selektiv Transport av proteiner till och från kärnan
grunden för selektiv trafik över kärnkuvertet är bäst förstådd för proteiner som importeras från cytoplasman till kärnan. Sådana proteiner är ansvariga för alla aspekter av genomstruktur och funktion; de inkluderar histoner, DNA-polymeraser, RNA-polymeraser, transkriptionsfaktorer, splitsningsfaktorer och många andra., Dessa proteiner är riktade till kärnan genom specifika aminosyrasekvenser, kallade nukleära lokaliseringssignaler, som styr deras transport genom kärnvapenporkomplexet.
den första nukleära lokaliseringssignalen som ska kartläggas i detalj präglades av Alan Smith och kollegor 1984. Dessa undersökare studerade simian virus 40 (SV40) t-antigen, ett viruskodat protein som initierar viral DNA-replikation i infekterade celler (se Kapitel 5). Som förväntat för ett replikationsprotein är t-antigenet normalt lokaliserat till kärnan., Signalen som är ansvarig för dess nukleära lokalisering identifierades först genom att finna att mutation av en enda lysinrester förhindrar kärnimport, vilket i stället resulterar i ackumulering av T-antigen i cytoplasman. Efterföljande studier definierade t-antigenens nukleära lokaliseringssignal som den sju-aminosyrasekvensen Pro-Lys-Lys-Lys-Arg-Lys-Val. Inte bara var denna sekvens nödvändig för kärntransport av T-antigen, men dess tillsats till andra, normalt cytoplasmiska, proteiner var också tillräckliga för att styra deras ackumulering i kärnan.,
nukleära lokaliseringssignaler har sedan dess identifierats i många andra proteiner. De flesta av dessa sekvenser, som t-antigenet, är korta sträckor rik på grundläggande aminosyrarester (lysin och arginin). I många fall är emellertid aminosyrorna som bildar kärnlokaliseringssignalen nära varandra men inte omedelbart intill varandra. Till exempel består nukleär lokaliseringssignalen av nukleoplasmin (ett protein som är involverat i kromatinmontering) av två delar: ett Lys-Arg-par följt av fyra lysiner placerade tio aminosyror längre nedströms (figur 8.8)., Både Lys-Arg och Lys-Lys-Lys-Lys-sekvenserna krävs för kärninriktning, men de tio aminosyrorna mellan dessa sekvenser kan muteras utan att påverka kärnlokalisering. Eftersom denna nukleära lokaliseringssekvens består av två separerade element kallas den bipartite. Liknande bipartitmotiv verkar fungera som lokaliseringssignaler för många nukleära proteiner; således kan de vara vanligare än den enklare nukleära lokaliseringssignalen för t-antigen., Dessutom innehåller vissa proteiner, såsom ribosomala proteiner, distinkta nukleära lokaliseringssignaler som inte är relaterade till de grundläggande aminosyrarika nukleära lokaliseringssignalerna för antingen nukleoplasmin eller T-antigen.
figur 8.8
nukleära lokaliseringssignaler. T-antigenkärnlokaliseringssignalen är en enda sträcka av aminosyror. Däremot är nukleär lokaliseringssignalen för nukleoplasmin bipartite, bestående av en Lys-Arg-sekvens, följt av en Lys-Lys-Lys-Lys-sekvens (mer…,)
proteinimport genom kärnporkomplexet kan operativt delas in i två steg, åtskilda av huruvida de kräver energi (figur 8.9). I det första steget, som inte kräver energi, binder proteiner som innehåller nukleära lokaliseringssignaler till kärnporkomplexet men passerar inte genom porerna. I detta första steg erkänns nukleära lokaliseringssignaler av ett cytosoliskt receptorprotein, och receptorsubstratkomplexet binder till kärnpor. Prototypreceptorn, kallad importin, består av två underenheter., En subenhet (importin α) binder till de grundläggande aminosyrarika nukleära lokaliseringssignalerna för proteiner som t-antigen och nukleoplasmin. Den andra subenheten (importin β) binder till cytoplasmiska filamenten i kärnporkomplexet, vilket ger målproteinet till kärnporren. Andra typer av nukleära lokaliseringssignaler, såsom de av ribosomala proteiner, erkänns av distinkta receptorer som är relaterade till importin β och fungerar på samma sätt som importin β under transporten av deras målproteiner i kärnan.
figur 8.,9
proteinimport genom kärnvapenporkomplexet. Proteiner transporteras genom kärnkärnkomplexet i två steg. I exemplet visas ett protein med en klassisk basisk aminosyrarik kärnlokaliseringssekvens (NLS) erkänd av importin (mer…)
det andra steget i kärnimport, translokation genom kärnvapenporkomplexet, är en energiberoende process som kräver GTP-hydrolys. En nyckelspelare i translokationsprocessen är ett litet GTP-bindande protein som kallas Ran, vilket är relaterat till Ras-proteinerna (figur 8.10)., Ran: s konformation och aktivitet regleras av GTP-bindning och hydrolys, som Ras eller flera av de översättningsfaktorer som är involverade i proteinsyntesen (se figur 7.12). Enzymer som stimulerar GTP-bindning till Ran är lokaliserade till kärnsidan av kärnkuvertet medan enzymer som stimulerar GTP-hydrolys är lokaliserade till cytoplasmatisk sida. Följaktligen finns det en gradient av Ran/GTP över kärnkuvertet, med en hög koncentration av Ran/GTP i kärnan och en hög koncentration av Ran/BNP i cytoplasman., Denna gradient av Ran / GTP antas bestämma kärntransportens riktning, och GTP-hydrolys av Ran verkar stå för de flesta (om inte alla) av den energi som krävs för kärnimport. Importin β bildar ett komplex med importin α och dess associerade målprotein på den cytoplasmiska sidan av kärnvapenporkomplexet, i närvaro av en hög koncentration av Ran/ BNP. Detta komplex transporteras sedan genom kärnkärnan till kärnan, där en hög koncentration av Ran/GTP är närvarande., På kärnsidan av por binder Ran/GTP till importin β, förskjuta importin α och målproteinet. Som ett resultat frigörs målproteinet i kärnan. Ran / GTP-importin β-komplexet exporteras sedan till cytosol, där den bundna GTP hydrolyseras till BNP, vilket frigör importin β för att delta i en annan cykel av kärnimport.
figur 8.10
ran-proteinets roll vid kärnimport., Transport genom kärnvapenporkomplexet drivs av en gradient av Ran / GTP, med en hög koncentration av Ran/BNP i cytoplasman och en hög koncentration av Ran/GTP i kärnan. Komplex bildar mellan (mer…)
vissa proteiner förblir inom kärnan efter deras import från cytoplasman, men många andra skyttel fram och tillbaka mellan kärnan och cytoplasman. Några av dessa proteiner fungerar som bärare vid transport av andra molekyler, såsom RNA; andra koordinerar nukleära och cytoplasmiska funktioner (t. ex.,, genom att reglera verksamheten av transkriptionsfaktorer). Proteiner är riktade för export från kärnan genom specifika aminosyrasekvenser, kallade nukleära exportsignaler. Liksom nukleära lokaliseringssignaler erkänns nukleära exportsignaler av receptorer inom kärnan som direktproteintransport genom kärnvapenporkomplexet till cytoplasman. Intressant är de nukleära exportreceptorerna (kallade exportiner) relaterade till importin β. I likhet med importin B är exportinerna bundna till Ran, vilket krävs för export av kärnmaterial och för import av kärnmaterial (figur 8.11)., Påfallande främjar emellertid Ran / GTP bildandet av stabila komplex mellan exportiner och deras målproteiner, medan det dissocierar komplexen mellan importiner och deras mål. Denna effekt av ran / GTP-bindning på exportiner dikterar rörelsen av proteiner som innehåller nukleära exportsignaler från kärnan till cytoplasman. Således bildar exportiner stabila komplex med sina målproteiner i samband med Ran/GTP inom kärnan., Efter transport till den cytosoliska sidan av kärnkuvertet leder GTP-hydrolys till dissociation av målproteinet, vilket frigörs i cytoplasman.
figur 8.11
nukleär export. Komplex mellan målproteiner som bär nukleära exportsignaler (NES), exportiner och Ran/ GTP-form i kärnan. Efter transport genom kärnvapenporkomplexet stimulerar Ran GAP hydrolysen av bunden GTP, vilket leder till bildning (mer…)