Часть 3 (1129751), страница 75
Текст из файла (страница 75)
Считают, что такое ограничениеразмеров молекул, способных к свободной диффузии, вытекает из структуры NPC(рис. 12.10). Многие белки NPC, выстилающие центральную пору, несут крупные1204Часть IV. Внутренняя организация клеткиРис. 12.10. Модель воротного барьера диффузии NPC. Показан вид NPC сбоку. Неструктурированныеучастки белков, выстилающие центральную пору, образуют запутанную сеть, блокирующую пассивнуюдиффузию крупных макромолекул. Однако во время активного транспорта через NPC способны пройтичастицы, диаметр которых составляет до 39 нм.неструктурированные участки, которые формируют неупорядоченные клубки (почтикак водоросли, выстилающие дно океана) и блокируют центральное отверстие NPC,не давая пройти крупным макромолекулам, но оставляя маленькие отверстия длядиффузии малых молекул.Поскольку многие клеточные белки слишком велики для пассивной диффузиичерез NPC, ядерный компартмент и цитозоль способны поддерживать различныйбелковый состав.
Например, диаметр зрелых цитоплазматических рибосом составляет около 30 нм, и поэтому они не способны диффундировать через NPC,ограничивая белковый синтез цитозолем. Но как ядро экспортирует многие синтезированные в нем рибосомальные субъединицы или импортирует такие крупныемакромолекулы, как ДНК- и РНК-полимеразы, молекулярная масса субъединицкоторых составляет 100–200 тысяч дальтон? Ниже мы обсудим, как эти и многиедругие молекулы белков и ДНК связываются с определенными рецепторнымибелками, которые активно переносят крупные молекулы через NPC.12.2.2. Сигналы ядерной локализации направляют ядерные белкив ядроКогда из ядра искусственно экстрагируют белки и вводят их в цитозоль,даже самые крупные из них эффективно возвращаются обратно в ядро.
Сигналысортировки, носящие название сигналов ядерной локализации, отвечают за селективность этого процесса активного ядерного импорта. Сигналы точно определилипри помощи методов рекомбинантных ДНК как для разнообразных ядерных белков,так и для белков, которые входят в ядро только временно (рис. 12.11). Во многихбелках сигнал состоит из одной или двух коротких последовательностей, обогащенных положительно заряженными аминокислотами лизином и аргинином (см.Глава 12.
Внутриклеточные компартменты и сортировка белка 1205Рис. 12.11. Функция сигнала ядерной локализации. На иммунофлуоресцентных микрофотографияхпоказана клеточная локализация Т-антигена вируса SV40. В одном случае он содержит короткую последовательность, служащую сигналом ядерной локализации, в другом — нет. (а) Нормальный Т-антигенсодержит указанную обогащенную лизином последовательность и импортируется в ядро, на что указывает иммунофлуоресцентное окрашивание антителами против Т-антигена. (б) Т-антиген с измененнымсигналом ядерной локализации (лизин заменен треонином) остается в цитозоле. (Из D. Kalderon, B. Roberts, W. Richardson and A. Smith, Cell 39: 499–509, 1984.
С любезного разрешения издательства Elsevier.)таблицу 12.3, стр. 1237). Для отдельных ядерных белков состав последовательностиизменяется. Прочие ядерные белки содержат различные сигналы, часть из которыхеще не охарактеризована.Сигналы ядерной локализации могут располагаться практически в любом месте аминокислотной последовательности. Предполагают, что они образуют петлиили специфические сайты на поверхности белка. Многие из них функционируютдаже в форме коротких пептидов, прикрепленных к боковым цепям лизина на поверхности цитоплазматического белка. Это указывает на то, что точное положениесигнала в аминокислотной последовательности ядерного белка не имеет значения.Более того, если хотя бы одна субъединица многокомпонентного белкового комплексанесет сигнал ядерной локализации, комплекс будет импортирован в ядро.Транспорт ядерных белков через NPC можно наблюдать, покрыв частицызолота сигналом ядерной локализации, введя их в цитозоль и следя за их дальнейшей судьбой при помощи электронной микроскопии (рис. 12.12).
Транспортначинается, когда частицы связываются с похожими на щупальца фибриллами,выступающими из кольца NPC в цитоплазму, и дальше идет через центр NPC.Предположительно, неструктурированные области белков NPC, образующие барьердля диффузии крупных молекул (упомянутый ранее), отодвигаются, что позволяетзолотым частицам протиснуться сквозь пору.Макромолекулярный транспорт через NPC фундаментально отличается от транспорта белков через мембраны других органелл тем, что он происходит с участиемкрупных водных пор, а не белкового транспортера, пересекающего один и болеелипидный бислой.
По этой причине через NPC в ядро могут быть транспортированыполностью свернутые белки, а рибосомные субъединицы могут быть транспортированы из ядра в форме собранных частиц. В случае же других органелл транспортируемые белки должны быть в развернутом состоянии, это мы обсудим позже.
Однаков электронный микроскоп видно, что очень крупные частицы, проходящие черезNPC, сжимаются при прохождении через пору. Это указывает на то, что во время1206Часть IV. Внутренняя организация клеткиРис. 12.12. Визуализация активного импорта через NPC.На этой серии электронных микрофотографий показанвход в ядро через NPC сферических частиц коллоидногозолота (стрелки), покрытых пептидами, содержащимисигналы ядерной локализации. Золотые частицы ввелив живые клетки, которые затем фиксировали и подготавливали к электронной микроскопии через различные временные промежутки после инъекции.
(а) Золотые частицысначала видны вблизи цитоплазматических фибрилл NPC.(б, в) Они мигрируют к центру NPC, где они сначала виднытолько на цитоплазматической стороне. (г) Затем онипоявляются на ядерной стороне. Диаметр этих золотыхчастиц значительно превышает диаметр диффузионногоканала NPC, поэтому они импортируются посредствомактивного транспорта. (Из N. Panté and U. Aebi, Science 273:1729–1732, 1996. С любезного разрешения издательстваAAAS.)транспорта они претерпевают структурные изменения. Хорошо изучен экспорт некоторых очень крупных мРНК, обсуждаемый в главе 6 (см.
рис. 6.39).12.2.3. Рецепторы ядерного импорта связывают как сигналы ядерной локализации, так и белки NPCЧтобы инициировать ядерный транспорт, большинство сигналов ядернойлокализации должно быть узнано рецепторами ядерного импорта, кодируемымисемейством родственных генов. Каждый член семейства кодирует один рецепторныйбелок, специализирующийся на транспорте набора белков, содержащих связывающийся с рецептором сигнал ядерной локализации (рис. 12.13, а).Рецепторы ядерного импорта — это растворимые цитоплазматические белки,связывающие сигналы ядерной локализации транспортируемого белка и белкиNPC, некоторые из которых образуют цитоплазматические фибриллы на NPC.Эти фибриллы, так же как и многие белки, выстилающие центр поры и вносящиевклад в диффузионный барьер, несут большое число коротких аминокислотныхповторов, содержащих фенилаланин и глицин.
Эти последовательности называютсяFG-повторами (по однобуквенному обозначению этих аминокислот, обсуждаемомув главе 3). FG-повторы служат сайтами связывания рецепторов ядерного импорта.Предполагается, что они выстилают проход через NPC, по которому идут рецепторыимпорта и связанные с ними белки. Комплексы рецептор-белок движутся по транспортному пути за счет последовательного связывания, диссоциации и повторногосвязывания с соседними FG-повторами. Таким образом, комплексы перескакиваютс одного белка NPC на другой, избегая переплетения боковых цепей аминокислотв центре NPC.
Оказавшись внутри ядра, рецепторы импорта диссоциируют от своего«груза» и возвращаются в цитозоль.Рецепторы ядерного импорта не всегда напрямую связываются с ядерными белками. Иногда дополнительные адаптерные белки образуют мостик между рецепторомимпорта и сигналом ядерной локализации транспортируемого белка (рис. 12.13, б).Некоторые адаптерные белки структурно родственны рецепторам ядерного транспорта, что указывает на их общее эволюционное происхождение. При помощи раз-Глава 12. Внутриклеточные компартменты и сортировка белка 1207Рис. 12.13.
Рецепторы ядерного импорта. (а) Многие рецепторы ядерного импорта связываются с белками NPC и сигналами ядерной локализации на транспортируемых ими белках. Белки 1, 2 и 3 в этомпримере несут различные сигналы ядерной локализации и поэтому связываются с разными рецепторами ядерного импорта. (б) Для транспорта белка 4 необходимо связывание с его рецептором импортаадаптерного белка.
Адаптеры структурно родственны рецепторам ядерного импорта и узнают сигналыядерной локализации. Они также несут собственный сигнал ядерной локализации, связывающий ихс рецептором импорта.нообразных рецепторов импорта и адаптеров клетки способны узнавать широкийспектр сигналов ядерной локализации, расположенных на ядерных белках.12.2.4. Ядерный экспорт работает так же, как ядерный импорт,но в обратном направленииЭкспорт из ядра крупных молекул, например новых рибосомальных субъединици молекул РНК, происходит через NPC и также зависит от системы селективного транспорта. Транспортная система основана на сигналах ядерного экспорта переносимыхмакромолекул и рецепторах ядерного экспорта. Эти рецепторы связывают как сигналыэкспорта, так и белки NPC, направляющие свой «груз» через NPC в цитозоль.Многие сигналы ядерного экспорта структурно родственны рецепторам ядерногоимпорта и кодируются тем же семейством генов рецепторов ядерного транспорта, иликариоферинов.
В дрожжах содержится 14 генов, кодирующих членов этого семейства;в животных клетках их число значительно больше. Часто только по аминокислотнойпоследовательности невозможно судить о том, является ли данный белок рецепторомядерного импорта или ядерного экспорта. Как и следовало ожидать, транспортныесистемы импорта и экспорта работают одинаково, но в противоположных направлениях: рецепторы импорта связывают свой «груз» в цитозоле, высвобождают ихв ядре и затем возвращаются в цитозоль для повторного использования, а рецепторыэкспорта функционируют в противоположном направлении.12.2.5. GTPаза Ran определяет направление транспорта через NPCИмпорт ядерных белков через NPC концентрирует определенные белки в ядреи, следовательно, увеличивает упорядоченность в клетке, то есть уменьшает энтропию.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
