JADERNÉ PÓRY: VLASTNOSTI, FUNKCE, KOMPONENTY - BIOLOGIE - 2025

Jaderný pór (z řečtiny, póry = průchod nebo průjezd) je „brána“ jádra, která umožňuje většinu dopravy mezi nucleoplasm a cytoplazmě. Jaderný pór se připojuje k vnitřní a vnější membráně jádra a vytváří kanály, které slouží k transportu proteinů a RNA.

Slovo pór neodráží složitost dané struktury. Z tohoto důvodu je vhodnější odkazovat na komplex jaderných pórů (CPN) než na jaderné póry. CPN může procházet změnami ve své struktuře během transportu nebo stavů buněčného cyklu.

Zdroj: RS Shaw na anglické Wikipedii.

Nedávno bylo objeveno, že nukleoporiny, proteiny, které tvoří CPN, hrají důležitou roli v regulaci genové exprese. Když tedy dojde k mutacím, které ovlivňují funkci nukleoporinů, dochází u lidí k patologiím, jako jsou autoimunitní onemocnění, kardiomyopatie, virové infekce a rakovina.

vlastnosti

Použitím elektronové tomografie bylo stanoveno, že CPN má tloušťku 50 nm, vnější průměr mezi 80 a 120 nm a vnitřní průměr 40 nm. Velké molekuly, jako je velká ribozomová podjednotka (MW 1590 kDa), mohou být exportovány z jádra přes CPN. Odhaduje se, že na jádro je mezi 2 000 a 4 000 NPC.

Molekulová hmotnost jednotlivého CPN je přibližně mezi 120 a 125 MDa (1 MDa = 10 ⁶ Da) u obratlovců. Naproti tomu CPN je menší u kvasinek, ve kterých je přibližně 60 MDa. Navzdory enormní velikosti CPN jsou nukleoporiny ve všech eukaryotech vysoce konzervované.

Translokace přes CPN je rychlý proces, jehož rychlost je 1000 translokací za sekundu. Samotný CPN však neurčuje směr transportního toku.

Závisí to na gradientu RanGTP, který je větší v jádru než v cytosolu. Tento gradient je udržován guaninovým výměnným faktorem Ran.

Během buněčného cyklu podléhají CPN sestavování a disociačním cyklům jejich složek. K montáži dochází na rozhraní a bezprostředně po mitóze.

Funkce

Kyselina ribonukleová (malá jaderná RNA, messengerová RNA, přenosová RNA), proteiny a ribonukleoproteiny (RNP) musí být aktivně transportovány prostřednictvím CPN. To znamená, že je potřebná energie z hydrolýzy ATP a GTP. Každá molekula je transportována specifickým způsobem.

Obecně jsou molekuly RNA plné proteinů tvořících RNP komplexy, které se exportují tímto způsobem. Naproti tomu proteiny, které jsou aktivně transportovány do jádra, musí obsahovat signální sekvenci lokalizace jádra (SLN), která má pozitivně nabité aminokyselinové zbytky (např. KKKRK).

Proteiny, které jsou exportovány do jádra, musí mít signál pro export jádra (NES) bohatý na aminokyselinu leucin.

Kromě usnadnění transportu mezi jádrem a cytoplazmou jsou CPN zapojeny do organizace chromatinu, regulace genové exprese a opravy DNA. Nukleoporiny (Nups) podporují aktivaci nebo potlačení transkripce, bez ohledu na stav buněčné proliferace.

V kvasnicích se Nups nacházejí v CNP jaderné obálky. V metazoanech se nacházejí uvnitř. Ve všech eukaryotech vykonávají stejné funkce.

Dovoz látek

Prostřednictvím CPN dochází k pasivní difúzi malých molekul v obou směrech a aktivním transportu, importu proteinů, exportu RNA a ribonukleoproteinů (RNP) a obousměrnému přenosu molekul. Ten zahrnuje RNA, RNP a proteiny podílející se na signalizaci, biogenezi a obratu.

Import proteinů do jádra nastává ve dvou krocích: 1) vazba proteinu na cytoplazmatickou stranu CPN; 2) ATP-závislá translokace přes CPN. Tento proces vyžaduje hydrolýzu ATP a výměnu GTP / GDP mezi jádrem a cytoplazmou.

Podle transportního modelu se komplex receptor-protein pohybuje podél kanálu vazbou, disociací a opětovným připojením k FG repetičním sekvencím nukleoporinů. Tímto způsobem se komplex pohybuje od jednoho nukleoporinu k jinému v rámci CPN.

Vývoz látek

Je to podobné importu. Ran GTPase prosazuje směrovost v dopravě přes CNP. Ran je molekulární přepínač se dvěma konformačními stavy, podle toho, zda je vázán na GDP nebo GTP.

Dva Ran-specifické regulační proteiny spouštějí konverzi mezi dvěma stavy: 1) cytosolický GTPasový aktivátorový protein (GAP), který způsobuje hydrolýzu GTP a tak převádí Ran-GTP na Ran-GDP; a 2) jaderný směnný faktor guaninu (GEF), který podporuje výměnu HDP za GTP a převádí Ran-GDP na Ran-GTP.

Cytosol obsahuje hlavně Ran-GDP. Jádro obsahuje hlavně Ran-GTP. Tento gradient dvou konformačních forem Ran řídí transport ve správném směru.

Import receptoru, připojeného k nákladu, je usnadněn připojením k opakováním FG. Pokud dosáhne jaderné strany CNP, připojí se Ran-GTP k přijímači a uvolní svou pozici. Ran-GTP tedy vytváří směr procesu importu.

Jaderný vývoz je podobný. Ran-GTP v jádru však podporuje vazbu nákladu na vývoz receptoru. Když se exportní receptor pohybuje pórem do cytosolu, narazí na Ran-GAP, který indukuje hydrolýzu GTP na GDP. Nakonec se receptor uvolňuje ze svého post-Ran-GDP v cytosolu.

RNA transport

Export některých tříd RNA je podobný exportu proteinů. Například tRNA a nsRNA (malá jaderná energie) používají gradient RanGTP a jsou transportovány přes CPN pomocí karioferin exportin-t, respektive Crm. Export zralých ribozomů závisí také na gradientu RanGTP.

MRNA se exportuje velmi odlišným způsobem než proteiny a jiné RNA. Pro svůj export mRNA tvoří komplex messenger RNP (mRNP), ve kterém je jedna mRNA molekula obklopena stovkami proteinových molekul. Tyto proteiny jsou zodpovědné za zpracování, uzavírání, sestřih a polyadenylaci mRNA.

Buňka musí být schopna rozlišit mezi mRNA se zralou mRNA a mRNA se nezralou mRNA. MRNA, která tvoří komplex RPNm, by mohla přijmout topologie, které je třeba předělat pro transport. Než mRNP vstoupí do CPN, nastane kontrolní krok prováděný komplexem TRAMP a exosomovými proteiny.

Když je sestaven zralý RNPm, RPNm je transportován kanálem transportním receptorem (Nxf1-Nxt1). Tento receptor vyžaduje hydrolýzu ATP (nikoli gradient RanGTP), aby se stanovila směrnost remodelace mRNP, která dosáhne cytoplazmy.

Komplex jaderných pórů a kontrola genové exprese

Některé studie naznačují, že složky CPN by mohly ovlivnit regulaci genové exprese kontrolou struktury chromatinu a jeho přístupnosti k transkripčním faktorům.

U nověji vyvinutých eukaryot je heterochromatin přednostně umístěn na periferii jádra. Toto území je přerušeno euchromatinovými kanály, které jsou udržovány jaderným košem CPN. Asociace jaderného koše s euchromatinem souvisí s transkripcí genu.

Například aktivace transkripce na úrovni CPN zahrnuje interakci složek jaderného koše s proteiny, jako je histon SAGA acetyltransferáza a RNA exportní faktory.

Jaderný koš je tedy platformou pro řadu vysoce přepsaných domácích genů a genů silně indukovaných změnami okolních podmínek.

Komplex jaderných pórů a virologie

Virová infekce eukaryotických buněk závisí na CPN. V každém případě virové infekce závisí její úspěch na DNA, RNA nebo RPN procházejícím CPN, aby se dosáhlo konečného cíle, kterým je replikace viru.

Opičí virus 40 (SV40) byl jedním z nejvíce studovaných modelů pro zkoumání úlohy CPN v translokaci uvnitř jádra. Je to proto, že SV40 má malý genom (5 000 bází).

Ukázalo se, že transport virové DNA je usnadněn virovými obalovými proteiny, které chrání virus, dokud nedosáhne jádra.

Komponenty

CPN je zabudován uvnitř jaderné obálky a je tvořen přibližně mezi 500 a 1000 Nups. Tyto proteiny jsou organizovány do strukturálních subkomplexů nebo modulů, které vzájemně interagují.

První modul je centrální součást nebo prstenec uvnitř pórů ve tvaru přesýpacích hodin, který je na obou stranách omezen dalším prstencem o průměru 120 nm, intranukleární a cytoplazmatický. Druhým modulem jsou kroužky jádra a cytoplazmy (každý o průměru 120 nm) umístěné kolem komponenty ve tvaru přesýpacích hodin.

Třetím modulem je osm vláken, která vyčnívají z kruhu o průměru 120 nm do nukleoplasmy a vytvářejí strukturu ve tvaru koše. Čtvrtý modul je tvořen vlákny, které vyčnívají ke straně cytoplazmy.

Komplex ve tvaru Y, složený ze šesti Nupů a proteinů Seh 1 a Sec 13, je největší a nejlépe charakterizovaný komplex CNP. Tento komplex je základní jednotkou, která je součástí lešení CPN.

Přes nízkou podobnost mezi sekvencemi Nupů je lešení CPN vysoce konzervativní ve všech eukaryotech.

Reference

1. Beck, M., Hurt, E. 2016. Komplex jaderných pórů: pochopení jeho funkce prostřednictvím strukturálního vhledu. Recenze přírody, Molecular Cell Biology, Doi: 10.1038 / nrm.2016.147.
2. Ibarra, A., Hetzer, MW 2015. Proteiny jaderných pórů a kontrola funkcí genomu. Genes and Development, 29, 337–349.
3. Kabachinski, G., Schwartz, TU 2015. Komplex jaderných pórů - přehled a struktura. Journal of Cell Science, 128, 423 - 429.
4. Knockenhauer, KE, Schwartz, TU 2016. Komplex jaderných pórů jako flexibilní a dynamická brána. Cell, 164, 1162-1171.
5. Ptak, C., Aitchison, JD, Wozniak, RW 2014. Multifunkční komplex jaderných pórů: platforma pro kontrolu genové exprese. Aktuální názor na Cell Biology, DOI: 10.1016 / j.ceb.2014.02.001.
6. Stawicki, SP, Steffen, J. 2017. Opakování: komplex jaderných pórů - komplexní přehled struktury a funkce. International Journal of Academic Medicine, 3, 51–59.
7. Tran, EJ, Wente, SR 2006. Dynamické komplexy jaderných pórů: život na hraně. Cell, 125, 1041-1053.