ЯДЕРНАЯ ПОРА: ХАРАКТЕРИСТИКИ, ФУНКЦИИ, КОМПОНЕНТЫ - БИОЛОГИЯ

Ядерные пор (от греческого, пор = канал или транзит) является «воротами» ядра , что позволяет большую часть транспорта между нуклеоплазмой и цитоплазмой. Ядерная пора соединяется с внутренней и внешней мембранами ядра, образуя каналы, которые служат для транспортировки белков и РНК.

Слово пора не отражает сложности рассматриваемой структуры. Из-за этого предпочтительнее ссылаться на комплекс ядерных пор (CPN), а не на ядерные поры. CPN может претерпевать изменения в своей структуре во время транспортировки или состояний клеточного цикла.

Источник: RS Shaw в английской Википедии.

Недавно было обнаружено, что нуклеопорины, белки, составляющие CPN, играют важную роль в регуляции экспрессии генов. Таким образом, когда происходят мутации, которые влияют на функцию нуклеопоринов, у людей возникают патологии, такие как аутоиммунные заболевания, кардиомиопатии, вирусные инфекции и рак.

характеристики

С помощью электронной томографии было определено, что CPN имеет толщину 50 нм, внешний диаметр от 80 до 120 нм и внутренний диаметр 40 нм. Большие молекулы, такие как большая субъединица рибосомы (молекулярная масса 1590 кДа), могут экспортироваться из ядра через CPN. По оценкам, на ядро приходится от 2 000 до 4 000 NPC.

Молекулярная масса отдельного CPN составляет приблизительно от 120 до 125 МДа (1 МДа = 10 ⁶ Да) у позвоночных. Напротив, у дрожжей CPN меньше, у них оно составляет примерно 60 МДа. Несмотря на огромный размер CPN, нуклеопорины высоко консервативны у всех эукариот.

Транслокация через CPN - это быстрый процесс, скорость которого составляет 1000 транслокаций в секунду. Однако сама CPN не определяет направление транспортного потока.

Это зависит от градиента RanGTP, который в ядре больше, чем в цитозоле. Этот градиент поддерживается фактором обмена гуанина Ran.

Во время клеточного цикла CPN подвергаются циклам сборки и разборки. Сборка происходит на границе раздела и сразу после митоза.

Характеристики

Рибонуклеиновая кислота (малая ядерная РНК, информационная РНК, транспортная РНК), белки и рибонуклеопротеины (РНП) должны активно транспортироваться через CPN. Это означает, что требуется энергия гидролиза АТФ и ГТФ. Каждая молекула транспортируется определенным образом.

Как правило, молекулы РНК заполнены белками, образующими комплексы РНП, которые экспортируются таким образом. Напротив, белки, которые активно транспортируются в ядро, должны обладать сигнальной последовательностью ядерной локализации (SLN), содержащей положительно заряженные аминокислотные остатки (например, KKKRK).

Белки, которые экспортируются в ядро, должны иметь сигнал экспорта ядра (NES), богатый аминокислотой лейцином.

Помимо облегчения транспорта между ядром и цитоплазмой, CPN участвуют в организации хроматина, регуляции экспрессии генов и репарации ДНК. Нуклеопорины (Nups) способствуют активации или репрессии транскрипции независимо от состояния пролиферации клеток.

У дрожжей Nups находятся в CNP ядерной оболочки. У многоклеточных животных они находятся внутри. У всех эукариот они выполняют одни и те же функции.

Импорт веществ

Через CPN происходит пассивная диффузия малых молекул в обоих направлениях и активный транспорт, импорт белков, экспорт РНК и рибонуклеопротеидов (RNP), а также двунаправленный челнок молекул. Последний включает РНК, РНП и белки, участвующие в передаче сигналов, биогенезе и обмене.

Импорт белков в ядро происходит в два этапа: 1) связывание белка с цитоплазматической стороной CPN; 2) АТФ-зависимая транслокация через CPN. Этот процесс требует гидролиза АТФ и обмена GTP / GDP между ядром и цитоплазмой.

Согласно транспортной модели, комплекс рецептор-белок перемещается по каналу путем присоединения, диссоциации и повторного присоединения к последовательностям повторов FG нуклеопоринов. Таким образом, комплекс перемещается от одного нуклеопорина к другому внутри CPN.

Экспорт веществ

Это похоже на импорт. Ran GTPase обеспечивает направленность транспорта через CNP. Ran - это молекулярный переключатель с двумя конформационными состояниями в зависимости от того, связан ли он с GDP или GTP.

Два Ran-специфических регуляторных белка запускают преобразование между двумя состояниями: 1) цитозольный белок-активатор GTPase (GAP), который вызывает гидролиз GTP и, таким образом, превращает Ran-GTP в Ran-GDP; и 2) фактор обмена ядерного гуанина (GEF), который способствует обмену GDP на GTP и преобразует Ran-GDP в Ran-GTP.

Цитозоль содержит в основном Ran-GDP. Ядро в основном содержит Ran-GTP. Этот градиент двух конформационных форм Ran направляет транспорт в нужном направлении.

Ввоз прикрепленного к грузу рецептора облегчается прикреплением к FG-повторам. Если он достигает ядерной стороны CNP, Ran-GTP присоединяется к получателю, освобождая его позицию. Таким образом, Ran-GTP создает направление процесса импорта.

Ядерный экспорт похож. Однако Ran-GTP в ядре способствует связыванию груза с экспортом рецептора. Когда рецептор экспорта перемещается через пору в цитозоль, он встречает Ran-GAP, который вызывает гидролиз GTP до GDP. Наконец, рецептор высвобождается из своего поста и Ran-GDP в цитозоле.

Транспорт РНК

Экспорт некоторых классов РНК аналогичен экспорту белков. Например, тРНК и нсРНК (малая ядерная) используют градиент RanGTP и транспортируются через CPN с помощью экспортина кариоферина-t и Crm соответственно. Экспорт зрелых рибосом также зависит от градиента RanGTP.

МРНК экспортируется совершенно иначе, чем белки и другие РНК. Для своего экспорта мРНК образует комплекс матричных РНП (мРНП), в котором одна молекула мРНК окружена сотнями белковых молекул. Эти белки отвечают за процессинг, кэппинг, сплайсинг и полиаденилирование мРНК.

Клетка должна уметь различать мРНК со зрелой мРНК и мРНК с незрелой мРНК. МРНК, которая формирует комплекс RPNm, может принимать топологии, которые необходимо реконструировать для транспорта. Перед тем, как мРНП входит в CPN, происходит этап контроля, выполняемый TRAMP и белковыми комплексами экзосом.

Когда зрелая RNPm собирается, RPNm транспортируется по каналу с помощью транспортного рецептора (Nxf1-Nxt1). Этот рецептор требует гидролиза АТФ (а не градиента RanGTP), чтобы установить направленность ремоделирования мРНП, которая достигнет цитоплазмы.

Комплекс ядерных пор и контроль экспрессии генов

Некоторые исследования показывают, что компоненты CPN могут влиять на регуляцию экспрессии генов, контролируя структуру хроматина и его доступность для факторов транскрипции.

У недавно появившихся эукариот гетерохроматин преимущественно расположен на периферии ядра. Эта территория прервана эухроматиновыми каналами, которые поддерживаются ядерной корзиной CPN. Ассоциация ядерной корзины с эухроматином связана с транскрипцией гена.

Например, активация транскрипции на уровне CPN включает взаимодействие компонентов ядерной корзины с белками, такими как гистоновая SAGA-ацетилтрансфераза и факторы экспорта РНК.

Таким образом, ядерная корзина является платформой для множества высокотранскрибируемых генов домашнего хозяйства и генов, сильно индуцированных изменениями условий окружающей среды.

Комплекс ядерных пор и вирусология

Вирусная инфекция эукариотических клеток зависит от CPN. В каждом случае вирусной инфекции ее успех зависит от прохождения ДНК, РНК или RPN через CPN для достижения своей конечной цели - репликации вируса.

Обезьяний вирус 40 (SV40) был одной из наиболее изученных моделей для исследования роли CPN в транслокации внутри ядра. Это потому, что SV40 имеет небольшой геном (5000 оснований).

Было показано, что транспортировке вирусной ДНК способствуют белки оболочки вируса, которые защищают вирус, пока он не достигнет ядра.

Составные части

CPN встроен в ядерную оболочку и состоит примерно из 500–1000 Nups. Эти белки организованы в структурные подкомплексы или модули, которые взаимодействуют друг с другом.

Первый модуль представляет собой центральный компонент или кольцо внутри поры в форме песочных часов, которая ограничена другим кольцом диаметром 120 нм с обеих сторон, внутриядерным и цитоплазматическим. Второй модуль - это ядро и кольца цитоплазмы (диаметром 120 нм каждое), расположенные вокруг компонента в форме песочных часов.

Третий модуль - это восемь филаментов, которые выступают из 120-нм кольца в нуклеоплазму и образуют структуру в форме корзины. Четвертый модуль состоит из нитей, которые выступают в сторону цитоплазмы.

Y-образный комплекс, состоящий из шести Nups и белков Seh 1 и Sec 13, является крупнейшим и лучше всего охарактеризованным комплексом CNP. Этот комплекс является важнейшей единицей, которая является частью строительных лесов CPN.

Несмотря на низкое сходство между последовательностями Nups, каркас CPN высококонсервативен у всех эукариот.

Ссылки

Бек, М., Херт, Э. 2016. Комплекс ядерных пор: понимание его функции через структурное понимание. Обзоры природы, молекулярная клеточная биология, Doi: 10.1038 / nrm.2016.147.
Ибарра, А., Хетцер, М.В. 2015. Белки ядерных пор и контроль функций генома. Гены и развитие, 29, 337–349.
Кабачинский, Г., Шварц, Т.У. 2015. Ядерный поровый комплекс - структура и функция с первого взгляда. Journal of Cell Science, 128, 423–429.
Knockenhauer, KE, Schwartz, TU 2016. Ядерный поровый комплекс как гибкий и динамический затвор. Ячейка, 164, 1162–1171.
Птак, К., Эйчисон, Дж. Д., Возняк, Р. В. 2014. Многофункциональный комплекс ядерных пор: платформа для контроля экспрессии генов. Текущее мнение о клеточной биологии, DOI: 10.1016 / j.ceb.2014.02.001.
Ставицки, С. П., Штеффен, Дж. 2017. Републикация: комплекс ядерных пор - всесторонний обзор структуры и функций. Международный журнал академической медицины, 3, 51–59.
Тран, Э.Дж., Венте, С.Р. 2006. Динамические комплексы ядерных пор: жизнь на грани. Cell, 125, 1041-1053.

ЯДЕРНАЯ ПОРА: ХАРАКТЕРИСТИКИ, ФУНКЦИИ, КОМПОНЕНТЫ - БИОЛОГИЯ - 2025