PORUL NUCLEAR: CARACTERISTICI, FUNCȚII, COMPONENTE - BIOLOGIE - 2025

Porul nuclear (din limba greacă, pori = pasaj sau tranzit) este „poarta“ a nucleului care permite majoritatea transportului între nucleoplasmei și citoplasmă. Porul nuclear se unește cu membranele interioare și exterioare ale nucleului pentru a forma canale, care servesc la transportul proteinelor și ARN.

Cuvântul por nu reflectă complexitatea structurii în cauză. Din acest motiv, este de preferat să ne referim la complexul de pori nucleari (CPN), decât la porii nucleari. CPN poate suferi modificări în structura sa în timpul transportului sau în stările ciclului celular.

Sursa: RS Shaw la Wikipedia engleză.

Recent, s-a descoperit că nucleoporinele, proteinele care alcătuiesc CPN, au un rol important în reglarea expresiei genice. Astfel, atunci când apar mutații care afectează funcția nucleoporinelor, la om apar patologii, precum boli autoimune, cardiomiopatii, infecții virale și cancer.

caracteristici

Cu ajutorul tomografiei electronice s-a determinat că CPN are o grosime de 50 nm, un diametru extern între 80 și 120 nm și un diametru intern de 40 nm. Molecule mari, cum ar fi subunitatea mare de ribozomi (MW 1590 kDa) pot fi exportate din nucleu prin intermediul CPN. Se estimează că există între 2.000 și 4.000 de NPC-uri pe nucleu.

Greutatea moleculară a unui CPN individual este aproximativ între 120 și 125 MDa (1 MDa = 10 ⁶ Da) la vertebrate. În schimb, CPN este mai mic în drojdie, în care este de aproximativ 60 MDa. În ciuda dimensiunii enorme a CPN, nucleoporinele sunt foarte conservate în toate eucariotele.

Translocarea prin CPN este un proces rapid, a cărui viteză este de 1000 de translocări / secundă. Cu toate acestea, CPN nu determină el însuși direcția fluxului de transport.

Depinde de gradientul RanGTP, care este mai mare în nucleu decât în ​​citosol. Acest gradient este menținut de un factor de schimb de guanină Ran.

În timpul ciclului celular, CPN-urile sunt supuse unor cicluri de asamblare și dezbinare a componentelor lor. Asamblarea are loc la interfață și imediat după mitoză.

Caracteristici

Acidul ribonucleic (ARN nuclear mic, ARN mesager, ARN de transfer), proteine ​​și ribonucleoproteine ​​(RNPs) trebuie transportate activ prin CPN. Aceasta înseamnă că energia din hidroliza ATP și GTP este necesară. Fiecare moleculă este transportată într-un mod specific.

În general, moleculele de ARN sunt ambalate cu proteine ​​care formează complexe RNP, fiind exportate în acest fel. În schimb, proteinele care sunt transportate activ către nucleu trebuie să posede o secvență de semnal de localizare a nucleului (SLN), care să aibă reziduuri de aminoacizi încărcați pozitiv (de exemplu, KKKRK).

Proteinele care sunt exportate în nucleu trebuie să aibă un semnal de export al nucleului (NES), bogat în leucină aminoacidă.

Pe lângă facilitarea transportului între nucleu și citoplasmă, CPN-urile sunt implicate în organizarea cromatinei, reglarea expresiei genice și repararea ADN-ului. Nucleoporinele (Nups) promovează activarea sau reprimarea transcripției, indiferent de starea de proliferare celulară.

În drojdie, Nups se găsește în CNP-ul plicului nuclear. În metazoane se găsesc în interior. Ele îndeplinesc aceleași funcții în toate eucariotele.

Importul de substanțe

Prin CPN există o difuzie pasivă a moleculelor mici atât în ​​direcții, cât și în transport activ, import de proteine, export de ARN și ribonucleoproteine ​​(RNPs) și transferul bidirecțional al moleculelor. Acesta din urmă include ARN, RNP și proteine ​​implicate în semnalizare, biogeneză și cifră de afaceri.

Importul proteinelor în nucleu are loc în două etape: 1) legarea proteinei de partea citoplasmică a CPN; 2) Transferul dependent de ATP prin intermediul CPN. Acest proces necesită hidroliza ATP și schimbul de GTP / PIB între nucleu și citoplasmă.

Conform unui model de transport, complexul receptor-proteină se deplasează de-a lungul canalului prin atașarea, disocierea și refacerea la secvențele FG repetate de nucleoporine. În acest fel, complexul se deplasează de la o nucleoporină la alta în cadrul CPN.

Export de substanțe

Este similar cu importul. Ran GTPase aplică direcționalitatea transportului prin CNP. Ran este un comutator molecular cu două stări conformaționale, în funcție de faptul că este legat de PIB sau GTP.

Două proteine ​​de reglementare specifice Ran determină conversia între cele două state: 1) proteină citosolică de activare a GTPazei (GAP), care determină hidroliza GTP și transformă astfel Ran-GTP în Ran-PIB; și 2) factorul de schimb nuclear al guaninei (GEF), care promovează schimbul de PIB pentru GTP și transformă Ran-PIB în Ran-GTP.

Citosol conține în principal Ran-PIB. Nucleul conține în principal Ran-GTP. Acest gradient al celor două forme conformaționale de Ran direcționează transportul în direcția corespunzătoare.

Importarea receptorului, atașată la marfă, este facilitată de atașarea la repetările FG. Dacă atinge partea nucleară a CNP, Ran-GTP se alătură receptorului pentru a-și elibera poziția. Astfel, Ran-GTP creează direcția procesului de import.

Exportul nuclear este similar. Cu toate acestea, Ran-GTP din nucleu promovează legarea mărfii la exportul receptorilor. Când receptorul de export se deplasează prin pori în citosol, acesta întâlnește Ran-GAP, care induce hidroliza GTP în PIB. În cele din urmă, receptorul este eliberat din post-ul său și Ran-PIB în citosol.

Transport ARN

Exportul unor clase de ARN este similar cu exportul de proteine. De exemplu, ARNt și nsRNA (nucleare mici) folosesc gradientul RanGTP și sunt transportate prin CPN de carioferină exportin-t și respectiv Crm. Exportul ribozomilor maturi depinde și de gradientul RanGTP.

MRNA este exportat într-un mod foarte diferit de proteine ​​și alte ARN-uri. Pentru exportul său, mRNA formează un complex de mesagerie RNP (mRNP), în care o moleculă de mARN este înconjurată de sute de molecule de proteine. Aceste proteine ​​sunt responsabile de prelucrarea, capsularea, împletirea și poliadenilarea ARNm.

Celula trebuie să poată distinge între ARNm cu ARNm matur și ARNm cu ARNm imatur. ARNm, care formează complexul RPNm, ar putea adopta topologii care trebuie remodelate pentru transport. Înainte ca mRNP să intre în CPN, o etapă de control are loc prin TRAMP și complexele proteice exosomice.

Când RNPm matur este asamblat, RPNm este transportat prin canal de un receptor de transport (Nxf1-Nxt1). Acest receptor are nevoie de hidroliza ATP (nu un gradient RanGTP) pentru a stabili direcționalitatea de remodelare a mRNP, care va ajunge la citoplasmă.

Complexul porilor nucleari și controlul exprimării genelor

Unele studii indică faptul că componentele CPN ar putea influența reglarea expresiei genice prin controlul structurii cromatinei și accesibilitatea acesteia la factorii de transcripție.

În eucariotele mai recent evoluate, heterochromatina este localizată în mod preferențial la periferia nucleului. Acest teritoriu este întrerupt de canale de euchromatină, care sunt menținute de coșul nuclear al CPN. Asocierea coșului nuclear cu euchromatina este legată de transcrierea genelor.

De exemplu, activarea transcripției la nivelul CPN implică interacțiunea componentelor coșului nuclear cu proteine, cum ar fi histona SAGA acetiltransferaza și factorii de export ARN.

Astfel, coșul nuclear este o platformă pentru numeroase gene și gene foarte bine transcrise, menținute puternic de modificările condițiilor de mediu.

Complexul porilor nucleari și virologia

Infecția virală a celulelor eucariote depinde de CPN. În fiecare caz de infecție virală, succesul acesteia depinde de ADN-ul, ARN-ul sau RPN-ul care trece prin CPN pentru a-și atinge scopul final, care este replicarea virusului.

Virusul simian 40 (SV40) a fost unul dintre cele mai studiate modele pentru a investiga rolul CPN în translocarea în nucleu. Acest lucru se datorează faptului că SV40 are un genom mic (5.000 de baze).

S-a demonstrat că transportul ADN-ului virusului este facilitat de proteine ​​de strat de virus, care protejează virusul până când ajunge în nucleu.

Componente

CPN este încorporat în plicul nuclear și este format din aproximativ 500 până la 1000 Nups, aproximativ. Aceste proteine ​​sunt organizate în subcomplexe structurale sau module, care interacționează între ele.

Primul modul este o componentă centrală, sau un inel, în cadrul porului în formă de clepsidră, care este limitat de un alt inel cu diametrul de 120 nm pe ambele fețe, intranucleare și citoplasmice. Al doilea modul este nucleul și inelele citoplasmei (120 nm în diametru fiecare), situate în jurul componentei în formă de clepsidră.

Al treilea modul este format din opt filamente care se proiectează din inelul de 120 nm în nucleoplasmă și formează o structură în formă de coș. Al patrulea modul este alcătuit din filamentele care se proiectează spre partea citoplasmei.

Complexul în formă de Y, format din șase Nups și proteinele Seh 1 și Sec 13, este cel mai mare și cel mai bine caracterizat complex al CNP. Acest complex este unitatea esențială care face parte din schela CPN.

În ciuda similitudinii scăzute dintre secvențele Nups, schela CPN este foarte conservată în toate eucariotele.

Referințe

1. Beck, M., Hurt, E. 2016. Complexul porilor nucleari: înțelegerea funcției sale printr-o perspectivă structurală. Recenzii ale naturii, Biologie moleculară a celulelor, Doi: 10.1038 / nrm.2016.147.
2. Ibarra, A., Hetzer, MW 2015. Proteine ​​nucleare ale porilor și controlul funcțiilor genomului. Genes and Development, 29, 337–349.
3. Kabachinski, G., Schwartz, TU 2015. Complexul porilor nucleari - structură și funcție dintr-o privire. Journal of Cell Science, 128, 423–429.
4. Knockenhauer, KE, Schwartz, TU 2016. Complexul porilor nucleari ca poartă flexibilă și dinamică. Celulă, 164, 1162-1171.
5. Ptak, C., Aitchison, JD, Wozniak, RW 2014. Complexul multifuncțional al porilor nucleari: o platformă pentru controlul exprimării genelor. Opinia actuală a biologiei celulare, DOI: 10.1016 / j.ceb.2014.02.001.
6. Stawicki, SP, Steffen, J. 2017. Republicarea: complexul porilor nucleari - o revizuire cuprinzătoare a structurii și funcției. Revista internațională de medicină academică, 3, 51-59.
7. Tran, EJ, Wente, SR 2006. Complexe nucleare dinamice ale porilor: viață la margine. Celulă, 125, 1041-1053.