplexu s exportinem a RanGTP (například exportin CRM1). Komplex pak může difundovat do cytoplazmy, kde se hydrolyzuje GTP a uvolňuje se protein NES. CRM1-RanGDP difunduje zpět do jádra, kde je GDP vyměňováno za GTP pomocí RanGEF. Tento proces je také energeticky závislý, protože spotřebovává jeden GTP. Export s exportinem CRM1 může být inhibován leptomycinem B.

Export RNA

Viz také: Genové hradlování

Pro každou existující třídu RNA existují různé cesty exportu přes NPC . Export RNA je také zprostředkován signálem (NES); NES je v proteinech vázajících RNA (kromě tRNA, která nemá adaptér). Je pozoruhodné, že všechny virové RNA a buněčné RNA ( tRNA , rRNA , U snRNA , microRNA ) kromě mRNA jsou závislé na RanGTP. Konzervované exportní faktory mRNA jsou nezbytné pro jaderný export mRNA. Exportní faktory jsou Mex67/Tap (velká podjednotka) a Mtr2/p15 (malá podjednotka). U vyšších eukaryot se předpokládá, že export mRNA je závislý na sestřihu, který na oplátku získává proteinový komplex TREX ke spojeným zprávám. TREX funguje jako adaptér pro TAP, což je velmi špatný protein vázající RNA. Existují však alternativní cesty exportu mRNA, které nespoléhají na sestřih specializovaných zpráv, jako jsou histony. Nedávné práce také naznačují souhru mezi exportem závislým na sestřihu a jednou z těchto alternativních exportních cest mRNA pro sekreční a mitochondriální transkripty.

Shromáždění NPC

Buněčné jádro s póry.

Protože NPC kontroluje přístup do genomu, je nezbytné, aby existoval ve velkém množství ve fázích buněčného cyklu, kde je zapotřebí dostatek transkripce. Například cyklování savčích a kvasinkových buněk zdvojnásobuje množství NPC v jádru mezi fází G1 a G2 buněčného cyklu a oocyty hromadí velké množství NPC, aby se připravily na rychlou mitózu, která existuje v raných fázích vývoje. Mezifázové buňky musí také udržovat úroveň generování NPC, aby byly hladiny NPC v buňce konstantní, protože některé se mohou poškodit. Některé buňky mohou dokonce zvýšit počet NPC kvůli zvýšené poptávce po transkripci.

Teorie montáže

Existuje několik teorií, jak jsou NPC sestavovány. Protože imunodeplikace určitých proteinových komplexů, jako je komplex Nup 107–160, vede k tvorbě porézních jader, zdá se pravděpodobné, že komplexy Nup se podílejí na fúzi vnější membrány jaderného obalu s vnitřní, a nikoli že fúzí membrány začíná tvorba pórů. Existuje několik způsobů, jak by to mohlo vést k vytvoření plné NPC.

  • Jednou z možností je, že se jako proteinový komplex váže na chromatin . Poté se vloží do dvojité membrány blízko chromatinu. To zase vede k fúzi této membrány. Kolem tohoto proteinového komplexu se nakonec váží další a tvoří NPC. Tato metoda je možná v každé fázi mitózy, protože dvojitá membrána je přítomna kolem chromatinu, než se může vložit komplex membránových fúzních proteinů. Post mitotické buňky by mohly nejprve vytvořit membránu, do které by byly po vytvoření vloženy póry.
  • Dalším modelem pro tvorbu NPC je produkce prepore jako startu na rozdíl od jediného proteinového komplexu. Toto předpřipravení by vzniklo, když se několik Nup komplexů spojí a naváže na chromatin. Při mitotické opětovné montáži by kolem něj vznikla dvojitá membrána. Možné prepore struktury byly pozorovány na chromatinu před vytvořením jaderné obálky (NE) pomocí elektronové mikroskopie. Během mezifáze buněčného cyklu by došlo k tvorbě prepore v jádře, přičemž každá složka by byla transportována skrz existující NPC. Tyto Nups by se navázaly na import, jakmile by byly vytvořeny, což by zabránilo sestavení prepore v cytoplazmě. Jakmile se GTP transportuje do jádra, naváže se na importin a způsobí uvolnění nákladu. Tato Nup by mohla vytvořit předběžnou přípravu zdarma. Bylo ukázáno, že vazba importinů přináší nukleopiny Nup 107 a Nup 153 do jádra. Sestavení NPC je velmi rychlý proces, přesto dochází k definovaným přechodným stavům, což vede k myšlence, že k tomuto sestavení dochází postupně.

Demontáž

Během mitózy se zdá, že se NPC postupně rozkládá. Periferní nukleoporiny , jako jsou Nup 153 Nup 98 a Nup 214, se oddělují od NPC. Zbytek, který lze považovat za proteiny lešení, zůstává stabilní, jako komplexy válcovitých prstenců v jaderném obalu. Toto rozebrání periferních skupin NPC je do značné míry považováno za poháněné fosfáty, protože několik těchto nukleoporinů je fosforylováno během fází mitózy. Enzym zapojený do fosforylace není in vivo znám. U metazoanů (kteří podstupují otevřenou mitózu) SV rychle degraduje po ztrátě periferních Nups. Důvodem může být změna architektury NPC. Tato změna může způsobit, že NPC bude propustnější pro enzymy zapojené do degradace NE, jako je cytoplazmatický tubulin, a také umožní vstup klíčových proteinů mitotického regulátoru. V organismech, které podstupují polootevřenou mitózu, jako je vláknitá houba Aspergillus nidulans , se 14 z 30 nukleoporinů rozebírá ze struktury základního lešení, poháněno aktivací NIMA a Cdk1 kináz, které fosforylují nukleoporiny a otevřené jaderné póry, čímž rozšiřují jaderný pór a umožňující vstup mitotických regulátorů.

Zachování integrity

U hub, které procházejí uzavřenou mitózou (kde se jádro nerozebírá), bylo ukázáno, že změna bariéry propustnosti NE byla způsobena změnami v NPC a je to, co umožňuje vstup mitotických regulátorů. U Aspergillus nidulans se zdá, že složení NPC je ovlivněno mitotickou kinázou NIMA, případně fosforylací nukleoporinů Nup98 a Gle2/Rae1. Zdá se, že tato přestavba umožňuje proteinovému komplexu cdc2/cyklinB vstoupit do jádra a mnoha dalším proteinům, jako je rozpustný tubulin. Lešení NPC zůstává neporušené po celou dobu uzavřené mitózy. Zdá se, že to zachovává integritu SV.

Reference

externí odkazy