Механизм транспорта белков в ядро через ядерные поры
• В структуре зрелых ядерных белков содержится последовательность, в которой хранится информация об их ядерной локализации
• Белки избирательно поступают в ядро и выходят из него через ядерные поры
• Информация о ядерном импорте хранится в небольшом участке молекулы транспортируемого белка
Считается, что все макромолекулы поступают в ядро и выходят из него по большим каналам ядерных пор. На рисунке ниже представлена скорость транспорта для некоторых белков карго.
Транспортный процесс начинается с причаливания (докинга) белков (транспортируемых белков карго) на фибриллы ЯПК, выходящие в цитоплазму. Это было показано с помощью электронной микроскопии, которая позволяет наблюдать отдельные этапы транспорта белков через ЯПК. При введении в цитоплазму ооцита электронно-плотных частиц золота, покрытых ядерным белком, они накапливаются в ядре. Некоторые частицы откладываются на фибриллах цитоплазмы или в канале ЯПК.
Процесс причаливания белков на ядерные поровые комплексы (ЯПК) не требует поступления энергии извне, однако транспорт является энергозависимым процессом. Когда клетки инкубируются при низкой температуре или обрабатываются ингибиторами энергетических процессов, частицы золота, покрытые белком, остаются связанными с цитоплазматическими компонентами ЯПК, но не проходят в канал комплекса и в ядро.
Скорость входа и выхода некоторых макромолекул, которые транспортируются через ядерные поры.
Скорость отражает относительные количества каждого из транспортируемых белков.
Транспорт белков через ядерные поровые комплексы (ЯПК) представляет собой высокоселективный процесс. Во многих случаях транспортируемые белки содержат информацию о направлении их в ядро. Белок, не содержащий адресного сигнала, может импортироваться, присоединившись к белку, обладающему таким сигналом. Существование на белках сигнала импорта нагляднее всего демонстрируется при выделении ядерных белков из ооцитов Xenopus и их последующего введения в цитоплазму. Белки быстро проникают в ядро, что подтверждает наличие у них соответствующей информации.
Эти эксперименты также показывают, что в отличие от большинства сигнальных последовательностей, несущих информацию о транслокации белков в ЭПР, сигналы ядерного адресования не отщепляются при транспорте белка в компартмент. Способность ядерного белка к возобновлению транспорта имеет важное значение: при делении оболочка ядра разрушается, и ядерные белки распределяются по клетке. После митоза белки должны снова поступить во вновьобразованное ядро.
Последовательность структуры белка, несущая информацию о ядерной локализации, находится на небольшом участке его молекулы. Впервые она была обнаружена в классических экспериментах Ласки. Эксперименты проводились с нуклеоплазмином, представляющим собой распространенный ядерный белок. При введении нуклеоплазмина в цитоплазму ооцита Xenopus белок быстро накапливается в ядре. Поскольку ядро уже содержит большое количество нуклеоплазмина, вновь поступающий белок накапливается против концентрационного градиента.
Нуклеоплазмин является относительно небольшим белком, с мол. массой 33 кДа. Однако он всегда образует пентамер с мол. массой, приближающейся к 150 кДа. Поэтому он слишком велик для того, чтобы проникать в ядро за счет простой диффузии.
Для проверки предположения о том, что информация о ядерном импорте может находиться только в части молекул белка, пентамер нуклеоплазмина разрезали на две части с помощью протеазы. Одна часть («хвост»), размером 10 кДа, представляла собой фрагмент С-терминального участка каждого мономера, а другая, пентамерная, размером 100 кДа, содержала их остальную часть («сердцевина»).
Различные фрагменты нуклеоплазмина вводили в ооциты Xenopus для того, чтобы определить, какие из них содержат информацию о транспорте в ядро. После введения в цитоплазму сердцевина не проникала в клеточное ядро. Поэтому она не несет информации о ядерной локализации. Однако при введении непосредственно в ядро сердцевина оставалась внутри органеллы и не выходила назад в цитоплазму. Хвостовые фрагменты транспортировались из цитоплазмы в ядро и там удерживались.
При частичной обработке протеазой получались сердцевины, удерживающие один или несколько хвостов. Присутствие одного хвоста оказалось достаточным для транспорта белка в ядро.
Результаты этих экспериментов позволили прийти к заключению о том, что ядерные поры представляют собой избирательные каналы, которые пропускают только белки, содержащие соответствующую информацию в виде последовательности аминокислот. Информация о ядерном транспорте локализуется только в части молекулы белка — в случае нуклеоплазмина это фрагмент С-терминального участка, размером 10 кДа. Вместе с тем простая диффузия и удержание белка в ядре недостаточны для его транспорта из цитоплазмы в ядро.
Это подтверждается наблюдением, что пентамерная сердцевина остается в ядре, если поместить ее туда, но сама по себе она там не накапливается.
Введение нуклеоплазмина в цитозоль или в ядро ооцитов Xenopus
иллюстрирует важность фрагмента С-терминального хвоста для импорта белка в ядро.
