Часть 3 (1129751), страница 76
Текст из файла (страница 76)
Клетка получает энергию, необходимую для этого процесса, через гидролизGTP мономерной GTPазой Ran. Ran содержится как в цитозоле, так и в ядре и необходима как для ядерного импорта, так и для ядерного экспорта.1208Часть IV. Внутренняя организация клеткиКак и другие GTPазы, Ran представляет собой молекулярный переключатель,существующий в двух конформационных состояниях в зависимости от того, связанли с ним GDP или GTP (см. главу 3). Два Ran-специфичных регуляторных белкаинициируют переключение между состояниями: цитоплазматический GTPазаактивирующий белок (GTPase-Activating Protein, GAP) запускает гидролиз GTPи, следовательно, способствует переходу Ran-GTP в Ran-GDP и ядерный факторобмена гуаниновых нуклеотидов (Guanine Exchange Factor, GEF) запускаетобмен GDP на GTP и таким образом переводит Ran-GDP в Ran-GTP.
ПосколькуRan-GAP располагается в цитозоле, а Ran-GEF — в ядре, цитозоль содержитв основном Ran-GDP, а ядро — Ran-GTP (рис. 12.14).Такой градиент двух конформационных форм Ran служит движущей силойядерного транспорта в соответствующем направлении (рис. 12.15). Докинг рецепторов ядерного импорта на FG-повторах на цитоплазматической стороне NPC, например, происходит в зависимости от того, несут ли эти рецепторы «груз». Рецепторыимпорта затем перескакивают с одного FG-повтора на другой. Если они достигаютядерной стороны порового комплекса, с ними связывается Ran-GTP, и, если они несут молекулы «груза», это связывание приводит к тому, что они высвобождают свой«груз» (рис. 12.16).
Поскольку Ran-GDP в цитозоле не связывается с нагруженнымирецепторами, высвобождение происходит только на ядерной стороне NPC. Такимобразом, ядерная локализация Ran-GTP определяет направленность процесса.Освободившись от своего транспортируемого белка в ядре, рецептор импортасо связанной Ran-GTP переносится через поровый комплекс обратно в цитозоль.Там Ran-GAP активирует механизм гидролиза GTP в составe Ran-GTP, такимобразом превращая его в Ran-GDP. После этого рецепторы импорта готовы к следующему циклу ядерного импорта.Рис. 12.14.
Компартментализация Ran-GDP и Ran-GTP. Локализация Ran-GDP в цитозоле и Ran-GTP в ядреявляется следствием локализации двух Ran-регулирующих белков: Ran GTPаза-активирующий белок(Ran-GAP) локализован в цитозоле, а фактор обмена нуклеотидных оснований Ran (Ran-GEF) связываетхроматин и, следовательно, локализован в ядре.Глава 12. Внутриклеточные компартменты и сортировка белка 1209Рис. 12.15. Модель, объясняющая, как гидролиз GTP GTPазой Ran в цитозоле определяет направленность ядерного транспорта. Движение сквозь NPC нагруженных рецепторов ядерного транспорта происходит вдоль FG-повторов на поверхности определенных белков NPC.
Дифференциальная локализацияRan-GTP в ядре и Ran-GDP в цитозоле определяет направленность (красные стрелки) как ядерногоимпорта (слева), так и ядерного экспорта (справа). Ran-GAP активирует гидролиз GTP и образованиеRan-GDP с цитоплазматической стороны NPC (см. рис. 12.14).Ядерный экспорт происходит по сходному механизму, за исключением того, чтоRan-GTP в ядре способствует связыванию «груза» с рецепторами экспорта, а не егодиссоциации.
После того как рецептор экспорта прошел через пору в цитозоль, его RanGTP взаимодействует с Ran-GAP и гидролизует GTP. В результате рецептор экспортавысвобождает как транспортируемую молекулу, так и Ran-GDP в цитозоль. Свободныйрецептор затем возвращается в ядро, и цикл завершается (см. рис. 12.15).Ran-GDP импортируется в ядро собственным рецептором импорта, специфичным к связанной с GDP конформации Ran. Рецептор Ran-GDP структурно не родственен основному семейству ядерных транспортных рецепторов. Однако он такжесвязывается с FG-повторами на белках ЯПК и перескакивает между ними.12.2.6. Транспорт через ЯПК может регулироваться контролирующимдоступом к транспортному аппаратуНекоторые белки, например белки, связывающие только что синтезированныемРНК в ядре, одновременно содержат сигналы ядерной локализации и ядерногоэкспорта.
Эти белки непрерывно движутся из ядра в цитозоль и обратно. Относи-1210Часть IV. Внутренняя организация клеткиРис. 12.16. Как связывание Ran-GTP может привести к высвобождению «груза» рецепторами импорта.а) Структура рецептора ядерного транспорта со связанной Ran-GTP. Рецептор содержит повторяющиесяα-спиральные мотивы, располагающиеся друг над другом и формирующие гибкую пружиноподобнуюструктуру, которая способна принимать различные конформации в ответ на связывание транспортируемых белков и Ran-GTP. Обратите внимание, что транспортируемые белки и Ran-GTP связываютсяс разными участками извитой пружины.
Ran-GTP частично закрывает консервативную петлю (красная)рецептора, которая в свободном от Ran состоянии, по-видимому, играет важную роль в связывании«груза». б) Цикл загрузки в цитозоле и разгрузки в ядре рецептора ядерного импорта. (а, адаптированоиз Y. M. Chook and G. Blobel, Nature 399: 230–237, 1999. С любезного разрешения издательства MacmillanPublishers Ltd.)тельные скорости импорта и экспорта определяют равновесную локализацию такихшатлинг-белков (от англ. shuttling — двигаться вперед и назад).
Если скоростьэкспорта превышает скорость импорта, белок в основном будет находиться в цитозоле. Таким образом, изменяя скорость импорта, экспорта или их обоих, можноизменить локализацию белка.Некоторые шатлинг-белки непрерывно мигрируют в ядро и обратно. В отдельных случаях, однако, транспорт жестко регулируется. Как обсуждается в главе 7,клетки контролируют активность некоторых белков-регуляторов генов, не пропускаяих в ядро до тех пор, пока они там не понадобятся (рис. 12.17). Во многих случаяхклетки контролируют транспорт путем регуляции сигналов ядерной локализациии ядерного экспорта; их можно включать и выключать, например, фосфорилируяаминокислоты вблизи сигнальных последовательностей (рис. 12.18).Другие белки-регуляторы генов связаны с ингибиторными цитоплазматическими белками, которые либо заякоривают их в цитозоле (через взаимодействияс цитоскелетом или определенными органеллами), либо маскируют их сигналыядерной локализации, не давая им взаимодействовать с рецепторами ядерногоимпорта.
Соответствующий стимул освобождает белок-регулятор гена от его цитоплазматического якоря, или «маски», и белок транспортируется в ядро. Важнымпримером такого шатлинг-белка является латентный белок-регулятор гена, кон-Глава 12. Внутриклеточные компартменты и сортировка белка 1211Рис. 12.17. Регуляция ядерного транспорта в зародыше мушки.Белок-регулятор гена dorsal экспрессируется однородно по всему раннему зародышу Drosophila, изображенному в поперечномсрезе. Белок окрасили антителами, связанными с ферментом,дающим коричневый продукт.
Он активен только в клетках,расположенных на вентральной стороне (внизу) зародыша,где он располагается в ядре. (С любезного разрешения SiegfriedRoth.)тролирующего экспрессию белков, участвующихв метаболизме холестерина. Белок синтезируетсяи хранится в неактивной форме в качестве трансмембранного белка ЭР. При недостатке холестерина белок выходит из ЭР в аппарат Гольджи, гдерасщепляется специализированными протеазами,и его цитоплазматический домен высвобождается в цитозоль. Этот домен транспортируется в ядро, где активирует транскрипцию генов, необходимых для импортаи синтеза холестерина.Как мы подробно обсудили в главе 6, клетка контролирует экспорт мРНКиз ядра сходным образом. Белки, направляющие мРНК из ядра, загружаютсяна РНК в процессе транскрипции и сплайсинга.
После входа в цитозоль белкиотделяются и быстро возвращаются в ядро. Такие РНК, как мяРНК и тРНК, экспортируются другими рецепторами ядерного экспорта.12.2.7. Во время митоза ядерная оболочка разбираетсяЯдерная пластинка (ламина), расположенная на ядерной стороне внутреннейядерной мембраны, представляет собой сеть взаимосвязанных белковых субъединиц — ядерных ламинов. Ламины — это специализированный класс промежуточных белков-филаментов (обсуждаемых в главе 16), полимеризующихсяв двумерную сетку (рис. 12.19).
Ядерная пластинка придает форму и устойчивостьядерной оболочке, с которой она связана через NPC и интегральные мембранныебелки внутренней ядерной мембраны. Ламина также напрямую взаимодействуетс хроматином, который и сам по себе взаимодействует с интегральными белкамивнутренней ядерной мембраны.
Ламина и эти белки внутренней мембраны формируют структурные связи между ДНК и ядерной оболочкой.Когда ядро разбирается во время митоза, ядерная пластинка деполимеризуется. Разрушение, по крайней мере частично, является следствием прямогофосфорилирования ядерных ламинов циклин-зависимой протеинкиназой Cdk,активирующейся в начале митоза (см. главу 16). Одновременно фосфорилируютсябелки внутренней ядерной мембраны, и NPC распадаются и распространяются поцитозолю. Во время этого процесса некоторые белки NPC связываются с рецепторами ядерного импорта, играющими важную роль в восстановлении NPC послезавершения митоза. Мембранные белки ядерной оболочки — более не связанныес поровыми комплексами, ламиной или хроматином, – распределяются по мембране ЭР.
Двигательный белок динеин, мигрирующий вдоль микротрубочек (см.главу 17), активно участвует в отрывании ядерной оболочки от хроматина. Всеэти процессы вместе разрушают барьеры, которые в норме отделяют ядро от цито-1212Часть IV. Внутренняя организация клеткиРис. 12.18. Регуляция ядерного импорта во время активации Т-клеток. Ядерный фактор активированныхТ-клеток (NF-AT) представляет собой белок-регулятор гена, который в покоящейся Т-клетке находитсяв цитозоле в фосфорилированном состоянии. Когда Т-клетки активирует чужеродный антиген (см.главу 25), концентрация внутриклеточного Ca2+ возрастает. При высоких концентрациях Ca2+ фосфатазакальциневрин связывает NF-AT и дефосфорилирует его.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
