NUCLEAIRE PORIE: KENMERKEN, FUNCTIES, COMPONENTEN - BIOLOGIE - 2025

De nucleaire porie (uit het Grieks: poriën = doorgang of doorgang) is de "poort" van de kern die het meeste transport tussen het nucleoplasma en het cytoplasma mogelijk maakt. De nucleaire porie verbindt de binnenste en buitenste membranen van de kern om kanalen te vormen die dienen om eiwitten en RNA te transporteren.

Het woord porie weerspiegelt niet de complexiteit van de structuur in kwestie. Daarom verdient het de voorkeur om te verwijzen naar nucleair poriëncomplex (CPN) in plaats van naar nucleaire poriën. De CPN kan veranderingen in zijn structuur ondergaan tijdens transport of toestanden van de celcyclus.

Bron: RS Shaw op Engelse Wikipedia.

Onlangs is ontdekt dat nucleoporines, eiwitten die deel uitmaken van het CPN, een belangrijke rol spelen bij de regulatie van genexpressie. Dus wanneer mutaties optreden die de functie van nucleoporines beïnvloeden, treden pathologieën op bij mensen, zoals auto-immuunziekten, cardiomyopathieën, virale infecties en kanker.

kenmerken

Met behulp van elektronentomografie werd vastgesteld dat de CPN een dikte heeft van 50 nm, een buitendiameter tussen 80 en 120 nm en een binnendiameter van 40 nm. Grote moleculen zoals de grote ribosoomsubeenheid (MW 1590 kDa) kunnen via de CPN uit de kern worden geëxporteerd. Er wordt geschat dat er tussen de 2.000 en 4.000 NPC's per kern zijn.

Het molecuulgewicht van een individuele CPN ongeveer 120 tot 125 MDa (1 MDa = 10 ⁶ Da) bij vertebraten. Daarentegen is de CPN kleiner in gist, waarin deze ongeveer 60 MDa is. Ondanks de enorme omvang van de CPN zijn nucleoporines in hoge mate geconserveerd in alle eukaryoten.

Translocatie via de CPN is een snel proces, met een snelheid van 1000 translocaties / seconde. De CPN bepaalt echter niet zelf de richting van de transportstroom.

Het hangt af van de RanGTP-gradiënt, die groter is in de kern dan in het cytosol. Deze gradiënt wordt in stand gehouden door een guanine-uitwisselingsfactor Ran.

Tijdens de celcyclus ondergaan CPN's assemblage- en disuniteitscycli van hun componenten. Montage vindt plaats op de interface en onmiddellijk na mitose.

Kenmerken

Ribonucleïnezuur (klein nucleair RNA, boodschapper-RNA, transfer-RNA), eiwitten en ribonucleoproteïnen (RNP's) moeten actief door CPN worden getransporteerd. Dit betekent dat de energie uit hydrolyse van ATP en GTP nodig is. Elk molecuul wordt op een specifieke manier getransporteerd.

Over het algemeen zitten RNA-moleculen vol met eiwitten die RNP-complexen vormen en op deze manier worden geëxporteerd. Daarentegen moeten eiwitten die actief naar de kern worden getransporteerd, een nucleus localization signal sequentie (SLN) bezitten, die positief geladen aminozuurresiduen bevatten (bijv. KKKRK).

Eiwitten die naar de kern worden geëxporteerd, moeten een nucleus export signal (NES) hebben dat rijk is aan het aminozuur leucine.

Naast het vergemakkelijken van het transport tussen de kern en het cytoplasma, zijn CPN's betrokken bij de organisatie van chromatine, de regulatie van genexpressie en DNA-reparatie. Nucleoporines (Nups) bevorderen de activering of onderdrukking van transcriptie, ongeacht de staat van celproliferatie.

In gist worden Nups gevonden in het CNP van de nucleaire envelop. In metazoans worden ze binnen gevonden. Ze vervullen dezelfde functies in alle eukaryoten.

Import van stoffen

Via de CPN is er passieve diffusie van kleine moleculen in beide richtingen en actief transport, import van eiwitten, export van RNA en ribonucleoproteïnen (RNP's), en de bidirectionele shuttle van moleculen. Dit laatste omvat RNA, RNP en eiwitten die betrokken zijn bij signalering, biogenese en omzet.

De invoer van eiwitten in de kern vindt plaats in twee stappen: 1) binding van het eiwit aan de cytoplasmatische kant van het CPN; 2) ATP-afhankelijke translocatie door de CPN. Dit proces vereist de hydrolyse van ATP en de uitwisseling van GTP / GDP tussen de kern en het cytoplasma.

Volgens een transportmodel beweegt het receptor-eiwitcomplex zich langs het kanaal door zich te hechten, te dissociëren en opnieuw te koppelen aan de FG-herhaalsequenties van de nucleoporines. Op deze manier beweegt het complex van de ene nucleoporine naar de andere binnen de CPN.

Export van stoffen

Het is vergelijkbaar met importeren. Ran GTPase dwingt directionaliteit af bij transport via CNP. Ran is een moleculaire schakelaar met twee conformationele toestanden, afhankelijk van of het gebonden is aan GDP of GTP.

Twee Ran-specifieke regulerende eiwitten activeren de omzetting tussen de twee toestanden: 1) cytosolisch GTPase-activatoreiwit (GAP), dat GTP-hydrolyse veroorzaakt en zo Ran-GTP omzet in Ran-GDP; en 2) nucleaire guanine-ruilfactor (GEF), die de uitwisseling van GDP voor GTP bevordert en Ran-GDP omzet in Ran-GTP.

Het cytosol bevat voornamelijk Ran-GDP. De kernel bevat voornamelijk Ran-GTP. Deze gradiënt van de twee conformationele vormen van Ran stuurt het transport in de juiste richting.

Invoer van de receptor, vastgemaakt aan de lading, wordt vergemakkelijkt door bevestiging aan de FG-herhalingen. Als het de nucleaire kant van het CNP bereikt, voegt Ran-GTP zich bij de ontvanger om zijn positie vrij te geven. Ran-GTP bepaalt dus de richting van het importproces.

Nucleaire export is vergelijkbaar. Ran-GTP in de kern bevordert echter de binding van lading aan receptorexport. Wanneer de exportreceptor door de porie in het cytosol beweegt, komt hij Ran-GAP tegen, dat de hydrolyse van GTP tot GDP induceert. Ten slotte wordt de receptor vrijgegeven uit zijn post en Ran-GDP in het cytosol.

RNA-transport

De export van sommige klassen RNA is vergelijkbaar met de export van eiwitten. Bijvoorbeeld, tRNA en nsRNA (kleine nucleaire) gebruiken de RanGTP-gradiënt en worden door de CPN getransporteerd door respectievelijk carioferine exportin-t en Crm. De export van volwassen ribosomen is ook afhankelijk van de RanGTP-gradiënt.

MRNA wordt op een heel andere manier geëxporteerd dan eiwitten en andere RNA's. Voor de export vormt mRNA een complex van boodschapper RNP (mRNP), waarin één mRNA-molecuul is omgeven door honderden eiwitmoleculen. Deze eiwitten zijn verantwoordelijk voor de verwerking, capping, splitsing en polyadenylering van mRNA.

De cel moet onderscheid kunnen maken tussen mRNA met rijp mRNA en mRNA met onrijp mRNA. Het mRNA, dat het RPNm-complex vormt, zou topologieën kunnen aannemen die voor transport opnieuw moeten worden gemodelleerd. Voordat mRNP het CPN binnengaat, vindt een controlestap plaats die wordt uitgevoerd door TRAMP en exosome eiwitcomplexen.

Wanneer de volwassen RNPm is samengesteld, wordt de RPNm door het kanaal getransporteerd door een transportreceptor (Nxf1-Nxt1). Deze receptor heeft de hydrolyse van ATP nodig (geen RanGTP-gradiënt) om de richting van de remodellering van het mRNP vast te stellen, dat het cytoplasma zal bereiken.

Het nucleaire poriëncomplex en de controle van genexpressie

Sommige onderzoeken geven aan dat CPN-componenten de regulatie van genexpressie kunnen beïnvloeden door de structuur van chromatine en de toegankelijkheid ervan tot transcriptiefactoren te regelen.

In meer recentelijk ontwikkelde eukaryoten bevindt heterochromatine zich bij voorkeur in de periferie van de kern. Dit territorium wordt onderbroken door euchromatinekanalen, die worden onderhouden door de nucleaire mand van de CPN. De nucleaire mandassociatie met euchromatine is gerelateerd aan gentranscriptie.

Activering van transcriptie op CPN-niveau omvat bijvoorbeeld de interactie van componenten van de nucleaire mand met eiwitten zoals histon SAGA-acetyltransferase en RNA-exportfactoren.

De nucleaire mand is dus een platform voor talloze sterk getranscribeerde huishoudgenen en genen die sterk worden geïnduceerd door veranderingen in omgevingsomstandigheden.

Het nucleaire poriëncomplex en virologie

Virale infectie van eukaryote cellen is afhankelijk van de CPN. In elk geval van virale infectie hangt het succes ervan af van het DNA, RNA of RPN dat door het CPN gaat om het uiteindelijke doel te bereiken, namelijk virusreplicatie.

Het apenvirus 40 (SV40) is een van de meest bestudeerde modellen om de rol van het CPN bij translocatie binnen de kern te onderzoeken. Dit komt omdat SV40 een klein genoom heeft (5.000 basen).

Het is aangetoond dat het transport van virus-DNA wordt vergemakkelijkt door virusmanteleiwitten, die het virus beschermen totdat het de kern bereikt.

Componenten

De CPN is ingebed in de nucleaire envelop en bestaat uit ongeveer tussen de 500 en 1000 Nups. Deze eiwitten zijn georganiseerd in structurele subcomplexen of modules, die met elkaar in wisselwerking staan.

De eerste module is een centrale component, of ring, binnen de zandlopervormige porie, die wordt begrensd door een andere ring met een diameter van 120 nm aan beide zijden, intranucleair en cytoplasmatisch. De tweede module is de kern en cytoplasma-ringen (elk met een diameter van 120 nm) die zich rond het zandlopervormige onderdeel bevinden.

De derde module bestaat uit acht filamenten die van de 120 nm-ring in het nucleoplasma uitsteken en een mandvormige structuur vormen. De vierde module bestaat uit de filamenten die naar de zijkant van het cytoplasma uitsteken.

Het Y-vormige complex, bestaande uit zes Nups en de eiwitten Seh 1 en Sec 13, is het grootste en best gekarakteriseerde complex van CNP. Dit complex is de essentiële eenheid die onderdeel uitmaakt van de steiger van de CPN.

Ondanks de lage gelijkenis tussen de sequenties van de Nups, is de CPN-scaffold in alle eukaryoten sterk geconserveerd.

Referenties

1. Beck, M., Hurt, E. 2016. Het nucleaire poriëncomplex: de functie ervan begrijpen door structureel inzicht. Nature Reviews, Molecular Cell Biology, Doi: 10.1038 / nrm.2016.147.
2. Ibarra, A., Hetzer, MW 2015. Nucleaire porie-eiwitten en de controle van genoomfuncties. Genen en ontwikkeling, 29, 337-349.
3. Kabachinski, G., Schwartz, TU 2015. Het nucleaire poriëncomplex - structuur en functie in één oogopslag. Journal of Cell Science, 128, 423-429.
4. Knockenhauer, KE, Schwartz, TU 2016. Het nucleaire poriëncomplex als een flexibele en dynamische poort. Cell, 164, 1162-1171.
5. Ptak, C., Aitchison, JD, Wozniak, RW 2014. Het multifunctionele nucleaire poriëncomplex: een platform voor het beheersen van genexpressie. Huidige mening van celbiologie, DOI: 10.1016 / j.ceb.2014.02.001.
6. Stawicki, SP, Steffen, J. 2017. Herpublicatie: het nucleaire poriëncomplex - een uitgebreid overzicht van structuur en functie. International Journal of Academic Medicine, 3, 51-59.
7. Tran, EJ, Wente, SR 2006. Dynamische nucleaire poriëncomplexen: leven aan de rand. Cell, 125, 1041-1053.