Строение комплекса ядерной поры (ЯПК, ядерного порового комплекса)
• Ядерные поровые комплексы (ЯПК) представляют собой симметричные структуры, расположенные в местах слияния внешней и внутренней ядерной мембран
• В клетках человека каждый ЯПК обладает массой около 120 х 106 Да, что в 40 раз больше массы рибосомы, и состоит из множества копий молекул, включающих 30 белков
• ЯПК содержит филаменты, простирающиеся в цитоплазму, и напоминающие корзину структуры, проникающие в ядро
Ядерный поровой комплекс (ЯПК) ядерной мембраны представляют собой единственные каналы, которые связывают ядро и цитоплазму. В клетках человека ЯПК имеют молекулярную массу около 120 х 106 Да и наружный диаметр порядка 120 нм. Общая масса ЯПК в 40 раз превышает массу эукариотической рибосомы. Комплекс ядерной поры состоит из многих копий примерно 30 разных полипептидов, нуклеопоринов. В противоположность ЯПК, рибосомы содержат по одной копии четырех типов РНК, и около 80 различных полипептидов.
Ядерный поровой комплекс (ЯПК) представляют собой бочкообразные структуры, проходящие через ядерную оболочку и несколько выступающие за пределы обеих мембран, образуя структуры кольцеобразной формы. Как показано на рисунке ниже, для большинства ЯПК характерна симметрия восьмого порядка. Со стороны ядра и цитоплазмы пора выглядит по-разному. Части ЯПК, выступающие в нуклеоплазму и цитоплазму, называются терминальными структурами.
С цитоплазматической стороны ЯПК терминальные структуры представляют собой восемь относительно коротких фибрилл, которые распространяются в цитоплазму на расстояние около 100 нм. Со стороны ядра аналогичные фибриллы образуют кольцо. Эта структура называется ядерная корзина или «верша». У некоторых клеток многоклеточных организмов от ядерной корзины вглубь ядра направляются дополнительные фибриллы. Со стороны цитоплазмы и ядра терминальные структуры являются местами контакта транспортируемых молекул на входе и выходе из ЯПК.
Модели, описывающие строение ядерной поры, были предложены на основании анализа сотен электронных микрофотографий отдельных ЯПК, полученных при высоком разрешении. Для наложения изображений и их анализа использовались математические методы, дающие возможность получить усредненную картину распределения электронной плотности или обобщенную структуру кора ЯПК (этот метод не обеспечивает оптимального разрешения терминальных структур).
На рисунке ниже представлены модели структуры кора ЯПК клеток дрожжей и Xenopus. Размеры ЯПК клеток S. cerevisiae и других одноклеточных эукариот составляют около 60 х 106 Да — т. е. вполовину меньше, чем размеры ЯПК многоклеточных организмов. Однако, несмотря на разницу в размерах, их общее строение одинаково. Размер центрального канала поры, а также его транспортные свойства у Metazoa и дрожжей также одинаковы. В настоящее время наилучшие изображения ЯПК получены методом криоэлектронной микроскопии.
ЯПК характеризуется осью симметрии восьмого порядка, расположенной перпендикулярно оболочке ядра.
Иногда встречаются поры, обладающие симметрией седьмого или девятого порядка.
Симметрия восьмого порядка легко видима на увеличенных изображениях отдельных ЯПК (фотографии внизу).
Усредненная микрофотография в электронном микроскопе, полученная по результатам нескольких сотен отдельных фотографий (внизу справа).
Как показано на рисунке ниже, при любом расположении ЯПК происходит слияние наружной и внутренней мембран ядра. Мы не знаем, каким образом это происходит, но, скорее всего, слияние является интегральной частью процесса сборки ЯПК в ядерной оболочке. Комплексы закрепляются в оболочке с помощью интегральных мембранных белков, которые являются частью основной структуры. Эти белки проходят в перинуклеарное пространство. ЯПК проникают в ядерную ламину и также скрепляются с ней.
Обобщенная модель ЯПК, построенная по данным многих исследований, предполагает, что ядерная пора состоит из нескольких кольцевых и напоминающих спицы структур. Эти структуры сложным образом соединены между собой. ЯПК состоят из модульных компонентов. С помощью сканирующего электронного микроскопа можно наблюдать различные структуры, которые подтверждают эту точку зрения. Основываясь на полученных данных, предложена модель, описывающая сборку модульных структур. Однако пока мы не можем проверить, действительно ли они соединены таким образом. Мы также очень мало знаем о процессе сборки ЯПК.
Фиксация клеток позволяет наблюдать этапы продвижения материалов по каналу ЯПК. При исследовании препаратов в электронном микроскопе часто видно, что полость центрального канала заполнена плотной средой. Относительно состава этой среды существуют различные точки зрения. Согласно одной из них, среда представляет собой часть ЯПК, которая наиболее прочно связывается с карго, транспортируемым через канал. Поэтому для ее обозначения используют термин транспортер или втулка. Альтернативная точка зрения предполагает, что в действительности электронноплотный материал является комплексом карго с рецептором. На основании исследований, проведенных с помощью электронного микроскопа с высоким разрешением, этот материал, по-видимому, характеризуется различными размерами и переменной локализацией в канале ЯПК, что более совместимо с точкой зрения о том, что он состоит из комплексов карго-рецептор.
В некоторых клетках ЯПК находятся не только в ядерной оболочке, но также в структурах, называемых окончатыми мембранами, которые представляют собой стопки двойных мембран, содержащих ЯПК и расположенных в цитоплазме. Часто ЯПК в слоях окончатых мембран располагаются так, как показано на рисунке ниже. Обычно окончатые мембраны присутствуют в ооцитах беспозвоночных и позвоночных, однако могут наблюдаться также и в других типах клеток. Происхождение и функции их остаются неизвестными.
Ядерный поровой комплекс (ЯПК) клеток млекопитающих трудно отделить от ядерной оболочки, поскольку они обычно связаны с ламиной, представляющей собой нерастворимую структуру, и поэтому являются неудобным объектом исследования. Поскольку окончатые мембраны не имеют подстилающей ламины, они представляют собой ценный источник выделения ЯПК для последующих биохимических и цитологических исследований. Вероятно, ЯПК окончатых мембран имеют такое же строение и состав, как и комплексы пор ядерной оболочки.
ЯПК обладают различными терминальными структурами.
Как показывают исследования в электронном микроскопе,
со стороны ядра по форме они напоминают корзину (слева),
а со стороны цитоплазмы представлены фибриллами (справа).
Цитоплазматические фибриллы и ядерные корзины ядерных пор,
видимые в трансмиссионном электронном микроскопе.
Трехмерные компьютерные модели ЯПК,
иллюстрирующие распределение средней электронной плотности.
Представлен вид моделей сбоку, вдоль плоскости ядерной оболочки, и сверху, перпендикулярно оболочке.
Наружная и внутренняя мембраны ядерной оболочки соединяются в области комплекса ядерной поры.
Предполагается, что ЯПК собраны из модульных компонентов.
Показаны фотографии этих компонентов, сделанные в электронном микроскопе на разных стадиях сборки ЯПК после митоза.
Окончатые мембраны в ооцитах Xenopus.
Фотография получена в трансмиссионном электронном микроскопе.
