KÄRNPORER: EGENSKAPER, FUNKTIONER, KOMPONENTER - BIOLOGI - 2025

Den kärnpor (från det grekiska, porer = passage eller transit) är den "gate" av kärnan som tillåter det mesta av transport mellan nukleoplasman och cytoplasman. Kärnporen förbinder de inre och yttre membranen i kärnan för att bilda kanaler, som tjänar till att transportera proteiner och RNA.

Ordet pore återspeglar inte komplexiteten i den aktuella strukturen. På grund av detta är det att föredra att hänvisa till kärnkraftsporkomplex (CPN) snarare än kärnpor. CPN kan genomgå förändringar i sin struktur under transport eller cellcykelstillstånd.

Källa: RS Shaw på engelska Wikipedia.

Nyligen har det upptäckts att nukleoporiner, proteiner som utgör CPN, har en viktig roll i regleringen av genuttryck. Således, när mutationer inträffar som påverkar funktionen hos nukleoporiner, uppstår patologier hos människor, såsom autoimmuna sjukdomar, kardiomyopatier, virusinfektioner och cancer.

egenskaper

Med användning av elektronstomografi fastställdes det att CPN hade en tjocklek av 50 nm, en yttre diameter mellan 80 och 120 nm och en inre diameter på 40 nm. Stora molekyler såsom den stora ribosomsubenheten (MW 1590 kDa) kan exporteras ut ur kärnan genom CPN. Det uppskattas att det finns mellan 2000 och 4000 NPC per kärna.

Molekylvikten för en individuell CPN är ungefär mellan 120 och 125 MDa (1 MDa = 10 ⁶ Da) i ryggradsdjur. Däremot är CPN mindre i jäst, där den är ungefär 60 MDa. Trots den enorma storleken på CPN är nukleoporiner mycket bevarade i alla eukaryoter.

Omlokalisering via CPN är en snabb process, vars hastighet är 1000 translokationer / sekund. CPN bestämmer emellertid inte själva transportflödesriktningen.

Det beror på RanGTP-gradienten, som är större i kärnan än i cytosolen. Denna gradient upprätthålls av en guaninbytningsfaktor Ran.

Under cellcykeln genomgår CPN: er monterings- och oönskningscykler för sina komponenter. Montering sker vid gränssnittet och omedelbart efter mitos.

Funktioner

Ribonukleinsyra (liten kärn-RNA, budbärar-RNA, överförings-RNA), proteiner och ribonukleoproteiner (RNP) måste transporteras aktivt genom CPN. Detta innebär att energin från hydrolys av ATP och GTP krävs. Varje molekyl transporteras på ett specifikt sätt.

I allmänhet är RNA-molekyler packade med proteiner som bildar RNP-komplex, som exporteras på detta sätt. Däremot måste proteiner som transporteras aktivt till kärnan ha en nukleuslokaliseringssignalsekvens (SLN) och ha positivt laddade aminosyrarester (t.ex. KKKRK).

Proteiner som exporteras till kärnan måste ha en kärnexportsignal (NES) rik på aminosyran leucin.

Förutom att underlätta transport mellan kärnan och cytoplasma är CPN: er involverade i organiseringen av kromatin, regleringen av genuttryck och DNA-reparation. Nukleoporiner (Nups) främjar aktivering eller förtryck av transkription, oavsett tillståndet för cellproliferation.

I jäst hittas Nups i CNP i kärnhöljet. I metazoans finns de inuti. De utför samma funktioner i alla eukaryoter.

Import av ämnen

Genom CPN sker passiv diffusion av små molekyler i båda riktningarna och aktiv transport, import av proteiner, export av RNA och ribonukleoproteiner (RNP) och den dubbelriktade transporten av molekyler. Det senare inkluderar RNA, RNP och proteiner involverade i signalering, biogenes och omsättning.

Importen av proteiner i kärnan sker i två steg: 1) bindning av proteinet till den cytoplasmiska sidan av CPN; 2) ATP-beroende translokation via CPN. Denna process kräver hydrolys av ATP och utbyte av GTP / BNP mellan kärnan och cytoplasma.

Enligt en transportmodell rör sig receptor-proteinkomplexet längs kanalen genom att binda, dissociera och återfästa till FG-repetitionssekvenserna för nukleoporiner. På detta sätt flyttar komplexet från en nukleoporin till en annan inom CPN.

Export av ämnen

Det liknar import. Ran GTPase upprätthåller riktning vid transport genom CNP. Ran är en molekylomkopplare med två konformationella tillstånd, beroende på om den är bunden till BNP eller GTP.

Två Ran-specifika regulatoriska proteiner utlöser omvandlingen mellan de två tillstånden: 1) cytosoliskt GTPasaktiverande protein (GAP), vilket orsakar GTP-hydrolys och därmed omvandlar Ran-GTP till Ran-BNP; och 2) kärnkraftsutbytningsfaktor (GEF), som främjar utbytet av BNP för GTP och omvandlar Ran-BNP till Ran-GTP.

Cytosolen innehåller främst Ran-BNP. Kärnan innehåller huvudsakligen Ran-GTP. Denna gradient av de två konformationella formerna av Ran styr transporten i rätt riktning.

Import av receptorn, fäst vid lasten, underlättas genom fästning till FG-upprepningarna. Om den når nukleära sidan av CNP, går Ran-GTP med i mottagaren när han släpper sin position. Således skapar Ran-GTP riktningen för importprocessen.

Kärnkraftsexport är liknande. Ran-GTP i kärnan främjar emellertid bindning av last till receptoreksport. När exportreceptorn rör sig genom poren in i cytosolen möter den Ran-GAP, vilket inducerar hydrolysen av GTP till BNP. Slutligen släpps receptorn från sin post och Ran-BNP i cytosolen.

RNA-transport

Exporten av vissa klasser av RNA liknar exporten av proteiner. Till exempel använder tRNA och nsRNA (liten kärnkraft) RanGTP-gradienten och transporteras genom CPN med karioferin-exportin-t respektive Crm. Exporten av mogna ribosomer är också beroende av RanGTP-gradienten.

MRNA exporteras på ett helt annat sätt än proteiner och andra RNA. För export bildar mRNA ett messenger RNP (mRNP) -komplex, i vilket en mRNA-molekyl är omgiven av hundratals proteinmolekyler. Dessa proteiner ansvarar för bearbetning, kapning, skarvning och polyadenylering av mRNA.

Cellen måste kunna skilja mellan mRNA med moget mRNA och mRNA med omoget mRNA. MRNA, som bildar RPNm-komplexet, kan anta topologier som måste ombyggas för transport. Innan mRNP går in i CPN sker ett kontrollsteg som utförs av TRAMP och exosom proteinkomplex.

När den mogna RNPm monteras transporteras RPNm genom kanalen med en transportreceptor (Nxf1-Nxt1). Denna receptor behöver hydrolys av ATP (inte en RanGTP-gradient) för att fastställa remodelleringsriktningen för mRNP, som kommer att nå cytoplasma.

Det nukleära porkomplexet och kontrollen av genuttryck

Vissa studier indikerar att CPN-komponenter kan påverka regleringen av genuttryck genom att kontrollera strukturen hos kromatin och dess tillgänglighet till transkriptionsfaktorer.

I mer nyligen utvecklade eukaryoter är heterokromatin företrädesvis lokaliserat vid kärnans periferi. Detta territorium avbryts av eukromatinkanaler, som upprätthålls av CPN: s kärnkraftkorg. Kärnkorgsassociationen med euchromatin är relaterad till gentranskription.

Exempelvis involverar aktivering av transkription på CPN-nivån interaktion mellan komponenter i kärnkorgen med proteiner såsom histon-SAGA-acetyltransferas och RNA-exportfaktorer.

Således är kärnkorgen en plattform för många högt transkriberade hushållningsgener och gener som kraftigt framkallas av förändringar i miljöförhållandena.

Det nukleära porkomplexet och virologin

Viral infektion av eukaryota celler är beroende av CPN. I varje fall av virusinfektion beror dess framgång på att DNA, RNA eller RPN passerar genom CPN för att uppnå sitt slutliga mål, vilket är virusreplikation.

Simianviruset 40 (SV40) har varit en av de mest studerade modellerna för att undersöka CPN: s roll i translokation i kärnan. Detta beror på att SV40 har ett litet genom (5 000 baser).

Det har visats att transporten av virus-DNA underlättas av virusbeläggningsproteiner, som skyddar viruset tills det når kärnan.

Komponenter

CPN är inbäddat i kärnhöljet och består av mellan 500 och 1000 Nups, ungefär. Dessa proteiner är organiserade i strukturella subkomplex eller moduler, som interagerar med varandra.

Den första modulen är en central komponent eller ring i timglasformad pore, som begränsas av en annan ring med en diameter på 120 nm på båda sidorna, intranukleär och cytoplasmisk. Den andra modulen är kärnan och cytoplasma-ringarna (vardera 120 nm i diameter) belägna runt timglasformade komponenten.

Den tredje modulen är åtta filament som skjuter ut från 120 nm-ringen in i nukleoplasma och bildar en korgformad struktur. Den fjärde modulen består av filamenten som skjuter ut mot cytoplasma-sidan.

Det Y-formade komplexet, som består av sex Nups och proteinerna Seh 1 och Sec 13, är det största och bäst karakteriserade CNP-komplexet. Detta komplex är den väsentliga enheten som är en del av byggnadsställningen av CPN.

Trots den låga likheten mellan Nups-sekvenserna är CPN-ställningen mycket bevarad i alla eukaryoter.

referenser

1. Beck, M., Hurt, E. 2016. Kärnkraftskomplexet: förstå dess funktion genom strukturell insikt. Nature Reviews, Molecular Cell Biology, Doi: 10.1038 / nrm.2016.147.
2. Ibarra, A., Hetzer, MW 2015. Kärnporproteiner och kontrollen av genomfunktioner. Gener och utveckling, 29, 337–349.
3. Kabachinski, G., Schwartz, TU 2015. Det kärnkraftiga porkomplexet - struktur och funktion i en överblick. Journal of Cell Science, 128, 423–429.
4. Knockenhauer, KE, Schwartz, TU 2016. Kärnkraftsporkomplexet som en flexibel och dynamisk grind. Cell, 164, 1162-1171.
5. Ptak, C., Aitchison, JD, Wozniak, RW 2014. Det multifunktionella nukleära porkomplexet: en plattform för att kontrollera genuttryck. Aktuellt yttrande om cellbiologi, DOI: 10.1016 / j.ceb.2014.02.001.
6. Stawicki, SP, Steffen, J. 2017. Republik: kärnkraftskomplexet - en omfattande översyn av struktur och funktion. International Journal of Academic Medicine, 3, 51–59.
7. Tran, EJ, Wente, SR 2006. Dynamiska nukleära porkomplex: liv på kanten. Cell, 125, 1041-1053.