Selektiver Transport von Proteinen zum und vom Kern
Die Grundlage für den selektiven Verkehr über die Kernhülle wird am besten für Proteine verstanden, die aus dem Zytoplasma in den Kern importiert werden. Solche Proteine sind für alle Aspekte der Genomstruktur und-funktion verantwortlich; Sie umfassen Histone, DNA-Polymerasen, RNA-Polymerasen, Transkriptionsfaktoren, Spleißfaktoren und viele andere., Diese Proteine werden durch spezifische Aminosäuresequenzen, sogenannte nukleare Lokalisierungssignale, auf den Kern ausgerichtet, die ihren Transport durch den Kernporenkomplex lenken.
Das erste nukleare Lokalisierungssignal, das detailliert abgebildet wurde, wurde 1984 von Alan Smith und Kollegen charakterisiert. Diese Forscher untersuchten Simian Virus 40 (SV40) T-Antigen, ein Virus-codiertes Protein, das die virale DNA-Replikation in infizierten Zellen initiiert (siehe Kapitel 5). Wie für ein Replikationsprotein erwartet, ist T-Antigen normalerweise im Kern lokalisiert., Das Signal, das für seine nukleare Lokalisation verantwortlich ist, wurde zuerst durch die Feststellung identifiziert, dass die Mutation eines einzelnen Lysinrückstands den nuklearen Import verhindert, was stattdessen zur Akkumulation von T-Antigen im Zytoplasma führt. Nachfolgende Studien definierten das nukleare Lokalisierungssignal des T-Antigens als die Sieben-Aminosäuresequenz Pro-Lys-Lys-Lys-Arg-Lys-Val. Diese Sequenz war nicht nur für den nuklearen Transport von T-Antigen notwendig, sondern ihre Zugabe zu anderen, normalerweise zytoplasmatischen Proteinen reichte auch aus, um ihre Akkumulation im Kern zu lenken.,
die Nukleare Lokalisierung Signal, da wurden in viele andere Proteine. Die meisten dieser Sequenzen, wie die von T-Antigen, sind kurze Strecken reich an basischen Aminosäureresten (Lysin und Arginin). In vielen Fällen liegen die Aminosäuren, die das nukleare Lokalisierungssignal bilden, jedoch nahe beieinander, aber nicht unmittelbar nebeneinander. Zum Beispiel besteht das nukleare Lokalisierungssignal von Nukleoplasmin (einem Protein, das an der Chromatinzusammensetzung beteiligt ist) aus zwei Teilen: einem Lys-Arg-Paar, gefolgt von vier Lysinen, die sich zehn Aminosäuren weiter stromabwärts befinden (Abbildung 8.8)., Sowohl die Lys-Arg-als auch die Lys-Lys-Lys-Lys-Sequenzen sind für das nukleare Targeting erforderlich, aber die zehn Aminosäuren zwischen diesen Sequenzen können mutiert werden, ohne die nukleare Lokalisation zu beeinflussen. Da diese nukleare Lokalisierungssequenz aus zwei getrennten Elementen besteht, wird sie als zweigliedrig bezeichnet. Ähnliche zweigliedrige Motive scheinen als Lokalisierungssignale vieler Kernproteine zu funktionieren; Daher können sie häufiger sein als das einfachere nukleare Lokalisierungssignal von T-Antigen., Darüber hinaus enthalten einige Proteine, wie ribosomale Proteine, unterschiedliche nukleare Lokalisierungssignale, die nicht mit den basischen aminosäurereichen nuklearen Lokalisierungssignalen von Nukleoplasmin oder T-Antigen zusammenhängen.
Abbildung 8.8
die Nukleare Lokalisierung von Signalen. Das nukleare Lokalisierungssignal des T-Antigens ist eine einzelne Strecke von Aminosäuren. Im Gegensatz dazu ist das nukleare Lokalisierungssignal von Nukleoplasmin bipartit, bestehend aus einer Lys-Arg-Sequenz, gefolgt von einer Lys-Lys-Lys-Lys-Sequenz (mehr…,)
Der Proteinimport durch den Kernporenkomplex kann operativ in zwei Schritte unterteilt werden, die sich dadurch unterscheiden, ob sie Energie benötigen (Abbildung 8.9). Im ersten Schritt, der keine Energie benötigt, binden Proteine, die nukleare Lokalisierungssignale enthalten, an den Kernporenkomplex, passieren jedoch nicht die Pore. In diesem ersten Schritt werden nukleare Lokalisierungssignale von einem cytosolischen Rezeptorprotein erkannt, und der Rezeptor-Substrat-Komplex bindet an die Kernpore. Der Prototyp rezeptor, genannt importin, besteht aus zwei Untereinheiten., Eine Untereinheit (Importin α) bindet an die basischen aminosäurereichen nuklearen Lokalisierungssignale von Proteinen wie T-Antigen und Nukleoplasmin. Die zweite Untereinheit (Importin β) bindet an die zytoplasmatischen Filamente des Kernporenkomplexes und bringt das Zielprotein in die Kernpore. Andere Arten von Kernlokalisationssignalen, wie die von ribosomalen Proteinen, werden von verschiedenen Rezeptoren erkannt, die mit Importin β verwandt sind und beim Transport ihrer Zielproteine in den Kern ähnlich wie Importin β funktionieren.
Abbildung 8.,9
Proteinimport durch den Kernporenkomplex. Proteine werden in zwei Schritten durch den Kernporenkomplex transportiert. In dem gezeigten Beispiel wird ein Protein mit einer klassischen basischen aminosäurereichen nuklearen Lokalisierungssequenz (NLS) durch Importin erkannt (mehr…)
Der zweite Schritt im Kernimport, die Translokation durch den Kernporenkomplex, ist ein energieabhängiger Prozess, der eine GTP-Hydrolyse erfordert. Ein wichtiger Akteur im Translokationsprozess ist ein kleines GTP-bindendes Protein namens Ran, das mit den Ras-Proteinen verwandt ist (Abbildung 8.10)., Die Konformation und Aktivität von Ran wird durch GTP-Bindung und Hydrolyse reguliert, wie Ras oder mehrere der Translationsfaktoren, die an der Proteinsynthese beteiligt sind (siehe Abbildung 7.12). Enzyme, die die GTP-Bindung an Ran stimulieren, sind auf der nuklearen Seite der Kernhülle lokalisiert, während Enzyme, die die GTP-Hydrolyse stimulieren, auf der zytoplasmatischen Seite lokalisiert sind. Folglich gibt es einen Gradienten von Ran/GTP über die Kernhülle mit einer hohen Konzentration von Ran/GTP im Kern und einer hohen Konzentration von Ran/GDP im Zytoplasma., Es wird angenommen, dass dieser Gradient von Ran/GTP die Direktionalität des Nukleartransports bestimmt, und die GTP-Hydrolyse durch Ran scheint den größten Teil (wenn nicht sogar den gesamten) der für den nuklearen Import erforderlichen Energie auszumachen. Importin β bildet einen Komplex mit Importin α und seinem zugehörigen Zielprotein auf der zytoplasmatischen Seite des Kernporenkomplexes in Gegenwart einer hohen Konzentration von Ran/ GDP. Dieser Komplex wird dann durch die Kernpore zum Kern transportiert, wo eine hohe Konzentration von Ran/GTP vorhanden ist., Auf der nuklearen Seite der Pore bindet Ran/GTP an Importin β und verdrängt Importin α und das Zielprotein. Infolgedessen wird das Zielprotein innerhalb des Kerns freigesetzt. Der Ran / GTP-Importin β-Komplex wird dann in das Cytosol exportiert, wo das gebundene GTP zu GDP hydrolysiert wird, wobei Importin β freigesetzt wird, um an einem anderen Zyklus des nuklearen Imports teilzunehmen.
Abbildung 8.10
Rolle des Ran-Proteins im Kernimport., Der Transport durch den Kernporenkomplex wird durch einen Gradienten von Ran/GTP mit einer hohen Konzentration von Ran/GDP im Zytoplasma und einer hohen Konzentration von Ran/GTP im Kern angetrieben. Komplexe bilden sich zwischen (mehr…)
Einige Proteine verbleiben nach ihrem Import aus dem Zytoplasma im Kern, aber viele andere pendeln zwischen dem Kern und dem Zytoplasma hin und her. Einige dieser Proteine fungieren als Träger für den Transport anderer Moleküle, wie z. B. RNAs; andere koordinieren nukleare und zytoplasmatische Funktionen (z.,, durch Regulierung der Aktivitäten von Transkriptionsfaktoren). Proteine werden durch spezifische Aminosäuresequenzen, sogenannte Kernexportsignale, aus dem Kern exportiert. Wie nukleare Lokalisierungssignale werden nukleare Exportsignale von Rezeptoren innerhalb des Kerns erkannt, die den Proteintransport durch den Kernporenkomplex zum Zytoplasma lenken. Interessanterweise sind die nuklearen Exportrezeptoren (Exportine genannt) mit Importin β verwandt. Wie importin β binden die Exportins an Ran, das sowohl für den nuklearen Export als auch für den nuklearen Import erforderlich ist (Abbildung 8.11)., Auffallend ist jedoch, dass Ran/GTP die Bildung stabiler Komplexe zwischen Exportinen und ihren Zielproteinen fördert, während es die Komplexe zwischen Importinen und ihren Zielen dissoziiert. Dieser Effekt der Ran / GTP-Bindung an Exportine bestimmt die Bewegung von Proteinen, die nukleare Exportsignale enthalten, vom Kern zum Zytoplasma. Somit bilden Tannine stabile Komplexe mit ihren Zielproteinen in Verbindung mit Ran/GTP innerhalb des Kerns., Nach dem Transport zur zytosolischen Seite der Kernhülle führt die GTP-Hydrolyse zur Dissoziation des Zielproteins, das in das Zytoplasma freigesetzt wird.
Abbildung 8.11
der Nuklearen export. Komplexe zwischen Zielproteinen, die nukleare Exportsignale (NES), Exportine und Ran/ GTP tragen, bilden sich im Kern. Nach dem Transport durch den Kernporenkomplex stimuliert der Spalt die Hydrolyse von gebundenem GTP, was zur Bildung führt (mehr…)