Ю.С. Ченцов - Введение в клеточную биологию. Общая цитология (1120992), страница 26
Текст из файла (страница 26)
В процессе ядерно-цитоплазматического транспорта ядерные поры функционируют как некоторое молекулярное сито, пропуская частицы определенного размера пассивно, по градиенту концентрации. Так, ионы, сахара, нуклеотиды, АТФ, гормоны - свободно поступают в ядра. С другой стороны ядерные поры осуществляют избирательный транспорт.
Через ядерную оболочку беспрепятственно в обе стороны происходит пассивный транспорт высоко молекулярных соединений, имеющих массу не более 5 х 103 дальтон. Для определения размеров частиц, могущих пройти сквозь пору, используются гранулы декстрана или коллоидного золота, которые путем микроинъекции вводятся в цитоплазму живой клетки. Было обнаружено, что максимальный размер частиц, способных транспортироваться в ядро составляет 8,5-10 нм. При этом сначала частицы собираются в зоне поровых комплексов, а затем оказываются в ядре. Неядерные белки с массой большей, чем 20 000-40 000 дальтон проникают в ядро медленнее, если вообще проникают. Так инъецированные белки с массой 17 кД могут проникнуть в ядро довольно быстро, за 2-3 минуты, белки 40 кД - за 30 минут, белки 60 кД - вообще не проникают в ядра. Считается, что белки с гидродинамическим радиусом больше 3,5 нм (что соответствует глобулярному белку с массой 65 кД), не могут просто механически проходить через ядерную пору. В этих случаях ядерная пора выступает в качестве реального молекулярного сита.
Но дело осложняется тем, что многие белки поступают как в ядро, так и выходят из него против градиента концентраций. Так, например, концентрация гистонов в ядре значительно выше, чем в цитоплазме. Но, несмотря на это, во время синтеза ДНК происходит транспорт огромного количества (106 молекул каждые три минуты, или по 100-500 молекул через одну пору за 1 минуту) гистонов из цитоплазмы в ядро. С другой стороны через ядерные поры реально могут проходить некоторые белки и даже макромолекулярные комплексы с массой значительно большей, чем 60 кД.
Через ядерные поры из цитоплазмы в ядро транспортируются крупные молекулы белков, например, белок нуклеоплазмин, пентамер с молекулярной массой 125 кД. Из ядра через поры выходят в цитоплазму субъединицы рибосом и другие рибонуклеопротеиды, меньшие из которых могут иметь массу 250 кД. Эти данные показывают, что комплексы ядерных пор не представляют собой просто механические сита, которые ограничивают транспорт молекул в зависимости от их размеров.
Работы последнего времени показывают, что многие ядерные белки проходят через ядерные поры с помощью специальных механизмов, включающих узнавание и связывание крупных ядерных белков, а затем только их транслокацию, перенос через поры. Было найдено, что белки, транспортируемые в ядро, имеют определенные последовательности аминокислот - последовательности ядерной локализации (NLS), которые узнаются рецепторами ядерных пор. Такие NLS характерны для кариофильных белков, т.е. для белков ядерной локализации, которые синтезируются на рибосомах в цитоплазме, а затем транспортируются в ядро.
Импорт кариофильных белков
Впервые аминокислотные последовательности ядерной локализации были обнаружены на С-конце субъединиц молекулы нуклеоплазмина (ядерный белок, принимающий участие в структуризации хроматина). Эти эксперименты были проведены на бесклеточной системе, когда выделенные ядра помещались в цитоплазматический экстракт ооцитов ксенопуса, куда добавляли нативные или измененные молекулы нуклеоплазмина. Это крупный белок (125 кД), состоящий из пяти субъединиц, каждая из которых обладает глобулярной и фибриллярной, С-концевой, частями. Если удалит путем протеолиза примерно 50 аминокислот с С-конца, то ни пентамер, ни мономеры в ядро не попадают, в то время как отщепленные фибриллярные участки через поры проходят свободно, так как содержат NLS-участок.
Более того, при смешивании неядерных белков с этими NLS-фрагментами, такие комплексы способны транспортироваться в ядро. Даже крупные частицы декстрана (20 нм), неспособные проникать в ядро, при связывании с ними NLS-последовательностей нуклеоплазмина транспортировались из цитоплазматического экстракта в ядро.
Подробно строение NLS изучено у белка Т антигена вируса SV40. Кариофильный сигнал состоял из последовательности: Pro-Lys-128Lys-Lys-Arg-Lys-Val. Одна лишь аминокислотная замена (128Lys на Thr или Asp) полностью лишают этого фрагмента кариофильных свойств. Оказалось. что можно создавать химерные белки с этим аминокислотным доменом, что позволяет необычные для ядер белки (альбумин плазмы, иммуноглобулин G, и даже ферритин с мол. массой 465 кД) транспортировать через ядерные поры.
Было показано, что белок с NLS проходит в ядро через несколько этапов (рис. 111). Импорт начинается с того, что NLS-белок связывается с гетеродимером рецептора NLS, с белками импортинами и , локализованными в цитоплазме. Возникший белковый комплекс (импортируемый белок с NLS, связанный с импортинами и ) подходит к внешней ядерной мембране и закрепляется на цитоплазматических филаментах порового комплекса. Затем этот комплекс входит в ядерную пору и проходит через “транспортер”. Считается, что транспортер состоит из множества извитых белковых филаментов, обогащенных аланином и глицином (FG-филаменты), представляющих собой барьер для транспорта некариофильных белков. Комплекс же, имеющий NLS как бы разрыхляет эту сеть и проходит через канал транспортера. После перехода комплекса в нуклеоплазму импортин связывается с белком RAN, представляющего собой малую GTP-азу, что приводит к распаду комплекса. Импортируемый белок освобождается и остается в ядре, импортин возвращается в цитоплазму, так же как и импортин , но в связи с RAN-GDP, где последние также диссоциируют. Тем самым только белок с NLS остается в составе ядра (рис. 111).
Экспорт из ядра в цитоплазму
Из ядра в цитоплазму также существует поток как белков, так и ядерных транскриптов в виде рибонуклеопротеидов. В принципе этот экспорт своей организации сходен с процессом импорта кариофильных белков. Так было обнаружено, что гликопротеидные молекулы, связывающие лиганды, локализуются в место поровых комплексов и со стороны ядра. Одна и та же пора может принимать участие как в импорте, так и в экспорте макромолекул. В пользу этого говорит то, что частички коллоидного золота, связанного с нуклеоплазмином, сорбируются на ядерной поре со стороны цитоплазмы, одновременно с сорбцией частичек, связанных с РНК, инъецированных в ядре ооцитов. Подобные эксперименты показали, что многие РНК (тРНК, 5S РНК, поли-У и поли-А), связанные с коллоидным золотом, аккумулируются в зоне ядерных пор, а затем переносятся в цитоплазму. Более того, РНК способствует переносу через ядерную пору крупных частиц золота размером до 20 нм. Обратного переноса не происходит: аналогичные частички, инъецированные в цитоплазму ооцита, в ядро не проникают.
Что касается естественных видов РНП, то комплексы ядерных пор также должны узнавать специфический сигнал на экспорт. Белковые компоненты РНП несут аминокислотные последовательности, сигналы ядерного экспорта (NES), которые дают возможность различным РНП проходить через ядерную оболочку в цитоплазму.
В этом случае также образуется сложный комплекс, состоящий из переносимого белка с NES-последовательностью (связанного с РНК или свободного), ассоциированного с белком экспортином 1, который в свою очередь связан с RAN-GTP. Этот комплекс проходит через центральный канал, создаваемый транспортером, в цитоплазму, где и диссоциирует. При этом освобождается белок с NES-участком (или РНП), который остается в цитоплазме. Экспортин 1 и RAN после гидролиза GTP снова возвращаются в ядро (рис. 112).
В процессе экспорта РНП ядерная пора контролирует не только белковый компонент. Ядерные поры узнают и не экспортируют короткие (100 нуклеотидов) тРНК, если в их структуре есть хоть одна замена. Транспорт незрелых форм иРНК, имеющих интронные участки, не происходит. Вообще в цитоплазме не обнаруживаются незрелые РНК. Вероятно, для экспорта некоторых РНК необходима их связь с особыми белками. Так 5S РНК переносится в цитоплазму вместе с транскрипционным фактором TFIIIA, или с белком L5. Мутантные формы 5S рРНК, которые не связываются с TFIIIA, остаются в ядре.
Мало изучен вопрос о транспорте в цитоплазму крупных РНП-комплексов, таких как субъединицы рибосом, информосомы и малые ядерные РНП. Возможно все они под действием каких-то факторов разворачиваются, меняют свою конформацию и проходят через поровый комплекс. В пользу этого говорят наблюдения гантелевидных РНК-содержащих частиц, в просвете пор ядер гигантских слюнных желез насекомых. Считается, что эта картина отражает момент выхода из ядер РНП-частиц 60 нм в диаметре, относимых к информоферам. Интересно, что состав белков в цитоплазматических информационных РНП иной, это может говорить о том, что в зоне поровых комплексов происходит “переодевание” информационных РНК, связь их с иными белками.
Динамика ядерной оболочки в митозе
Большей частью, но не у всех видов (исключение составляют амебы, эвгленовые, инфузории, динофлагелляты, многие водоросли, некоторые грибы), ядерная оболочка разрушается при митозе и снова возникает после деления клеток. Это так называемый открытый тип митоза (рис. 113). При этом в профазе по мере конденсации хромосом ядерная оболочка теряет с ними связь, а затем в ней появляются разрывы. Она приобретает вид плоских мембранных вакуолей, цистерн. В это время ядерные поры еще видны. Позднее они исчезают. Во время митоза 120 мДа комплекс ядерной поры разбирается на субкомплексы примерно по 1 мДа. Разборка пор начинается с фосфорилирования ряда нуклеопоринов митотической cdc2/циклин B киназой.
Ядерная оболочка превращается в скопление мелких мембранных пузырьков, окружающих зону бывшего интерфазного ядра. Такие пузырьки морфологически нельзя отличить от других мелких вакуолей в цитоплазме, они вероятно сливаются с вакуолями эндоплазматического ретикулума. В метафазе мембранные элементы цитоплазмы оттесняются к периферическим зонам клеток микротрубочками веретена деления.
В конце анафазы, когда прекращается движение хромосом к противоположным полюсам клетки, мембранные пузырьки цитоплазмы, и в первую очередь мембраны гранулярного эндоплазматического ретикулума (см. ниже), начинают контактировать с поверхностью хромосом. Эти контакты происходят сначала в небольшом числе точек, но затем начинается перестройка и рост этих первичных зачатков ядерной оболочки. Они из мелких пузырьков превращаются в плоские вакуоли, которые растут в ширину и обволакивают поверхность деконденсирующихся хромосом. Участки таких растущих плоских мембранных мешков сливаются, замыкая и отгораживая содержимое нового интерфазного ядра. Интересно, что ядерные поры появляются на самых ранних этапах реконструкции ядерной оболочки, когда двойные мембранные цистерны еще не сомкнулись и фактически ничего не разделяют.
При реконструкции ядерной оболочки происходит сборка ядерных пор. Она начинается с образования ямки при слиянии внешней и внутренней ядерной мембраны, которая затем превращается в отверстие. В этом процессе принимают участие интегральные белки gp 210 и POM 121, которые впоследствии будут закреплять ЯПК на мембранах.
За этим следует появление внутренних структур ЯПК: комплекс кольца, спиц, добавление звездчатого кольца и других структур, и, наконец, филаментов.
У некоторых низших организмов в случае закрытого митоза ядерная оболочка не исчезает, она в зоне ядерной перетяжки замыкается, что приводит к образованию двух новых ядер. Здесь участие ядерной оболочки в делении клетки заключается в том, что на ней закреплены хромосомы, и она, по-видимому, принимает участие в индукции образования микротрубочек, необходимых при делении клеток.
По-видимому, для реконструкции ядерной оболочки необходимым условием является деконденсация хромосом. Было показано, что если вызвать преждевременную деконденсацию метафазных хромосом, то они очень быстро контактируют с мембранными пузырьками и одеваются каждая своей отдельно ядерной оболочкой, вследствие чего в клетке возникает множество так называемых микроядер, каждое их которых возникло из одной хромосомы.
С другой стороны, можно экспериментально вызвать разборку ядерной оболочки у интерфазного ядра. Это происходит, если слить в культуре ткани две клетки на разных стадиях клеточного цикла и получить т.н. гетерокарион, где одно из ядер будет находиться в интерфазе, а другое быть в виде митотических хромосом в метафазе. В этом случае в интерфазном ядре начинает конденсироваться хроматин, образуются преждевременно конденсированные хромосомы, а ядерная оболочка исчезнет так же как во время нормального митоза (рис. 114). Эти данные говорят о том, что в цитоплазме митотической клетки существуют какие-то факторы, вызывающие как конденсацию хромосом, так и параллельный этому процесс распада ядерной оболочки.
Сходная динамика совпадения процессов перестройки хромосом и ядерной оболочки наблюдается и в другой системе, в цитоплазме ооцитов или в бесклеточных цитоплазматических экстрактах ооцитов. Так если в цитоплазму ооцита амфибий на стадии метафазы инъецировать выделенные интерфазные ядра, то их ядерная оболочка разбирается, а хроматин конденсируется в виде митотических хромосом. Если же в ооцит на стадии интерфазы ввести митотические хромосомы, то они начинают деконденсироваться, появляются множественные мелкие вакуоли, которые сливаясь друг с другом, образуют ядерные оболочки. Интересно, что в цитоплазму интерфазного ооцита можно ввести даже чужеродную чистую ДНК, которая, связываясь с гистонами в цитоплазме, образует хроматиновые глыбки, которые в свою очередь одеваются ядерными оболочками и превращаются в микроядра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
