Nükleer gözenek - Nuclear pore

Nükleer gözenek
Diyagram insan hücre çekirdeği.svg
İnsan hücre çekirdeği diyagramı. Sol altta etiketlenmiş nükleer gözenek
Nükleer Gözenek kırpma.png
Nükleer gözenek. Yan görünüm. 1. Nükleer zarf. 2. Dış halka. 3. Konuşmacı. 4. Sepet. 5. Filamentler. (Çizim elektron mikroskobu görüntülerine dayanmaktadır)
Detaylar
tanımlayıcılar
Latince gözenek nükleer
ağ D022022
NS H1.00.01.2.01005
FMA 63148
Anatomik terminoloji

Bir çekirdek gözenek büyük bir parçası olan proteinlerin kompleks bir şekilde bilinmektedir, çekirdek gözenek kompleks , sayfayı çekirdek zarı çift, zar çevresindeki ökaryotik hücre çekirdeği . Bir omurgalı hücresinin nükleer zarfında yaklaşık 1.000 nükleer gözenek kompleksi (NPC) vardır, ancak hücre tipine ve yaşam döngüsündeki aşamaya bağlı olarak değişir. İnsan nükleer gözenek kompleksi (hNPC), 110 megadalton (MDa) bir yapıdır. Nükleer gözenek kompleksini oluşturan proteinler nükleoporinler olarak bilinir ; her NPC en az 456 ayrı protein molekülü içerir ve 34 farklı nükleoporin proteininden oluşur. Nükleoporinlerin yaklaşık yarısı tipik olarak solenoid protein alanları içerir - ya bir alfa solenoidi ya da bir beta-pervaneli kıvrımı ya da bazı durumlarda her ikisi de ayrı yapısal alanlar olarak . Diğer yarısı, "doğal olarak katlanmamış" veya içsel olarak düzensiz proteinlerin tipik yapısal özelliklerini gösterir , yani bunlar, düzenli üçüncül yapıdan yoksun oldukça esnek proteinlerdir. Bu düzensiz proteinler, amino asit dizileri birçok fenilalanin - glisin tekrarı içerdiği için FG nükleoporinleridir .

Nükleer gözenek kompleksleri, moleküllerin nükleer zarf boyunca taşınmasına izin verir. Bu taşıma, çekirdekten sitoplazmaya hareket eden RNA ve ribozomal proteinleri ve proteinleri ( DNA polimeraz ve laminler gibi ), karbonhidratları , sinyal moleküllerini ve çekirdeğe hareket eden lipidleri içerir . Nükleer gözenek kompleksinin (NPC) saniyede kompleks başına 1000 yer değiştirmeyi aktif olarak gerçekleştirebilmesi dikkat çekicidir . Daha küçük moleküller gözeneklerden basitçe difüze olsa da , daha büyük moleküller spesifik sinyal dizileri tarafından tanınabilir ve daha sonra nükleoporinlerin yardımıyla çekirdeğin içine veya dışına yayılabilir . Yakın zamanda, bu nükleoporinlerin , dizilerinde kodlanmış ve nükleer gözenek yoluyla moleküllerin taşınmasını nasıl düzenledikleri hakkında fikir veren spesifik evrimsel korunmuş özelliklere sahip oldukları gösterilmiştir . Nükleoporin aracılı taşıma, doğrudan enerji gerektirmeyen, ancak RAN döngüsü ile ilişkili konsantrasyon gradyanlarına bağlıdır . Gerçek gözenek (dış halka) çevreleyen sekiz protein alt biriminin her biri, gözenek kanalı üzerinde parmak şeklinde bir protein yansıtır. Gözeneğin merkezi genellikle tıkaç benzeri bir yapı içerir. Bunun gerçek bir fişe mi tekabül ettiği veya sadece transit olarak yakalanan bir kargo mu olduğu henüz bilinmiyor.

Boyut ve karmaşıklık

Tüm nükleer gözenek kompleksi, omurgalılarda yaklaşık 120 nanometre çapındadır. Kanalın çapı, insanlarda 5,2 nanometreden Xenopus laevis kurbağasında 10.7 nm'ye kadar değişir ve derinliği yaklaşık 45 nm'dir. Tek iplikli olan mRNA, yaklaşık 0,5 ila 1 nm kalınlığa sahiptir. Moleküler kütle memeli NPC 124 yaklaşık megadaltons (MDA) ve birden çok kopya halinde yaklaşık 30 farklı protein bileşenlerini, her içerir. Buna karşılık, Saccharomyces cerevisiae mayası daha küçüktür ve sadece 66 MDa'lık bir kütleye sahiptir.

Nükleer gözenek kompleksi yoluyla taşıma

Daha fazla bilgi: Nükleer ulaşım
Ran-GTP döngüsü, nükleer ithalat ve nükleer ihracat
Nükleer gözenekler, lamina ve kromatin

Küçük parçacıklar (30-60 kDa'ya kadar ) nükleer gözenek kompleksinden pasif difüzyonla geçebilir. Daha büyük partiküller, moleküler ağırlıkla kademeli olarak azalan oranlarda, gözeneklerin geniş çapından pasif olarak yayılabilir. Kompleksten verimli geçiş, birkaç protein faktörü ve özellikle kargo moleküllerine bağlanan ve bunların NPC boyunca ya çekirdeğe ( importins ) ya da onun dışına ( exportins ) translokasyonlarına aracılık eden nükleer taşıma reseptörleri gerektirir . Nükleer taşıma reseptörlerinin en büyük ailesi , düzinelerce ithalat ve ihracat içeren karyoferinlerdir ; bu aile ayrıca karyopherin-α ve karyopherin-β alt ailelerine bölünmüştür. Diğer nükleer taşıma reseptörleri, NTF2 ve bazı NTF2 benzeri proteinleri içerir.

Yer değiştirme mekanizmasını açıklamak için üç model önerilmiştir:

  • Merkezi fiş boyunca afinite gradyanları
  • Brownian afinite kapısı
  • seçici faz

Protein ithalatı

Ana madde: Nükleer lokalizasyon sinyali

Nükleer lokalizasyon sinyaline (NLS) maruz kalan herhangi bir kargo , gözenekten hızlı ve verimli bir şekilde taşınacaktır. Genellikle PKKKRKV gibi bazik kalıntılara sahip korunmuş bir dizi içeren birkaç NLS dizisi bilinmektedir . NLS'ye sahip herhangi bir materyal, çekirdeğe importins tarafından alınacaktır.

NLS-protein ithalatının klasik şeması, Importin-a'nın önce NLS dizisine bağlanmasıyla başlar, bu daha sonra Importin-β'nın bağlanması için bir köprü görevi görür. Importinβ-importinα-kargo kompleksi daha sonra nükleer gözeneklere yönlendirilir ve bunun içinden yayılır. Kompleks çekirdeğe girdikten sonra, RanGTP Importin-β'ye bağlanır ve onu kompleksten uzaklaştırır. Daha sonra, çekirdekte RanGTP'ye bağlı olan bir ihracat olan hücresel apoptoz duyarlılık proteini (CAS), Importin-a'yı kargodan uzaklaştırır. NLS-proteini böylece nükleoplazmada serbesttir. Importinβ-RanGTP ve Importinα-CAS-RanGTP kompleksi, GTP'lerin GDP'ye hidrolize edildiği sitoplazmaya geri yayılır ve yeni bir NLS-protein ithalat turu için uygun hale gelen Importinβ ve Importinα'nın salınmasına yol açar.

Kargo, şaperon proteinlerinin yardımıyla gözenekten geçse de, gözenek içinden translokasyon enerjiye bağlı değildir. Bununla birlikte, tüm ithalat döngüsü 2 GTP'nin hidrolizine ihtiyaç duyar ve bu nedenle enerjiye bağımlıdır ve aktif taşıma olarak düşünülmelidir . İçe aktarma döngüsü, nükleositoplazmik RanGTP gradyanı tarafından desteklenmektedir. Bu gradyan, Ran molekülleri üzerinde GDP'yi GTP'ye değiştiren proteinler olan RanGEF'lerin özel nükleer lokalizasyonundan kaynaklanır. Bu nedenle, sitoplazmaya kıyasla çekirdekte yüksek bir RanGTP konsantrasyonu vardır.

Protein ihracatı

Bazı moleküller veya makromoleküler kompleksler, ribozom alt birimleri ve haberci RNA'lar gibi çekirdekten sitoplazmaya ihraç edilmelidir . Dolayısıyla ithalat mekanizmasına benzer bir ihracat mekanizması vardır.

Klasik dışa aktarma şemasında, bir nükleer dışa aktarma dizisine (NES) sahip proteinler, bir dışa aktarma ve RanGTP (örneğin, dışa aktarma CRM1) ile heterotrimerik bir kompleks oluşturmak üzere çekirdeğe bağlanabilir. Kompleks daha sonra GTP'nin hidrolize olduğu ve NES-proteininin salındığı sitoplazmaya yayılabilir. CRM1-RanGDP, GSYİH'nın RanGEF'ler tarafından GTP ile değiştirildiği çekirdeğe geri yayılır. Bu süreç aynı zamanda bir GTP tükettiği için enerjiye bağımlıdır. Exportin CRM1 ile ihracat, Leptomisin B tarafından engellenebilir .

RNA ihracatı

Ayrıca bakınız: Gen geçişi

Var olan her RNA sınıfı için NPC aracılığıyla farklı dışa aktarma yolları vardır. RNA dışa aktarımı da sinyal aracılı (NES); NES, RNA bağlayıcı proteinlerdedir (bağdaştırıcısı olmayan tRNA hariç). mRNA hariç tüm viral RNA'ların ve hücresel RNA'ların ( tRNA , rRNA , U snRNA , microRNA ) RanGTP'ye bağımlı olması dikkat çekicidir. Korunmuş mRNA ihracat faktörleri, mRNA nükleer ihracatı için gereklidir. Dışa aktarma faktörleri Mex67/Tap (büyük alt birim) ve Mtr2/p15 (küçük alt birim)'dir. Daha yüksek ökaryotlarda, mRNA ihracatının, eklenmiş mesajlara bir protein kompleksi olan TREX'i alan eklemeye bağlı olduğu düşünülmektedir. TREX, çok zayıf bir RNA bağlayıcı protein olan TAP için bir adaptör işlevi görür. Ancak, histonlar gibi özel mesajlar için eklemeye dayanmayan alternatif mRNA dışa aktarma yolları vardır. Son zamanlarda yapılan çalışmalar ayrıca, eklemeye bağlı dışa aktarma ile salgı ve mitokondriyal transkriptler için bu alternatif mRNA dışa aktarma yollarından biri arasında bir etkileşim olduğunu düşündürmektedir.

NPC'nin toplanması

Gözenekli hücre çekirdeği.

NPC, genoma erişimi kontrol ettiğinden, bol miktarda transkripsiyonun gerekli olduğu hücre döngüsünün aşamalarında büyük miktarlarda bulunması esastır. Örneğin, döngü halindeki memeli ve maya hücreleri, hücre döngüsünün G1 ve G2 fazı arasındaki çekirdekteki NPC miktarını iki katına çıkarır ve oositler, gelişimin erken aşamalarında var olan hızlı mitoza hazırlanmak için çok sayıda NPC biriktirir. Fazlar arası hücreler ayrıca, bazıları zarar görebileceğinden, hücredeki NPC seviyelerini sabit tutmak için bir NPC üretimi seviyesini korumalıdır. Bazı hücreler, artan transkripsiyonel talep nedeniyle NPC sayılarını bile artırabilir.

montaj teorileri

NPC'lerin nasıl toplandığına dair birkaç teori var. Nup 107-160 kompleksi gibi belirli protein komplekslerinin immün tükenmesi gözeneksiz çekirdeklerin oluşumuna yol açtığından, Nup komplekslerinin nükleer zarfın dış zarını iç ile kaynaştırmaya dahil olması muhtemel görünmektedir. zarın kaynaşması gözenek oluşumunu başlatır. Bunun tam NPC'nin oluşumuna yol açmasının birkaç yolu vardır.

  • Bir olasılık, bir protein kompleksi olarak kromatine bağlanmasıdır . Daha sonra kromatine yakın çift zara yerleştirilir. Bu da, o zarın kaynaşmasına yol açar. Bu protein kompleksinin etrafında diğerleri sonunda NPC'yi oluşturarak bağlanır. Bu yöntem, zar füzyon proteinleri kompleksi eklenmeden önce kromatin çevresinde çift zar bulunduğundan mitozun her aşamasında mümkündür. Mitotik sonrası hücreler, oluşumdan sonra içine gözenekler sokularak önce bir zar oluşturabilir.
  • NPC'nin oluşumu için başka bir model, tek bir protein kompleksinin aksine bir başlangıç ​​olarak bir prepore üretimidir. Bu ön gözenek, birkaç Nup kompleksi bir araya gelip kromatine bağlandığında oluşacaktır. Bu, mitotik yeniden birleştirme sırasında çevresinde çift zar formuna sahip olacaktır. Elektron mikroskobu kullanılarak nükleer zarf (NE) oluşumundan önce kromatin üzerinde olası gözenek öncesi yapılar gözlenmiştir . Hücre döngüsünün interfazı sırasında, prepore oluşumu çekirdek içinde gerçekleşir, her bileşen mevcut NPC'ler yoluyla taşınır. Bu Nups, bir kez oluşturulduktan sonra, sitoplazmada bir prepore birleşmesini önleyen bir importine bağlanır. Ran GTP çekirdeğe taşındığında, importin'e bağlanır ve kargoyu serbest bırakmasına neden olur. Bu Nup bir ön hazırlık oluşturmakta özgür olacaktı. Bağlanma importins en azından çekirdeğin içine Nup 107 ve Nup 153 nucleoporins getirmeyi gösterilmiştir. NPC montajı çok hızlı bir süreçtir, ancak tanımlanmış ara durumlar meydana gelir, bu da bu montajın adım adım gerçekleştiği fikrine yol açar.

demontaj

Mitoz sırasında NPC aşamalar halinde sökülüyor gibi görünüyor. Nup 153 Nup 98 ve Nup 214 gibi periferik nükleoporinler, NPC'den ayrılır. İskele proteinleri olarak kabul edilebilecek geri kalanı, nükleer zarf içinde silindirik halka kompleksleri olarak stabil kalır. NPC periferik gruplarının bu demontajının, bu nükleoporinlerin birçoğu mitoz aşamaları sırasında fosforile edildiğinden, büyük ölçüde fosfat tahrikli olduğu düşünülmektedir. Bununla birlikte, fosforilasyonda yer alan enzim in vivo olarak bilinmemektedir. Metazoanlarda (açık mitoz geçiren), NE, periferik Nups kaybından sonra hızla bozulur. Bunun nedeni NPC'nin mimarisindeki değişiklikten kaynaklanıyor olabilir. Bu değişiklik, NPC'yi sitoplazmik tübülin gibi NE'nin parçalanmasında yer alan enzimlere karşı daha geçirgen hale getirebilir ve ayrıca anahtar mitotik düzenleyici proteinlerin girişine izin verebilir. Filamentli mantar Aspergillus nidulans gibi yarı açık bir mitoz geçiren organizmalarda , 30 nükleoporinden 14'ü çekirdek iskele yapısından ayrılır, nükleoporinleri fosforile eden ve nükleer gözenekleri açan NIMA ve Cdk1 kinazların aktivasyonu ile tahrik edilir ve böylece çekirdek iskele yapısından ayrılır. nükleer gözenek ve mitotik düzenleyicilerin girişine izin verir.

Bütünlüğün korunması

Kapalı mitoza giren mantarlarda (çekirdeğin parçalanmadığı yerde), NE'nin geçirgenlik bariyerindeki değişikliğin NPC içindeki değişikliklerden kaynaklandığı ve mitotik düzenleyicilerin girişine izin veren şeyin bu olduğu gösterilmiştir. Aspergillus nidulans'ta NPC bileşiminin, mitotik kinaz NIMA tarafından, muhtemelen nükleoporinler Nup98 ve Gle2/Rae1'i fosforile ederek etkilendiği görülmektedir. Bu yeniden yapılanma, protein kompleksi cdc2/cyclinB'nin çekirdeğe ve ayrıca çözünür tübülin gibi diğer birçok proteine ​​girmesine izin veriyor gibi görünüyor. NPC iskelesi tüm kapalı mitoz boyunca bozulmadan kalır. Bu, NE'nin bütünlüğünü koruyor gibi görünüyor.

Referanslar

Dış bağlantılar