穿过核被膜核质转运地有序调控.docx

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穿过核被膜核质转运地有序调控

穿过核被膜：

核质转运的有序调控

对于真核生物来说细胞核与细胞质之间大分子物质的转运是一个严格的细胞内过程，调节核质交换的机制受多水平调控。

这种调控是通过调节各个转运物的表达或功能、转运受体或者转运通道来获得的。

上述每种调节机制都对转运形式和转运能力产生广泛影响，这种严格的调控制度直接影响基因表达、信号转导、发育以及疾病。

在真核细胞中，从其它的细胞内组分中分离核基因物质需要可调控的核进出从而实现基本的生物学过程。

核质转运机制需要特殊的细胞内因子核大分子复合体来调节像RNA的双向往返核蛋白质转运物质。

特殊转运物及时穿过核被膜对于正确的细胞分裂和基因表达是十分严格的。

而且转运路线不受调节或者出现错误将会导致多种疾病。

在此我们强调多种策略来调节蛋白质和RNA的进出以及对细胞内外信号的影响。

核转运的细胞内机制

核转运通过核孔复合体进行，NPC是由大于60MD的大分子结构组成的横跨核被膜脂双层的通道。

核孔复合体的结构使蛋白质和RNA方便地进出。

核孔蛋白（核孔复合体的组成蛋白）在NPC的组装和功能中起精确的作用。

核孔蛋白有助于整个NPC的构建，孔膜蛋白将NPC锚定在核被膜上。

FG-Nups包含三种类别的Nup，它们包括三种不同的结构域，分别为FG、GLFG.或者FXFG的重复功能域，它们可以通过带电或极性的隔离序列隔离。

FG-Nups可能沿着核孔复合体中心排列并将纤丝延伸到细胞质核核质表面。

另外，未折叠的自然地FG结构域也许在NPC中有多种拓扑学位置。

离子、代谢物核其它小分子物质是通过被动扩散运输的，而大于40KD的蛋白运输则需要特殊的转运受体。

这个FG-Nups在形成NPC通透性屏障中起重要作用，尽管形成屏障的结构NPC被报道过。

FG-Nups对于NPC的活性转运支架来说是一必需组分。

转移受体被认为用于核多的、随机的低亲和性的FG重复序列相互作用。

在FG-Nups和转移受体停靠核转移过程中这一系列的相互作用是不需要能量的，只在最终释放和双向阶段有核苷酸的水解。

通透屏障的物理结构和转运机制尚存在争议而且并没有彻底弄明白。

辩论的焦点是

NPC的通透屏障是自发的还是耗能的，最近研究表明这两种情况都有。

作为一个物理屏障，

FG-Nups会相互作用形成一个胶状筛，小分子可以被动扩散。

通过筛子转移受到转移受体

的调控，转移受体主要是溶解屏障和允许配体复合物进入。

作为一个能量屏障，它形成一个

排斥的门控，排斥未结合FG的分子。

结合FG重复序列的手提被位于NPC的转运复合体

有效聚集，克服了熵屏障并增加了转运可能性。

最后一个双向的通道模型被提出，还有一个

解释被动扩散的选择性屏障，它由位于FG重复序列或其他

Nups之间的水媒性的隔离序列

组成。

这就形成了一个由连续FG形成的结构，它允许配体

-受体复合物停靠并沿着周围的

FGs转动。

转移和可能的屏障对于NPC在细胞内转运和信号传递中起重要作用，并且需要进一步的生物物理和细胞内的研究来区分已提出的机制。

转运载体自身对核运输阶段的识别携带信号的运输物和与NPC相互作用以及将货物转运到目的地起了重要作用。

其中最大的一组是由结构上相联系的亲和蛋白家族成员组成。

大多数的Kapbs是双向结合转运物，尽管Kapβ1通常用受体来识别转运物。

Kapα同源物提供kapβ和转运物之间的受体。

Kapα家庭成员的双向运输是通过GTPaseRan来完成的，而且可能被Nup-kapb结合位点影响。

非kapβ转运受体包括RanGDP、运输因子Ntf2和平常mRNA输出因子-yMex67，和MNxf1/Tap，它和Ymfr2与Nxtl/p15分别组成异源二聚体。

⋯⋯例如啤酒酵母（Saccharomyces.Cerevisiae）60s的核糖体亚基（19），另外，仅有

少数的货物蛋白由受体依赖运输途径来转运：

例如，Wnt标记的大分子β-连锁蛋白直接作用于FG-repeats来调控它自身的转入。

人们越来越清楚地知道核质转运的调控涉及多种多样水平的控制，并且知道其中所包含的主要转运组件：

NPC（核孔复合物）转运通道、转运受体以及所转运的物质本身。

这里要讲的是，多种调控策略的应用允许在整个转运过程中有按等级划分的不同水平的影响（图2）。

在物质调控水平中的特殊物质调控往往引起局部的变化。

然而，转运受体或者适配器功能的修饰具有中间的影响作用——潜在地影响被受体识别的所有物质。

NPC水平的改变更普遍，并且NPC水平的调控同时影响多种受体和大量的转运物质。

个体配体水平的调控

配体分子显示的信号序列和被运输载体所识别的信号序列分别被叫做核定位序列，核输出序

列。

这些被经典的定义为氨基酸一级结构域的序列对配体运输来说是必需的和具有重要意义的。

但是现在明确的是这些信号序列由一级结构序列和二级或三级结构等要素组成，它们存在于蛋白质和RNA序列中。

核定位序列或核输出序列的精确顺序和次级结构决定各种不同Kaps的专一性。

介导配体定位反应的受体蛋白和受体RNA受控于复合的转录后加工和修饰系统。

这都考虑到个体配体水平专一性的运输调控。

典型的NF-κB和p53信号完美的表现了转运信号对核定位的控制。

核输入转录因子

NF-kB的异型二聚体p65-p50被它的分子间NLS掩盖所调控。

晶体结构研究显示NF-κB

抑制因子直接闭锁了NLS的p65-p50.这带来了异型二聚体的胞质定位。

然而，为了响应促类刺激物，IκBα被有序的降解，NF-κB因核输入而被释放。

肿瘤抑制因子p53穿梭于核质之间，在细胞应急时p53在细胞核内通过“NES掩盖”机制，这个机制是靠p53同型四聚体掩藏NESs，来阻断其与Kapβ的联系。

p53在核质中的穿梭正进一步被p53与Crml相互影响的多聚复合物阻止。

p53细胞核中保留这一缺陷与一些肿瘤有关，这表明了信号货物的合适细胞定位的重要性。

蛋白质货物与相应的Kapβ受体或Kapα衔接物的亲和力影响它的核质运输效率并且代

表一个精细的运输调控效应。

然而，货物与受体结合太紧密阻碍了货物的的传递和释放。

甚

至通过翻译后修饰包括对NLSS和NESS的特定修饰来影响配体-受体复合物的形成。

啤酒酵母细胞转录因子Pho4依赖磷酸化与Kapβs相互作用来调节其在有效磷酸反应中的定位，对于细胞周期蛋白B1，在有丝分裂开始时磷酸化它的NESS来阻碍它与Crml的相互作用引起周期蛋白B1的核阻留。

除了磷酸化，翻译后修饰例如甲基化和泛素化作用可以也可以调节配体的定位。

RNA解旋酶的NLS的甲基化对其正确运输是极为重要的。

磷酸酶和肿瘤抑制因子PTEN在特殊赖氨酸残基单一遍在蛋白化后被有效地引入，有趣的是，这个泛素结合酶UbcM2仅仅在带电的遍在蛋白及适当的激活酶作为运输引物时才被引入。

因此，利用翻

译后修饰来调控蛋白质运输，允许循环不断地进行细胞周期效应

图解

图一：

核孔复合体（NPC）调控双向的核质运输（A）扫描电镜下，来自于爪蟾卵母细胞核膜两侧的胞质面（上面）和核质面（下面）的NPC结构。

样品制备如（80）所述[影像提供：

M.Goldberg，DurhamUniversity;R.Stick,UniversityofBremen]（B）受体调控运

输涉及顺序分步，转运受体识别受信号标记的货物蛋白并形成一个受体—货物蛋白复合体

（1），然后受体—货物蛋白复合体停泊在NPC的近侧

（2）在进行与易位中FG-Nups的

有序、随机、低亲和力的相互作用之前（3）在NPC的远侧，受体—货物蛋白复合体分解并释放货物蛋白（4）。

对于Kapβ的转入，复合体的分解是由和受体绑定的细胞核内Ran.GTP

启动的；对于Kapβ的输出，在输出受体—货物蛋白复合体中的Ran.GTP在Ran.GTP激活蛋白（Ran.GAP）的作用下水解为Ran.GDP，使得复合物分解。

Ran鸟苷酸交换因子（RanGEF）存在于细胞核，它使得Ran.GTP大量集中，而且Ran.GDP由Ntf2（未标示）转入细胞核

（C）单个的NPC具有同时双向转移蛋白质和RNA的能力。

用金原子标记的运输底物显微注射后，爪蟾卵母细胞在免疫电镜技术中所显示的单一核孔。

金原子标记的核质蛋白（120—220埃）连接到胞质（c），且金原子标记的tRNA（20—50埃）连接到细胞核（n）。

核膜在蓝光的照射下发亮。

[经允许从（3）中复制]

NPC

毛孔渗

透性

1.NPC膨胀

2.NUP在细胞和NPC中重置

蛋白质的表达和稳定性

1.NUP/POM表达

2.NUP降解

转录因

子

表

达

1.竞争NCP结合位点

2.kap?

和KapT表达

隔

1.抑制mRNA输出的因子

绝

2.kap?

和KapT隔开

物质

翻译后

磷酸化、甲基化、使普遍化、使二磷酸苷核糖多聚

修饰

化

转录后

mRNA拼接和mRNP成熟化、tRNA核酸的成熟

修饰

化、由3'UTR信号因子保护核酸、

核糖体亚基的成熟化

分子间

单个同质化和异质化掌控的NLS

和分子

内相互

和NES

作用

Fig2:

核细胞质运输是在NPC转录因子和独立的物质水平上调控。

这个金字塔表现了用来调控核细胞质运输的阶级性，通过在运输方面扩大影响控制在一个更好的水平上。

每一个水平由多种机制调控、在列举的活泼的例子中选择。

对于多种多样的RNA产物来说，控制核转运的不连续的信号元件的范例显而易见。

tRNA在细胞质中发挥作用，且它的输出通过与kap?

t-输出因子直接相互作用而紧密连接

在它的35个成熟位点，mRNA的核输出子系统直接被顺式作用RNA信号元件调节。

D逆转录病毒用一个直接连接转运受体mNxf1的组成转录元件来转录。

奇怪的是，CTE在许多mRNA的剪接体中也编码mNxf1。

对于连接到特定细胞周期控制区的很多基因产物来说，在mRNA的3'末端非翻译区有一个被翻译起始因子识别的保守结构元件eIF4E137。

eIF4E

在这些元件上的组装以mRNA作为mNxf1独立输出途径的目标，除了促进输出以外，核酸序列元件控制RNA核滞留并且有效的调节基因表达，肿瘤相关的细胞因子MSF的mRNA含有一个3'UTR信号元件（调节核稳定直到转录后加工过程对改变生长因子?

1发出的信号引发输出有所反应的）。

同样，一个存在于氨基酸转运子mCAT2交替转录中的3'UTR引起核滞留，直到应力条件允许转录后加工和输出。

RNA信号元件和micRNAmTR-296中的六聚体序列对于核输出都是必须的。

mRNA和核糖体亚基成熟的要点，是一系列的有规则、大规模的加工过程。

这个过程控制了相应的转运受体之间的相互作用。

这确保了只有成熟、完全组装的产物被转运出去。

对于mRNA，特别的蛋白质会相互吸引形成mRNP，在剪接、形成5'—帽子和3'ployA过程中，