PORY JĄDROWE: CHARAKTERYSTYKA, FUNKCJE, SKŁADNIKI - BIOLOGIA - 2026

Porów jądrowych (od greckiego porów = przejście lub przejazd) jest „brama” w pierścieniu, które pozwala większości transportu między nukleoplazmy i cytoplazmy. Por jądrowy łączy wewnętrzną i zewnętrzną błonę jądra, tworząc kanały, które służą do transportu białek i RNA.

Słowo por nie odzwierciedla złożoności omawianej struktury. Z tego powodu lepiej jest odnosić się do kompleksu porów jądrowych (CPN) niż porów jądrowych. CPN może ulegać zmianom w swojej strukturze podczas transportu lub w stanach cyklu komórkowego.

Źródło: RS Shaw z angielskiej Wikipedii.

Niedawno odkryto, że nukleoporyny, białka tworzące CPN, odgrywają ważną rolę w regulacji ekspresji genów. Tak więc, gdy pojawiają się mutacje, które wpływają na funkcję nukleoporyn, u ludzi pojawiają się patologie, takie jak choroby autoimmunologiczne, kardiomiopatie, infekcje wirusowe i rak.

cechy

Za pomocą tomografii elektronowej ustalono, że CPN ma grubość 50 nm, średnicę zewnętrzną od 80 do 120 nm i średnicę wewnętrzną 40 nm. Duże cząsteczki, takie jak duża podjednostka rybosomu (MW 1590 kDa), mogą być eksportowane z jądra przez CPN. Szacuje się, że na jedno jądro przypada od 2000 do 4000 NPC.

Masa cząsteczkowa pojedynczego CPN u kręgowców wynosi w przybliżeniu od 120 do 125 MDa (1 MDa = 10 ⁶ Da). Natomiast CPN jest mniejszy w drożdżach, w których wynosi około 60 MDa. Pomimo ogromnych rozmiarów CPN, nukleoporyny są silnie konserwowane u wszystkich eukariontów.

Translokacja przez CPN to szybki proces, którego prędkość wynosi 1000 translokacji / sekundę. Jednak CPN nie określa samodzielnie kierunku przepływu transportu.

Zależy to od gradientu RanGTP, który jest większy w jądrze niż w cytozolu. Ten gradient jest utrzymywany przez czynnik wymiany guaniny Ran.

Podczas cyklu komórkowego CPN przechodzą cykle łączenia i utraty odporności swoich składników. Montaż następuje na granicy faz i bezpośrednio po mitozie.

cechy

Kwas rybonukleinowy (mały jądrowy RNA, informacyjny RNA, transferowy RNA), białka i rybonukleoproteiny (RNP) muszą być aktywnie transportowane przez CPN. Oznacza to, że wymagana jest energia z hydrolizy ATP i GTP. Każda cząsteczka jest transportowana w określony sposób.

Ogólnie rzecz biorąc, cząsteczki RNA są wypełnione białkami tworzącymi kompleksy RNP i są eksportowane w ten sposób. Natomiast białka, które są aktywnie transportowane do jądra, muszą posiadać sekwencję sygnałową lokalizacji jądra (SLN), posiadającą reszty aminokwasowe o ładunku dodatnim (np. KKKRK).

Białka eksportowane do jądra muszą mieć sygnał eksportu jądra (NES) bogaty w aminokwas leucynę.

Oprócz ułatwiania transportu między jądrem a cytoplazmą, CPN biorą udział w organizacji chromatyny, regulacji ekspresji genów i naprawie DNA. Nukleoporyny (Nups) promują aktywację lub represję transkrypcji, niezależnie od stanu proliferacji komórek.

W drożdżach Nups znajdują się w CNP otoczki jądrowej. W metazoans znajdują się w środku. Pełnią te same funkcje u wszystkich eukariontów.

Import substancji

Przez CPN zachodzi bierna dyfuzja małych cząsteczek w obu kierunkach i aktywny transport, import białek, eksport RNA i rybonukleoprotein (RNP) oraz dwukierunkowy transport cząsteczek. Ta ostatnia obejmuje RNA, RNP i białka zaangażowane w sygnalizację, biogenezę i obrót.

Import białek do jądra przebiega w dwóch etapach: 1) wiązanie białka z cytoplazmatyczną stroną CPN; 2) translokacja zależna od ATP przez CPN. Proces ten wymaga hydrolizy ATP i wymiany GTP / GDP między jądrem a cytoplazmą.

Zgodnie z modelem transportu, kompleks receptor-białko przemieszcza się wzdłuż kanału poprzez przyłączanie, dysocjację i ponowne przyłączanie do sekwencji powtórzeń FG nukleoporyn. W ten sposób kompleks przemieszcza się od jednej nukleoporyny do drugiej w obrębie CPN.

Eksport substancji

Jest podobny do importu. Ran GTPase wymusza kierunkowość w transporcie przez CNP. Ran jest przełącznikiem molekularnym z dwoma stanami konformacyjnymi, w zależności od tego, czy jest związany z GDP czy GTP.

Dwa białka regulatorowe specyficzne dla Ran wyzwalają konwersję między dwoma stanami: 1) cytozolowe białko aktywujące GTPazę (GAP), które powoduje hydrolizę GTP i tym samym przekształca Ran-GTP w Ran-GDP; oraz 2) jądrowy współczynnik wymiany guaniny (GEF), który promuje wymianę PKB na GTP i konwertuje Ran-GDP na Ran-GTP.

Cytosol zawiera głównie Ran-GDP. Jądro zawiera głównie Ran-GTP. Ten gradient dwóch form konformacyjnych Ran kieruje transport w odpowiednim kierunku.

Import receptora, przymocowanego do ładunku, jest ułatwiony poprzez przymocowanie do powtórzeń FG. Jeśli dotrze do nuklearnej strony CNP, Ran-GTP dołącza do odbiornika w zwalnianiu jego pozycji. W ten sposób Ran-GTP wyznacza kierunek procesu importu.

Eksport jądrowy jest podobny. Jednak Ran-GTP w jądrze sprzyja wiązaniu ładunku z eksportem receptora. Kiedy receptor eksportowy przechodzi przez pory do cytozolu, napotyka Ran-GAP, który indukuje hydrolizę GTP do GDP. Ostatecznie receptor jest uwalniany z postu, a Ran-GDP w cytozolu.

Transport RNA

Eksport niektórych klas RNA jest podobny do eksportu białek. Na przykład tRNA i nsRNA (małe jądro) wykorzystują gradient RanGTP i są transportowane przez CPN odpowiednio przez eksportin-t i Crm karioferiny. Eksport dojrzałych rybosomów zależy również od gradientu RanGTP.

MRNA jest eksportowane w zupełnie inny sposób niż białka i inne RNA. Na eksport mRNA tworzy kompleks informacyjnego RNP (mRNP), w którym jedna cząsteczka mRNA jest otoczona setkami cząsteczek białka. Białka te są odpowiedzialne za przetwarzanie, czapeczkę, splicing i poliadenylację mRNA.

Komórka musi być w stanie odróżnić mRNA z dojrzałym mRNA i mRNA z niedojrzałym mRNA. MRNA, które tworzy kompleks RPNm, może przyjąć topologie, które należy przebudować na potrzeby transportu. Zanim mRNP wejdzie do CPN, następuje etap kontrolny przeprowadzany przez TRAMP i kompleksy białek egzosomu.

Kiedy dojrzały RNPm jest składany, RPNm jest transportowany przez kanał przez receptor transportowy (Nxf1-Nxt1). Ten receptor wymaga hydrolizy ATP (nie gradientu RanGTP) w celu ustalenia kierunkowości przebudowy mRNP, który dotrze do cytoplazmy.

Kompleks porów jądrowych i kontrola ekspresji genów

Niektóre badania wskazują, że składniki CPN mogą wpływać na regulację ekspresji genów poprzez kontrolowanie struktury chromatyny i jej dostępności do czynników transkrypcyjnych.

U niedawno wyewoluowanych eukariontów heterochromatyna jest preferencyjnie umiejscowiona na obrzeżach jądra. Terytorium jest przerywane przez kanały euchromatyny, które są utrzymywane przez koszyk jądrowy CPN. Skojarzenie koszyka jądrowego z euchromatyną jest związane z transkrypcją genów.

Na przykład aktywacja transkrypcji na poziomie CPN obejmuje interakcję składników koszyka jądrowego z białkami, takimi jak acetylotransferaza histonowa SAGA i czynniki eksportu RNA.

Zatem kosz jądrowy jest platformą dla wielu wysoce transkrybowanych genów metabolizmu podstawowego i genów silnie indukowanych przez zmiany warunków środowiskowych.

Kompleks porów jądrowych i wirusologia

Infekcja wirusowa komórek eukariotycznych zależy od CPN. W każdym przypadku infekcji wirusowej jej powodzenie zależy od przejścia DNA, RNA lub RPN przez CPN, aby osiągnąć ostateczny cel, którym jest replikacja wirusa.

Małpi wirus 40 (SV40) był jednym z najlepiej przebadanych modeli do badania roli CPN w translokacji w jądrze. Dzieje się tak, ponieważ SV40 ma mały genom (5000 zasad).

Wykazano, że transport DNA wirusa ułatwiają białka płaszcza wirusa, które chronią wirusa do momentu dotarcia do jądra.

składniki

CPN jest osadzony wewnątrz powłoki jądrowej i składa się z około 500 do 1000 Nups. Białka te są zorganizowane w strukturalne subkompleksy lub moduły, które oddziałują ze sobą.

Pierwszy moduł jest centralnym komponentem lub pierścieniem w porach w kształcie klepsydry, które są ograniczone innym pierścieniem o średnicy 120 nm po obu stronach, wewnątrzjądrowym i cytoplazmatycznym. Drugi moduł to jądro i pierścienie cytoplazmy (każdy o średnicy 120 nm) umieszczone wokół elementu w kształcie klepsydry.

Trzeci moduł to osiem włókien, które wystają z pierścienia 120 nm do nukleoplazmy i tworzą strukturę w kształcie kosza. Czwarty moduł składa się z włókien wystających w kierunku cytoplazmatycznej strony.

Kompleks w kształcie litery Y, złożony z sześciu Nups i białek Seh 1 i Sec 13, jest największym i najlepiej scharakteryzowanym kompleksem CNP. Kompleks ten jest podstawową jednostką stanowiącą część rusztowania CPN.

Pomimo niskiego podobieństwa między sekwencjami Nups, rusztowanie CPN jest silnie konserwowane u wszystkich eukariontów.

Bibliografia

1. Beck, M., Hurt, E. 2016. Kompleks porów jądrowych: zrozumienie jego funkcji poprzez wgląd strukturalny. Nature Reviews, Molecular Cell Biology, Doi: 10.1038 / nrm.2016.147.
2. Ibarra, A., Hetzer, MW 2015. Jądrowe białka porów i kontrola funkcji genomu. Genes and Development, 29, 337–349.
3. Kabachinski, G., Schwartz, TU 2015. Kompleks porów jądrowych - struktura i funkcja w skrócie. Journal of Cell Science, 128, 423–429.
4. Knockenhauer, KE, Schwartz, TU 2016. Kompleks porów jądrowych jako elastyczna i dynamiczna brama. Celi, 164, 1162-1171.
5. Ptak, C., Aitchison, JD, Wozniak, RW 2014. Wielofunkcyjny kompleks porów jądrowych: platforma do kontroli ekspresji genów. Aktualna opinia dotycząca biologii komórki, DOI: 10.1016 / j.ceb.2014.02.001.
6. Stawicki, SP, Steffen, J. 2017. Publikacja: kompleks porów jądrowych - kompleksowy przegląd struktury i funkcji. International Journal of Academic Medicine, 3, 51–59.
7. Tran, EJ, Wente, SR 2006. Dynamiczne kompleksy porów jądrowych: życie na krawędzi. Celi, 125, 1041-1053.